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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur elektrostatischen Abschirmung einer elektrischen Anlage mit einer die elektrische Anlage umlaufenden Abschirmvorrichtung, die mit einem ersten elektrischen Potential beaufschlagbar ist.
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Wird eine Spannung an elektrisch leitende Teile einer elektrischen Anlage angelegt, so entsteht auf deren Oberflache eine elektrische Feldstärke. Diese Feldstarke ist umso größer je kleiner die Radien an den Kanten dieser Teile sind. Überschreitet die elektrische Feldstärke eine von der Geometrie abhängige Schwelle, so kommt es entweder zum elektrischen Durchschlag einer Teilisolierstrecke oder zu einem vollständigen elektrischen Durchschlag der gesamten Isolierstrecke. Die Feldstärken auf metallischen Oberflächen müssen daher begrenzt werden.
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Im Stand der Technik sind dazu verschiedene Möglichkeiten bekannt.
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Einerseits werden bisher Konstruktionsformen gewählt, bei deren Oberflächengestaltung, insbesondere bei der Ausführung von Kantenbereichen, elektrische Feldstärken auf ein sicheres Maß begrenzt werden. Außerdem werden Abstände (interne Schlagweiten) z.B. zwischen den elektrischen Bauteilen und benachbarten elektrischen Bauteilen sowie umgebenden Kesselelementen eines Transformators groß genug gewählt, um die elektrischen Feldstärken an den Oberflächen zu begrenzen. Dieser Ansatz ist jedoch häufig nicht unproblematisch, weil aufgrund des vorhandenen Bauraums für eine elektrische Anlage die genannten Abstände zwischen den Bauteilen nicht beliebig vergrößert werden können und bei größeren Anlagen entsprechend auch die Kosten für Herstellung, Transport und Entsorgung steigen. Im Hinblick auf die Isolierung elektrischer Anlagen wurden netzgeführte und selbstgeführte Dioden-Halbleiter bisher nur luftisoliert ausgeführt.
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Andererseits werden die im Betrieb entstehenden elektrischen Feldstärken dadurch beherrscht, dass eine elektrische Abschirmung durch eine gezielte Potenzialverteilung auf entsprechend angeordneten, nicht stromtragenden Steuerelementen verwirklicht wird. Aus der
EP0001387 ist ein Stufenschalter für einen Transformator bekannt, der über eine spiralförmige Abschirmung zur Vergleichmäßigung des elektrischen Feldes verfügt. Die Spirale ist aus einem durchgehenden gewickelten metallischen Leiter gefertigt und mit einem elektrischen Potenzial verbunden. Durch diese sogenannte Schirmspirale wird ein durchgängiges Steuerpotenzial ausgebildet.
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Ausgehend von der bekannten Schirmspirale stellt sich an die Erfindung die technische Aufgabe, eine Anordnung zur elektrostatischen Abschirmung einer elektrischen Anlage anzugeben, mit der bei vergleichsweisen kleinem Platzbedarf eine verbesserte Vergleichmäßigung der elektrischen Feldstäke im Betrieb der Anlage gewährleistet wird.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Anordnung zur elektrostatischen Abschirmung einer elektrischen Anlage mit einer die elektrische Anlage umlaufenden Abschirmvorrichtung, die mit einem ersten elektrischen Potential beaufschlagbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine weitere die elektrische Anlage umlaufende Abschirmvorrichtung vorgesehen ist, die mit einem anderen Potential als dem ersten elektrischen Potential beaufschlagbar ist.
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Dies ist vorteilhaft, weil eine elektrische Anlage häufig über unterschiedliche Potentiale an unterschiedlichen Punkten der Anlage verfügt, beispielsweise weil mehrere Module eines Modularen Umrichters auf unterschiedlichen Potentialen liegen. Erfindungsgemäß kann dann beispielsweise für jedes Modul der elektrischen Anlage eine Abschirmung auf dem jeweiligen Potential des Moduls vorgesehen werden. Dieser Ansatz ermöglicht eine noch bessere Anpassung der Abschirmung an die entsprechende Anlage, so dass die erfindungsgemäß aus mehreren Abschirmungen bestehende elektrostatische Gesamt-Abschirmung der Anlage im Vergleich zu einer bisherigen Bauform mit nur einer einzigen Abschirmung kleiner, näher an der elektrischen Anlage und ggf. umgebender Baugruppen wie einem Transformatorkessel und damit platzsparender ausgeführt werden kann. Dies spart Kosten für Herstellung, Transport und Entsorgung der elektrischen Anlage mit der Abschirmung ein.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung weist jede Abschirmvorrichtung einen Potentialanschluss auf. Dies ist ein Vorteil, weil auf diese Weise jede Abschirmvorrichtung über ihren eigenen Potentialanschluss mit einem Potential beaufschlagt werden kann.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung ist mindestens eine der Abschirmvorrichtungen mit dem elektrischen Potential der Anlage im Betrieb beaufschlagbar. Dies ist ein Vorteil, weil so eine verbesserte elektrostatische Abschirmung gegeben ist.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung weisen die Abschirmvorrichtungen jeweils eine Trennstelle zur Vermeidung von Ringströmen auf. Dies ist ein Vorteil, weil durch Ringströme z.B. in geschlossenen Leiterschleifen störende elektrische und magnetische Felder entstehen können.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung sind die Abschirmvorrichtungen jeweils rohrartig ausgebildet. Dies ist ein Vorteil, weil bei mit einem Rohr ein vergleichsweise großer Außendurchmesser bei geringem Gewicht und Materialeinsatz erreicht werden kann. Ein großer Außendurchmesser verringert die Wölbung der Oberfläche und damit die wirkende Feldstärke im Betrieb der elektrischen Anlage.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung sind die Abschirmvorrichtungen jeweils drahtartig ausgebildet. Dies ist ein Vorteil, weil Drähte kostengünstig und leicht zu verarbeiten sind.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung weisen die Abschirmvorrichtungen einen metallischen Leiter auf. Dies ist ein Vorteil, weil mittels des metallischen Leiters das elektrische Feld beeinflusst werden kann.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung weisen die Abschirmvorrichtungen ein semileitfähiges Material auf. Dies ist ein Vorteil, weil semileitfähige Materialen zur Verfügung stehen, die vergleichsweise resourcenschonend produziert werden können und/oder leichter als metallische Materialien sind.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung weisen die Abschirmvorrichtungen an ihrer Oberfläche zumindest teilweise ein elektrisch isolierendes Material auf. Für die Isolierung können z.B. Isolierpapiere oder Nass-Umformungsstoffe eigesetzt werden. Weiterhin kann zur kompletten elektrischen Isolierung eine Einlagerung der elektrischen Anlage mit den Abschirmvorrichtungen in eine Isolierflüssigkeit vorgesehen werden. Als Isolierflüssigkeiten können beispielsweise Isolieröle auf Mineralöl- und Erdgasbasis, synthetischer und natürliche Ester, Fluoroketone sowie Silikonöle verwendet werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung sind die Abschirmvorrichtungen jeweils im Wesentlichen ringförmig ausgebildet. Dies ist ein Vorteil, weil bei einer ringförmigen Ausgestaltung Ecken vermieden werden, die die Feldstärke ungünstig beeinflussen können. Eine ovale Ausgestaltung ist dabei ebenso vorteilhaft.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung sind die Abschirmvorrichtungen jeweils im Wesentlichen rechteckförmig ausgebildet. Bei einer solchen rechteckförmigen Ausgestaltung können die Ecken des Rechtecks abgerundet werden, um keine zu hohen Feldstärkewerte zu erzeugen. Ein Vorteil dieser Bauform ist es, dass elektrische Anlagen häufig kastenförmig ausgebildet sind, wodurch sich eine im Wesentlichen rechteckförmige Abschirmung anbietet.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung weist die elektrische Anlage eine Hochspannungskomponente auf. Dies ist ein Vorteil, weil besonders bei Hochspannungskomponenten die Gefahr eines elektrischen Durchschlags einer Teilisolierstrecke oder eines vollständigen elektrischen Durchschlags der gesamten Isolierstrecke besteht. Daher ist eine erfindungsgemäße Abschirmung besonders günstig.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung weist die Hochspannungskomponente einen Stufenschalter für einen Transformator auf. Dies ist ein Vorteil, weil Stufenschalter häufig bei Transformatoren eingesetzt werden und aufgrund beengter Platzverhältnisse im Transformatorkessel eine möglichst kleine Bauform der Abschirmung bevorzugt wird.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung weist die Hochspannungskomponente mindestens ein Modul für einen Umrichter auf. Dies ist ein Vorteil, weil z.B. bei Mulitlevel Umrichtern die einzelnen Umrichtermodule häufig voneinander unterschiedliche Potentiale aufweisen, so dass im Falle einer einzigen Abschirmung auf einem einzigen Potential zur Einhaltung zulässiger Feldstärkewerte die Abschirmung entsprechend größer ausgelegt werden müsste. Ein vergrößerter Abstand bringt jedoch einen größeren Platzbedarf und entsprechend höhere Kosten mit sich.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung sind mehrere Abschirmvorrichtungen in axialer Richtung in einem vorgegebenen Abstand zueinander angeordnet. Hierdurch wird durch die Abschirmvorrichtungen eine Spirale nachgebildet, wobei die Achse beliebig ausgerichtet werden kann. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Achse bzw. Stapelrichtung der einzelnen Abschirmvorrichtungen senkrecht zur längsten Achse der elektrischen Anlage ausgerichtet ist.
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Zur besseren Erläuterung der erfindungsgemäßen Anordnung zeigen in schematischer Darstellung die
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1 zwei Halbleitermodule eines modularen Multilevel-Umrichters, und
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2 die beiden Halbleitermodule gemäß 1 mit einer Anordnung zur elektrostatischen Abschirmung, und
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3 einen erster Querschnitt in axialer Richtung durch einen Stufenschalter für einen Transformator mit einer Anordnung zur elektrostatischen Abschirmung, und
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4 eine Abschirmvorrichtung in einer Draufsicht, und
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5 einen Längsschnitt durch eine Trennstelle einer Abschirmvorrichtung, und
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6 die beiden Halbleitermodule gemäß 1 mit einer Anordnung zur elektrostatischen Abschirmung und Trennstellen, und
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7 einen zweiten Querschnitt in axialer Richtung durch einen Stufenschalter für einen Transformator mit einer Anordnung zur elektrostatischen Abschirmung.
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Die 1 zeigt zwei Halbleitermodule 2 eines modularen Multilevel-Umrichters, welche in einem Gehäuse bzw. Kessel angeordnet werden sollen. Aufgrund zum Teil sehr hoher Betriebs- und Prüfspannungen entstehen innerhalb des Kessels hohe Feldstärken, vor allem auch an den blanken Kanten der gezeigten Halbleitermodule.
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In 2 sind die Halbleitermodule 2 von einer erfindungsgemäßen Anordnung 3 zur elektrostatischen Abschirmung umgeben, wobei insgesamt zehn Abschirmvorrichtungen 4 eingesetzt werden. Die Anzahl und geometrische Anordnung der Abschirmvorrichtungen 4, insbesondere die benötigten Abstände zwischen den einzelnen Abschirmvorrichtungen 4, den Halbleitermodulen 2 und ggf. einem umgebenden Bauteil wie z.B. einem Kessel, ergeben sich aus Feldstärkeberechnungen wie sie mit handelsüblichen Computerprogrammen erstellt werden können. Dabei wird eine obere Schwelle für die höchste zulässige Feldstärke verwendet, die entsprechend der Erfahrung und Auslegungsvorgaben von Herstellern und Kunden festgelegt werden kann. In jedem Fall muss die obere Schwelle für die höchste zulässige Feldstärke derart gewählt sein, dass keine Durchschläge bzw. Teilentladungen auftreten.
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Jede Abschirmvorrichtung 4 besteht aus einem im Wesentlichen zur Rechteckform gebogenen Rohr, das zumindest teilweise aus Metall besteht. Die Abschirmvorrichtungen 4 bilden eine Art Spirale bzw. Käfig um die abzuschirmende elektrische Anlage, in diesem Fall die Halbleitermodule 2. Jede Abschirmvorrichtung 4 kann mit einem unterschiedlichen Potential verbunden werden. Es kann z.B. die obere Hälfte der Abschirmvorrichtungen 4 mit dem Potential des oberen Moduls 2 verbunden werden, während die untere Hälfte der Abschirmvorrichtungen 4 mit dem Potential des unteren Moduls 2 verbunden werden kann. Es ergeben sich damit zwei unterschiedliche Spannungen gegen Erde oder andere spannungsführende Teile. Wenn beide Module 2 das gleiche Potential aufweisen, so können alle Abschirmvorrichtungen 4 mit diesem Potential beaufschlagt werden.
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Damit entsteht ein elektrisch feldfreier Raum zwischen den Abschirmvorrichtungen 4 und den Halbleitermodulen 2. Entsprechend werden hohe Feldstärken an den metallischen Teilen der Halbleitermodule 2 verhindert. Die Abschirmung durch die Abschirmvorrichtungen 4 dient zum Schutz bei Wechselspannungsbeanspruchungen, transienten Beanspruchungen und Gleichspannungsbeanspruchungen. Die Halbleitermodule 2 und die Abschirmvorrichtungen 4 sind in einer elektrischen Isolierflüssigkeit eingelassen, welche gleichzeitig zur Kühlung der Halbleitermodule 2 dient.
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In der 3 ist einen erster Querschnitt in axialer Richtung durch einen Stufenschalter 5 für einen Transformator mit einer Anordnung zur elektrostatischen Abschirmung dargestellt, wobei die Anordnung 8 Abschirmvorrichtungen 4 aufweist. Die Abschirmvorrichtungen 4 können jeweils mit einem unterschiedlichen Potenzial belegt werden, wodurch eine Potenzialsteuerung in axialer Richtung entlang des Stufenschalters ermöglicht wird.
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Die 4 und 5 zeigen eine Abschirmvorrichtung 4 in einer Draufsicht und einen Längsschnitt durch eine Trennstelle 8 einer Abschirmvorrichtung 4. Die Abschirmvorrichtung 4 weist einen metallischen Leiter 14 mit Durchmesser 12 und/oder einen elektrisch semi-leitfähigen Werkstoff auf. Die Größe des Durchmessers 12, der für eine erfindungsgemäße Abschirmung notwendig ist, ist dabei z. B. abhängig von der Spannungshöhe, dem Abstand zu geerdeten Teilen und der Dicke der Isolierung. Der metallische Leiter 14 oder der semileitfahige Werkstoff ist mit einem Isolationsmaterial 15 mit Durchmesser 13 isoliert. Als Isolationsmaterial 15 kann ein Isolierpapier auf Zellulosebasis, ein synthetisch gewonnenes Isolierpapier oder ein Nass-Umformstoff eingesetzt werden. Die Dicke des Isolationsmaterials 13 ist von der Spannungsbeanspruchung der abzuschirmenden Hochspannungskomponente sowie der Spannungsbeaufschlagung des metallischen oder semi-leitfähigen Leiters abhängig. Die Abschirmvorrichtung 4 weist eine Trennstelle 8 auf, an dem die Enden der Abschirmvorrichtung 4 mit einem Abstand 81 beabstandet sind, um Kreisströme zu vermeiden. Die Abschirmvorrichtung weist eine Breite 10 und eine Tiefe 9 auf, wobei in den Eckbereichen ein Kurvenradius 6 ausgebildet wird. Abgebildet ist weiterhin ein Potentialanschluss 7.
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Die Abmessungen 6, 8, 9, 10, 12, 13 und 81 sind von der Baugröße der abzuschirmenden elektrischen Anlage abhängig und können aus herkömmlichen elektrostatischen Berechnungen der Feldstärke an der Oberfläche der Abschirmvorrichtung 4 hergeleitet werden.
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Die 6 zeigt zwei Halbleitermodule 2 mit insgesamt zehn Abschirmvorrichtungen 4, wobei die sechs größeren Abschirmvorrichtungen 4 jeweils mit einem axialen Abstand 18 beabstandet (Distanz jeweils auf die Mitte der Abschirmvorrichtungen bezogen) sind. Der Abstand zu einem umgebenden, geerdeten Kasten kann entsprechend ausgelegt werden.
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An der Ober- und Unterseite der Anordnung sind je zwei kleinere Abschirmvorrichtungen 4 vorgesehen, wobei sich ein Abstand 17 von der kleinsten Abschirmvorrichtung 4 zur mittleren Abschirmvorrichtung 4 und von dieser ein Abstand 19 zur größten Abschirmvorrichtung 4 ergibt. Die Trennstellen 8 sind jeweils gut sichtbar in einer Ebene übereinander angeordnet, wobei die Trennstellen jedoch beim Endprodukt durch die Isolierschicht aus Papier überdeckt sein können. Die Trennstellen können jedoch auch nicht in einer Ebene übereinander vorliegen, also verschoben sein.
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Die oberen Abschirmvorrichtungen 21 sind auf dem Potential des oberen Halbleitermoduls 2 und die unteren Abschirmvorrichtungen 22 sind auf dem Potential des unteren Halbleitermoduls 2.
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7 zeigt einen Stufenschalter mit zahlreichen Abschirmvorrichtungen 4, die in ihrer Anordnung auf die elektrischen Potentiale der Stufenschalterkomponenten 40 und 41 abgestimmt sind. Es geben sich die Abstände 30 bis 35, die auf herkömmliche Weise aus Berechnungen der Feldstärke hergeleitet werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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