专利名称：具有静电屏蔽的电气设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电气设备，优选地涉及一种工作在IkV以上的电压的设备，即工作在大约Ikv和50kV之间的中电压电平或工作在50kV以上的高电压电平的设备，其中，所述设备包括静电屏蔽。
背景技术：
在电气设备中使用静电屏蔽，用于例如通过降低特定区域的场强或通过简单地改变场的空间分布，以期望的方式影响设备周围的电场分布。这样的电气设备可以例如是电力变压器、电动机、发电机、电气开关装置、电抗电感器、或诸如电力换流器的电力电子器件，特别是例如作为电力换流器的一部分的换流阀组。对于所有这些不同类型的设备，在现有技术中已知的是使用由通常为金属的传导材料制成的一个或几个静电屏蔽，用来削弱由电气设备产生的电场，从而通过增加设备周围环境的击穿电压或闪络电压来降低设备周围环境的介电击穿概率，由此保护设备的通常充满空气的周围环境。在W02007/149023A1中给出了具有静电屏蔽的电气设备的一个示例，其中描述了一种高电压电力换流器，该高电压电力换流器包括采用塔(column)形式设置的换流阀，即阀组形式的换流阀。塔体被填充有冷却剂流体的管围绕，用于冷却换流器，其中这些管部分由塑料制成，部分由金属制成。在管由塑料制成的区域中，管的外表面设置有金属屏障用于静电屏蔽。在管由金属制成的区域中，管接替电场屏蔽屏障的功能。在W02007/149023A1 中，管在任何可能的地方由金属制成，以减少额外金属屏障的数量。只有在管与冷却块之间形成连接的特定接触点处，管由电绝缘材料制成，而冷却块又与换流阀的功率半导体器件形成物理接触。由于这些接触点之间存在不同的电压电平，如果不设置隔离将会导致金属管内有电流流动，因此上述接触点的绝缘是必要的。电气设备随着其工作电压电平的升高，通常变得更加复杂且昂贵。因此，正在试图降低电气设备的成本并简化其设计和结构。
发明内容
因此，本发明的目的是提出一种具有简单从而成本较低的设计的上述类型的电气设备。该目的通过根据权利要求1所述的电气设备实现。通常，具有低浓度矿物从而具有低浓度离子的水，特别是净化水或去离子水已知为电介质。由于净化水的电阻率非常低，所以净化水甚至被用作绝缘体。本发明目前基于本发明人获得的料想不到的发现包含在介电外壳中的水、即使是低离子化水或净化水也可以足够充分地影响并改善其周围区域的静电场强分布，从而被成功地用作静电屏蔽。这是料想不到的，因为如在W02007/149023A1中所述的，静电屏蔽通常由传导材料制成，而不是由包含电介质的介电外壳制成。由于此惊人发现，根据本发明提出了以如下方式设置电气设备的静电屏蔽使静电屏蔽至少部分由包含水的介电外壳形成。本发明具有各种优点，诸如电气设备易于设计， 这是因为介电外壳可以设置得更靠近或直接与设备的传导部分接触，或者设置在设备的处于不同电压电平的不同部分之间。另一个优点在于成本方面，由于外壳使用优选为像塑料的合成材料的介电材料，从而通常使得外壳的制造和安装成本较低，这是因为与金属相比， 其设计可能性更为多变。相比而言，水本身一点都不贵。在本发明的优选实施例中，介电外壳是冷却水线路的一部分。在工作在中或高电压电平即IkV以上的电压的电气设备中，使用水尤其是净化水作为冷却流体是十分普遍的。如W02007/149023中所述，已知的是使用由诸如铝的金属或塑料制成的冷却导管。假如是塑料导管，根据W02007/149023，需要设置独立的电场屏蔽装置。当将本发明应用到已存在于电气设备中的冷却水线路时，可以省去独立的电场屏蔽装置，从而简化电气设备的整体设计，并减少电气设备的重量、材料成本以及制造和/或安装工作量。在本发明的另一个实施例中，介电外壳通过第一连接点连接到第一电压电平。如上所述，介电外壳本质上具有低传导性的优点，使得其可以设置在电气设备的有电部分附近，或直接与该电气设备的有电部分接触。因为介电外壳不导电，所以其甚至可以通过第二连接点连接到不同于第一电压电平的第二电压电平，而无任何短路风险。这是超越现有技术中已知的由传导材料制成的电气屏蔽的明显优点。在本发明的又一个实施例中，介电外壳设置成管。假如电气设备的大量表面区域需要覆盖静电屏蔽，那么可以彼此平行地放置若干这样的管。如果管同时是冷却水线路的一部分，那么平行管中的水可以向不同方向流动，即平行管的一部分可以包含所谓的流入水而另一部分可以包含流出水，其中，流入水是流进电气设备的低温淡(fresh)水，而流出水是已被电气设备加热并正流出电气设备的水。
根据结合附图对本发明的具体实施例的以下详细描述，本发明的其他特征和优点对于本领域技术人员将变得更明显，其中图Ia示出了现有技术已知的电力换流器阀组的第一侧视图；图Ib示出了图Ia的电力换流器阀组的第二侧视图；图2示出了在管中有水和无水情况下，管及其周围空气填充的区域中的电压分布；图3示出了具有根据本发明的静电屏蔽的图Ia和Ib的电力换流器阀组；以及图4示出了具有分别包括根据本发明的静电屏蔽的三个阀组的电力换流器。
具体实施例方式图Ia和图Ib分别示出了从W02007/149023A1中已知的电力换流器阀组的所谓的长侧面和所谓的短侧面。此处示出的电力换流器阀组包括串联连接的两个换流阀1、2，所述两个换流阀1、2具有功率半导体器件，功率半导体器件包括例如间流晶体管或绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，且这些功率半导体器件串联连接，并设置在换流阀1和2内的叠加层中。这两个换流阀1、2在具有基本上为矩形的横截面的塔上设置在彼此之上。该塔的一端 3被配置为连接到交流/直流(AC/DC)电力换流器的DC侧的高电压电位，而另一端4被配置为连接到低电压电位。两个端部3、4之间的电压处于高压电平，即50kV以上，且很可能为400kV量级。在具有4个或甚至8个彼此串联并在彼此之上的换流阀的其他实施例中， 电压甚至处于800kV至1200kV量级。电流值通常为500A到5kA量级。电涌放电器5、6分别与换流阀1、2并联连接，用于防止相应的换流阀过压。AC系统意在连接到换流阀1和2 之间的中点7。此电力换流器阀组可以与两个相似的这种阀组一起形成具有所谓6脉动桥配置的三相AC/DC电力换流器，或者总共6个这种阀组一起形成12脉动桥。然而，也可以是该电力换流器阀组独自包括连接到单相AC系统的换流器的所有换流阀。图Ia和Ib的已知电力换流器阀组具有用于冷却功率半导体器件的装置，用于消散功率半导体器件工作期间由于通过此类型阀组传输的高功率所引起的大量热能。冷却装置包括例如铝的冷却块，这些冷却块与功率半导体器件接触设置。这些冷却块通过冷却水流通经过冷却水线路而冷却，其中，冷却水经过管12中的冷却块，管12以环形方式沿着换流阀1、2中的电流路径以蛇形线围绕阀组延伸，如图Ia和Ib所示。管12内的冷却水是循环的，以将热量从冷却块从而从功率半导体器件中传递出去。通过使冷却水沿着电流路径， 不同闸流晶体管上的电压的不均衡分布被降低到最低。管12在阀组的长侧面由诸如塑料的电绝缘或介电材料13制成，而在短侧面管12 由诸如铝或不锈钢的金属制成。部分使用介电材料是必要的，以便提供冷却块和管12之间的电绝缘，这是因为不同的冷却块取决于其相应的功率半导体器件在阀组塔体内的端部3 和4之间的相对位置而暴露于不同的电压电平。如果管12完全由金属制成，那么其内部将会有不期望的电流流动。由于在阀组的短侧面冷却块和管12之间无物理接触，所以在这些地方管12可以由金属14制成。用于将阀组的周围环境从由阀组产生的电场屏蔽开的装置需要绕着阀组设置在功率半导体器件层的外部，这通过在管12的那些由介电材料13制成的区域、即在阀组的长侧面区域的管12的外部设置例如铝制金属板形式的静电屏障15来实现。在管12由金属制成的阀组的短侧面，管12本身具有静电屏蔽的功能，特别地是因为三个管12设置在彼此之上，从而形成屏障。如W02007/149023中所述，管12在任何可能的地方由金属制成，以减少额外静电屏障的数量。发明人目前已发现只要管包含水，即使管的由介电材料制成的那些部分也可以充分起到静电屏蔽的功能。图2示出了管8及其周围充满空气区域中的电压分布的仿真结果。管8用明线表示。在右图中，管8填充有净化水，而在左图中，管8内部只有空气。如两个点10所示，在靠近管8的一个端部9处管8的内部以及外部施加有IkV以上的电压。在管填充水的情况下，与管填充空气相比，电压电平在距管的端部9相当长的距离处下降到600V以下的电平。 这在垂直于管8的方向χ上和沿着管8的方向y上是真实的。另外，出现在左侧填充空气的管内及周围的等电压电平的几乎规则的环转变成了右侧填充水的管的蛋形环。对于此效果的解释是水与其他介电材料相比具有相对高的介电常数。除了仿真之外，还在较高电压电平下进行了测试，证明了所预期的事实对IkV所获得的仿真结果可以外推到数百kV及以上。还证明了 将包含净化水的管沿着电气设备的外部设置，明显提高了电气设备的周围空气抵抗开关过电压和雷电过电压的介电强度。
图3示出了本发明如何有利地应用于图1的电力换流器阀组，其中，相同的部件用相同的附图标记表示。除电力换流器阀组的该实施例或其他实施例之外，本发明也可以应用于其他类型的电气设备，尤其应用于工作在中或高电压电平的电气设备，诸如电动机、发电机、电力变压器、电抗电感器或电气开关装置。如图3所示，省去了所有金属静电屏障15， 从而显著减少了阀组的重量、材料和安装成本。围绕阀组的塔体M并属于用于冷却功率半导体器件的装置的冷却水线路的所有管20由塑料制成。三个管20以各环绕蛇形线在彼此之上平行设置，在阀组的长侧面和短侧面二者上产生静电屏蔽，这些静电屏蔽充分削弱了由阀组产生的电场。从而管20同时执行两个功能冷却和静电屏蔽。
在图4中，三个相同的阀组21设置在换流器厅25中，其中，换流器厅25具有地板观、天花板和四个侧壁，其中示出了两个侧壁沈和27。三个阀组21彼此电连接以便形成AC/DC电力换流器。除电连接之外，三个阀组21的冷却水线路也彼此连接，这可以从互联22’和23’看出。阀组21与图3的阀组的区别主要在于不是三个管20而只是两个管 22和23在彼此之上平行设置。管22容纳流入水，该流入水穿过侧壁27泵入到冷却水线路中，而管23容纳流出水。冷却水可以优选地是去离子水，以减少水内的不想要的电流流动以及由此带来的不想要的功率损耗。但是，当损耗不是问题或者可以通过特定方法解决时也可以使用离子化水。如图4所示，三个阀组21中的每一个经由八个绝缘体30从天花板悬吊出来。仅地震阻尼元件四设置在每个阀组21和地面地板28之间，用于减少相应阀组21在地面震动情况下的移动。因此，由于避免了由金属制成的任何静电屏蔽而减少的重量是一个明显的优点。在图3和图4示出的示例中，包含水的介电外壳被实施为围绕相应阀组塔体以若干蛇形线环绕延伸的管，使得塔的侧面被部分覆盖。除此之外，管还可以覆盖塔的底部和/ 或顶部部分。一般而言，可以使用任何可能的几何形式和形状的介电外壳，这从制造角度来说是没有问题的，因为诸如塑料的合成材料可以通过已知的加工方法容易地制成任何形状。
权利要求
1.一种电气设备，包括静电屏蔽，以降低所述设备外部的电场强度，其特征在于，所述静电屏蔽至少部分由包含水的介电外壳形成。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述设备工作在IkV以上的电压。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述介电外壳是冷却水线路的一部分。
4.根据前述权利要求中任意一项所述的设备，其中，所述介电外壳由塑料制成。
5.根据前述权利要求中任意一项所述的设备，其中，所述水为去离子水。
6.根据前述权利要求中任意一项所述的设备，其中，所述介电外壳通过第一连接点连接到第一电压电平。
7.根据权利要求6所述的设备，其中，所述介电外壳通过第二连接点连接到第二电压电平。
8.根据前述权利要求中任意一项所述的设备，其中，所述介电外壳设置成管。
9.根据前述权利要求中任意一项所述的设备，其中，所述设备为电力换流器阀组。
10.根据前述权利要求中任意一项所述的设备，其中，所述设备工作于50kV以上的电压。
全文摘要
一种优选地工作于1kV以上的电压的电气设备，所述电气设备包括静电屏蔽，以降低设备外部的电场强度。有利地，静电屏蔽至少部分由包含水的介电外壳形成。
文档编号H05K9/00GK102326252SQ200980157233
公开日2012年1月18日 申请日期2009年2月20日 优先权日2009年2月20日
发明者佩尔-奥洛夫·赫德布拉德, 吴冬 申请人:Abb技术有限公司