CN113835010A - 高压换流阀用晶闸管多应力加速老化试验装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高压换流阀用晶闸管多应力加速老化试验装置及使用方法，其包括：试验箱，由双层金属板构成方体结构，双层金属板之间具有夹层；振动发生装置，设置在试验箱的底部，用于产生机械应力；待测晶闸管夹紧装置，设置在振动发生装置的顶部，用于夹紧待测晶闸管并进行散热；热应力发生装置，设置在试验箱的外部，与待测晶闸管夹紧装置连接，用于产生热应力；盐雾发生装置，设置在试验箱的一侧外壁，用于将产生的湿应力输入试验箱内；辐射发生装置，设置在试验箱的一侧外壁，用于将产生的磁辐射应力输入试验箱内；中央控制系统，与各发生装置连接，用于接收检测信息，并根据试验需求向各发生装置发送控制信号。

Description

高压换流阀用晶闸管多应力加速老化试验装置及使用方法

技术领域

本发明涉及晶闸管技术领域，特别是关于一种高压换流阀用晶闸管多应力加速老化试验装置及使用方法。

背景技术

高电压大功率晶闸管是超高压或特高压直流输电工程中换流阀的关键元件，晶闸管的健康状况直接影响着直流输电工程的安全可靠性。晶闸管在工作过程中，在高电压、大电流、温度、湿度、机械振动、以及辐射等多种应力的共同作用下，晶闸管发生老化的现象在所难免，其性能参数也随着老化而改变。全面掌握晶闸管的老化及其参数退化的规律，对于晶闸管状态评估、制定科学的检修方案，以及对晶闸管剩余寿命预测均具有十分重要的意义。

晶闸管属于长寿命器件，在正常工作状态下晶闸管的老化的需的时间很长（可能要几十年时间），在正常工作条件下进行老化试验，不仅同期长，而且费用昂贵。加速老化试验是长寿命产品老化试验常用的方法，引起晶闸管老化的因素主要有温度、过电压、过电流、湿度、机械振动及机械磨损等，其中过电压与过电压又与温度密切相关。

目前，晶闸管的加速老化试验还没有一个详细的、系统的设计说明和标准，IEC标准（IEC60749-34、IEC60068-2-14）和JEDEC标准（JESD22-A105C、JESD22-A122）都规定了一般的功率循环和热循环试验步骤，内容大同小异，程序的细节仍然含糊不清。常采用的晶闸管加速老化试验方法主要有功率循环加速老化方法、热循环加速老化方法等，这些试验方法只是考虑了晶闸管在单一应力下的老化特性，而晶闸管实际老化是在温度、湿度、机械应力等多种应力共同作用下发生的，单一应力下的加速老化试验结果与实际老化特性存在较大差异，迫切需要一种能够反映晶闸管实际工作状况下受多种应力同时作用的加速试验装置及试验方法。

发明内容

针对上述晶闸管老化试验中施加应力单一的问题，本发明的目的是提供一种高压换流阀用晶闸管多应力加速老化试验装置及使用方法，其可同时施加热应力、湿度应力、机械应力、辐射应力等多应力，可大大提高晶闸管加速老化试验的精度，使晶闸管的加速老化试验能更好地接近正常工况下的老化规律。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种高压换流阀用晶闸管多应力加速老化试验装置，其包括：试验箱，由双层金属板构成方体结构，所述双层金属板之间具有夹层，位于所述试验箱的顶部设置有与所述夹层连通的出水口，位于所述试验箱的底部设置有与所述夹层连通的进水口；振动发生装置，设置在所述试验箱的底部，用于产生机械应力；待测晶闸管夹紧装置，设置在所述振动发生装置的顶部，用于夹紧待测晶闸管并进行散热；热应力发生装置，设置在所述试验箱的外部，通过电流引线与所述待测晶闸管夹紧装置连接，用于产生热应力；盐雾发生装置，设置在所述试验箱的一侧外壁，用于将产生的湿应力输入所述试验箱内；辐射发生装置，设置在所述试验箱的一侧外壁，用于将产生的磁辐射应力输入所述试验箱内；中央控制系统，与所述振动发生装置、所述热应力发生装置、所述盐雾发生装置和所述辐射发生装置连接，用于接收检测信息，并根据试验需求向各所述发生装置发送控制信号。

进一步，所述振动发生装置，包括：

U型铁芯，设置为四个；其中两个所述U型铁芯固定设置在所述试验箱的底部外壁面上，位于所述试验箱外部，另外两个所述U型铁芯的两端分别经一支撑弹簧固定设置在所述试验箱的底部内壁面上，位于所述试验箱内部；

载物台，设置在位于所述试验箱内部的所述U型铁芯的顶部，且所述载物台的中心位置处设置有测温孔；

激磁线圈，设置在位于所述试验箱外部所述U型铁芯的两端，用于产生电磁力。

进一步，所述振动发生装置还包括振动电源及振动控制器；所述振动电源为所述振动控制器供电，所述振动控制器分别与所述激磁线圈和所述中央控制系统连接，向所述激磁线圈传输控制信号，与所述中央控制系统进行信息交互。

进一步，位于所述试验箱内部的所述U型铁芯的两端，与所述试验箱的箱壁之间具有空气间隙，为可动铁芯。

进一步，所述待测晶闸管夹紧装置，包括：

散热槽，设置为两块；其中一块所述散热槽设置在所述载物台上，所述待测晶闸管设置在两块所述散热槽之间；

压紧弹簧，其一端与另一块所述散热槽的顶部连接，所述压紧弹簧的另一端固定设置在所述试验箱的顶部壁面上；

两块所述散热槽均通过所述电流引线与所述热应力发生装置连接。

进一步，所述热应力发生装置，包括：

加热电源，其输出端经所述电流引线与所述待测晶闸管夹紧装置连接，实现对所述散热槽加热；

结温测量装置，并联设置在所述加热电源的输出端，位于所述试验箱外部，用于间接测量所述待测晶闸管的结温；

红外测温装置，设置在所述试验箱的底部壁板上，与所述测温孔位于同一直线上，所述红外测温装置通过所述测温孔对所述散热槽的表面温度进行测量；

所述加热电源、所述结温测量装置及所述红外测温装置均与所述中央控制系统连接。

进一步，所述加热电源内集成有电压电流测量系统；所述电压电流测量系统用于测量加热时的所述待测晶闸管两端的电压及流过所述待测晶闸管的电流。

进一步，还包括湿度测量系统；设置在所述试验箱的内箱壁上，用于测量所述试验箱内部的湿度；并与所述中央控制系统连接。

进一步，还包括水循环控制器；所述水循环控制器与所述中央控制系统连接，进行信息交互，用于控制进入所述试验箱的所述夹层内的水的温度及水速。

一种高压换流阀用晶闸管多应力加速老化试验装置的使用方法，该使用方法基于上述试验装置实现，包括：

将待测晶闸管放置于两块散热槽之间，并由压紧弹簧将待测晶闸管紧压在载物台上；

确定待测晶闸管加速老化时应施加的各种老化应力的强度及产生应力的基本参数，并将参数输入到中央控制系统，同时通过各发生装置对待测晶闸管施加老化应力：

收集待测晶闸管实际工作环境下的机械振动频谱特性，并将振动频谱特性输入到振动控制器，振动器产生相应波形的电流给激磁线圈，试验箱内的载物台及待测晶闸管进行振动，实现对待测晶闸管施加振动机械应力；

循环水控制器根据中央控制系统发出的指令，输出具有温度的循环水至试验箱的箱壁夹层内，并使试验箱壁保持恒定温度；

加热电源根据中央控制系统的指令，产生相应幅值及间隔的方波电流，通过该电流，对待测晶闸管施加热应力，实现待测晶闸管的功率循环老化测试；

盐雾发生装置根据中央控制系统的指令，向试验箱内喷洒具有盐浓度的水雾，对待测晶闸管施加湿度应力；

辐射发生装置根据中央控制系统的指令，向待测晶闸管发射α射线或γ射线，对待测晶闸管施加辐射应力；

将检测到的温度、湿度及辐射强度反馈给中央控制系统，中央控制系统根据反馈信息调整输出指令，完成闭环控制。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明能够在进行晶闸管加速老化试验时同时对晶闸管施加多种加速老化的应力，使加速老化的试验环境更好地迫近晶闸管实际工作条件，提高加速老化试验的精度。

2、本发明可以供晶闸管生产厂家、科研机构、高压直流输电工程的用户开展晶闸加速老化试验，其试验结果可供晶闸管生产厂家用于改进产品设计方案、提高产品的质量，也可供电力系统用户用于制定科学的状态检修计划，提高供电的安全性和可靠性。

3、晶闸管在实际应用环境下的老化是多种应力共同作用的结果，与现有技术相比，本发明实施晶闸管老化试验时可同时施加多种引起老化的应力，使加速老化试验更好地反映导致晶闸管老化的实际工况，试验结果更加真实可信。

附图说明

图1是本发明一实施例中的晶闸管多应力加速老化试验装置结构示意图。

图2是本发明一实施例中的振动发生器三维结构图。

图3是本发明一实施例中的振动发生器的正视图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本发明提供一种高压换流阀用晶闸管多应力加速老化试验装置及使用方法，其能够在进行晶闸管加速老化试验时同时对晶闸管施加多种加速晶闸管老化的应力，使加速老化的试验环境更好地接近晶闸管实际工作条件，提高加速老化试验的精度。整个试验装置主要由试验箱、多应力发生系统、测量系统、水循环系统和中央控制系统构成，其中，试验箱为进行晶闸管老化试验的场所；多应力发生系统可以根据中央控制系统的指令产生所需强度的热应力、湿度应力、振动机械应力及辐射应力；测量系统可实时检测晶闸管的老化状态及老化环境；水循环系统可通过流过试验箱壁的循环水的水温控制，维持箱壁温度恒定；中央控制系统是整个试验系统的中枢，收集各部分的状态信息，并向各组成部分发送控制指令。

在本发明的一个实施例中，如图1所示，提供一种高压换流阀用晶闸管多应力加速老化试验装置，该装置包括：

试验箱1，由双层金属板构成方体结构，双层金属板之间具有夹层，位于试验箱1的顶部设置有与夹层连通的出水口2，位于试验箱1的底部设置有与夹层连通的进水口3；试验时夹层内通以温度恒定的循环水，可以确保箱壁温度不变。

振动发生装置4，设置在试验箱1的底部，用于产生机械应力；

待测晶闸管夹紧装置，设置在振动发生装置4的顶部，用于夹紧待测晶闸管并进行散热；

热应力发生装置，设置在试验箱1的外部，通过电流引线20与待测晶闸管夹紧装置连接，用于产生热应力；

盐雾发生装置5，设置在试验箱1的一侧外壁，用于将产生的湿应力输入试验箱1内；

辐射发生装置6，设置在试验箱1的一侧外壁，用于将产生的辐射应力输入试验箱内；

中央控制系统，与振动发生装置4、热应力发生装置、盐雾发生装置5和辐射发生装置6连接，用于接收检测信息，并根据试验需求向各发生装置发送控制信号，以保证整个加速老化系统的正常工作。

使用时，热应力发生装置能够产生满足相关标准规定的功率循环要求的加热电流波形。盐雾发生装置5能够根据中央控制系统的指令，向试验箱1内喷出具有一定含盐浓度的水雾，用于模拟晶闸管实际工作环境下的湿度，施加湿度应力。辐射发生装置6能够向试验箱1内的待测晶闸管发射α射线或γ射线，模拟宇宙射线对晶闸管老化的影响。

上述实施例中，如图2、图3所示，振动发生装置4包括：

U型铁芯7，设置为四个；其中两个U型铁芯7固定设置在试验箱1的底部外壁面上，位于试验箱1外部，另外两个U型铁芯7的两端分别经一支撑弹簧8固定设置在试验箱1的底部内壁面上，位于试验箱1内部；

载物台9，设置在位于试验箱1内部的U型铁芯7的顶部，且载物台9的中心位置处设置有测温孔10；

激磁线圈11，设置在位于试验箱1外部U型铁芯7的两端，用于产生电磁力。

上述实施例中，振动发生装置4还包括振动电源及振动控制器12；振动电源为振动控制器12供电，振动控制器12分别与激磁线圈11和中央控制系统连接，向激磁线圈11传输控制信号，与中央控制系统进行信息交互。

其中，位于试验箱1内部的U型铁芯7的两端，与试验箱1的箱壁之间具有空气间隙13，为可动铁芯。

上述实施例中，待测晶闸管夹紧装置，包括：

散热槽14，设置为两块；其中一块散热槽14设置在载物台9上，待测晶闸管设置在两块散热槽14之间；

压紧弹簧15，其一端与另一块散热槽14的顶部连接，压紧弹簧15的另一端固定设置在试验箱1的顶部壁面上；

两块散热槽14均通过电流引线20与热应力发生装置连接。

上述实施例中，热应力发生装置，包括：

加热电源16，其输出端经电流引线20与待测晶闸管夹紧装置中的散热槽14连接，实现对散热槽14加热；

结温测量装置17，并联设置在加热电源16的输出端，位于试验箱1外部，用于间接测量待测晶闸管的结温；

红外测温装置18，设置在试验箱1的底部壁板上，与测温孔10位于同一直线上，红外测温装置18通过测温孔10对散热槽14的表面温度进行测量；在本实施例中，红外测温装置18采用红外传感器；

加热电源16、结温测量装置17及红外测温装置18均与中央控制系统连接。

上述实施例中，加热电源16内集成有电压电流测量系统；电压电流测量系统用于测量加热时的待测晶闸管两端的电压及流过待测晶闸管的电流。

上述实施例中，还包括湿度测量系统19；设置在试验箱1的内箱壁上，用于测量试验箱1内部的湿度；并与中央控制系统连接。

使用时，通过结温测量装置17、红外测温装置18和湿度测量系统19分别用于测量待测晶闸管的结温、散热槽14表面温度、试验箱1的箱壁温度。其中结温是通过间接测量的方法由结温测量装置17实现，其理论依据为半导体PN结在小电流电压恒定的条件下，流过PN结的电流近似与温度成正比。晶闸管散热器表面温度通过红外测温装置18实现，测量时将红处传感器固定在试验箱1的箱壁上，其发出的红处线通过振动器载物台9中部的测温孔10直接照射到晶闸管散热槽14的外表面。试验箱1的箱壁的温度可直接通过热敏电阻进行测量。

上述实施例中，还包括水循环控制器；水循环控制器与中央控制系统连接，进行信息交互，用于控制进入试验箱1的夹层内的水的温度及水速，以实现试验箱1的箱壁温度恒定不变。

综上，本发明的试验装置在实施晶闸管加速试验时，可以同时施加热应力、湿度应力、辐射应力、振动机械应力，试验研究晶闸管在多种应力同时作用下的老化规律。通过电磁力施加振动机械应力，振动机构主要由四个U型铁芯7，其中两个U型铁芯7固定在试验箱壁，在试验中处于静止状态，另两个U型铁芯7由四个支撑弹簧8悬于试验箱1内，可以在电磁作用下发生振动；四个U型铁芯7构成两对磁回路，磁回路间存在由支撑弹簧8隔离的空气间隙13，通过绕在静止U型铁芯7上的激磁线圈11的电流波形产生所需的振动模式。

在本发明的一个实施例中，提供一种高压换流阀用晶闸管多应力加速老化试验装置的使用方法，该使用方法基于上述各实施例中的试验装置实现，包括以下步骤：

1）将待测晶闸管放置于两块散热槽14之间，并由压紧弹簧15将待测晶闸管紧压在载物台9上；

2）确定待测晶闸管加速老化时应施加的各种老化应力的强度及产生应力的基本参数，并将参数输入到中央控制系统，同时通过各发生装置对待测晶闸管施加老化应力：

收集待测晶闸管实际工作环境下的机械振动频谱特性，并将振动频谱特性输入到振动控制器12，振动控制器12产生相应波形的电流给激磁线圈11，试验箱1内的载物台9及待测晶闸管进行振动，实现对待测晶闸管施加振动机械应力；

循环水控制器根据中央控制系统发出的指令，输出具有温度的循环水至试验箱1的箱壁夹层内，并使试验箱壁保持恒定温度；

加热电源16根据中央控制系统的指令，产生相应幅值及间隔的方波电流，通过该电流，对待测晶闸管施加热应力，实现待测晶闸管的功率循环老化测试；

盐雾发生装置5根据中央控制系统的指令，向试验箱1内喷洒具有盐浓度的水雾，对待测晶闸管施加湿度应力；

辐射发生装置6根据中央控制系统的指令，向待测晶闸管发射α射线或γ射线，对待测晶闸管施加辐射应力；

3）将检测到的温度、湿度及辐射强度反馈给中央控制系统，中央控制系统根据反馈信息调整输出指令，完成闭环控制。

本实施例提供的方法是基于上述各装置实施例实现的，具体详细内容请参照上述实施例，此处不再赘述。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种高压换流阀用晶闸管多应力加速老化试验装置，其特征在于，包括：

试验箱，由双层金属板构成方体结构，所述双层金属板之间具有夹层，位于所述试验箱的顶部设置有与所述夹层连通的出水口，位于所述试验箱的底部设置有与所述夹层连通的进水口；

振动发生装置，设置在所述试验箱的底部，用于产生机械应力；

待测晶闸管夹紧装置，设置在所述振动发生装置的顶部，用于夹紧待测晶闸管并进行散热；

热应力发生装置，设置在所述试验箱的外部，通过电流引线与所述待测晶闸管夹紧装置连接，用于产生热应力；

盐雾发生装置，设置在所述试验箱的一侧外壁，用于将产生的湿应力输入所述试验箱内；

辐射发生装置，设置在所述试验箱的一侧外壁，用于将产生的磁辐射应力输入所述试验箱内；

中央控制系统，与所述振动发生装置、所述热应力发生装置、所述盐雾发生装置和所述辐射发生装置连接，用于接收检测信息，并根据试验需求向各所述发生装置发送控制信号。

2.如权利要求1所述试验装置，其特征在于，所述振动发生装置，包括：

U型铁芯，设置为四个；其中两个所述U型铁芯固定设置在所述试验箱的底部外壁面上，位于所述试验箱外部，另外两个所述U型铁芯的两端分别经一支撑弹簧固定设置在所述试验箱的底部内壁面上，位于所述试验箱内部；

载物台，设置在位于所述试验箱内部的所述U型铁芯的顶部，且所述载物台的中心位置处设置有测温孔；

激磁线圈，设置在位于所述试验箱外部所述U型铁芯的两端，用于产生电磁力。

3.如权利要求2所述试验装置，其特征在于，所述振动发生装置还包括振动电源及振动控制器；所述振动电源为所述振动控制器供电，所述振动控制器分别与所述激磁线圈和所述中央控制系统连接，向所述激磁线圈传输控制信号，与所述中央控制系统进行信息交互。

4.如权利要求2所述试验装置，其特征在于，位于所述试验箱内部的所述U型铁芯的两端，与所述试验箱的箱壁之间具有空气间隙，为可动铁芯。

5.如权利要求2所述试验装置，其特征在于，所述待测晶闸管夹紧装置，包括：

散热槽，设置为两块；其中一块所述散热槽设置在所述载物台上，所述待测晶闸管设置在两块所述散热槽之间；

压紧弹簧，其一端与另一块所述散热槽的顶部连接，所述压紧弹簧的另一端固定设置在所述试验箱的顶部壁面上；

两块所述散热槽均通过所述电流引线与所述热应力发生装置连接。

6.如权利要求5所述试验装置，其特征在于，所述热应力发生装置，包括：

加热电源，其输出端经所述电流引线与所述待测晶闸管夹紧装置连接，实现对所述散热槽加热；

结温测量装置，并联设置在所述加热电源的输出端，位于所述试验箱外部，用于间接测量所述待测晶闸管的结温；

红外测温装置，设置在所述试验箱的底部壁板上，与所述测温孔位于同一直线上，所述红外测温装置通过所述测温孔对所述散热槽的表面温度进行测量；

所述加热电源、所述结温测量装置及所述红外测温装置均与所述中央控制系统连接。

7.如权利要求6所述试验装置，其特征在于，所述加热电源内集成有电压电流测量系统；所述电压电流测量系统用于测量加热时的所述待测晶闸管两端的电压及流过所述待测晶闸管的电流。

8.如权利要求1所述试验装置，其特征在于，还包括湿度测量系统；设置在所述试验箱的内箱壁上，用于测量所述试验箱内部的湿度；并与所述中央控制系统连接。

9.如权利要求1所述试验装置，其特征在于，还包括水循环控制器；所述水循环控制器与所述中央控制系统连接，进行信息交互，用于控制进入所述试验箱的所述夹层内的水的温度及水速。

10.一种高压换流阀用晶闸管多应力加速老化试验装置的使用方法，其特征在于，该使用方法基于如权利要求1至9任一项所述试验装置实现，包括：

将待测晶闸管放置于两块散热槽之间，并由压紧弹簧将待测晶闸管紧压在载物台上；

确定待测晶闸管加速老化时应施加的各种老化应力的强度及产生应力的基本参数，并将参数输入到中央控制系统，同时通过各发生装置对待测晶闸管施加老化应力：

收集待测晶闸管实际工作环境下的机械振动频谱特性，并将振动频谱特性输入到振动控制器，振动器产生相应波形的电流给激磁线圈，试验箱内的载物台及待测晶闸管进行振动，实现对待测晶闸管施加振动机械应力；

循环水控制器根据中央控制系统发出的指令，输出具有温度的循环水至试验箱的箱壁夹层内，并使试验箱壁保持恒定温度；

加热电源根据中央控制系统的指令，产生相应幅值及间隔的方波电流，通过该电流，对待测晶闸管施加热应力，实现待测晶闸管的功率循环老化测试；

盐雾发生装置根据中央控制系统的指令，向试验箱内喷洒具有盐浓度的水雾，对待测晶闸管施加湿度应力；

辐射发生装置根据中央控制系统的指令，向待测晶闸管发射α射线或γ射线，对待测晶闸管施加辐射应力；

将检测到的温度、湿度及辐射强度反馈给中央控制系统，中央控制系统根据反馈信息调整输出指令，完成闭环控制。

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