一种换流阀晶闸管综合老化试验装置和方法

技术领域

本发明涉及晶闸管技术领域，尤其涉及一种换流阀晶闸管综合老化试验装置和方法。

背景技术

换流阀晶闸管是直流输电工程核心设备换流阀的关键元件，其健康状况直接影响着直流输电工程的安全可靠性。开展换流阀晶闸管的老化研究，观察其内部元件的整体老化特性，对换流阀的可靠性评估和寿命优化设计均具有十分重要的意义。

在电磁脉冲的特殊环境下，元件承受的应力强度与应力环境完全不同于正常运行工况。换流阀晶闸管在工作过程中通常处于电磁环境下，且晶闸管换流阀的结构相对复杂，因此难以利用统计而来的可靠性数据来衡量换流阀晶闸管的可靠性。为解决该问题，现有技术中通过对换流阀晶闸管进行加速老化试验来研究换流阀晶闸管的可靠性。

然而，目前换流阀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。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和热循环加速老化方法，这些方法需要单独使用不同的装置进行试验，不能较全面地反映换流阀晶闸管的老化特性。

发明内容

本发明提供了一种换流阀晶闸管综合老化试验装置和方法，解决了如何实现换流阀晶闸管的综合老化试验，以全面地反映换流阀晶闸管的老化特性的技术问题。

本发明第一方面提供一种换流阀晶闸管综合老化试验装置，包括：

试验台，用于装载被测晶闸管；

夹紧模块，包括带散热单元的试验夹具、试验箱和水控制系统；所述试验夹具设置于所述试验箱内，其设置有用于调节压紧力的调节旋钮；所述试验箱上设有循环管路，所述循环管路连接有进水阀门和出水阀门，所述水控制系统用于根据第一控制单元发出的第一指令控制所述进水阀门和所述出水阀门的启闭，以及用于根据所述第一控制单元发出的第二指令控制所述循环管路的进水温度；

短路故障电流试验模块，包括与第二控制单元连接的浪涌电流试验电路；所述浪涌电流试验电路用于在获取到所述第二控制单元发出的第三指令时向被测晶闸管施加浪涌电流信号并读取被测晶闸管的峰值电流，以及在获取到所述第二控制单元发出的第四指令时向被测晶闸管施加正向电压信号并读取被测晶闸管的峰值电压；

通态重复临界上升率试验模块，包括与第三控制单元连接的通态电流临界上升率试验电路；所述通态电流临界上升率试验电路用于根据所述第三控制单元发出的第五指令调节被测晶闸管的非重复通态电流临界上升率；

热循环负载试验模块，包括与第四控制单元连接的热循环负载试验电路；所述热循环负载试验电路用于根据所述第四控制单元发出的第三指令调节被测晶闸管的通态电流；

高温阻断试验模块，包括与第五控制单元连接的高温阻断试验电路；所述高温阻断试验电路用于对被测晶闸管施加正弦半波的重复峰值电压；

控制模块，包括所述第一控制单元、所述第二控制单元、所述第三控制单元、所述第四控制单元和所述第五控制单元。

根据本发明第一方面的一种能够实现的方式，所述试验箱的箱壁设有夹层，所述循环管路设置于所述夹层内。

根据本发明第一方面的一种能够实现的方式，所述循环管路包括用于冷却被测晶闸管的冷水循环管路和用于加热被测晶闸管的热水循环管路，所述冷水循环管路和所述热水循环管路均设有进水阀门和出水阀门。

根据本发明第一方面的一种能够实现的方式，所述浪涌电流试验电路采用大容量工频变压器，截取市电交流波形来产生时间常数为10ms、导通角为0°～180°的正弦半波脉冲。

根据本发明第一方面的一种能够实现的方式，所述浪涌电流试验电路包括第一变压器、保护电阻、第一开关、第一二极管、第一普通电阻、第二变压器、峰值读数电流表、第一门极触发源、第一峰值读数电压表、第二开关、第二二极管和第二普通电阻；

所述第一变压器、保护电阻、第一开关、第一二极管、第一普通电阻、第二变压器和峰值读数电流表依次串联连接，所述第一峰值读数电压表的一端连接所述第二变压器，所述第一峰值读数电压表的另一端连接于所述第一普通电阻和所述第一二极管的公共端，所述第二二极管与所述第二普通电阻并联后与所述第二开关串联，再通过接线端子并联在所述第一变压器和所述保护电阻的两端；

所述浪涌电流试验电路连接被测晶闸管时，被测晶闸管的一端连接于所述第一二极管和所述第一开关的公共端，被测晶闸管的另一端连接所述第二变压器，所述第一门极触发源并联在被测晶闸管的两端。

根据本发明第一方面的一种能够实现的方式，通态电流临界上升率试验电路包括第一电路部分、第二电路部分、第二峰值读数电压表和示波器；

所述第一电路部分包括无感电阻、交流电压源、第三二极管、第三普通电阻、第四普通电阻、电感、高阻电压表、第一电容、第四二极管和第二门极触发源，所述无感电阻、交流电压源、第三二极管、第三普通电阻、第四普通电阻及电感依次串联连接，所述高阻电压表、所述第一电容和所述第三二极管均并联于所述第三普通电阻和所述交流电压源的两端；

所述第二电路部分包括串联的第二电容和第五普通电阻，所述第二电路部分通过连接端子并联在所述电感和所述无感电阻的两端；所述第二峰值读数电压表、所述示波器均通过连接端子连接在所述无感电阻的两端；

所述通态电流临界上升率试验电路连接被测晶闸管时，被测晶闸管并联在所述电感和所述无感电阻的两端，所述第二门极触发源并联在被测晶闸管的两端。

根据本发明第一方面的一种能够实现的方式，所述热循环负载试验电路包括直流电源、第六普通电阻、安培表、第三开关和第三门极触发电源；

所述热循环负载试验电路连接被测晶闸管时，所述直流电源、第六普通电阻、安培表、第三开关和被测晶闸管依次串联连接，所述第三门极触发电源并联在被测晶闸管的两端。

根据本发明第一方面的一种能够实现的方式，所述装置还包括：

显示单元，用于显示试验数据；所述试验数据包括所述峰值电流和所述峰值电压。

本发明第二方面提供一种换流阀晶闸管综合老化试验方法，所述方法基于如上任一项能够实现的方式所述的换流阀晶闸管综合老化试验装置，所述方法包括：

将具有相同属性的被测晶闸管分成四组，分别测试每组的各被测晶闸管的性能参数；所述性能参数包括额定断态重复峰值电压、反向重复峰值电压/电流和通态峰值电压；

确定将被测晶闸管进行各项试验时的试验参数和试验判据，并将所述试验参数输入至控制模块；所述试验参数包括对应短路故障电流试验的第一试验参数、对应通态重复临界上升率试验的第二试验参数、对应热循环负载试验的第三试验参数和对应高温阻断试验的第四试验参数；

试验结束后，再次测试每组的各被测晶闸管的性能参数，结合两次测试的性能参数和所述试验判据确定相应被测晶闸管的老化特性；

其中，所述分别进行短路故障电流试验、通态重复临界上升率、热循环负载试验和高温阻断试验，包括：

将第一组被测晶闸管置于试验台，由所述控制模块的第二控制单元根据所述第一试验参数控制浪涌电流试验电路对被测晶闸管进行试验，实现被测晶闸管的短路故障电流试验；

将第二组被测晶闸管置于试验台，由所述控制模块的第三控制单元根据所述第二试验参数控制所述通态重复临界上升率试验对被测晶闸管进行试验，实现被测晶闸管的通态重复临界上升率试验；

由试验夹具夹紧第三组被测晶闸管，由所述控制模块的第一控制单元根据所述第三试验参数控制水控制系统以调节试验温度，由所述控制模块的第四控制单元根据所述第三试验参数控制所述热循环负载试验电路对被测晶闸管进行试验，实现被测晶闸管的热循环负载试验；

由试验夹具夹紧第四组被测晶闸管，由所述控制模块的第一控制单元根据所述第四试验参数控制所述水控制系统以调节试验温度，由所述控制模块的第五控制单元根据所述第四试验参数控制所述高温阻断试验电路对被测晶闸管进行试验，实现被测晶闸管的高温阻断试验。

根据本发明第二方面的一种能够实现的方式，所述第一试验参数包括：

工作结温90℃，重复采样等待时间为17.7ms，频率为单脉冲，再加的正向电压为0.7VDRM，压紧力为相应被测晶闸管所要求压力值；

所述短路故障电流试验的试验判据为：

浪涌电流不小于设计要求值；

所述第二试验参数包括：

工作结温90℃，频率为50Hz，再加的正向电压为0.7VDRM，测试时间为5s，压紧力为相应被测晶闸管所要求压力值；

所述通态重复临界上升率的试验判据为：

被测晶闸管的电流变化率不小于设计要求值；

所述第三试验参数包括：

冷却循环次数为2000次，最小温差为80℃，压紧力为120kN；

所述热循环负载试验的试验判据为：

晶闸管密封良好，性能参数的测试值均在要求范围内，且试验前后的性能参数测试值一致性良好，误差满足要求范围；

所述第四试验参数包括：

试验温度为90℃，试验电压为2/3VDRM，试验时间为1000h；

所述高温阻断试验的试验判据为：

晶闸管密封良好，性能参数的测试值均在要求范围内，且试验前后的性能参数测试值一致性良好，误差满足要求范围。

从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：

本发明的换流阀晶闸管综合老化试验装置包括试验台、夹紧模块、短路故障电流试验模块、通态重复临界上升率试验模块、热循环负载试验模块、高温阻断试验模块和控制模块；本发明还基于该装置提供了进行换流阀晶闸管的故障电流试验、通态重复临界上升率试验、热循环负载试验和高温阻断试验的试验方法；通过该装置，本发明可以对换流阀晶闸管进行整体的老化试验，从而较全面地验证换流阀晶闸管的各项老化参数，且有益于提高试验效率。

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明一个可选实施例提供的一种换流阀晶闸管综合老化试验装置的流程图；

图2为本发明一个可选实施例提供的浪涌电流试验电路的原理示意图；

图3为本发明一个可选实施例提供的通态电流临界上升率试验电路的原理示意图；

图4为本发明一个可选实施例提供的热循环负载试验电路的原理示意图；

图5为本发明一个可选实施例提供的一种换流阀晶闸管综合老化试验方法的流程图。

附图标记：

1-试验台；2-夹紧模块；3-短路故障电流试验模块；4-通态重复临界上升率试验模块；5-热循环负载试验模块；6-高温阻断试验模块；7-控制模块；21-散热单元；22-试验夹具；23-试验箱；24-水控制系统；31-浪涌电流试验电路；41-通态电流临界上升率试验电路；51-热循环负载试验电路；61-高温阻断试验电路；71-第一控制单元；72-第二控制单元；73-第三控制单元；74-第四控制单元；75-第五控制单元；T

具体实施方式

本发明实施例提供了一种换流阀晶闸管综合老化试验装置和方法，用于解决如何实现换流阀晶闸管的综合老化试验，以全面地反映换流阀晶闸管的老化特性的技术问题。

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，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，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种换流阀晶闸管综合老化试验装置。

请参阅图1，图1示出了本发明实施例提供的一种换流阀晶闸管综合老化试验装置的结构连接框图。

本发明实施例提供的一种换流阀晶闸管综合老化试验装置，包括：

试验台1，用于装载被测晶闸管；

夹紧模块2，包括带散热单元21的试验夹具22、试验箱23和水控制系统24；所述试验夹具22设置于所述试验箱23内，其设置有用于调节压紧力的调节旋钮；所述试验箱23上设有循环管路，所述循环管路连接有进水阀门和出水阀门，所述水控制系统24用于根据第一控制单元71发出的第一指令控制所述进水阀门和所述出水阀门的启闭，以及用于根据所述第一控制单元71发出的第二指令控制所述循环管路的进水温度；

短路故障电流试验模块3，包括与第二控制单元72连接的浪涌电流试验电路31；所述浪涌电流试验电路31用于在获取到所述第二控制单元72发出的第三指令时向被测晶闸管施加浪涌电流信号并读取被测晶闸管的峰值电流，以及在获取到所述第二控制单元72发出的第四指令时向被测晶闸管施加正向电压信号并读取被测晶闸管的峰值电压；

通态重复临界上升率试验模块4，包括与第三控制单元73连接的通态电流临界上升率试验电路41；所述通态电流临界上升率试验电路41用于根据所述第三控制单元73发出的第五指令调节被测晶闸管的非重复通态电流临界上升率；

热循环负载试验模块5，包括与第四控制单元74连接的热循环负载试验电路51；所述热循环负载试验电路51用于根据所述第四控制单元74发出的第三指令调节被测晶闸管的通态电流；

高温阻断试验模块6，包括与第五控制单元75连接的高温阻断试验电路61；所述高温阻断试验电路61用于对被测晶闸管施加正弦半波的重复峰值电压；

控制模块7，包括所述第一控制单元71、所述第二控制单元72、所述第三控制单元73、所述第四控制单元74和所述第五控制单元75。

对于换流阀来讲，应具备承受电压及电流应力的能力，作为换流阀核心器件的晶闸管，影响其寿命的因素包括：

(1)换流阀的最大运行电压。稳态运行时，晶闸管的重复电压(包括换相过冲)要低于晶闸管允许的重复电压。

(2)过负荷电流。换流阀的过负荷能力主要是根据晶闸管的热应力限制设计的，因此它受到环境温度、水冷系统、晶闸管结温和损耗等的限制。

(3)电流变化率(di/dt)。换流阀在运行过程中，由于运行中存在的各种恶劣工况，导致晶闸管在开通时很容易出现电流在极短的时间内快速上升，此时晶闸管会承受一个较大的di/dt电流，由于晶闸管在导通时有一个扩展过程，因此晶闸管的电流变化率参数在晶闸管开通时具有重要作用。

(4)短路故障电流。直流系统输电系统在运行过程中，换流器短路故障时晶闸管将承受一个较大的故障电流。晶闸管的电流耐受能力主要取决于晶闸管的性能，特别是晶闸管的结温限制。

结合上述因素，本发明实施例中，装置从晶闸管开展短路故障电流试验、通态重复临界上升率试验、电耐久性试验和热循环负载试验四个方向来进行设置，且基于该装置的方法也是从这四个方向对换流阀晶闸管进行试验，能够实现对换流阀晶闸管的各项老化参数的全面性验证。通过将各试验模块整合于一体，从而可以对换流阀晶闸管进行整体的老化试验，有益于提高试验效率。

在一种能够实现的方式中，所述试验箱23的箱壁设有夹层，所述循环管路设置于所述夹层内。在另一种能够实现的方式中，所述循环管路设置于所述试验箱23的内壁。

通过上述设置，可以通过控制进水温度和进出水的控制，实现由循环管路对试验箱23内的试验夹具22及试验夹具22夹紧的被测晶体管的加热或冷却。

在一种能够实现的方式中，所述循环管路包括用于冷却被测晶闸管的冷水循环管路和用于加热被测晶闸管的热水循环管路，所述冷水循环管路和所述热水循环管路均设有进水阀门和出水阀门。

在一种能够实现的方式中，所述浪涌电流试验电路31采用大容量工频变压器，截取市电交流波形来产生时间常数为10ms、导通角为0°～180°的正弦半波脉冲。

在一种能够实现的方式中，如图2所示，所述浪涌电流试验电路31包括第一变压器T

所述第一变压器T

所述浪涌电流试验电路31连接被测晶闸管时，被测晶闸管的一端连接于所述第一二极管D

需要说明的是，浪涌电流试验电路31也可以采用其他现有的用于产生浪涌电流和正向电压的电路结构。

在一种能够实现的方式中，如图3所示，通态电流临界上升率试验电路41包括第一电路部分、第二电路部分、第二峰值读数电压表V

所述第一电路部分包括无感电阻R

所述第二电路部分包括串联的第二电容C

所述通态电流临界上升率试验电路41连接被测晶闸管时，被测晶闸管并联在所述电感L和所述无感电阻R

需要说明的是，通态电流临界上升率试验电路41也可以采用其他现有的用于调节被测晶闸管的非重复通态电流临界上升率的电路结构。

高温阻断试验电路61的电路结构可以采用现有的电路结构，本申请实施例中，对此不做限定。

在一种能够实现的方式中，如图4所示，所述热循环负载试验电路51包括直流电源DC、第六普通电阻R

所述热循环负载试验电路51连接被测晶闸管时，所述直流电源DC、第六普通电阻R

需要说明的是，通热循环负载试验电路51也可以采用其他现有的用于调节被测晶闸管的通态电流的电路结构。

在一种能够实现的方式中，所述装置还包括：

显示单元，用于显示试验数据；所述试验数据包括所述峰值电流和所述峰值电压。

本发明还提供了一种换流阀晶闸管综合老化试验方法，所述方法基于如上任一项能够实现的方式所述的换流阀晶闸管综合老化试验装置。

请参阅图5，图5示出了本发明实施例提供的一种换流阀晶闸管综合老化试验方法的流程图。

本发明实施例提供的一种换流阀晶闸管综合老化试验方法，包括：

步骤S1，将具有相同属性的被测晶闸管分成四组，分别测试每组的各被测晶闸管的性能参数；所述性能参数包括额定断态重复峰值电压、反向重复峰值电压/电流和通态峰值电压；

步骤S2，确定将被测晶闸管进行各项试验时的试验参数和试验判据，并将所述试验参数输入至控制模块7；所述试验参数包括对应短路故障电流试验的第一试验参数、对应通态重复临界上升率试验的第二试验参数、对应热循环负载试验的第三试验参数和对应高温阻断试验的第四试验参数；

步骤S3，试验结束后，再次测试每组的各被测晶闸管的性能参数，结合两次测试的性能参数和所述试验判据确定相应被测晶闸管的老化特性。

其中，所述分别进行短路故障电流试验、通态重复临界上升率、热循环负载试验和高温阻断试验，包括：

将第一组被测晶闸管置于试验台1，由所述控制模块7的第二控制单元72根据所述第一试验参数控制浪涌电流试验电路31对被测晶闸管进行试验，实现被测晶闸管的短路故障电流试验；

将第二组被测晶闸管置于试验台1，由所述控制模块7的第三控制单元73根据所述第二试验参数控制所述通态重复临界上升率试验对被测晶闸管进行试验，实现被测晶闸管的通态重复临界上升率试验；

由试验夹具22夹紧第三组被测晶闸管，由所述控制模块7的第一控制单元71根据所述第三试验参数控制水控制系统24以调节试验温度，由所述控制模块7的第四控制单元74根据所述第三试验参数控制所述热循环负载试验电路51对被测晶闸管进行试验，实现被测晶闸管的热循环负载试验；

由试验夹具22夹紧第四组被测晶闸管，由所述控制模块7的第一控制单元71根据所述第四试验参数控制所述水控制系统24以调节试验温度，由所述控制模块7的第五控制单元75根据所述第四试验参数控制所述高温阻断试验电路61对被测晶闸管进行试验，实现被测晶闸管的高温阻断试验。

短路故障电流试验主要考验晶闸管在短时间内承受一个比额定平均电流大得多的电流的能力。具体试验时，在试验前测试被测晶闸管的额定断态重复峰值电压、反向重复峰值电压/电流和通态峰值电压，在试验后分别测试被测晶闸管的额定断态重复峰值电压、反向重复峰值电压/电流和通态峰值电压。

通态重复电流临界上升率试验是在晶闸管已扩展导通的情况下，测试晶闸管的非重复通态电流临界上升率。具体试验时，在试验前测试被测晶闸管的额定断态重复峰值电压、反向重复峰值电压/电流和通态峰值电压，在试验后分别测试被测晶闸管的额定断态重复峰值电压、反向重复峰值电压/电流和通态峰值电压。

器件在实际工作中结温由高到低再由低到高进行反复变化是经常的。负载循环能力就是为了检验器件在长期工作中的可靠性。具体试验时，在试验前分别测试被测晶闸管的额定断态重复峰值电压、反向重复峰值电压/电流、通态峰值电压/电流、门极-阴极特性曲线和晶闸管密封性；试验中将被测晶闸管装上试验夹具22，连接好被测晶闸管的触发引线，设置所需要的循环次数；打开水控制系统24，开通进出水阀门，将被测晶闸管冷却至常温；触发被测晶闸管，调节通态电流至3000A，通过水控制系统24控制循环管路，以调节被测晶闸管温升为80℃，并设置完成加热时间；加热完成后，通态电流关闭，水控制系统24控制循环管路，以冷却被测晶闸管至常温，如此往复，直至达到所需要的循环次数；试验后拆卸被测晶闸管，再次测试被测晶闸管的额定断态重复峰值电压、反向重复峰值电压/电流、通态峰值电压/电流、门极-阴极特性曲线和晶闸管密封性；

需要注意的是，晶闸管用规定电流加热，其值最好近似等于额定最大通态平均电流的0.8倍(约3000A)，直至结温达到在Tj和额定最高等效结温之间的值，其中Tj＝Tjmax-20℃，Tjmax表示额定最高等效结温。

试验前分别测试晶闸管额定断态重复峰值电压、反向重复峰值电压/电流、通态峰值电压/电流、门极-阴极特性曲线、晶闸管密封性；

高温阻断试验即电耐久性试验，是在额定的结温下，对器件施加正弦半波的重复峰值电压，运行足够长的时间，以考验器件长期承受重复峰值电压的能力。具体试验时，将被测晶闸管装入试验夹具22，加压至30kN；设置试验夹具22的温度为90℃，被测晶闸管两端加正/反向重复峰值电压的2/3电压，试验时间为1000h；试验后取下被测晶闸管，再次测试被测晶闸管的额定断态重复峰值电压、反向重复峰值电压/电流、通态峰值电压/电流、门极-阴极特性曲线和晶闸管密封性。

在一种能够实现的方式中，所述第一试验参数包括：

工作结温90℃，重复采样等待时间为17.7ms，频率为单脉冲，再加的正向电压为0.7VDRM，压紧力为相应被测晶闸管所要求压力值；

所述短路故障电流试验的试验判据为：

浪涌电流不小于设计要求值；

所述第二试验参数包括：

工作结温90℃，频率为50Hz，再加的正向电压为0.7VDRM，测试时间为5s，压紧力为相应被测晶闸管所要求压力值；

所述通态重复临界上升率的试验判据为：

被测晶闸管的电流变化率不小于设计要求值；

所述第三试验参数包括：

冷却循环次数为2000次，最小温差为80℃，压紧力为120kN；

所述热循环负载试验的试验判据为：

晶闸管密封良好，性能参数的测试值均在要求范围内，且试验前后的性能参数测试值一致性良好，误差满足要求范围；

所述第四试验参数包括：

试验温度为90℃，试验电压为2/3VDRM，试验时间为1000h；

所述高温阻断试验的试验判据为：

晶闸管密封良好，性能参数的测试值均在要求范围内，且试验前后的性能参数测试值一致性良好，误差满足要求范围。

以上所述，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。