CN110337837B

CN110337837B - 用于高压设备的屏蔽装置

Info

Publication number: CN110337837B
Application number: CN201780087412.5A
Authority: CN
Inventors: M·拉森
Original assignee: ABB Schweiz AG
Current assignee: Hitachi Energy Co ltd
Priority date: 2017-03-29
Filing date: 2017-03-29
Publication date: 2021-06-04
Anticipated expiration: 2037-03-29
Also published as: CN110337837A; WO2018177515A1; EP3603359A1

Abstract

本发明涉及一种用于与相邻物体分开的高压设备(18)的屏蔽装置以及一种包括换流器和屏蔽装置的换流站，其中该高压设备具有第一电势，而相邻物体具有第二电势，屏蔽装置包括第一屏蔽元件(26)和第二屏蔽元件(28)以及至少一个电阻元件(30，32)，其中第一屏蔽元件(26)与所述高压设备(18)相邻放置，并且通过间隙(G)与第二屏蔽元件(28)分开，并且电阻元件跨越间隙(G)将第一屏蔽元件(26)和第二屏蔽元件(28)互连。

Description

用于高压设备的屏蔽装置

技术领域

本发明涉及用于高压设备的屏蔽装置以及包括换流器和这种屏蔽装置的换流站。

背景技术

电力传输可以通过高压直流(HVDC)来实现，并且在许多情况下，HVDC是优于AC传输的选项。

在电厂中，可能需要执行从HVDC到三相AC的转换，反之亦然。HVDC功率换流器包括多个阀，这些阀是换流站的关键部件，并且阀通常容纳在阀厅中。

当设计阀厅时，必须考虑几个因素。安全方面非常重要，并且要求阀厅的一些空间尺寸最小。例如，功率换流器与其所在的阀厅的壁和天花板之间的空气间隙在一些情况下应当高达约10米，并且在其它情况下仅为几米。阀厅的尺寸高度依赖于配电网络的电压水平。电压越高，通常需要与周围相距的距离越远。

阀厅的尺寸由预期应用、阀结构的设计、相邻的结构以及其他因素确定。

然而，与此相反，还期望阀厅尽可能小。通常，土地空间稀缺且昂贵，因此需要保持阀厅的尺寸减小。进一步地，不同国家规定了不同法规，在一些国家中，可能难以获得建筑许可。更进一步地，美学方面还使得更加期望提供小而紧凑的子站，使得它们对环境的影响尽可能的小。在一些国家中，投资和安装成本(包括例如材料成本和劳动力成本)可能很高，因此更进一步期望使阀厅的尺寸最小化。

高电压应用(诸如功率换流器)的可靠性、保密性和安全性非常值得关注。与电力变压器有关的危险包括例如放电；由于高强度电弧引起的电力故障可能会造成大面积停电，并且对于电力公司而言非常昂贵。因此，无论是被动还是主动，保护措施都至关重要。

已经在改进高压组件方面采取了一些措施，目的在于，比如，在不降低可靠性要求的情况下，提高保密性并且使得能够设计尺寸更小的阀厅。

这些措施中的一些措施可以基于屏蔽装置的使用。屏蔽具有使设备周围的电场平滑的功能。因此，屏蔽降低了电晕放电的风险以及设备电击穿的风险。

代替如通常所做的将屏直接连接到HV设备，在US 2009/0266605中描述了一种新方案，其中使用了一种屏设计，其具有连接在阀与对应屏之间的电阻器。

在WO 2009/150100中公开了另一结构，其中屏设计包括支撑元件，该支撑元件被实现为连接在高压装置与电晕屏蔽之间的电阻元件。

尽管上文所描述的解决方案在减小设备和壳体之间的距离方面有效，但仍有改进余地。

发明内容

因此，本发明的一个目的是减小相邻物体与高压设备之间的距离。

根据第一方面，该目的通过用于与相邻物体间隔开的高压设备的屏蔽装置来实现，其中该高压设备具有第一电势，并且相邻物体具有第二电势，所述屏蔽装置包括第一屏蔽元件和第二屏蔽元件以及至少一个电阻元件，其中第一屏蔽元件与所述高压设备相邻放置并且通过间隙与第二屏蔽元件分开，并且电阻元件跨越间隙将第一屏蔽元件和第二屏蔽元件互连。

根据第二方面，该目的还通过换流站实现，该换流站包括换流器，该换流器用于在交流和直流之间进行转换并且被围合在壳体中。换流器包括多个换流阀，其中至少一个换流阀被设置有根据第一方面的屏蔽装置，并且其中阀具有第一电势，并且壳体是具有第二电势的相邻物体。

本发明具有若干个优点。它允许减小高压设备与相邻物体之间的距离。从而可以更有效地使用高压设备周围的空间。而且，这通过进一步提高耐压能力来完成。

附图说明

下面参考附图对本发明进行描述，其中

图1示意性地示出了以阀厅为形式的接地壳体，其包括以换流器为形式的高压设备；

图2示意性地示出了根据第一实施例的由屏蔽装置屏蔽的换流器的阀；以及

图3示意性地示出了根据第二实施例的由屏蔽装置屏蔽的阀。

具体实施方式

本发明涉及高功率应用中的高压设备。高压设备可以是在高压(诸如320kV及以上)下操作的高压直流(HVDC)设备。更进一步地，该设备可以被围合在壳体中，该壳体的电势与该设备操作时的电压不同。比如，壳体可能接地，同时该设备可以在+1100kV或-1100kV的电压电平或在其之间的某个高压下操作。该设备可以比如是在AC和DC之间转换的换流器，诸如电流源换流器(CSC)或电压源换流器(VSC)。而且，可以提供电压源换流器作为模块化多电平换流器(MMC)，其中多个级联换流器子模块用于形成AC波形。

图1示意性地示出了围合在壳体12中的一个这样的示例性HVDC换流器10，该壳体在这种情况下是阀厅形式的建筑物，其包括接地壁，即，具有零电势的壁。壳体是靠近至少一个高压设备的物体的一个示例。

换流器10包括多个阀。在图1中给出的示例中，HVDC换流器10被图示为包括四个阀14、16、18和20。作为示例，阀可以从阀厅天花板悬挂安装，并且经由悬挂绝缘体26固定到天花板。应当认识到将阀放置在壳体中的方式不是主要的，并且它们可以作为示例性备选方案而被放置在阀地板上的支撑结构上。

还有一种屏蔽结构，其包括多个屏蔽装置22，以用于提供屏蔽以防电晕放电。提供屏蔽装置用于覆盖阀的暴露表面，以便避免壳体12与阀14、16、18和20之间可能的电晕放电或电击穿。图1所示的示例性HVDC阀14、16、18和20总共包括九个侧面，其中暴露表面由屏蔽装置22保护，八个横向侧面在相对表面处面向彼此，并且一个下侧面背向天花板。

因此，每个这样的暴露表面由屏蔽装置保护，以防电晕放电和从阀到壳体(诸如到壁或到地板)的电击穿。该图中还示出了一个这种屏蔽装置22与壁12之间的距离d。

阀14、16、18和20中的每个阀可以由多个串联连接的开关组成，或者由多个级联子模块组成，其中这种开关可以由如带有反并联二极管的绝缘栅双极晶体管(IGBT)或集成栅极换向晶闸管(IGCT)的开关元件构成。子模块可以实现为一个或两个开关串，其中每个串与诸如电容器或电池的能量存储元件并联连接。

而且，阀操作时的电压(比如阀的DC电平)可能相当大。此外，由于雷击和系统中的开关事件引起的过电压对绝缘也是至关重要的。因此，结构的每端处的最外侧阀14和20中的至少一个阀可能在其自身与壳体之间具有相当大的电压电势差。

屏蔽装置22包括以屏为形式的屏蔽元件，其与阀元件相距一定距离。屏的形状还可以围绕物理阀形状的任何边缘或角部伸展。

为了保护换流器10的一部分(诸如阀)免受任何电晕放电和从HV部件到壳体的电击穿，这种屏可能是必要的。

如前所述，电压很高，因此屏装置22与壳体12之间的距离d通常必须很高，以便保证不会发生电晕放电或电击穿。

本发明的各方面旨在提供一种屏装置，其允许装置与壁之间的距离d较小，从而允许减小壳体的尺寸。

减小距离的一种方式是通过屏蔽装置，该屏蔽装置包括击穿抑制电阻，比如，以击穿抑制电阻器为形式。击穿抑制电阻器在局部放电期间用作电流限制设备。结果，阀装置的耐压水平增加，这继而实现了更紧凑的设计。通过使用这种电阻器，可以增加屏蔽装置的脉冲击穿强度。进一步地，还可以实现增加的DC耐受水平。由此，可以在不增加容纳阀的阀厅的尺寸的情况下，提高HVDC阀厅的安全性。由此还可以大大提高阀的操作可靠性。

击穿抑制电阻器的问题在于两个屏之间也需要相对较高的耐受电压。因而，这种屏系统的设计需要结合这些电阻器周围的电应力和屏蔽之间的电场。

本发明的各方面提供了一种可行设计，其中这种击穿抑制电阻可以通过以间隔件为形式的至少一个电阻元件或通过泡沫来实现。

图2中示意性地示出了包括击穿抑制电阻的屏蔽装置22的第一实施例。

图2示意性地示出了屏蔽装置，其包括：第一屏蔽元件或屏26，该第一屏蔽元件或屏26与阀18相邻并且与阀18电接触；以及第二屏蔽元件或屏28，其通过间隙G与第一屏蔽元件或屏26分开。在附图中，间隙G由两个间隔件30和32桥接，这些间隔件是电阻性的，因此在两个屏蔽26和28之间形成电阻连接。因此，间隔件形成在屏蔽元件26与28之间并联连接的两个电阻元件。这些间隔件具有提供机械支撑和稳定性以及提供屏蔽元件之间的击穿抑制电阻的双重目的。

而且，可以看出，第二屏蔽元件28沿着第一屏蔽元件26的整个长度与第一屏蔽元件26对齐并且覆盖第一屏蔽元件26。还可以看出，如果阀18比如在垂直表面与水平表面之间包括角部，则第一屏蔽元件和第二屏蔽元件各自包括用于屏蔽和覆盖该角部的彼此对齐的弯曲段。

间隔件30和32可以由非导电聚合物制成，诸如聚乙烯(PE)或聚氨酯(PU)，其包括导电填料，诸如炭黑。可替代地，它们可以通过诸如硅(Si)或砷化镓(GaAs)的半导体材料来实现。由此，在两个屏蔽元件26与28之间提供由两个并联间隔件形成的电阻。这与为结构提供机械支撑相结合。这里可以认识到，间隙G中可以有更多间隔件，否则该间隙可以是气隙，或者可以由包围间隔件的电介质填充。

图3示出了屏蔽装置的第二实施例。在该实施例中，屏蔽元件26和28以及间隙G以与第一实施例中相同的方式设置。然而，在这种情况下，间隙G由泡沫34填充，该泡沫34用于将屏蔽26和28彼此附接。在这种情况下，泡沫34还可以是半导体材料或包括导电材料或半导体材料的颗粒的非导电聚合物。作为泡沫的替代物，在该第二实施例中还可以使用固体材料。

所建议的带有集成电阻器的屏设计可以显着降低大型HVDC设施(诸如阀厅和DC厅)的成本。

而且，屏设计旨在减小阀与阀厅壁之间的空气间隙d，其实现了减少建筑物的占地面积和成本。通过使用两个屏，增加了使用击穿抑制电阻器时的耐受电压。

随着耐压增加，可以减少与地相距的距离，这会直接影响建筑物的大小。

本文中对当被连接在阀与单个屏之间时的电阻器的功能进行了简要描述。

在正常条件下并且在HV屏中的任何HV屏处没有任何放电的情况下，外屏采用与HV部件相同的电势，即，与阀和内屏相同的电势，外屏经由电阻器而被连接到阀和内屏。因此，外屏将充当任何普通的HV屏。一旦在外HV屏处发生电晕放电，由放电汲取的电流就会受到阻止放电的电阻器的限制。这可以导致高达35％的耐受水平，其在理论上可以极大地减少所需的间隙。在实际情况下，耐压水平增加可能被限制在5％至10％。然而，应当指出，由于在高电压下耐受水平和间隙长度的非线性行为，所以耐受水平的5％至10％增量将使间隙显着减小超过5％至10％。

而且，电阻越大，原则上耐压增加越多。然而，大电阻器将在其终端之间，即，在内屏与外屏之间产生大的电压降，并且这种大的电压降可能导致电阻器的击穿。

当发生这种故障时，就会丢失电阻的益处。因而，问题在于将电阻结合到设计中并且使其耐受足够高的电压，而不必占用大量空间。电阻设计所需的所有额外体积会影响HVDC设施的总体积减小。因此，本文中提出了一种设计，其中使电阻器上的耐受电压最大，同时在非常紧凑的解决方案中使用最小的空间。

根据本发明的各方面，提出了一种双屏解决方案。可以将HV部件18的内屏或第一屏蔽元件26视为与已知构造相对应。该想法是增加附加外屏或第二屏蔽元件28，附加外屏或第二屏蔽元件28经由电阻性间隔件30和32连接到内屏。间隔件将用作击穿抑制电阻器。在没有任何放电的情况下，屏26和28都将处于HV电势。当在高应力外屏上发生放电时，电流将开始通过电阻器30和32，这会防止放电进入击穿接地。屏之间的气隙G将具有非常均匀的场分布，这使电气耐受最大化并且使电阻器通过放电事件保持接合。这样，可以选择高的电阻器值，其改善了电阻的击穿抑制效果。

获得击穿抑制效果所需的电阻取决于电压水平和屏设计，但可以比如设置在100kΩ至12MΩ的范围之内。

具有准均匀电场分布的紧凑设计对由于颗粒和灰尘引起的局部场增强非常敏感。阀厅中更紧凑的设计与更高的绝缘气体的电击穿风险相关联。除了如上文所描述的提高的耐受电压之外，击穿抑制电阻器可以减轻绝缘系统中的颗粒的风险。紧凑型HVDC系统中的颗粒将引起电晕放电和异常DC击穿，这已被示出在意外的低电压水平下发生。研究表明，大的串联电阻防止异常DC击穿，否则将限制更紧凑的设计。

可能只需稍加修改就可以用现有设计的电阻器改造额外的屏蔽。这会是个非常有用的工具，其减轻现有阀厅或DC厅中最具应力和最关键的点的击穿风险。

明显的示例可能是将与电阻器连接的这种额外的屏添加到阀的侧面和底部。这会减小与壁、彼此以及与地之间所需的间隙。还应当考虑阀厅设计中绝缘的其他关键点。

还可以看出，包括由间隙分开的第一屏蔽元件和第二屏蔽元件继而形成电容器，其电容可以基于屏蔽元件的面积、它们之间的距离、以及间隙中使用的任何填充物来设置。更进一步地，电容和电阻形成与电容充电速度相对应的时间常数t。可以在5μs至5ms的范围内的时间常数t与RC相对应或成比例，其中R是间隔件或泡沫的电阻，并且C是电容器的电容。

而且，还可以使电容和电阻去耦合，因此可以单独选择，以便针对每种设计情况优化绝缘的耐受电压。

本发明具有若干种优点。它可以降低诸如HVDC设施的高压设备的占地面积和成本。通过减少绝缘所需的空气间隙，可以在该领域中取得显着进步。将击穿抑制电阻器加入到设计中是实现更紧凑解决方案的一种途径。

如上所示，可以使用填充材料来填充屏蔽元件之间之间的空隙，而非间隔件。该填充材料可以是固体或泡沫材料。如果可以对材料的电阻率进行适当调整，则泡沫/固体将在屏之间产生明确且均匀的体积。优选地，该材料还应当具有支撑外屏的机械强度。

相邻物体在上文通过以阀厅为形式的壳体而进行例示。应当认识到，相邻物体决不限于这种物体。实际上，相邻物体不必是壳体，但可以是靠近高压设备的一部分的单独物体。作为示例，可以在户外提供这种相邻物体。

从前面的讨论中可以明显看出，本发明可以以多种方式变化。

因此，应当认识到，本发明仅受以下权利要求的限制。

Claims

1.一种用于高压设备(18)的屏蔽装置(22)，所述高压设备(18)与相邻物体(12)间隔开，其中所述高压设备具有第一电势，并且所述相邻物体具有第二电势，所述屏蔽装置包括第一屏蔽元件(26)和第二屏蔽元件(28)以及至少一个电阻元件(30，32；34)；

其中所述第一屏蔽元件(26)与所述高压设备(18)邻近放置，并且通过间隙(G)与所述第二屏蔽元件(28)分开；以及

所述电阻元件跨越所述间隙(G)将所述第一屏蔽元件(26)和所述第二屏蔽元件(28)互连，

其中，所述电阻元件由半导体材料或者包括导电材料或半导体材料的颗粒的非导电聚合物构成，

其中，在正常条件下第一屏蔽元件(26)和第二屏蔽元件(28)具有所述第一电势，并且在所述第二屏蔽元件(28)上发生电晕放电时，由所述放电汲取的电流通过所述电阻元件。

2.根据权利要求1所述的屏蔽装置(22)，其中所述第二屏蔽元件(28)沿着所述第一屏蔽元件(26)的整个长度与所述第一屏蔽元件(26)对齐、并且覆盖所述第一屏蔽元件(26)。

3.根据权利要求2所述的屏蔽装置(22)，其中所述第一屏蔽元件和所述第二屏蔽元件各自包括彼此对齐的弯曲段，以用于屏蔽和覆盖所述高压设备(18)的角部。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的屏蔽装置(22)，其中所述电阻元件包括多个间隔件(30，32)，所述多个间隔件(30，32)并联连接在所述第一屏蔽元件(26)和所述第二屏蔽元件(28)之间。

5.根据权利要求1所述的屏蔽装置(22)，其中所述电阻元件作为所述间隙中的填充材料而被提供。

6.根据权利要求5所述的屏蔽装置(22)，其中所述填充材料是半导体材料。

7.根据权利要求5或6所述的屏蔽装置(22)，其中所述填充材料是泡沫。

8.根据权利要求5或6所述的屏蔽装置(22)，其中所述填充材料是固体。

9.根据权利要求1-3、5和6中任一项所述的屏蔽装置(22)，其中所述至少一个电阻元件(30，32；34)的电阻在100kΩ至12MΩ的范围之内。

10.根据权利要求1-3、5和6中任一项所述的屏蔽装置(22)，其中所述第一屏蔽元件和所述第二屏蔽元件是与所述间隙(G)一起限定电容的板。

11.根据权利要求10所述的屏蔽装置(22)，其中所述电阻和所述电容一起限定时间常数t，所述时间常数t在5μs至5ms的范围之内，所述时间常数t与RC相对应，其中R是所述电阻，并且C是所述电容。

12.根据权利要求1-3、5、6和11中任一项所述的屏蔽装置(22)，其中所述第一电势是所述高压设备(18)的操作电势，并且所述第二电势是接地电势。

13.根据权利要求1-3、5、6和11中任一项所述的屏蔽装置(22)，其中所述相邻物体是围合所述高压设备的壳体(12)。

14.一种换流站，包括换流器(10)，所述换流器(10)用于在交流与直流之间转换并且被围合在壳体(12)中，所述换流器包括多个换流阀(14，16，18，20)，其中所述换流阀中的至少一个换流阀(18)被设置有根据权利要求1-13中任一项所述的屏蔽装置(22)，其中所述至少一个换流阀具有第一电势，并且所述壳体是具有第二电势的相邻物体。

15.根据权利要求14所述的换流站，其中所述第一电势是所述至少一个换流阀(18)的操作电势，并且所述第二电势是接地电势。