專利名稱：具有靜電屏蔽的電氣設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電氣設(shè)備，優(yōu)選地涉及一種工作在IkV以上的電壓的設(shè)備，即工作在大約Ikv和50kV之間的中電壓電平或工作在50kV以上的高電壓電平的設(shè)備，其中，所述設(shè)備包括靜電屏蔽。
背景技術(shù)：
在電氣設(shè)備中使用靜電屏蔽，用于例如通過降低特定區(qū)域的場(chǎng)強(qiáng)或通過簡(jiǎn)單地改變場(chǎng)的空間分布，以期望的方式影響設(shè)備周圍的電場(chǎng)分布。這樣的電氣設(shè)備可以例如是電力變壓器、電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、電氣開關(guān)裝置、電抗電感器、或諸如電力換流器的電力電子器件，特別是例如作為電力換流器的一部分的換流閥組。對(duì)于所有這些不同類型的設(shè)備，在現(xiàn)有技術(shù)中已知的是使用由通常為金屬的傳導(dǎo)材料制成的一個(gè)或幾個(gè)靜電屏蔽，用來(lái)削弱由電氣設(shè)備產(chǎn)生的電場(chǎng)，從而通過增加設(shè)備周圍環(huán)境的擊穿電壓或閃絡(luò)電壓來(lái)降低設(shè)備周圍環(huán)境的介電擊穿概率，由此保護(hù)設(shè)備的通常充滿空氣的周圍環(huán)境。在W02007/149023A1中給出了具有靜電屏蔽的電氣設(shè)備的一個(gè)示例，其中描述了一種高電壓電力換流器，該高電壓電力換流器包括采用塔(column)形式設(shè)置的換流閥，即閥組形式的換流閥。塔體被填充有冷卻劑流體的管圍繞，用于冷卻換流器，其中這些管部分由塑料制成，部分由金屬制成。在管由塑料制成的區(qū)域中，管的外表面設(shè)置有金屬屏障用于靜電屏蔽。在管由金屬制成的區(qū)域中，管接替電場(chǎng)屏蔽屏障的功能。在W02007/149023A1 中，管在任何可能的地方由金屬制成，以減少額外金屬屏障的數(shù)量。只有在管與冷卻塊之間形成連接的特定接觸點(diǎn)處，管由電絕緣材料制成，而冷卻塊又與換流閥的功率半導(dǎo)體器件形成物理接觸。由于這些接觸點(diǎn)之間存在不同的電壓電平，如果不設(shè)置隔離將會(huì)導(dǎo)致金屬管內(nèi)有電流流動(dòng)，因此上述接觸點(diǎn)的絕緣是必要的。電氣設(shè)備隨著其工作電壓電平的升高，通常變得更加復(fù)雜且昂貴。因此，正在試圖降低電氣設(shè)備的成本并簡(jiǎn)化其設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提出一種具有簡(jiǎn)單從而成本較低的設(shè)計(jì)的上述類型的電氣設(shè)備。該目的通過根據(jù)權(quán)利要求1所述的電氣設(shè)備實(shí)現(xiàn)。通常，具有低濃度礦物從而具有低濃度離子的水，特別是凈化水或去離子水已知為電介質(zhì)。由于凈化水的電阻率非常低，所以凈化水甚至被用作絕緣體。本發(fā)明目前基于本發(fā)明人獲得的料想不到的發(fā)現(xiàn)包含在介電外殼中的水、即使是低離子化水或凈化水也可以足夠充分地影響并改善其周圍區(qū)域的靜電場(chǎng)強(qiáng)分布，從而被成功地用作靜電屏蔽。這是料想不到的，因?yàn)槿缭赪02007/149023A1中所述的，靜電屏蔽通常由傳導(dǎo)材料制成，而不是由包含電介質(zhì)的介電外殼制成。由于此驚人發(fā)現(xiàn)，根據(jù)本發(fā)明提出了以如下方式設(shè)置電氣設(shè)備的靜電屏蔽使靜電屏蔽至少部分由包含水的介電外殼形成。本發(fā)明具有各種優(yōu)點(diǎn)，諸如電氣設(shè)備易于設(shè)計(jì)， 這是因?yàn)榻殡娡鈿た梢栽O(shè)置得更靠近或直接與設(shè)備的傳導(dǎo)部分接觸，或者設(shè)置在設(shè)備的處于不同電壓電平的不同部分之間。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于成本方面，由于外殼使用優(yōu)選為像塑料的合成材料的介電材料，從而通常使得外殼的制造和安裝成本較低，這是因?yàn)榕c金屬相比， 其設(shè)計(jì)可能性更為多變。相比而言，水本身一點(diǎn)都不貴。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，介電外殼是冷卻水線路的一部分。在工作在中或高電壓電平即IkV以上的電壓的電氣設(shè)備中，使用水尤其是凈化水作為冷卻流體是十分普遍的。如W02007/149023中所述，已知的是使用由諸如鋁的金屬或塑料制成的冷卻導(dǎo)管。假如是塑料導(dǎo)管，根據(jù)W02007/149023，需要設(shè)置獨(dú)立的電場(chǎng)屏蔽裝置。當(dāng)將本發(fā)明應(yīng)用到已存在于電氣設(shè)備中的冷卻水線路時(shí)，可以省去獨(dú)立的電場(chǎng)屏蔽裝置，從而簡(jiǎn)化電氣設(shè)備的整體設(shè)計(jì)，并減少電氣設(shè)備的重量、材料成本以及制造和/或安裝工作量。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，介電外殼通過第一連接點(diǎn)連接到第一電壓電平。如上所述，介電外殼本質(zhì)上具有低傳導(dǎo)性的優(yōu)點(diǎn)，使得其可以設(shè)置在電氣設(shè)備的有電部分附近，或直接與該電氣設(shè)備的有電部分接觸。因?yàn)榻殡娡鈿げ粚?dǎo)電，所以其甚至可以通過第二連接點(diǎn)連接到不同于第一電壓電平的第二電壓電平，而無(wú)任何短路風(fēng)險(xiǎn)。這是超越現(xiàn)有技術(shù)中已知的由傳導(dǎo)材料制成的電氣屏蔽的明顯優(yōu)點(diǎn)。在本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例中，介電外殼設(shè)置成管。假如電氣設(shè)備的大量表面區(qū)域需要覆蓋靜電屏蔽，那么可以彼此平行地放置若干這樣的管。如果管同時(shí)是冷卻水線路的一部分，那么平行管中的水可以向不同方向流動(dòng)，即平行管的一部分可以包含所謂的流入水而另一部分可以包含流出水，其中，流入水是流進(jìn)電氣設(shè)備的低溫淡(fresh)水，而流出水是已被電氣設(shè)備加熱并正流出電氣設(shè)備的水。


根據(jù)結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例的以下詳細(xì)描述，本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員將變得更明顯，其中圖Ia示出了現(xiàn)有技術(shù)已知的電力換流器閥組的第一側(cè)視圖；圖Ib示出了圖Ia的電力換流器閥組的第二側(cè)視圖；圖2示出了在管中有水和無(wú)水情況下，管及其周圍空氣填充的區(qū)域中的電壓分布；圖3示出了具有根據(jù)本發(fā)明的靜電屏蔽的圖Ia和Ib的電力換流器閥組；以及圖4示出了具有分別包括根據(jù)本發(fā)明的靜電屏蔽的三個(gè)閥組的電力換流器。
具體實(shí)施例方式圖Ia和圖Ib分別示出了從W02007/149023A1中已知的電力換流器閥組的所謂的長(zhǎng)側(cè)面和所謂的短側(cè)面。此處示出的電力換流器閥組包括串聯(lián)連接的兩個(gè)換流閥1、2，所述兩個(gè)換流閥1、2具有功率半導(dǎo)體器件，功率半導(dǎo)體器件包括例如間流晶體管或絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)，且這些功率半導(dǎo)體器件串聯(lián)連接，并設(shè)置在換流閥1和2內(nèi)的疊加層中。這兩個(gè)換流閥1、2在具有基本上為矩形的橫截面的塔上設(shè)置在彼此之上。該塔的一端 3被配置為連接到交流/直流(AC/DC)電力換流器的DC側(cè)的高電壓電位，而另一端4被配置為連接到低電壓電位。兩個(gè)端部3、4之間的電壓處于高壓電平，即50kV以上，且很可能為400kV量級(jí)。在具有4個(gè)或甚至8個(gè)彼此串聯(lián)并在彼此之上的換流閥的其他實(shí)施例中， 電壓甚至處于800kV至1200kV量級(jí)。電流值通常為500A到5kA量級(jí)。電涌放電器5、6分別與換流閥1、2并聯(lián)連接，用于防止相應(yīng)的換流閥過壓。AC系統(tǒng)意在連接到換流閥1和2 之間的中點(diǎn)7。此電力換流器閥組可以與兩個(gè)相似的這種閥組一起形成具有所謂6脈動(dòng)橋配置的三相AC/DC電力換流器，或者總共6個(gè)這種閥組一起形成12脈動(dòng)橋。然而，也可以是該電力換流器閥組獨(dú)自包括連接到單相AC系統(tǒng)的換流器的所有換流閥。圖Ia和Ib的已知電力換流器閥組具有用于冷卻功率半導(dǎo)體器件的裝置，用于消散功率半導(dǎo)體器件工作期間由于通過此類型閥組傳輸?shù)母吖β仕鸬拇罅繜崮?。冷卻裝置包括例如鋁的冷卻塊，這些冷卻塊與功率半導(dǎo)體器件接觸設(shè)置。這些冷卻塊通過冷卻水流通經(jīng)過冷卻水線路而冷卻，其中，冷卻水經(jīng)過管12中的冷卻塊，管12以環(huán)形方式沿著換流閥1、2中的電流路徑以蛇形線圍繞閥組延伸，如圖Ia和Ib所示。管12內(nèi)的冷卻水是循環(huán)的，以將熱量從冷卻塊從而從功率半導(dǎo)體器件中傳遞出去。通過使冷卻水沿著電流路徑， 不同閘流晶體管上的電壓的不均衡分布被降低到最低。管12在閥組的長(zhǎng)側(cè)面由諸如塑料的電絕緣或介電材料13制成，而在短側(cè)面管12 由諸如鋁或不銹鋼的金屬制成。部分使用介電材料是必要的，以便提供冷卻塊和管12之間的電絕緣，這是因?yàn)椴煌睦鋮s塊取決于其相應(yīng)的功率半導(dǎo)體器件在閥組塔體內(nèi)的端部3 和4之間的相對(duì)位置而暴露于不同的電壓電平。如果管12完全由金屬制成，那么其內(nèi)部將會(huì)有不期望的電流流動(dòng)。由于在閥組的短側(cè)面冷卻塊和管12之間無(wú)物理接觸，所以在這些地方管12可以由金屬14制成。用于將閥組的周圍環(huán)境從由閥組產(chǎn)生的電場(chǎng)屏蔽開的裝置需要繞著閥組設(shè)置在功率半導(dǎo)體器件層的外部，這通過在管12的那些由介電材料13制成的區(qū)域、即在閥組的長(zhǎng)側(cè)面區(qū)域的管12的外部設(shè)置例如鋁制金屬板形式的靜電屏障15來(lái)實(shí)現(xiàn)。在管12由金屬制成的閥組的短側(cè)面，管12本身具有靜電屏蔽的功能，特別地是因?yàn)槿齻€(gè)管12設(shè)置在彼此之上，從而形成屏障。如W02007/149023中所述，管12在任何可能的地方由金屬制成，以減少額外靜電屏障的數(shù)量。發(fā)明人目前已發(fā)現(xiàn)只要管包含水，即使管的由介電材料制成的那些部分也可以充分起到靜電屏蔽的功能。圖2示出了管8及其周圍充滿空氣區(qū)域中的電壓分布的仿真結(jié)果。管8用明線表示。在右圖中，管8填充有凈化水，而在左圖中，管8內(nèi)部只有空氣。如兩個(gè)點(diǎn)10所示，在靠近管8的一個(gè)端部9處管8的內(nèi)部以及外部施加有IkV以上的電壓。在管填充水的情況下，與管填充空氣相比，電壓電平在距管的端部9相當(dāng)長(zhǎng)的距離處下降到600V以下的電平。 這在垂直于管8的方向χ上和沿著管8的方向y上是真實(shí)的。另外，出現(xiàn)在左側(cè)填充空氣的管內(nèi)及周圍的等電壓電平的幾乎規(guī)則的環(huán)轉(zhuǎn)變成了右側(cè)填充水的管的蛋形環(huán)。對(duì)于此效果的解釋是水與其他介電材料相比具有相對(duì)高的介電常數(shù)。除了仿真之外，還在較高電壓電平下進(jìn)行了測(cè)試，證明了所預(yù)期的事實(shí)對(duì)IkV所獲得的仿真結(jié)果可以外推到數(shù)百kV及以上。還證明了 將包含凈化水的管沿著電氣設(shè)備的外部設(shè)置，明顯提高了電氣設(shè)備的周圍空氣抵抗開關(guān)過電壓和雷電過電壓的介電強(qiáng)度。
圖3示出了本發(fā)明如何有利地應(yīng)用于圖1的電力換流器閥組，其中，相同的部件用相同的附圖標(biāo)記表示。除電力換流器閥組的該實(shí)施例或其他實(shí)施例之外，本發(fā)明也可以應(yīng)用于其他類型的電氣設(shè)備，尤其應(yīng)用于工作在中或高電壓電平的電氣設(shè)備，諸如電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、電力變壓器、電抗電感器或電氣開關(guān)裝置。如圖3所示，省去了所有金屬靜電屏障15， 從而顯著減少了閥組的重量、材料和安裝成本。圍繞閥組的塔體M并屬于用于冷卻功率半導(dǎo)體器件的裝置的冷卻水線路的所有管20由塑料制成。三個(gè)管20以各環(huán)繞蛇形線在彼此之上平行設(shè)置，在閥組的長(zhǎng)側(cè)面和短側(cè)面二者上產(chǎn)生靜電屏蔽，這些靜電屏蔽充分削弱了由閥組產(chǎn)生的電場(chǎng)。從而管20同時(shí)執(zhí)行兩個(gè)功能冷卻和靜電屏蔽。
在圖4中，三個(gè)相同的閥組21設(shè)置在換流器廳25中，其中，換流器廳25具有地板觀、天花板和四個(gè)側(cè)壁，其中示出了兩個(gè)側(cè)壁沈和27。三個(gè)閥組21彼此電連接以便形成AC/DC電力換流器。除電連接之外，三個(gè)閥組21的冷卻水線路也彼此連接，這可以從互聯(lián)22’和23’看出。閥組21與圖3的閥組的區(qū)別主要在于不是三個(gè)管20而只是兩個(gè)管 22和23在彼此之上平行設(shè)置。管22容納流入水，該流入水穿過側(cè)壁27泵入到冷卻水線路中，而管23容納流出水。冷卻水可以優(yōu)選地是去離子水，以減少水內(nèi)的不想要的電流流動(dòng)以及由此帶來(lái)的不想要的功率損耗。但是，當(dāng)損耗不是問題或者可以通過特定方法解決時(shí)也可以使用離子化水。如圖4所示，三個(gè)閥組21中的每一個(gè)經(jīng)由八個(gè)絕緣體30從天花板懸吊出來(lái)。僅地震阻尼元件四設(shè)置在每個(gè)閥組21和地面地板28之間，用于減少相應(yīng)閥組21在地面震動(dòng)情況下的移動(dòng)。因此，由于避免了由金屬制成的任何靜電屏蔽而減少的重量是一個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)。在圖3和圖4示出的示例中，包含水的介電外殼被實(shí)施為圍繞相應(yīng)閥組塔體以若干蛇形線環(huán)繞延伸的管，使得塔的側(cè)面被部分覆蓋。除此之外，管還可以覆蓋塔的底部和/ 或頂部部分。一般而言，可以使用任何可能的幾何形式和形狀的介電外殼，這從制造角度來(lái)說是沒有問題的，因?yàn)橹T如塑料的合成材料可以通過已知的加工方法容易地制成任何形狀。
權(quán)利要求
1.一種電氣設(shè)備，包括靜電屏蔽，以降低所述設(shè)備外部的電場(chǎng)強(qiáng)度，其特征在于，所述靜電屏蔽至少部分由包含水的介電外殼形成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述設(shè)備工作在IkV以上的電壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的設(shè)備，其中，所述介電外殼是冷卻水線路的一部分。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的設(shè)備，其中，所述介電外殼由塑料制成。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的設(shè)備，其中，所述水為去離子水。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的設(shè)備，其中，所述介電外殼通過第一連接點(diǎn)連接到第一電壓電平。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的設(shè)備，其中，所述介電外殼通過第二連接點(diǎn)連接到第二電壓電平。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的設(shè)備，其中，所述介電外殼設(shè)置成管。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的設(shè)備，其中，所述設(shè)備為電力換流器閥組。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的設(shè)備，其中，所述設(shè)備工作于50kV以上的電壓。
全文摘要
一種優(yōu)選地工作于1kV以上的電壓的電氣設(shè)備，所述電氣設(shè)備包括靜電屏蔽，以降低設(shè)備外部的電場(chǎng)強(qiáng)度。有利地，靜電屏蔽至少部分由包含水的介電外殼形成。
文檔編號(hào)H05K9/00GK102326252SQ200980157233
公開日2012年1月18日 申請(qǐng)日期2009年2月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月20日
發(fā)明者佩爾-奧洛夫·赫德布拉德, 吳冬 申請(qǐng)人:Abb技術(shù)有限公司