CN101795052B - 基于晶闸管的高压直流输电用换流阀阀模块 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于晶闸管的高压直流输电用换流阀阀模块，将晶闸管单元51、阻尼电容单元52、阻尼电阻单元53和控制单元56在阀模块框架上采用分层布置，与目前在运行的换流阀阀模块相比，大大减小了阀模块在宽度方向的尺寸，宽度方向的尺寸减小后，其具有几何尺寸小、重量轻、组装方便且便于维护的优点。

Description

基于晶闸管的高压直流输电用换流阀阀模块

技术领域

本发明涉及电力系统换流阀领域，具体涉及一种基于晶闸管的高压直流输电用换流阀阀模块。 

背景技术

换流阀作为高压直流输电系统的核心设备，其发展和应用已经有多年的历史。传统高压直流输电的换流阀阀模块是以晶闸管串联结构为核心，同时又包含了晶闸管的控制、触发和保护系统。围绕晶闸管的安全可靠工作，换流阀阀模块包括以下辅助元器件：饱和电抗器组件4、晶闸管单元51、阻尼电阻单元53、阻尼电容单元52，直流均压电阻512、取能电阻513、用于晶闸管控制、触发和保护的控制单元56，以及满足冷却要求的水冷系统。根据直流输电的电压等级和输送功率的要求，选择合适的晶闸管型号，将这些元器件、控制单元56和水冷系统有效的整合在一起，就构成了换流阀阀模块。 

目前现有技术中在运行的换流阀阀模块存在着一些问题，比如易漏水、重量大、结构尺寸大、安装和维护不方便等缺点。漏水是目前影响换流阀安全运行的关键因素，也是目前在运行的换流阀常出现的运行问题。换流阀结构和重量特性又关系到换流阀的成本和安装维护方便性，安装和维护特性又关系到换流阀工程应用的可操作性和工作效率。 

目前换流阀阀模块结构设计在元器件布局上，基本都是将晶闸管511、阻尼电容521、阻尼电阻531、直流均压电阻512、门极单元等作为一个组件整体设计，这个组件就被成为晶闸管级组件5。在晶闸管级组件5设计上，基本上都是把若干个串联晶闸管级的晶闸管作为一个独立晶闸管单元，阻尼电容521作为一个独立的阻尼电容单元52、阻尼电阻531作为一个独立阻尼电阻单元53，控制回路一个独立控制单元56，晶闸管单元51、阻尼电阻单元53、阻尼电容单元52和控制单元56在阀模块的布局设计上，基本采用在一个平面布置，即将这些单元在阀模块结构框架上展开放置，有的阀模块以晶闸管单元为中心，在其两侧放置阻尼电容单元52、阻尼电阻单元53和控制单元56，有的阀模块则将晶闸管单元51、阻尼电阻单元53、阻尼电容单元52和控制单元56沿一个方向并列放置。 

晶闸管级元器件在结构设计上的平铺放置设计，增大了阀模块在宽度方向的尺寸，该尺寸的增加会带来以下的问题： 

(1)不利于元器件在安装和拆卸维护，尤其是阀模块在运行现场维护时，须设置特殊的 工具，将维修的距离予以延伸，才能达到拆卸和维护的目的。 

(2)不利于晶闸管级的元器件之间的电气接线，对于晶闸管级组件5，阻尼电容、阻尼电阻531、直流均压电阻512、取能电阻513和控制回路等，基本都是围绕晶闸管511进行电气接线，采用平铺布局后，距离晶闸管511远的元器件其电气接线必然被延长，这样会影响换流阀的电气性能。电气接线被延长后，同时也会影响阀模块在布局设计上的工艺美观性。 

发明内容

本发明的目的是提供一种几何尺寸小、重量轻、组装方便且便于维护的新型的换流阀阀模块。 

为了实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：阀模块由五个环形的铝合金框架11和四根绝缘槽梁12相连接构成阀模块支撑框架1，其中四根铝合金框架11分别以两个为一组位于阀模块宽度方向的两侧。在阀模块支撑框架1上，分别两个布置饱和电抗器组件和两个晶闸管级组件5，其中两个饱和电抗器组件4位于阀模块沿长度方向的外侧，晶闸管级组件5则位于阀模块的中部。饱和电抗器组件4和晶闸管级组件5之间通过软连接母排6连接在一起。两个晶闸管级组件5在电气设计上是相同的，在结构布局上是一致的，本发明的特点就在于晶闸管级组件5的布局设计上，由于两个晶闸管级组件5在结构上一致的，所以仅以一个晶闸管级组件5讲述本发明的特点。 

晶闸管级组件5分别包括了以下元器件：晶闸管511、阻尼电容521、阻尼电阻531、直流均压电阻512、取能电阻513和控制电路板561，以上元器件在结构设计上，分别通过组合的方式构成一个相对独立的单元：晶闸管单元51、阻尼电容单元52、阻尼电阻单元53和控制单元56。晶闸管单元51是由若干个晶闸管级串联而成，每一个晶闸管两侧都有散热器514相连，根据晶闸管级的电气设计，每一个晶闸管级都对应着一个阻尼电阻531、阻尼电容521、直流均压电阻512、取能电阻513和控制单元56，本发明将直流均压电阻和取能电阻513固定在每一级晶闸管的散热器514上，这样晶闸管511、直流均压电阻512和取能电阻513在结构上就构成了一个整体的晶闸管单元51。每一个晶闸管级对应的阻尼电容在结构上相互连接成一个整体，构成了独立的阻尼电容单元52，每一个阻尼电容单元52的阻尼电容数量与晶闸管数量保持一致。阻尼电阻531在结构上也设计成了对立的阻尼电阻单元53，阻尼电阻的数量与晶闸管的数量相对应，同时又多出一个水阻匹配阻尼电阻，给电阻只是一个结构壳体，在电气上没有任何作用。 

晶闸管单元51、阻尼电阻单元53、阻尼电容单元52和控制单元56在结构布局上没有采 用传统的在阀模块上平铺放置的设计，而是采用在几何空间上分层布置的设计。整个晶闸管级组件5分为两层：晶闸管单元51和阻尼电阻单元53位于阀模块的下层，阻尼电容和控制单元56位于阀模块的上层，其中阻尼电容单元52位于阻尼电阻单元53的上部，控制单元56位于晶闸管单元51的上部。采用上层布置后，阀模块的高度尺寸会增加，为了使阀模块的高度尺寸不因为分层布置结构而增加太多，本发明将高度尺寸较大的阻尼电容单元52采用横向放置，同时对控制单元56的电路板的高度尺寸进行优化设计，则大大的降低了阀模块的高度尺寸，使得阀模块的高度尺寸不因为阀模块的双层布置而增加太大，从而将阀模块的高度尺寸控制在合理的范围内。 

在元器件选型上，采用小型的模块化的阻尼电阻531，阻尼电阻为直接水冷式结构设计，其外壳为阻燃的的塑料材料。阻尼电容也采用特殊设计，电容器分为两种类型：三个接线端子的电容器和两个接线端子的电容，接线端子在布置上采用特殊设计，不管是两个接线端子的电容器和三个接线端子的电容器，都有一个接线端子位于电容器的尾部，同时也作为电容器的固定端子。直流均压电阻512和取能电阻513则选用模块化的厚膜电阻。 

阀模块设计系统包括了水冷系统。阀模块由两个饱和电抗器和两个晶闸管级组件5构成，在水冷系统设计上，一个晶闸管级组件5和其串联的饱和电抗器共用一个水冷系统，则一个阀模块包含了两个相对独立的水冷系统，两个水冷系统在结构布局上是相同的。对于一个独立的水冷系统，在晶闸管单元51的外侧布置了主进水管711，在阻尼电阻531的外侧布置了主回水管712。主进水管711和主回水管712上设置了多个分支水管713。主进水管711通过分支水管713直接给晶闸管散热器供水，该水路再通过晶闸管散热器514与阻尼电阻之间的分支水管713回到主回水管712。晶闸管级的水路采用全并联设计。水冷系统同时冷却饱和电抗器的绕组和铁心，饱和电抗器绕组冷却水路和铁心冷却水路也采用并联设计。两个阀段之间的水路系统相对独立。 

在电气连接上，每一个阀段的饱和电抗器和晶闸管级组件5之间通过软连接母排6相连，两个阀段之间通过软连接母排6相连。 

在阀模块的外围，布置了多个长短不一的屏蔽罩8，屏蔽罩的边缘和棱角采用圆弧设计。屏蔽罩8固定在阀段制成框架上，其中较长的屏蔽罩位于阀段的靠近饱和电抗器一侧的铝合金横梁上，较短屏蔽罩8位于阀段靠近门极单元一侧的绝缘槽梁12上。 

阀模块在结构设计上考虑了阻燃特性设计，所用绝缘材料都有阻燃性能，元器件在选型上也考虑了阻燃特性，比如阻尼电容521采用干式电容器，而非充油式电容器。阻尼电阻531的壳体则采用具有阻燃性材料制成。 

本发明的有益效果是： 

本发明在晶闸管级组件5上，将晶闸管单元51、阻尼电容单元52、阻尼电阻单元53和控制单元56在阀模块框架上采用分层布置，与目前在运行的换流阀阀模块相比，大大减小了阀模块在宽度方向的尺寸。宽度方向的尺寸减小后，具有以下的优势： 

(1)有利于阀模块的晶闸管级组件5的晶闸管单元51、阻尼电容单元52、阻尼电阻单元53和控制单元56的安装和拆卸，提高了阀模块的组装效率，更有利于换流阀的工程应用。 

(2)阀模块的晶闸管级组件5采用新的布局结构型式后，晶闸管级的各个元器件之间的电气接线距离被大大的缩短，电气接线的布局更有利于设计，增加了阀模块的工艺美观性和简洁性。 

(3)采用新的结构布局后，阀模块的重量也因为支撑结构的优化而被有效的降低，从而降低了对阀模块支撑结构的强度要求，提高了阀模块性能稳定性，降低了阀模块的成本。 

(4)新的结构布局在改善阀模块元器件之间电气接线的同时，也可以有效的改变阀模块内部的电场分布。 

(5)与在运行的换流阀阀模块结构相比，在重量分布上本发明也进行了优化设计，重量最大的饱和电抗器和晶闸管级组件5在阀模块的同一轴线上布置，其重心靠近阀模块框架结构的几何中心，从而改善了整个阀模块的受力状况。 

(6)阀模块在电气连接上，一个阀段内部的饱和电抗器组件4与晶闸管级组件5之间采用软连接母排6进行电气连接，连个阀段之间也通过软连接母排6进行连接，这种设计可以避免由于换流阀在运行过程中产生的震动造成对连接母排6的破坏，同时也可以保证连接母排6之间的长期连接可靠性，提高了换流阀工作的安全性。 

(7)在水路设计上，全并联的水路设计保证了更好的冷却效果，也保证了晶闸管级被冷却元器件冷却效果的一致性，有利于保持元器件性能不会因为冷却温度的差异而出现性能的差异。在水管设计上，采用较大内径的水管。较大内径的水管和全并联的水路设计，可以有效降低水冷系统内的水压要求，从而避免了由于水压过大而造成的水管接头漏水的发生，且提高了水路管路系统的工作寿命，提高的了阀模块长期运行的可靠性。 

(8)在元器件选型上，采用小型的模块化设计的塑料壳体的阻尼电阻，可以降低阀模块的几何尺寸，减轻阀模块的重量，且便于阀模块的组装。阻尼电容为干式充气电容器，体积小，重量轻，有利于结构布置和安装，且可以降低阀模块的结构尺寸和重量。 

(9)由于阀模块的绝缘材料选择了具有阻燃性的材料，且阻尼电阻531的壳体采用阻燃性材料、阻尼电容521采用干式设计，都增加了阀模块的防火特性，使得阀模块具有很好的 阻燃特性，可以有效的降低由火灾引起的产品损失。 

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。 

图1本发明的阀模块结构示意图。 

图2本发明的阀模块制成框架示意图。 

图3本发明的晶闸管级组件5的结构示意图。 

图4本发明的饱和电抗器组件4的结构示意图。 

图5本发明的阀模块水路系统示意图。 

图6本发明的阻尼电阻单元结构示意图。 

图7本发明的阻尼电容单元示意图。 

图8本发明的门极单元结构示意图。 

具体实施方式

以下通过具体实施例并结合附图对本发明进行详细的说明。 

如图1和图2所示，阀模块由五个铝合金环形框架12和四根绝缘槽梁11构成了阀模块的制成框架1，绝缘槽梁11位于阀模块框架的两侧。在阀模块支撑框架的内部，布置了阀模块的各个元器件，其中饱和电抗器4位于阀模块的长度方向两侧，晶闸管级组件5位于阀模块的中间部位。阀模块的外围有多个屏蔽罩，其中阻尼电容一侧没有屏蔽罩，屏蔽罩的结构为特殊圆角设计。饱和电抗器与晶闸管级组件5之间通过软连接母排6实现电气连接，在电气设计上，一个阀模块就是由两个饱和电抗器4和多个晶闸管的串联连接。 

如图3所示，在阀模块的两个铝合金环形框架12之间放置了晶闸管级组件5。晶闸管级组件5包括了门极单元56、晶闸管单元51、阻尼电容单元52、阻尼电阻单元53，其中晶闸管单元51包括了晶闸管511、直流均压电阻512和取能电阻513。阻尼电阻单元53和晶闸管单元51位于阀模块框架的底部，在同一支撑平面布置，门极单元56和阻尼电容单元52位于阀模块支撑框架的上部，且在同一支撑平面固定，其中门极单元56位于晶闸管单元51的上部，之间有一定的距离间隔，阻尼电容单元52位于阻尼电阻单元53的上部，之间有一定的距离间隔。 

如图4所示，在阀模块结构沿长度方向的两侧，布置了饱和电抗器组件4，饱和电抗器4放置在两个铝合金环形框架12之间，直接坐落在绝缘支撑板上，绝缘支撑板固定在铝合金环形框架12上，该绝缘支撑板采用高强度的复合绝缘材料，即满足电气绝缘性能的要求，又起 到可靠的结构支撑作用。饱和电抗器4的两侧布置了主进水管711和主回水管712，主进水管711和主回水管712与晶闸管级组件5的主进水管711和主回水管712为同一水管。 

如图5所示，阀模块的结构设计包括了冷却水路设计，整个冷却系统包括了两个的冷却系统，这两个系统以相邻的一个饱和电抗器4和一个晶闸管级组件5为整体相互对立，每一个冷却系统分别对相邻的饱和电抗器4和晶闸管级组件5冷却。对于一个独立的冷却系统，其冷却包括了饱和电抗器4的冷却、阻尼电阻531的冷却和晶闸管散热器514的冷却，其中阻尼电阻531为直接水冷型式。每一个晶闸管级的散热器514和阻尼电阻531采用串联冷却结构，冷却水先由主进水管711通过分支水管713送给晶闸管散热器514，再由散热器514通过分支水管713供应给阻尼电阻531，最后流回主回水管712。晶闸管级之间的水冷系统为全并联设计。饱和电抗器4的冷却包括了绕组的冷却和铁心散热器514的冷却，其中绕组的冷却水路和铁心散热器514的冷却水路为并联冷却水路。 

如图6所示，阻尼电容单元52通过其底部的固定螺栓固定在绝缘支架上，绝缘支架由绝缘角件和绝缘短板组装而成。每一个晶闸管级的阻尼电容包括了两个电容器，一个电容器为三个出线端子的电容器，另外一个为两个出线端子的电容器。电容器在阀模块上的固定时，采用横向放置，这样可以降低阀模块的高度尺寸和缩短晶闸管级的电气接线距离。阻尼电容单元52在组装时，也是采用单独组装，然后再固定在晶闸管级组件5上。 

如图7所示，阻尼电阻531通过绝缘螺栓固定在绝缘槽梁上，构成了一个阻尼电阻单元53，阻尼电阻531为直接水冷式电阻。每一个精轧攻击的对应一个阻尼电阻531。在进行阀模块组装时，阻尼电阻单元53采用单独组装，然后再通过铝合金固定角件固定在晶闸管级组件5上。 

如图8所示，门极单元56由电路板支架562、绝缘角件563、绝缘横板564、绝缘侧板565和盖板组成566，其中绝缘角件563、绝缘横板564、绝缘侧板565和盖板566通过绝缘螺栓567固定成支撑框架整体，而绝缘侧板支架则采用连接件连接在一起。 

此处已经根据特定的示例性实施例对本发明进行了描述。对本领域的技术人员来说在不脱离本发明的范围下进行适当的替换或修改将是显而易见的。示例性的实施例仅仅是例证性的，而不是对本发明的范围的限制，本发明的范围由所附的权利要求定义。 

Claims (8)

1.一种基于晶闸管的高压直流输电用换流阀阀模块，包括由五个环形的铝合金框架(11)和四根绝缘槽梁(12)相连接构成的阀模块支撑框架(1)，其中四个铝合金框架(11)分别以两个为一组位于阀模块宽度方向的两侧，在阀模块的支撑框架(1)上，分别布置两个饱和电抗器组件(4)和两个晶闸管级组件(5)，其中两个饱和电抗器组件(4)位于阀模块沿长度方向的外侧，晶闸管级组件(5)则位于阀模块的中部，饱和电抗器组件(4)和晶闸管组件(5)之间通过软连接母排(6)连接在一起，两个晶闸管级组件(5)在电气设计上是相同的，在结构布局上是一致的。

2.如权利要求1所述的阀模块，其特征在于所述每个晶闸管级组件(5)分别包括以下元器件：晶闸管(511)、阻尼电容(521)、阻尼电阻(531)、直流均压电阻(512)、取能电阻(513)和控制电路板(561)，以上元器件在结构设计上，分别通过组合的方式构成一个相对独立的单元：晶闸管单元(51)、阻尼电容单元(52)、阻尼电阻单元(53)和控制单元(56)；晶闸管单元(51)是由若干个晶闸管级串联而成，每一个晶闸管(511)两侧都有散热器(514)相连，根据晶闸管级的电气设计，每一个晶闸管级都对应着一个阻尼电阻(531)、阻尼电容(521)、直流均压电阻(512)、取能电阻(513)和控制单元(56)；

将直流均压电阻(512)和取能电阻(513)固定在每一级晶闸管(511)的散热器(514)上，这样晶闸管(511)、直流均压电阻(512)和取能电阻(513)在结构上就构成了一个整体的晶闸管单元(51)，每一个晶闸管级对应的阻尼电容(521)在结构上相互连接成一个整体，构成了独立的阻尼电容单元(52)，每一个阻尼电容单元(52)的阻尼电容(521)的数量与晶闸管(511)的数量保持一致，阻尼电阻(531)在结构上也设计成了独立的阻尼电阻单元(53)，阻尼电阻(531)的数量与晶闸管(511)的数量相对应，同时又多出一个水阻匹配阻尼电阻(532)，该水阻匹配阻尼电阻(532)只是一个结构壳体，在电气上没有任何作用。

3.如权利要求2所述的阀模块，其特征在于晶闸管单元(51)、阻尼电阻单元(53)、阻尼电容单元(52)和控制单元(56)在结构布局上没有采用传统的在阀模块上平铺放置的设计，而是采用在几何空间上分层布置的设计，整个晶闸管级组件分为两层：晶闸管单元(51)和阻尼电阻单元(53)位于阀模块的下层，阻尼电容单元(52)和控制单元(56)位于阀模块的上层，其中阻尼电容单元(52)位于阻尼电阻单元(53)的上部，控制单元(56)位于晶闸管单元(51)的上部，采用上层布置后，阀模块的高度尺寸会增加，为了使阀模块的高度尺寸不因为分层布置结构而增加太多，将高度尺寸较大的阻尼电容单元(52)用横向放置，同时对控制单元(56)的电路板的高度尺寸进行优化设计，从而大大降低了阀模块的高度尺寸，使得阀模块的高度尺寸不因为阀模块的双层布置而增加太大，从而将阀模块的高度尺寸控制在合理的范围内。

4.如权利要求3所述的阀模块，其特征在于在元器件选型上，采用小型的模块化的阻尼电阻(531)，阻尼电阻(531)为直接水冷式结构设计，其外壳为阻燃的的塑料材料，阻尼电容(521)所采用的电容器分为两种类型：三个接线端子的电容器和两个接线端子的电容器，接线端子在布置上采用两个接线端子的电容器和三个接线端子的电容器，都有一个接线端子位于电容器的尾部，同时也作为电容器的固定端子，直流均压电阻(512)和取能电阻(513)则选用模块化的厚膜电阻。

5.如权利要求4所述的阀模块，其特征在于还具有水冷系统，在水冷系统设计上，所述阀模块包括的两个饱和电抗器组件(4)和两个晶闸管级组件(5)，在每个晶闸管级组件(5)和其串联的饱和电抗器组件(4)共用一个水冷系统，从而一个阀模块包含了两个相对独立的水冷系统，两个水冷系统在结构布局上是相同的，对于一个独立的水冷系统，在晶闸管单元(51)的外侧布置了主进水管(711)，在阻尼电阻(531)的外侧布置了主回水管(712)，主进水管(711)和主回水管(712)上设置了多个分支水管(713)，主进水管(711)通过分支水管(713)直接给晶闸管散热器(514)供水，该水路再通过晶闸管散热器(514)与阻尼电阻(531)之间的分支水管(713)回到主回水管(712)，晶闸管级的水路采用全并联设计，水冷系统同时冷却饱和电抗器组件(4)的绕组和铁心，饱和电抗器组件(4)的绕组冷却水路和铁心冷却水路也采用并联设计，两个阀段之间的水路系统相对独立。

6.如权利要求5所述的阀模块，其特征在于在电气连接上，每一个阀段的饱和电抗器组件(4)和晶闸管级组件(5)之间通过软连接母排(6)相连，两个阀段之间通过软连接母排(6)相连。

7.如权利要求6所述的阀模块，其特征在于在阀模块的外围，布置了多个长短不一的屏蔽罩(8)，屏蔽罩(8)的边缘和棱角采用圆弧设计，屏蔽罩(8)固定在阀模块支撑框架(1)上，其中较长的屏蔽罩(8)位于阀段的靠近饱和电抗器组件(4)一侧的铝合金横梁上，较短的屏蔽罩(8)位于阀段靠近门极单元一侧的绝缘槽梁(12)上。

8.如权利要求7所述的阀模块，其特征在于阀模块在结构设计上考虑了阻燃特性设计，所用绝缘材料都有阻燃性能，元器件在选型上也考虑了阻燃特性，阻尼电容(521)采用干式电容器，而非充油式电容器，阻尼电阻(531)的壳体则采用具有阻燃性材料制成。

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