柔性直流输电换流阀IGBT阀段压接工艺研究

杨一平，吴红艳，孙朋

(许昌职业技术学院 机电与汽车工程学院，河南 许昌 461000)

0 引言

随着气候变化日益加大、能源紧缺形势日趋严峻，需在全球范围内重点优化能源结构，大力开发和利用可再生能源。以风能、太阳能为代表的可再生能源，具有远离负荷中心、资源分散等特点。我国幅员辽阔，大规模应用可再生能源必须采用远距离大容量输电方式。当输电距离较长时，传统的交流输电技术联网的经济性下降，而直流输电技术就显示出明显的技术、经济优势。因此，构建智能、高效、可靠的直流输电电网，一直是我国电网建设的重点之一[1-3]。

基于全控电力电子器件的电压源换流器的柔性直流输电技术，由于其运行灵活、功率解耦，特别是不依赖电网换相的特点，为直流输电技术提供了新的发展途径。

在柔性直流输电系统中，换流阀IGBT阀段是整个系统的核心部件，但因制造周期长、工序多、技术复杂、难度太高，成为制约我国柔性直流输电事业发展的瓶颈[4-10]。

1 换流阀IGBT阀段生产面临问题

1)采用手动液压泵形式为换流阀IGBT阀段加压，工序繁琐，且阀段加压时IGBT、散热器、晶闸管需在同一中心线上，手动方式的反复调整，难以控制精度，影响质量稳定性。

2)阀段加压时手动操作，因碟簧变形量大需增加垫片进行压接，且需要多人配合调整，耗费大量人力、物力。

3)手动液压泵压力误差较大，难以校核压力值是否达到设计压力。

4)无相应的工艺流程来规范阀段压接过程，需要设计压接工艺流程，控制阀段压接质量。

5)生产效率低，项目中换流阀阀段数量巨大，批量化生产面临巨大压力。

2 换流阀IGBT阀段压接工艺研究

针对上述IGBT阀段手动压接中面临的工艺问题，为确保柔性直流输电换流阀的生产质量，从柔性直流输电换流阀阀段压接工装的研发、生产、制造、安装、维护等各个角度，研究阀段压接工装，规划工艺流程，改进阀段压接工艺，实现由手动压接工艺到自动压接工艺的改进。

阀段压接工装采用卧式液压床结构，机架利用计算机优化设计，用钢板焊接而成，提高整体强度。托块轨道采用合金钢板制造，坚固耐用。阀段压接工装示意图如图1所示。

图1 阀段压接工装示意图

在工作平台一端设计油缸固定座，油缸上配有压力传感器，工件受力状况由控制台面板上显示仪直接查看。另一端为活动承力座，可根据阀段的长短调节其安装位置来满足不同长度阀段压接的要求。承力座设有微调机构，便于精确定位。

液压系统配备高精度压力表，实时反映系统液压力。液压存在常态波动，故在压头部配有压力传感器，由传感器显示仪显示阀段的实时受压状况。

油缸的运行具有自动和手动控制两种控制方式，可切换选择，液压控制系统如图2所示。

图2 液压控制系统示意图

油缸自动控制时只需设定压力值，按下起动按钮后，压头自动前行进行加压，达到设定压力值后保压延时器在0～99min可调范围内保压；保压到换向阀换向，压头回缩, 回缩到极限时行程开关工作，换向阀失电，油泵停机。

油缸手动控制时，调整好压力，按下前行按钮，压头快速前行加压，当达到调定的压力值时，换向阀失电回至中位，油泵空转回油，油缸由液压锁保压。压头回缩时，按下回程按钮，压头回缩到极限位时行程开关工作，换向阀失电，油泵停机。

换流阀IGBT阀段安装时，应使IGBT、散热器、晶闸管安装后中心线在一条直线上，元器件尺寸误差可通过IGBT阀段加压工装调整，实现均匀加压。如图3所示。

图3 换流阀阀段示意图

IGBT阀段在压接工装上安装完毕，用水平尺检查中心度后，设定合适压力进行加压，阀段加压如图4所示。

图4 换流阀阀段压接示意图

根据柔性直流输电换流阀IGBT阀段加压原理，结合阀段加压注意事项，进行换流阀阀段加压工艺流程设计，阀段加压工艺流程如图5所示。

图5 阀段加压工艺流程图

3 IGBT阀段压接可靠性试验

为了验证使用IGBT阀段自动压接工装后，阀段压接是否可靠，对阀段内部电气元件表面压力进行测试。

在阀段内部电气元件表面放入压力测试纸，通过压接工装对压接阀段在特定的压力范围内加压，保压30min后，泄压并取出压力测试纸；通过与标准试纸对比，判断电器元件表面压力是否均匀，进而判断压接阀段是否可靠。标准试纸样本如图6所示，压接实际试纸样品如图7所示。

图6 标准试纸样本

图7 实际压接试纸样本

通过分析实际压接试纸样品，可以看出压接阀段内电器元件表面压力均匀，压接阀段结构可靠，满足不同元器件压接要求。

4 阀段压接工艺改进分析

采用上述IGBT阀段压接工艺研究方案，生产实践中节省了大量人力物力，提高了生产效率及产品质量。现从降低劳动强度、提升生产效率、提高产品质量等几方面，对改善前后创效价值进行分析。改善前后各项指标对比见表1。

表1 压接工艺改善前后对比表

1)工艺改善前后劳动强度对比

阀段手动压接时，液压泵需1人上下多次挥动手臂，并趴在地上查看压力表。因液压泵行程不够，达到一定压力后另需2人在阀段端增加垫块，并有2人分别站在阀段左右两侧不停地调整同心度，每个阀段需配备5名操作人员。

使用阀段压接工装后，只需1人按工艺要求将阀段元器件摆放在工装上，另外1人操作工装按钮，实现自动加压。过程中不需要增加垫块、二次加压、上下左右调整同心度，只需配备2名操作人员即可完成阀段生产。

可节约3名操作人员，同时降低了工人劳动强度。

2)工艺改善前后生产效率对比

柔性直流输电工程原手动压接阀段，因IGBT、碟簧变形量较大，液压泵单次移动行程无法满足加压要求，需增加垫块二次加压。同时加压过程中垫板很难保证IGBT、晶闸管、散热器的同心度，需不停调整各元器件上下左右对齐，导致阀段生产速度较慢，只能日产10个阀段。按项目有10000个阀段计算，需1000日才能完成阀段装配。

使用IGBT阀段压接工装后，加压时只需按动按钮自动加压，不需增加垫块二次加压。同时工装已经保证了阀段同心度，不需进行上下左右调整。可日产阀段40个，仅需250天完成阀段装配。

阀段压接工装的使用，生产上可节约：

5×1000-2×250=4500 (人·日)

阀段压接生产效率提升90%。

3)工艺改善前后生产质量对比

因阀段压接工装能实现自动对准同心度，且压力值设置后能自动加压，避免了手动调整同心度的误差，也避免了二次加压带来的压力误差，一次交检合格率由98%提升至100%。

按上述节约的人力物力统计，包含10000个阀段的柔性直流输电工程可节约：

[5(人)×1000(日)-2(人)×250(日)]×500(元)=225(万元)

5 结语

自动阀段压接工装节约了生产用时，降低了劳动强度，通过对柔性直流输电换流阀阀段压接工艺技术的提升，提高了现有输配电网的安全稳定水平，优化了可再生能源低成本规模化的开发利用，促进了电力产业结构升级和优化，解决了限制柔性直流输电换流阀生产效率的瓶颈问题。