楊一平，吳紅艷，孫朋

(許昌職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電與汽車工程學(xué)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(yán)峻，需在全球范圍內(nèi)重點(diǎn)優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，大力開發(fā)和利用可再生能源。以風(fēng)能、太陽能為代表的可再生能源，具有遠(yuǎn)離負(fù)荷中心、資源分散等特點(diǎn)。我國幅員遼闊，大規(guī)模應(yīng)用可再生能源必須采用遠(yuǎn)距離大容量輸電方式。當(dāng)輸電距離較長時(shí)，傳統(tǒng)的交流輸電技術(shù)聯(lián)網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性下降，而直流輸電技術(shù)就顯示出明顯的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。因此，構(gòu)建智能、高效、可靠的直流輸電電網(wǎng)，一直是我國電網(wǎng)建設(shè)的重點(diǎn)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(shù)，由于其運(yùn)行靈活、功率解耦，特別是不依賴電網(wǎng)換相的特點(diǎn)，為直流輸電技術(shù)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(gè)系統(tǒng)的核心部件，但因制造周期長、工序多、技術(shù)復(fù)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(chǎn)面臨問題

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

2)閥段加壓時(shí)手動(dòng)操作，因碟簧變形量大需增加墊片進(jìn)行壓接，且需要多人配合調(diào)整，耗費(fèi)大量人力、物力。

3)手動(dòng)液壓泵壓力誤差較大，難以校核壓力值是否達(dá)到設(shè)計(jì)壓力。

4)無相應(yīng)的工藝流程來規(guī)范閥段壓接過程，需要設(shè)計(jì)壓接工藝流程，控制閥段壓接質(zhì)量。

5)生產(chǎn)效率低，項(xiàng)目中換流閥閥段數(shù)量巨大，批量化生產(chǎn)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(dòng)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(chǎn)質(zhì)量，從柔性直流輸電換流閥閥段壓接工裝的研發(fā)、生產(chǎn)、制造、安裝、維護(hù)等各個(gè)角度，研究閥段壓接工裝，規(guī)劃工藝流程，改進(jìn)閥段壓接工藝，實(shí)現(xiàn)由手動(dòng)壓接工藝到自動(dòng)壓接工藝的改進(jìn)。

閥段壓接工裝采用臥式液壓床結(jié)構(gòu)，機(jī)架利用計(jì)算機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)，用鋼板焊接而成，提高整體強(qiáng)度。托塊軌道采用合金鋼板制造，堅(jiān)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(shè)計(jì)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(dòng)承力座，可根據(jù)閥段的長短調(diào)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(shè)有微調(diào)機(jī)構(gòu)，便于精確定位。

液壓系統(tǒng)配備高精度壓力表，實(shí)時(shí)反映系統(tǒng)液壓力。液壓存在常態(tài)波動(dòng)，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(shí)時(shí)受壓狀況。

油缸的運(yùn)行具有自動(dòng)和手動(dòng)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(dòng)控制時(shí)只需設(shè)定壓力值，按下起動(dòng)按鈕后，壓頭自動(dòng)前行進(jìn)行加壓，達(dá)到設(shè)定壓力值后保壓延時(shí)器在0～99min可調(diào)范圍內(nèi)保壓；保壓到換向閥換向，壓頭回縮, 回縮到極限時(shí)行程開關(guān)工作，換向閥失電，油泵停機(jī)。

油缸手動(dòng)控制時(shí)，調(diào)整好壓力，按下前行按鈕，壓頭快速前行加壓，當(dāng)達(dá)到調(diào)定的壓力值時(shí)，換向閥失電回至中位，油泵空轉(zhuǎn)回油，油缸由液壓鎖保壓。壓頭回縮時(shí)，按下回程按鈕，壓頭回縮到極限位時(shí)行程開關(guān)工作，換向閥失電，油泵停機(jī)。

換流閥IGBT閥段安裝時(shí)，應(yīng)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(diào)整，實(shí)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(shè)定合適壓力進(jìn)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(jié)合閥段加壓注意事項(xiàng)，進(jìn)行換流閥閥段加壓工藝流程設(shè)計(jì)，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(yàn)

為了驗(yàn)證使用IGBT閥段自動(dòng)壓接工裝后，閥段壓接是否可靠，對閥段內(nèi)部電氣元件表面壓力進(jìn)行測試。

在閥段內(nèi)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(nèi)加壓，保壓30min后，泄壓并取出壓力測試紙；通過與標(biāo)準(zhǔn)試紙對比，判斷電器元件表面壓力是否均勻，進(jìn)而判斷壓接閥段是否可靠。標(biāo)準(zhǔn)試紙樣本如圖6所示，壓接實(shí)際試紙樣品如圖7所示。

圖6 標(biāo)準(zhǔn)試紙樣本

圖7 實(shí)際壓接試紙樣本

通過分析實(shí)際壓接試紙樣品，可以看出壓接閥段內(nèi)電器元件表面壓力均勻，壓接閥段結(jié)構(gòu)可靠，滿足不同元器件壓接要求。

4 閥段壓接工藝改進(jìn)分析

采用上述IGBT閥段壓接工藝研究方案，生產(chǎn)實(shí)踐中節(jié)省了大量人力物力，提高了生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質(zhì)量?，F(xiàn)從降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提升生產(chǎn)效率、提高產(chǎn)品質(zhì)量等幾方面，對改善前后創(chuàng)效價(jià)值進(jìn)行分析。改善前后各項(xiàng)指標(biāo)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(dòng)強(qiáng)度對比

閥段手動(dòng)壓接時(shí)，液壓泵需1人上下多次揮動(dòng)手臂，并趴在地上查看壓力表。因液壓泵行程不夠，達(dá)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(cè)不停地調(diào)整同心度，每個(gè)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)加壓。過程中不需要增加墊塊、二次加壓、上下左右調(diào)整同心度，只需配備2名操作人員即可完成閥段生產(chǎn)。

可節(jié)約3名操作人員，同時(shí)降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度。

2)工藝改善前后生產(chǎn)效率對比

柔性直流輸電工程原手動(dòng)壓接閥段，因IGBT、碟簧變形量較大，液壓泵單次移動(dòng)行程無法滿足加壓要求，需增加墊塊二次加壓。同時(shí)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(diào)整各元器件上下左右對齊，導(dǎo)致閥段生產(chǎn)速度較慢，只能日產(chǎn)10個(gè)閥段。按項(xiàng)目有10000個(gè)閥段計(jì)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(shí)只需按動(dòng)按鈕自動(dòng)加壓，不需增加墊塊二次加壓。同時(shí)工裝已經(jīng)保證了閥段同心度，不需進(jìn)行上下左右調(diào)整?？扇债a(chǎn)閥段40個(gè)，僅需250天完成閥段裝配。

閥段壓接工裝的使用，生產(chǎn)上可節(jié)約：

5×1000-2×250=4500 (人·日)

閥段壓接生產(chǎn)效率提升90%。

3)工藝改善前后生產(chǎn)質(zhì)量對比

因閥段壓接工裝能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對準(zhǔn)同心度，且壓力值設(shè)置后能自動(dòng)加壓，避免了手動(dòng)調(diào)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(jì)，包含10000個(gè)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(jié)語

自動(dòng)閥段壓接工裝節(jié)約了生產(chǎn)用時(shí)，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，通過對柔性直流輸電換流閥閥段壓接工藝技術(shù)的提升，提高了現(xiàn)有輸配電網(wǎng)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(jìn)了電力產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級和優(yōu)化，解決了限制柔性直流輸電換流閥生產(chǎn)效率的瓶頸問題。