专利名称：晶闸管壳内温度实时测量系统的制作方法
技术领域：
本发明属于电力电子系统领域，具体地说是涉及一种晶闸管壳内温度实时测量系统。
背景技术：
晶闸管自1956年诞生以来，一直朝着高电压、大电流的方向发展，分为电触发晶闸管(Electrically Triggered Thyristor，ETT)、光触发晶闸管(Light-Triggered Thyristor, LTT)，被广泛的用于HVDC、SVC、TCSC、TSC等领域。晶闸管换流阀是系统运行的核心部件，在开通过程中，若经受故障(浪涌)电流，电流上升率很大，而单晶硅扩展速度的增大并不明显，且不均勻，因此，会在导通局部形成很高的电流密度和造成局部结温急剧上升，最终导致晶闸管烧毁；在导通过程中，可存在高电流密度温升效应和缺陷点本征激发效应，形成单晶硅自身的循环加热，最终晶闸管烧毁；在关断过程中，由于存在恢复电流和较高的电流关断di/dt，结温都远远大于正常值，易烧毁晶闸管；在断态过程中，晶闸管存在泄漏电流和RC保护回路的过电压，亦同样产生局部热电的循环自加热，将晶闸管烧毁。因此，晶闸管结温随外界工况变化，对换流阀串联均压机制、内外部过电压、过电流、晶闸管反向恢复过程、触发控制系统、保护系统等各方面特性都起着决定性作用。目前，确定结温的方法主要是通过热阻抗计算(如Cauer、Foster网络)或热学仿真，但由于管内单晶硅芯片、焊剂层、外壳、绝缘垫片和散热器等材料的热容值相差很大，因此其各个实际传热时间常数之间也相差较大，上述方法极难算准。因此，迫切需要能够测量晶闸管内实时温度的测量系统，然而，国内外在此应用领域的测量手段仍是空白。本测量系统采用特制的光纤光栅温度传感器，能够置入管内钼片层，实时多点测量温度分布，对晶闸管本体影响极小，不受外界的强电磁干扰，具有体积超小、可靠性高、稳定性强、线性度好、误差小等特点，能够满足各类晶闸管换流阀的试验需求。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺陷，本发明的目的在于提出一种体积小、可靠性高、稳定性好、线性度好、误差小等优点的晶闸管壳内温度实时测量系统。为实现发明目的，本发明通过下述技术方案实现一种晶闸管壳内温度实时测量系统，所述晶闸管包括铜壳、瓷环、硅片和钼片，所述铜壳的外侧套设一瓷环，所述铜壳的内部设有硅片和钼片，所述硅片夹持在两个钼片之间，其改进之处在于该测量系统包括光纤光栅温度传感器，所述光纤光栅温度传感器采用由石英玻璃制成的光纤，且在该光纤上刻蚀有光栅，各光栅即为该测量系统的测量点，用于实现多光栅同时测量晶闸管钼片层的温度分布；所述晶闸管的钼片上设有用于容纳光纤的开槽，所述晶闸管的瓷环上设有用于引出光纤的开孔，所述光纤穿过该开孔后通过多模光纤与解调仪相连，所述解调仪将光纤光栅温度传感器传来的反射光的反射波长解调成温度信号，从而得到晶闸铜壳内温度的实时信息，所述解调仪将解调后的数据经网线传输至后台计算机。其中，所述钼片上的开槽形状为螺旋形，所述光纤置于该开槽内，且在各光栅的两侧均采用高温硅胶进行固定，使各光栅与钼片之间留有间隙。其中，所述光纤先进行载氢退火处理，然后在该光纤表面除了各光栅以外的位置涂覆聚酰亚胺。其中，所述光纤的直径为0. 13-0. 15mm。其中，所述开孔的中心线与晶闸管的瓷环中心线相垂直，通过所述开孔引出光纤后，向开孔中填入高温硅胶进行填封。其中，所述光纤穿过开孔后，位于晶闸管外面的光纤的外侧由内向外依次包裹有软铠和硬铠，以防止光纤折断，所述光纤通过多模光纤与位于屏蔽室内的解调仪相连，所述光纤与多模光纤采用光接头进行连接。其中，所述解调仪包括宽带光源、隔离器、定向耦合器、压电陶瓷、可调谐F-P滤波器、光电探测器、信号处理器和以太网接口，所述宽带光源发出连续光照射光纤，所述隔离器隔离各光栅的反射光，所述定向耦合器导引各光栅的反射光进入可调谐F-P滤波器，当可调谐F-P滤波器的导通中心波长与光栅反射光的反射波长相等时，光电探测器能探测到最大光强，经光电探测器转换成电信号，此电信号的峰值对应于导通中心波长和测量点的温度；所述信号处理器接收光电探测器发来的电信号并转换成以太网通信数据，通过以太网接口上传至后台计算机；同时，后台计算机通过以太网接口来调整信号处理器发出的锯齿波电压的频率，通过该锯齿波电压驱动压电陶瓷来控制可调谐F-P滤波器的透射波长。本发明的有益效果在于1、该测量系统的可靠性高、稳定性好，测量范围达到-40 310°C，且具备良好的线性度。2、该测量系统采用特制的光纤Bragg光栅温度传感器，可实现多栅点同时测量温度分布，直径0. 13-0. 15mm，对于100°C阶跃响应时间为10. 76ms，最大误差为1.69%。3、该测量系统中的光纤光栅温度传感器置于晶闸管的钼片层上的螺旋式开槽中， 可有效实现对管内钼片层实时温度的分布测量。4、位于屏蔽室内的解调仪，解调波长范围为1510 1590nm，扫描频率500Hz，解调
速度快，可用于毫秒级光信号的解调。
图1是本发明所述测量系统的总体框架图；图2是本发明所述测量系统的结构示意图；图3是光纤光栅温度传感器放置在钼片层上的位置示意图；图4是解调仪的结构原理示意图；图5是光纤光栅测温原理图；其中，1-铜壳，2-瓷环，3-硅片，4-钼片，5-光纤光栅温度传感器，51-光纤，52-光栅，6-开槽，7-开孔，8-多模光纤，9-解调仪，10-后台计算机，11-宽带光源，12-隔离器， 13-定向耦合器，14-压电陶瓷，15-可调谐F-P滤波器，16-光电探测器，17-信号处理器， 18-以太网接口，19-软铠和硬铠，20-光接头，21-门极触发引线。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的测量系统做进一步详细的说明。晶闸管换流阀是系统运行的核心部件，晶闸管结温随外界工况变化，对换流阀串联均压机制、内外部过电压、过电流、晶闸管反向恢复过程、触发控制系统、保护系统等各方面特性都起着决定性作用。如图1所示，本发明的测量系统主要由位于晶闸管中的光纤光栅温度传感器5、解调仪9和后台计算机10组成，图中与晶闸管相连接的电容和电阻与晶闸管一起构成晶闸管组件。光纤光栅温度传感器5通过多模光纤8与解调仪9相连，解调仪9将光纤光栅温度传感器传来的反射光的反射波长解调成温度信号，从而得到晶间铜壳内温度的实时信息，所述解调仪9将解调后的数据经以太网网线传输至后台计算机10。1、光纤光栅温度传感器的设计光纤光栅温度传感器5采用由高纯石英玻璃制成的光纤51，沿光纤刻蚀有几个 数十个Bragg光栅52，可实现多栅点同时测量温度分布，先对光纤51进行载氢退火处理， 然后在该光纤表面涂覆聚酰亚胺(栅点不涂)，光纤直径可以为0. 13-0. 15mm，以0. 13mm为佳。经动、静态试验验证，该光纤光栅传感器可耐310°C高温，对于100°C阶跃响应时间为 10. 76ms，最大误差为1.69%，稳定性高，线性度好，能够满足晶闸管内温度测试的需要。载氢退火处理采用本领域技术人员所公知的现有技术载氢是将光纤51放入低温高压(如温度-30 20°C，压力6 86Mpa)氢气中， 让氢气渗透入光纤中，以增强光纤的光敏性。退火载氢后光栅52中残存氢分子有扩散运动，会造成光栅光学特性的不稳定， 光栅的性能将随着时间的延长而发生劣化。高温退火技术，即是先将光纤置于高温中，再逐步降温，如将光纤置于330°C中，4小时内，逐步降低温度至0°C，可用于消除载氢后光栅结构缺陷，提高光栅性能的稳定性。2、带有光纤光栅温度传感器晶闸管试品的设计如图2所示，晶闸管包括铜壳1、瓷环2、硅片3和钼片4，所述铜壳1的外侧套设一瓷环2，，在铜壳1内部设有硅片3和钼片4，硅片3夹持在两个钼片4之间。图中晶闸管的开通是通过门极触发引线21实现的，门极触发引线21通过瓷环2上的门极孔进入晶闸管内部，穿过钼片4后与硅片3相连。由于光纤光栅传感器需要在晶闸管封装前置入在钼片上，因此对瓷环和钼片需要特制。钼片上的开槽6要求如图3所示，呈螺旋形，槽深0. 3mm，光纤51置于螺旋形开槽中， 图上T1-T6为光纤光栅温度传感器的6处光栅52，分别测量钼片层的温度分布。光纤光栅温度传感器的各光栅52两侧采用高温硅胶(本例中采用GE高温硅胶，可以耐温275°C)进行固定，使得各光栅52与钼片4之间留有一定间隙。晶闸管的瓷环2上设有开孔7，该开孔的中心线与晶闸管的瓷环2中心线相垂直，通过开孔7引出光纤51后，向开孔中填入高温硅胶进行填封。开孔7的直径可以为2. 5-3. 5mm,以3mm为佳，从开孔引出的那段光纤外侧由内向外依次包裹有软铠和硬铠19，以防止光纤折断。晶闸管试品一次性冷压成型后，经出厂试验验证，耐压、过电压、过电流、di/dt、 dv/dt等电气参量均符合国家标准，即该种置入光纤光栅传感器的试品制作方法对晶闸管特性影响极小。
3、信号传输方式的设计从开孔7引出的光纤51通过多模光纤8进行长距离光信号传输后与位于屏蔽室内的解调仪9相连，光纤与多模光纤采用光接头20 (本例中采用FC光接头)进行连接。4、解调仪的设计光纤光栅测温原理如图5所示，在高纯石英玻璃制成的光纤上，利用光刻蚀的方法制作光栅(FBG)。宽带光源发出的连续光通过传输光纤入射到光纤光栅，光栅有选择地反射一个窄带光，其余宽带光直接透射过去。选择反射的窄带光的中心波长λ B满足布拉格条件(称此波长为Bragg波长)，即λΒ = 2neff A(1)式(1)中neff是光栅的有效折射率；Λ是光栅的周期。该式表明，光纤光栅反射的窄带光中心波长入3逭1!时€和Λ变化，而neff和Λ随温度和应力变化，经过适当的加装处理，去除应力影响，可表现为随温度变化。当温度发生变化时，由于光纤高纯石英玻璃的热光效应，光栅的折射率neff会发生变化；由于热胀冷缩效应，光栅的周期也会发生变化，从而导致光栅Bragg波长变化。将式(1)对温度求导可以得到光纤光栅反射光中心变化与温度变化的关系为Δ λ Β/ λ β = ( α + ξ ) Δ t(2)式⑵中α为热膨胀系数，α = dA/(Adt) ；ξ为热光系数，ξ = dneff/ (neffdt)。在晶闸管运行的温度范围(0 310°C)内，α和ξ为常数，光栅波长变化与温度变化呈现很好的线性关系，只要测量出光栅反射波长的改变，就可以得到其环境温度的变化，这需要解调仪9。如图4所示，解调仪9包括宽带光源11、隔离器12、定向耦合器13、压电陶瓷14、 可调谐F-P滤波器15、光电探测器16、信号处理器17和以太网接口 18，宽带光源11发出连续光照射光纤51，隔离器12隔离各光栅52的反射光，定向耦合器13导引各光栅的反射光进入可调谐F-P滤波器15，当可调谐F-P滤波器的导通中心波长与光栅52的反射波长相等时，光电探测器16能探测到最大光强，经光电探测器转换成电信号，此电信号的峰值对应于导通中心波长和各测量点的温度；信号处理器17接收光电探测器发来的电信号并转换成以太网通信数据，通过以太网接口 18上传至后台计算机10 ；同时，后台计算机通过以太网接口来调整信号处理器发出的锯齿波电压的频率，通过该锯齿波电压驱动压电陶瓷14 来控制可调谐F-P滤波器15的透射波长。5、后台计算机的设计后台计算机采用LabVIEW软件编程实现对温度的实时观察，数据分析，数据保存， 历史调用等功能。经实验验证，以上设计的晶闸管壳内温度实时测量系统，能够实时多点测量温度分布，对晶间管本体影响极小，不受外界的强电磁干扰，光纤光栅传感器体积超小，整个测量系统具有稳定性强、可靠性高、稳定性强、线性度好、误差小等特点，其测量范围为-40 310°C，最大误差为1. 68%，能够满足各类晶闸管换流阀的试验需求。最后应当说明的是以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解依然可以对本发明的具体实施方式
进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
1.一种晶闸管壳内温度实时测量系统，所述晶闸管包括铜壳(1)、瓷环(2)、硅片(3)和钼片G)，所述铜壳(1)的外侧套设一瓷环O)，所述铜壳(1)的内部设有硅片( 和钼片 G)，所述硅片( 夹持在两个钼片(4)之间，其特征在于该测量系统包括光纤光栅温度传感器(5)，所述光纤光栅温度传感器采用由石英玻璃制成的光纤(51)，且在该光纤(51) 上刻蚀有光栅(52)，各光栅即为该测量系统的测量点，用于实现多光栅同时测量晶闸管钼片层的温度分布；所述晶闸管的钼片(4)上设有用于容纳光纤(51)的开槽(6)，所述晶闸管的瓷环(2)上设有用于引出光纤的开孔(7)，所述光纤(51)穿过该开孔后通过多模光纤(8)与解调仪(9)相连，所述解调仪(9)将光纤光栅温度传感器传来的反射光的反射波长解调成温度信号，从而得到晶闸铜壳内温度的实时信息，所述解调仪(9)将解调后的数据经网线传输至后台计算机(10)。
2.如权利要求1所述的晶闸管壳内温度实时测量系统，其特征在于所述钼片(4)上的开槽(6)形状为螺旋形，所述光纤(51)置于该开槽(6)内，且在各光栅(52)的两侧均采用高温硅胶进行固定，使各光栅(52)与钼片(4)之间留有间隙。
3.如权利要求2所述的晶闸管壳内温度实时测量系统，其特征在于所述光纤(51)先进行载氢退火处理，然后在该光纤表面除了各光栅以外的位置涂覆聚酰亚胺。
4.如权利要求3所述的晶闸管壳内温度实时测量系统，其特征在于所述光纤(51)的直径为 0. 13-0. 15mm。
5.如权利要求1所述的晶闸管壳内温度实时测量系统，其特征在于所述开孔(7)的中心线与晶闸管的瓷环(2)中心线相垂直，通过所述开孔引出光纤(51)后，向开孔中填入高温硅胶进行填封。
6.如权利要求5所述的晶闸管壳内温度实时测量系统，其特征在于所述光纤(51)穿过开孔后，位于晶闸管外面的光纤的外侧由内向外依次包裹有软铠和硬铠(19)，以防止光纤折断，所述光纤通过多模光纤(8)与位于屏蔽室内的解调仪(9)相连，所述光纤与多模光纤采用光接头00)进行连接。
7.如权利要求1或6所述的晶闸管壳内温度实时测量系统，其特征在于所述解调仪(9)包括宽带光源(11)、隔离器(12)、定向耦合器(13)、压电陶瓷(14)、可调谐F-P滤波器 (15)、光电探测器(16)、信号处理器(17)和以太网接口(18)，所述宽带光源(11)发出连续光照射光纤(51)，所述隔离器(12)隔离各光栅(52)的反射光，所述定向耦合器(13)导引各光栅的反射光进入可调谐F-P滤波器(1 ，当可调谐F-P滤波器的导通中心波长与光栅 (52)反射光的反射波长相等时，光电探测器(16)能探测到最大光强，经光电探测器转换成电信号，此电信号的峰值对应于导通中心波长和测量点的温度；所述信号处理器(17)接收光电探测器发来的电信号并转换成以太网通信数据，通过以太网接口(18)上传至后台计算机(10)；同时，后台计算机(10)通过以太网接口来调整信号处理器发出的锯齿波电压的频率，通过该锯齿波电压驱动压电陶瓷(14)来控制可调谐F-P滤波器(1 的透射波长。
全文摘要
本发明涉及一种晶闸管壳内温度实时测量系统，包括光纤光栅温度传感器，光纤光栅温度传感器采用由石英玻璃制成的光纤，且在该光纤上刻蚀有光栅，各光栅即为该测量系统的测量点，用于实现多光栅同时测量晶闸管钼片层的温度分布；晶闸管的钼片上设有用于容纳光纤的开槽，晶闸管的瓷环上设有开孔，光纤穿过该开孔后通过多模光纤与解调仪相连，解调仪将光纤光栅温度传感器传来的反射光的反射波长解调成温度信号，从而得到晶闸铜壳内温度的实时信息，解调仪将解调后的数据经网线传输至后台计算机。该测量系统具有稳定性强、可靠性高、稳定性强、线性度好、误差小等优点，测量范围-40～310℃，最大误差1.68％，可满足各类晶闸管换流阀的试验需求。
文档编号G01K11/32GK102169028SQ20111002328
公开日2011年8月31日 申请日期2011年1月20日 优先权日2011年1月20日
发明者张春雨, 李成榕, 王华锋 申请人:中国电力科学研究院, 华北电力大学