WO2017144241A1 - Arrangement for electrostatically shielding an electric system - Google Patents

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WO2017144241A1
WO2017144241A1 PCT/EP2017/051927 EP2017051927W WO2017144241A1 WO 2017144241 A1 WO2017144241 A1 WO 2017144241A1 EP 2017051927 W EP2017051927 W EP 2017051927W WO 2017144241 A1 WO2017144241 A1 WO 2017144241A1
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shielding
shielding devices
potential
devices
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PCT/EP2017/051927
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Ronny Fritsche
Jochen METH
Vassil VELKOV
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/34—Special means for preventing or reducing unwanted electric or magnetic effects, e.g. no-load losses, reactive currents, harmonics, oscillations, leakage fields
    • H01F27/36—Electric or magnetic shields or screens
    • H01F27/363—Electric or magnetic shields or screens made of electrically conductive material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H9/00—Details of switching devices, not covered by groups H01H1/00 - H01H7/00
    • H01H9/0005—Tap change devices
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    • H01F27/34—Special means for preventing or reducing unwanted electric or magnetic effects, e.g. no-load losses, reactive currents, harmonics, oscillations, leakage fields
    • H01F27/36—Electric or magnetic shields or screens

Definitions

  • the invention relates to an arrangement for the electrostatic shielding of an electrical system with an electrical system surrounding the shielding device, which can be acted upon by a first electrical potential.
  • Impact widths for example, between the electrical components and adjacent electrical components and surrounding boiler elements of a transformer chosen large enough to limit the electric field strengths at the surfaces.
  • this approach is often not without problems, because due to the available space for an electrical system, the distances between the components can not be arbitrarily increased and increase in larger systems accordingly, the cost of production, transport and disposal.
  • With regard to the isolation of electrical In the past, mains-guided and self-commutated diode semiconductors were previously only air-insulated.
  • the invention has the technical task of specifying an arrangement for electro ⁇ static shielding an electrical system, with the comparatively small footprint improved homogenization of the electric Feldstäke in operation of the system is guaranteed.
  • the invention solves this problem by an arrangement for the electrostatic shielding of an electrical system with a peripheral electrical system shielding device, which is acted upon by a first electrical potential, characterized in that at least one further electrical system surrounding the shielding device is provided with another Potential can be acted upon as the first electrical potential.
  • a shield can be provided at the respective potential of the module.
  • This approach allows Light even better adaptation of the shield to the corresponding system, so that the present invention of several shields existing electrostatic total shielding of the system compared to a previous design with only a single shield smaller, closer to the electrical system and possibly surrounding assemblies such a Transforma ⁇ torkessel and thus can be carried out space-saving. This saves costs for production, transport and disposal of the electrical system with the shield.
  • each shielding device has a potential connection. This is an advantage, because in this way each shielding device can be acted upon by its own potential connection with a potential.
  • At least one of the shielding devices can be acted upon by the electrical potential of the system during operation. This is an advantage because it gives an improved electrostatic shield.
  • the shielding devices each have a separation point to avoid ring currents. This is an advantage because interfering electrical and magnetic fields can be ent ⁇ by ring currents eg in closed conductor loops.
  • the shielding devices are each formed like a tube. This is an advantage, because with egg ⁇ nem tube a comparatively large outer diameter with low weight and material usage can be achieved. A large outer diameter reduces the curvature of the surface and thus the effective field strength in the operation of the electrical system.
  • the shielding devices are each designed like a wire. This is an advantage because wires are inexpensive and easy to work with.
  • the shielding devices have a metallic conductor. This is an advantage because the electric field can be influenced by means of the metallic conductor.
  • the shielding devices have a semiconductive material. This is an advantage because semi-conductive materials are available that can be produced comparatively resource-conserving and / or lighter than metallic materials.
  • the shielding devices have on their surface at least partially an electrically insulating material.
  • Isolation papers or wet-forming materials can be used for the insulation.
  • a storage of the electrical system can be provided with the shielding in an insulating liquid for complete electrical insulation.
  • Isolier65kei ⁇ th example insulating mineral oil and gas earth ⁇ base synthetic and natural esters, Fluoroketone and silicone oils can be used.
  • the shielding devices are each substantially annular. This is an advantage because in an annular configuration corners are avoided, which can affect the field strength unfavorable. An oval configuration is also advantageous.
  • the shielding devices are each designed substantially rectangular. In such a rectangular configuration, the corners of the rectangle may be rounded in order not to testify ⁇ high field strength values to it. An advantage of this design is that electrical systems are often box-shaped, which offers a substantially rectangular shield.
  • the electric system to a high-tension voltage ⁇ component.
  • the high-voltage component has a tap changer for a transformer. This is an advantage because tap changers are often used in transformers and due to limited space in the
  • Transformer boiler is the smallest possible design of the shielding is ⁇ preferred.
  • the high-voltage component Minim ⁇ least to a module for a power converter.
  • Figure 1 shows two semiconductor modules of a modular multilevel inverter
  • Figure 2 shows the two semiconductor modules according to Figure 1 with a
  • FIG. 3 shows a first cross section in the axial direction by a tap changer for a transformer having an arrangement for electrostatic shield, and a shielding device in a plan view and a longitudinal section through a separation point of from ⁇ screen device, and the two semiconductor modules according to Figure 1 with an arrangement for electrostatic shielding and separation points, and
  • FIG. 7 shows a second cross section in the axial direction through a tap changer for a transformer with an arrangement for electrostatic shielding.
  • FIG. 1 shows two semiconductor modules 2 of a modular multilevel converter which are to be arranged in a housing or boiler. Due to arise in some cases very high loading ⁇ operating and test voltages inside the boiler high field strengths, especially at the bare edges of the semiconductor modules shown.
  • the semiconductor modules 2 are surrounded by a ⁇ fiction, modern assembly 3 to the electrostatic shield, whereby a total of ten screening means 4 are inserted.
  • an upper threshold for the maximum allowable field strength is used, which can be set according to the experience and from ⁇ legungsvor inter of manufacturers and customers. In any case, the upper threshold for the maximum allowable field strength must be selected such that no occur through ⁇ beats or partial discharges.
  • Each shielding device 4 consists of a substantially bent to rectangular shape tube, which consists at least partially of metal.
  • the shield means 4 form a kind of spiral or cage around the shielded electrical system, in this case, the semiconductor modules 2.
  • Each Ablevorrich ⁇ tung 4 can be connected to a different potential.
  • the upper half of the shielding devices 4 may be connected to the potential of the upper module 2, while the lower half of the shielding devices 4 may be connected to the potential of the lower module 2. This results in two different voltages to ground or other live parts. If both modules 2 have the same potential, all shielding devices 4 can be subjected to this potential.
  • the screening by the ex ⁇ screen devices 4 is used for protection against AC stress, transient loads and DC loads.
  • the semiconductor modules 2 and the Ab ⁇ screen devices 4 are inserted in an electrical insulating liquid, which simultaneously serves for the cooling of
  • FIG. 3 shows a first cross section in the axial direction through a step switch 5 for a transformer with an arrangement for electrostatic shielding, wherein the arrangement 8 has shielding devices 4.
  • the shielding devices 4 can each be assigned a different potential, whereby a potential control in the axial direction along the tap changer is made possible.
  • Figures 4 and 5 show a shielding device 4 in a plan view and a longitudinal section through a separation point 8 of a shielding device 4.
  • the shielding device 4 has a metallic conductor 14 with a diameter 12th
  • the size of the diameter 12, which is necessary for an inventive shielding ⁇ is z. Depending on the voltage level, the distance to grounded parts and the thickness of the insulation.
  • the metallic conductor 14 or semi-conductive material is insulated with an insulating material 15 with a diameter of 13.
  • insulating material 15 a cellulose-based insulating paper, a synthetic insulating paper or a wet-formed material can be used.
  • the thickness of the insulating material 13 is dependent on the voltage loading of the high-voltage component to be shielded and the voltage applied to the metallic or semi-conductive conductor.
  • the shielding device 4 has a separation point 8, at which the ends of the Ablevorrich- tion 4 are spaced at a distance 81 in order to avoid circular currents.
  • the shielding device has a width 10 and a depth 9, wherein a Kurvenra ⁇ dius 6 is formed in the corner regions.
  • a potential connection 7 is also shown.
  • the dimensions 6,8,9,10,12,13 and 81 are dependent on the size of the electrical system to be shielded and can be derived from conventional electrostatic calculations of the field strength on the surface of the shielding device 4.
  • FIG. 6 shows two semiconductor modules 2 with a total of ten shielding devices 4, wherein the six larger shielding devices 4 are each spaced at an axial distance 18 (distance relative to the center of the shielding devices). The distance to a surrounding grounded box can be designed accordingly.
  • two klei ⁇ nere shielding 4 are provided, with a distance 17 from the smallest shielding device 4 to the middle shielding 4 and from this a distance 19 to the largest shielding 4 results.
  • the separation points 8 are each clearly visible in a plane arranged one above the other, but the separation points can be covered in the end product by the insulating layer of paper.
  • the Trennstel ⁇ len can not be superimposed in one plane, so be moved.
  • the upper shielding devices 21 are at the potential of the upper semiconductor module 2 and the lower shielding devices 22 are at the potential of the lower semiconductor module 2.
  • FIG. 7 shows a tap changer with numerous shielding devices 4, which in their arrangement are tuned to the electrical potentials of the tap changer components 40 and 41 are. There give the spacings 30 to 35, the derived in herkömm ⁇ Liche manner from calculations of the field strength who can ⁇ .

Abstract

The invention relates to an arrangement for shielding an electric system, comprising a shielding device which surrounds the electric system and to which a first electric potential can be applied, characterized in that the electric system is surrounded by at least one additional shielding device to which a potential that differs from the first electric potential can be applied.

Description

Beschreibung description
Anordnung zur elektrostatischen Abschirmung einer elektrischen Anlage Arrangement for the electrostatic shielding of an electrical system
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. The invention relates to an arrangement for the electrostatic shielding of an electrical system with an electrical system surrounding the shielding device, which can be acted upon by a first electrical potential.
Wird eine Spannung an elektrisch leitende Teile einer elekt¬ rischen Anlage angelegt, so entsteht auf deren Oberflache ei¬ ne 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 vollstän¬ digen elektrischen Durchschlag der gesamten Isolierstrecke. Die Feldstärken auf metallischen Oberflächen müssen daher begrenzt werden. When a voltage is applied to electrically conductive parts of a elekt ¬ step conditioning is applied, is formed on the surface ei ¬ ne electric field strength. This field strength is the larger the smaller the radii at the edges of these parts. Exceeds the electric field strength is dependent on the geometry threshold, then there is either the electrical breakdown of a Teilisolierstrecke or to a completeness, ¬ ended electrical breakdown of the whole insulating gap. The field strengths on metallic surfaces must therefore be limited.
Im Stand der Technik sind dazu verschiedene Möglichkeiten be¬ kannt . In the prior art are various ways be ¬ known.
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 On the one hand, design forms have hitherto been chosen in the surface design, in particular in the execution of edge regions, electric field strengths are limited to a safe level. In addition, distances (internal
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 An- lagen wurden netzgeführte und selbstgeführte Dioden- Halbleiter bisher nur luftisoliert ausgeführt. Impact widths), for example, between the electrical components and adjacent electrical components and surrounding boiler elements of a transformer chosen large enough to limit the electric field strengths at the surfaces. However, this approach is often not without problems, because due to the available space for an electrical system, the distances between the components can not be arbitrarily increased and increase in larger systems accordingly, the cost of production, transport and disposal. With regard to the isolation of electrical In the past, mains-guided and self-commutated diode semiconductors were previously only air-insulated.
Andererseits werden die im Betrieb entstehenden elektrischen Feldstärken dadurch beherrscht, dass eine elektrische Ab¬ schirmung 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. On the other hand, the resulting electric field strengths during operation are thereby controlled, that an electric shielding From ¬ arranged by a specific potential distribution corresponding to non-current-carrying control elements is realized. From EP0001387 a tap changer for a transformer is known, which has a spiral-shaped shield to equalize the electric field. The spiral is made of a continuous wound metallic conductor and connected to an electrical potential. Through this so-called umbrella spiral a continuous control potential is formed.
Ausgehend von der bekannten Schirmspirale stellt sich an die Erfindung die technische Aufgabe, eine Anordnung zur elektro¬ statischen Abschirmung einer elektrischen Anlage anzugeben, mit der bei vergleichsweisen kleinem Platzbedarf eine verbesserte Vergleichmäßigung der elektrischen Feldstäke im Betrieb der Anlage gewährleistet wird. Starting from the known umbrella spiral, the invention has the technical task of specifying an arrangement for electro ¬ static shielding an electrical system, with the comparatively small footprint improved homogenization of the electric Feldstäke in operation of the system is guaranteed.
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. The invention solves this problem by an arrangement for the electrostatic shielding of an electrical system with a peripheral electrical system shielding device, which is acted upon by a first electrical potential, characterized in that at least one further electrical system surrounding the shielding device is provided with another Potential can be acted upon as the first electrical potential.
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 ermög- licht 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 Transforma¬ torkessel und damit platzsparender ausgeführt werden kann. Dies spart Kosten für Herstellung, Transport und Entsorgung der elektrischen Anlage mit der Abschirmung ein. This is advantageous because an electrical system often has different potentials at different points of the system, for example because several modules of a modular converter are at different potentials. According to the invention, then, for example, for each module of the electrical system, a shield can be provided at the respective potential of the module. This approach allows Light even better adaptation of the shield to the corresponding system, so that the present invention of several shields existing electrostatic total shielding of the system compared to a previous design with only a single shield smaller, closer to the electrical system and possibly surrounding assemblies such a Transforma ¬ torkessel and thus can be carried out space-saving. This saves costs for production, transport and disposal of the electrical system with the shield.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung weist jede Abschirmvorrichtung einen Potentialan- schluss auf. Dies ist ein Vorteil, weil auf diese Weise jede Abschirmvorrichtung über ihren eigenen Potentialanschluss mit einem Potential beaufschlagt werden kann. In a preferred embodiment of the arrangement according to the invention, each shielding device has a potential connection. This is an advantage, because in this way each shielding device can be acted upon by its own potential connection with a potential.
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. In a further preferred embodiment of the arrangement according to the invention, at least one of the shielding devices can be acted upon by the electrical potential of the system during operation. This is an advantage because it gives an improved electrostatic shield.
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 ent¬ stehen können. In a further preferred embodiment of the arrangement according to the invention, the shielding devices each have a separation point to avoid ring currents. This is an advantage because interfering electrical and magnetic fields can be ent ¬ by ring currents eg in closed conductor loops.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung sind die Abschirmvorrichtungen jeweils rohrartig ausgebildet. Dies ist ein Vorteil, weil bei mit ei¬ nem 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 . 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. In a further preferred embodiment of the arrangement according to the invention, the shielding devices are each formed like a tube. This is an advantage, because with egg ¬ nem tube a comparatively large outer diameter with low weight and material usage can be achieved. A large outer diameter reduces the curvature of the surface and thus the effective field strength in the operation of the electrical system. In a further preferred embodiment of the arrangement according to the invention, the shielding devices are each designed like a wire. This is an advantage because wires are inexpensive and easy to work with.
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 . In a further preferred embodiment of the arrangement according to the invention, the shielding devices have a metallic conductor. This is an advantage because the electric field can be influenced by means of the metallic conductor.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung weisen die Abschirmvorrichtungen ein semi- leitfähiges Material auf. Dies ist ein Vorteil, weil semi- leitfähige Materialen zur Verfügung stehen, die vergleichsweise resourcenschonend produziert werden können und/oder leichter als metallische Materialien sind. In a further preferred embodiment of the arrangement according to the invention, the shielding devices have a semiconductive material. This is an advantage because semi-conductive materials are available that can be produced comparatively resource-conserving and / or lighter than metallic materials.
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 Isolierflüssigkei¬ ten können beispielsweise Isolieröle auf Mineralöl- und Erd¬ gasbasis, synthetischer und natürliche Ester, Fluoroketone sowie Silikonöle verwendet werden. In a further preferred embodiment of the arrangement according to the invention, the shielding devices have on their surface at least partially an electrically insulating material. Isolation papers or wet-forming materials, for example, can be used for the insulation. Furthermore, a storage of the electrical system can be provided with the shielding in an insulating liquid for complete electrical insulation. As Isolierflüssigkei ¬ th example insulating mineral oil and gas earth ¬ base, synthetic and natural esters, Fluoroketone and silicone oils can be used.
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. 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 er¬ zeugen. Ein Vorteil dieser Bauform ist es, dass elektrische Anlagen häufig kastenförmig ausgebildet sind, wodurch sich eine im Wesentlichen rechteckförmige Abschirmung anbietet. In a further preferred embodiment of the arrangement according to the invention, the shielding devices are each substantially annular. This is an advantage because in an annular configuration corners are avoided, which can affect the field strength unfavorable. An oval configuration is also advantageous. In a further preferred embodiment of the arrangement according to the invention, the shielding devices are each designed substantially rectangular. In such a rectangular configuration, the corners of the rectangle may be rounded in order not to testify ¬ high field strength values to it. An advantage of this design is that electrical systems are often box-shaped, which offers a substantially rectangular shield.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung weist die elektrische Anlage eine Hochspan¬ nungskomponente auf. Dies ist ein Vorteil, weil besonders bei Hochspannungskomponenten die Gefahr eines elektrischen Durchschlags einer Teilisolierstrecke oder eines vollständigen elektrischen Durchschlags der gesamten Isolierstrecke be¬ steht. Daher ist eine erfindungsgemäße Abschirmung besonders günstig . In a further preferred embodiment of the inventive arrangement, the electric system to a high-tension voltage ¬ component. This is an advantage because be is ¬ especially in high-voltage components, the risk of electrical breakdown of a Teilisolierstrecke or a complete electrical breakdown of the whole insulating gap. Therefore, a shield according to the invention is particularly favorable.
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 In a further preferred embodiment of the arrangement according to the invention, the high-voltage component has a tap changer for a transformer. This is an advantage because tap changers are often used in transformers and due to limited space in the
Transformatorkessel eine möglichst kleine Bauform der Ab¬ schirmung bevorzugt wird. Transformer boiler is the smallest possible design of the shielding is ¬ preferred.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung weist die Hochspannungskomponente mindes¬ tens ein Modul für einen Umrichter auf. Dies ist ein Vorteil, weil z.B. bei Mulitlevel Umrichtern die einzelnen Umrichtermodule häufig voneinander unterschiedliche Potentiale aufwei¬ sen, 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. 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 . In a further preferred embodiment of the inventive arrangement, the high-voltage component Minim ¬ least to a module for a power converter. This is an advantage, because for example the individual converter modules often different potentials aufwei ¬ sen, so that in the case of a single shield on a single potential to meet permissible field strength values from each other, the shield would have to be correspondingly larger in Mulitlevel inverters. However, an increased distance entails a larger space requirement and correspondingly higher costs. In a further preferred embodiment of the arrangement according to the invention a plurality of shielding devices are arranged in the axial direction at a predetermined distance from one another. As a result, a spiral is reproduced by the shielding, wherein the axis can be arbitrarily aligned. It when the axis or stacking direction of the individual shielding devices is aligned perpendicular to the longest axis of the electrical system is particularly advantageous.
Zur besseren Erläuterung der erfindungsgemäßen Anordnung zeigen in schematischer Darstellung die For a better explanation of the arrangement according to the invention show in a schematic representation of the
Figur 1 zwei Halbleitermodule eines modularen Multilevel- Umrichters, und Figure 1 shows two semiconductor modules of a modular multilevel inverter, and
Figur 2 die beiden Halbleitermodule gemäß Figur 1 mit einer Figure 2 shows the two semiconductor modules according to Figure 1 with a
Anordnung zur elektrostatischen Abschirmung, und  Arrangement for electrostatic shielding, and
Figur 3 einen erster Querschnitt in axialer Richtung durch einen Stufenschalter für einen Transformator mit einer Anordnung zur elektrostatischen Abschirmung, und eine Abschirmvorrichtung in einer Draufsicht, und einen Längsschnitt durch eine Trennstelle einer Ab¬ schirmvorrichtung, und die beiden Halbleitermodule gemäß Figur 1 mit einer Anordnung zur elektrostatischen Abschirmung und Trennstellen, und 3 shows a first cross section in the axial direction by a tap changer for a transformer having an arrangement for electrostatic shield, and a shielding device in a plan view and a longitudinal section through a separation point of from ¬ screen device, and the two semiconductor modules according to Figure 1 with an arrangement for electrostatic shielding and separation points, and
Figur 7 einen zweiten Querschnitt in axialer Richtung durch einen Stufenschalter für einen Transformator mit einer Anordnung zur elektrostatischen Abschirmung. Die Figur 1 zeigt zwei Halbleitermodule 2 eines modularen Multilevel-Umrichters , welche in einem Gehäuse bzw. Kessel angeordnet werden sollen. Aufgrund zum Teil sehr hoher Be¬ triebs- und PrüfSpannungen entstehen innerhalb des Kessels hohe Feldstärken, vor allem auch an den blanken Kanten der gezeigten Halbleitermodule. Figure 7 shows a second cross section in the axial direction through a tap changer for a transformer with an arrangement for electrostatic shielding. FIG. 1 shows two semiconductor modules 2 of a modular multilevel converter which are to be arranged in a housing or boiler. Due to arise in some cases very high loading ¬ operating and test voltages inside the boiler high field strengths, especially at the bare edges of the semiconductor modules shown.
In Figur 2 sind die Halbleitermodule 2 von einer erfindungs¬ gemäßen 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 Aus¬ legungsvorgaben von Herstellern und Kunden festgelegt werden kann. In jedem Fall muss die obere Schwelle für die höchste zulässige Feldstärke derart gewählt sein, dass keine Durch¬ schläge bzw. Teilentladungen auftreten. In Figure 2, the semiconductor modules 2 are surrounded by a ¬ fiction, modern assembly 3 to the electrostatic shield, whereby a total of ten screening means 4 are inserted. The number and geometric arrangement of the shielding devices 4, in particular the required distances between the individual shielding devices 4, the semiconductor modules 2 and possibly a surrounding component such as a boiler, resulting from field strength calculations as they can be created with standard computer programs. Here, an upper threshold for the maximum allowable field strength is used, which can be set according to the experience and from ¬ legungsvorgaben of manufacturers and customers. In any case, the upper threshold for the maximum allowable field strength must be selected such that no occur through ¬ beats or partial discharges.
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 Abschirmvorrich¬ tung 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. 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 Ab¬ schirmvorrichtungen 4 dient zum Schutz bei Wechselspannungsbeanspruchungen, transienten Beanspruchungen und Gleichspannungsbeanspruchungen. Die Halbleitermodule 2 und die Ab¬ schirmvorrichtungen 4 sind in einer elektrischen Isolierflüssigkeit eingelassen, welche gleichzeitig zur Kühlung der Halbleitermodule 2 dient. Each shielding device 4 consists of a substantially bent to rectangular shape tube, which consists at least partially of metal. The shield means 4 form a kind of spiral or cage around the shielded electrical system, in this case, the semiconductor modules 2. Each Abschirmvorrich ¬ tung 4 can be connected to a different potential. For example, the upper half of the shielding devices 4 may be connected to the potential of the upper module 2, while the lower half of the shielding devices 4 may be connected to the potential of the lower module 2. This results in two different voltages to ground or other live parts. If both modules 2 have the same potential, all shielding devices 4 can be subjected to this potential. This creates an electric field-free space between the shielding devices 4 and the semiconductor modules 2. Accordingly, high field strengths are prevented at the metallic parts of the semiconductor modules 2. The screening by the ex ¬ screen devices 4 is used for protection against AC stress, transient loads and DC loads. The semiconductor modules 2 and the Ab ¬ screen devices 4 are inserted in an electrical insulating liquid, which simultaneously serves for the cooling of the semiconductor modules. 2
In der Figur 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. FIG. 3 shows a first cross section in the axial direction through a step switch 5 for a transformer with an arrangement for electrostatic shielding, wherein the arrangement 8 has shielding devices 4. The shielding devices 4 can each be assigned a different potential, whereby a potential control in the axial direction along the tap changer is made possible.
Die Figuren 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 Figures 4 and 5 show a shielding device 4 in a plan view and a longitudinal section through a separation point 8 of a shielding device 4. The shielding device 4 has a metallic conductor 14 with a diameter 12th
und/oder einen elektrisch semi-leitfähigen Werkstoff auf. Die Größe des Durchmessers 12, der für eine erfindungsgemäße Ab¬ schirmung 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 semi- leitfahige 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 Spannungsbe¬ anspruchung 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 Abschirmvorrich- tung 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 Kurvenra¬ dius 6 ausgebildet wird. Abgebildet ist weiterhin ein Poten- tialanschluss 7. and / or an electrically semi-conductive material. The size of the diameter 12, which is necessary for an inventive shielding ¬ is z. Depending on the voltage level, the distance to grounded parts and the thickness of the insulation. The metallic conductor 14 or semi-conductive material is insulated with an insulating material 15 with a diameter of 13. As insulating material 15, a cellulose-based insulating paper, a synthetic insulating paper or a wet-formed material can be used. The thickness of the insulating material 13 is dependent on the voltage loading of the high-voltage component to be shielded and the voltage applied to the metallic or semi-conductive conductor. The shielding device 4 has a separation point 8, at which the ends of the Abschirmvorrich- tion 4 are spaced at a distance 81 in order to avoid circular currents. The shielding device has a width 10 and a depth 9, wherein a Kurvenra ¬ dius 6 is formed in the corner regions. A potential connection 7 is also shown.
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. The dimensions 6,8,9,10,12,13 and 81 are dependent on the size of the electrical system to be shielded and can be derived from conventional electrostatic calculations of the field strength on the surface of the shielding device 4.
Die Figur 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. FIG. 6 shows two semiconductor modules 2 with a total of ten shielding devices 4, wherein the six larger shielding devices 4 are each spaced at an axial distance 18 (distance relative to the center of the shielding devices). The distance to a surrounding grounded box can be designed accordingly.
An der Ober- und Unterseite der Anordnung sind je zwei klei¬ nere 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 Trennstel¬ len können jedoch auch nicht in einer Ebene übereinander vorliegen, also verschoben sein. At the top and bottom of the arrangement two klei ¬ nere shielding 4 are provided, with a distance 17 from the smallest shielding device 4 to the middle shielding 4 and from this a distance 19 to the largest shielding 4 results. The separation points 8 are each clearly visible in a plane arranged one above the other, but the separation points can be covered in the end product by the insulating layer of paper. The Trennstel ¬ len, however, can not be superimposed in one plane, so be moved.
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. The upper shielding devices 21 are at the potential of the upper semiconductor module 2 and the lower shielding devices 22 are at the potential of the lower semiconductor module 2.
Figur 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 herkömm¬ liche Weise aus Berechnungen der Feldstärke hergeleitet wer¬ den können. FIG. 7 shows a tap changer with numerous shielding devices 4, which in their arrangement are tuned to the electrical potentials of the tap changer components 40 and 41 are. There give the spacings 30 to 35, the derived in herkömm ¬ Liche manner from calculations of the field strength who can ¬.

Claims

Patentansprüche claims
1. Anordnung (3) zur elektrostatischen Abschirmung einer elektrischen Anlage (2,5,40,41) mit einer die elektrische Anlage (2,5,40,41) umlaufenden Abschirmvorrichtung (4), die mit einem ersten elektrischen Potential beaufschlagbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass 1. Arrangement (3) for the electrostatic shielding of an electrical system (2, 4, 4, 4) with a shielding device (4) circulating the electrical system (2, 5, 4, 41), which can be acted upon by a first electrical potential, characterized in that
mindestens eine weitere die elektrische Anlage (2,5,40,41) umlaufende Abschirmvorrichtung (4) vorgesehen ist, die mit einem anderen Potential als dem ersten elektrischen Potential beaufschlagbar ist. at least one further electrical system (2,5,40,41) encircling shielding device (4) is provided, which is acted upon by a different potential than the first electrical potential.
2. Anordnung (3) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Abschirmvorrichtung (4) einen Potentialanschluss (7) aufweist. 2. Arrangement (3) according to claim 1, characterized in that each shielding device (4) has a potential connection (7).
3. Anordnung (3) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Abschirmvorrichtungen (4) mit dem elektrischen Potential der Anlage (2,5,40,41) im Betrieb beaufschlagbar ist. 3. Arrangement (3) according to claim 1 or 2, characterized in that at least one of the shielding devices (4) with the electrical potential of the system (2,5,40,41) can be acted upon during operation.
4. Anordnung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmvorrichtungen (4) jeweils eine Trennstelle (8) zur Vermeidung von Ringströmen aufweisen . 4. Arrangement (3) according to one of the preceding claims, characterized in that the shielding devices (4) each have a separation point (8) for avoiding ring currents.
5. Anordnung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmvorrichtungen (4) jeweils rohrartig ausgebildet sind. 5. Arrangement (3) according to one of the preceding claims, characterized in that the shielding devices (4) are each formed like a tube.
6. Anordnung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmvorrichtungen (4) jeweils drahtartig ausgebildet sind. 6. Arrangement (3) according to one of the preceding claims, characterized in that the shielding devices (4) are each formed like a wire.
7. Anordnung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmvorrichtungen (4) einen metallischen Leiter (14) aufweisen. 7. Arrangement (3) according to one of the preceding claims, characterized in that the shielding devices (4) have a metallic conductor (14).
8. Anordnung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmvorrichtungen (4) ein semi-leitfähiges Material aufweisen. 8. Arrangement (3) according to one of the preceding claims, characterized in that the shielding devices (4) comprise a semi-conductive material.
9. Anordnung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmvorrichtungen (3) an ihrer Oberfläche zumindest teilweise ein elektrisch isolie¬ rendes Material (15) aufweisen. 9. Arrangement (3) according to any one of the preceding claims, characterized in that the shielding devices (3) on their surface at least partially an electrically isolie ¬ ing material (15).
10. Anordnung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmvorrichtungen (4) jeweils im Wesentlichen ringförmig ausgebildet sind. 10. Arrangement (3) according to one of the preceding claims, characterized in that the shielding devices (4) are each formed substantially annular.
11. Anordnung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmvorrichtungen (3) jeweils im Wesentlichen rechteckförmig ausgebildet sind. 11. Arrangement (3) according to one of the preceding claims, characterized in that the shielding devices (3) are each formed substantially rectangular.
12. Anordnung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Anlage 12. Arrangement (3) according to one of the preceding claims, characterized in that the electrical system
(2,5,40,41) eine Hochspannungskomponente aufweist. (2,5,40,41) has a high voltage component.
13. Anordnung (3) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochspannungskomponente einen Stufenschalter 13. Arrangement (3) according to claim 12, characterized in that the high-voltage component is a tap changer
(5,40,41) für einen Transformator aufweist. (5,40,41) for a transformer.
14. Anordnung (3) nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochspannungskomponente mindestens ein Mo¬ dul (2) für einen Umrichter aufweist. 14. Arrangement (3) according to claim 12 or 13, characterized in that the high-voltage component at least one Mo ¬ dul (2) for a power converter.
15. Anordnung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Abschirmvorrichtungen ( 4 ) in axialer Richtung in einem vorgegebenen Abstand (18) zueinander angeordnet sind. 15. Arrangement (3) according to one of the preceding claims, characterized in that a plurality of shielding devices (4) in the axial direction at a predetermined distance (18) are arranged to each other.
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