模块化多电平子模块、阀塔及交流耐压测试方法与流程

本公开属于大功率电力电子变流技术领域，具体涉及一种模块化多电平子模块、阀塔及交流耐压测试方法。

背景技术：

等电位连接源于三相交流配电系统的接地方式。在建筑用电设计时，通过等电位连接的方式尽量减小金属部件之间的阻抗，消除各个金属部件之间的电位差，以确保人身安全和用电设备的安全。例如，在三相四线制的交流配电系统中，使用“tn-c”接地方式将所有外露可导电部分和外界可导电部分都与中性线相连，以达到等电位连接的目的，保障人身安全和设备安全。同时等电位连接通过将金属导体连接在一起，构成一个封闭或半封闭的电磁屏蔽防护空间，可以防止空间内部的电路受到外部电磁辐射干扰。

在电力电子技术领域，模块化多电平换流器由大量的子模块级联构成，承担几百千伏的电压。其中，子模块是工作在浮地的等电位模式，内部存在大量的金属部件，这些金属部件需要进行等电位连接，否则金属部件之间会存在电位差，在运行过程中存在绝缘问题无法正常工作。在实际的子模块中，各个金属部件的特点和作用是不相同的，比如有的部件的作用是作为支撑结构，用于支撑、连接，固定子模块中其他的部件；有的是用于功率半导体器件的散热；有的用作电磁屏蔽。由于部分金属部件之间不可避免的存在相互接触、相互作用，使得各个金属部件往往不能完全解耦，存在寄生通路。因此，需根据模块化多电平子模块中金属部件的相互作用关系设计合理的等电位连接方式。子模块相互串联构成阀塔，同样具有等电位连接的问题。

技术实现要素：

本公开提出一种模块化多电平子模块、阀塔及交流耐压测试方法，以模块化多电平子模块的直流电容负极为等电位点，各个等电位连接面与等电位点连接，并以模块化多电平子模块为基础实现阀塔的等电位连接，提高模块化多电平子模块和阀塔的可靠性以及抗干扰能力。

本公开的一个实施例提供一种模块化多电平子模块，包括：直流电容、功率半导体单元、取能电源、主控电路以及支撑金属结构件；所述直流电容包括直流电容正极、直流电容负极，与功率半导体单元并联；所述功率半导体单元包括功率半导体器件、散热器以及交流输出端口；所述取能电源包括电源金属外壳，取能电源从所述直流电容取能；所述主控电路包括电路金属外壳；所述直流电容负极作为等电位点；所述电源金属外壳、电路金属外壳、散热器和支撑金属结构件中的一个或多个形成至少一个等电位连接面，所述等电位连接面电连接所述等电位点。

根据本公开的一些实施例，所述电源金属外壳、电路金属外壳、散热器和支撑金属结构件形成一等电位连接面。

根据本公开的一些实施例，所述等电位连接面的数量为两个或三个。

根据本公开的一些实施例，所述电源金属外壳、电路金属外壳、散热器和支撑金属结构件分别形成等电位连接面，各个所述等电位连接面分别电连接所述等电位点。

根据本公开的一些实施例，所述等电位点连接一导电排，全部或部分所述等电位连接面电连接所述导电排。

根据本公开的一些实施例，模块化多电平子模块还包括绝缘部件，所述绝缘部件设置于相邻所述等电位连接面之间；或，所述绝缘部件设置于所述等电位连接面上。

根据本公开的一些实施例，所述电源金属外壳形成一等电位连接面，多个等电位连接面与所述等电位点的连接点中，所述电源金属外壳形成的等电位连接面的连接点最接近所述直流电容负极。

根据本公开的一些实施例，所述电源金属外壳和电路金属外壳合并为一整体金属外壳。

根据本公开的一些实施例，所述取能电源包括正极和负极，所述取能电源的负极通过导电体与所述等电位点或所述等电位连接面连接；或，所述取能电源的负极通过导电体与所述电源金属外壳连接；或，所述取能电源的正极或负极通过电容与所述电源金属外壳连接。

根据本公开的一些实施例，所述主控电路包括电源，主控电路电源包括正极和负极，所述主控电路电源的负极通过导电体与所述等电位点或所述等电位连接面连接；或，所述主控电路电源的负极通过导电体与所述电路金属外壳连接；或，所述主控电路电源的正极或负极通过电容与所述电路金属外壳连接。

本公开的一个实施例提供一种阀塔，包括至少一个阀段和多根支撑绝缘子，所述阀段包括：多个如上所述的模块化多电平子模块，多个所述模块化多电平子模块的交流输出端口依次串联；多个阀段支撑结构件，用于所述阀段的支撑，所述阀段支撑结构件与最接近的模块化多电平子模块的等电位点或交流输出端口电连接；所述支撑绝缘子的顶部连接所述阀段支撑结构件，底部与地电位连接。

根据本公开的一些实施例，阀塔还包括冷却水管和/或光缆槽盒，所述冷却水管包括至少一个水电极，所述光缆槽盒包括至少一个光缆槽电位固定点；所述水电极和/或光缆槽电位固定点与最接近的模块化多电平子模块的等电位点或交流输出端口电连接。

根据本公开的一些实施例，所述阀塔包括m个不同电位的等电位点，取总数为n的所述不同电位的等电位点和/或交流输出端口连接平面金属结构，所述平面金属结构设置于所述阀段的外围，其中，m为大于等于2的整数，n为大于等于2且小于等于m的整数。

根据本公开的一些实施例，多个所述支撑绝缘子的底部通过底部连接导电体连接，所述底部连接导电体连接地电位。

根据本公开的一些实施例，所述支撑绝缘子包括多个绝缘子，多个所述绝缘子通过金属端头串联，多个所述支撑绝缘子的金属端头通过端头连接导电体连接。

根据本公开的一些实施例，所述底部连接导电体和端头连接导电体均为栅格状。

本公开的一个实施例提供一种如上所述阀塔的交流耐压测试方法，包括：短接所述阀塔的不同电位的等电位点；交流耐压试验电源的一端连接阀塔的等电位点，一端连接地电位；逐步升高所述交流耐压试验电源输出电压至预设电压，若能保持预设时间，则所述阀塔的交流耐压测试合格；降低所述交流耐压试验电源输出电压到零。

根据本公开的一些实施例，若所述阀塔包括底部连接导电体，在地面上设置与所述底部连接导电体等同的等电位体，所述等电位体接地，将去除底部连接导电体的阀体设置在所述等电位体上。

根据本公开的一些实施例，确定所述交流耐压试验电源的最小容量包括：分别计算阀塔顶部对阀厅顶部及阀塔侧部对墙壁的分布电容值；若所述阀塔包括底部连接导电体，而不包括端头连接导电体，计算阀段底部对地电位的分布电容值；若所述阀塔包括底部连接导电体和端头连接导电体，计算阀段底部对所述端头连接导电体的分布电容和所述端头连接导电体对地电位的分布电容的串联值；若所述阀塔而不包括端头连接导电体，则将各个分布电容值求和，若所述阀塔包括端头连接导电体，则将各个分布电容值及串联值求和，得到分布电容总和∑cb；确定所述交流耐压试验电源的最小容量smin＝utest²·ω·∑cb，其中，ω＝2πf，f为工作频率，utest为交流耐压试验电源输出预设电压。

本公开的模块化多电平子模块通过内部金属件的等电位连接方式，合理钳位子模块的内部电位，提高子模块的抗干扰能力；利用绝缘部件加装在等电位连接面之间，或直接将绝缘部件设置在等电位连接面上以替换部分结构件，通过隔离方式消除了寄生的连接点，消除了等电位连接面之间的相互耦合，使整个子模块的电位分布更加均衡。

包含等电位连接的模块化多电平子模块的具有金属结构等电位连接的阀塔，在阀塔外围布置平面金属结构，形成等电位面，减少了整个阀塔对外呈现的等电位点的数量；阀塔多个支撑绝缘子的底部及外围区域通过底部连接导电体连接，在阀塔底部构造出一个等电位面，并与阀厅的地电位连接，使整个阀塔的电位分布更加稳定，形成了整体的电磁屏蔽效果。

本公开提出的阀塔的交流耐压试验方法，保证了耐压试验的安全性以及结果准确性。

附图说明

图1是本公开实施例模块化多电平子模块的示意图一；

图2是本公开实施例模块化多电平子模块的示意图二；

图3是本公开实施例模块化多电平子模块的示意图三；

图4是本公开实施例模块化多电平子模块的示意图四；

图5是本公开实施例寄生连接点的等效电路图；

图6是本公开实施例模块化多电平子模块的示意图五；

图7是本公开实施例模块化多电平子模块的示意图六；

图8是本公开实施例阀塔的示意图；

图9是本公开实施例交流耐压测试流程图。

其中，

100、模块化多电平子模块；1、直流电容；2、功率半导体单元；3、取能电源；31、电源金属外壳；4、散热器；5、主控电路；51、电路金属外壳；6、支撑金属结构件；7、导电排；8、交流输出端口；9、绝缘部件；

e、等电位点；l1、导线；l2、机械固定、接触、短接线或短接铜排；

200、阀塔；210、支撑绝缘子；211、绝缘子；212、金属端头；213、支撑绝缘子顶部；214、支撑绝缘子底部；220、阀段支撑结构件；230、平面金属结构；241底部连接导电体；242端头连接导电体。

具体实施方式

在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本公开的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。

在本公开的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"坚直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本公开的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本公开的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语"安装"、"相连"、"连接"应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接:可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。

在本公开中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之"上"或之"下"可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征"之上"、"上方"和"上面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征"之下"、"下方"和"下面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本公开的不同结构。为了简化本公开的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本公开。此外，本公开可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本公开提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

以下结合附图对本公开的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本公开，并不用于限定本公开

如图1所示，本公开的实施例提供一种模块化多电平子模块100，实现等电位连接。一种模块化多电平子模块100包括直流电容1、功率半导体单元2、取能电源3、主控电路5以及支撑金属结构件6。

直流电容1包括直流电容正极和直流电容负极，与功率半导体单元2并联。功率半导体单元2包括功率半导体器件、散热器4以及交流输出端口8。取能电源3从直流电容1取能，本实施例中，取能电源3为主控电路5供电。主控电路5采样直流电容1的电压。取能电源3包括电源金属外壳31，主控电路5包括电路金属外壳51。

本公开以直流电容负极作为等电位点e。电源金属外壳31、电路金属外壳51、散热器4和支撑金属结构件6中的一个或多个形成至少一个等电位连接面。形成等电位连接面的形式可以有多种，全部等电位连接面电连接等电位点e。通过将模块化多电平子模块100内的金属件的等电位连接，可提高模块化多电平子模块100的抗干扰能力。

本实施例的一种模块化多电平子模块100等电位连接的方式为：电源金属外壳31、电路金属外壳51、散热器4和支撑金属结构件6通过机械固定、接触、短接线或短接铜排l2连接，形成一个等电位连接面。等电位连接面与等电位点e通过导线l1电连接。实现模块化多电平子模块100内的金属件的等电位连接。本实施例中，由散热器4上取一点与等电位点e连接，可称为“单点连接”方式。

如图2所示，第二种模块化多电平子模块100等电位连接的方式为：形成两个或三个等电位连接面。例如，电源金属外壳31与电路金属外壳51连接，形成一个等电位连接面；散热器4和支撑金属结构件6形成另一等电位连接面。两个等电位连接面分别通过导线电连接等电位点e，可以称为“分组连接”。根据需要，也可设置三个等电位连接面。

如图3所示，第三种模块化多电平子模块100等电位连接的方式为：电源金属外壳31、电路金属外壳51、散热器4和支撑金属结构件6分别形成等电位连接面。各个等电位连接面分别通过导线电连接等电位点e，可以称为“独立连接”。

如图4所示，根据本公开一个可选的技术方案，等电位点e引出并连接一个导电排7。导电排7为金属导电排。各个等电位连接面可以电连接导电排7，也可以直接连接等电位点e。

如图5所示，寄生连接点由金属的相互接触或机械连接造成。本实施例中，不同等电位连接面之间可能存在寄生连接点。如采用分组连接的方式，在电路金属外壳51与支撑金属结构件6之间由于机械固定，使二者之间存在接触电阻r70。r31和r51为电源金属外壳31和电路金属外壳51构成等电位连接面的等效电阻，r4和r6为散热器4和支撑金属结构件6构成等电位连接面的等效电阻，由于存在接触电阻r70，使分组连接的两个等电位连接面之间存在寄生电流回路，由此造成两个等电位连接面之间不可预计的电位差。

如图6和图7所示，根据本公开一个可选的技术方案，本实施例通过隔离方式消除寄生连接点。模块化多电平子模块100还包括绝缘部件9。绝缘部件9可以设置于相邻等电位连接面之间，如设置在电路金属外壳51与支撑金属结构件6之间。或者，绝缘部件9可以替代等电位连接面的一部分，设置于等电位连接面上，如可将绝缘部件9替代支撑金属结构件6的一部分，设置上支撑金属结构件6上。

利用绝缘部件9通过隔离方式消除了寄生的连接点，消除了等电位连接面之间的相互耦合，使整个子模块的电位分布更加均衡。本实施例中采用绝缘部件9将寄生连接点隔离后，接触电阻r70断开，寄生电流也随之消除，使等电位连接获得更好的效果。

根据本公开一个可选的技术方案，电源金属外壳51单独形成一等电位连接面时，多个等电位连接面与等电位点e的连接点中，电源金属外壳51形成的等电位连接面的连接点最接近直流电容负极。这样设置可尽量避免外部电磁对主控电路的干扰。

根据本公开一个可选的技术方案，电源金属外壳31和电路金属外壳51合并为一整体金属外壳，便于制造。取能电源3和主控电路5的其它元件设置于整体金属外壳中。

根据本公开一个可选的技术方案，取能电源3包括正极和负极。取能电源3的负极通过导电体与等电位点e或等电位连接面连接；或，

取能电源3的负极通过导电体与电源金属外壳31连接；或，

取能电源3的正极或负极通过电容与电源金属外壳31连接，以进一步提高模块化多电平子模块100的抗干扰能力。

根据本公开一个可选的技术方案，根据需要，主控电路5还可包括自身的电源。主控电路电源包括正极和负极。主控电路电源的负极通过导电体与等电位点或等电位连接面连接；或，

主控电路电源的负极通过导电体与电路金属外壳连接；或，

主控电路电源的正极或负极通过电容与电路金属外壳连接，以进一步提高模块化多电平子模块100的抗干扰能力。

如图8所示，本公开的实施例提供一种具有金属结构等电位连接的阀塔200。阀塔200包括至少一个阀段和多根支撑绝缘子210。

阀段包括多个如上所述的模块化多电平子模块100和多个阀段支撑结构件220。多个模块化多电平子模块100的交流输出端口依次串联。依次串联的模块化多电平子模块100的等电位点分别为e1～en。阀段支撑结构件220为金属构件，布置在串联的模块化多电平子模块中间或端头，用于阀段的支撑。当两个阀段支撑结构件相邻时合并成为一个。阀段支撑结构件220与最接近的模块化多电平子模块100的等电位点e或交流输出端口电连接。支撑绝缘子的顶部213连接阀段支撑结构件220，支撑绝缘子的底部214通过导电体与地电位连接。本实施例的阀塔200的金属结构等电位连接，有利于提高阀塔的性能。

根据本公开一个可选的技术方案，阀塔200还包括冷却水管和/或光缆槽盒，冷却水管包括至少一个水电极，光缆槽盒包括至少一个光缆槽电位固定点；水电极和/或光缆槽电位固定点与最接近的模块化多电平子模块100的等电位点或交流输出端口电连接。

根据本公开一个可选的技术方案，阀塔包括m个不同电位的等电位点，取总数为n的不同电位的等电位点和/或交流输出端口连接平面金属结构230，形成等电位面。即平面金属结构230可以连接等电位点，也可以连接交流输出端口。其中，m为大于等于2的整数，n为大于等于2且小于等于m的整数。平面金属结构230设置于阀段的外围。本实施例中，选取了1个等电位点连接平面金属结构230，选取了1个交流输出端口连接另一个平面金属结构230。两个平面金属结构230在阀段外围，使阀塔200对外呈现的等电位点减少。根据需要，还可设置更多的平面金属结构230，且平面金属结构230可连接阀段支撑结构件220。

根据本公开一个可选的技术方案，多个支撑绝缘子的底部214，也可包括底部的外围区域，通过底部连接导电体241连接，底部连接导电体241连接地电位。阀塔多个支撑绝缘子的底部214及外围区域通过底部连接导电体241连接，在阀塔底部构造出一个等电位面，并与阀厅的地电位连接，使整个阀塔200的电位分布更加稳定，形成了整体的电磁屏蔽效果。

根据本公开一个可选的技术方案，支撑绝缘子210包括多个绝缘子211和金属端头212。相邻绝缘子211通过金属端头212串联。多个支撑绝缘子210的金属端头212通过端头连接导电体242连接。可选地，选择距地相同高度的金属端头212连接。设置端头连接导电体242可低阀塔200对地尖端电场强度，减小局部放电量。端头连接导电体242处于悬浮电位。

根据本公开一个可选的技术方案，底部连接导电体241和端头连接导电体242均为栅格状。栅格可以为方孔或矩形孔，栅格的开孔面积与绝缘子的高度成正比，且不大于6.5平方米。本实施例中，底部连接导电体241的栅格的开孔面积为0.5平方米，端头连接导电体242的栅格的开孔面积为3平方米。根据需要，底部连接导电体241和端头连接导电体242也可以为平面，不包括栅格。

如图9所示，本公开的实施例提供一种如上阀塔的交流耐压测试方法，包括：

s110、短接阀塔的不同电位的等电位点。

s120、交流耐压试验电源的一端连接阀塔的等电位点，一端连接地电位。

s130、逐步升高交流耐压试验电源输出电压至预设电压，若能保持预设时间，则阀塔的交流耐压测试合格；若在预设时间内交流耐压试验电源输出电压由预设电压明显下降，则阀塔的交流耐压测试不合格；预设电压和预设时间跟根据相关标准确定。

s140、降低交流耐压试验电源输出电压到零。

根据本公开一个可选的技术方案，若阀塔200包括底部连接导电体241，由于对阀塔200的测试大多在实验室进行，不便在实验室中设置底部连接导电体241，在步骤s110之前包括步骤：在地面上设置与底部连接导电体241等同的等电位体，等电位体接地，将去除底部连接导电体的阀体设置在等电位体上。

根据本公开一个可选的技术方案，确定交流耐压试验电源的最小容量包括步骤：

s210、分别计算阀塔顶部对阀厅顶部及阀塔侧部对墙壁的分布电容值；

s220、若阀塔包括底部连接导电体，而不包括端头连接导电体，计算阀段底部对地电位的分布电容值；若阀塔包括底部连接导电体和端头连接导电体，计算阀段底部对端头连接导电体的分布电容和端头连接导电体对地电位的分布电容的串联值；

s230、若阀塔不包括端头连接导电体，则将各个分布电容值求和，若阀塔而包括端头连接导电体，则将各个分布电容值及串联值求和，得到分布电容总和∑cb；确定交流耐压试验电源的最小容量smin＝utest²·ω·∑cb，其中，ω＝2πf，f为工作频率，utest为交流耐压试验电源输出预设电压。

以上所述仅为本公开的较佳实施例而已，并不用以限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

最后应说明的是：以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，尽管参照前述实施例对本公开进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。