SE504399C2 - Strömriktaranläggning i kapslat utförande - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 504 399 ten med publiceringsnummer 0 172 554, tentskrifterna 4 077 057 och 4 142 230, är det känt att vid t ex en HVDC-strömriktare varje halvledarventil kan anordnas eller genom USA-pa- gasisolerad och kapslad, vilket möjliggör utomhusuppställ- ning. Härvid är varje ventil (eventuellt en halv ventil eller tvä seriekopplade halva ventiler) anordnad i en sepa- rat kapsling. En HVDC-strömriktare bestär vanligen av tva seriekopplade trefasiga sexpulsbryggor och har alltsa 12 halvledarventiler. Fördelar med detta utförande är att kaps- lingarna med de däri monterade ventilerna kan färdigställas helt och hället helt bortfaller. rata kapslingar vid fabrik och att behovet av ventilhallar Det stora antalet ventiler med sina sepa- gör dock att en strömriktaranläggning blir komplicerad och fär ett relativt högt pris. Till detta bidrar bl a behovet av att förse varje kapsling med organ för överförande, mellan jordpotential och den i allmänhet pä hög likspänningspotential liggande kapslingen, av gas för isolation och ventilation, av ett kylmedium (gas eller vätska) och av styr- och informationssignaler till och fràn ventilen. Färdigställandet av ventilerna i fabrik har ocksa vid hittillsvarande ventilutföranden inneburit relativt höga transportvikter.

Genom USA-patentskriften 3 445 747 är en helkapslad oljeiso- lerad halvledarströmriktare känd, där alla strömriktarens ventiler är anordnade i ett gemensamt utrymme och tillsam- mans med strömriktartransformatorn bildar en enda fysisk enhet. Detta skulle vid de höga spänningar och effekter, som uppfinningen avser, medföra sä stora dimensioner och trans- portvikter att det beskrivna utförandet blir helt oanvänd- bart.

Genom artikeln "Cabora Bassa HVDC Transmission: Oil Coled Thyristor Valves", F C Beriger, J Hengsberger, G W Juette, IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, vol. PAS- 94, no.3, May/June 1975, s 1061-1071, är en utomhusuppställd HVDC-anläggning känd, vilken har oljeisolerade halvledarven- tiler med ventilerna monterade tvä och tva i oljefyllda tan- 10 15 20 25 30 35 S04 399 kar. Varje tank innehàller därvid de tva till ett och samma växelströmsuttag anslutna ventilerna hos en sexpulsbrygga.

Eftersom varje tank innehàller tvà halvledarventiler med deras ström- och spänningsderivatabegränsande reaktorer blir dimensioner och transportvikter höga. En ytterligare nackdel är att manga kapslingar behövs (sex kapslingar vid en 12- pulsströmriktare) och att bäda likströmsanslutningarna hos varje kapsling mäste vara isolerade fràn kapslingen, vilket kräver stora isolationsavstànd mellan ventilerna och kaps- lingen.

REDOGÖRELSE FÖR UPPFINNING EN Uppfinningen avser att àstadkomma en strömriktaranläggning av inledningsvis angivet slag, vilken erbjuder en enklare och mera ekonomisk uppbyggnad än kända anläggningar av aktu- ellt slag, vid vilken transportvikterna och transportdimen- sionerna kan nedbringas väsentligt, och vilken möjliggör en bättre kylning av ventilernas reaktorer och ett effektivare överspänningsskydd för ventilerna.

Vad som kännetecknar en strömriktaranläggning enligt uppfin- ningen framgàr av bifogade patentkrav.

Genom att en gemensam kapsling anordnas för varje ventil- grupp erhälles en väsentlig förenkling av uppbyggnaden och en reduktion av vikt och kostnader. Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen utföres ventilgruppernas kaps- lingar delbara, och härigenom uppnás en förenkling av mon- taget och en reduktion av transportvikter och -dimensioner.

Enligt en ytterligare föredragen utföringsform anordnas ven- tilernas ström- och spänningsderivatabegränsande reaktorer utanför ventilgruppens kapsling, vilket har visat sig ge en ytterligare väsentlig reduktion av transportvikterna och vidare möjlighet till ett förbättrat överspänningsskydd för halvledarventilerna. 10 15 20 25 30 35 504 399 FIGURBESKRIVNING Uppfinningen skall i det följande närmare beskrivas i anslutning till bifogade figurer 1-5. Figur 1 visar schema- tiskt uppfinningen tillämpad vid en 12-pulsig HVDC-strömrik- tare. Figur 2a och 2b visar ett exempel pa en pol hos en strömriktaranläggning enligt uppfinningen. Figur 3 visar hur uppfinningen kan tillämpas vid en s k back-to-back-strömrik- tare. Figurerna 4a, 4b och 4c visar ett exempel pä en kaps- ling för en ventilgrupp. Figur Sa och 5b visar en annan utföringsform av en kapsling enligt uppfinningen med tillhö- rande derivatabegränsande reaktorer.

BESKRIVNING AV UTFÖRINGSEXEMPEL Figur l visar en 12-pulsströmriktare enligt uppfinningen för en pol i en en- eller tvàpolig HVDC-överföring. Den bestär pa känt sätt av tva likströmsmässigt seriekopplade sexpul- siga trefasbryggor BI och BII. Varje brygga har sex tyris- torventiler, var och en bestående av ett flertal seriekopp- lade tyristorer, exempelvis ventilerna TYIl, TYI3 och TYI5, vilka tillsammans utgör den i figuren övre av bryggans BI bada ventilgrupper (trepulsgrupper) VIa och VIb. Varje brygga har tva likströmsanslutningar, LAIa, LAIb respektive LAIIa, LAIIb, samt tre fasanslutningar, VAIA, VAIB, VAIC respektive VAIIA, VAIIB, VAIIC. Bryggornas fasanslutningar är via transformatorer TI, TII anslutna till ett växelspän- ningsnät AC, varvid transformatorerna har skilda kopplings- vinklar sä att den önskade tolvpulsiga driften erhålles.

Varje ventilgrupp i en brygga har en likströmsanslutning, vilken är densamma som en av bryggans likströmsanslutningar, samt tre fasanslutningar, vilka är desamma som bryggans fasanslutningar. Varje ventil i en ventilgrupp (t ex TYIl) är ansluten mellan ventilgruppens (VIa) likströmsanslutning (LAIa) och en av ventilgruppens fasanslutningar (VAIA).

Enligt uppfinningen är varje ventilgrupp försedd med en separat kapsling, KAIa, KAIb, KAIIa, KAIIb. Dessa är visade 10 15 20 25 30 35 504 399 med streckade linjer i figuren. Kapslingarna utgörs av metallhus, i vilka ventilerna är monterade. Varje kaps- ling/hus är elektriskt förbunden med likströmsuttaget hos den i huset monterade ventilgruppen. Huset kommer pä detta sätt att ligga pä en förhållandevis fast och väldefinierad likspänningspotential, vilket medför att radiostörningar hälls vid ett minimum.

Husen med ventilgrupperna är lämpligen monterade pá isole- rande plattformar och försedda med anslutningar för signa- ler, ventilation och kylning pä det sätt som beskrivs i den ovan nämnda internationella patentansökningen WO 93/17488.

Fgur 2a visar mera i detalj ett exempel pà hur de olika enheterna i en strömriktare av det i figur l visade slaget kan vara placerade i förhällande till varandra. Strömriktar- anläggningen är i figuren sedd ovanifrän. De i kapslingarna anordnade ventilerna är visade med streckade linjer. Figuren visar de fyra kapslingarna KAIa - KAIIb, vilkas ventilgrup- per är likströmsmässigt seriekopplade mellan stationens neutralskenä N och pol P, vilken senare via en glättnings- reaktor GR är förbunden antingen med en likströmslinje eller - vid en back-to-back-koppling - direkt med en annan ström- riktare i samma station. De bäda ventilgrupperna i samma sexpulsbrygga har sina fasanslutningar förbundna med var- andra med hjälp av skenor SAI, SBI, SCI respektive SAII, SBII, SCII. Till dessa skenor är de bada transformatorerna TI och TII anslutna.

Pä gängse sätt är ventilerna försedda med ström- och spän- ningsderivatabegränsande reaktorer. I stället för att pä vanligt sätt anordna dessa reaktorer i själva ventilen är de enligt uppfinningen anordnade utanför ventilgruppernas kaps- lingar. Varje ventil är seriekopplad med en reaktor, och de fyra ventilgruppernas reaktorer bildar de i figuren visade reaktorgrupperna DRIa, DRIb, DRIIa, DRIIb. 10 15 20 25 30 35 504 399 Figur 2b visar mera i detalj en av kapslingarna, nämligen kapslingen KAIIb med tillhörande reaktorgrupp DRIIb. Kaps- lingen har genomföringarna IBIIbA. IBIIbB, IBIIbC. Reaktor- gruppen bestär av de tre reaktorerna DRIIbA, DRIIbB, DRIIbC.

Reaktorerna är för minskande av deras emission av radiostör- ningar försedda med elektriskt ledande kapslingar, hus, skärmar eller liknande som helt eller delvis omger reakto- rerna, och dessa kapslingar eller motsvarande är elektriskt förbundna med varandra och med ventilgruppens kapsling KAIIb .

Ventilavledare VAIIbA, VAIIbB, VAIIbC för skydd av ventilerna mot överspänningar är anslutna parallellt med varje ventil. De kan antingen som visas i figur 2b vara anordnade utanför ventilgruppens kapsling eller, som nedan skall beskrivas, vara anordnade inuti denna.

Figur 3 visar ett exempel pä hur uppfinningen kan tillämpas vid en s k back-to-back-strömriktare. En sädan bestär av tvà i samma station anordnade strömriktare för styrbar effekt- överföring mellan tva växelspänningsnät. Figuren visar de tvä strömriktarna SRl och SR2. Varje strömriktare är uppbyggd pä det i figurerna 1 och 2 visade sättet, med en kapsling KA för varje trepulsgrupp och med reaktorer DR, och är därför endast schematiskt visad. Strömriktarna är pä sina vàxelströmssidor anslutna till de bada trefasnäten ACl och AC2 och har sina likströmssidor förbundna med hjälp av skenorna BBl och BB2. I skenan BBl är en glättningsreaktor GR inkopplad.

Figur 4 visar ett exempel pä en kapsling enligt uppfinningen för en ventilgrupp. Figur 4a visar kapslingen sedd fràn sidan, figur 4b kapslingens likspänningssida och figur 4c visar kapslingen sedd uppifrän. Kapslingen utgörs av ett metallhus med tre genomföringar IBA, IBB, IBC, vilka utgör ventilgruppens fasanslutningar och är anslutna till skenorna SA, SB, SC. Huset är utfört i tre delar, KAA, KAB, KAC.

Delningslinjerna mellan de tre delarna är visade med de l0 15 20 25 30 35 504 399 streckade linjerna Q-Q och R-R i figurerna. Varje kapslingsdel är anordnad för montering av en av de tre ventiler som utgör ventilgruppen. Salunda är exempelvis i kapslingsdelen KAC en ventil monterad, vilken bestar av de sex tyristormodulerna MCl - MC6. Dessa ar placerade i tre nivaer ovanför varandra, tva moduler pa varje nivà, och elektriskt seriekopplade. Pa samma satt bestar den i kapslingsdelen KAA anordnade ventilen av de sex modulerna MAl - MA6 och den i kapslingsdelen KAB anordnade ventilen av de sex modulerna MBl - MB6. Varje modul bestar pa i och för sig känt sätt av ett flertal, t ex sex, seriekopplade tyris- torer med tillhörande organ för spänningsdelning, skydd, styrning, kylning osv. De tre ventilernas anoder ar elekt- riskt förbundna med varandra, med metallkapslingen KAA/KAB/KAC och med likströmsanslutningen LA.

De tre husdelarna tillverkas var för sig, varefter tyristor- modulerna monteras in i varje del. Detta kan göras mycket enkelt eftersom varje del är öppen fran minst en sida och atkomligheten därför blir god. Härefter monteras delarna ihop och erforderlig provning utförs. Efter provningen mon- teras kapslingen isär i sina tre delar. Dessa förses (med kvarsittande tyristormoduler) med provisoriska sidoväggar för skydd under transporten och transporteras var för sig till uppställningsplatsen, där de slutligen monteras ihop och tas i drift.

Figur 5 visar en annan föredragen utföringsform av en ven- tilgrupp med kapsling. Figur Sa visar ventilgruppen med tillhörande reaktorgrupp sedd fran sidan, och figur Sb visar samma enheter sedda uppifran. Pa samma sätt som beskrivits i anslutning till figur 4 bestar ventilgruppens kapsling av tre delar, KAA, KAB, KAC, var och en med en av ventilgrup- pens tre ventiler och med tillhörande genomföring IBA, IBB, IBC. Varje ventil bestar i det visade exemplet av sex tyris- tormoduler, av vilka t ex modulerna MCl - MC6 är visade i figur Sa. Modulerna är anordnade i tva nivaer ovanför var- andra. Genom att varje ventil är förbunden med huset i sin i 10 15 20 25 30 35 504 399 figuren vänstra ände, och genom att modulerna är förbundna med varandra pä det i figuren visade sättet, är spänningen mellan ventilen och huset noll vid likströmsanslutningen LA och växer successivt mot genomföringen IBA/IBB/IBC. Huset utföres därför lämpligen pä det i figuren visade sättet med lägst höjd vid likströmsanslutningen och med successivt i riktning mot genomföringarna ökande höjd. Härigenom erhälles med ett minimum av husdimensioner tillräckligt isolations- avständ mellan varje modul och husets vägg. Ventilavledarna är vid denna utföringsform placerade inuti ventilgruppens kapsling, och denna kan som visas i figur Sa vid behov ges sädan utformning att tillräcklig höjd erhälles för montage av ventilavledarna. Kapslingen, som i allmänhet är belägen pä en hög likspänningspotential i förhållande till jord, är anordnad pä isolatorer, av vilka isolatorerna IS1 och IS2 är visade i figuren, vilka i sin tur uppbärs av ett fundament Fl.

De tre till ventilgruppen hörande reaktorerna DRA, DRB, DRC är som visas i figuren monterade pä isolatorer (t ex ISC) som uppbärs av lämpliga fundament (F2).

De ovan beskrivna utföringsformerna av uppfinningen är endast exempel, och ett stort antal andra utföringsformer är tänkbara inom uppfinningens ram.

Uppfinningen har sàlunda beskrivits ovan för det i praktiken helt dominerande fall dä strömriktarna i anläggningen är anslutna till trefasiga växelspänningsnät. Andra fastal än 3 kan dock tänkas. Vidare har ovan endast beskrivits l2-pul- siga strömriktare sammansatta av tvä seriekopplade sexpuls- bryggor. Även andra former av strömriktare kan användas vid en anläggning enligt uppfinningen, t ex sexpulsiga eller 24- pulsiga strömriktare.

Ovan har endast det fall beskrivits, där varje ventilgrupp är trepulsig och dess kapsling är delbar i tre delar, en för varje ventil i gruppen. Alternativt kan inom uppfinningens 10 15 20 25 30 35 504 399 ram andra former av delbara kapslingar användas. Likasä kan om sä önskas en ventilgrupp utföras med en icke delbar kaps- ling. Detta kan speciellt vara lämpligt vid lägre driftspän- ningar, eftersom kapslingarnas dimensioner och vikt dä blir lägre och en uppdelning kan vara obehövlig ur transportsyn- punkt. I synnerhet vid back-to-back-strömriktare kan det vara lämpligt med icke uppdelade ventilgruppskapslingar, eftersom sädana strömriktare i allmänhet arbetar vid lägre spänning.

I de ovan beskrivna strömriktarna bestär varje ventil av sex tyristormoduler, men beroende av tyristorernas spännings- hàllfasthet och anläggningens driftspänning kan antalet moduler vara större eller mindre.

Vid de ovan beskrivna exemplen är ventilernas ström- och spänningsderivatabegränsande reaktorer anordnade utanför ventilgruppernas kapslingar. Alternativt kan de i stället anordnas inuti ventilgruppskapslingarna, exempelvis ingä i tyristormodulerna.

Ovan har uppfinningen beskrivits tillämpad vid tyristor- strömriktare. Uppfinningen kan dock tillämpas vid strömrik- tare med andra typer av halvledarventiler, exempelvis diod- likriktare.

Som framgär av ovanstående beskrivning erbjuder en strömrik- taranläggning enligt uppfinningen väsentliga fördelar jäm- fört med tidigare kända anläggningar av samma slag. Genom att en gemensam kapsling anordnas för ventilerna i en och samma ventilgrupp erhälles en väsentligt enklare och ekono- miskt fördelaktigare uppbyggnad än om pà känt sätt varje ventil eller halvventil förses med en egen separat kapsling.

Antalet kapslingar blir väsentligt lägre - i det typiska fallet endast en tredjedel sä stort - och därigenom reduce- ras avsevärt kostnaden för själva kapslingarna, och försörj- ningen av ventilerna med kylning, ventilation, styr- och informationssignaler etc förenklas väsentligt. lO 15 20 25 30 35 10 504 399 Genom att enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen ventilgruppernas kapslingar görs delbara, och dä företrädes- vis sä att varje del innehäller en enda ventil, uppnäs att transportvikter och -dimensioner kan hàllas läga även om allt monteringsarbete (utom det slutliga hopfogandet av kapslingsdelarna) utförs i fabrik före transporten till upp- ställningsplatsen. Denna fördel är speciellt viktig vid anläggningar för höga driftspänningar och därmed med stora dimensioner pä ventilgruppskapslingarna. Genom att kapsling- arna utförs delade blir vidare deras inre enkelt ätkomligt frän sidan, varigenom montaget av tyristormodulerna förenk- las.

Vid de ovan beskrivna föredragna utföringsformerna är venti- lernas ström- och spänningsbegränsande reaktorer anordnade utanför ventilgruppskapslingarna. Härigenom uppnàs flera fördelar. Eftersom reaktorernas vikt utgör en väsentlig del av en ventils totalvikt - i ett typiskt fall cirka en tred- jedel - fas en motsvarande kraftig reduktion av transport- vikten för ventilgruppskapslingen eller dess delar. Kyl- ningen av reaktorn blir vidare väsentligt bättre vid den beskrivna placeringen utomhus än vid placering inuti ventil- gruppskapslingen med dess högre temperatur. Slutligen möj- liggör den beskrivna placeringen av reaktorerna att ventil- avledarna för skydd av ventilerna mot överspänningar pà det ovan beskrivna sättet placeras direkt över ventilernas seriekopplade halvledarelement i stället för över kombina- tionen av ventilens halvledarelement och reaktorer. Det har visat sig att denna placering enligt uppfinningen ger lägre överspänningar och ett effektivare skydd av ventilerna.

Enligt en vidareutveckling av den sistnämnda utföringsformen är ventilavledaren placerad inuti ventilgruppens kapsling.

Detta möjliggör en enklare och mera ekonomisk utformning av avledaren, vilken vidare skyddas mot nederbörd, nedsmutsning och annan miljöpåverkan.

Claims (10)

1. 0 15 20 25 30 35 11 504 399 Vid de ovan beskrivna ventilgrupperna är tyristormodulerna anordnade i tva eller tre nivàer ovanför varandra. Denna anordning av modulerna pá flera nivåer ger en kompakt upp- byggnad. Speciellt fördelaktig är den i figur 5 visade utfö- ringsformen, där man genom det visade sättet att seriekoppla modulerna uppnar att spänningen mellan till varandra angrän- sande moduler inte blir högre än en "modulspänning“. PATENTKRAV l. Strömriktaranläggning för hög spänning och hög effekt, i kapslat utförande för utomhusplacering, och inne- fattande ett flertal gasisolerade ventilgrupper (t ex VIa), vilka var och en har för an- - ett flertal fasanslutningar (VAIA, VAIB, VAIC) slutning till faserna hos ett flerfasigt växelspännings- nät (AC), - en likströmsanslutning (LAIa). Qch - ett flertal halvledarventiler (TYIl, TYI3, TYI5), var och en ansluten mellan likströmsanslutningen och en fasanslut- ning, k ä n n e t e c kn a d a v att var och en av ventilgrupperna (t ex VIa) är anordnad skild frän övriga ventilgrupper i en separat kapsling (KAIa) som är gemensam för ventilerna i ventilgruppen.

2. Strömriktaranläggning enligt patentkravet l innefat- tande en trefasig sexpulsig strömriktarbrygga (t ex BI) med (VAIa, VAIb), kannetecknad (KAIa, tva trepulsiga ventilgrupper a\/ att anordningen innefattar en separat kapsling KAIb) per. för var och en av strömriktarbryggans bada ventilgrup-

3. Strömriktaranlàggning enligt patentkravet 2 för en en- eller tvápolig kraftöverföring med högspänd likström, vilken för varje pol innefattar tvä seriekopplade sexpulsiga ström- (BI, BII), riktarbryggor k ä n n e t e c k n a d a v att anord- 10 15 20 25 30 35 12 504 399 ningen för varje pol innefattar fyra separata kapslingar (KAIa, KAIb, KAIIa, KAIIb), en för varje ventilgrupp.

4. Strömriktaranläggning enligt nagot av föregående patentkrav kännetecknad av att kapslingen för en ven- tilgrupp är för transport delbar i ett flertal delar (KAA, KAB, KAC).

5. Strömriktaranläggning enligt patentkravet 4 känne- tecknad av att kapslingen är delbar i ett antal delar lika med antalet ventiler i ventilgruppen.

6. Strömriktaranlàggning enligt patentkravet 5 känne - tecknad av att varje kapseldel (t ex KAC) är anordnad att inrymma en halvledarventil (MCl - MC6) _

7. Strömriktaranläggning enligt nagot av föregående patentkrav k ä n n e t e c k n a d av att kapslingen är elekt- riskt ansluten till likströmsanslutningen (LA) .

8. Strömriktaranlaggning enligt nagot av föregaende patentkrav k ä n n e t e c k n a d a v att den innefattar en (DRA, DRB, för varje ventil i en ventilgrupp, vilka reaktorer är ström- och spänningsderivatabegränsande reaktor DRC) anordnade utanför ventilgruppens kapsling och anslutna till var sin av ventilgruppens fasanslutningar.

9. Strömriktaranläggning enligt patentkravet 8 k ä nn e - (RSA, RSB, RSC) som är elektriskt förbundna med ventilgruppens kapsling. t e c k n a d a v att reaktorerna har skärmar

10. Strömriktaranläggning enligt patentkravet 8 känne - tecknad av att ett överspänningsskydd (VAC) är anordnat för en ventil i form av en ventilavledare ansluten mellan (LA) ventilgruppens likströmsanslutning och dess fasanslut- ning. 10 13 504 399 ll Strömriktaranläggning enligt patentkravet 10 kär1ne- tec:kr1ad. awr att ventilavledaren är anordnad inuti ventil- gruppens kapsling (KA). 12 Strömriktaranläggning enligt nagot av föregàende patentkrav, vid vilken varje ventil bestar av ett flertal elektriskt seriekopplade moduler (t ex MCl - MC6), var och en innefattande ett flertal seriekopplade halvledarkomponen- ter, kännetecknad av att de till en och samma ventil hörande modulerna är anordnade i ett flertal nivàer ovanför varandra.