CN108369861B - 用于高压力应用的功率电容器单元 - Google Patents

Abstract

本公开涉及用于高压力应用的功率电容器单元(1)。功率电容器单元(1)包括：壳体(3)；多个电容器元件(5‑17，23‑35)，彼此连接并且布置在壳体(3)内部；电介质液体(L)；固体电绝缘系统，被布置成将每个电容器元件(5‑17，23‑35)电绝缘；母线；多个熔丝(5a‑17a)，每个熔丝具有连接至相应电容器元件(5‑17，23‑35)的第一端和连接至母线(B)的第二端，其中电容器元件(5‑17，23‑35)、固体电绝缘系统(41)和熔丝(5a‑17a)浸入电介质液体(L)中。每个熔丝(5a‑17a)具有与电绝缘系统物理接触的多个第一部分，并且其中每个熔丝(5a‑17a)具有未与固体电绝缘系统物理接触的多个第二部分。

Description

用于高压力应用的功率电容器单元

技术领域

本公开总体上涉及用于诸如海底应用的高压力应用的功率电容器。

背景技术

内部熔断电容器被开发以增加功率电容器的可靠性。在这种设计中，功率电容器的每一个电容器元件通过串联的熔断器而连接。

电容器元件由几层绝缘膜(诸如聚丙烯)组成，绝缘膜与铝箔缠绕在一起。铝箔作为电极工作，并且膜层作为电介质工作。膜可能具有弱点，其随着时间的推移可能导致击穿。在发生击穿的情况下，高电流流动通过故障点并且将铝箔焊接在一起，以使在元件中存在持续短路。

对于电容器元件故障的情况下的内部熔断设计，并联连接的电容器元件通过熔断器将它们的能量放电至短路，这通常足以实现熔断器的成功的限流行为。限流行为表示在所有并联能量被倾排到短路点中之前，被操作的熔断器可以中断放电。这个功能的一个重要因素在于，由被操作的熔断器所产生的电弧可以扩张并且被周围的绝缘材料冷却和熄灭。

在电容器元件发生故障的情况下，大的放电电流导致熔断器的蒸发并且继而导致周围的材料(其通常为诸如油的流体)内部的电弧。由于油的良好的冷却特性，这种电弧在几十至几百微秒内淬灭，在熔断器连接的脚点之间留下电气开路。结果，故障电容器元件在损坏大到足以干扰剩余电容器元件的功能之前断开。

发明内容

近年来，人们越来越感兴趣在从几十米到甚至几公里深度的海床上安装电气设备。在海底应用中，功率电容器安装在海平面以下深达约5000米处，即周围的压力高达约500巴。

本发明人已经发现，如果功率电容器单元的内部在这样的深度处被加压到海底部上的静水压力水平，则电弧行为与大气条件相比是不同的。因此不能保证电流限制操作之后的开路。

鉴于上述内容，本公开的总体目的是提供用于高压力应用的功率电容器，其减少了在电容器元件故障的情况下建立闭合电路发生故障的风险。

因此提供了用于高压力应用的功率电容器单元，其包括：壳体；多个电容器元件，彼此连接并且布置在壳体内部；电介质液体；固体电绝缘系统，被布置成将每个电容器元件电绝缘；母线；多个熔丝，每个熔丝具有连接至相应电容器元件的第一端和连接至母线的第二端，其中电容器元件、固体电绝缘系统和熔丝浸入电介质液体中，以及其中每个熔丝具有与固体电绝缘系统物理接触的多个第一部分，并且其中每个熔丝具有未与固体电绝缘系统物理接触的多个第二部分。

本发明人已经观察到，在高压力环境中，在限流熔断器操作的情况下熔丝已被操作之后，烟灰轨迹(在制造熔断器的材料的电离之后的导电残留物)可以形成在熔丝的第一端和第二端之间或脚点之间。该烟灰轨迹将向故障电容器元件提供连续电流路径。这样的烟灰轨迹通常不会在大气条件下出现，因为残余物被分散在更大的空间中，由此它们不会在熔断器的端部之间建立导电路径。

借助于具有与固体电绝缘系统物理接触的多个第一部分和未与固体电绝缘系统物理接触的多个第二部分的熔丝，在限流的情况下形成的烟灰轨迹将是不连续的。这减少了在限流期间熔丝被操作的情况下形成闭合电路的风险。

根据一个实施例，电容器元件被堆叠，并且其中每个熔丝被布置在相应的成对的相邻电容器元件之间。

根据一个实施例，每个第一部分与固体电绝缘系统的相应表面相平行地延伸。

根据一个实施例，每个第二部分或者与由固体电绝缘系统的表面限定的平面相平行地延伸或者穿透固体电绝缘系统。

根据一个实施例，电绝缘系统包括多组孔，其中每个熔丝沿着固体电绝缘系统在相应的一组孔之间延伸。

根据一个实施例，对于每个熔丝，第一部分是熔丝的沿着固体电绝缘系统的表面延伸的那些部分，并且第二部分是熔丝的与孔交叉的那些部分。

根据一个实施例，孔是通孔，并且每个熔丝被编织通过相应的一组通孔，以使每个熔丝交替地在固体电绝缘系统的相反表面上延伸。

根据一个实施例，每个熔丝布置在固体电绝缘系统的两个相对表面之间，其中每个相对表面提供有相应的一组孔，相对表面的孔被对准，并且其中每个熔丝延伸跨过对应的两个相对表面的每个孔。

根据一个实施例，每个孔具有变化的横截面面积，每个孔的横截面面积在离开延伸跨过孔的熔丝的方向上增加。

根据一个实施例，每个熔丝布设在一个相应的平面中。

根据一个实施例，固体电绝缘系统包括多个隔栏，其中每个熔丝布设在两个隔栏之间。

根据一个实施例，固体电绝缘系统包括多个网，其中每个熔丝布设在两个网之间。

根据一个实施例，固体电绝缘系统包括珠，这些珠以彼此间隔的方式被穿线到熔丝上，其中熔丝的与珠物理接触的部分是第一部分，并且熔丝的没有与珠物理接触的部分是第二部分。

根据一个实施例，固体电绝缘系统利用升高部分具有表面粗糙度，升高部分与熔丝导电物理接触，其中熔丝的与升高部分物理接触的那些部分形成熔丝的第一部分。

根据一个实施例，固体电绝缘系统包括封装隔离部，其中熔丝的第一部分被封装绝缘部封装并且其中第二部分未被封装。

根据一个实施例，封装绝缘部是包括以下项的群组中的一项：层压部、涂层和水泥。

根据一个实施例，功率电容器单元是海底功率电容器单元。

一个实施例包括无源压力补偿器，该无源压力补偿器被布置成向壳体的内部传送周围的海底压力。

通常，除非本文中另外明确定义，否则权利要求中使用的所有术语将根据其在本技术领域中的普通含义来解释。除非另有明确说明，否则对“元件、装置、部件、器件”等的所有引用都应当被公开地解释为指代元件、装置、部件、器件等的至少一个实例。

附图说明

现在将参照附图通过举例的方式描述本发明构思的具体实施例，在附图中：

图1示意性地示出功率电容器单元的示例电路；

图2a至2d示意性地示出图1中所示的类型的功率电容器单元的内部部件和一般结构；

图3a和3b示出图1中的功率电容器单元的熔丝布置的第一示例；

图4示出具有电容器元件故障的功率电容器单元的示例；

图5示出在电容器元件故障之后的图3a至3b中的熔丝布置；

图6a示意性地描绘了熔丝布置的第二示例；

图6b示意性地示出图6a中的下部元件间绝缘体和熔丝的俯视图；

图6c示意性地示出熔丝布置的第三示例；

图7a至7b示出熔丝布置的第四示例；

图8a示出熔丝布置的第五示例；

图8b示出在导致熔丝熔化的电容器元件故障之后的图8a中的熔丝布置；

图9示出熔丝布置的第六示例；以及

图10示出熔丝布置的第七示例。

具体实施方式

现在将在下文中参考附图更充分地描述本发明构思，附图中示出了示例性实施例。然而，本发明构思可以以很多不同的形式来实施，并且不应当被解释为限于本文中阐述的实施例；相反，这些实施例通过示例的方式被提供，使得本公开将是彻底和完整的，并且将向本领域技术人员充分传达本发明构思的范围。在整个说明书中，相同的附图标记指代相同的元件。

本公开涉及包括彼此连接的多个电容器元件的功率电容器单元。

每个电容器元件连接至相应的熔丝。因此，每个熔丝的第一端连接至电容器元件，而每个熔丝的另一端经由母线连接至另一个熔丝。

电容器元件例如可以是膜箔类型的，其中每个电容器元件包括诸如铝箔的导电箔以及分离导电膜的一个或多个电介质膜。这些膜被放置在彼此之上，其中它们缠绕在一起以产生电容器元件。

功率电容器单元还包括固体电绝缘系统。固体电绝缘系统被布置成使每个电容器元件电绝缘。因此，固体电绝缘系统包括多个元件间绝缘体。元件间绝缘体指代仅包围一个电容器元件的固体电绝缘部。

固体电绝缘系统被设计为以使每个熔丝交替地与固体电绝缘系统物理接触以及没有与固体电绝缘系统物理接触。每个熔丝具有与固体电绝缘系统物理接触的多个第一部分和未与固体电绝缘系统物理接触的多个第二部分。

每个第一部分与固体电绝缘系统的表面相平行地并且沿着固体电绝缘系统的表面延伸，特别是沿着元件间绝缘体的表面延伸。每个第二部分或者与由固体电绝缘系统的表面限定的平面相平行地延伸或者穿透固体电绝缘系统，特别是元件间绝缘体。固体电绝缘系统的这种设计减少了在电容器元件发生故障的情况下维持闭合电路发生故障的风险。

图1示出了功率电容器单元1的示例。功率电容器单元1具有壳体3。壳体可以由具有高机械耐受强度的材料制成，优选地是诸如钢的金属。

根据一个变型，壳体1包括压力补偿器，诸如无源压力补偿器。压力补偿器被布置成将周围的海底压力传送到壳体3的内部。由此，周围的海底压力与壳体3内部的压力之间的压力差可以被减少。

在无源压力补偿器的情况下，其例如可以由壳体3的机械柔性部分或者诸如不可渗透膜的膜所限定。功率电容器单元3的内部容积以及因此壳体3内部的压力从而取决于周围的海底压力。

功率电容器单元1还包括多个电容器元件5-17、23-35。电容器元件5-17并联连接，并且电容器元件23-35也是如此。

功率电容器单元1还包括保护电容器元件5-17的相应的电容器元件的多个熔丝5a-17a。因此，在功率电容器单元1中包含的电容器元件5-17与熔丝5a-17a之间存在数目上的一一对应关系。

每个熔丝5a-17a具有连接至相应电容器元件5-17的第一端19。功率电容器单元1还包括母线B。每个熔丝5a-17a还具有连接至母线B的第二端21。根据图1中的示例，熔丝5a连接至电容器元件5，并且通过母线B连接至并联连接的所有的剩余熔丝7a-17a。

属于该组并联连接的电容器元件5-17、第一组并联连接的电容器元件的每个熔丝5a-17a还可以连接至包含在功率电容器单元1中的第二组并联连接的电容器元件的相应电容器元件23-35。因此可以存在若干组或组件的并联连接的电容器元件。每个组或组件与另一这样的组或组件串联。

电容器元件的端子根据极性彼此连接，以使形成第一端子37和第二端子39，第一端子37和第二端子39通过壳体3被引导到功率电容器单元1的外部。

功率电容器单元1还包括固体电绝缘系统41，如图2c中所示。固体电绝缘系统41被布置成将电容器元件5-35彼此电绝缘并且与壳体3的内壁电绝缘。固体电绝缘系统41例如可以包括由纤维素基材料制成的部件(例如元件间绝缘体)。

功率电容器单元1还包括电介质液体L。电介质液体L填充壳体3的整个空的内部空间，以防止在壳体3的内表面与其中包含的部件之间出现任何气隙。由于其相当小的可压缩性，当功率电容器单元1受到的周围的海底压力高于壳体3如果其被填充有诸如气体的高的可压缩材料能够耐受的压力时，电介质液体L抵消壳体3的变形。电介质液体L进一步淬灭在电容器元件发生故障的情况下可能生成的电弧。电介质液体L例如可以是油或酯。

图2a-2d示出了功率电容器单元1的物理结构的示例。如上面简要解释的，导电材料的膜与布置在它们之间的绝缘材料缠绕在一起，由此形成电容器元件43。电容器元件43继而提供有元件间绝缘体45，元件间绝缘体45形成固体电绝缘系统41的一部分，如图2b中所示。

熔丝47从电容器元件43沿着元件间绝缘体45引导以与另一熔丝连接。电绝缘的电容器元件43堆叠在彼此之上，从而形成电容器元件的并联连接和串联连接组件。堆叠的电容器元件43然后被放置在壳体3中，并且相同极性的端子被聚集以及通过壳体3引出以形成第一端子37和第二端子39。功率电容器单元1然后被填充有电介质液体。借助于压力补偿器49，功率电容器单元1可以被加压到适当的静水压力水平。

图3a示出了固体电绝缘系统41的一部分(即，元件间绝缘体45)的俯视图。元件间绝缘体45包括多个孔53，根据这个示例，多个孔53是通孔。熔丝47被编织通过孔53，以使熔丝47交替地沿着元件间绝缘体45的两个相反表面延伸，如图3b中更详细示出的，图3b仅示出了元件间绝缘体45的一侧的横截面的细节。熔丝47例如可以借助于带51的片块附接至元件间绝缘体45。

图4示出了功率电容器单元1中的示例故障情况。根据示例，电容器元件5已经经受了故障，由此熔丝5a通过流向故障的故障电流来操作。

图5示出了在故障之后在图3b中描绘的元件间绝缘体45的部分。熔丝47已经被操作，即已被蒸发，并且烟灰轨迹56被形成在固体电绝缘系统41的特定部分的相反表面上。可以看出，熔丝47的编织导致在熔丝47蒸发时将不会有连续的烟灰轨迹。由此可以减少通过失效电容器元件的失效的开路的风险。

图6a示出了熔丝布置的另一示例。这里，熔丝47被布置在两个元件间绝缘体45之间。为了清楚起见，仅以横截面示出了每个元件间绝缘体45的顶部/底部。固体电绝缘系统的两个部分的每个包括多个孔53，孔53可以是或不是通孔。因此存在与每个熔丝47相关联的两组孔53，一组被提供在上部元件间绝缘体45中，一组被提供在下部元件间绝缘体45中。应当注意，术语“上部”和“下部”仅指代图6a中所示的取向。上部元件间绝缘体45的每个孔53与下部元件间绝缘体45的相应孔53对准。熔丝47在两个元件间绝缘体45的两个相对表面之间以及沿着这两个相对表面延伸并且与每个孔53交叉。因此熔丝47铺设在每个孔53上方并且延伸跨过每个孔53。孔53被填充有电介质液体L。

图6b示出了图6a中的熔丝布置的俯视图。熔丝47可以借助于例如带51附接至元件间绝缘体45。

图6c示出了与图6a和图6b中所示的熔丝布置类似的熔丝布置的另一示例。但是，根据这个示例，可以是或不是通孔的孔53在离开铺设跨过孔53的熔丝47的方向上具有变化的横截面面积。在通孔的情况下，每个孔53的横截面面积由此在熔丝47附近比在该元件间绝缘体45的相反表面上要小。每个孔53的横截面尺寸优选地在所有径向方向上增加，从而以这种方式增加横截面面积。横截面面积例如可以以一个或多个离散的台阶来增加，从而产生阶梯状的形成。备选地，横截面面积可以连续地增加。

图6a至6c中所示的示例以与参照图3a至3b和图5所描述的示例相同的方式起作用。当熔丝47被操作时，因为烟灰的一部分将被聚集在通孔53中并且其一部分将散布在元件间绝缘体45的面对的表面上，烟灰轨迹将是不连续的。

图7a和图7b示出了熔丝布置的另一示例。根据这个示例，电绝缘系统41包括布置在相邻元件间绝缘体45的相应相对表面上的隔栏57。熔丝47布设在两个隔栏57之间。

图8a示出了熔丝布置的又一示例。根据这个示例，电绝缘系统41包括多个电绝缘珠59。每个熔丝47被提供有多个这样的珠59，多个这样的珠59一个接一个地布置，并且它们之间具有一定距离。当熔丝47沿着元件间绝缘体45延伸时，每个珠59被穿线到熔丝47上并且沿着熔丝47布置。熔丝47例如可以借助于带51附接至元件间绝缘体45。

图8b示出了其中图8a中的熔丝47由于电流限制而已被操作的示例。因此产生了不连续的烟灰轨迹56，因为烟灰中的一些烟灰将被包含在珠59中，珠59在将它们保持在一起的熔丝47蒸发之后四处移动，并且一些烟灰将沿着珠59的原始位置之间的部分定位。

在另一变型中，固体电绝缘系统包括封装隔离部。在这种情况下，熔丝通过封装绝缘部被部分封装。特别地，熔丝已经以交替的方式提供有具有封装绝缘部的部分和不具有封装绝缘部的部分。封装绝缘部例如可以是诸如聚合物膜的层压部、带有搪瓷的涂层，或者它可以是水泥。在这种情况下，可能发生如下情况，即在封装绝缘部之间延伸的熔丝的部分与固体电绝缘系统(即，与元件间绝缘体)物理接触。

图9示出了熔丝布置的另一示例。元件间绝缘体45提供有网61，熔丝47布设在网61上。以这种方式，如果熔丝47在电流限制期间被操作，则将再次没有烟灰轨迹。优选地，每个熔丝47位于两个网之间、位于两个元件间绝缘体45之间。

图10示出了熔丝布置的示例，其中元件间绝缘体45利用升高部分63具有表面粗糙度，升高部分63与熔丝47物理接触。升高部分63优选地以直角或以另一不连续的方式相对于形成在升高部分之间的凹部突出。优选地，这些升高部分在相邻的元件间绝缘体45(熔丝47在上述相邻的元件间绝缘体45之间延伸)中被镜像以减少形成连续的烟灰轨迹的风险。

可以设想，本文中呈现的功率电容器单元在诸如油气工业中的海底设施的高压力应用内找到应用，例如用于海底HVDC/HVAC供电系统(即电力传输和配电系统)、离岸发电(诸如风能、潮汐能、波浪能和洋流能)、以及针对泵送或气体压缩的变速驱动器。

以上主要参考几个示例来描述本发明构思。然而，如本领域技术人员容易理解的，除了以上公开的实施例以外的其他实施例同样可能在由所附权利要求限定的本发明构思的范围内。

Claims (18)

1.一种用于高压力应用的功率电容器单元(1)，包括：

壳体(3)，

多个电容器元件(5-17，23-35)，彼此连接并且被布置在所述壳体(3)内部，

电介质液体(L)，

固体电绝缘系统(41)，被布置成将每个电容器元件(5-17，23-35)电绝缘，

母线(B)，以及

多个熔丝(5a-17a，47)，每个熔丝具有连接至相应电容器元件(5-17，23-35)的第一端和连接至所述母线(B)的第二端，

其中所述电容器元件(5-17，23-35)、所述固体电绝缘系统(41)和所述熔丝(5a-17a，47)浸入所述电介质液体(L)中，以及

其中每个熔丝(5a-17a，47)具有与所述固体电绝缘系统(41)物理接触的多个第一部分，并且其中每个熔丝(5a-17a，47)具有未与所述固体电绝缘系统(41)物理接触的多个第二部分。

2.根据权利要求1所述的功率电容器单元(1)，其中所述电容器元件(5-17，23-35)被堆叠，并且其中每个熔丝(5a-17a，47)被布置在相应的成对的相邻电容器元件(5-17，23-35)之间。

3.根据权利要求1或2所述的功率电容器单元(1)，其中每个第一部分与所述固体电绝缘系统(41)的相应表面相平行地延伸。

4.根据权利要求1或2所述的功率电容器单元(1)，其中每个第二部分或者与由所述固体电绝缘系统(41)的表面限定的平面相平行地延伸，或者穿透所述固体电绝缘系统(41)。

5.根据权利要求1或2所述的功率电容器单元(1)，其中所述固体电绝缘系统(41)包括多组孔(53)，其中每个熔丝(5a-17a，47)沿着所述固体电绝缘系统(41)在相应的一组孔(53)之间延伸。

6.根据权利要求5所述的功率电容器单元(1)，其中对于每个熔丝(5a-17a，47)，所述第一部分是所述熔丝(5a-17a，47)的沿着所述固体电绝缘系统(41)的表面延伸的那些部分，并且所述第二部分是所述熔丝(5a-17a，47)的与孔(53)交叉的那些部分。

7.根据权利要求5所述的功率电容器单元(1)，其中所述孔(53)是通孔，并且每个熔丝(5a-17a)被编织通过相应的一组通孔，以使每个熔丝(5a-17a，47)交替地在所述固体电绝缘系统(41)的相反表面上延伸。

8.根据权利要求5所述的功率电容器单元(1)，其中每个熔丝(5a-17a，47)被布置在所述固体电绝缘系统(41)的两个相对表面之间，其中每个相对表面提供有相应的一组孔(53)，所述相对表面的所述孔(53)被对准，并且其中每个熔丝(5a-17a，47)延伸跨过对应的两个相对表面的每个孔(53)。

9.根据权利要求8所述的功率电容器单元(1)，其中每个孔(53)具有变化的横截面面积，每个孔(53)的横截面面积在离开延伸跨过所述孔(53)的熔丝(5a-17a，47)的方向上增加。

10.根据权利要求8或9所述的功率电容器单元(1)，其中每个熔丝(5a-17a，47)被布设在一个相应的平面中。

11.根据权利要求1或2所述的功率电容器单元(1)，其中所述固体电绝缘系统(41)包括多个隔栏(57)，其中每个熔丝(5a-17a，47)被布设在两个隔栏(57)之间。

12.根据权利要求1或2所述的功率电容器单元(1)，其中所述固体电绝缘系统(41)包括多个网(61)，其中每个熔丝(5a-17a，47)被布设在两个网(61)之间。

13.根据权利要求1或2所述的功率电容器单元(1)，其中所述固体电绝缘系统包括珠(59)，所述珠(59)以彼此间隔的方式被穿线到所述熔丝(5a-17a，47)上，其中所述熔丝(5a-17a，47)的、与所述珠(59)物理接触的部分是所述第一部分，并且所述熔丝(5a-17a，47)的、未与所述珠(59)物理接触的部分是所述第二部分。

14.根据权利要求1或2所述的功率电容器单元(1)，其中所述固体电绝缘系统利用升高部分(63)而具有表面粗糙度，所述升高部分(63)与所述熔丝(5a-17a，47)物理接触，其中所述熔丝(5a-17a，47)的与所述升高部分(63)物理接触的那些部分形成所述熔丝(5a-17a，47)的所述第一部分。

15.根据权利要求1或2所述的功率电容器单元(1)，其中所述固体电绝缘系统(41)包括封装绝缘部，其中所述熔丝(5a-17a，47)的所述第一部分被封装绝缘部封装并且其中所述第二部分未被封装。

16.根据权利要求15所述的功率电容器单元(1)，其中所述封装绝缘部是包括以下项的群组中的一项：层压部、涂层和水泥。

17.根据权利要求1、2、6-9和16中任一项所述的功率电容器单元(1)，其中所述功率电容器单元(1)是海底功率电容器单元。

18.根据权利要求17所述的功率电容器单元(1)，包括无源压力补偿器(49)，所述无源压力补偿器(49)被布置成向所述壳体(3)的内部传送周围的海底压力。

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