CN107851509A - 电容器单元和电气设备 - Google Patents

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Abstract

提供一种适用作高电压装置的电容器单元(12)，包括：电容器元件；壳体，其包括布置成将所述电容器元件容纳在所述壳体内的多个壁，所述多个壁包括第一和第二端壁(22)，所述多个壁进一步包括在所述端壁之间延伸的侧壁(24，26)，所述侧壁的外表面大于每一端壁的外表面；以及至少一个电容器终端(20)，其电连接到所述电容器元件，其中所述或每一电容器终端(20)安装在所述侧壁上或延伸通过所述侧壁(24，26)。

Description

电容器单元和电气设备
技术领域
本发明涉及一种适用作高电压装置的电容器单元和一种适用作高电压电气设备的电气设备。
背景技术
我们已经熟知在一系列电应用例如功率电模块中使用电容器。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种适用作高电压装置的电容器单元，包括：电容器元件；壳体，其包括布置成将所述电容器元件容纳在所述壳体内的多个壁，所述多个壁包括第一和第二端壁(first and second end walls)，所述多个壁进一步包括在所述端壁之间延伸的侧壁(side wall)，所述侧壁的外表面大于每一端壁的外表面；以及至少一个电容器终端(capacitor terminal)，其电连接到所述电容器元件，其中所述或每一电容器终端安装在所述侧壁上或延伸通过所述侧壁。
所述或每一电容器终端在本发明的电容器单元的侧壁处的位置不仅确保了极佳的空间使用率，同时提供了在一系列活动，例如制造、维修、维护等中使用电容器单元期间对所述或每一电容器终端的迅速接入，并且还可减小施加于组合电容器单元与另一电气部件的电设备上的机械/热应力和耐受(tolerances)。这转而又允许本发明的电容器单元和对应电气设备的更灵活且更节省成本的设计，从而使得相关高电压应用的设计复杂度和成本降低。
相比之下，在常规电容器单元中，它的电容器终端位于端壁中的一个端壁处。因此，为了使当电容器单元与另一电气部件组合时空间使用率最大化，有必要通过向与电容器终端电接合的另一电气部件的部分添加弯曲部来适应电容器终端在端壁处的位置。对另一电气部件中的弯曲部分的要求不仅限制了对常规电容器单元的电容器终端的接入，而且还将额外的机械/热应力和耐受引入到对应的电气设备上，由此限制了常规电容器单元和包括此类常规电容器单元的对应电气设备的设计。此类设计限制使常规电容器单元用作高电压装置的用途进一步复杂化，这是因为已经存在为了满足与高电压应用相关的性能和安全条件而需要考虑的许多其它设计要求。
存在可将电容器单元设计成适用作高电压装置的多种方式，方式实例描述如下：
电容器单元可定额用于高电压直流电(HVDC)应用或静态无功补偿器(SVC)应用。
电容器单元可具有超过1500V DC的额定电压。
壳体可为金属的。
壳体可为密封式的(hermetically sealed)。
电容器单元可包括被布置在所述或每一电容器终端周围的一个衬套或相应衬套。在电容器单元中提供所述或每一衬套有助于维持任何现有的气密密封件、将所述或每一电容器终端与壳体隔离(insulate)，以及在所述或每一电容器终端与壳体之间提供爬电距离。
根据本发明的另一方面，提供一种将电容器单元用作高电压装置的用途，其中所述电容器单元与本发明的第一方面的实施例中的任一个一致。在电容器单元的此类用途中，高电压装置可为高电压直流电装置或静态无功补偿器装置。
在本发明的实施例中，可在侧壁中形成的凹部(a recess)，并且所述或每一电容器终端可安装在凹部的底部上或可延伸通过凹部的底部。在此类实施例中，所述或每一电容器终端在凹部底部以上的高度可等于或小于凹部的深度。在其它此类实施例中，所述或每一电容器终端在凹部底部以上的高度可大于凹部的深度。
所述或每一电容器终端在形成于侧壁中的凹部中的位置限制了所述或每一电容器终端延伸离开侧壁的程度，从而产生更加节省空间的电容器单元。
可选地，凹部可形成为邻近于端壁中的一个的端部凹部(an end recess)。所述或每一电容器终端在端部凹部中的位置提供在组合电容器单元与另一电气部件时对所述或每一电容器终端的迅速接入。
在本发明的其它实施例中，所述或每一电容器终端可垂直于或大体上垂直于侧壁的外表面而延伸。所述或每一电容器终端以此方式的布置使得所述或每一电容器终端能够迅速连接到另一电气部件。
在本发明的再其它实施例中，所述或每一电容器终端可定位成邻近于连接侧壁和端壁中的一个端壁的壁边缘。所述或每一电容器终端以此方式的布置还使得所述或每一电容器终端能够迅速连接到另一电气部件。
应了解，本发明的电容器单元可包括单个电容器元件或多个电容器元件。
根据本发明的第二方面，提供一种电气设备，其包括：本文中所描述的本发明的电容器单元；以及另一电气部件，其包括：部件终端，其以可释放方式(releasably)与所述电容器终端电接合；或多个部件终端，其中的每一个以可释放方式与电容器终端中的相应一个电接合。
所述或每一部件终端可包括对应的电容器终端以可释放方式接合于其中的槽(aslot)。这改进了电容器和部件终端之间的电接合的完整性，从而增强了电气设备的可靠性。
所述或每一部件终端可以滑动方式与对应的电容器终端接合。当所述或每一部件终端包括槽时，可在对应的部件终端的槽中以滑动方式安装所述或每一电容器终端。
提供电容器和部件终端之间的滑动接合使得能够使用滑动运动来接合和分离电容器和部件终端，从而减少组装和拆解电气设备所需的空间量。
电容器单元和另一电气部件可安装在支承轨上，以使得：电容器单元可沿着支承轨相对于另一电气部件滑动；和/或另一电气部件可沿着支承轨相对于电容器单元滑动。这提供了一种可靠的在电容器和部件终端之间实现可滑动接合的手段。
另一电气部件可定位成与电容器单元共平面或大体上共平面。此共平面布置简化了电容器单元和另一电气部件的布置，以使得电容器和部件终端之间能够接合。
应了解，电容器单元可用于一系列电应用，且因此另一电气部件可依据电应用的性质而变化。例如，另一电气部件可为或可包括母排线，或可选地包括层压母排线。
当另一电气部件是或包括母排线时，使用滑动运动来接合和分离电容器终端和部件终端使得母排线或包括母排线的另一电气部件易于更换。
所述或每一部件终端可通过机械接触而以可释放方式与所述电容器终端或所述相应的电容器终端电接合。在此类实施例中，所述或每一部件终端可仅通过机械接触而以可释放方式与所述电容器终端或所述相应的电容器终端电接合。
使用机械接触来接合部件和电容器终端允许重新组装和拆解以辅助维护和维修，这在通过永久性接合部件和电容器终端的手段，例如焊接的情况下是不可能的。
存在电气设备可设计成适用作高电压电气设备的多种方式，方式实例描述如下：
电气设备可为电压源转换器(voltage source converter，VSC)。
电气设备可定额用于HVDC应用或SVC应用。
根据本发明的又另一方面，提供一种将电气设备用作高电压电气设备的用途，其中所述电气设备与本发明的第二方面的实施例中的任一个一致。在电气设备的此类用途中，高电压电气设备可为高电压直流电电气设备或静态无功补偿器电气设备。
附图说明
现将参考附图借助于非限制性实例来描述本发明的优选实施例，在附图中：
图1示出了根据本发明的第一实施例的电气设备；
图2示出了示范性电力电子模块的电路图；以及
图3示出了根据本发明的第二实施例的电气设备；以及
图4示出了常规电气设备。
具体实施方式
根据本发明的第一实施例的电气设备在图1中示出并且总体上通过附图标记10指示。
电气设备10呈电力电子模块形式，所述电力电子模块包括电容器单元12、层压母排线14、多个IGBT 16和支承轨18。
在此实施例中，电力电子模块形成定额用于HVDC应用或SVC应用的电压源转换器(VSC)的部分。应了解，电气设备10可采取另一类型的高电压电气设备的形式，优选的是定额用于高电压直流电应用或静态无功补偿器应用。
电容器单元12是包括多个电容器元件、壳体和多个电容器终端20的高电压装置。电容器单元具有超过1500kV DC的额定电压，并由此定额用于HVDC应用或SVC应用。
多个电容器元件进行连接以形成多个电隔离的电容器，由此每一电容器由电容器元件中的一个或多个组成。应了解，由若干个电容器元件组成的每一电容器可由若干个串联连接的电容器元件、若干个并联连接的电容器元件或若干个串联连接的电容器元件和若干个并联连接的电容器元件的组合形成。
在示出的实施例中，每一电容器连接到多个电容器终端20中的相应的一对。电容器终端20的数目可依据电容器单元12中的电容器的数目而变化。
在本发明的其它实施例中，电容器单元可包括单个电容器元件以形成单个电容器，或多个电容器元件可进行连接以形成单个电容器。取决于电容器终端的额定电流和电容器的额定电流，单个电容器可连接到多对电容器终端。
在本发明的其它实施例中，给定电容器可布置成连接到单个电容器终端。在此类实施例中，壳体可用作给定电容器的“接地回线(earth return)”终端。
壳体包括布置成将电容器元件容纳在壳体内的多个壁。多个壁包括第一和第二端壁22和多个额外壁24。每一额外壁24在第一与第二端壁22之间延伸以形成壳体。额外壁24中的一个形成为侧壁24、26，所述侧壁24、26的尺寸设定成具有大于每一端壁22的外表面的外表面。其余额外壁24的尺寸进行相应设定以使得壳体的形状类似于板结构。额外壁24中不同于侧壁24、26的一个侧壁附接到支承轨18上，以便在支承轨18上安装电容器单元12。壳体还形成为金属和密封式壳体。
每一电容器终端20呈金属螺柱形式，所述金属螺柱延伸通过形成于侧壁24、26中且邻近于端壁22中的一个的端部凹部28的底部。每一电容器终端20在端部凹部28的底部以上的高度小于端部凹部28的深度，但在其它实施例中可大于或等于端部凹部28的深度。每一电容器终端20的位置邻近于连接侧壁24、26和对应的端壁的壁边缘，并且电容器终端20布置成形成平行于壁边缘的一行电容器终端20。
电容器终端20电连接到对应电容器的电容器元件，以提供从电容器单元12的外部到每一电容器元件的电接入。每一电容器终端20垂直于侧壁24、26的外表面而延伸，但在其它实施例中，可修改为大体上垂直于侧壁24、26的外表面而延伸。相应衬套位于每一电容器终端20的周围以将电容器终端20与壳体隔离。每一衬套还有助于维持壳体的气密密封件，并在对应的电容器终端20和壳体之间提供爬电距离。
层压母排线14形成为平坦金属多层片材，其中形成多个部件终端30(terminaltab)和多个紧固件开口36。多个部件终端30呈一排间隔开的终端凸台30形式，以使得每一终端凸台30与电容器终端20中的相应一个对准。每一终端凸台30包括开口槽32，相应的电容器终端20可在所述开口槽32中滑动到以便以可释放方式接合。
多个IGBT 16安装在冷板(cold plate)34上，所述冷板34又安装在支承轨18上以将IGBT 16定位成与电容器单元12大体上共平面。层压母排线14的每一紧固件开口36与IGBT 16的连结端(junction terminal)中的相应一个对准。多个螺丝紧固件38用于通过使每一螺丝紧固件38穿过相应的紧固件开口36并拧入相应的连结端中来将层压母排线14紧固到IGBT 16的连结端上。
层压母排线14设计成当层压母排线14紧固到IGBT 16上时使得每一终端凸台30电连接到IGBT 16的连结端中的一个或多个。终端凸台30和IGBT 16的连结端之间的电连接的设计可依据电力电子模块10的开关要求而变化。
接合终端凸台30和电容器终端20产生每一电容器终端20和IGBT 16的连结端中的一个或多个之间的电连接，从而将电容器电连接到IGBT 16。图2示出了示范性电力电子模块10的电路图40，所述电力电子模块10可通过电容器终端20与连结端之间的电连接而形成。在使用时，电力电子模块10形成用于HVDC和SVC应用的电压源转换器中的电路的部分，并且IGBT 16可进行切换以选择性地将电容器插入到电路中或形成旁路电容器的电流路径，也就是说IGBT 16可进行切换以使电力电子模块10用于选择性地提供电压源。
根据本发明的第二实施例的电气设备在图3中示出并且总体上通过附图标记42指示。图3的电气设备42在结构和操作方面类似于图1的电气设备10，并且相似特征共用同一附图标记。
图3的电气设备42与图1的电气设备10的不同之处在于，在图3的电气设备42中，每一终端凸台30的槽32形成为封闭槽而不是开口槽。以此方式，每一终端凸台30包括封闭槽32，相应的电容器终端20可插入其中以便以可释放方式接合。
在图1和3的实施例10、42中的各种电气部件的布置使得电容器单元12、层压母排线14和IGBT 16能够大体上共平面，从而产生节省空间的电力电子模块，这反过来又使电力电子装置形成其部分的电路的尺寸最小化。
图4示出了呈基于常规电容器单元的电力电子模块形式的常规电气设备100。在常规电容器单元中，电容器终端102延伸通过端壁104中的一个，以使得每一电容器终端102垂直延伸离开端壁104的外表面。这意味着，为了能够将常规电容器单元、层压母排线106和IGBT 108(当安装在冷板110上时)布置成大体上共平面以便使电力电子模块100的空间使用率最大化，层压母排线106的部分进行弯曲以形成弯曲部分112，使得终端凸台114相对于层压母排线106的其余部分成90度角。通过以此方式使层压母排线106弯曲，终端凸台114可接合电容器终端102，而不会妨碍常规电容器单元、层压母排线106和IGBT 108的大体上共平面布置。
然而，常规电力电子模块100的各种电气部件的布置使得对电容器终端102的接近受限制，从而产生迫使电力电子模块100的组装遵循固定组装顺序的空间限制。在常规电力电子模块100的组装顺序中，在将层压母排线106紧固到IGBT 108上之前，首先必须通过终端凸台114和电容器终端102之间的接合将层压母排线106附接到常规电容器单元上。另外，对电容器终端102的受限制接近还导致在拆解电力电子模块100以供维修和维护时需要固定的拆解顺序。
此外，电力电子模块100的上述组装和拆解顺序导致层压母排线106悬臂式地悬挂在电容器终端102上，这不仅导致向电容器终端102施加机械应力，而且还可由于它的悬挂质量116而抵消层压母排线104的位置的精确性。
此外，层压母排线104中包括用于与电容器终端102接合的弯曲部分112不仅增加由于公差叠加的增大(尤其是在层压母排线104中的不同孔118之间)、热移动和制造对准度而施加于电容器终端102和IGBT 108的连结端上的应力，这还导致制造成本增大和产生制造精确性降低的风险。
根据本发明的电气设备的配置解决了与常规电力电子模块相关的前述问题，所述配置的实施例10、42在图1和3中示出。
在图1中，电力电子模块10的组装顺序包括在使用滑动运动来接合电容器终端20和终端凸台30之前，将层压母排线14紧固到IGBT 16上。图1的电力电子模块10的拆解顺序与组装顺序相反，在所述拆解顺序中，分离电容器终端20和终端凸台30可能需要松弛动作，这取决于电容器终端20和终端凸台30之间的配合水平。使用滑动运动减少了组装和拆解电力电子模块10所需的空间量，这是由于在组装和分解步骤期间不需要部件的任何侧向移动，侧向移动的方向垂直于侧壁24、26的外表面。另外，能够通过滑动运动来接合或分离电容器终端20和终端凸台30有助于电力电子模块10的快速组装或拆解。
此外，使用滑动运动来接合和分离电容器终端20和终端凸台30使得电力电子模块10，具体地说，电力电子模块10中不是电容器单元12的部件(例如，层压母排线14和IGBT16)易于更换。
在图3中，电力电子模块42的组装顺序包括在将层压母排线14放置在电容器单元12和IGBT 16上方以允许电容器终端20和终端凸台30之间的接合以及将层压母排线14紧固到IGBT 16上之前，将电容器单元12和冷板34安装在它们在支承轨18上的所要位置处。图3的电力电子模块42的拆解顺序与组装顺序相反。尽管图3的电力电子模块42的组装和拆解顺序在组装和拆解步骤期间包括部件的侧向移动，但是对电力电子模块42的空间要求可使得部件的侧向移动优选于电容器单元12和冷板34之间的相对滑动移动。类似地，图3的电力电子模块42的组装和拆解顺序便于电力电子模块42的快速组装或拆解。
因此，可从图1和3的实施例中看出，电容器终端20在电容器单元12的侧壁24、26处的位置改进了对电容器终端20的接近，并由此能够使用不同的组装和拆解顺序，可选择不同的组装和拆解顺序以适应电力电子模块10、42形成其部分的电路的空间要求。并且，由于电力电子模块10、42的组装或拆解的快速性而大大减少了花费在相关制造、维修和维护活动上的时间。
此外，图1和3的电力电子模块10、42的组装和拆解顺序避免了层压母排线14悬臂式地悬挂在电容器终端20上，从而减小了电容器终端20上的内置应力。在图3的电力电子模块42的组装和拆解顺序中，仅在电容器单元12和IGBT 16已经安装在支承轨18上的适当位置之后才将层压母排线14附接到电容器单元12和IGBT 16上，同样使得IGBT 16的连结端上的内置应力减小。
省略用于与电容器终端20接合的弯曲部分改进了制造精确性并降低了制造成本，这是由于终端凸台槽32和紧固件开口36布置成大体上共平面以允许更简单的线性容差堆叠。
可以设想，在本发明的其它实施例中，侧壁中省略了凹部以使得侧壁的外表面形成为平坦表面。
同样可以设想，在本发明的其它实施例中，每一电容器终端可安装在侧壁的外表面上。
应了解，图1和3的实施例意图作为非限制性实例来说明本发明的实施，并且本发明的电气设备可采用包括与本发明的电容器单元一起的一个或多个其它电气部件的另一形式。

Claims (28)

1.一种适用作高电压装置的电容器单元，包括：
电容器元件；
壳体，其包括布置成将所述电容器元件容纳在所述壳体内的多个壁，所述多个壁包括第一和第二端壁，所述多个壁进一步包括在所述端壁之间延伸的侧壁，所述侧壁的外表面大于每一端壁的外表面；以及
至少一个电容器终端，其电连接到所述电容器元件，其中所述或每一电容器终端安装在所述侧壁上或延伸通过所述侧壁。
2.根据前述权利要求中任一项所述的电容器单元，其特征在于：形成在所述侧壁中的凹部，并且所述或每一电容器终端安装在所述凹部的底部上或延伸通过所述凹部的底部。
3.根据权利要求2所述的电容器单元，其特征在于：所述或每一电容器终端在所述凹部的所述底部以上的高度等于、大于或小于所述凹部的深度。
4.根据权利要求2或权利要求3所述的电容器单元，其特征在于：所述凹部形成为邻近于所述端壁中的一个的端部凹部。
5.根据前述权利要求中任一项所述的电容器单元，其特征在于：所述或每一电容器终端垂直于或大体上垂直于所述侧壁的所述外表面而延伸。
6.根据前述权利要求中任一项所述的电容器单元，其特征在于：所述或每一电容器终端定位成邻近于连接所述侧壁和所述端壁中的一个端壁的壁边缘。
7.根据前述权利要求中任一项所述的电容器单元，其特征在于：所述电容器单元是高电压装置。
8.根据前述权利要求中任一项所述的电容器单元，其特征在于：所述电容器单元定额用于高电压直流电应用或静态无功补偿器应用。
9.根据前述权利要求中任一项所述的电容器单元，其特征在于：所述电容器单元具有超过1500V DC的额定电压。
10.根据前述权利要求中任一项所述的电容器单元，其特征在于：所述壳体是金属的。
11.根据前述权利要求中任一项所述的电容器单元，其特征在于：所述壳体是密封式的。
12.根据前述权利要求中任一项所述的电容器单元，其特征在于：进一步包括被布置在所述或每一电容器终端周围的衬套或相应衬套。
13.一种将电容器单元用作高电压装置的用途，其中所述电容器单元与前述权利要求中的任一项一致。
14.根据权利要求13所述的电容器单元的用途，其特征在于：所述高电压装置是高电压直流装置或静态无功补偿器装置。
15.一种适用作高电压电气设备的电气设备，包括：
根据前述权利要求中任一项所述的电容器单元；以及
另一电气部件，其包括：以可释放方式与所述电容器终端电接合的部件终端；或多个部件终端，其中的每一个以可释放方式与所述电容器终端中的相应一个电接合。
16.根据权利要求15所述的电气设备，其特征在于：所述或每一部件终端包括所述对应的电容器终端以可释放方式接合于其中的槽。
17.根据权利要求15或权利要求16所述的电气设备，其特征在于：所述或每一部件终端以可滑动方式与所述对应的电容器终端接合。
18.根据权利要求16和17所述的电气设备，其特征在于：所述或每一电容器终端以可滑动方式接合在所述对应的部件终端的所述槽中。
19.根据权利要求17或权利要求18所述的电气设备，其特征在于：所述电容器单元和所述另一电气部件安装在支承轨上，以使得：所述电容器单元能够沿着所述支承轨相对于所述另一电气部件滑动；和/或所述另一电气部件能够沿着所述支承轨相对于所述电容器单元滑动。
20.根据权利要求15到19中任一项所述的电气设备，其特征在于：所述另一电气部件定位成与所述电容器单元共平面或大体上共平面。
21.根据权利要求15到20中任一项所述的电气设备，其特征在于：所述另一电气部件为或包括母排线，可选地为层压母排线。
22.根据权利要求15到21中任一项所述的电气设备，其特征在于：所述或每一部件终端通过机械接触而以可释放方式与所述电容器终端或所述相应的电容器终端电接合。
23.根据权利要求22所述的电气设备，其特征在于：所述或每一部件终端仅通过机械接触而以可释放方式与所述电容器终端或所述相应的电容器终端电接合。
24.根据权利要求15到23中任一项所述的电气设备，其特征在于：所述电气设备是高电压电气设备。
25.根据权利要求15到24中任一项所述的电气设备，其特征在于：所述电气设备是电压源转换器。
26.根据权利要求15到25中任一项所述的电气设备，其特征在于：所述电气设备定额用于高电压直流电应用或静态无功补偿器应用。
27.一种将电气设备用作高电压电气设备的用途，其中所述电气设备与权利要求15到26中任一项一致。
28.根据权利要求27所述的电气设备的用途，其特征在于：所述高电压电气设备是高电压直流电气设备或静态无功补偿器电气设备。
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