电气设备的制作方法

本发明涉及一种电气设备，优选用于高压直流(hvdc)应用中的切换阀组件。

背景技术：

已知使用冷却装备来控制电气硬件的温度以便提高其效率和可靠性。

技术实现要素：

根据本发明的一个方面，提供了一种电气设备，该电气设备包括用于承载冷却剂的冷却剂载体，该冷却剂载体布置成将电气设备中的多个位置互连，该电气设备可操作成以便将多个位置配置在不同的电位下，其中电气设备进一步包括功率供应回路，该功率供应回路配置成在使用中从冷却剂载体汲取泄漏电流以便提供用于为一个或多个电气装置供电的功率供应源。

应当理解，出于该说明书的目的，冷却剂载体可呈设计成承载冷却剂的任何介质或装置的形式。例如，冷却剂载体可包括一个或多个流体导管，诸如管道。

冷却剂载体的主要目的在于使冷却剂在整个电气设备中循环，以便允许冷却剂吸收由电气设备产生的热量，这具有降低电气设备的温度并从而有利地改善电气设备的性能的作用。

典型地，在冷却剂装备中，理想的冷却剂将具有零电导率。然而，在本发明的情况下，为了使本发明起作用，实际的冷却剂将具有最小水平的电导率。本发明的电气设备的实际实施方式可包括但不限于使用冷却剂，该冷却剂是去离子水等或包括去离子水等，其中可达到的最小电导率水平例如相比于油冷却剂、空气冷却剂等相对较高。因此，本发明的电气设备利用了实际冷却剂的非理想电导率。

由于使用了具有足够高的非零电导率的冷却剂并且存在多个位置的不同电位，因此泄漏电流在冷却剂载体中流动，该冷却剂载体使电气设备中的多个位置互连。在电气设备中包括功率供应回路使得能够从泄漏电流获取功率以用于供应给一个或多个电气装置。这样的电气装置可包括但不限于用于测量和监视电气设备的操作参数的传感器和仪器。这样的传感器和仪器可配置成例如监测和测量电气设备的电压、电流或温度，或检测冷却剂从冷却剂载体的泄漏或溢出。因此，在电气设备中包括功率供应回路避免了提供额外功率源的需要，额外额外功率源不仅会增加操作成本，而且会占用额外的空间。

将认识到，本发明的电气设备利用具有足够高的非零电导率的任何冷却剂工作，使得与多个位置的不同电位的存在组合使用冷却剂载体中的冷却剂导致使电气设备中的多个位置互连的冷却剂载体中的泄漏电流的流动。

在其中电气设备包括多个电气构件的本发明的实施例中，电气设备中的多个位置中的每一个可对应于多个电气构件中的相应一个。本发明对于具有多个电气构件的电气设备是有用的，其中每个电气构件在相应不同的电位下操作。

在这样的实施例中，电气设备可包括多个额外的电气构件，并且冷却剂载体可与多个额外的电气构件断开。将认识到的是，本发明可应用于其中冷却剂载体覆盖其所有电气构件以及其中冷却剂载体仅覆盖电气构件中的一些的电气设备的构造。

本发明适用于范围广泛的电气设备。例如，电气设备可包括切换阀。可选地，切换阀可包括多个切换模块，多个位置中的每一个对应于多个切换模块中的相应一个，使得冷却剂载体布置成互连多个切换模块。

泄漏电流在冷却剂载体中的流动导致冷却剂载体充当分级电阻器或多个分级电阻器，具有可相对于电气设备本身的电阻相当的电阻值，以便影响电气设备的操作。

在本发明的优选实施例中，冷却剂载体可布置成使多个位置互连，使得在使用电气设备时，冷却剂载体形成电平衡回路。电平衡回路的形成消除或最大限度地减少了冷却剂载体的电阻对电气设备的操作的影响。

可通过在电气设备中包括电传导部件来实现电平衡回路的形成。当电气设备包括电传导部件时，冷却剂载体可布置成将多个位置和电传导部件互连，使得在使用电气设备时，冷却剂载体形成电平衡回路。

在本发明的进一步的实施例中，电气设备可进一步包括电场屏蔽部件，其中冷却剂载体可配置成连接到电场屏蔽部件。在这样的实施例中，电传导部件可为电场屏蔽部件或可包括电场屏蔽部件。尽管电场屏蔽部件典型地不包括任何需要冷却的有源构件，但是冷却剂载体到电场屏蔽部件的连接提供了形成电平衡回路的方便方式，而无需额外的硬件。

电场屏蔽部件可布置在电气设备周围的任何位置，但是优选地，电场屏蔽部件布置在电气设备的一端处。例如，当电气设备包括多个切换模块时，电场屏蔽部件可布置在多个切换模块的一端处。

由于电场屏蔽部件通常处于高电位，因此向电场屏蔽部件附近的任何电气装置提供功率可能具有挑战性。然而，在电气设备中包括功率供应回路提供了一种用于向电场屏蔽部件附近的一个或多个电气设备供应期望的功率的可靠手段。

电平衡回路可由包括第一冷却剂载体部分和第二冷却剂载体部分的冷却剂载体形成。第一冷却剂载体部分和第二冷却剂载体部分中的每个可布置成互连多个位置，第一冷却剂载体部分和第二冷却剂载体部分与彼此流体连通。

在本发明的更进一步的实施例中，电气设备可进一步包括收集器，该收集器布置成收集从冷却剂载体泄漏或溢出的冷却剂，并且电气设备可进一步包括监测装置，该监测装置配置成监测收集器中收集的冷却剂的水平，其中收集器可包括出口，其用于允许收集的冷却剂从收集器的排放。

可选地，监测装置可包括光源，该光源配置成将光朝收集器中的收集的冷却剂的表面引导，并且监测装置可进一步包括光传感器，其配置成检测从收集器中收集的冷却剂的表面反射的光。

进一步可选地，出口可呈堰的形式，或出口可呈收集器的基部中的孔的形式。

电气设备的这种构造提供了可靠且易于制造的装置来用于监测冷却剂从冷却剂载体泄漏或溢出的速率，特别是由于缺少移动部分。

将认识到，在该专利说明书中使用用语"第一"和"第二"等仅旨在帮助在相似的特征(例如，第一冷却剂载体部分和第二冷却剂载体部分)之间区分，除非另有说明，否则并不旨在指示一个特征相对于另一个特征的相对重要性。

附图说明

现在将通过非限制性示例，参照附图描述本发明的优选实施例，在附图中：

图1示意性地示出了根据本发明的实施例的晶闸管阀组件；

图2示出了代表图1的晶闸管阀组件的等效电路；

图3示出了图1的晶闸管阀组件的晶闸管切换模块的电压曲线；

图4示意性地示出了图1的晶闸管阀组件的功率供应回路；

图5示意性地示出了用于检测冷却剂从图1的晶闸管阀组件的冷却剂回路泄漏的机构。

图6和图7分别示意性地示出了用于检测冷却剂从图1的晶闸管阀组件的冷却剂回路泄漏的备选机构；以及

图8示意性地示出了用于图5至图7的机构中的示例性收集器。

附图不一定按比例绘制，并且为了清楚和简洁，附图的某些特征和某些视图可按比例放大或以示意图形式示出。

具体实施方式

本发明的以下实施例主要用于hvdc应用中，但是将认识到，本发明的以下实施例在细节上作必要修改后也可应用于以不同电压电平操作的其他应用。

在图1中示出了根据本发明的实施例的晶闸管阀组件，并且大体上由参考标记30表示。晶闸管阀组件30呈用于转换器(诸如线路整流转换器(lcc))的多阀单元的形式。在使用中，晶闸管阀组件30通常从阀厅的顶板(未示出)悬置，晶闸管阀组件30的顶部限定第一dc端子且晶闸管阀组件30的底部限定第二dc端子。典型地，晶闸管阀组件30的底部经历相对于地面的最高电位，使得用于将晶闸管阀组件30从顶板悬置的悬置绝缘体经历更适度的电压应力。

晶闸管阀组件30包括晶闸管切换阀。晶闸管切换阀包括多个晶闸管切换模块32，在所示的实施例中，这些晶闸管切换模块竖直地堆叠以形成晶闸管切换模块32的两个阀堆叠。阀堆叠的晶闸管切换模块32组合以形成晶闸管切换模块32的单个串联连接34。在使用中，当给定的晶闸管切换模块32处于截止状态时，跨过晶闸管切换模块32出现截止状态电压。

电晕防护罩36位于晶闸管阀组件30的底部，并经由母线50连接至晶闸管阀组件30的底部。电晕防护罩36的功能是呈现平滑的外部电场轮廓，并从而防止在正常条件下发生电晕放电。将认识到，可将一个或多个额外的电晕防护罩布置在晶闸管阀组件30周围的其他位置。

包括第一冷却剂回路38和第二冷却剂回路40的冷却系统布置成从晶闸管阀组件30的顶部(此处电绝缘要求更适度)将液体冷却剂供给到阀堆叠中。例如，每个冷却剂回路38,40可包括多个单独的管道，其连接到晶闸管切换模块32中的歧管组件。

第一冷却剂回路38布置成引导液体冷却剂通过阀堆叠中的第一个的每个晶闸管切换模块32。更特别地，在第一阀堆叠中，第一冷却剂回路38布置成在通过电晕防护罩36的第一侧之前，连续地向下延伸穿过最上面的晶闸管切换模块32、中间晶闸管切换模块32和最下面的晶闸管切换模块32，并返回以连续地向上延伸穿过最下面的晶闸管切换模块32、中间晶闸管切换模块32和最上面的晶闸管切换模块32。

第一阀堆叠的每个晶闸管切换模块32包括相应的冷却剂管道42，该冷却剂管道互连第一冷却剂回路38的向下和向上延伸的冷却剂回路区段，这允许在每个晶闸管切换模块32处分接液体冷却剂以冷却其中包含的电气构件。电晕防护罩36的第一侧还包括旁路冷却剂导管44，该旁路冷却剂导管互连第一冷却剂回路38的向下和向上延伸的冷却剂回路区段以防止第一冷却剂回路38中的液体冷却剂停滞。

类似地，第二冷却剂回路40布置成引导液体冷却剂通过阀堆叠中的第二个的每个晶闸管切换模块32。更特别地，在第二阀堆叠中，第二冷却剂回路40布置成在通过电晕防护罩36的第二侧之前，连续地向下延伸穿过最上面的晶闸管切换模块32、中间晶闸管切换模块32和最下面的晶闸管切换模块32，并然后返回以连续地向上延伸穿过最下面的晶闸管切换模块32、中间晶闸管切换模块32和最上面的晶闸管切换模块32。

第二阀堆叠的每个晶闸管切换模块32包括相应的冷却剂管道46，该冷却剂管道互连第二冷却剂回路40的向下和向上延伸的冷却剂回路区段，这允许在每个晶闸管切换模块32处分接液体冷却剂以冷却其中包含的电气构件。电晕防护罩36的第二侧也包括旁路冷却剂导管48，该旁路冷却剂导管互连第二冷却剂回路40的向下和向上延伸的冷却剂回路区段以防止第二冷却剂回路40中的液体冷却剂停滞。

当液体冷却剂是高度纯净的去离子水(有时添加有防冻剂)时，始终存在最小的电导率水平，该电导率取决于水分子(h2o)分解成氢和氢氧根离子(h+和oh-)的程度。结果，互连不同晶闸管切换模块32的冷却剂回路38,40的冷却剂回路区段充当具有有限电阻的分级电阻，该电阻典型地以数十或数百mω计，其相对于晶闸管切换模块32的截止状态电阻是相当的。因此，期望冷却剂回路38,40形成电平衡回路，使得它们不会导致晶闸管切换模块32之间的电压不平衡(其将不利地影响晶闸管阀组件30的操作)。

通过冷却剂回路38,40和电晕防护罩36的互连可避免电压不平衡的问题，该互连使冷却剂回路38,40能够形成电平衡回路。

图2示出了代表晶闸管阀组件30的等效电路。晶闸管切换模块32、电晕防护罩36和冷却剂回路38,40用等效电路表示。

为了便于描述，将每个冷却剂回路38,40的每个冷却剂回路区段标记为fax或rbx，其中'f'是指向下延伸的冷却剂回路区段，'r'是指向上延伸的冷却剂回路区段，'a'是指第一冷却剂回路38的冷却剂回路区段，'b'是指第二冷却剂回路40的冷却剂回路区段，并且'x'指示冷却剂回路区段的垂直位置，其中最下面的冷却剂回路区段标记为'1'，中间冷却剂回路区段标记为'2'、'3'和'4'，且最上面的冷却剂回路区段标记为'5'。

将互连第一阀堆叠的最下面的晶闸管切换模块32和电晕防护罩36的第一侧的第一冷却剂回路38的向下和向上延伸的冷却剂回路区段分别标记为fa1和ra1，并且将互连第二阀堆叠的最下面的晶闸管切换模块32和电晕防护罩36的第二侧的第二冷却剂回路40的向下和向上延伸的冷却剂回路区段分别标记为fb1和rb1。

第一冷却剂回路区段fa1不经历电压，因为其由将电晕防护罩36连接到晶闸管阀组件30的底部的母线50分流。第一冷却剂回路区段ra1和第二冷却剂回路区段fb1各自经受与跨过单个晶闸管切换模块32的截止状态电压相对应的电压，该晶闸管切换模块在所示的实施例中是第一阀堆叠中的最下面的晶闸管模块。为了形成电平衡回路，第一冷却剂回路区段ra1和第二冷却剂回路区段fb1设计成具有其他冷却剂回路区段中每个的长度的一半，其他冷却剂回路经历对应于跨过两个晶闸管切换模块32的截止状态电压的电压。图3示出了当相关联的转换器处于整流器模式和逆变器模式时，在晶闸管切换阀的操作期间，跨过两个晶闸管切换模块32的电压的曲线。该电压由dc偏移52和包括正弦电压区段的ac分量54构成。

由于每个冷却剂回路区段所经历的电压和冷却剂的电导率，泄漏电流流过每个冷却剂回路38,40。例如，在晶闸管阀组件30的示例性构造中，与跨过两个晶闸管切换模块32的截止状态电压对应的跨过冷却剂回路区段的峰值电压可为约100kv，其中dc分量为约20kv，并且取决于冷却剂的电导率，冷却剂回路区段的电阻可在10至100mω的范围内，这导致在对应的冷却剂回路38,40中流过1至10ma的泄漏电流。

晶闸管阀组件30还包括功率供应回路56。在如图4中所示的实施例中，功率供应回路56包括转换器，该转换器在第一阀堆叠的最下面的晶闸管切换模块32与电晕防护罩36的第一侧之间与第一冷却剂回路38的向下延伸的最下面的冷却剂回路区段串联连接。例如，这可通过以下实现：打开用于将第一冷却剂回路38的向下延伸的最下面的冷却剂回路区段与电晕防护罩36的第一侧联结在一起的线链路，并然后将转换器连接在第一冷却剂回路38的向下延伸的最下面的冷却剂回路区段和电晕防护罩36的第一侧之间。备选地，在本发明的其他实施例中，转换器可在第二阀堆叠的最下面的晶闸管切换模块32与电晕防护罩36的第二侧之间与第二冷却剂回路40的向上延伸的最下面的冷却剂回路区段串联连接。

功率供应回路56的这种连接允许从冷却剂回路38,40汲取泄漏电流，以便提供用于为一个或多个电气装置100(诸如用于测量和监测晶闸管阀组件30的操作参数的传感器和仪器)供电的功率供应源。在此情况下，冷却剂回路38,40充当电流源。

因此，图1的晶闸管阀组件30的构造提供了一种获取在冷却系统中流动的泄漏电流以用作向一个或多个电气装置供电的功率供应源的方式。这对于给位于电晕防护罩36附近的电气装置供电特别有用，该电晕防护罩36相对于地面处于高电位。

将认识到，所示实施例的构造仅选择为帮助说明本发明的工作，并且可由另一晶闸管阀组件构造代替，其示例展示如下。

晶闸管阀组件30可包括晶闸管切换模块32的单个阀堆叠。

冷却剂回路38,40可以以不同的方式布置以延伸通过晶闸管切换模块32和电晕防护罩36。

功率供应回路56可配置成额外地或备选地连接到一个或多个其他冷却剂回路区段，以便从冷却系统获取泄漏电流用于功率供应目的。

晶闸管阀组件30可包括多个功率供应回路，其中每个功率供应回路连接到不同的冷却剂回路区段。例如，功率供应回路可分别连接到冷却剂回路部分fb1,ra1,rb1，从而将最下面的晶闸管切换模块32互连到电晕防护罩36。这提供了多个功率供应源，并因此提供了功率供应方面的冗余。

在本发明的其他实施例中，晶闸管阀组件可安装在阀厅的底板上。支柱绝缘子可用于支承晶闸管阀组件的基部，其中冷却系统配置成将液体冷却剂从底板水平朝阀堆叠的顶部输送，并朝底板水平返回。电晕防护罩可位于晶闸管阀组件的顶部。在这样的实施例中，本发明可用于获取在冷却系统中流动的泄漏电流，以用作在晶闸管阀组件的顶部处向电晕防护罩附近的一个或多个电气装置供电的功率供应源。

还将认识到，本发明可应用于其他类型的电气设备，诸如其他类型的切换阀组件。

在晶闸管阀组件30的操作期间，冷却系统中的故障可能导致冷却剂从冷却剂回路泄漏或溢出，这构成安全隐患。

可选地，晶闸管阀组件30可进一步包括用于检测冷却剂从冷却剂回路38,40泄漏的机构。该机构的特征参照图5至图8描述如下。

泄漏的冷却剂收集在滴盘(未示出)中，该滴盘布置在冷却剂回路38,40下方并靠近电晕防护罩36。然后，泄漏的冷却剂引导到收集器60中，该收集器在所示的实施例中呈开放式托盘的示例性形式。

监测装置包括光源和光传感器，以监测收集器60中收集的冷却剂58的水平。光源呈光发射器62(例如led)的形式，其定位在容器的一侧上方。光传感器呈光接收器64的形式，其定位在容器的相对侧上方。光接收器64可包括但不限于光电二极管、光电晶体管或光敏电阻。挡光板66定位在光发射器62和光接收器64之间，以阻挡光在光发射器62和光接收器64之间的直接传输。图5示出了光发射器62、光接收器64和挡光板66的布置。

光发射器62配置成将光68朝所收集的冷却剂58的表面引导，使得光70反射离开所收集的冷却剂58的表面并朝着光接收器64反射。

当入射光68到达具有不同折射率的两种材料之间的边界(其在所示的实施例中是收集的冷却剂58和空气之间的界面)时，入射光68的一部分透射，而入射光的另一部分反射。当入射光68来源于具有低折射率的空气并到达具有较高折射率的冷却剂时，大多数入射光68在入射角接近法线(即，垂直于表面)时透射，但随着入射角改变，反射系数和透射系数也改变。在接近掠入射处，几乎所有入射光68都反射。

因此，在收集的冷却剂58的低水平处，入射角低，且结果反射光70弱。随着收集的冷却剂58的水平升高，入射角增加，这继而增加了反射光70的强度。当收集的冷却剂58的水平达到预定水平并且结果反射光70的强度达到预定阈值时，通过光接收器64对反射光70的检测导致指示器信号的产生，指示器信号用于将泄漏发生传达给例如操作员、控制装备和/或保护装备。指示器信号可呈可听信号(例如警报)、视觉信号(例如指示灯)或配置成传达关于泄漏发生的信息的数据信号的形式。

将认识到，监测装置可配置成利用收集的冷却剂58的单个预定水平和反射光强度的单个预定阈值工作，或利用收集的冷却剂58的多个预定水平和反射光强度的多个预定阈值工作。在后者的情况下，预定水平和预定阈值可设计呈分别对应于主要泄漏和次要泄漏。

可选地，另外的挡光板72可设在收集器60内部，使得在低于预定水平的所收集的冷却剂58的低水平处，另外的挡光板72暴露在所收集的冷却剂58的水平以上，以阻挡来自光发射器62的入射光68到达收集的冷却剂58的表面，或阻挡反射光70到达光接收器64。图6示出了另外的挡光板的布置。在收集的冷却剂58处于预定水平或高于预定水平的更高水平处，另外的挡光板72变为浸没的以允许光70从收集的冷却剂58的表面反射出。这具有在低和高的收集的冷却剂水平之间提供更大的选择性的效果。

进一步可选地，光发射器和光接收器可放置在收集器的同一侧上方，并且镜子放置在收集器的相对侧上方，使得当达到收集的冷却剂58的预定水平时，光朝着镜子反射出收集的冷却剂58的表面，该镜子布置成例如通过将光朝着光接收器引导或通过将光朝光接收器反射出收集的冷却剂58的表面来朝光接收器反射光。

更进一步可选地，光发射器62和光接收器64可放置在收集器60的底部处，其中挡光板74布置在它们之间以阻挡光在光发射器62和光接收器64之间的直接传输。这种布置在图7中示出。光发射器62和光接收器64布置成使得当达到所收集的冷却剂58的预定水平时，光70从所收集的冷却剂58的内部表面(即，所收集的冷却剂58与空气之间的界面)朝光接收器64反射。备选地，光发射器和光接收器64可位于收集器的外部，该收集器包括允许光传输进出收集器的窗口。

来自光发射器62的光的输出可通过水平偏振滤光器，使得反射系数相对于所收集的冷却剂深度的曲线变得更陡峭，因为反射系数和透射系数取决于光的偏振状态。菲涅耳方程将反射系数和透射系数限定为入射角θ和折射率n1和n2的函数：

对于适中的入射角，s偏振方向和p偏振方向之间的反射系数存在相当大的差异。因此，偏振光可用于根据收集的冷却剂水平提供更大的选择性。

作为led的备选方案，光发射器62可包括半导体激光器，其将导致紧密准直的光束，从而允许所收集的冷却剂58的更精确的预定水平。

用于检测冷却剂从冷却剂回路38,40泄漏的机构进一步包括出口，其用于允许收集的冷却剂58从收集器60的排放76。出口配置成具有预定尺寸。由于出口的尺寸是已知的，因此可能将冷却剂泄漏流率与收集器60中收集的冷却剂水平相关联。如图8中所示，出口可呈堰78的形式，其在收集器60的侧壁上具有v形凹槽。通过v形凹槽的冷却剂流率与其上方收集的冷却剂58的高度成比例。备选地，出口可呈收集器的底部中的孔的形式。

将认识到，对于所示实施例给出的每个数值仅选择为帮助说明本发明的工作，并且可由另一个数值代替。