KR20110118682A - 정전 차폐를 구비한 전기 장치 - Google Patents

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에이비비 테크놀로지 아게
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Abstract

1 kV 보다 높은 전압에서 바람직하게 동작하는 전기 장치는, 장치 외부의 전계 강도를 감소시키기 위한 정전 차폐를 포함한다. 유익하게, 정전 차폐는 물을 포함하는 유전체 인클로져에 의해 적어도 부분적으로 형성된다.

Description

정전 차폐를 구비한 전기 장치{ELECTRICAL APPARATUS WITH ELECTROSTATIC SHIELD}
본 발명은 전기 장치에 관한 것이며, 바람직하게는 1 kV를 초과하는 전압, 즉, 대략 1 kV와 50 kV 사이의 중간 전압 레벨 또는 50 kV를 초과하는 고 전압 레벨에서 동작하는 장치에 관한 것이며, 이 장치는 정전 차폐를 포함한다.
정전 차폐는 특정 영역의 필드 강도를 감소시키거나 필드의 공간적 분포를 단순히 변경하는 것과 같은 바람직한 방법으로 장치 주위의 전계의 분포에 영향을 주기 위해 전기 장치에 사용된다.
이러한 전기 장치는, 전력 변환기, 특히 전력 변환기의 부품으로서 변환기 밸브 스택과 같은, 예를 들어, 전력 변압기, 모터, 발전기, 전기 스위치기어, 리액터 인덕터 또는 전력 전자 디바이스일 수 있다.
이러한 모든 상이한 유형의 장치들에 있어서, 전기 장치에 의해 생성된 전계를 감쇠시키기 위해서 도전성 재료, 통상적으로, 금속으로 이루어진 하나 이상의 정전 차폐를 이용함으로써, 그 주변에서의 플래시오버 전압 또는 고장의 증가로 인한 주변의 유전체 파괴 확률을 감소시킴으로써 통상적으로 주위에 공기가 채워진 장치를 보호하는 것은 본 기술에 공지되어 있다.
정전 차폐를 구비한 전기 장치의 일례는, 칼럼의 형태, 즉, 밸브 스택의 형태로 구성된 변환기 밸브들을 포함하는 고전압 전력 변환기가 기술된 WO2007/149023A1에 제공되어 있다. 이 컬럼은 변환기를 냉각시키는데 사용되는 냉각 액체로 채워진 파이프들로 둘러싸이고, 이 파이프들은 부분적으로, 플라스틱, 부분적으로 금속으로 이루어지며, 파이프가 플라스틱으로 이루어지는 영역에서, 정전 차폐를 위해 파이프들의 외부 표면에 금속 스크린이 배치된다. 파이프가 금속으로 만들어진 영역에서, 이 파이프들은 전계 차폐 스크린의 기능을 갖는다. WO2007/149023A1에서, 파이프는, 추가적인 금속 스크린의 수를 감소시키기 위해서 가능한 곳이라면 금속으로 이루어진다. 일정한 접점에서만, 파이프와 냉각 블록들 간에 접속이 이루어지며, 이 냉각 블록들은 차례로 변환기 밸브들의 전력 반도체 디바이스들과 물리적으로 접촉하며, 이 파이프들은 전기 절연성 재료로 이루어진다. 이것은, 이러한 접속접들 사이에 상이한 전압 레벨이 존재하기 때문에 필수적이며, 이는 아이솔레이션이 제공되지 않는 경우 금속 파이프들 내부에 전류가 흐르게 한다.
전기 장치는 통상적으로, 전기 장치가 동작하는 전압 레벨이 증가함으로써 더욱 복잡해지고 값비싸진다. 따라서, 그 비용을 감소시키고 설계 및 구조를 단순화하기 위한 시도가 계속 진행 중이다.
따라서, 본 발명의 목적은 상술된 종류의 전기 장치를 단순화하도록 제안함으로써 설계 비용을 감소시키는 것을 제안하는 것이다.
본 발명의 목적은 청구항 제 1 항에 기재된 전기 장치에 의해 달성된다.
통상적으로, 저 농도의 미네랄과 그 이온을 가진 물 및 특히 순수 또는 탈이온수가 유전체로 알려진다. 순수의 저항력은 매우 낮기 때문에 심지어 이것은 절연체로도 사용된다.
본 발명은 이제, 물, 심지어는 유전체 인클로져 내에 포함된 저 이온수 또는 순수가, 정전 차폐로서 성공적으로 적용되기 충분하게 그 주변 영역의 정전장 강도의 분포에 영향을 주고 개선시킬 수 있다는 예상되지 않은 발견에 기초한다. 이것은, WO2007/149023A1에서와 같이, 정전 차폐가 통상적으로 도전성 재료로 이루어지고 유전체를 포함하는 유전체 인클로져로 이루어지지 않기 때문에 예상되지 않았다.
이 놀라운 발견의 결과로서, 본 발명에 따르면, 물을 포함하는 유전체 인클로져에 의해 적어도 부분적으로 형성하는 방식으로 전기 장치의 정전 차폐를 구성하는 것이 제안된다. 본 발명은 전기 장치의 더 쉬운 설계와 같은 상이한 이점을 갖는데, 유전체 인클로져는 심지어 장치의 도전성 부분에 매우 가깝거나 직접 접촉하여 배열되거나 상이한 전압 레벨에 있는 장치의 상이한 부분들 사이에 배열될 수 있기 때문이다. 다른 이점은 비용면에 있는데, 인클로져를 위한 유전체 재료, 바람직하게는 합성 재료와 유사한 플라스틱의 사용으로 인해, 통상적으로 인클로저의 제조 및 설치를 위한 비용이 낮아지는데, 금속과 비교하여 설계 가능도가 한층 더 변화되기 때문이다. 물 그 자체는 비교적 거의 비용이 들지 않는다.
본 발명의 바람직한 실시형태에서, 유전체 인클로져는 냉각수 회로의 일부이다. 중간 또는 고 전압 레벨, 즉, 1 kV를 넘는 전압에서 동작하는 전기 장치들에서 냉각 액체로서 물과 특히 순수의 사용은 매우 통상적이다. WO2007/149023에 기재된 바와 같이, 알루미늄과 같은 금속 또는 플라스틱 중 어느 하나로 이루어진 냉각 도관의 사용이 공지되어 있다. 플라스틱 도관의 경우, WO2007/149023에 따르면 별개의 전계 차폐 수단을 제공하는데 이것이 필수적이다. 전기 장치에 이미 존재하는 이러한 냉각수 회로에 본 발명을 적용할 경우, 별개의 전계 차폐 수단을 생략할 수 있음으로써, 전기 장치의 전체 설계를 단순화하고 그 무게, 그 재료의 비용 및 전기 장치의 제조 및/또는 설치를 위한 노력을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 추가적인 실시형태에서, 유전체 인클로져가 제 1 전압 레벨로 제 1 접속점에 연결된다. 상술된 바와 같이, 유전체 인클로져는 본질적으로 저 도전성을 갖는 이점을 가져 전기 장치의 전류가 흐르는 부분의 근처 또는 이곳과 직접 접촉하여 위치될 수 있다. 유전체 인클로져가 도전성이 아니기 때문에, 회로가 단락되는 어떠한 위험도 없이, 제 1 전압 레벨과는 상이한 제 2 전압 레벨로 제 2 접속점과 더 연결될 수 있다. 이것은 도전성 재료로 이루어지는 본 기술에 알려진 전기 차폐에 관한 명백한 이점이다.
본 발명의 또 다른 실시형태에서, 유전체 인클로져는 파이프와 같이 구성된다. 정전 차폐에 의해 커버될 필요가 있는 전기 장치의 실질적인 표면 영역의 경우, 여러 개의 이러한 파이프들은 서로 병렬로 위치될 수 있다. 파이프들이 냉각수 회로의 부분들과 동시에 있다면, 병렬 파이프들의 물이 상이한 방향으로 흘러들어갈 수 있다, 즉, 병렬 파이프들의 부분이 소위 인입하는 물을 포함할 수 있고 다른 부분은 인출되는 물을 포함할 수 있으며, 인입하는 물은 전지 장치로 흘러들어가는 저온의 신선한 물이고 인출되는 물은 전기 장치에 의해 가열되었던 전기 장치 밖으로 흘러나가는 물이다.
본 발명의 다른 특징 및 이점은 첨부된 도면과 연결하여 본 발명의 특정 실시형태의 다음의 상세한 설명으로부터 당업자에게 더욱 명확할 것이다.
도 1a는 본 기술에 알려진 전력 변환기 밸브 스택의 제 1 측면도를 도시한다.
도 1b는 도 1a의 전력 변환기 밸브 스택의 제 2 측면도를 도시한다.
도 2는 파이프 내의, 그리고 파이프 안에 물이 있는 그리고 파이프 안에 물이 없는 주위가 공기로 채어진 영역의 전압 분포를 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 정전 차폐를 구비한 도 1a 및 도 1b의 전력 변환기 밸브 스택을 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 정전 차폐를 각각 구비한 3개의 밸브 스택들을 구비한 전력 변환기를 도시한다.
도 1a는 WO2007/149023A1로부터 알려진, 전력 변환기 밸브 스택의, 소위 장변 (long side) 을 도시하고 도 1b는 소위 단변을 도시한다. 본원에 도시된 전력 변환기 밸브 스택은 2개의 변환기 밸브 (1, 2) 의 직렬 접속을 포함하며, 2 개의 변환기 밸브 (1, 2) 는, 변환기 밸브 (1 및 2) 내의 중첩된 층에 배치되고 직렬로 접속되는, 예를 들어, 사이리스터 또는 IGBT를 포함하는 전력 반도체 디바이스를 구비한다. 2개의 밸브 (1, 2) 는 실질적으로 직사각형의 단면을 가진 칼럼에서 차례로 상부에 배열된다. 칼럼의 일 단부 (3) 는 고 전위로 접속되도록 구성되는 반면, 다른 단부 (4) 는 AC/DC 전력 변환기의 DC 측 상에 저 전위로 접속되도록 구성된다. 2개의 단부 (3, 4) 사이의 전압이 고 전압 레벨, 즉, 50 kV 보다 높고, 대략 400 kV일 수도 있다. 직렬 접속되어 차례로 상부에 있는 4개 또는 심지어 8개의 변환기 밸브를 구비한 실시형태에서, 전압은 대략 800 kV 내지 1200 kV에 있다. 현재 밸브들은 통상적으로 대략 500 A 내지 5 kA이다. 서지 어레스터 (5, 6) 는 각각 변환기 밸브 (1, 2) 와 병렬로 접속되어 과전압에 대하여, 대응하는 변환기 밸브를 보호한다. AC 시스템은 변환기 밸브들 (1, 2) 사이의 중간점 (7) 에 접속되도록 의도된다.
이 전력 변환기 밸브 스택은, 2개의 유사한 이러한 밸브 스택들을 포함하는, 소위 6 펄스 브리지 구성, 또는 모두 합쳐 6개의 이러한 밸브 스택을 포함하는 12 펄스 브리지를 구비하는 3상 AC/DC 전력 변환기를 형성할 수도 있다. 그러나, 이 전력 변환기 밸브 스택이 단독으로, 단상의 AC 시스템과 접속되는 변환기의 변환기 밸브들 모두를 포함하는 것도 가능하다.
도 1a 및 도 1b의 알려진 젼력 변환기 밸브 스택은 이 형태의 밸브 스택을 통해 송신된 고 전력으로 인한, 그 동작 동안의 많은 가열 에너지를 소멸시키는 전력 반도체 디바이스의 냉각 수단을 구비한다. 냉각 수단은, 예를 들어, 전력 반도체 디바이스들과 접촉하여 배열되는 알루미늄의 냉각 블록들을 포함한다. 이러한 냉각 블록들은 냉각수 회로를 통해 흐르는 냉각수에 의해 냉각되고, 냉각수는, 도 1a 및 도 1b에 나타낸 바와 같은 밸브 스택 주위의 서펜타인 (serpentine) 으로 전환기 밸브 (1, 2) 의 흐름 경로를 따르는 루프에서 연장되는 파이프 (12) 내의 냉각 블록을 거쳐 통과한다. 파이프 (12) 내부의 냉각수가 순환되어 열을 냉각 블록으로부터 멀리 이동시킴으로써 전력 반도체 디바이스에서 열을 이동시킨다. 냉각수 다음 전류 경로가 오게 함으로써, 상이한 사이리스터들에 걸친 전압의 불균일한 분포가 최소로 감소된다.
밸브 스택의 장변에 위치한 파이프 (12) 는 플라스틱과 같은 전기적으로 절연이거나 유전체 재료 (13) 로 이루어지고, 밸브 스택의 단변에 위치한 파이프 (12) 는 알루미늄이나 스테인레스 스틸과 같은 금속 (14) 으로 이루어진다. 상이한 냉각 블록들이 밸브 스택의 컬럼의 내부의 단부들 (3 및 4) 사이의 대응하는 전력 반도체 디바이스들의 상대적인 위치에 따라서 상이한 전압 레벨들에 노출되기 때문에, 냉각 블록들과 파이프 (12) 사이에 전기 절연을 제공하기 위해서 부분적인 유전체 재료의 이용이 필수적이다. 파이프들 (12) 이 완전히 금속으로 이루어진 경우, 원하지 않는 전류가 내부에 흐를 수 있다. 밸브 스택의 단변에서 냉각 블록들과 파이프 (12) 사이에 물리적인 접촉이 없기 때문에서, 파이프들 (12) 은 금속 (14) 으로 이루어질 수 있다.
밸브 스택의 주위를 밸브 스택에 의해 생성된 전계로부터 차폐하는 수단이 전력 반도체 디바이스들의 층들 외부의 밸브 스택 주위에 배열될 필요가 있으며, 이것은 정전 스크린 (15) 을, 파이프 (12) 가 유전체 재료 (13) 로 이루어지는 영역 내의 파이프들 (12) 의 외부 상에, 즉, 밸브 스택의 장변 상에, 금속, 예를 들어, 알루미늄으로 이루어진 플레이트들의 형태로 배열함으로써 달성된다.
파이프 (12) 가 금속으로 이루어지는 밸브 스택의 단변에 있어서, 파이프 (12) 그 자체가 정전 차폐로서 기능하는데, 특히 3개의 파이프 (12) 가 차례로 위에 배열됨으로써 스크린을 형성한다. WO2007/149023에 언급된 바와 같이, 파이프 (12) 는 추가적인 정전 스크린의 수를 감소시키기 위해서 가능한 곳이라면 금속으로 이루어진다.
발명자는 이제, 파이프가 물을 포함하기만 한다면, 유전체 재료로 이루어지는 파이프들의 부분들도 충분히 정전 차폐로서 기능할 수 있다는 것을 발견했다.
도 2는 파이프 (8) 내의 그리고 공기로 채워진 영역의 주변 내의 전압 분포의 시뮬레이션 결과를 도시한다. 파이프 (8) 는 밝은 선으로 도시된다. 밝은 그래픽스에서, 파이프 (8) 는 순수로 채워지고, 왼쪽의 그래픽스에서, 파이프 (8) 내부에는 공기만 있다. 2개의 점 (10) 으로 도시된 바와 같이, 1 kV 보다 높은 전압이 파이프의 일 단부 (9) 에 가까운 파이프 (8) 의 내부와 외부에 인가된다. 물이 채워진 파이프의 경우, 전압 레벨은 파이프의 단부 (9) 로부터 600 V 아래의 레벨로 공기로 채워진 파이프와 비교하여 상당히 긴 거리로 강하한다. 방향 x에서 파이프 (8) 에 대하여 수직이고, 방향 y에서 파이프 (8) 와 나란하다는 것은 참이다. 또한, 왼쪽의 공기로 채워진 파이프의 안과 주위에 나타나는 동일한 전압 레벨의 거의 규칙적인 링들은 오른쪽의 물로 채워진 파이프에 의해 달걀 모양으로 변형된다. 이 효과는 다른 유전체 재료와 비교하여 물의 상대적인 고 유전율을 설명한다.
이 시뮬레이션 이외에도, 더 높은 전압 레벨에서 테스트가 실시되며, 이는 1 kV에 대하여 획득된 시뮬레이션 결과들이 수 백 kV 이상으로 추론될 수 있다는 것이 예상될 수 있다는 것을 증명한다. 또한, 전기 장치의 외부를 따라 순수를 포함하는 파이프들의 배열은, 과전압의 전환 및 과전압의 갑작스러운 변화 둘 모두에 대하여 그 주변 공기의 유전체 강도를 증가시킨다는 것이 추가적으로 증명되었다.
도 3은 본 발명이 도 1의 전력 변환기 밸브 스택에 어떻게 유리하게 적용되는지를 도시하며, 동일한 컴포넌트들은 동일한 도면 부호로 표시되었다. 전력 변환기 밸브 스택의 이 실시형태 및 다른 실시형태들 이외에도, 본 발명은 다른 형태의 전기 장치, 특히 중간 또는 고 전압 레벨에서 동작하는 모터, 발전기, 전력 변압기, 리액터 인덕터 또는 전기 스위치기어와 같은 것들에도 적용될 수도 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 모든 금속 정전 스크린 (15) 이 생략됨으로써 밸브 스택의 무게, 재료 및 설치 비용을 상당히 감소시킨다. 밸브 스택의 컬럼 (24) 주변에 있는 그리고 전력 반도체 디바이스들을 냉각시키는 수단의 냉각수 회로에 속하는 모든 파이프 (20) 는 플라스틱으로 이루어진다. 서펜타인들의 각 권회에 대하여 차례로 위에 있는 3개의 파이프들의 평행한 배열은 밸브 스택의 장변과 단변 둘 모두에서 정전 차폐를 생성하여 밸브 스택에 의해 생성된 전계를 충분히 감쇠한다. 이로써, 파이프 (20) 는 동시에 2개의 기능: 냉각 및 정전 차폐를 수행한다.
도 4에서 3개의 동일한 밸브 스택 (21) 이 변환기 홀 (hall)(25) 에 배열되며, 변환기 홀 (25) 은 4개의 측벽을 가지며, 2개의 측벽 (26 및 27) 이 도시되며, 플로어 (28) 와 실링도 도시된다. 3개의 밸브 스택 (21) 이 서로 전기적으로 접속되어 AC/DC 전력 변환기를 형성한다. 전기적인 연결 이외에도, 3개의 밸브 스택 (21) 의 냉각수 회로들은 마찬가지로, 상호접속부 (22' 및 23') 로부터 볼 수 있는 바와 같이 서로 연결된다. 밸브 스택 (21) 은 주로, 3개의 파이프 (20) 대신, 2개의 파이프 (22 및 23) 만이 나란히 그리고 차례로 위에 배열되는 점이 도 3의 밸브 스택과 상이하다. 파이프 (22) 는 측벽 (27) 을 통해 냉각수 회로로 펌핑되는 유입수를 포함하고 파이프 (23) 는 유출수를 포함한다. 물 내부에 원하지 않는 전류 흐름을 감소시킴으로써 원하지 않는 전력 손실을 감소시키기 위해서 냉각수는 바람직하게는 탈이온수일 수도 있다. 그러나, 상기 손실들이 문제되지 않고 특별한 측정에 의해 계산될 수 있는 경우, 이온수를 사용하는 것도 가능하다.
도 4에서 알 수 있는 바와 같이, 3개의 밸브 스택 (21) 이 8개의 절연체 (30) 를 경유하여 실링에 모두 매달려있다. 지진 댐핑 엘리먼트 (29) 만이 각각의 밸브 스택 (21) 과 그라운드 플로어 (28) 사이에 배열되며, 이는 지진이 일어날 경우 각각의 밸브 스택 (21) 의 이동을 감소시킨다. 따라서, 어떤 정전 차폐가 금속으로 이루어지는 것을 방지함으로써 감소된 무게는 분명히 유리하다.
도 3 및 도 4에 도시된 실시예에서, 물을 포함하는 유전체 인클로져가, 대응하는 밸브 스택의 칼럼 주위에 수 개의 서펜타인 루프로 연장되는 파이프들로서 임베딩되어, 칼럼의 내부가 부분적으로 커버된다. 이외에도, 파이프들이 칼럼의 바닥 및/또는 상부의 부분들을 마찬가지로 커버한다. 일반적으로, 유전체 인클로져의 어떤 기하학적 형태나 형상도 가능하게 사용될 수 있으며, 이는 플라스틱과 같은 합성 재료는 공지된 제조 방법을 통해 임의의 형상으로 쉽게 주어질 수 있기 때문에 제조 관점에서 문제가 되지 않는다.

Claims (10)

  1. 장치 외부의 전계 강도를 감소시키기 위해 정전 차폐를 포함하는 전기 장치로서,
    상기 정전 차폐는 물을 함유하는 유전체 인클로져에 의해 적어도 부분적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 전기 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기 장치는 1 kV 보다 높은 전압에서 동작되는, 전기 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 유전체 인클로져는 냉각수 회로의 일부인, 전기 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유전체 인클로져는 플라스틱으로 제조되는, 전기 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 물은 탈이온수인, 전기 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유전체 인클로져는 제 1 전압 레벨로 제 1 접속점과 연결되는, 전기 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 유전체 인클로져는 제 2 전압 레벨로 제 2 접속점과 연결되는, 전기 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유전체 인클로져는 파이프로서 배열되는, 전기 장치.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 장치는 전력 변환기 밸브 스택인, 전기 장치.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 장치는 50 kV 보다 높은 전압에서 작동되는, 전기 장치.
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