專利名稱：晶閘管殼內溫度實時測量系統的制作方法
技術領域：
本發明屬于電力電子系統領域，具體地說是涉及一種晶閘管殼內溫度實時測量系統。
背景技術：
晶閘管自1956年誕生以來，一直朝著高電壓、大電流的方向發展，分為電觸發晶閘管(Electrically Triggered Thyristor，ETT)、光觸發晶閘管(Light-Triggered Thyristor, LTT)，被廣泛的用于HVDC、SVC、TCSC、TSC等領域。晶閘管換流閥是系統運行的核心部件，在開通過程中，若經受故障(浪涌)電流，電流上升率很大，而單晶硅擴展速度的增大并不明顯，且不均勻，因此，會在導通局部形成很高的電流密度和造成局部結溫急劇上升，最終導致晶閘管燒毀；在導通過程中，可存在高電流密度溫升效應和缺陷點本征激發效應，形成單晶硅自身的循環加熱，最終晶閘管燒毀；在關斷過程中，由于存在恢復電流和較高的電流關斷di/dt，結溫都遠遠大于正常值，易燒毀晶閘管；在斷態過程中，晶閘管存在泄漏電流和RC保護回路的過電壓，亦同樣產生局部熱電的循環自加熱，將晶閘管燒毀。因此，晶閘管結溫隨外界工況變化，對換流閥串聯均壓機制、內外部過電壓、過電流、晶閘管反向恢復過程、觸發控制系統、保護系統等各方面特性都起著決定性作用。目前，確定結溫的方法主要是通過熱阻抗計算(如Cauer、Foster網絡)或熱學仿真，但由于管內單晶硅芯片、焊劑層、外殼、絕緣墊片和散熱器等材料的熱容值相差很大，因此其各個實際傳熱時間常數之間也相差較大，上述方法極難算準。因此，迫切需要能夠測量晶閘管內實時溫度的測量系統，然而，國內外在此應用領域的測量手段仍是空白。本測量系統采用特制的光纖光柵溫度傳感器，能夠置入管內鉬片層，實時多點測量溫度分布，對晶閘管本體影響極小，不受外界的強電磁干擾，具有體積超小、可靠性高、穩定性強、線性度好、誤差小等特點，能夠滿足各類晶閘管換流閥的試驗需求。

發明內容
為了克服現有技術的上述缺陷，本發明的目的在于提出一種體積小、可靠性高、穩定性好、線性度好、誤差小等優點的晶閘管殼內溫度實時測量系統。為實現發明目的，本發明通過下述技術方案實現一種晶閘管殼內溫度實時測量系統，所述晶閘管包括銅殼、瓷環、硅片和鉬片，所述銅殼的外側套設一瓷環，所述銅殼的內部設有硅片和鉬片，所述硅片夾持在兩個鉬片之間，其改進之處在于該測量系統包括光纖光柵溫度傳感器，所述光纖光柵溫度傳感器采用由石英玻璃制成的光纖，且在該光纖上刻蝕有光柵，各光柵即為該測量系統的測量點，用于實現多光柵同時測量晶閘管鉬片層的溫度分布；所述晶閘管的鉬片上設有用于容納光纖的開槽，所述晶閘管的瓷環上設有用于引出光纖的開孔，所述光纖穿過該開孔后通過多模光纖與解調儀相連，所述解調儀將光纖光柵溫度傳感器傳來的反射光的反射波長解調成溫度信號，從而得到晶閘銅殼內溫度的實時信息，所述解調儀將解調后的數據經網線傳輸至后臺計算機。其中，所述鉬片上的開槽形狀為螺旋形，所述光纖置于該開槽內，且在各光柵的兩側均采用高溫硅膠進行固定，使各光柵與鉬片之間留有間隙。其中，所述光纖先進行載氫退火處理，然后在該光纖表面除了各光柵以外的位置涂覆聚酰亞胺。其中，所述光纖的直徑為0. 13-0. 15mm。其中，所述開孔的中心線與晶閘管的瓷環中心線相垂直，通過所述開孔引出光纖后，向開孔中填入高溫硅膠進行填封。其中，所述光纖穿過開孔后，位于晶閘管外面的光纖的外側由內向外依次包裹有軟鎧和硬鎧，以防止光纖折斷，所述光纖通過多模光纖與位于屏蔽室內的解調儀相連，所述光纖與多模光纖采用光接頭進行連接。其中，所述解調儀包括寬帶光源、隔離器、定向耦合器、壓電陶瓷、可調諧F-P濾波器、光電探測器、信號處理器和以太網接口，所述寬帶光源發出連續光照射光纖，所述隔離器隔離各光柵的反射光，所述定向耦合器導引各光柵的反射光進入可調諧F-P濾波器，當可調諧F-P濾波器的導通中心波長與光柵反射光的反射波長相等時，光電探測器能探測到最大光強，經光電探測器轉換成電信號，此電信號的峰值對應于導通中心波長和測量點的溫度；所述信號處理器接收光電探測器發來的電信號并轉換成以太網通信數據，通過以太網接口上傳至后臺計算機；同時，后臺計算機通過以太網接口來調整信號處理器發出的鋸齒波電壓的頻率，通過該鋸齒波電壓驅動壓電陶瓷來控制可調諧F-P濾波器的透射波長。本發明的有益效果在于1、該測量系統的可靠性高、穩定性好，測量范圍達到-40 310°C，且具備良好的線性度。2、該測量系統采用特制的光纖Bragg光柵溫度傳感器，可實現多柵點同時測量溫度分布，直徑0. 13-0. 15mm，對于100°C階躍響應時間為10. 76ms，最大誤差為1.69%。3、該測量系統中的光纖光柵溫度傳感器置于晶閘管的鉬片層上的螺旋式開槽中， 可有效實現對管內鉬片層實時溫度的分布測量。4、位于屏蔽室內的解調儀，解調波長范圍為1510 1590nm，掃描頻率500Hz，解調
速度快，可用于毫秒級光信號的解調。


圖1是本發明所述測量系統的總體框架圖；圖2是本發明所述測量系統的結構示意圖；圖3是光纖光柵溫度傳感器放置在鉬片層上的位置示意圖；圖4是解調儀的結構原理示意圖；圖5是光纖光柵測溫原理圖；其中，1-銅殼，2-瓷環，3-硅片，4-鉬片，5-光纖光柵溫度傳感器，51-光纖，52-光柵，6-開槽，7-開孔，8-多模光纖，9-解調儀，10-后臺計算機，11-寬帶光源，12-隔離器， 13-定向耦合器，14-壓電陶瓷，15-可調諧F-P濾波器，16-光電探測器，17-信號處理器， 18-以太網接口，19-軟鎧和硬鎧，20-光接頭，21-門極觸發引線。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的測量系統做進一步詳細的說明。晶閘管換流閥是系統運行的核心部件，晶閘管結溫隨外界工況變化，對換流閥串聯均壓機制、內外部過電壓、過電流、晶閘管反向恢復過程、觸發控制系統、保護系統等各方面特性都起著決定性作用。如圖1所示，本發明的測量系統主要由位于晶閘管中的光纖光柵溫度傳感器5、解調儀9和后臺計算機10組成，圖中與晶閘管相連接的電容和電阻與晶閘管一起構成晶閘管組件。光纖光柵溫度傳感器5通過多模光纖8與解調儀9相連，解調儀9將光纖光柵溫度傳感器傳來的反射光的反射波長解調成溫度信號，從而得到晶間銅殼內溫度的實時信息，所述解調儀9將解調后的數據經以太網網線傳輸至后臺計算機10。1、光纖光柵溫度傳感器的設計光纖光柵溫度傳感器5采用由高純石英玻璃制成的光纖51，沿光纖刻蝕有幾個 數十個Bragg光柵52，可實現多柵點同時測量溫度分布，先對光纖51進行載氫退火處理， 然后在該光纖表面涂覆聚酰亞胺(柵點不涂)，光纖直徑可以為0. 13-0. 15mm，以0. 13mm為佳。經動、靜態試驗驗證，該光纖光柵傳感器可耐310°C高溫，對于100°C階躍響應時間為 10. 76ms，最大誤差為1.69%，穩定性高，線性度好，能夠滿足晶閘管內溫度測試的需要。載氫退火處理采用本領域技術人員所公知的現有技術載氫是將光纖51放入低溫高壓(如溫度-30 20°C，壓力6 86Mpa)氫氣中， 讓氫氣滲透入光纖中，以增強光纖的光敏性。退火載氫后光柵52中殘存氫分子有擴散運動，會造成光柵光學特性的不穩定， 光柵的性能將隨著時間的延長而發生劣化。高溫退火技術，即是先將光纖置于高溫中，再逐步降溫，如將光纖置于330°C中，4小時內，逐步降低溫度至0°C，可用于消除載氫后光柵結構缺陷，提高光柵性能的穩定性。2、帶有光纖光柵溫度傳感器晶閘管試品的設計如圖2所示，晶閘管包括銅殼1、瓷環2、硅片3和鉬片4，所述銅殼1的外側套設一瓷環2，，在銅殼1內部設有硅片3和鉬片4，硅片3夾持在兩個鉬片4之間。圖中晶閘管的開通是通過門極觸發引線21實現的，門極觸發引線21通過瓷環2上的門極孔進入晶閘管內部，穿過鉬片4后與硅片3相連。由于光纖光柵傳感器需要在晶閘管封裝前置入在鉬片上，因此對瓷環和鉬片需要特制。鉬片上的開槽6要求如圖3所示，呈螺旋形，槽深0. 3mm，光纖51置于螺旋形開槽中， 圖上T1-T6為光纖光柵溫度傳感器的6處光柵52，分別測量鉬片層的溫度分布。光纖光柵溫度傳感器的各光柵52兩側采用高溫硅膠(本例中采用GE高溫硅膠，可以耐溫275°C)進行固定，使得各光柵52與鉬片4之間留有一定間隙。晶閘管的瓷環2上設有開孔7，該開孔的中心線與晶閘管的瓷環2中心線相垂直，通過開孔7引出光纖51后，向開孔中填入高溫硅膠進行填封。開孔7的直徑可以為2. 5-3. 5mm,以3mm為佳，從開孔引出的那段光纖外側由內向外依次包裹有軟鎧和硬鎧19，以防止光纖折斷。晶閘管試品一次性冷壓成型后，經出廠試驗驗證，耐壓、過電壓、過電流、di/dt、 dv/dt等電氣參量均符合國家標準，即該種置入光纖光柵傳感器的試品制作方法對晶閘管特性影響極小。
3、信號傳輸方式的設計從開孔7引出的光纖51通過多模光纖8進行長距離光信號傳輸后與位于屏蔽室內的解調儀9相連，光纖與多模光纖采用光接頭20 (本例中采用FC光接頭)進行連接。4、解調儀的設計光纖光柵測溫原理如圖5所示，在高純石英玻璃制成的光纖上，利用光刻蝕的方法制作光柵(FBG)。寬帶光源發出的連續光通過傳輸光纖入射到光纖光柵，光柵有選擇地反射一個窄帶光，其余寬帶光直接透射過去。選擇反射的窄帶光的中心波長λ B滿足布拉格條件(稱此波長為Bragg波長)，即λΒ = 2neff A(1)式(1)中neff是光柵的有效折射率；Λ是光柵的周期。該式表明，光纖光柵反射的窄帶光中心波長入3逭1!時€和Λ變化，而neff和Λ隨溫度和應力變化，經過適當的加裝處理，去除應力影響，可表現為隨溫度變化。當溫度發生變化時，由于光纖高純石英玻璃的熱光效應，光柵的折射率neff會發生變化；由于熱脹冷縮效應，光柵的周期也會發生變化，從而導致光柵Bragg波長變化。將式(1)對溫度求導可以得到光纖光柵反射光中心變化與溫度變化的關系為Δ λ Β/ λ β = ( α + ξ ) Δ t(2)式⑵中α為熱膨脹系數，α = dA/(Adt) ；ξ為熱光系數，ξ = dneff/ (neffdt)。在晶閘管運行的溫度范圍(0 310°C)內，α和ξ為常數，光柵波長變化與溫度變化呈現很好的線性關系，只要測量出光柵反射波長的改變，就可以得到其環境溫度的變化，這需要解調儀9。如圖4所示，解調儀9包括寬帶光源11、隔離器12、定向耦合器13、壓電陶瓷14、 可調諧F-P濾波器15、光電探測器16、信號處理器17和以太網接口 18，寬帶光源11發出連續光照射光纖51，隔離器12隔離各光柵52的反射光，定向耦合器13導引各光柵的反射光進入可調諧F-P濾波器15，當可調諧F-P濾波器的導通中心波長與光柵52的反射波長相等時，光電探測器16能探測到最大光強，經光電探測器轉換成電信號，此電信號的峰值對應于導通中心波長和各測量點的溫度；信號處理器17接收光電探測器發來的電信號并轉換成以太網通信數據，通過以太網接口 18上傳至后臺計算機10 ；同時，后臺計算機通過以太網接口來調整信號處理器發出的鋸齒波電壓的頻率，通過該鋸齒波電壓驅動壓電陶瓷14 來控制可調諧F-P濾波器15的透射波長。5、后臺計算機的設計后臺計算機采用LabVIEW軟件編程實現對溫度的實時觀察，數據分析，數據保存， 歷史調用等功能。經實驗驗證，以上設計的晶閘管殼內溫度實時測量系統，能夠實時多點測量溫度分布，對晶間管本體影響極小，不受外界的強電磁干擾，光纖光柵傳感器體積超小，整個測量系統具有穩定性強、可靠性高、穩定性強、線性度好、誤差小等特點，其測量范圍為-40 310°C，最大誤差為1. 68%，能夠滿足各類晶閘管換流閥的試驗需求。最后應當說明的是以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非對其限制，盡管參照上述實施例對本發明進行了詳細的說明，所屬領域的普通技術人員應當理解依然可以對本發明的具體實施方式
進行修改或者等同替換，而未脫離本發明精神和范圍的任何修改或者等同替換，其均應涵蓋在本發明的權利要求范圍當中。
權利要求
1.一種晶閘管殼內溫度實時測量系統，所述晶閘管包括銅殼(1)、瓷環(2)、硅片(3)和鉬片G)，所述銅殼(1)的外側套設一瓷環O)，所述銅殼(1)的內部設有硅片( 和鉬片 G)，所述硅片( 夾持在兩個鉬片(4)之間，其特征在于該測量系統包括光纖光柵溫度傳感器(5)，所述光纖光柵溫度傳感器采用由石英玻璃制成的光纖(51)，且在該光纖(51) 上刻蝕有光柵(52)，各光柵即為該測量系統的測量點，用于實現多光柵同時測量晶閘管鉬片層的溫度分布；所述晶閘管的鉬片(4)上設有用于容納光纖(51)的開槽(6)，所述晶閘管的瓷環(2)上設有用于引出光纖的開孔(7)，所述光纖(51)穿過該開孔后通過多模光纖(8)與解調儀(9)相連，所述解調儀(9)將光纖光柵溫度傳感器傳來的反射光的反射波長解調成溫度信號，從而得到晶閘銅殼內溫度的實時信息，所述解調儀(9)將解調后的數據經網線傳輸至后臺計算機(10)。
2.如權利要求1所述的晶閘管殼內溫度實時測量系統，其特征在于所述鉬片(4)上的開槽(6)形狀為螺旋形，所述光纖(51)置于該開槽(6)內，且在各光柵(52)的兩側均采用高溫硅膠進行固定，使各光柵(52)與鉬片(4)之間留有間隙。
3.如權利要求2所述的晶閘管殼內溫度實時測量系統，其特征在于所述光纖(51)先進行載氫退火處理，然后在該光纖表面除了各光柵以外的位置涂覆聚酰亞胺。
4.如權利要求3所述的晶閘管殼內溫度實時測量系統，其特征在于所述光纖(51)的直徑為 0. 13-0. 15mm。
5.如權利要求1所述的晶閘管殼內溫度實時測量系統，其特征在于所述開孔(7)的中心線與晶閘管的瓷環(2)中心線相垂直，通過所述開孔引出光纖(51)后，向開孔中填入高溫硅膠進行填封。
6.如權利要求5所述的晶閘管殼內溫度實時測量系統，其特征在于所述光纖(51)穿過開孔后，位于晶閘管外面的光纖的外側由內向外依次包裹有軟鎧和硬鎧(19)，以防止光纖折斷，所述光纖通過多模光纖(8)與位于屏蔽室內的解調儀(9)相連，所述光纖與多模光纖采用光接頭00)進行連接。
7.如權利要求1或6所述的晶閘管殼內溫度實時測量系統，其特征在于所述解調儀(9)包括寬帶光源(11)、隔離器(12)、定向耦合器(13)、壓電陶瓷(14)、可調諧F-P濾波器 (15)、光電探測器(16)、信號處理器(17)和以太網接口(18)，所述寬帶光源(11)發出連續光照射光纖(51)，所述隔離器(12)隔離各光柵(52)的反射光，所述定向耦合器(13)導引各光柵的反射光進入可調諧F-P濾波器(1 ，當可調諧F-P濾波器的導通中心波長與光柵 (52)反射光的反射波長相等時，光電探測器(16)能探測到最大光強，經光電探測器轉換成電信號，此電信號的峰值對應于導通中心波長和測量點的溫度；所述信號處理器(17)接收光電探測器發來的電信號并轉換成以太網通信數據，通過以太網接口(18)上傳至后臺計算機(10)；同時，后臺計算機(10)通過以太網接口來調整信號處理器發出的鋸齒波電壓的頻率，通過該鋸齒波電壓驅動壓電陶瓷(14)來控制可調諧F-P濾波器(1 的透射波長。
全文摘要
本發明涉及一種晶閘管殼內溫度實時測量系統，包括光纖光柵溫度傳感器，光纖光柵溫度傳感器采用由石英玻璃制成的光纖，且在該光纖上刻蝕有光柵，各光柵即為該測量系統的測量點，用于實現多光柵同時測量晶閘管鉬片層的溫度分布；晶閘管的鉬片上設有用于容納光纖的開槽，晶閘管的瓷環上設有開孔，光纖穿過該開孔后通過多模光纖與解調儀相連，解調儀將光纖光柵溫度傳感器傳來的反射光的反射波長解調成溫度信號，從而得到晶閘銅殼內溫度的實時信息，解調儀將解調后的數據經網線傳輸至后臺計算機。該測量系統具有穩定性強、可靠性高、穩定性強、線性度好、誤差小等優點，測量范圍-40～310℃，最大誤差1.68％，可滿足各類晶閘管換流閥的試驗需求。
文檔編號G01K11/32GK102169028SQ20111002328
公開日2011年8月31日 申請日期2011年1月20日 優先權日2011年1月20日
發明者張春雨, 李成榕, 王華鋒 申請人:中國電力科學研究院, 華北電力大學