CN102097809A - 一种静止无功补偿器晶闸管阀组 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种静止无功补偿器晶闸管阀组，包括一组或者一组以上相互串联的反并联晶闸管单元模块，阻容保护单元模块、板类单元模块、框架和绝缘子，反并联晶闸管单元模块，阻容保护单元模块、板类单元模块均固定在框架上，阻容保护单元模块包括电阻和电容，绝缘子固定在框架上，通过绝缘子支撑和固定晶闸管阀组的框架，反并联晶闸管单元模块包括晶闸管和型材自散热结构，晶闸管和型材自散热结构压装结合在一起，通过导热和对流实现晶闸管的散热。本发明实施方式所描述的晶闸管阀组不仅体积小，结构组装简单，存在隐患少，而且易于检测维护，阀组可以根据用户的实际容量情况来确定串联数量，自散热方式特别适用于中小容量SVC场合。

Description

一种静止无功补偿器晶闸管阀组

技术领域

本发明涉及一种晶闸管阀组，尤其是涉及一种应用于大功率半导体电力电子领域的采用型材散热的静止无功补偿器（SVC，Static Var Compensator）晶闸管阀组，该发明可以广泛的应用于电铁、电解铝、煤矿、港口、电弧炉等相关行业。 

背景技术

静止无功补偿器（SVC）是一种没有旋转部件，快速、平滑可控的动态无功功率补偿装置。它是将晶闸管控制电抗器和电力电容器（固定或分组投切）并联使用。电容器可发出无功功率（容性的），可控电抗器可吸收无功功率（感性的）。通过对电抗器进行调节，可以使整个装置平滑地从发出无功功率改变到吸收无功功率（或反向进行），并且响应快速。静止无功补偿器（SVC）于20世纪70年代兴起，它是通过晶闸管阀组来控制电抗器导通角度和电容器组投切来调节系统无功，因此晶闸管阀组是静止无功补偿器的核心部件。 

晶闸管是目前应用最为广泛的阀元件，晶闸管阀是静止无功补偿器的核心组成部分，通过控制晶闸管的触发角可以对阻抗进行连续调节，可以增强系统输电能力，提高系统稳定性、阻尼功率振荡和抑制次同步振荡等功能。晶闸管阀体通常要承受高电压和大电流，需采用多个晶闸管的串并联来实现。晶闸管阀体的结构涉及的技术范围较为广泛，包括半导体器件的安装、传热、固体及流体应力分析、电磁兼容、高压绝缘配合等多方面的技术。因此，晶闸管阀的机械安装构造是至关重要的，只有采用合理的机械安装构造，才能为晶闸管阀的安全运行和方便维护提供有力保障。目前国内荣信的TCR阀组引进的是乌克兰八十年代初期技术，采用的是热管散热型式的电磁触发技术晶闸管阀组，电力标准不推荐使用。电科院采用的则是水冷散热方式的晶闸管阀组。热管散热型与水冷散热型在散热效果上表现很好，所以在大容量、功率密度大的场合不得不采用，然而在中小容量场合中，采用这些就体现出很多缺陷。 

目前，国内晶闸管阀组主要有热管散热型和水冷散热型，尚无型材散热型。热管散热型和水冷散热型的散热效率高，在大容量、高电压场合比型材散热型优势明显。然而，在中小容量场合就体现出很多缺陷。热管散热型晶闸管阀组在低温环境下启动工作时存在隐患，寿命短、热管存在泄漏的隐患。水冷散热的阀组维护量大、维修时非常不方便，且采用水冷散热在漏水时对系统的危害非常巨大，造成电气绝缘损坏甚至短路。 

在现有技术当中与本专利申请相关的内容主要有以下几篇文献： 

文献一为荣信电力电子股份有限公司于2009年4月30日申请,2009年10月14日公开,公开号为CN101556951A的中国发明专利申请公开文件，是基于热管散热器与光控晶闸管为核心的阀体结构。每个光控晶闸管元件两端均配有一组热管散热器，每个光控晶闸管两端与位于两侧的热管散热器基板相接触，组成散热单元，多个散热单元通过碟簧压装机构压装成整体串接结构，压紧力是通过中心轴轴向压力传递过去的；光控晶闸管阀体阻尼电阻单元的散热元件为实体型材散热器。这种阀体结构最突出的效果的整体散热性好，尤其是解决了阻尼电阻单元的散热。然而仔细分析这种阀体结构，发现随着晶闸管元件的串联的个数增多，其碟簧压装机构压装将面临无法将晶闸管元件压装成一个整体的难题；同时在阻尼电阻单元采用型材散热器，不仅仅增加了整套结构经济成本，同时也加大了对此阀体的安装维护工作量。另外，热管散热型在低温启动工作时都存在很大的隐患，这样会降低整套设备的寿命，同时热管本身还存在泄漏的隐患。  

文献二为中国电力科学研究院于2005年9月13日申请，2006年12月27日授权公告，授权公告号为CN2852487Y的中国发明专利申请公告文件，是基于水冷散热模式的卧室双层结构的阀组。核心结构为串联晶闸管阀组件，由碟簧压紧机构将N个阀组件及N+1个水冷散热片相间串压在一起，由承力环氧板和首尾端法兰组成外框，构成一个阀组件单元模块，压装力是由碟簧变形产生的轴向力通过中心轴传递过去。附属结构还有水冷电阻、水管组件等。构成整个阀组的外部框架采用角铝焊接而成。其特点是需要水冷的阀组件和水冷电阻组件与水管组件放置在阀组后侧，其他不需水冷的高电位板组件光纤槽组件放置在阀组后侧。双层之间采用复合支柱绝缘子支撑。这套阀组机械结构与以往的水冷散热阀组相比，优点是水路与电路较好的分开，同时双层布置，占地面积很大的缩小，外部框架采用角铝焊接，减轻了重量！然而阀组件也是整套压装，当串联的个数过多时，对于压装机构、承力环氧板和压装工艺等都是一道难题；水冷散热都需要配套的密闭式纯水冷却系统，不仅仅功耗大，维护量大，而且事故隐患也多；采用双层结构，安装拆卸工作量大，不利于检修。   

文献三为荣信电力电子股份有限公司于2009年8月12日申请，2010年2月17日公开，公开号为CN101651135A的中国发明专利申请公开文件，是基于66kV等级的光控水冷散热的晶闸管阀组。特征在于双立体式结构，由两个阀单元串联构成单相阀组，左右阀单元之间采用铜箔软连排连接，每个单元的水管单元位于阀单元中间位置，需水冷的晶闸管单元及阻容保护单元的水冷电阻设置在水管单元的两侧，不需水冷阻容保护单元等均设置在阀组的四周，同时阻容保护单元采用模块化设计，水冷电阻和阻尼电容采用集中布置方式，这三者均放置在阻容托架上。这种结构最大的弊端就是水路至于阀组中间，而水路系统存在的隐患最多，这对于检测维护水路系统是非常有难度的。因此这套装置的维护工作量大，同时外围电子设备围绕四周，一旦水路泄漏，对电路影响很大。同时这种大容量的散热特性，仅仅针对大容量、电压等级高的场合应用，对于小容量低电压场合，经济成本上来说不划算。     

文献四为西安启能高端电器有限公司于20074月28日申请，2008年3月19日授权公告，授权公告号为CN201038989Y的中国发明专利申请公告文件，基于晶闸管反并联的结构实现。反并联连接的晶闸管的两个平面均固定有散热器，散热器由引拨棒穿接为一体，而引拨棒的两端伸入到滑架内，滑架固定在一个机械框架上，框架上还安装有其他电子设备，这套装备主要应用于大型用电设备软启动。这种反并联的组装也是采用N个整体压装，对于N很大时，同样面临压装结构件的长度要求难题以及压装机构的要求问题。    

文献五为贵州荣基安全科技有限责任公司的杨先伟发表在2010年第4期的《电力电子技术》上的论文《静止无功补偿成套装置晶闸管阀组》，主要介绍了TCR+FC型SVC这种动态无功补偿及滤波装置的原理、TCR晶闸管阀的组成以及TCR阀各部分的主要功能。也是采用卧式水冷散热方式，核心组件晶闸管阀的结构方式也是采用N个晶闸管与N+1个水冷散热器交叉叠装压制而成一个晶闸管堆，有两个晶闸管堆进行反并联而组成。缺陷与上面提及的几个水冷型专利大致相似，因涉及到水路系统，存在的隐患比较多，维护检修工作量大。

发明内容

本发明的目的是提供一种自冷免维护、高可靠性、低功耗、寿命长的型材散热型晶闸管阀组，该晶闸管阀组不仅散热性能达到要求，能够保证系统稳定可靠运行，同时结构简单，维护便易，经济效益好，适合于中小容量的SVC应用场合。 

本发明提供一种静止无功补偿器晶闸管阀组的具体实施方式，一种静止无功补偿器晶闸管阀组，包括一组或者一组以上相互串联的反并联晶闸管单元模块，阻容保护单元模块、板类单元模块、框架和绝缘子，反并联晶闸管单元模块，阻容保护单元模块、板类单元模块均固定在框架上，阻容保护单元模块包括电阻和电容，绝缘子固定在框架上，通过绝缘子支撑和固定晶闸管阀组的框架，反并联晶闸管单元模块包括晶闸管和型材自散热结构，晶闸管和型材自散热结构通过压装方式结合在一起，通过导热散热和对流散热来实现对晶闸管的散热。 

作为本发明进一步的实施方式，型材自散热结构进一步包括两个反并联的晶闸管、一个主散热器、两个副散热器，一个主散热器和两个副散热器分别将两个反并联的晶闸管压装在其中。这种散热形式的结构设计不但体积小，组装方便，而且较之热管散热和水冷散热，存在的隐患少，易于检测维护。 

作为本发明进一步的实施方式，型材自散热结构进一步包括蝶形弹簧，上压板，下压板，定位销，高压绝缘套管和紧固件，两个晶闸管反向放置在主散热器和副散热器之间形成散热单元，通过蝶形弹簧形变的反弹力，以及定位销，绝缘套管和紧固件将两个晶闸管压装在上压板和下压板之间，形成一个反并联晶闸管单元模块。通过蝶形弹簧变形的反弹力，使晶闸管承受一定的压装力，使主散热器和副散热器与晶闸管接触良好，有效地减小接触热阻。 

作为本发明进一步的实施方式，框架包括右支架，左支架和绝缘梁，右支架，左支架和绝缘梁通过紧固件组装成框架，右支架和左支架提供垂向支撑，绝缘梁提供横向支撑。 

作为本发明进一步的实施方式，反并联晶闸管单元模块，阻容保护单元模块、板类单元模块均通过绝缘梁固定在框架上，反并联晶闸管单元模块串装在晶闸管阀组的前方，板类单元模块包括触发板和BOD（Break Over Diode，击穿二极管）板，触发板与BOD板并排集中间隔地安装在晶闸管阀组的后下方，组成一个板件模块单元，晶闸管阀组的后上方安装阻容保护单元。这样的结构设计能够有效利用自然对流的作用，使电阻产生的热量随热对流带走，不会使触发板和BOD板产生过热而损坏。同时多串反并联晶闸管单元模块产生的热量也会随自然对流而带走，有利于散热。 

作为本发明进一步的实施方式，阻容保护单元模块的电容通过固定支架固定在绝缘梁上，电阻相互并联成模块，并通过电阻支架成阻容单元支撑固定在绝缘梁上，电阻与电容相间隔布置。作为本发明进一步的实施方式，绝缘梁采用环氧布板材料，可以进一步解决阀组的高压绝缘以及均压屏蔽问题。 

作为本发明进一步的实施方式，晶闸管的门极和阴极通过外套绝缘套管的双绞线进行连接，阻容保护单元模块通过高压线进行连接，触发板和BOD板具有标准的插头或接口，通过晶闸管和阻容保护单元模块的连接以及板类单元模块的接口，实现一对反并联晶闸管单元模块连接一对阻容保护单元模块。 

作为本发明进一步的实施方式，反并联晶闸管单元模块通过母排与紧固螺栓连接实现相互之间的串联连接。 

作为本发明进一步的实施方式，主散热器和副散热器采用铝型材散热结构。 

通过应用本发明实施方式所描述的静止无功补偿器晶闸管阀组，反并联晶闸管单元模块因体积小，低功耗，寿命长，自冷免维护，组装方便，压装亦可用力矩扳手进行压装。而且这种型材散热型的阀组不仅仅体积小，而且结构组装简单，较之热管散热和水冷散热来说，存在的隐患很少，可靠性高，易于检测维护。同时整个结构的布置不仅仅有利于阀体的对流散热，而且使得各模块间的连接简单可行，整体布线更加美观。 

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。 

图1是本发明一种静止无功补偿器晶闸管阀组的结构示意图一-立体图； 

图2是本发明一种静止无功补偿器晶闸管阀组的结构示意图二-主视图；

图3是本发明一种静止无功补偿器晶闸管阀组的结构示意图三-俯视图；

图4是本发明一种静止无功补偿器晶闸管阀组的结构示意图四-左视图；

图5是本发明一种静止无功补偿器晶闸管阀组反并联晶闸管单元模块的结构示意图一-立体图；

图6是本发明一种静止无功补偿器晶闸管阀组反并联晶闸管单元模块的结构示意图二-主视图；

图7是本发明一种静止无功补偿器晶闸管阀组阻容单元模块的结构示意图；

图8是本发明一种静止无功补偿器晶闸管阀组板类单元模块的结构示意图；

其中：1-晶闸管，2-主散热器，3-副散热器，4-蝶形弹簧，5-上压板，6-下压板，7-定位销，8-绝缘套管，9-电阻，10-电容，11-触发板，12-BOD板，13-母排，14-右支架，15-左支架，16-绝缘子，17-绝缘梁。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。 

作为本发明一种静止无功补偿器晶闸管阀组的具体实施方式，如图1所示，型材冷却散热的晶闸管阀组由N个反并联晶闸管单元模块串联、阻容保护单元模块、板类（触发板11、BOD板12）单元模块、线槽、框架、绝缘子16等组合实现，采用卧式结构。 

此种静止无功补偿器晶闸管阀组可根据电压等级的不同，采用不同数量的反并联晶闸管单元模块，包括两个反并联的晶闸管1与一个主散热器2、两个副散热3压装而成，如图5和图6所示。其中，主散热器2和副散热器3采用铝型材，反并联晶闸管单元模块进行简单的串联。多串反并联晶闸管单元模块，阻容保护单元，包括电阻9和电容10，如图7所示，板类单元模块，包括触发板11和BOD板12，如图8所示，安装在阀组的框架上。多串反并联晶闸管单元模块串装在阀组的前方,触发板11与BOD板12并排集中装置在后下方，可组成一个板件模块单元，后上方安装阻容保护单元。由于自然对流的作用，电阻9产生的热量随热对流带走，就不会使触发板11和BOD板12产生过热而损坏。同时多串反并联晶闸管单元模块产生的热量也会随自然对流而带走，有利于散热。所有这些元件均装在绝缘梁17上，绝缘梁17采用环氧布板材料，可以解决阀组的高压绝缘问题及均压屏蔽问题。 

反并联晶闸管单元模块由两个晶闸管1、一个型铝材平板型的主散热器2、两个型铝材平板型的副散热器3、蝶形弹簧4、高压绝缘套管8，上压板5、下压板6、定位销7以及紧固件组成。两个晶闸管1反向放置在主散热器2和副散热器3之间，通过上压板5和下压板6、蝶形弹簧4、定位销7、高压绝缘套管8以及紧固件压装成一个反并联晶闸管单元模块。采用型材散热型的晶闸管阀组，由于采用型材散热器，可以通过导热散热和对流散热来实现对晶闸管元件的散热。 

阻容保护单元模块由电容10和电阻9构成，电容10通过自行设计的固定支架固定在环氧布板制成的绝缘梁17上，多个电阻9并联而成一个小模块，再固定在绝缘梁17上。 

板类单元模块是由触发板11和BOD板12组成，间隔整齐并排放置在绝缘梁17上。 

框架由钢板焊接而成，串联起来的反并联晶闸管单元模块放置在阀组框架的前下方，前上方不放任何东西，这样有助于型材散热器的对流散热；板类单元模块包括触发板11和BOD板12，放置在阀组框架的后下方；阻容单元模块，包括电阻9和电容10，放置在阀组框架的后上方，这样有利于电阻9的对流散热，同时不构成对触发板11和BOD板12的温度影响。 

晶闸管1的门极和阴极连接线均采用双绞线，外面套有绝缘套管，可以提高绝缘和屏蔽作用。阻容保护单元模块的连接均采用高压线，触发板11和BOD板12都有标准统一的插头或其他接口，通过这些连接以及板类的接口，将实现一对反并联晶闸管单元模块连接一对阻容保护单元模块，各反并联晶闸管单元模块通过硬质的母排13与紧固螺栓连接实现相互串联。各个单元模块均固定在环氧布板的绝缘梁17上，绝缘梁17在固定在阀组的外框架上，阀组框架整体由绝缘子16支撑。 

首先，选用型铝材的主散热器2，副散热器3和晶闸管元件进行组装反并联晶闸管单元模块，选用电阻支撑架和电阻9以及电容10与其相应的支撑架进行组装成阻容保护单元模块。阻容保护单元模块，由电阻9和电容10构成，电阻单元有多个并联电阻9组成，有电阻支架支撑，电阻支架固定在环氧布板17上，电容10通过自行设计的支撑架也固定在此环氧布板17上，电阻单元与电容单元相间布置。选用触发板11，触发板盒子以及BOD板12与其相应的盒子进行组装，准备组装成板类单元模块。板类单元模块，由触发板11和BOD板12组成，两种板外形统一，相间布置在一起，各自间的布线简单美观，整体设计整洁美观。其次，进行阀组框架的搭建。框架主要由右支架14、左支架15、绝缘梁17以及紧固件组装而成，右支架14和左支架15提供垂向支撑，绝缘梁17提供横向支撑。最后，将各单元模块固定在各自相应的绝缘梁17上，根据布线工艺进行各单元模块进行连接。 

反并联晶闸管单元模块因体积小，组装方便，压装亦可用力矩扳手进行压装，所以此种型材散热型阀组不仅仅体积小，而且结构组装简单，较之热管散热和水冷散热来说，存在的隐患很少，而且易于检测维护，同时整个结构上的布置不仅仅有利于阀体的对流散热，而且使得各模块间的连接简单可行，整体布线更加整洁美观。阀组可以根据用户的实际容量情况来确定N值的大小，同时根据用户的场地空间可以采取并排放置、成串放置或者两个阀组叠放。 

针对于大容量，功率密度高，对散热要求高的场合大多应用热管散热型晶闸管阀组和水冷散热型的晶闸管阀组，这种阀组在散热效果方面是很好。然而在中小容量场合中，型材散热型阀组不仅仅能满足散热的要求，结构简单，不存在热管型或水冷型的缺陷和隐患。同时，在安装检测维护方面也比热管散热型晶闸管阀组和水冷散热型的晶闸管阀组简单，占地空间小。因为此种型材散热型阀组可灵活组合，不仅仅可实现单层串联，还可并联，还可以叠放；最后整体经济成本低，因此型材散热型阀组的经济效益较好。 

此种铝散热器自冷方式的型材散热晶闸管阀组广泛应用于电铁、煤矿、港口等中小容量的领域。可以适用于3相6KV、10KV、35K及电铁单相的27.5KV等电压等级。 

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。 

Claims (10)

1.一种静止无功补偿器晶闸管阀组，其特征在于：包括一组或者一组以上相互串联的反并联晶闸管单元模块，阻容保护单元模块、板类单元模块、框架和绝缘子，反并联晶闸管单元模块，阻容保护单元模块、板类单元模块均固定在框架上，阻容保护单元模块包括电阻和电容，绝缘子固定在框架上，通过绝缘子支撑和固定晶闸管阀组的框架，反并联晶闸管单元模块包括晶闸管和型材自散热结构，晶闸管和型材自散热结构通过压装方式结合在一起，通过导热散热和对流散热来实现对晶闸管的散热。

2.根据权利要求1所述的一种静止无功补偿器晶闸管阀组，其特征在于：所述的型材自散热结构包括两个反并联的晶闸管（1）、一个主散热器（2）、两个副散热器（3），一个主散热器（2）和两个副散热器（3）分别将两个反并联的晶闸管（1）压装在其中。

3.根据权利要求2所述的一种静止无功补偿器晶闸管阀组，其特征在于：所述的型材自散热结构包括蝶形弹簧（4），上压板（5），下压板（6），定位销（7），高压绝缘套管（8）和紧固件，两个晶闸管（1）反向放置在主散热器（2）和副散热器（3）之间形成散热单元，通过蝶形弹簧（4）形变的反弹力，以及定位销（7），绝缘套管（8）和紧固件将两个晶闸管（1）压装在上压板（5）和下压板（6）之间，形成一个反并联晶闸管单元模块。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种静止无功补偿器晶闸管阀组，其特征在于：所述框架包括右支架（14），左支架（15）和绝缘梁（17），右支架（14），左支架（15）和绝缘梁（17）通过紧固件组装成框架，右支架（14）和左支架（15）提供垂向支撑，绝缘梁（17）提供横向支撑。

5.根据权利要求4所述的一种静止无功补偿器晶闸管阀组，其特征在于：所述反并联晶闸管单元模块，阻容保护单元模块、板类单元模块均通过绝缘梁（17）固定在框架上，反并联晶闸管单元模块串装在晶闸管阀组的前方，板类单元模块包括触发板（11）和BOD板（12），触发板（11）与BOD板（12）并排集中间隔地安装在晶闸管阀组的后下方，组成一个板件模块单元，晶闸管阀组的后上方安装阻容保护单元。

6.根据权利要求5所述的一种静止无功补偿器晶闸管阀组，其特征在于：所述阻容保护单元模块的电容（10）通过固定支架固定在绝缘梁（17）上，电阻（9）相互并联成模块，并通过电阻支架成阻容单元支撑固定在绝缘梁（17）上，电阻与电容相间隔布置。

7.根据权利要求5或6所述的一种静止无功补偿器晶闸管阀组，其特征在于：所述晶闸管（1）的门极和阴极通过外套绝缘套管的双绞线进行连接，阻容保护单元模块通过高压线进行连接，触发板（11）和BOD板（12）具有标准的插头或接口，通过晶闸管（1）和阻容保护单元模块的连接以及板类单元模块的接口，实现一对反并联晶闸管单元模块连接一对阻容保护单元模块。

8.根据权利要求7所述的一种静止无功补偿器晶闸管阀组，其特征在于：所述反并联晶闸管单元模块通过母排（13）与紧固螺栓连接实现相互之间的串联连接。

9.根据权利要求8所述的一种静止无功补偿器晶闸管阀组，其特征在于：所述的绝缘梁（17）采用环氧布板材料。

10.根据权利要求9所述的一种静止无功补偿器晶闸管阀组，其特征在于：所述的主散热器（2）和副散热器（3）采用铝型材散热结构。

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