专利名称：用于中断和/或限制直流电的设备的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种用于中断和/或限制直流电力传输系统的直流电的设备。所述设备包括多个电力半导体开关元件，每个电力半导体开关元件均设有包括至少一个缓冲电容器的缓冲电路，并且所述缓冲电容器包括至少一个电容器元件、连接端子以及容置所述至少一个电容器元件的外壳。外壳包括第一端部和与所述第一端部相对的第二端部，并且所述连接端子经由所述第一端部进入到所述外壳内，所述外壳限定有延伸穿过所述第一端部和第二端部的纵向轴线。另外，本实用新型涉及包括这种设备的HVDC电力传输系统。
背景技术：
在直流电力传输系统中，常常必需限制和/或中断流过所述系统——例如流过所述系统的直流传输线路——的直流电，以充分控制电力传输并且保护系统。DC断路器可以用于限制和/或中断直流电，并且这些DC断路器可以包括电力半导体开关装置例如IGBT、 MCT、FET等、以及缓冲电容器。缓冲电容器可以设置在每个电力半导体开关装置上以减小在开关操作期间的电压应力。JP2003133172公开了多个几乎平坦状的电容器元件，这些电容器元件被容纳在外壳中并且布置为提供缓冲电容器，该缓冲电容器能够改进散热效果并且使电感变小。JP2009-111158描述了一种位于外壳中的电容器例如缓冲电容器，该缓冲电容器能够使电感降低。US2008/0273289公开了一种薄膜电容器及用于制造该薄膜电容器的方法。薄膜电容器包括薄膜电容器元件、汇流线和用于容纳它们的外壳。薄膜电容器的形状为平坦的。JP2010-225970描述了一种外壳模制型电容器，其具有稳定的绝缘性能。US5, 142，439公开了一种集成式汇流线/多层陶瓷电容器模块，其构造为使任意的杂散电感最小化。US2005/263845描述了一种金属化薄膜电容器，其具有紧凑的尺寸、较大的电容和较低的电感。US6, 570，774公开了一种用于使用在逆变器中的小尺寸的电容器模块，其能够抑制非期望的电感分量的出现。US2010/132193描述了一种电力转换装置，其包括电力转换电路、电容器集成式汇流线及容置电力转换电路和汇流线的壳体。US5，493，472公开了一种具有环氧树脂壳体及端子安装插件的电容器模块，该电容器模块用于与功率晶体管例如IGBT —起使用。实用新型目的本实用新型的目的是提供一种用于中断和/或限制直流电力传输系统的直流电的改进的断路器。本实用新型的另一目的是减小在用于中断和/或限制直流电力传输系统的直流电的断路器上的电压应力。[0015]本实用新型的另外的目的是减小在电力半导体开关元件上的电压应力，该电力半导体开关元件包括在用于中断和/或限制直流电力传输系统的直流电的断路器中。
实用新型内容本实用新型的上述目的中的至少一个通过提供一种用于中断和/或限制直流电力传输系统的直流电的设备实现，所述设备包括多个电力半导体开关元件，每个电半导体开关元件均设有包括至少一个缓冲电容器的缓冲电路，并且所述缓冲电容器包括至少一个电容器元件、连接端子和容置所述至少一个电容器元件的外壳，所述外壳包括第一端部和与所述第一端部相对的第二端部，并且所述连接端子经由所述第一端部进入到所述外壳内，所述外壳限定有延伸穿过所述第一端部和第二端部的纵向轴线，其中，所述外壳在横向于所述外壳的纵向轴线的横截面上为非圆形。借助于缓冲电容器的创造性结构，有效地减小了缓冲电路的物理尺寸，并且获得了设备的紧凑的机械设计，这导致了杂散电感的减小。通过减小杂散电感，减小了作用在电力半导体开关元件上的瞬时电压应力。由此，借助于根据本实用新型的设备，获得了用于中断和/或限制直流电力传输系统的直流电的改进的且有效的断路器。传统的圆筒状电容器体积更大并占据更多的空间，并且由此当被包括在DC断路器中的情况下导致大体积的DC断路器。借助于根据本实用新型的设备的非圆筒形的电容器，提供了一种较小体积的断路器。另外，借助于根据本实用新型的设备，使断路器的机械结构复杂性减小、减小了断路器的尺寸、并且有利于断路器的生产，从而降低了生产成本。另外，可以减小作用在电力半导体开关元件上的瞬时电压应力，并且增强直流电断路能力。外壳的形状可以为平坦。直流电力传输系统可以包括至少一个直流传输线路。根据本实用新型的设备的一有利的实施例，在横向于纵向轴线的横截面上，外壳沿第一中心轴线的方向和垂直于所述第一中心轴线的第二中心轴线的方向延伸，并且其中，外壳的沿第一中心轴线的方向延伸的长度是外壳的沿第二中心轴线方向延伸的长度的至少两倍。借助于该实施例，进一步减小了缓冲电路的物理尺寸，并且进一步提高了设备的紧凑性，从而提供了用于中断和/或限制直流电的进一步改进的断路器。根据本实用新型的设备的另外的有利的实施例，外壳的沿第一中心轴线的方向延伸的长度是外壳的沿第二中心轴线方向延伸的长度的至少三倍。借助于该实施例，进一步提高了设备的紧凑性，从而提供了用于中断和/或限制直流电的进一步改进的断路器。根据本实用新型的设备的另一有利的实施例，外壳的沿第一中心轴线的方向延伸的长度是外壳的沿第二中心轴线方向延伸的长度的至少四倍。借助于该实施例，进一步提高了设备的紧凑性，从而提供了用于中断和/或限制直流电的进一步改进的断路器。根据本实用新型的设备的又一有利的实施例，外壳的沿第一中心轴线的方向延伸的长度比外壳的沿第二中心轴线方向延伸的长度的四倍大，优选地比外壳的沿第二中心轴线方向延伸的长度的五倍大。借助于该实施例，进一步提高了设备的紧凑性，从而提供了用于中断和/或限制直流电的进一步改进的断路器。根据本实用新型的设备的再一有利的实施例，夕卜壳在横向于外壳的纵向轴线的横截面上为大致矩形。借助于该实施例，以有效的方式进一步减小了缓冲电路的物理尺寸，并且进一步提高了设备的紧凑性，从而提供了用于中断和/或限制直流电的进一步改进的断路器。外壳在横向于外壳的纵向轴线的横截面上可以为矩形。可选地，夕卜壳在横向于外壳的纵向轴线的横截面上可以为卵形、椭圆形或大致椭圆形。外壳的横截面也可以是其他形状的。根据本实用新型的设备的一有利的实施例，外壳的沿纵向轴线的方向延伸的长度超过外壳的沿第一纵向轴线和第二纵向轴线的方向分别延伸的长度。借助于该实施例，进一步提高了设备的紧凑性，从而提供了用于中断和/或限制直流电的进一步改进的断路器。根据本实用新型的设备的另外的有利的实施例，缓冲电路与电力半导体开关元件并联地相连。借助于该实施例，提供了用于中断和/或限制直流电的进一步改进的断路器。根据本实用新型的设备的另一有利的实施例，缓冲电路包括至少一个电阻器和至 少一个二极管。借助于该实施例，提供了用于中断和/或限制直流电的进一步改进的断路器。根据本实用新型的设备的又一有利的实施例，二极管和缓冲电容器彼此串联地相连，而电阻器与二极管并联地相连。借助于该实施例，提供了用于中断和/或限制直流电的更进一步改进的断路器。根据本实用新型的再一有利的实施例，连接端子包括两个导电板。导电板可以为平坦。借助于该实施例，获得了具有较低电感值的连接端子(或汇流线)。借助于该实施例，进一步减小了杂散电感，并且进一步减小了作用在电力半导体开关元件上的瞬时电压应力。因此，获得了用于中断和/或限制直流电力传输系统的直流电的进一步改进的断路器。连接端子可以为低电感的。连接端子可以与缓冲电容器为一体以与缓冲电容器一起形成模块。连接端子可以由合适的材料例如铜制成。但是，其他材料也是可以的。根据本实用新型的一有利的实施例，两个导电板彼此至少部分地重叠并且在它们之间具有电绝缘层。绝缘层可以由电介质材料制成。根据本实用新型的设备的另一有利的实施例，所述设备包括用于使连接端子中的至少一个连接至缓冲电路的夹持装置。连接端子中的至少一个可以借助于夹持装置例如通过夹持到二极管上而连接至二极管。夹持装置可以布置为保持二极管。借助于该实施例，使缓冲电容器与缓冲电路的连接体积更小，从而导致了更小体积的DC断路器。根据本实用新型的设备的另外的有利的实施例，每个电力半导体开关元件均包括至少一个绝缘栅双极晶体管IGBT。可选地，每个电力半导体开关元件均可以包括至少一个双模式绝缘栅晶体管BiGT，或者任意其他合适的晶体管。可选地，每个半导体开关元件均可以包括晶闸管，例如可关断晶闸管GT0、集成门极换流晶闸管IGCT或者强制换向晶闸管。但是，也可以使用其他合适的晶闸管。根据本实用新型的设备的另一有利的实施例，所述设备包括框架，多个电力半导体元件和缓冲电路安装在该框架上。借助于该实施例，提供了用于中断和/或限制直流电的进一步改进的断路器。根据本实用新型的设备的再一有利的实施例，所述设备布置为中断和/或限制高压直流——HVDC——电力传输系统的直流电，所述系统包括至少一个HVDC传输线路。借助于该实施例，提供了改进的HVDC断路器。本实用新型的上述目的中的至少一个也通过提供高压直流一HVDC—电力传输系统来实现，所述系统包括至少一个HVDC传输线路，其中，所述系统包括至少一个如权利要求I至17中任一项所要求的设备，或者至少一个根据本实用新型的设备的上述实施例中的任一个的设备，所述设备用于中断和/或限制系统的直流电。借助于本实用新型的系统，能够有效地中断和/或限制所述系统的直流电，并且有效地改进HVDC电力输送系统中的电力传输及对所述系统的控制。本实用新型的设备的各种部件——其彼此相连或能够彼此相连或者与其他单元相连或能够与其他单元相连——可以例如经由电导体例如汇流线或电线彼此电连接或能够彼此电连接或者与其他单元电连接或能够与其他单元电连接，和/或所述各种部件可以经由另外的中间电子设备或单元——其设置在且连接在/能够连接在部件例如变压器等之间-例如电地或电感地间接连接或而能够得以间接连接。一般而言，高电压可以为大约IkV至I. 5kV及以上。但是，对于HVDC应用和系统，高电压可以为大约300kV及以上。根据本实用新型的设备和/或系统有利地适于上述高电压水平及以上、以及上述HVDC电压水平及以上。·所述设备及系统的上述特征及实施例分别能够以各种可能的方式组合，从而提供其他有利的实施例。根据本实用新型的相应的设备及系统的另外的有利的实施例以及本实用新型所具有的其他优点从从属权利要求及对实施例的详细描述中显现。
现在将出于示例性的目的，借助于实施例且参照附图对本实用新型进行更详细的描述，附图中图I是IGBT DC断路器叠层的第一实施例的示意立体图，该IGBTDC断路器叠层结合有且示出了根据本实用新型的设备的多个方面；图2-图3是示意性立体图，其示出了包括在根据本实用新型的设备中的缓冲电容器的实施例；图4-图5是示意横截面图，其示出了包括在根据本实用新型的设备中的缓冲电容器的另外的实施例；图6是示意电路图，其示出了图I的IGBT DC断路器叠层的一部分；以及图7-图8是示意性局部立体图，其示出了根据本实用新型的设备的另一实施例以及缓冲电容器的连接端子的连接。
具体实施方式
图I示意性地示出了结合有根据本实用新型的设备的多个方面的第一实施例的绝缘栅双极晶体管(IGBT)直流(DC)断路器101。IGBTDC断路器101布置为中断和/或限制直流电力传输系统例如HVDC电力传输系统的直流电。该系统可以包括至少一个直流传输线路例如HVDC传输线路。IGBT DC断路器叠层包括多个电力半导体开关元件102。每个电力半导体开关元件102均可以包括至少一个绝缘栅双极晶体管IGBT。可选地，每个电力半导体开关元件102均可以包括至少一个双模式绝缘栅晶体管BiGT，或者任意其他合适的晶体管。可选地，每个半导体开关元件102均可以包括晶闸管，例如可关断晶闸管GTO、集成门极换流晶闸管IGCT或者强制换向晶闸管。但是，也可以使用其他合适的晶闸管。每个电力半导体开关元件102均可以至少部分地被冷却或吸热设备元件104包围。每个电力半导体开关元件102均设有包括至少一个缓冲电容器206的缓冲电路103 (参见图6)。缓冲电路103可以与电力半导体开关元件102并联地相连。每个电力半导体开关元件102均可以包括StakPakTM IGBT压接式封装。缓冲电路103还可以包括至少一个电阻器108和至少一个二极管110。二极管110和缓冲电容器206可以彼此串联地相连，而电容器108可以与二极管110并联地相连。每个电力半导体开关元件102均可以连接至控制装置112。IGBT DC断路器叠层101可以包括框架114，多个电力半导体开关元件102、缓冲电路103、冷却元件104和控制装置112安装到该框架114上。参照图2和图3，更详细地示意性示出了第一和第二实施例的缓冲电容器206、306。每个缓冲电容器206、306均包括至少一个电容器元件，该至少一个电容器元件可以包括由绝缘体例如电介质隔离的一对导体、或者可以包括至少一个薄膜电容器元件。这种电容器元件对于技术人员来说是已知的并且由此没有更详细地公开。每个缓冲电容器206、·306均还包括连接端子208、210、308、310和容置该至少一个电容器元件的外壳212、312。·每个缓冲电容器206、306均可以包括多个电容器兀件。每个外壳212、312均包括第一端部214,314和与第一端部214、314相对的第二端部216、316。例如呈汇流线形式的连接端子208、210、308、310经由第一端部214,314进入到外壳212,312内。每个外壳212,312均限定有延伸穿过第一端部和第二端部的214、314、216、316的纵向轴线218、318。外壳212、312在横向于外壳212、312的纵向轴线218、318的横截面上为非圆形。外壳212、312在横向于外壳212、312的纵向轴线218、318的横截面上可以为大致矩形。在横向于纵向轴线218的横截面上,第一实施例的缓冲电容器206的外壳212沿第一中心轴线220的方向以及垂直于第一中心轴线220的第二中心轴线222的方向延伸。外壳212的沿第一中心轴线220的方向延伸的长度是外壳212的沿第二中心轴线222的方向延伸的长度的至少两倍。外壳212的沿纵向轴线218的方向延伸的长度超过分别沿第一中心轴线220和第二中心轴线222的方向延伸的长度。外壳212的沿纵向轴线218的方向延伸的长度可以为大约300_-315_。外壳212的沿第一中心轴线220的方向延伸的长度可以为大约IOOmm-115mm，并且外壳212的沿第二中心轴线222的方向延伸的长度可以为大约35mm-45mm。但是,其他尺寸也是可以的。第一实施例的缓冲电容器206的连接端子208、210可以包括两个导电板209、211，这两个导电板209、211可以至少部分地彼此重叠并且在它们之间具有电绝缘层224。在横向于纵向轴线318的横截面上，第二实施例的缓冲电容器306的外壳312沿第一中心轴线320的方向以及垂直于第一中心轴线320的第二中心轴线322的方向延伸。外壳312的沿第一中心轴线320的方向延伸的长度是外壳312的沿第二中心轴线322的方向延伸的长度的至少三倍。外壳312的沿第一中心轴线320的方向延伸的长度可以为外壳312的沿第二中心轴线322的方向延伸的长度的至少四倍，或者比四倍大、例如比五倍大。外壳312的沿纵向轴线318的方向延伸的长度超过分别沿第一中心轴线320和第二中心轴线322的方向延伸的长度。但是，其他尺寸也是可以的。第二实施例的缓冲电容器306的连接端子308、310可以包括两个导电板309、311，这两个导电板309、311可以至少部分地彼此重叠并且在它们之间具有电绝缘层324。两个导电板309、311可以弯曲。连接端子208、210、308、310可以与缓冲电容器206、306为一体以与缓冲电容器206、306 一起形成模块。连接端子208、210、308、310可以由合适的材料例如铜制成。但是，其他材料也是可以的。参照图4，示意性地示出了第三实施例的缓冲电容器406的横截面。缓冲电容器406在横向于外壳412的纵向轴线418的横截面上为大致椭圆形。外壳412的沿第一中心轴线420延伸的长度是外壳412的沿第二中心轴线422的方向延伸的长度的至少两倍。参照图5，示意性地示出了第四实施例的缓冲电容器506的横截面。缓冲电容器506在横向于外壳512的纵向轴线518的横截面为卵形。外壳的横截面的其他形状也是可以的。参照图6，其是示出了图I的IGBT DC断路器叠层101的一部分/ 一段的示意电路 图，示出了 IGBT DC断路器叠层101的缓冲电路103的一实施例。缓冲电路103可以与电力半导体开关元件102并联地相连。缓冲电路103可以包括至少一个电阻器108和至少一个二极管110。二极管110和缓冲电容器206可以彼此串联地相连，而电阻器108可以与二极管110并联地相连。第一实施例的IGBT DC断路器叠层101可以设有上述实施例的缓冲电容器206、306、406、506中的任一个。借助于平坦的缓冲电容器206、306、406、506，获得了 IGBT DC断路器叠层的紧凑设计。用于大约40kV额定电压的IGBT DC断路器叠层101的长度可以小于大约2米，或者为大约2米。IGBT DC断路器叠层101可以用作断路设备的主断路器的主IGBT断路器叠层，所述断路设备包括主断路器和辅助断路器，如在国际专利申请NO.PCT/EP2009/065233中描述的，该专利申请通过参引的方式并入本文。参照图7和图8，其示意性地示出了根据本实用新型的设备的另一实施例，更详细地示出了缓冲电容器606的连接端子608、610与缓冲电路103的连接。连接端子608、610中的至少一个可以包括导电板609。所述设备可以包括用于使连接端子608中的至少一个连接至缓冲电路603的夹持装置632。连接端子608中的至少一个可以借助于夹持装置632例如通过被夹持到二极管110而连接至缓冲电路103的二极管110。通过借助于夹持装置632将连接端子608中的至少一个夹持至二极管110，与通过传统的螺钉装置使连接端子608连接相比，有效地减小了缓冲电路103的电感。缓冲电路103的减小的电感改进了设备的性能。夹持装置632可以包括借助于一个或两个带螺纹的附接元件636、638附接至设备的框架614上的夹持元件634。附接元件636、638可以布置为附接至设备的框架614。连接端子608的导电板609可以放置在夹持元件634与二极管110之间。夹持元件634可以布置为将导电板609夹靠在二极管110上。夹持装置632可以布置为保持二极管110。其他夹持装置也是可以的。如上述，替代IGBT，可以使用其他晶体管或晶闸管。本实用新型不应当被认为限制于所示出的实施例，而是能够由本领域的技术人员以多种方式进行变型和改变，而不会偏离所附权利要求的范围。
权利要求1.一种用于中断和/或限制直流电的设备，所述设备包括多个电力半导体开关元件(102)，每个所述电力半导体开关元件均设有包括至少一个缓冲电容器(206、306、406、506)的缓冲电路(103)，并且所述缓冲电容器包括至少一个电容器元件、连接端子(208、210.308.310)以及容置所述至少一个电容器元件的外壳(212、312)，所述外壳包括第一端部(214、314)和与所述 第一端部相对的第二端部(216、316)，所述连接端子经由所述第一端部进入到所述外壳内，所述外壳限定有延伸穿过所述第一端部和第二端部的纵向轴线(218、318)，其特征在于，所述外壳在横向于所述外壳的所述纵向轴线的横截面上为非圆形。
2.根据权利要求I所述的设备，其特征在于，在横向于所述纵向轴线(218、318)的横截面上，所述外壳(212、312)沿第一中心轴线(220、320)的方向以及垂直于所述第一中心轴线的第二中心轴线(222、322)的方向延伸，并且所述外壳的沿所述第一中心轴线的方向延伸的长度是所述外壳的沿所述第二中心轴线的方向延伸的长度的至少两倍。
3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述外壳(212、312)的沿所述第一中心轴线(220、320)的方向延伸的长度是所述壳体的沿所述第二中心轴线(222、322)的方向延伸的长度的至少三倍。
4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，所述外壳(212、312)的沿所述第一中心轴线(220、320)的方向延伸的长度是所述壳体的沿所述第二中心轴线(222、322)的方向延伸的长度的至少四倍。
5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述外壳(212、312)的沿所述第一中心轴线(220、320)的方向延伸的长度比所述外壳的沿所述第二中心轴线(222、322)的方向延伸的长度的四倍大。
6.根据权利要求I至5中任一项所述的设备,其特征在于,所述外壳(212、312)在横向于所述外壳的所述纵向轴线(218、318)的横截面上为大致矩形。
7.根据权利要求I至5中任一项所述的设备，其特征在于，所述外壳(412、512)在横向于所述外壳的所述纵向轴线(418、518)的横截面上为卵形或大致椭圆形。
8.根据权利要求2至5中任一项所述的设备，其特征在于，所述外壳(212、312)的沿所述纵向轴线(218、318)的方向延伸的长度超过所述外壳的分别沿所述第一中心轴线(220、320)和所述第二中心轴线(222、322)的方向延伸的长度。
9.根据权利要求I至5中任一项所述的设备，其特征在于，所述缓冲电路(103)与所述电力半导体开关元件(102)并联地相连。
10.根据权利要求I至5中任一项所述的设备，其特征在于，所述缓冲电路(103)包括至少一个电阻器(108)和至少一个二极管(110)。
11.根据权利要求10所述的设备，其特征在于，所述二极管(110)和所述缓冲电容器(206、306、406、506)彼此串联地相连，而所述电阻器(108)与所述二极管并联地相连。
12.根据权利要求I至5中任一项所述的设备，其特征在于，所述连接端子(208、210；308.310)包括两个导电板(209,211;309、311)。
13.根据权利要求12所述的设备，其特征在于，所述两个导电板(209、211;309、311)彼此至少部分地重叠并且在它们之间具有电绝缘层(224、324)。
14.根据权利要求12所述的设备，其特征在于，所述设备包括用于使所述连接端子(608,610)中的至少一个连接至所述缓冲电路(103)的夹持装置￠32)。
15.根据权利要求I至5中任一项所述的设备，其特征在于每个电力半导体开关元件(102)均包括至少一个绝缘栅双极晶体管IGBT。
16.根据权利要求I至5中任一项所述的设备，其特征在于，所述设备包括框架(114)，所述多个电力半导体开关元件(102)和所述缓冲电路(103)安装在所述框架上。
17.根据权利要求I至5中任一项所述的设备，其特征在于，所述设备布置为中断和/或限制高压直流HVDC电力输送系统的直流电，所述电力输送系统包括至少一个HVDC输送线路。
18.一种高压直流HVDC电力输送系统，所述电力输送系统包括至少一个HVDC输送线路，其中，所述系统包括至少一个如在权利要求I至17中任一项所述的用于中断和/或限制直流电的设备。
专利摘要一种用于中断和/或限制直流电力传输系统的直流电的设备，所述设备包括多个电力半导体开关元件，每个电力半导体开关元件均设有包括至少一个缓冲电容器的缓冲电路，并且缓冲电容器包括至少一个电容器元件、连接端子以及容置至少一个电容器元件的外壳，外壳包括第一端部和与第一端部相对的第二端部，并且连接端子经由第一端部进入到外壳内。外壳限定有延伸穿过第一端部和第二端部的纵向轴线，其中，外壳在横向于外壳的纵向轴线的横截面上为非圆形。一种包括至少一个HVDC传输线路的HVDC电力传输系统，其中，所述系统包括至少一个这种设备。
文档编号H02J1/00GK202586336SQ20112039908
公开日2012年12月5日 申请日期2011年10月14日 优先权日2011年10月14日
发明者伊达·弗里贝里, 于尔根·哈夫纳, 马德勒纳·尼尔森, 亨利·贝克 申请人:Abb技术有限公司