楊一平，吳紅艷，孫朋

(許昌職業(yè)技術學院 機電與汽車工程學院，河南 許昌 461000)

0 引言

隨著氣候變化日益加大、能源緊缺形勢日趨嚴峻，需在全球范圍內重點優(yōu)化能源結構，大力開發(fā)和利用可再生能源。以風能、太陽能為代表的可再生能源，具有遠離負荷中心、資源分散等特點。我國幅員遼闊，大規(guī)模應用可再生能源必須采用遠距離大容量輸電方式。當輸電距離較長時，傳統(tǒng)的交流輸電技術聯(lián)網的經濟性下降，而直流輸電技術就顯示出明顯的技術、經濟優(yōu)勢。因此，構建智能、高效、可靠的直流輸電電網，一直是我國電網建設的重點之一[1-3]。

基于全控電力電子器件的電壓源換流器的柔性直流輸電技術，由于其運行靈活、功率解耦，特別是不依賴電網換相的特點，為直流輸電技術提供了新的發(fā)展途徑。

在柔性直流輸電系統(tǒng)中，換流閥IGBT閥段是整個系統(tǒng)的核心部件，但因制造周期長、工序多、技術復雜、難度太高，成為制約我國柔性直流輸電事業(yè)發(fā)展的瓶頸[4-10]。

1 換流閥IGBT閥段生產面臨問題

1)采用手動液壓泵形式為換流閥IGBT閥段加壓，工序繁瑣，且閥段加壓時IGBT、散熱器、晶閘管需在同一中心線上，手動方式的反復調整，難以控制精度，影響質量穩(wěn)定性。

2)閥段加壓時手動操作，因碟簧變形量大需增加墊片進行壓接，且需要多人配合調整，耗費大量人力、物力。

3)手動液壓泵壓力誤差較大，難以校核壓力值是否達到設計壓力。

4)無相應的工藝流程來規(guī)范閥段壓接過程，需要設計壓接工藝流程，控制閥段壓接質量。

5)生產效率低，項目中換流閥閥段數(shù)量巨大，批量化生產面臨巨大壓力。

2 換流閥IGBT閥段壓接工藝研究

針對上述IGBT閥段手動壓接中面臨的工藝問題，為確保柔性直流輸電換流閥的生產質量，從柔性直流輸電換流閥閥段壓接工裝的研發(fā)、生產、制造、安裝、維護等各個角度，研究閥段壓接工裝，規(guī)劃工藝流程，改進閥段壓接工藝，實現(xiàn)由手動壓接工藝到自動壓接工藝的改進。

閥段壓接工裝采用臥式液壓床結構，機架利用計算機優(yōu)化設計，用鋼板焊接而成，提高整體強度。托塊軌道采用合金鋼板制造，堅固耐用。閥段壓接工裝示意圖如圖1所示。

圖1 閥段壓接工裝示意圖

在工作平臺一端設計油缸固定座，油缸上配有壓力傳感器，工件受力狀況由控制臺面板上顯示儀直接查看。另一端為活動承力座，可根據(jù)閥段的長短調節(jié)其安裝位置來滿足不同長度閥段壓接的要求。承力座設有微調機構，便于精確定位。

液壓系統(tǒng)配備高精度壓力表，實時反映系統(tǒng)液壓力。液壓存在常態(tài)波動，故在壓頭部配有壓力傳感器，由傳感器顯示儀顯示閥段的實時受壓狀況。

油缸的運行具有自動和手動控制兩種控制方式，可切換選擇，液壓控制系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 液壓控制系統(tǒng)示意圖

油缸自動控制時只需設定壓力值，按下起動按鈕后，壓頭自動前行進行加壓，達到設定壓力值后保壓延時器在0～99min可調范圍內保壓；保壓到換向閥換向，壓頭回縮, 回縮到極限時行程開關工作，換向閥失電，油泵停機。

油缸手動控制時，調整好壓力，按下前行按鈕，壓頭快速前行加壓，當達到調定的壓力值時，換向閥失電回至中位，油泵空轉回油，油缸由液壓鎖保壓。壓頭回縮時，按下回程按鈕，壓頭回縮到極限位時行程開關工作，換向閥失電，油泵停機。

換流閥IGBT閥段安裝時，應使IGBT、散熱器、晶閘管安裝后中心線在一條直線上，元器件尺寸誤差可通過IGBT閥段加壓工裝調整，實現(xiàn)均勻加壓。如圖3所示。

圖3 換流閥閥段示意圖

IGBT閥段在壓接工裝上安裝完畢，用水平尺檢查中心度后，設定合適壓力進行加壓，閥段加壓如圖4所示。

圖4 換流閥閥段壓接示意圖

根據(jù)柔性直流輸電換流閥IGBT閥段加壓原理，結合閥段加壓注意事項，進行換流閥閥段加壓工藝流程設計，閥段加壓工藝流程如圖5所示。

圖5 閥段加壓工藝流程圖

3 IGBT閥段壓接可靠性試驗

為了驗證使用IGBT閥段自動壓接工裝后，閥段壓接是否可靠，對閥段內部電氣元件表面壓力進行測試。

在閥段內部電氣元件表面放入壓力測試紙，通過壓接工裝對壓接閥段在特定的壓力范圍內加壓，保壓30min后，泄壓并取出壓力測試紙；通過與標準試紙對比，判斷電器元件表面壓力是否均勻，進而判斷壓接閥段是否可靠。標準試紙樣本如圖6所示，壓接實際試紙樣品如圖7所示。

圖6 標準試紙樣本

圖7 實際壓接試紙樣本

通過分析實際壓接試紙樣品，可以看出壓接閥段內電器元件表面壓力均勻，壓接閥段結構可靠，滿足不同元器件壓接要求。

4 閥段壓接工藝改進分析

采用上述IGBT閥段壓接工藝研究方案，生產實踐中節(jié)省了大量人力物力，提高了生產效率及產品質量。現(xiàn)從降低勞動強度、提升生產效率、提高產品質量等幾方面，對改善前后創(chuàng)效價值進行分析。改善前后各項指標對比見表1。

表1 壓接工藝改善前后對比表

1)工藝改善前后勞動強度對比

閥段手動壓接時，液壓泵需1人上下多次揮動手臂，并趴在地上查看壓力表。因液壓泵行程不夠，達到一定壓力后另需2人在閥段端增加墊塊，并有2人分別站在閥段左右兩側不停地調整同心度，每個閥段需配備5名操作人員。

使用閥段壓接工裝后，只需1人按工藝要求將閥段元器件擺放在工裝上，另外1人操作工裝按鈕，實現(xiàn)自動加壓。過程中不需要增加墊塊、二次加壓、上下左右調整同心度，只需配備2名操作人員即可完成閥段生產。

可節(jié)約3名操作人員，同時降低了工人勞動強度。

2)工藝改善前后生產效率對比

柔性直流輸電工程原手動壓接閥段，因IGBT、碟簧變形量較大，液壓泵單次移動行程無法滿足加壓要求，需增加墊塊二次加壓。同時加壓過程中墊板很難保證IGBT、晶閘管、散熱器的同心度，需不停調整各元器件上下左右對齊，導致閥段生產速度較慢，只能日產10個閥段。按項目有10000個閥段計算，需1000日才能完成閥段裝配。

使用IGBT閥段壓接工裝后，加壓時只需按動按鈕自動加壓，不需增加墊塊二次加壓。同時工裝已經保證了閥段同心度，不需進行上下左右調整?？扇债a閥段40個，僅需250天完成閥段裝配。

閥段壓接工裝的使用，生產上可節(jié)約：

5×1000-2×250=4500 (人·日)

閥段壓接生產效率提升90%。

3)工藝改善前后生產質量對比

因閥段壓接工裝能實現(xiàn)自動對準同心度，且壓力值設置后能自動加壓，避免了手動調整同心度的誤差，也避免了二次加壓帶來的壓力誤差，一次交檢合格率由98%提升至100%。

按上述節(jié)約的人力物力統(tǒng)計，包含10000個閥段的柔性直流輸電工程可節(jié)約：

[5(人)×1000(日)-2(人)×250(日)]×500(元)=225(萬元)

5 結語

自動閥段壓接工裝節(jié)約了生產用時，降低了勞動強度，通過對柔性直流輸電換流閥閥段壓接工藝技術的提升，提高了現(xiàn)有輸配電網的安全穩(wěn)定水平，優(yōu)化了可再生能源低成本規(guī)?；拈_發(fā)利用，促進了電力產業(yè)結構升級和優(yōu)化，解決了限制柔性直流輸電換流閥生產效率的瓶頸問題。