摘 要：文章提出了一种以空气绝缘和热管冷却的10kV晶闸管阀组件的研制方法，采用了电磁隔离分配与光纤传输的混合式脉冲触发方式以及采用电磁隔离采样、中间电位编码、光纤传输的故障回报方式，并且采用了无感电容、无感电阻和饱和电抗器配合来有效抑制断态的dv/dt和开通时的di/dt。
    关键词：SCR阀组件 热管散热器 串联 均压系数 饱和电抗器 BOD
   
    1 概 述
    二十世纪末电力电子技术、包括元器件制造技术有了长足发展，代表晶闸管（SCR）器件主要电气特征参数VDRM/VRRM、IDRM/IRRM、dv/dt、di/dt、VT、tq、Qrr参数大幅度提高，分散性大大减小，特别是以ABB公司四重扩散为代表的制造技术，使得元件Qrr的分散性控制在1%左右，ABB电控触发元件（ETT）的电压值也提高到7500～8500V，以西门子公司为代表的新一代内藏BOD光控元件（LTT）的电压8000～9000V，使得多个元件的串联应用显得日趋简单。西安电力电子技术研究所引进ABB技术并与西门子签订转让合同，已生产出初步的样品。但是，如何选择合适的绝缘结构和冷却方式，怎样有效提高多个元件串联的工作可靠性，如何减少可能出现的故障因素，对于降低成本、简化测量、减少维修、提高产品质量和市场竞争力，扩大高压SCR阀组件的应用领域，才是目前研究工作的重点。
   
    2 空气绝缘热管散热的SCR阀组件结构
    2.1 一个通用型组件，最重要的是使用的环境。采用空气绝缘热管散热的SCR阀组件能满足各种环境的要求。
    2.2 热管散热器最突出的特点在于：①传热能力强；②均温能力优良；③热密度可变；④无外加设备，工作可靠，结构简单，重量轻，不用维护。
    2.3 热管又称为两相闭式虹吸管，靠重力回流工作液，其优点在于： ①热管巧妙利用了两种最强的换热方式—蒸发和凝结，变相换热，以潜热形式传输热量，大大高于显热形式传输的热量，它能够在小的温压下传输大的热流量；
    —国家自然科学基金项目
    ②在热管正常工作时，内部的蒸发段产生的饱和蒸气高速流向凝结段而压降甚微，实测两段间的温差仅为1℃以下；
    ③由于热管工作时加热段和冷却段内、外换热面积互不牵连，因此可以通过改变内、外换热面积来改变热流密度。
    2.4 10kV热管散热结构的SCR阀组件
    （1）10kV阀组件的结构见图1
   

    图1 阀组件结构图
   
    （2）利用空气绝缘、热管散热的结构方式，可有效避免水冷却散热带来的结露、水路电位不固定、水路堵塞等带来的故障以及水处理设备投资等等麻烦。热管的热阻介于风冷散热器和水冷散热器之间，可根据不同的电流等级设计风冷或自冷的热管散热器。本次采用热管散热器有效台面ф75mm、双管、管长500mm，翼片面积0.2mm2，自冷时热阻约为0.32℃/W，风冷时小于0.08℃/W。
    （3）考虑到试验电压和实际使用电压之间的差别，爬电距离上做了特殊设计，在散热片之间加绝缘隔离挡板，在两顶板之间加绝缘垫片，在两个散热器固定点之间加开空气隙增加爬电距离，使结构满足工频和陡波30kV无电晕的试验要求。
    （4）非金属拉杆是紧固组件的关键部件，按1kg/mm设计，ф34mm的元件台面需要1000kg的轴向拉力，采用仅有轴向纤维的真空浸渍拉拔棒，每根能承受5000kg拉力，裕度很大。另外，考虑到拉杆长期受力的轴向伸长问题，由顶压在一端头的ф50×ф25×3mm 4片碟形弹簧来补偿。
    2.5 由于散热片之间的距离相对固定，而且定位精度较高，散热片间的分布电容量误差小于2.5%，因此每片间几十pF的分布电容也能有效旁路高dv/dt波形，起到均压作用。
   
    3 光纤传输/电磁隔离分配触发方式及中间电位编码的故障回报方式：
   
    3.1 光纤传输/电磁隔离分配触发方式及故障回报方式见图2
    3.2 采用光纤/电磁分配混合式触发方式的好处在于：
    （1）无需高电位取能，触发的一致性好，工作可靠性高；
    （2）每只阀组件仅需一根光纤，节省投资，简化调试及维护。
    3.3 采用光纤/电磁采样、中间电位编码故障回报方式的优点在于：
    （1）故障回报每个组件一根光纤，节约投资，方便调试和维护；
    （2）无需高电位取能，故障识别率高，工作可靠。
   
   

    4 串联饱和电抗器在抑制dv/dt、di/dt时的作用
    (1)在SCR阀组件断态耐受雷电冲击电压波形瞬时，饱和电抗器L两端承受大部分的高dv/dt电压，使得与L串联的阀组件（有并联RC时）仅承受到局部的、已被大衰减了的低dv/dt电压。L承受电压和时间的积分取决于其磁链的大小。本次研制饱和电抗器L能衰减30%的雷电冲击电压（见图6），对1.2/50mS幅值为25kV的冲击电压,经过L阻抗衰减后, dv/dt 从原来的20.8kV/mS,减缓到3.6 kV/mS。
    (2)在SCR阀组件触发开通时,由于饱和电抗器L的存在,大大限制了开通时的电流上升率(见图3 )，随着电流增长，L进入饱和，这时的SCR元件的导通面积全部扩展，此时再出现di/dt对SCR阀组件无害。
   

    图3 饱和电抗器抑制di/dt波形
   
    (3)在SCR阀组件关断时,由于L在此时已接近退出饱和区,使得关断时的di/dt大大降低,明显抑制了由于关断时di/dt过大引起的Qrr陡变产生SCR关断过电压。
   
    (4)饱和电抗器的饱和电抗值应很小，设计时选择合适的高矩形比磁芯，合理设计铜线的截面减少铜损，对降低功耗是有利的。
   
    5 阀组件电压匹配设计
    本次10kVac SCR阀组件采用ABB 5STP 03´6500 ，其元件为：
    VDSM / VRRM = 6500V，VDRM / VRRM = 5600V，串联个数为：6+1（其中1只为备用）。
    ①阀组件电压峰值：6´6500=39kV 或7´5600=39.2kV
    ②过压保护基准电压:电压不均匀系数1.1, 39kV/1.1=35.45kV
    ③过压检测电平:BOD时间响应系数1.25, 35.45kV /1.25=28.36kV
    ④最大工作电压峰值: BOD不均匀系数1.05, 28.36kV/1.05=27 kV
    ⑤瞬态过电压峰值: 瞬态过电压系数1.36, 27kV/1.36=19.86kV
    ⑥换向过电压峰值: 换向过电压系数1.4, 19.86 kV /1.4=14.18 kV
    ⑦额定交流工作电压:峰值电压系数1.414, 14.18kV/1.414=10kV
    其中第④项最大工作电压峰值27kV满足25kV雷电冲击波和操作波过电压的试验要求, 以及BOD动作电压值4.32´6=25.92kV满足在操作波25kV下不动作之要求.
   
    6 测试波形及结论:
    6.1 测试波形
    开通时k≥0.95,关断时k≥0.88
   

    图4 开通、关断均压波形 图5 脉冲丢失BOD触发单只元件波形
      

    图6 雷电冲击过电压分布波形 图7 操作波过电压分布波形
    交流耐压：16kV 1分钟 均压系数：k≥0.93
    直流耐压: 20kV 1分钟 均压系数：k≥0.95
    6.2 结 论
    热管结构的10kV阀组件研制成功, 标志着晶闸管组件在10kV高压领域应用、普及的开始。对于北方缺水、南方潮湿结露，甚至崇山峻岭中的无人值守变电站，及荒郊野外的电气铁路供电设施，都能有它的用武之地，它具有以往高压电力电子产品不具备的优点：
    ①热管结构的10kV SCR阀组件，是一种对环境适应性极强的高效的、节能的、环保的绿色产品。
    ②采用了光纤/电磁混合的触发方式和故障回报方式，大大降低了产品的造价，减少了测试环节，简化了维护工作，提高了产品的工作可靠性。
    ③设计合适的串联饱和电抗器、无感电容器和无感电阻的匹配使用，能大大衰减断态高dv/dt幅值，减少dv/dt的数值；在阀组件开通和关断时能有效抑制回路电流的di/dt，增加元件的工作可靠性。
    ④采用真空浸渍高强度拉拔棒的紧固方式，对均衡散热片间的分布电容，提高对高dv/dt陡度电压的分布均匀性，避免尖端放电，确保高电压产品的耐压可靠性是至关重要的。
   
    参考文献：
    [1] 楼晓峰《热管散热器及其在ф100mm晶闸管巨型励磁柜的应用》
    —《电力电子技术》2000年第3期
    [2] 日.Horinchi《6kV VBO自保护型LTT在无功静补和直流输电系统中的应用》
    [3] IEC标准60700《直流输电用晶闸管阀试验》—1998