CN216873175U - 一种基于串联igbt的高压直流开关装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种基于串联IGBT的高压直流开关装置，包括：十二个按照电位逐步升高的顺序依次串联的IGBT模块和环氧绝缘材质的机架，所述机架为三层结构，按照电位逐步升高的顺序每层设置四个排列成四边形的所述IGBT模块；每层的四个所述IGBT模块中电位最低和电位最高的两个所述IGBT模块设置在对角，中间电位的两个所述IGBT模块设置在对角；同层的相邻串联的两个所述IGBT模块通过Z字形铜排串联。在氧化锌避雷器电流均衡性测试中，该装置可以确保电流释放过程中能够耐受需要的高电压，同时能够通过足够的电流，使电抗器激起足够的电压，从而对氧化锌避雷器进行测试。

Description

一种基于串联IGBT的高压直流开关装置

技术领域

本实用新型涉及高压直流开关技术领域，尤其涉及一种基于串联IGBT 的高压直流开关装置。

背景技术

氧化锌避雷器是电力***和电力设备保护装置中的重要组成部件，在各种等级电力线路和变电站中大量安装和使用，其可靠性对电力***安全运行具有重要的意义。在高压直流断路器断开短路电流时，直流线路上的电感能量将通过与断路器并联的氧化锌避雷器吸收和消耗，需要多个氧化锌阀柱并联承受吸收和消耗这一巨大能量，一旦氧化锌避雷器发生***，将会造成整个线路的停电事故。由于故障设备更换周期长，代价高，将给公司带来巨大损失。在电网运维过程中，对氧化锌避雷器进行预防性维修在保证安全可靠性供电方面起着很好的作用。直接对氧化锌避雷器进行伏安特性的测试，试验结果能及时、准确再现电网运行过程中的缺陷和潜在故障。

目前对氧化锌避雷器伏安特性的测试一般由生产厂家在避雷器生产中对电阻片单体选择和配合时进行或者在避雷器入网取证前的型式试验中开展。由于常规电流均衡性试验要用到大功率的高压试验电源和阻抗元件，体积和重量庞大，这是它们无法被应用于现场的主要原因。因此，亟需一种氧化锌避雷器伏安特性现场测试装置，能够通过车载等方式在安装现场进行并联阀柱的伏安特性检测以及定期停电安排的现场检测。构造符合要求的能切断电感电流的高压直流开关是要目前要解决的问题。亟需一种高压直流开关在导通时控制电容向电感放电，因此需要承受较大的电感电流，而当它关断时，则需要承受氧化锌避雷器的击穿电压。

实用新型内容

本实用新型实施例提供了一种基于串联IGBT的高压直流开关装置，以解决现有技术缺少既可在导通时承受较大的电感电流又可在关断时承受氧化锌避雷器的击穿电压的高压直流开关的问题。

本实用新型实施例公开了如下的技术方案：

一种基于串联IGBT的高压直流开关装置，包括：十二个按照电位逐步升高的顺序依次串联的IGBT模块和环氧绝缘材质的机架，所述机架为三层结构，按照电位逐步升高的顺序每层设置四个排列成四边形的所述IGBT模块；每层的四个所述IGBT模块中电位最低和电位最高的两个所述IGBT模块设置在对角，中间电位的两个所述IGBT模块设置在对角；同层的相邻串联的两个所述IGBT模块通过Z字形铜排串联。

进一步：所述机架的第三层的上表面设置的环氧绝缘支撑柱的上端固定设置均压环，所述均压环与所有所述IGBT模块中的电位最高的IGBT模块上的最高电位连接。

进一步，所述顺序依次串联的IGBT模块，包括相邻串联的两个IGBT 模块，串联方式为：电位较低的一所述IGBT模块的集电极与电位较高的另一所述IGBT模块的发射极串联。

进一步：下层的电位较低的一所述IGBT模块的集电极与相邻上层的电位较高的另一所述IGBT模块的发射极通过层间电缆串联。

进一步：每一所述IGBT模块的上表面安装有屏蔽壳，且每一所述屏蔽壳与所安装在一起的所述IGBT模块的最高电位连接。

进一步：每一所述IGBT模块设置有用于接收开关信号并加载电压到所述IGBT模块的驱动电路。

进一步：每一所述IGBT模块设置有用于监测自身的所述IGBT模块的监测电路。

进一步：每一所述IGBT模块设置有用于供电的电池。

进一步：所述机架的相邻层之间的距离为25cm。

本实用新型实施例的基于串联IGBT的高压直流开关装置，在氧化锌避雷器电流均衡性测试中，可以确保电流释放过程中能够耐受需要的高电压，同时能够通过足够的电流，使电抗器激起足够的电压，从而对氧化锌避雷器进行测试；其结构设计保证了该装置具有耐压性好，体积小，重量轻的特点，从而便于进行现场测试氧化锌避雷器电流均衡性，节约了时间成本，提高了测量结果的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对本实用新型实施例的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实用新型的一些实施例，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他的附图。

图1是本实用新型一优选实施例的基于串联IGBT的高压直流开关装置的主视结构示意图；

图2是本实用新型一优选实施例的基于串联IGBT的高压直流开关装置的俯视结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获取的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型实施例公开了一种基于串联IGBT的高压直流开关装置。高压直流开关装置指的是，该开关装置最高可承受25～30kV的电压。如图1 和2所示，该装置具体包括如下的结构：十二个按照电位逐步升高的顺序依次串联的IGBT模块1和环氧绝缘材质的机架2。环氧绝缘材质具有耐高压、耐高温、氧指数高的优点。应当理解的是，对于每一IGBT模块1，其电位从高到低均匀分布，集电极(C)和发射极(E)之间的电压一般相差两千多伏。

机架2为三层结构。具体的，机架2可以由三块环氧绝缘隔板201和多个环氧绝缘支撑柱202组成。环氧绝缘隔板201可以为长方形。三块环氧绝缘隔板201平行设置形成三层结构。相邻两块环氧绝缘隔板201的四角处各通过一个环氧绝缘支撑柱202连接。第一层环氧绝缘隔板201的下表面的四角处可各设置一个环氧绝缘支撑柱202，用于支撑整个机架2。第三层环氧绝缘隔板201的上表面的四角处可各设置一个环氧绝缘支撑柱202，用于支撑其他组件。优选的，本实用新型实施例进一步包括：机架2的第三层的上表面设置的环氧绝缘支撑柱202的上端固定设置均压环3。具体的，由于 IGBT模块1的电位逐步升高，且单个IGBT模块1的电位也从低到高均匀分布，因此，均压环3与所有IGBT模块1中的电位最高的IGBT模块1上的最高电位电连接。均压环3采用铝制材料制成，截面可以为圆形、圆角矩形等等。由于均压环3置于整个装置的最高处，对整个装置的电场进行改善，保证均压环3所连接的最高电位对周围空气散布的电场达到最均匀的状态，避免局部放电。

按照电位逐步升高的顺序每层设置四个排列成四边形的IGBT模块1，例如，排列成正方形。每层的四个IGBT模块1中电位最低和电位最高的两个IGBT模块1设置在对角，中间电位的两个IGBT模块1设置在对角。同层的相邻串联的两个IGBT模块1通过Z字形铜排4串联。Z字形铜排4采用大截面积的纯铜材料制作，可保证大电流通过。

通过上述的分层结构设计，保证从下到上电位逐渐升高，提高该装置的绝缘水平；通过同层的IGBT模块1的位置排列以及采用Z字形铜排4串联，避免同一层内的IGBT模块1之间的电位差过高，保证每层的IGBT模块1 之间及各层之间电势差相同，以有效提高该装置的耐压性与稳定性，应用于氧化锌避雷器电流均衡性测试时，既可在导通时承受较大的电感电流又可在关断时承受氧化锌避雷器的击穿电压。

具体的，无论是同层还是不同层，顺序依次串联的IGBT模块1，包括相邻串联的两个IGBT模块1，则串联方式应当是：电位较低的一IGBT模块1的集电极与电位较高的另一IGBT模块1的发射极串联。

具体的，下层的电位较低的一IGBT模块1的集电极与相邻上层的电位较高的另一IGBT模块1的发射极通过层间电缆5串联。层间电缆5的外表面包裹有高压绝缘套管，以确保安全。

优选的，本实用新型实施例进一步包括：机架2的相邻层之间的距离为 25cm。因此，相邻的绝缘支撑板201之间保持有足够的距离以进一步避免相邻层设置的IGBT模块1间产生的电位差引起的放电对IGBT模块1产生破坏性击穿，保证装置的耐压稳定性。

优选的，本实用新型实施例进一步包括：每一IGBT模块1的上表面安装有屏蔽壳6。每一屏蔽壳6与所安装在一起的IGBT模块1的最高电位连接。屏蔽壳6用于抑制放电，即避免高压侧电路元件尖锐处与空气之间发生局部放电，改善电场环境，从而保护IGBT模块1。

优选的，本实用新型实施例进一步包括：每一IGBT模块1设置有用于接收开关信号并加载电压到IGBT模块1的驱动电路，以及，用于监测自身的IGBT模块1的监测电路，从而保证IGBT模块1的工作稳定性与开关同步性。驱动电路和监测电路均可通过光纤与外部控制设备通信连接，以控制 IGBT模块1动作，可以避免复杂的电磁环境对控制信号的影响，避免误动作，外部控制设备可采用延时补偿的办法实现高速的同步控制。具体的，驱动电路加载的电压包括驱动电压和关断电压，监测电路可监测上述的电压以及IGBT模块1是否正常。这两个电路为IGBT技术领域的常用电路，在此不再赘述。

优选的，本实用新型实施例进一步包括：每一IGBT模块1设置有用于供电的电池，以便进一步保证驱动电路和监测电路等正常工作。电池可以是锂离子电池。

该装置可应用于氧化锌避雷器电流均衡性测试，采用现有的测试方式进行，具体使用过程如下：

为保证正常使用，可先对IGBT模块1进行检测。具体的，IGBT模块1 的监测电路可通过光纤将IGBT模块1是否正常的信号发送到外部控制设备以进行检测。当所有IGBT模块1均检测正常后，即可开始控制IGBT模块 1的导通与关断。

导通过程：外部控制设备的导通信号通过光纤传输到每一IGBT模块1 的驱动电路的光纤接口，驱动电路施加驱动电压到IGBT模块1的栅极与发射极之间，使每一IGBT模块1导通，从而整个高压直流开关装置导通。

关断过程：外部控制设备的关断信号通过光纤传输到每一IGBT模块1 的驱动电路的光纤接口，驱动电路施加关断电压到IGBT模块1的栅极与发射极之间，使每一IGBT模块1关断，从而整个高压直流开关装置关断。

综上，本实用新型实施例的基于串联IGBT的高压直流开关装置，在氧化锌避雷器电流均衡性测试中，可以确保电流释放过程中能够耐受需要的高电压，同时能够通过足够的电流，使电抗器激起足够的电压，从而对氧化锌避雷器进行测试；其结构设计保证了该装置具有耐压性好，体积小，重量轻的特点，从而便于进行现场测试氧化锌避雷器电流均衡性，节约了时间成本，提高了测量结果的可靠性。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种基于串联IGBT的高压直流开关装置，其特征在于，包括：十二个按照电位逐步升高的顺序依次串联的IGBT模块和环氧绝缘材质的机架，所述机架为三层结构，按照电位逐步升高的顺序每层设置四个排列成四边形的所述IGBT模块；每层的四个所述IGBT模块中电位最低和电位最高的两个所述IGBT模块设置在对角，中间电位的两个所述IGBT模块设置在对角；同层的相邻串联的两个所述IGBT模块通过Z字形铜排串联。

2.根据权利要求1所述的基于串联IGBT的高压直流开关装置，其特征在于：所述机架的第三层的上表面设置的环氧绝缘支撑柱的上端固定设置均压环，所述均压环与所有所述IGBT模块中的电位最高的IGBT模块上的最高电位连接。

3.根据权利要求1所述的基于串联IGBT的高压直流开关装置，其特征在于：所述顺序依次串联的IGBT模块，包括相邻串联的两个IGBT模块，串联方式为：

电位较低的一所述IGBT模块的集电极与电位较高的另一所述IGBT模块的发射极串联。

4.根据权利要求1所述的基于串联IGBT的高压直流开关装置，其特征在于：下层的电位较低的一所述IGBT模块的集电极与相邻上层的电位较高的另一所述IGBT模块的发射极通过层间电缆串联。

5.根据权利要求1所述的基于串联IGBT的高压直流开关装置，其特征在于：每一所述IGBT模块的上表面安装有屏蔽壳，且每一所述屏蔽壳与所安装在一起的所述IGBT模块的最高电位连接。

6.根据权利要求1所述的基于串联IGBT的高压直流开关装置，其特征在于：每一所述IGBT模块设置有用于接收开关信号并加载电压到所述IGBT模块的驱动电路。

7.根据权利要求1所述的基于串联IGBT的高压直流开关装置，其特征在于：每一所述IGBT模块设置有用于监测自身的所述IGBT模块的监测电路。

8.根据权利要求1所述的基于串联IGBT的高压直流开关装置，其特征在于：每一所述IGBT模块设置有用于供电的电池。

9.根据权利要求1所述的基于串联IGBT的高压直流开关装置，其特征在于：所述机架的相邻层之间的距离为25cm。

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