CN203909232U - 一种直流输电换流阀组件大功率晶闸管稳态结温试验设备 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种直流输电换流阀组件大功率晶闸管稳态结温试验设备，包括与换流阀组件相连的大功率直流加热电源和循环冷却水系统；所述循环冷却水系统通过水管与安装在换流阀组件大功率晶闸管两侧的散热器连通，并与循环冷却水系统形成循环水路；给换流阀组件中的大功率晶闸管提供足够功率的触发脉冲，通过直流电给换流阀组件加热，用热电偶及配套测温仪表进行晶闸管稳态结温温度、加热时间、冷却时间测试。通过本实用新型可以实测到晶闸管结温时间和冷却时间，确定晶闸管换流阀组件加热、冷却循环试验时间参数，最大限度的避免了晶闸管由于结温温度过高而导致晶闸管损坏。
Description
技术领域
本实用新型涉及电力设备试验装置，尤其涉及一种直流输电换流阀组件大功率晶闸管稳态结温试验设备。
背景技术
随着超特高压直流输电的迅速发展和广泛应用，大功率晶闸管作为直流输电关键核心器件也得到了广泛的应用。晶闸管也叫可控硅，是一种双极型半导体器件。现在的晶闸管一般是由硅材料制造的。晶闸管具有三个PN结。PN结是半导体的一个重要概念，它是P型半导体和N型半导体结合的地方形成的一个势垒区，具有单向导电性，它是半导体器件工作的主要凭据。半导体器件工作时，由于载流子(电子和空穴)的运动，PN结会发热造成温度上升。这时候PN结的温度就叫结温。当PN的结温高到一定的温度时，因为P型和N型半导体的变化会使PN结的势垒区消失，也就是使得半导体器件失去其正常的功能。这时候的结温就叫半导体器件的最高结温。对于超特高压直流输电换流阀组件中大功率晶闸管来说，浪涌电流是大功率晶闸管的一个重要性指标，表明晶闸管能够承受故障冲击电流或者脉冲电流的能力。承受浪涌电流后，晶闸管会产生远大于额定工况时的热量，短时间连续过载运行时允许结温在89℃～94℃度左右。温度升高会引起晶闸管内PN结的损伤，导致其整体电气性能的退化，从而给整个装置或者系统稳定带来隐患，若晶闸管结温进一步升高，晶闸管会因为内部低熔点材料的熔化而造成永久性损坏。
对大功率的半导体器件，为了工作的更可靠，一般都会想办法提高它的散热性能(比如加装散热片等)，尽量降低其结温，避免超过最高结温而不能正常工作。
半导体器件的结温和半导体器件的外表温度是不同的，前者要比后者高。大功率晶闸管为了散热经常采用一种双面冷却的扁平型结构，在这种结构中，硅片被夹在两个钼片中间。由于硅和钼膨胀系数相近，这种结构可以抵消硅片发热时产生的热应力以防止硅片破碎，钼片被固定在上下两个铜基座之间，铜基座除了起到对外电连接的作用外，还充当着硅片散热器的作用。
因此，为了提高了换流阀组件在现场运行的可靠性和安全性。超特高压直流输电晶闸管换流阀组件在组件例行试验时必须进行晶闸管结温试验。目前还没有一套完整的超、特高压直流输电晶闸管换流阀TCU结构组件直流输电换流阀组件大功率晶闸管稳态结温试验设备。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种简单、成本低的直流输电换流阀组件大功率晶闸管稳态结温试验设备，以解决超、特高压直流输电晶闸管换流阀TCU结构组件大功率晶闸管稳态结温的试验问题。
为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
一种直流输电换流阀组件大功率晶闸管稳态结温试验设备，包括与换流阀组件相连的大功率直流加热电源和循环冷却水系统；所述直流加热电源采用三相桥式可控硅整流电路，直流加热电源输出正极端和输出负极端分别接换流阀组件的阳极端和阴极端，所述循环冷却水系统通过水管与安装在换流阀组件大功率晶闸管两侧的散热器连通，并与循环冷却水系统形成循环水路；给换流阀组件中的大功率晶闸管提供足够功率的触发脉冲，通过直流加热电源提供的直流电给换流阀组件加热，达到结温后启动循环冷却水系统对换流阀组件进行冷却，用热电偶及配套测温仪表进行晶闸管稳态结温温度、加热时间、冷却时间测试。
所述大功率晶闸管上设有钻孔，钻孔深度为晶闸管面半径的1/2，钻孔直径为2mm，热电偶埋置在钻孔中。
所述直流加热电源由整流变压器T，大功率晶闸管KP1、KP2、KP3、KP4、KP5、KP6，平波电抗器H，续流二极管D，直流电压表U和直流电流A回路组成。
所述循环冷却水系统包括储水箱，储水箱通过水管与换流阀组件中的第二散热器连通形成循环水路，储水罐与第二散热器的连接水管上还安装有第一散热器和水泵。
所述循环冷却水系统还包括分别与储水罐和第一散热器连通的离子罐，离子罐里有大量用于去除水中的阴阳离子及金属离子的树脂。
所述循环冷却水系统出水口与进水口之间设置有将出水口和进水口连通的支路，该支路上、及循环冷却水系统的出水口和进水口上均安装有阀门。
本实用新型的换流阀组件大功率晶闸管稳态结温试验中加热、冷却试验设备包括一套大功率直流加热电源和一套循环冷却水设备，运用大功率三相桥式可控硅整流电路为直流加热电源，给换流阀组件中大功率晶闸管提供足够功率的触发脉冲，通过启动直流加热电源通过直流电给换流阀组件加热，待加热到换流阀组件大功率晶闸管结温温度，停止加热电源，启动冷却循环水设备对换流阀组件进行冷却，用热电偶及配套测温仪表进行晶闸管稳态结温温度、加热时间、冷却时间测试。
通过本实用新型的设备可以实测到晶闸管结温时间和冷却时间，确定晶闸管换流阀组件加热、冷却循环试验时间参数。最大限度的避免了晶闸管由于结温温度过高而导致晶闸管损坏。为换流阀组件批量进行例行试验奠定基础，提高了产品质量。
附图说明
图1是本实用新型换整体结构示意图；
图2是本实用新型的晶闸管结构图；图2A为俯视图；图2B为剖视图；
图中：1-换流阀组件；101-大功率晶闸管；2-循环冷却水系统；201-水泵；202-离子罐；203-储水罐；204-第一散热器；205-第二散热器；3-直流加热电源；4-水管；5-控制阀门。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型进行具体描述：
如图1所示，直流输电换流阀组件大功率晶闸管稳态结温试验设备，包括与换流阀组件1相连的大功率直流加热电源3和循环冷却水系统2；所述直流加热电源3采用三相桥式可控硅整流电路，直流加热电源3输出正极端和输出负极端分别接换流阀组件1的阳极端和阴极端，所述循环冷却水系统2通过水管4与安装在换流阀组件1大功率晶闸管两侧的散热器连通，并与循环冷却水系统2形成循环水路；给换流阀组件中的大功率晶闸管提供足够功率的触发脉冲，通过直流加热电源3提供的直流电给换流阀组件加热，达到结温后启动循环冷却水系统2对换流阀组件进行冷却，用热电偶及配套测温仪表进行晶闸管稳态结温温度、加热时间、冷却时间测试。
三相桥式可控硅整流电路交流电变成所需要的直流电压的一种装置，充分利用了变压器的二次线电压，不仅提高了整流装置的输出电压水平，还大大降低了整流变压器的二次电流和损耗。
本实用新型的目的是提供超特高压直流输电晶闸管换流阀TCU结构组件大功率晶闸管稳态结温试验中加热、冷却试验设备，该试验设备包括一套大功率直流加热电源和一套循环冷却水设备。该试验系统运用大功率三相桥式可控硅整流电路技术为直流加热电源，以TCU结构大功率晶闸管换流阀组件为负载。直流加热电源输出正极端接换流阀组件的阳极端，输出负极端接换流阀组件的阴极端。同时给换流阀组件中大功率晶闸管提供足够功率的触发脉冲，启动直流加热电源通过直流电给换流阀组件加热。待加热到换流阀组件大功率晶闸管结温温度，停止加热电源。启动冷却循环水设备对换流阀组件进行冷却。
进一步，所述直流加热电源3由整流变压器T，大功率晶闸管KP1、KP2、KP3、KP4、KP5、KP6，平波电抗器H、续流二极管D，直流电压表U和直流电流A回路组成；循环冷却水系统2包括储水箱203，储水箱203通过水管4与换流阀组件1中的第二散热器205连通形成循环水路，储水罐203与第二散热器205的连接水管上还安装有第一散热器204和水泵201；循环冷却水系统2出水口与进水口之间设置有将出水口和进水口连通的支路，该支路上、及循环冷却水系统2的出水口和进水口上均安装有阀门5。所述循环冷却水系统2还包括分别与储水罐203和第一散热器204连通的离子罐202，离子罐里有大量用于去除水中的阴阳离子及金属离子的树脂，降低循环水的电导率。
进一步，如图2是大功率晶闸管的示意图，图2A是俯视图；图2B为剖视图，为了更好的验证试验设备，将一只大功率晶闸101管进行钻孔，钻孔深度为晶闸管面半径的1/2，钻孔直径为2mm，钻孔与晶闸管面成15°。
然后将热电偶埋置在晶闸管钻孔中，将该晶闸管安装在一台完整的晶闸管换流阀组件中。连接好试验回路，按照换流阀组件加热冷却循环试验要求进行加热和冷却试验。用80TK热电偶模块及配套福禄克测温仪表进行晶闸管稳态结温温度、加热时间、冷却时间测试。
通过这种验证测试方法，可以实测到晶闸管结温时间和冷却时间，确定晶闸管换流阀组件加热、冷却循环试验时间参数。最大限度的避免了晶闸管由于结温温度过高而导致晶闸管损坏。
1、换流阀组件大功率晶闸管结温试验原理：
启动冷却循环水系统使组件水路中充满水，关闭冷却循环水系统。启动直流加热电源给晶闸管组件施加直流电流进行加热，待晶闸管温度达到结温温度，停止加热电源；启动冷却循环水对组件进行冷却至晶闸管温度接近循环冷却水温度；循环进行加热、冷却试验。完成3个循环周期，每个循环分加热期和冷却期，在每个阶段加热期后紧跟冷却期，加热时无冷却水流动。进入组件的冷却水温度和环境温度差±3℃。允许的环境温度最高为28℃。
加热期和冷却期：
加热电流1500A，加热时间为255s。
冷却期切断直流电流,循环冷却水，冷却水最小流量为0.4L/s。冷却时间为400s。
纯水电导率小于2μS/cm。
加热、冷却试验周期：3个循环周期
2、设备试验验证
晶闸管换流阀TCU结构组件大功率晶闸管参数见表1：
2.1参数确定
表1晶闸管主要技术参数
2.2参数计算
依据晶闸管参数
冷却系统温升计算如下：
W＝(VT+rT×IT)×IT
△t＝W×Rthjc
其中:VT＝1.22V rT＝0.176mΩ
Rthjc＝0.003C/W IT＝1500A
△t＝(VT+rT×IT)×IT×Rthjc＝6.6℃
因为晶闸管结温(J＝90℃)
试验中测量温度为J－△t＝90℃－6.6℃＝83.6℃
2.3试验准备
a.首先按附图1所示对晶闸管进行钻孔，然后将热电偶埋置在晶闸管钻孔中。
b.试验在一台完整工程组件上进行，并将组件中的晶闸管用钻好孔的晶闸管替代。
2.3测量工装准备
数字温度计一个
热电偶一个(型号：福禄克80TK热电偶K型模块)
TCU结构换流阀组件大功率晶闸管一只
秒表一只
直流电源加热柜一套
2.4试验步骤
1)连接好试验回路，依据TCU结构换流阀组件加热-冷却技术条件要求)；
2)启动冷却循环水让组件充满去离子水；
3)待循环水稳定后，检查冷却水流量是否正常；
4)启动直流加热柜，给组件施加加热电流，逐步调节至1500A；
5)切断加热电流；
6)关闭冷却水循环泵；
7)启动加热电流，每15秒记录一次晶闸管温度；
8)当晶闸管温度达到83.6℃(由热电偶连接的数字温度计获得)时切断电流。启动冷却循环水；
9)每15秒记录一次晶闸管温度，当晶闸管温度降至初始温度时关闭冷却循环泵；
10)将步骤7-9重复3次。
最终获得的加热时间应不小于2分钟，不大于5分钟，如果太慢或者太快，则调节水流量后重复以上整个步骤。
2.5.晶闸管结温试验测试记录见表2：
表2
2.6.试验结果：
通过这种验证方法，可以实测到晶闸管结温温度、加热时间和冷却时间。修正晶闸管换流阀组件例行试验加热冷却循环试验理论时间参数。通过修正组件加热、冷却时间参数，最大限度的避免了晶闸管由于结温温度过高而导致晶闸管损坏。为进一步批量进行组件例行试验奠定基础，提高了产品质量！
本实用新型试验设备完全满足TCU结构换流阀组件结温试验要求。
启动冷却循环水让组件充满去离子水；待循环水稳定后，检查冷却水流量是否正常；关闭冷却水循环泵，启动直流加热电源，给组件施加加热电流，逐步调节至1500A，组件加热255秒，切断加热电流；启动冷却循环水；组件冷却400秒，启动加热；(由热电偶连接的数字温度计获得)时切断电流。启动冷却循环水；每15秒记录一次晶闸管温度，当晶闸管温度降至初始温度时关闭冷却循环泵；重复3次加热、冷却试验。检查换流阀组件中大功率晶闸管应该完好。
Claims (6)
1.一种直流输电换流阀组件大功率晶闸管稳态结温试验设备，其特征在于：包括与换流阀组件(1)相连的大功率直流加热电源(3)和循环冷却水系统(2)；所述直流加热电源(3)采用三相桥式可控硅整流电路，直流加热电源(3)输出正极端和输出负极端分别接换流阀组件(1)的阳极端和阴极端，所述循环冷却水系统(2)通过水管(4)与安装在换流阀组件(1)大功率晶闸管两侧的散热器连通，并与循环冷却水系统(2)形成循环水路；给换流阀组件中的大功率晶闸管提供足够功率的触发脉冲，通过直流加热电源(3)提供的直流电给换流阀组件加热，达到结温后，停止直流加热电源；启动循环冷却水系统(2)对换流阀组件进行冷却，用热电偶及配套测温仪表和计时器进行晶闸管稳态结温温度、加热时间、冷却时间测试。
2.如权利要求1所述的直流输电换流阀组件大功率晶闸管稳态结温试验设备，其特征在于：所述大功率晶闸管上设有钻孔，钻孔深度为晶闸管面半径的1/2，钻孔直径为2mm，热电偶埋置在钻孔中。
3.如权利要求1或2所述的直流输电换流阀组件大功率晶闸管稳态结温试验设备，其特征在于：所述直流加热电源(3)由整流变压器T，大功率晶闸管KP1、KP2、KP3、KP4、KP5、KP6，平波电抗器H，续流二极管D，直流电压表U和直流电流A回路组成。
4.如权利要求1或2所述的直流输电换流阀组件大功率晶闸管稳态结温试验设备，其特征在于：所述循环冷却水系统(2)包括储水箱(203)，储水箱(203)通过水管(4)与换流阀组件(1)中的第二散热器(205)连通形成循环水路，储水罐(203)与第二散热器(205)的连接水管上还安装有第一散热器(204)和水泵(201)。
5.如权利要求1或2所述的直流输电换流阀组件大功率晶闸管稳态结温试验设备，其特征在于：所述循环冷却水系统(2)还包括分别与储水罐(203)和第一散热器(204)连通的离子罐(202)，离子罐里有大量用于去除水中的阴阳离子及金属离子的树脂。
6.如权利要求1或2所述的直流输电换流阀组件大功率晶闸管稳态结温试验设备，其特征在于：所述循环冷却水系统(2)出水口与进水口之间设置有将出水口和进水口连通的支路，该支路上、及循环冷却水系统(2)的出水口和进水口上均安装有控制阀门(5)。
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