高压设备的屏蔽

技术领域

本发明涉及用于高压设备的屏蔽电极、用于高压设备的包括这种屏蔽电极的屏蔽结构、包括高压设备和这种屏蔽结构的高压布置结构、以及包括变换器和这种屏蔽结构的换流站。

背景技术

对于可靠且连续的电能供应的不断增长的需求推动了对于交流(AC)和高压直流(HVDC)电力传输系统中的最大工作电压电平的限制。

这会对这些系统中的设备的电气屏蔽造成影响。

在高压(high voltage)(HV)站、母线端子、以及互连中，普遍做法是使用较大半径的金属屏蔽来软化电场。根据设备位置及其具体绝缘要求，这些屏蔽应该无电晕放电并且应该承受给定的电压电平。

HV设备的空气绝缘设计必须考虑操作冲击承受水平(SIWL)和其他附加参数中的爬电距离。

电晕放电是在任意电极的表面上以高电场集中启动的部分放电。影响电晕起始电压的附加参数是电极形状和周围的空气密度和湿度。一旦电晕放电开始，流注放电将紧随其后。然后，取决于电极附近的局部电场条件，转换到引线放电并最终转换到完全放电的过渡将弥合气隙。

如上面提到的，使用较大半径的屏蔽电极是在HV站中用于诸如电力电抗器、电容器组、隔离开关、电涌放电器、母线互连、变压器、穿墙套管、以及绝缘体端子的设备的普遍做法。当设备中的内部元件(例如，HVDC换流阀)必须被向外屏蔽时也适用同样的原理，这样可以避免可能会导致空气绝缘故障的不期望的电场集中。

在本领域中，可以提供不同的屏蔽方式。但是，重要的是要获得足够的屏蔽和紧凑的屏蔽尺寸，尤其是在电压较高时。

WO 2007/7149023公开了一种用于在交流电压和直流电压之间转换的换流阀，包括换流阀堆叠体。这里，屏蔽是通过在该堆叠体的前后两个侧面上使用屏蔽板并在该堆叠体的短侧面上使用金属冷却介质管来获得的。

WO 2011/009482公开了一种用于在电气设备周围放置的电场屏蔽组件，该组件包括连接到至少一个辅助导电屏蔽元件的至少一个主要导电屏蔽元件。该或每个主要屏蔽元件具有用于放置在设备拐角处的连续不间断外屏蔽表面。该或每个辅助屏蔽元件具有破损外屏蔽表面。由于单个固体屏蔽元件被设置在要屏蔽的设备的拐角处，所以屏蔽装置变得笨重。

鉴于以上所述，感兴趣的是获得一种用于高压设备的改善的屏蔽电极和屏蔽结构，尤其是满足SIWL要求的紧凑型屏蔽电极和结构。

发明内容

因此，本发明的一个目的在于，获得用于高压设备的尺寸上紧凑同时满足操作冲击耐受水平要求的屏蔽件。

根据第一方面，该目的是通过用于高压设备的屏蔽电极实现的，该高压设备具有第一和第二端、第一和第二侧面、以及将第一侧面与第二侧面分开的边缘，其中，该边缘沿着第一端和第二端之间的方向延伸。屏蔽电极包括两个管状屏蔽元件，每个管状屏蔽元件包括通过弯曲的中心管段相互接合并以相对于彼此至少六十度的角度从中心弯曲段伸出的第一和第二直管段，其中，中心段被配置为围绕边缘，第一和第二直段沿着两个侧面延伸，并且两个屏蔽元件被配置为沿着该方向依次放置。

根据第二方面，该目的是通过用于意见高压设备的屏蔽结构实现的，其中，该高压设备包括第一和第二端、第一和第二侧面、以及将第一侧面与第二侧面分开的边缘，其中，该边缘沿着第一端和第二端之间的方向延伸，并且该设备具有沿着该边缘变化的电位。该屏蔽结构包括根据第一方面的屏蔽电极。

根据第三方面，该目的是通过包括高压设备的高压布置结构实现的，该高压设备具有第一和第二端、第一和第二侧面、以及将第一侧面与第二侧面分开的边缘，其中，该边缘沿着第一端和第二端之间的方向延伸，并且该设备具有沿着边缘变化的电位。该高压布置结构还包括根据第二方面的屏蔽结构。

根据第四方面，该目的是通过换流站实现的，该换流站包括用于在交流和直流之间转换的变换器，该变换器包括具有第一和第二端、第一和第二侧面、以及将第一侧面与第二侧面分开的边缘的阀堆叠体，其中，该边缘沿着第一端和第二端之间的方向延伸，该变换器具有沿着该边缘变化的电位。该换流站还包括根据第二方面的屏蔽结构。

屏蔽电极的每个管状元件的每个直段还可以与半球形穹顶接合，该半球形穹顶与到中心段的接合相对。

屏蔽电极的管状屏蔽元件也可以相互电互连。另外，屏蔽电极可以从具有电位的阀堆叠体电连接到该设备的一部分或者不电连接到该设备的一部分。

另外，第一侧面和第二侧面之间的上述角度可以为至少九十度。第一和第二管状屏蔽元件之间的角度还取决于高压设备的第一侧面和第二侧面之间的角度。这些角度可以例如，相等。

屏蔽元件的直段可以通过第二种方式相对于彼此成角度。一个直段可以基本上水平定向，而另一直段可以相对于水平平面倾斜一定角度。因此，直段之间存在相对于水平平面的倾斜角的不同。一个直段可以没有倾斜角，而另一直段可以具有这种倾斜角。

覆盖第一侧面的直管段可以沿着垂直于上述方向的第一侧面延伸。

高压设备的第一端的电位可以高于第二端的电位。第一端的电位实际上可以是该设备的最高电位，该电位还可能是高于400kV的电位。该电位可以例如，高达1100kV或者在1100kV左右。在所有这些情况中，屏蔽电极可以被配置为放置得离第一端比离第二端更近。

高压设备可以包括第三侧面和将第二侧面与第三侧面分开的另一边缘，该另一边缘也沿着第一端和第二端之间的另一方向延伸，其中，该设备具有沿着该另一边缘变化的电位，该另一方向可以与第一次提到的边缘的方向相同。

在这种情况下，屏蔽结构还可以包括具有两个管状屏蔽元件的另一屏蔽电极，每个管状屏蔽元件包括第一和第二直管段，该第一和第二直管段通过弯曲的中间管段相互接合并且以相对于彼此至少六十度的角度从中心弯曲段伸出，其中，该中心段被配置为围绕另一边缘，第一和第二直段沿着第二和第三侧面延伸，并且两个屏蔽元件被配置为沿着另一方向依次放置。

屏蔽结构还可以包括用于覆盖高压设备的第一端的另一屏蔽元件，并且屏蔽电极可以被配置为邻近该另一屏蔽元件放置。因此，屏蔽电极也可以被放置得离第一端比离第二端更近。屏蔽电极和第二端之间的距离也可以比屏蔽电极和第一端之间的距离大至少五倍。该另一屏蔽元件可以为碗状的。

高压设备的第二侧面上还可能存在冷却液管。在这种情况下，管状屏蔽元件可以覆盖处于第一边缘附近的至少一些冷却液管。这些管可以包括位于第一和第二侧面之间的第一边缘的阀堆叠体底部的管，其中，这些管中相比第二边缘更靠近第一边缘的部分也可能被覆盖。

至少一些冷却液管可以由用于屏蔽该设备的第二侧面的导电材料制成。

在这种情况下，屏蔽电极的覆盖第二侧面的直管段可以沿着第二侧面在与第二侧面上的冷却液管的取向对齐的取向伸出。

屏蔽结构还可以包括屏蔽板(可能是圆边的)，用于放置在高压设备的第一侧面上。

高压设备可以是包括沿着上述方向堆叠的多个换流阀的变换器。替代地，它可以是高压电力电抗器。

本发明提供了一种用于高压设备的新型电晕屏蔽，以确保大型设备从角落/边缘到周围接地平面/主体的外部屏蔽。

本发明具有很多优点。它提供了满足SIWL要求的紧凑型屏蔽电极。它也可以通过经济的方式很简单地生产。

附图说明

下面，将参考附图描述本发明，其中：

图1示意性地示出了包括设置有屏蔽结构的换流阀堆叠体的形式的高压设备的阀厅形式的接地外壳的前视图；

图2示出了用于相同前视图中的该件设备的屏蔽结构；

图3示出了屏蔽结构的侧视图；

图4示出了在屏蔽结构中使用的屏蔽电极的俯视图；

图5示出了从将连接到设备的一侧看的屏蔽电极的视图；

图6示出了屏蔽电极的侧视图；以及

图7示出了屏蔽电极的等轴侧视图。

具体实施方式

本发明涉及用于大功率应用的高压(HV)设备。HV设备可以是在诸如400kV及以上的HV工作的高压直流(HVDC)设备。在800kV及以上(例如，在1100kV及以上)工作的设备可能更有优势。该设备还可以被封闭在具有不同于该设备所工作于的电压的电位的外壳中。例如，该外壳可以接地，同时该设备可以工作在+1100kV、-1100kV、或者它们之间的某个高压。该设备可以是例如，在交流(AC)和直流(DC)之间转换的变换器。该设备可以替代地为电力电抗器、电容器组、隔离开关、电涌放电器、母线互连、变压器、穿墙套管或绝缘体端子。

图1示意性地示出了一个这种示例性的HVDC变换器的前视图。该变换器被封闭在外壳中，在这种情况下该外壳是包括接地墙(即，具有零电位的墙)、接地地板和天花板的阀厅形式的建筑。该外壳是靠近至少一件HV设备的物体的一个示例。

变换器包括多个阀。在图1给出的示例中，HVDC变换器包括两个阀1和2。例如，阀1和2可以悬挂安装在阀厅天花板上，并通过悬挂绝缘体固定在天花板上。应该认识到，阀放置在外壳中的方式不重要，作为示例性替代，它们可以例如放置在阀层上的支撑结构上。

变换器具有与换流阀串联连接的功率半导体器件或换流阀中的级联子模块的开关。两个阀1和2在具有基本为长方形的横截面的柱状体或堆叠体中放置在彼此的顶部。该柱状体的第一端4被适配为连接到高电位，而第二端3被适配为连接到低电位。电涌放电器5、6与换流阀1和2并行连接，用于保护换流阀免受过压的影响。AC系统意图连接到换流阀1和2之间的中点7。

变换器具有诸如，晶闸管或晶体管的功率半导体器件，该功率半导体器件例如可以排列成沿着相对侧延伸的基本水平的行(这里，可以沿着图1所示的第一侧面和隐藏的后侧面)。这些行可以互连，从而它们可以形成从第一端4到第二端3的蜿蜒路径。

在操作中，功率半导体器件散热。因此，还设置了冷却系统。

这个冷却系统包括与每个半导体器件相接触地排列的冷却块11(诸如，铝)。这些块由穿过在变换器周围的环路中延伸的管12中的冷却块的冷却液(诸如，水)来冷却。

柱状体或堆叠体的前侧面和后侧面的冷却液管13可以由电绝缘材料(诸如，塑料)制成，而前侧面和后侧面之间的短侧面上的管14可以由导电材料(例如，诸如铝或不锈钢的金属)制成，其中，该短侧面不需要连接到冷却块。因此，在设备的第二侧面上存在冷却液管。

阀堆叠体的前侧面是这里的第一侧面，阀堆叠体的左短侧面是第二侧面，阀堆叠体的后侧面是第三侧面，并且设置电涌放电器5和6的阀堆叠体的右边第四侧面是第四侧面，这些侧面通过边缘彼此分开，这些边缘可以形成为第一和第三侧面上的冷却块的边缘。因此，存在将第一侧面与第二侧面分开的第一边缘、将第二侧面与第三侧面分开的第二边缘、将第三侧面与第四侧面分开的第三边缘、以及将第四侧面与第一侧面分开的第四边缘。

在图1中可以看出，第一边缘16设置在阀堆叠体的第一侧面和第二侧面之间。

因此可以看出，该件HV设备具有第一和第二端4和3、第一和第二侧面、以及将第一侧面与第二侧面分开的第一边缘16，其中，第一边缘16沿着第一和第二端4和3之间的方向延伸或延伸。因此，两个端在第一边缘的对侧。第一端4的电位高于第二端3的电位。另外，由于第一端的电位高于第二端的电位这一事实，该件设备显然具有沿着第一边缘16变化的电位。第一端4的电位实际上可以是该设备的最高电位，并且可以高于400kV并接近1100kV。

还存在包括用于提供对于电晕放电的屏蔽的多个屏障的屏蔽结构。这些屏障被设置用于保护阀上的被暴露的表面，从而避免外壳和阀之间的可能的电晕放电或电击穿。用于屏蔽堆叠体免受高电场集中的影响的屏蔽结构必须布置在功率半导体器件层外的堆叠体周围，并且这通过布置具有圆边的面板形式的电场屏蔽屏15(例如，由铝制成的)在第一侧面和第三侧面上实现。这些电场屏蔽屏15被布置在塑料管13外部。因此，屏蔽板放置在该件设备的第一和第三侧面上。

到目前为止所描述的结构已经存在，并且基本上在例如WO 2007/149023中描述。

图2更详细地示出了所使用的屏蔽结构，图2是从与图1和图3相同的一侧看的前视图，其是从变换器堆叠体的第二侧面看的屏蔽结构的侧视图。在图2和图3中可以看出，冷却液管是屏蔽结构的一部分。但是，也可以看出，该屏蔽结构在很多方面不同于WO 2007/149023中的结构。

还存在用于覆盖阀堆叠体的第一端4的第一附加屏蔽元件17，该附加屏蔽元件17优选为碗状的。还存在具有相同形状并覆盖阀堆叠体的第二端3的第二附加屏蔽元件19。在图中可以看出，还存在用于电涌放电器柱状体和阀堆叠体的第一端的连接杆的第三附加屏蔽元件18。

在图2和图3中可以看出，屏蔽结构中还存在两个HV屏蔽电极20。这种屏蔽电极20包括两个管状、基本为L形的屏蔽元件21和22，这两个屏蔽元件21和22沿着阀堆叠体的第一和第二侧面之间的第一边缘16以及阀堆叠体的第二和第三侧面之间的第二边缘的方向依次放置，并且放置在第一边缘16周围。可以看出，每个屏蔽电极20放置得离第一端4比离第二端3更近并且邻近第一屏蔽元件17放置。因此，屏蔽电极和第二端之间的距离可能比该电极和第一端之间的距离大至少五倍。还可以看出，电极20中的第一电极可以代替第一侧面上的面板15。但是，还可以看出，它可以覆盖比其代替的面板更大的范围。它还覆盖第二侧面的至少一部分。可以更明显地看出，电极20的管状屏蔽元件21和22覆盖第一和第二侧面之间的边缘16附近的至少一些冷却液管14。还可以看出，电极中的第二电极代替阀堆叠体的第三侧面上的面板，其中，该第二电极覆盖第二侧面的至少一部分和第二与第三侧面之间的边缘附近的至少一些冷却液管14。

这里可以提到，一个边缘(例如，第一边缘)可能仅存在一个屏蔽电极。相比图2和图3中的实现，阀堆叠体的两个剩余边缘也可能被设置有屏蔽电极。

一般，对于屏蔽，HV站的不同设备和墙壁之间的间隙是基于SIWL的。这种绝缘要求意味着它应该耐受快速、强电压瞬变而不会产生电晕放电。从设备类型、额定电压、以及几何尺寸出发，存在用于HV设备的外部屏蔽的可能解决方案。

在设计用于HV设备的屏障时可以考虑的主要因素是：a)它们应该是没有电晕放电的；b)它们应该满足每种具体情况给出的所有机械约束(例如，尺寸、重量等)；以及c)考虑材料、工艺、成本等它们应该是可以制造的。

一般，用在HVDC换流阀上的屏障包括大型金属体和长度达数米的圆边。另一附加屏蔽元件17是这种屏障的良好示例。这些屏障位于该设备的外围部分，直接固定到主结构上。在设备上的某些点出现了电场集中，因此必须使用屏蔽电极，而屏蔽电极必须符合由所需的SIWL在其整个表面所产生的电场应力。

可以看出，在柱状体的短侧面上使用用于冷却液的金属管14使得这些管被用作屏风(screen)，其中，多个这样的管可以被认为形成了屏蔽电极。因此，这些管具有双重用途。传统上，使用这样的冷却液管作为电晕屏障已经足够了。但是，由于电压电位增大，这些管可能并不足够，尤其是在阀堆叠体可能会经受最高电位的一端。因此，引入了屏蔽电极20。

从图2和图3可以看出，对于图1的变换器堆叠体，位于第一和第二侧面之间的第一边缘16及第二和第三侧面之间的第二边缘的堆叠体底部的管(即，最靠近第一端4)被包括两个管状屏蔽元件21和22的屏蔽电极20覆盖。这里，有可能这些电极中的一个电极覆盖这些管的沿着第二侧面的相比第二边缘更靠近第一边缘的部分和这些管的沿着第一侧面的相比第四边缘更靠近第一边缘的部分，另一电极覆盖这些管的沿着第二侧面的相比第一边缘更靠近第二边缘的部分和这些管的沿着第三侧面相比第三边缘更靠近第二边缘的部分。

下面将参考图4至图7，更详细地描述由导电材料(例如，诸如铝的金属)制成的屏蔽电极20，其中，图4示出了该电极的俯视图，图5示出了该电极的从连接到设备的一侧看的视图，图6示出了该电极的侧视图，图7示出了该电极的等轴侧视图。

在图4至图7中可以看出，屏蔽电极包括两个管状屏蔽元件，该管状屏蔽元件可以为L形且中空。每个管状屏蔽元件21和22包括第一和第二直管段，其中，管状元件的第一直段通过弯曲的中心管段接合到该元件的第二段。每个管状元件的每个直段还与半球形穹顶接合，该半球形穹顶与中心段相对。因此，第一管状屏蔽元件21的第一直段23具有第一端，该第一直段在该第一端与中心段25的第一端接合。它还有第二端，它在第二端与第一半球形穹顶段26接合。通过类似的方式，第一管状屏蔽元件21的第二直段24具有第一端，该第二直段24在第一端与中心段25的第二端接合。第二直段24还具有第二端，该第二直段24在第二端与第二半球形穹顶段27接合。有利的是，第二管状屏蔽元件22的第一直段28具有第一端，该第一直段28在第一端与中心段30的第一端接合。它同样具有第二端，该第一直段28在第二端与第一半球形穹顶段31接合。通过类似的方式，第二管状屏蔽元件22的第二直段29具有第一端，该第二直段在该第一端与中心端30的第二端接合。该第二直段29还具有第二端，该第二直段29在第二端与第二半球形穹顶段32接合。最终，两个管状屏蔽元件彼此电互连。它们还可以连接到阀堆叠体的同一点，并且可以电连接或者不电连接到阀堆叠体中的某个阀的一部分的电位。

直段还在水平面中相对于彼此至少六十度的角度(优选相对于彼此九十度的角度)从中心弯曲段伸出。该角度也可以取决于该设备的第一和第二侧面之间的角度。从图2和图3还可以理解的是，第一屏蔽电极的中心段围绕第一边缘16，其中，一个直线段覆盖沿着垂直于第一边缘16的方向的该第一侧面伸出的第一侧，另一个直段覆盖在与第二侧面上的冷却液管的取向对齐的取向沿着该第二侧面伸出的第二侧。围绕第二边缘的第二电极的中心段具有沿着垂直于该第二边缘的第三侧面伸出的一个直段，并且具有覆盖以与第二侧面上的冷却液管的取向对齐的取向沿着该第二侧面伸出的第二侧的另一直段。尽管从图4至图6不是完全显而易见，但是屏蔽元件的第一和第二直段可以通过第二种方式相对于彼此成角度。一个直段可以基本水平定向，即在水平方向从第一边缘伸出。相反，覆盖冷却管的另一直段与水平平面成角度地从第一边缘伸出。因此，直线段相对于水平平面的倾斜角之间存在差异，其中，一个直段可以没有倾斜角，另一个直段具有倾斜角。

在图4至图7中可以看出，电极20还包括用于机械固定在屏蔽结构中的支撑件33、34、35、和36。这些支撑件中的一个或多个支撑件也可以用于两个管状元件的上述电互连。

电极20满足三个基本要求：

-根据SIWL要求，几何形状设计不允许其表面出现电晕放电。

-它适用于由变换器阀门结构施加的机械约束，允许轻松安装。

-低成本、高质量生产是可能的。

因此，它显然是屏蔽电极，因此也获得了大小紧凑同时满足SIWL要求的屏蔽结构。

这里，应该认识到，屏蔽结构可以通过多种方式建造。由电极20覆盖的管不需要是金属管，而可以是塑料的。实际上，屏蔽电极没有覆盖的短侧面上的其他管也是塑料管，这些塑料管可以由类似或其他类型的屏蔽电极覆盖。一种类型的这种其他屏蔽电极可以是与阀堆叠体相距一定距离的屏风的形式。它也可以具有围绕物理堆叠体形状的任意拐角或边缘延伸的形状。

还应该认识到，屏蔽电极中可以使用两个以上管状屏蔽元件。

因此，该设备的外露表面由屏蔽结构保护，以防电晕放电和从阀门到相邻物体(诸如，如墙壁或地板的外壳)的电气击穿。

在上面用阀厅形式的外壳示例性地说明了相邻物体。应该认识到，相邻物体绝不局限于这样的物体。实际上，相邻物体不一定是外壳，并且可以是接近HV设备的一部分的不同物体。

从以上讨论显而易见的是，本发明可以通过各种方式改变。

因此，应该认识到，本发明仅受下面的权利要求的限制。