用于高压设备的屏蔽装置的制作方法

本发明涉及一种用于高压设备的屏蔽装置以及包括转换器和这种屏蔽装置的换流站。

背景技术：

可以通过高压直流(hvdc)来完成电力传输，并且在许多情况下，hvdc优于ac传输。

在电厂中，可能需要执行从hvdc到三相ac的转换，反之亦然。hvdc功率转换器包括多个阀，这些阀是换流站的关键部件，并且这些阀通常被容纳在阀厅中。

在设计阀厅时，必须考虑若干因素。安全方面非常重要，并要求阀厅具有某种最小的空间规格。例如，在某些情况下，功率转换器与它所在的阀厅的壁和顶板之间的空气间隙应高达约十米，而在另一些情况下则应高达几米。阀厅的规格很大程度取决于配电网络的电压水平。电压越高，通常需要离周围环境的距离越远。

除了其他因素以外，阀厅的规格尤其取决于预期的应用、阀结构和相邻结构的设计。

然而，与此相反，还需要阀厅尽可能小。地面空间通常是稀缺且昂贵的，并且因此希望减小阀厅的尺寸。此外，不同的国家规定了不同的法规，并且在某些国家中可能难以获得建筑许可。此外，美学方面也使得更希望提供小型且紧凑的子站，从而它们尽可能少地影响环境。在一些国家中，包括例如材料成本和人工成本在内的投资和安装成本可能很高，因此进一步增加了使阀厅尺寸最小化的期望。

高压应用(例如功率转换器)中的可靠性、安保性和安全性是备受关注的问题。与电力变压器有关的危险包括例如放电；由于高强度电弧而导致的电源故障可能会造成大面积停电，并且对电力公司而言是昂贵的。因此，被动或主动的保护措施至关重要。

一些措施已经被采用以改善高压组件，例如，着眼于在不降低可靠性要求的前提下提高安全性并使得能够设计更小尺寸的阀厅。

其中一些措施可能基于使用屏蔽装置。屏障或防护网罩具有消除设备周围电场的功能。从而，屏障降低了电晕放电的风险以及设备电击穿的风险。

代替像往常一样将防护网罩直接连接到hv设备的做法，在us2009/0266605中描述了一种方案，其中使用了一种防护网罩设计，该防护网罩设计具有连接在阀和相应防护网罩之间的电阻器。使用抑制电击穿的电阻器提高了阀的耐受电压。

但是，需要进一步的改进，特别是在进一步提高耐受电压方面。在设计的实现中，可以制造多大的电阻器是有限制的。如果其电阻太大，则由于电晕或流光放电时应力增加，可能导致电阻器被击穿。因此，令人感兴趣的是，在不增加电阻器的尺寸和电阻的情况下，进一步增加阀的耐受电压。

技术实现要素：

因此，本发明的一个目的是在不增加所使用的电阻器的尺寸的情况下增加该高压设备的耐受电压。

根据第一方面，该目的是通过一种用于与相邻物体隔开的高压设备的屏蔽装置来实现的，其中所述高压设备具有第一电势，并且相邻物体具有第二电势。屏蔽装置包括用于经由电阻器连接到高压设备的第一屏蔽元件。

屏蔽装置还包括与电阻器并联连接的电容器，

其中，电阻器的电阻和电容器的电容共同限定在10μs-50ms范围内的时间常数t，该时间常数t对应于rc。

根据第二方面，该目的还通过一种换流站来实现，该换流站包括用于在交流电和直流电之间进行转换并且被封装在外壳中的转换器。该转换器包括多个转换器阀，其中至少一个转换器阀具有根据第一方面的屏蔽装置，并且该阀具有第一电势，并且外壳是具有第二电势的相邻物体。

通过使用适当选择的电阻器和电容器的值，这两个部件限制了向电晕或流光放电提供电荷。这具有增加耐受电压的效果。

本发明具有许多优点。它可以增加高压设备的耐受电压，而不会增加所使用的电阻器的物理尺寸。因此，可以更有效地利用高压设备周围的空间。由此，高压设备和相邻物体之间的距离也可以进一步减小。

附图说明

下面将参考附图描述本发明，其中

图1示意性地示出了阀厅形式的接地外壳，其包括转换器形式的高压设备，以及

图2示意性地示出了被根据第一实施例的屏蔽装置屏蔽的转换器的阀。

具体实施方式

本发明涉及大功率应用中的高压设备。高压设备可以是在诸如320kv及以上的高压下工作的高压直流(hvdc)设备。该设备还可以被封装在外壳中，该外壳具有与该设备工作电压不同的电势。例如，外壳可能接地，而设备可以以+1500kv或-1500kv的电压水平或介于+1500kv和-1500kv之间的某个高压工作。其他可行的电压水平为±800kv。该设备例如可以是在ac和dc之间转换的转换器，例如电流源转换器(csc)或电压源转换器(vsc)。此外，可以将电压源转换器提供为模块化多电平转换器(mmc)，其中，多个级联转换器子模块用于形成ac波形。

图1示意性地示出了封装在外壳12中的一种这样的示例性hvdc转换器10，该外壳在这种情况下是阀厅形式的建筑物，其包括接地的壁，即具有零电势的壁。外壳是靠近至少一件高压设备的物体的一个示例。

转换器10包括多个阀。在图1给出的示例中，hvdc转换器10被示为包括四个阀14、16、18和20。作为示例，可以将阀安装成挂在阀厅的顶板上，并通过悬式绝缘子26固定到顶板上。应当认识到，将阀放置在外壳中的方式不是重要的，并且作为示例性替代，它们可以放置在阀底面上的支撑结构上。

还有一种屏蔽结构，其包括多个屏蔽装置22，用于提供针对电晕放电的屏蔽。提供屏蔽装置以覆盖阀的暴露表面，以避免在外壳12与阀14、16、18和20之间可能的电晕放电或电击穿。图1中所示的示例性hvdc阀14、16、18和20包括：暴露表面由屏蔽装置22保护的总共九个侧面、在相对表面处彼此面对的八个侧面以及背对顶板的一个下侧面。

因此，每个这样的暴露表面都由屏蔽装置保护，以防止从阀到外壳(例如到侧壁或底板)的电击穿和电晕放电。在该图中，还示出了一个这样的屏蔽装置22与壁12之间的距离d。

阀14、16、18和20中的每个阀可以由多个串联的开关构成，也可以由多个级联的子模块构成，其中这种开关可以由诸如带有反并联二极管的集成门极换向晶闸管(igct)或绝缘栅双极晶体管(igbt)之类的开关元件构成。子模块可以被实现为一或两串开关，其中每一串与诸如电容器或电池之类的储能元件并联连接。可替代地，该阀可以是晶闸管阀。

此外，阀工作的电压，例如阀的dc电平，可能是相当大的。而且，由于雷击和系统中的开关事件引起的过电压对于绝缘是危险的。因此，在该结构的每一端处的最外面的阀14和20中的至少一个可能在其自身与外壳之间具有相当大的电势差。

屏蔽装置22包括防护网罩形式的屏蔽元件，该屏蔽元件与阀元件相距一定距离。防护网罩也可以具有围绕物理阀形状的任何边缘或角落伸展的形状。

为了保护转换器10的一部分(例如阀)免受任何电晕放电和从hv部件到外壳的电击穿，此类防护网罩可能是必需的。另外，在阀和外壳之间还存在需要考虑的寄生电容。

如前所述，由于电压很高所以防护网罩装置22与外壳12之间的距离d通常必须较长，以确保不会发生电晕放电或电击穿。

本发明的各方面旨在提供一种防护网罩装置，该防护网罩装置允许该装置与壁之间的距离d较小，从而允许减小外壳的尺寸。

减小距离的一种方式是通过屏蔽装置，该屏蔽装置包括击穿抑制电阻，例如呈击穿抑制电阻器的形式的击穿抑制电阻。击穿抑制电阻器在电晕放电或流光放电期间充当电流限制装置。由此，阀装置的电压耐受水平增加，这又允许更紧凑的设计。通过使用这样的电阻器，可以增加屏蔽装置的浪涌冲击击穿强度。此外，还可以实现增加的dc耐受水平。因此，可以在不增加容纳阀的hvdc阀厅的尺寸的情况下，在hvdc阀厅中提供改进的安全性。因此，阀的工作可靠性也可以大大提高。

然而，令人感兴趣的是，进一步提高电压耐受水平，以便获得进一步的尺寸减小。

在图2中示出了解决该问题的屏蔽装置22的第一实施例。

可以看出，屏蔽装置22包括第一屏蔽元件或防护网罩28，该第一屏蔽元件或防护网罩28通过电阻器r1和电容器c1的并联连接与阀18相邻并且与阀18电接触，其中该电阻器是击穿抑制电阻器。

电阻器r1的电阻可以设置在0.1-12mω的范围内，在0.2-4mω的范围内具有优势，优选在0.5-3mω的范围内。

电容器c1的电容值又可以在0.1-10nf的范围内，对于该值，防护网罩和外壳的壁之间的寄生电容并不占主导地位。

电阻器和电容器可以形成为单独的部件。众所周知，电容器具有由空隙隔开的两个极板。由此，电阻器也与该空隙隔开。

此外，电容和电阻形成时间常数t，该时间常数t对应于电容器c1的放电速度。时间常数t可以在10μs–50ms的范围内，在0.1–15ms的范围内具有优势，优选是在0.5–5ms的范围内。

时间常数t对应于rc或与rc成比例，其中r是电阻器r1的电阻，c是电容器c1的电容。

还可以看出，在阀18包括拐角(例如在竖直表面和水平表面之间的拐角)的情况下，则第一屏蔽元件可以包括用于屏蔽和覆盖该拐角的弯曲部分。

所建议的带有电阻器和电容器的防护网罩设计可以显著降低大型hvdc设施(例如阀和dc室)的成本。

而且，包括击穿抑制电阻器和电容器的防护网罩设计旨在减小阀与阀厅的壁之间的空气间隙d，这允许减小建筑物的占地面积和成本。

通过使用击穿抑制电阻器和电容器，可以获得高耐压。

伴随高耐压，到地面的距离可以保持很低，这将直接影响建筑物的尺寸。

这里简要描述电阻器在连接在阀和单个防护网罩之间时的功能：

在正常状况并且没有任何放电的情况下，防护网罩的电位与hv部件的电位相同，即与阀(防护网罩通过电阻器连接到阀)相同。因此，该防护网罩将用作任何普通的hv防护网罩。一旦在外部hv防护网罩处发生电晕放电，放电引起的电流就会受到电阻的限制，这会使放电受阻。这可产生高达高出35％的耐受水平，从理论上讲，这将大大减少所需的间隙。在实际情况下，电压耐受水平的增加可能会限制在5-10％。但是，应注意，由于耐受水平和间隙长度在高电压下的非线性特性，耐受水平的5-10％的增量将使空隙减少显著超过5-10％。

而且，电阻越大，原则上获得的耐受电压的增长就越好。然而，较大的电阻器将在其终端之间，即在hv装置和防护网罩之间，产生较大的压降，并且该较大的压降可能会导致电阻器击穿。因此，感兴趣的是，利用电阻r1的有限大小的压降获得较高的耐受电压。

因此，电阻器的导电性足够好，以可以确保在正常操作期间防护网罩和阀处于相同的电位。当系统中发生任何过电压时，如果靠近防护网罩的空气中没有放电事件，则防护网罩的电位将跟随hv设备。在正常工作情况下，由于电容和电阻器的选定值，电阻器和电容器不会受到电流或电场的压力，并且不应显著影响高压设备的功能。

当高压防护网罩上发生任何放电时，电容器将消耗电荷并减少供应到电晕或流光放电中的可用电荷。由于将电荷分流到电容器，将限制对电晕或流光放电增长的电荷供应，并抑制放电进一步发展。结果，为了从防护网罩到地面产生火花，将需要更高的电压，这等效于增加耐受电压。

由此，具有适当选择的值的电阻器和电容器的组合在不增加电阻器的尺寸的情况下产生了一种具有更高耐受电压的紧凑型击穿抑制装置。因此，电阻和电容可以被选择成使得对电晕或流光放电的电荷供应受到电阻器和电容器的限制。

尽管可用的体积受到限制，但该装置可以被安装在许多现有设计中的防护网罩内部的现有空间中。

本发明具有许多优点。它可以减少高压设备(如hvdc设施)的占地面积和成本。通过减少绝缘所需的空气间隙，可以取得显著的进步。

上面以阀厅形式的外壳举例示出了相邻物体。应该认识到，相邻物体绝不限于这样的物体。实际上，相邻物体不必是外壳，而可以是靠近高压设备一部分的独立物体。这样的相邻物体可以例如被设置在室外。

从前面的讨论中可以明显看出，本发明可以以多种方式变化。

因此，应认识到，本发明仅由所附权利要求限定。