一种大功率晶闸管阀串的结构设计-论文

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1、一种大功率晶闸管阀串的结构设计摘要：介绍一种大功率晶闸管阀串的结构设计，该阀串采用上表面开有矩形豁口的纯环氧板做为承力构件，延长了爬电距离，提高了耐压等级和防污等级。在晶闸管的顶压方式上，本阀串一端采用碟簧机构做为力的保持构件，另一端采用带有导向装置的分力顶压机构对整个阀串施力，该机构利用了等边三角形的重心特性。采用这种顶压机构能充分满足晶闸管的安装要求，最大限度地减小顶压拧紧力矩，便于安装和维修，符合人机工程学要求。本阀串还设有晶闸管安装的弹簧悬挂机构，它为晶闸管的安装检修提供了方便，尤其在串联的晶闸管数较多时，其作用更为突出。关键词：电力电子晶闸管阀顶压机构0引言大功率晶闸管阀是电力系统可

2、控串联补偿装置（TCSC）、静止无功补偿装置（SVC）及高压直流输电(HVDC)的关键部件。如图1所示，整个晶闸管阀一般都是由晶闸管阀串组件1、触发板组件2、静态均压组件3、CT组件4、吸收电容组件5、水管组件6、水冷电阻组件7及首尾框架8等组成。而其中晶闸管阀串组件又是整个晶闸管阀的核心，其可靠性不仅直接影响到整个装置的可靠性，还影响到电力系统的安全稳定性。10图1晶闸管阀体断面图随着电力电子技术的不断发展，作为核心元件的晶闸管越来越大（从最初的2英寸发展到现在的6英寸），为保证其导电和散热的要求，安装所需的机械压力也越来越大，现在一些大的晶闸管要求的压紧力已达135kN以上。晶闸管在安装时

3、，还要保持其台面与散热器的台面完全平行、同心；安装过程中，要求通过元件中心线施加压力，以使压力均匀地分布在整个接触区域。因为不均匀的压力可使管壳的铜极产生塑料变形，使器件硅晶片的局部产生机械应力造成器件性能降低或者损坏。为满足晶闸管的上述安装要求，就必须设计一套结构合理操作省力的晶闸管顶压机构。另外，由于晶闸管和散热器自身的结构特点，安装时没有合适的悬挂点。在安装检修时比较困难，因此本阀串结构还设计了一套晶闸管安装的弹簧悬挂机构。1晶闸管阀串的总体结构10如图2所示，本晶闸管阀串由两个承力环氧板1和尾端法兰2、首端法兰11组装成外框。在首端法兰中心装有碟簧组件（由平垫10、碟簧9、碟簧导杆8组

4、成）,在尾端法兰中心装有顶压机构。在碟簧组件及顶压机构之间依次装有顶压过度板7，导流铜排3，相间串接的多组晶闸管6和水冷散热器5，调整圆铝4，导流铜排3。通过拧紧顶压螺栓使碟簧变形，产生足够的轴向压力将晶闸管和水冷散热器压紧，减小接触热阻和接触电阻，从而满足晶闸管的安装要求。每对晶闸管和水冷散热器都由一个弹簧悬挂机构悬挂于两侧的承力环氧板1上。图2晶闸管阀串组件图本阀串组件直接通过超厚的FR4环氧板与首尾端法兰联结，确保了阀串的整体强度刚度要求。由于上表面容易积聚灰尘，因此在环氧板上部对应晶闸管的位置开设矩形豁口，延长了首端和尾端之间及晶闸管之间的爬电距离，提高了耐压等级和防污等级。碟形弹簧具

5、有体积小、负荷大、组合使用方便等特性，还具有载荷集中传递的优点。通过调节顶压螺栓来控制碟形弹簧的变形量，晶闸管所需压紧力范围容易实现。因此本机构采用碟簧机构做为力的调节和保持构件。下面重点介绍一下本晶闸管阀串的分力顶压机构和弹簧悬挂机构。102晶闸管安装的分力顶压机构2.1不加分力顶压机构的晶闸管阀串受力分析图3单个螺栓的顶压机构原来的中小功率的晶闸管阀串，如图3所示，多采用单个螺栓在中心顶压的方式。由于中小功率晶闸管所需压紧力不大，拧紧螺栓所需的操作力也不大。但大功率晶闸管则不然，就拿ABB的5STP42U6500晶闸管为例，其顶压力要求是135kN（最小120kN，最大160kN），若由一

6、根螺栓顶压，考虑1.5～2的安全系数，采用10.9级的螺栓，由材料挤压强度及螺纹强度计算知最小需采用M20的螺栓来实现。现在计算一下顶紧晶闸管所需的螺栓拧紧力矩，它由螺纹摩擦力矩T1和支撑面摩擦力矩T2组成，可按下式计算：………………………(1)式中F——螺栓的预紧力，这里即为顶压力135kN；d2——螺纹中径；查手册d2取18.38mm；λ——螺纹升角；计算得，λ=2.45°；ρv——螺纹当量摩擦角，ρv=arctan(1.15μ)，μ为螺纹副摩擦因数，取μ=0.2，则ρv=arctan(1.15×0.2)=13°；10μc——支撑面摩擦系数，查手册μc取0.1；D0——支撑面外径，这里按M

7、20外螺纹倒角取D0=17.5mm；d0——支撑面内径；这里d0=0mm。将上述参数代入公式(1)中计算得，顶紧晶闸管所需的拧紧力矩：T=0.423kN.mM20的标准扳手长度不超过350mm，那么拧紧螺栓的力要达到1200N以上，这远远超出了人的机械操作力限值。电力检修及各工业行业生产检修安装现场，紧固和拆卸大直径螺栓螺母相当困难，尤其在操作人员难以施工的环境中(如设备周围空间较小，无法使用加力