CN113325290A - 一种用于高压直流输电阀用晶闸管寿命老化筛选装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于高压直流输电阀用晶闸管寿命老化筛选装置，包括机柜，所述机柜内设有四个单元模块，分别为高压控制及显示模块、夹具恒温散热模块、计算机自动记录模块和安全保护模块；可针对高压直流输电用晶闸管进行早期老化筛选，也可对长期运行的晶闸管进行老化寿命研究。本发明具备长时间可靠运行能力，具有自动恒温散热功能，可调节施加电压，可选择直流电压、正弦半波和正弦全波3种试验波形，对试验结果可自动记录，整个设备具有7重保护功能，可在无人值守的情况下进行长时间工作。

Description

一种用于高压直流输电阀用晶闸管寿命老化筛选装置

技术领域

本发明涉及半导体试验设备领域，具体涉及一种用于高压直流输电阀用晶闸管寿命老化筛选装置。

背景技术

在高压直流输电领域，为满足直流输电高压大电流需要，在高压直流输电线的整流侧和逆变侧高压阀需大量晶闸管串并联，因此晶闸管器件的可靠性是关系到这个阀组运行可靠性的关键器件。晶闸管在正常运行时往往处于高温状态，始终周期性运行于通态和断态并产生一定的功耗。当晶闸管性能退化后反应到正反向阻断状态，其漏电流将增大，或同样漏电流条件下承受的电压将降低，当单只晶闸管退化到一定程度时，将降低其阻断能力，随着退化晶闸管的数量增加到一定的数量时将可能威胁整个高压阀的运行安全。理论和实践证明，大量器件同时工作时其故障率是时间的函数，典型故障曲线称之为浴盆曲线，曲线的形状呈两头高，中间低，具有明显的阶段性，可划分为三个阶段：早期失效期，偶然失效期，耗损失效期。因此对出厂的晶闸管在一定的温度下，对元件施加规定波形和幅值的高压，经过一定时间的运行，可以加速晶闸管的退化速度，通过考核漏电流变化情况，可将早期失效超标的晶闸管进行筛选剔除，对运行一段时间晶闸管，进行老化试验可预判晶闸管耗损失效期的寿命。

发明内容

本发明的目的是提供用于高压直流输电阀用晶闸管寿命老化筛选装置，筛选高压直流输电阀用晶闸管早期失效和寿命老化分析，避免产生老化问题带来的不良影响。

一种用于高压直流输电阀用晶闸管寿命老化筛选装置，包括机柜，所述机柜内设有四个单元模块，分别为高压控制及显示模块、夹具恒温散热模块、计算机自动记录模块和安全保护模块；

所述高压控制及显示模块包括：电压调节单元、波形变换单元、电压采样单元、电流采样单元、主控单元，所述电压调节单元连接波形变换单元，所述波形变换单元连接电压采样单元，所述电压采样单元连接至主控单元，所述电流采样单元一端连接波形变换单元与电压采样单元，另一端连接至DUT夹具单元，流采样单元电流反馈信号连接主控单元，所述主控单元连接至波形变换单元、电压采样单元及电流采样单元；

所述夹具恒温散热模块包括：DUT夹具单元、电子开关、夹具温度控制仪、夹具风机、散热风道，所述DUT夹具单元设置在散热风道内，所述DUT夹具单元一端连接电流采样单元，另一端连接至限流电阻及超温继电器，夹具温度反馈信号连接至夹具温度控制仪，所述夹具温度控制仪,一个控制端连接电子开关另一个控制端连接夹具风机，所述电子开关连接DUT夹具单元，所述夹具风机设在散热风道口处；

所述安全保护模块包括：主电路保护单元、烟雾报警器、柜温控制仪、变压器超温继电器、过流保护单元、高压保险、限流电阻及超温继电器和机柜风机，所述过流保护单元一端连接波形变换单元和电压采样单元另一端连接高压保险，所述高压保险连接限流电阻及超温继电器，限流电阻及超温继电器连接DUT夹具单元，所述主控单元一个控制端连接过流保护单元，所述主控单元一个控制端连接至主电路保护单元，所述变压器超温继电器设在电压调节单元内部并且控制端连接至主电路保护单元，所述烟雾报警器控制端连接至主电路保护单元，所述柜温控制仪一个控制端连接机柜风机另一个控制端连接至主电路保护单元；

所述计算机自动记录模块包括MCU巡检单元、工控机，所述MCU巡检单元设在机柜内连接至机柜外的工控机，所述主控单元连接MCU巡检单元。

主控单元设有电压显示、电流显示、电压保护指示、电流保护指示、保护电流设定、电压上限设定、电压波形选择。

夹具温度控制仪包括夹具温度设定。

柜温控制仪设定柜内工作温度和上限温度。

波形变换单元将试验波形转换为直流、正弦半波和正弦全波三种波形。

本发明的特点为：①可产生7kV高压和200mA漏电流，为被测晶闸管提供所需的高电压条件；②可产生正弦半波、直流和正弦全波3种试验波形，为被测晶闸管提供所需的试验波形条件；③夹具具有加热和散热功能，可保证试验过程中被测晶闸管温度条件恒定；④具有计算机自动记录功能，可在长时间试验过程中自动记录试验晶闸管的电压和漏电流数据；⑤本设备设计有多达七重保护，可保证设备在长时间运行过程中安全可靠工作。

本发明用于加速晶闸管退化并筛选老化不合格产品,可进行长时间可靠运行，具有自动恒温散热功能，可调节施加电压，可选择正弦半波、直流和正弦全波3种试验波形，对试验结果可自动记录为excel文件，整个设备具有七重保护功能，可在无人值守的情况下进行长时间工作。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种用于高压直流输电阀用晶闸管寿命老化筛选装置，包括机柜20，所述机柜20内设有四个单元模块，分别为高压控制及显示模块、夹具恒温散热模块、计算机自动记录模块和安全保护模块；

本发明工作原理如下：

1、高压控制及显示模块工作原理

所述高压控制及显示模块包括：电压调节单元5、波形变换单元6、电压采样单元7、电流采样单元11、主控单元13，所述电压调节单元5连接波形变换单元6，所述波形变换单元6连接电压采样单元7，所述电压采样单元7连接至主控单元13，所述电流采样单元11一端连接波形变换单元6与电压采样单元7，另一端连接至DUT夹具单元12，电流采样单元11电流反馈信号连接主控单元13，所述主控单元13连接至波形变换单元6、电压采样单元7及电流采样单元11。

高压产生部分是将市电通过主电路保护单元1接入电压调节单元5，电压调节单元5由调压器和升压变压器组成，通过电压调节单元5将电压升到试验所需值，输出的高压经过波形变换单元6，将试验波形转换为直流、正弦半波和正弦全波三种波形，波形的选择由面板通过主控单元13控制，电压的峰值通过电压采样单元7衰减后输送至主控单元13，经峰值保持后输送至面板电压表显示，高电压通过过流保护单元8、高压保险9、限流电阻及超温继电器10和电流采样单元11施加到DUT(被测元件)上，漏电流峰值通过电流采样单元11采集后输送至主控单元13，经峰值保持后输送至面板电流表显示。

2、夹具恒温散热模块工作原理

所述夹具恒温散热模块包括：DUT夹具单元12、电子开关15、夹具温度控制仪16、夹具风机17、散热风道19，所述DUT夹具单元12设置在散热风道19内，所述DUT夹具单元12一端连接电流采样单元11，另一端连接至限流电阻及超温继电器10，夹具温度反馈信号连接至夹具温度控制仪16，所述夹具温度控制仪16一个控制端连接电子开关15另一个控制端连接夹具风机17，所述电子开关15连接DUT夹具单元12，所述夹具风机17设在散热风道19內；

被测元件放置于DUT夹具单元12上，DUT夹具单元12安装有上散热器与下加热器以及夹紧装置，为被测元件提供测试时所需的压力和温度条件，通过螺纹丝杠将被测元件压到上散热器与下加热器之间，220V加热电源通过电子开关15施加到DUT夹具单元12的下加热器上，夹具温度控制仪16包括夹具温度设定，加热温度通过夹具温度控制仪16进行控制，采集的夹具温度反馈至夹具温度控制仪16，与设定温度进行比较，经过反馈控制使夹具温度恒定于设定的温度，整个夹具安置于散热风道19内，散热风道19前安置有夹具风机17，当被测元件被施加高压后，将产生一定的漏电流，进而产生功耗，造成温度升高，在夹具温度控制仪16设定有温度上偏差量，当温度达到上偏差量时夹具温度控制仪16启动夹具风机17，将产生的功耗通过散热风道19排出机柜20，保证试验期间被测夹具温度恒定。

3、计算机自动记录模块

所述计算机自动记录模块包括MCU巡检单元14、工控机18，所述MCU巡检单元14设在机柜20内连接至机柜20外的工控机18，所述主控单元13连接MCU巡检单元14。

本设备属于长时间运行的老化考核设备，需要在试验过程中不间断对测试数据进行记录，通过MCU巡检单元14将主控单元13的电压电流峰值以设定的时间间隔采集到MCU存储器中，MCU巡检单元14与工控机18通过RS232串口通信，并按设定的时间间隔将采集到电压电流峰值上传到工控机18，同时将当前元件编号、记录时间以excel表格形式保存。

4、安全保护模块

所述安全保护模块包括：主电路保护单元1、烟雾报警器2、柜温控制仪3、变压器超温继电器4、过流保护单元8、高压保险9、限流电阻及超温继电器10和机柜风机21，所述过流保护单元8一端连接波形变换单元6和电压采样单元7另一端连接高压保险9，所述高压保险9连接限流电阻及超温继电器10，限流电阻及超温继电器10连接DUT夹具单元12，所述主控单元13一个控制连接过流保护单元8，所述主控单元13一个控制连接至主电路保护单元1，所述变压器超温继电器4设在电压调节单元5内部并且连接至主电路保护单元1，所述烟雾报警器2控制连接至主电路保护单元1，所述柜温控制仪3一个控制端连接机柜风机21另一个控制端连接至主电路保护单元1。主控单元13设有电压显示、电流显示、电压保护指示、电流保护指示、保护电流设定、电压上限设定、电压波形选择。

本设备由于有时需要进行上千小时连续试验运行，期间为保证无人值守的情况下可靠运行，特设计了七重保护：①电压设定保护、②电流设定保护、③过电流保护、④限流电阻超温保护、⑤高压变压器超温保护、⑥柜内超温保护、⑦柜内烟雾保护，各个保护工作原理如下：

①电压设定保护：通过面板设定电压上限值输入主控单元13，高电压峰值通过电压采样单元7反馈至主控单元13，如果当操作人员在升压时操作失误造成过压，或电网突然电压上升造成过压超过电压上限设定值，主控单元13发出保护信号控制主电路保护单元1切断电源输入，从而保护被测元件不会因超压损坏，同时面板电压保护指示灯点亮。

②电流设定保护：面板设定被测元件保护电流值输入主控单元13，漏电流峰值通过电流采样单元11反馈至主控单元13，当漏电流峰值高于保护电流设定值时，主控单元13发出保护信号控制过流保护单元8切断被测回路的高压，同时面板电流保护指示灯点亮。

③过电流保护：如果主控单元13漏电流保护环节控制电路失效，电流超过一定值后，高压保险9熔断，切断被测回路的高压。

④限流电阻超温保护：如果高压保险9熔断也失效，较大的漏电流持续流过限流电阻及超温继电器10，使限流电阻发热，当其表面温度超过75℃时，限流电阻及超温继电器10动作触点断开，控制主电路保护单元1切断电源输入，从而切断被测回路的高压。

⑤高压变压器超温保护：如果限流电阻及超温继电器10也失效，持续大电流使电压调节单元5变压器发热，当变压器表面温度超过75℃时，变压器超温继电器4动作触点断开，控制主电路保护单元1切断电源输入，从而切断被测回路的高压。

⑥柜内超温保护：由于机柜20内有加热的DUT夹具单元12、可能发热的电压调节单元5和限流电阻及超温继电器10，通过柜温控制仪3设定柜内工作温度和上限温度，当柜内温度超过柜温控制仪3设定的工作温度时，启动机柜风机21将机柜20内热量排出；若机柜20内温度继续上升，超过温控表设定的上限温度时，则柜温控制仪3控制主电路保护单元1切断电源输入。

⑦柜内烟雾保护：如果柜内温度不高但有烟雾产生，机柜20内上部的烟雾报警器2检测到烟雾后动作，控制主电路保护单元1切断电源输入。

5、实际效果

本装置运行时根据要求将一定数量的晶闸管被测元件分别夹到各夹具单元上，通过夹具恒温散热模块的温度控制仪设定试验温度，通过波形变换单元选择试验波形，通过电压调节单元将电压升到所需的试验电压，开始老化试验，在试验过程中计算机自动按设定的时间间隔记录各个元件的电压及漏电流值，并保存为excel文件，如果试验中有被测晶闸管漏电流超标，高压控制单元将切断试验电压，同时试验结果被自动记录。如果试验过程中出现过电流、过电压、超温、烟雾异常，设备安全保护模块将自动切断电源保证设备安全。当到达规定的试验时间后被测晶闸管将进行复测，复测结果超标的晶闸管将被筛选踢出，通过判断失效率从而可以分析所选批次的晶闸管的老化试验效果。

本发明已应用到高压直流输电用晶闸管老化型式试验及出厂筛选测试上，经过多轮试验，最长试验时间连续1000小时，设备运行可靠，数据自动记录完整，通过筛选剔除早期老化晶闸管，从而有力的保证了高压直流输电用晶闸管运行的可靠性。

Claims (5)

1.一种用于高压直流输电阀用晶闸管寿命老化筛选装置，包括机柜(20)，其特征在于：所述机柜(20)内设有四个单元模块，分别为高压控制及显示模块、夹具恒温散热模块、计算机自动记录模块和安全保护模块；

所述高压控制及显示模块包括：电压调节单元(5)、波形变换单元(6)、电压采样单元(7)、电流采样单元(11)、主控单元(13)，所述电压调节单元(5)连接波形变换单元(6)，所述波形变换单元(6)连接电压采样单元(7)，所述电压采样单元(7)连接至主控单元(13)，所述电流采样单元(11)一端连接波形变换单元(6)与电压采样单元(7)，另一端连接至DUT夹具单元(12)，电流采样单元(11)电流反馈信号连接主控单元(13)，所述主控单元(13连接至波形变换单元(6)、电压采样单元(7)及电流采样单元(11)；

所述夹具恒温散热模块包括：DUT夹具单元(12)、电子开关(15)、夹具温度控制仪(16)、夹具风机(17)、散热风道(19)，所述DUT夹具单元(12)设置在散热风道(19)内，所述DUT夹具单元(12)一端连接电流采样单元(11)，另一端连接至限流电阻及超温继电器10，夹具温度反馈信号连接至连接至夹具温度控制仪(16)，所述夹具温度控制仪(16),一个控制端连接电子开关(15)另一个控制端连接夹具风机(17)，DUT夹具单元(12)通过电子开关(15)连接加热电源，所述夹具风机(17)设在散热风道(19)口处；

所述安全保护模块包括：主电路保护单元(1)、烟雾报警器(2)、柜温控制仪(3)、变压器超温继电器(4)、过流保护单元(8)、高压保险(9)、限流电阻及超温继电器(10)和机柜风机(21)，所述过流保护单元(8)一端连接波形变换单元(6)和电压采样单元(7)另一端连接高压保险(9)，所述高压保险(9)连接限流电阻及超温继电器(10)，限流电阻及超温继电器(10)连接DUT夹具单元(12)，所述主控单元(13)一个控制端连接过流保护单元(8)，所述主控单元(13)一个控制端连接至主电路保护单元(1)，所述变压器超温继电器(4)设在电压调节单元(5)内部并且控制端连接至主电路保护单元(1)，所述烟雾报警器(2)控制端连接至主电路保护单元(1)，所述柜温控制仪(3)一个控制端连接机柜风机(21)另一个控制端连接至主电路保护单元(1)；

所述计算机自动记录模块包括MCU巡检单元(14)、工控机(18)，所述MCU巡检单元(14)设在机柜(20)内连接至机柜(20)外的工控机(18)，所述主控单元(13)连接MCU巡检单元(14)。

2.如权利要求1所述的一种用于高压直流输电阀用晶闸管寿命老化筛选装置，其特征在于：主控单元(13)设有电压显示、电流显示、电压保护指示、电流保护指示、保护电流设定、电压上限设定、电压波形选择。

3.如权利要求1所述的一种用于高压直流输电阀用晶闸管寿命老化筛选装置，其特征在于：夹具温度控制仪(16)包括夹具温度设定。

4.如权利要求1所述的一种用于高压直流输电阀用晶闸管寿命老化筛选装置，其特征在于：柜温控制仪(3)设定柜内工作温度和上限温度。

5.如权利要求1所述的一种用于高压直流输电阀用晶闸管寿命老化筛选装置，其特征在于：波形变换单元(6)将试验波形转换为直流、正弦半波和正弦全波三种波形。

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