CN101473435A - 具有增强的击穿强度的高压阀门组 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及高压组件，包括阀门组(13)和屏蔽(15)。屏蔽(15)与阀门组(13)相连接。根据本发明，电阻器(17)连接在屏蔽(15)和阀门组(13)之间。通过本发明能够得到增强的击穿强度和直流耐受水平。

Description

具有增强的击穿强度的高压阀门组
技术领域
本发明涉及高压设备领域，尤其涉及如权利要求1的前序部分中所限定的高压组件。
背景技术
电力传输可以由高压直流(HVDC)来实现并且在很多情况下高压直流是比交流传输优选的选择。
在电厂中需要用于执行把高压直流转换成三相交流以及相反转换的装置。高压直流电力转换器包括若干阀门，阀门是电厂的关键部件，并且阀门典型地存在于阀门厅(valve hall)之中。这种阀门的一个示例是晶闸管阀门，晶闸管阀门经常被用于在直流/交流之间进行转换。
当设计阀门厅时，必须重视几个考虑事项。安全方面是非常重要的，并且需要阀门厅具有一些最小的空间尺寸。例如，电力转换器与电力转换器位于其中的阀门厅的壁和天花板之间的气隙(air clearance)在某些情况下达到大约10米，在其它的情况下只有几米。阀门厅的尺寸高度依赖于配电网络的电压水平。电压越高，一般需要电力转换器到周围的距离更大。阀门厅的尺寸由预计的应用、阀门结构和相邻结构的设计以及其他因素来决定。
然而，与之相比，还存在使阀门厅尽可能地小的期望。陆地空间通常是稀少和昂贵的，因此期望阀门厅的尺寸减小。此外，不同国家规定了不同的规章制度并且在一些国家中难于获得建筑许可。再者，在美观方面更期望提供小而紧凑的子站，从而子站尽可能程度小地影响环境。在一些国家，投资和安装成本，例如包括材料费用和人工成本可能高昂，因此更进一步增加了对减少阀门厅的尺寸的期望。
对比如电力转换器的高压应用中的安全性重点关注。与电力变压器有关的危险包括例如放电；由于高强度电弧造成的电力故障可能造成非常大面积的停电，并且对于电力公司是昂贵的，因此主动或者被动的保护措施是至关重要的。
鉴于以上所述，期望提供改进的、提供增强的安全性的高压组件。此外，期望提供在不减少安全性要求的情况下提供能够设计小尺寸阀门厅的装置。
发明内容
本发明的一个目的在于提供改进的、具有更高安全裕度的高压结构，从而克服或至少减轻上述现有技术的缺点。
本发明的另一个目的在于提供改进的高压结构，使得阀门厅能够使用更加紧凑的设计，但仍然具有维持不变的或者增加的安全级别。
通过权利要求1所述的高压组件可以达到这些以及其他目的。
根据本发明提供一种高压组件，该高压组件包括阀门组和屏蔽体，其中屏蔽体同阀门组相连接，按照本发明在阀门组和屏蔽体之间设置有连接电阻。通过本发明，能够增大脉冲击穿强度。而且能够实现增大直流耐受水平，因此，能够提供改进安全性的高压直流阀门厅，同时不用增大阀门厅尺寸，阀门存在在阀门厅之中。通过较小的改动，这项改进可以进一步应用在现有的高压直流阀门厅。通过本发明，操作可靠性得到很大的改进。
按照本发明的实施例，连接电阻是电阻器。而且优选的电阻器的电阻值范围是2MΩ-40MΩ，但是优选的电阻值是大于2MΩ。为了提供更高的安全性和避免空气击穿，对于电阻这是一个合适的范围，而且这种电阻值的元器件能够从市场上轻易的获得。
本发明更进一步地优选实施例在从属权利要求中限定。
通过阅读下面的详细说明，本发明的进一步的特征、优势和目标将变得显而易见。
附图说明
图1示出了环形(toroid)/平面空隙(air gap)的击穿电压；
图2示意性地示出了根据现有技术的解决方案的阀门结构；
图3示意性地示出了根据本发明的高压组件的实施例；
图4示意性地示出了根据本发明的高压组件的实施例。
具体实施方式
如在本申请介绍部分所做的解释，高压直流阀门厅尺寸直接取决于阀门厅接地的壁和例如阀门的不同的被施加能量的组件之间所需要的气隙(air clearance)。为了减少气隙，仔细地设计了高压屏蔽的配置。
Uppsala大学的Anders Larsson在1997年发表的标题为“Inhibitedelectrical discharges in air(抑制的空气中的放电)”的文献中讨论了抑制放电测量的实验结果，试验结果显示通过增加4MΩ的串联电阻器能够使50％破坏电压(disruptive voltage)U50％和SI(开关脉冲)击穿电压的幅度增大20％。
VED Fachberichte 12，Band 1948，Gruppe VIII，Elechktrophysik，标题为“  groβe schalgweiten in luft bei hohengleichspannugen”的公开文献中报告关于对击穿现象进行的测量。在一些情况下，发现直流击穿放电(disruptive discharge)可以针对低于预期值的电场强度而发生。这种反常放电发生在球形电极和房间的壁之间，并且已经在3KV/cm的平均电场强度处观测到放电。图1示出了针对使用的实验布置的报告结果。该布置包括突出尖端，曲线A的测量结果示出了针对这种电场的期望值并且因此遵循击穿电压和击穿距离之间已知的相关性。图A和B分别示出尖端突出为250mm和5mm，并且有连接电阻和无连接电阻的结果。当使用25MΩ的连接电阻R时总是遵循曲线A，曲线B示出了当连接电阻R被短路并且尖端突出5mm时的结果。曲线C示出了当布置的连接电阻R被短路时，即当R＝0Ω时，并且当突出尖端被移动并被突然推动通过电极时发生的反常放电。认为反常放电是由于导电粒子进入接近布置内的高压电极的空隙而发生的。
本发明的发明人基于以上所引用的参考文献的知识已经发现了用来实现高压直流系统的改进性能的方法。特别地，在以上所引用的参考文献中显示的实验结果是为电场应用提供改进的起始点。更具体地，本发明的发明人已经认识到，可以以创造性的方法利用这些发现，来提供改进的阀门的高压屏蔽。
图2示意性地示出了高压组件，尤其是阀门结构1的现有技术的设计。阀门结构1包括若干阀门21，22，2n，例如排列在阀门组3中的6个阀门。可以理解，阀门结构1可以被用于将电能从直流转换到交流，即整流器，和将电能从交流转换到直流，即逆变器。阀门组3与汇流排(busbar)4以传统的方式相连接。众所周知，汇流排4被布置用来将电流传导到接收端，比如另一个换流站。最后，阀门组3与防止电晕放电和电弧的屏蔽5连接。
在图中显示了其中容纳阀门结构的阀门厅的壁6。在若干应用之中，阀门结构1和周围接地的壁之间要求的距离D大约在6-10米的范围内，但是这个距离根据具体的应用可以更小或更大。这个距离就是所谓的气隙。
图3示意性地示出了本发明的实施例。仅仅显示和描述了为理解本发明所需要的部分。可以理解，当在这种的高压组件中实施本发明时，可以包括传统地包括在高压电力转换器中的其它部分。如在现有技术中，根据本发明的高压组件(在所示的示例中是阀门结构)包括排列在阀门组13中的若干阀门121，122，12n。在阀门结构中通常有几个这种阀门组13排列在多层中，每一层包括若干阀门组。可以理解，可以在任何已知的阀门配置中实现本发明，例如在十二脉冲阀门组中。阀门121，122，12n与汇流排14相连接，来提供以传统的方式导电的装置。也在以下简单的屏蔽15中提供了屏蔽或电晕屏蔽。屏蔽15可以是任何传统的类型，例如由铝片制成的。存在在本发明的布置中可以使用的、可以得到的众多导电屏蔽。屏蔽15的形状优选地是弯曲的，例如球形。因此可以理解，屏蔽5可以是任何合适的、限制电场的穿透的屏障或外壳。
本发明在屏蔽15和阀门组13之间引入连接电阻17，例如连接电阻17可以是一个或多个电阻器。在优选的实施例中，一个或多个电阻器具有4MΩ的电阻值。然而，可以理解，可以选择任何合适的电阻值，例如电阻值在大约2MΩ到40MΩ之间的范围内。优选地，连接电阻应该大于2MΩ。然而，可以理解，根据讨论中的特定应用，设计人员应该选择合适的电阻值。
可以使用任何类型的电阻器，例如能够处理高压的水电阻器，其它的示例包括线绕电阻器和金属膜电阻器。在本发明的实施例中，连接电阻17是可变的，因此出现对提供调整装置的需要。
众所周知，所有的实电阻器还引入一些电感和少量的电容，该电感和电容改变了电阻器的动态行为与理想的不同。因为任何如下的导电体对构成电容：当电位差施加到该导电体对时，该导电体对将存储电荷，因此存在电容。电阻器的所有部分和它的端子，以及电阻器的所有部分与电阻器的所有其他部分相联合具有这样的特性，因此会引入少量的电容。
根据本发明，以合适的方式控制和选择电阻器17的电阻值和相应的电容。在图3中，电阻器17的电容由CR来表示。同以上类似，在屏蔽15和它周围的壁16之间也有一些电容Cshield-wall(shield：屏蔽；wall：墙)。该电容可以例如大约是20或30pF，但是这个值高度依赖于构成部分的几何形状，例如在壁16和屏蔽15之间的距离和它们各自的面积。根据本发明，选择电阻器17的电容CR远大于空气的电容Cshield-wall，即CR>>Cshield-wall。电阻器17的电容可以例如是空气的电容Cshield-wall的几百倍，或者是几千倍，并且优选地大约在10 000至1 000 000倍。从而，防止电阻器17被物理地破坏，也就是说，例如在正常的操作过程中防止被过度加热或燃烧。但是，电阻器17抑制了任何击穿过程，并且因此相当大程度上增加了操作可靠性。
如前面提到的，在阀门结构内通常有几个阀门组13。图4示出了这种阀门结构的一层的示意性的俯视图。在传统方式中，几个这样的层可以被排列在彼此的顶部。在本发明的实施例中，根据本发明，与屏蔽151，152，....，15n相连接的各个阀门组131，132，....，13n可以包括连接电阻171，172，...，17n。
利用本发明可以很大地改进高压直流系统的操作可靠性。尤其是可以增大脉冲击穿强度，因为电阻器17抑制了击穿过程。此外，直流耐受水平也得到了提高。
根据本发明，可以很大地增加高压应用的安全级别。
根据本发明，气隙距离d可以被减小大约10％～20％，这是大幅度的尺寸减小。可以利用该减小的气隙需求来实现阀门厅尺寸的减小。可替换地，可以利用减小的气隙需求来进一步增大高压直流系统的操作可靠性。
在本申请中，可考虑的高压范围从1kV到多达800kV直流，但是最常见的范围是50kV-800kV直流。在任何系统中，可能偶而发生暂时过压，并且可以近似地达到2-3MV。
可以利用本发明的高压组件，例如包括电力转换器或者电力变压器。然而，可以理解，其它的高压应用可以从本发明受益。
总体来说，本发明提供了对例如电力转换器或电力变压器，或者特别是阀门结构等高压组件的改进。通过本发明，脉冲击穿强度和直流耐受水平可以得到提高。从而在没有增加其中容纳阀门的阀门厅的尺寸的情况下，可以提供改进的高压直流阀门厅的安全性。通过微小的改动，该改进也可以在现有的高压直流阀门厅中实施，并且从而使得本发明对于现有的高压组件也是合适的和最有吸引力的。通过本发明，操作可靠性可以得到很大提高。

Claims (11)

1.一种高压组件，包括：阀门组(13)和屏蔽(15)，所述屏蔽(15)连接到所述阀门组(13)，其特征在于，连接在所述屏蔽(15)和所述阀门组(13)之间的连接电阻(17)，由此获得增强的击穿强度和直流耐受水平。
2.根据权利要求1所述的高压组件，其中所述连接电阻(17)包括电阻器。
3.根据权利要求2所述的高压组件，其中所述电阻器的电阻值范围在2MΩ-40MΩ内。
4.根据以上任何权利要求所述的高压组件，其中所述阀门组(13)包括排列在十二脉冲阀门组中的晶闸管阀门。
5.根据以上任何权利要求所述的高压组件，其中所述连接电阻(17)具有与其关联的受控电容(CR)。
6.根据权利要求5所述的高压组件，其中所述受控电容(CR)远大于屏蔽(15)和相邻的壁(16)之间的电容(Cshield-wall)。
7.根据权利要求6所述的高压组件，其中所述受控电容(CR)是屏蔽(15)和相邻的壁(16)之间的电容(Cshield-wall)的大约上千倍。
8.根据以上任何权利要求所述的高压组件，其中所述连接电阻(17)是水电阻器。
9.根据以上任何权利要求所述的高压组件，其中所述屏蔽(15)是金属屏蔽。
10.根据以上任何权利要求所述的高压组件，包括若干屏蔽(151，152，....，15n)和若干阀门组(132，....，13n)，其中连接电阻(171，172，...，17n)连接在各个屏蔽(151，152，....，15n)和相应的阀门组(132，....，13n)之间。
11.根据以上任何权利要求所述的高压组件，其中所述高压组件是高压电力转换器。
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