一种晶闸管电加热试验装置及其试验方法与流程

本发明属于电力电子领域，涉及晶闸管电加热试验，更具体涉及一种晶闸管电加热试验装置及其试验方法。

背景技术：

基于晶闸管串联技术的高压阀已在电网中广泛应用，例如静止无功补偿器（svc）、高压直流输电换流阀（hvdcvalve）、晶闸管控制串联补偿器（tcsc）等。晶闸管作为此类大功率电力电子设备的核心器件，其性能关乎设备的运行安全。

晶闸管在工作时pn结会发热造成温度上升，pn结的温度称为结温。额定运行时，晶闸管结温存在一定的安全裕度；当工作在过负荷或短时故障工况下时，晶闸管结温可能达到最高允许运行温度，温度升高会引起晶闸管内pn结损伤、内部低熔点材料的融化，导致电气性能退化或永久损坏。晶闸管经历额定运行工况与过负荷、短时故障工况之间的循环运行，在此过程中晶闸管承受高低温循环，晶闸管结构上为多种材料压接而成，不同材料的热膨胀系数不同，高低温循环时由于热胀冷缩作用会形成界面剪切力，该力会沿着空洞和微裂纹进行裂纹扩散，裂纹扩大到一定程度将导致晶闸管芯片失效。因此有必要在出厂阶段开展晶闸管电加热试验，验证晶闸管承受设计要求的最高结温及高低温循环应力的性能。

电加热试验时需要将晶闸管加热到需求的结温，晶闸管的加热方法主要有两种，分别为水加热和电加热。水加热通过水系统的水温对晶闸管进行传导加热；电加热通过在晶闸管开通状态时施加电流，由晶闸管的损耗产生的热量对自身进行加热。水加热相比于电加热，将晶闸管加热到相同的结温时间更长；并且水加热时晶闸管各层材料温度分布为外高内低，与晶闸管工作状态时温度分布内高外低不同，高低温循环应力考核存在一定差异。

晶闸管正常运行时处于电加热工况。电加热可采用交流电流或直流电流对晶闸管进行加热，由于晶闸管的单向导通特性，交流电流只有半个周期通过晶闸管，而直流电流可以全周期通过晶闸管。专利cn100386640c采用交流电流加热时，由于交流电流一个周期内存在正电流和负电流，故试品中必须有两个晶闸管方向相反的并联连接的高压阀，无法对单个高压阀开展试验，存在一定的试验局限性。而直流电流加热可以仅对一个高压阀开展试验，当需要加热多个高压阀时，只需将各个高压阀串联开展试验，试验方式灵活。

专利cn201548414u、cn203909232u、cn100392416c、cn202421373u、cn101726697b均采用直流电流对高压阀进行加热，并且高压阀的开通电压和电加热电流均由同一个直流电流源提供。晶闸管在开通时刻仅需大的开通电压，晶闸管开通后开展电加热试验需小的维持电压、大的试验电流；单级晶闸管开通电压在1kv左右，高压阀通常包含至少十多级晶闸管串联，高压阀开通所需电压幅值较大；高压阀开通后在开展电加热时，单级晶闸管上的维持电压仅几伏，电加热试验电流达上千安。直流电流源既提供开通电压又提供电加热试验电流时，为直流电流源供能的变压器容量需按照开通电压和电加热试验电流确定，将造成变压器容量的较大浪费，变压器费用在建设成本中占较大比例，造成试验装置建设成本急剧升高；试验装置为满足更多的晶闸管串联级数的高压阀试验需求而升级改造时，变压器不满足高压阀开通电压要求而需要报废并重新设计采购。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供了一种晶闸管电加热试验装置及其试验方法，将晶闸管开通回路和电流加热回路分开，分别由单独的电源提供，既满足晶闸管电加热试验需求，又降低了试验装置建设成本，并且试验装置升级简单、成本低。

具体的方案如下：

一种晶闸管电加热试验装置，所述试验装置包括小直流源1、大直流源2、取能电源3、待测晶闸管4、开关一5、开关二6，小直流源1和取能电源3并联连接，取能电源3与相互串联的待测晶闸管4和开关一5并联连接，待测晶闸管4与相互串联的大直流源2和开关二6并联连接。

上述试验装置包括晶闸管开通回路和电流加热回路；开关一5处于合位、开关二6处于分位时晶闸管开通回路导通，所述晶闸管开通回路包括小直流源1、取能电源3、待测晶闸管4、开关一5，小直流源1和取能电源3并联连接，取能电源3与相互串联的待测晶闸管4和开关一5并联连接；开关一5处于分位、开关二6处于合位时电流加热回路导通，所述电流加热回路包括待测晶闸管4、开关二6，大直流源2，待测晶闸管4与相互串联的大直流源2和开关二6并联连接。

上述小直流源1包括二极管整流桥11和二极管硅堆12，二极管整流桥11和二极管硅堆12串联连接，二极管硅堆12包括至少一个二极管器件，所有二极管器件同向依次串联；二极管硅堆12包括相应的均压回路。

上述大直流源2为六脉动整流桥。

上述取能电源3为冲击电源。

一种基于如前所述一种晶闸管电加热试验装置的试验方法，包括如下步骤：

（21）打开开关二6，闭合开关一5，启动小直流源1，小直流源1输出的直流电压施加在待测晶闸管4两端；

（22）根据触发待测晶闸管4导通所需的取能电压要求确定取能电源3的输出电压峰值，启动取能电源3，在取能电源3输出的电压峰值时刻触发待测晶闸管4；

（23）监测流过待测晶闸管4的电流，若出现稳定的电流，则待测晶闸管4已导通，进入步骤（24）；若未出现稳定的电流，则待测晶闸管4未导通，重复（21）和（22）步骤；

（24）合上开关二6，启动大直流源2，根据待测晶闸管4电加热试验电流要求值，调节大直流源2输出的直流电流；

（25）监测流过待测晶闸管4的电流，电流值达到小直流源1和大直流源2输出的直流电流总和，并且电流波形稳定后，打开开关一5；

（26）根据待测晶闸管4电加热试验各阶段的试验电流需求，调节大直流源2输出的直流电流。

本发明的有益效果：

1、本发明将待测晶闸管4开通回路和电流加热回路分开，分别由单独的电源提供，既满足晶闸管电加热试验需求，又降低了试验装置建设成本，并且试验装置升级简单、成本低。电流加热回路中大直流源2提供加热电源，为大直流源2提供能量的变压器，容量仅需按大直流源单个桥臂取能电压和电加热电流确定，大直流源2单个桥臂仅为1级晶闸管，变压器容量小且未造成容量浪费；变压器费用在建设成本中占较大比例，减小变压器容量可有效降低试验装置建设成本。开通回路中取能电源3提供待测晶闸管4的开通电压，试验装置为满足更多的晶闸管串联级数的高压阀试验需求而升级改造时，冲击电源仅需增加电容串联级数及更换匹配的波头电阻，以满足高压阀电压取能要求，而无需报废昂贵的变压器，试验装置升级简单、成本低。

2、本发明中小直流源1和大直流源2的配合电路，小直流源1用于在待测晶闸管4取能开通后续流，等待下一步大直流源2投入解锁；若不设置小直流源1，在待测晶闸管4取能开通时刻解锁大直流源2，大直流源2将输出较大的过电流，影响大直流源2和被试验的高压阀安全。

3、本发明中小直流源1中二极管整流桥11和二极管硅堆12的组合电路，可耐受高取能电压输出小直流电压。取能电源3输出的较高幅值的电压主要由二极管硅堆12承受，二极管整流桥11上电压较小单个桥臂仅需1级二极管；若无二极管硅堆12，则二极管整流桥11每个桥臂均需承受取能电源3输出的电压，二极管器件的使用量将增加3倍，导致平台建设成本显著增加。试验装置为满足更多的晶闸管串联级数的高压阀试验需求而升级改造时，仅需增加二极管硅堆12中二极管器件的串联级数用于承受升高的取能电压，而无需改造二极管整流桥11的各桥臂，试验装置升级简单、成本低。

附图说明

图1是本发明试验电路第一种实施例的整体架构图；

图2是本发明小直流源回路图；

图3是本发明晶闸管取能开通时刻电流回路图；

图4是本发明晶闸管取能开通后小直流源提供稳定电流时的电流回路图；

图5是本发明晶闸管上通过小直流源和大直流源共同提供电流时的电流回路图；

图6是本发明晶闸管上通过大直流源提供电加热试验电流的电流回路图。

其中：1-小直流源、2-大直流源、3-取能电源、4-待测晶闸管、5-开关一、6-开关二，11-二极管整流桥、12-二极管硅堆。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明一种晶闸管电加热试验装置，结合图1所示，试验装置包括小直流源1、大直流源2、取能电源3、待测晶闸管4、开关一5、开关二6，小直流源1和取能电源3并联连接，取能电源3与相互串联的待测晶闸管4和开关一5并联连接，待测晶闸管4与相互串联的大直流源2和开关二6并联连接。大直流源2为六脉动整流桥，取能电源3为冲击电源。

所述小直流源1包括二极管整流桥11和二极管硅堆12，如图1和图2所示的实施电路，二极管整流桥11和二极管硅堆12串联连接；二极管整流桥11包含4个二极管整流桥臂，输入单相交流电压，输出直流电压；二极管硅堆12包括至少一个二极管器件，所有二极管器件同向依次串联；二极管硅堆12包括相应的均压回路。

针对图1所示的实施方案，本发明还提供一种晶闸管电加热试验装置的试验方法，包括如下步骤：

（21）打开开关二6，闭合开关一5，启动小直流源1，小直流源1输出的直流电压施加在待测晶闸管4两端；

（22）根据触发待测晶闸管4导通所需的取能电压要求确定取能电源3的输出电压峰值，启动取能电源3，在取能电源3输出的电压峰值时刻触发待测晶闸管4，此时电流回路如图3所示；

（23）监测流过待测晶闸管4的电流，此时电流回路如图4所示，若出现稳定的电流，则待测晶闸管4已导通，进入步骤（24）；若未出现稳定的电流，则待测晶闸管4未导通，重复（21）和（22）步骤；

（24）合上开关二6，启动大直流源2，根据待测晶闸管4电加热试验电流要求值，调节大直流源2输出的直流电流；

（25）监测流过待测晶闸管4的电流，此时电流回路如图5所示，电流值达到小直流源1和大直流源2输出的直流电流总和，并且电流波形稳定后，打开开关一5；

（26）根据待测晶闸管4电加热试验各阶段的试验电流需求，调节大直流源2输出的直流电流，此时电流回路如图6所示。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围。所属技术领域的普通技术人员应当理解到：对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明提出的技术思想和范围的任何修改或者等同替换均应涵盖在本发明权利要求的范围当中。