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Dokumentenidentifikation DE69717093T2 17.07.2003
EP-Veröffentlichungsnummer 0891648
Titel GASISOLIERTE HOCHSPANNUNGS-HALBLEITERVENTILANORDNUNG
Anmelder ABB AB, Västeras, SE
Erfinder ASPLUND, Gunnar, S-771 32 Ludvika, SE;
EKWALL, Olle, S-771 43 Ludvika, SE;
SAKSVIK, Olaf, S-771 42 Ludvika, SE
Vertreter Becker, Kurig, Straus, 80336 München
DE-Aktenzeichen 69717093
Vertragsstaaten DE, FR, GB, IT, SE
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 24.03.1997
EP-Aktenzeichen 979158060
WO-Anmeldetag 24.03.1997
PCT-Aktenzeichen PCT/SE97/00495
WO-Veröffentlichungsnummer 0097036363
WO-Veröffentlichungsdatum 02.10.1997
EP-Offenlegungsdatum 20.01.1999
EP date of grant 13.11.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 17.07.2003
IPC-Hauptklasse H02M 1/00
IPC-Nebenklasse H01B 17/42   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft eine gasisolierte Halbleiterventilanordnung für hohe Spannungen und große Leistungen, welche umfasst einen Ventilstapel mit mehreren, zwischen einer ersten und zweiten elektrischen Hauptverbindung elektrisch in Reihe geschalteten Halbleiterelementen, wobei der Ventilstapel eine Längsachse aufweist und die Hauptverbindungen an gegenüberliegenden Enden der Längsachse des Stapels angeordnet sind. Der Ventilstapel ist mit elektrostatischen Schirmen zur Verringerung der Beanspruchungen des isolierenden Gases bereitgestellt.

Der Begriff "hohe Spannungen" ("high voltage"), wie in dieser Anmeldung verwendet, betrifft eine Ventilspannung, welche ungefähr 50 kV überschreitet, und der Begriff "große Leistungen" ("high power") betrifft eine errechnete Leistung, welche ungefähr 100 MW in einem Zwölfpuls-Umformer (twelve-pulse converter) mit erfindungsgemäßen Ventilen überschreitet.

Der Begriff "Hauptverbindung", wie in dieser Anmeldung verwendet, meint eine derartige Verbindung zu einem Ventil, welche dafür vorgesehen ist, dass sie den Laststrom des Ventils führt, wobei dies zur Unterscheidung von derartigen anderen elektrischen Verbindungen zu dem Ventil dient, welche beispielsweise zu Steuerungs- und Erfassungszwecken angeordnet sein können.

Halbleiterventile von der in der Einleitung erwähnten Art sind bereits wohlbekannt. Die Halbleiterelemente können aus Thyristoren oder anderen steuerbaren Halbleiterelementen oder aus Dioden bestehen. Derartige Ventile werden in der Elektro-Energietechnik in Energieübertragungsanlagen verwendet. Ein wichtiges Verwendungsgebiet ist eine Verwendung als Ventile in Umformern in Einrichtungen zur Energieübertragung mittels hoher Spannungen. Ein anderes Verwendungsgebiet der Ventile ist eine Verwendung als Steuer- und Schaltmittel in einer Ausstattung zur seriellen oder parallelen Kompensation in Wechselstromnetzen. Einrichtungen der Art auf die hierin Bezug genommen wird, weisen häufig sehr hohe Arbeitsspannungen auf. Die Ventilspannungen liegen oftmals bei einem oder wenigen hundert kV, und die Arbeitsspannungen in Bezug zur Erde können in dem Intervall 500-1000 kV sein. Eine Folge hiervon ist, dass große Isolationsabstände erforderlich sind und dass das Ventil und die Ausstattung große Abmessungen aufweisen und einen großen Platzbedarf erfordern.

Die vorstehend erwähnten Nachteile sind im Falle von gekapselten bzw. mit Einfassung versehenen bzw. geschlossenen, gasisolierten, für eine Errichtung im Freiluftbereich entworfenen Ventilen besonders auffällig. Beispielsweise aus der WO 93/1748 und der WO 95/28030 sind derartige Ventile bekannt. Jedes Ventil (möglicherweise ein halbes Ventil oder zwei in Reihe geschaltete Halbventile) ist in einer separaten Einfassung bzw. Gehäuse bzw. Kapselung (enclosure) angeordnet. Das Ventil ist gasisoliert, und das Gehäuse, in dem das Ventil selbst angeordnet ist, ist mit einem geeigneten Gas, beispielsweise Luft, Stickstoff oder SF&sub6; (Schwefelhexafluorid) befüllt.

Ventile der vorstehend erwähnten Art weisen beträchtliche Vorteile auf. Die Einfassungen mit den darin angebrachten Halbleiterventilen können im Prinzip komplett im Werk hergestellt werden und der Bedarf nach großen Ventilhallen wird vollständig beseitigt. Im Falle von Ventilen für höhere Spannungen bringt die Fertigstellung der Ventile im Werk jedoch relativ große Transportabmessungen mit sich. Bei den höchsten gegenwärtig auftretenden Spannungen, würden die Abmessungen der Einfassungen so groß sein, dass sie innerhalb üblicher Lademaße nicht untergebracht und folglich überhaupt nicht transportiert werden könnten. Die großen Abmessungen der Einfassungen würden ebenfalls einen relativ großen Bedarf an Grundfläche zur Aufstellung der Ventile - gewöhnlich 12 oder 24 Ventile - mit sich bringen, welche in einer einpoligen beziehungsweise zweipoligen Hochspannungs- Gleichstrom- bzw. HVDC-Umformerstation enthalten sind.

Die Erfindung strebt die Bereitstellung einer Halbleiterventilanordnung von der Art wie im einleitenden Teil der Beschreibung beschrieben an, welche beträchtlich geringere Abmessungen als Halbleiterventile des Stands der Technik auf weist und deshalb weniger Grundfläche oder Hallenraum zu ihrer Aufstellung benötigt.

Vorzugsweise strebt die Erfindung die Bereitstellung eines gekapselten Halbleiterventils zur Freiluftaufstellung an, dessen Abmessungen, auch bei den höchsten auftretenden Spannungen nicht so groß sind, dass der Transport davon mit üblichen Transportmitteln verhindert wird.

Aus den beigefügten Ansprüchen wird klar werden, was eine erfindungsgemäße Halbleiterventilanordnung kennzeichnet.

In einer erfindungsgemäßen Anordnung sind mehrere elektrostatische Schirme einer nach dem anderen entlang des Ventilstapels angeordnet. Jeder Schirm ist kreisförmig und umgibt den Ventilstapel. Die Schirme liegen vorzugsweise in Form von Profilen vor, welche wie ein kreisförmiger Bogen mit konstantem Krümmungsradius gekrümmt sind. Die Potentiale der Schirme sind gesteuert, damit sie ungefähr dem Potential von benachbarten Teilen des Ventilstapels folgen. Dies ermöglicht beträchtlich kürzere Isolationsabstände zwischen dem Ventilstapel und benachbarten Gegenständen, als es bislang möglich gewesen ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Ventilanordnung gekapselt, wobei ein Ende des Ventilstapels bei oder nahe zu dem Potential der Einfassung angeordnet ist und das andere Ende davon mit einer Durchführung verbunden ist. Sowohl der Ventilstapel, als auch die Durchführung sind von Schirmen umgeben, wobei deren Potentiale derart gesteuert sind, dass die Spannung zwischen den Schirmen und dem Gehäuse an der Verbindung des Ventilstapels zu der Durchführung am höchsten ist und in beide Richtungen abnimmt. Es zeigte sich, dass auf diese Weise eine derart beträchtliche Verringerung der Abmessungen der Ventilanordnung erreicht werden kann, dass die Ventilanordnung auch bei den höchsten auftretenden Spannungen im Werk fertiggestellt werden kann und als fertige Einheiten zu den Aufstellungsstellen transportiert werden kann.

Bei einer unter mechanischen und elektrischen Gesichtspunkten besonders einfachen und vorteilhaften Ausführungsform sind sowohl der Ventilstapel, als auch die Durchführung horizontal und nacheinander in der Längsrichtung des länglichen Gehäuses angeordnet.

Die Erfindung wird nachstehend ausführlicher unter Bezugnahme auf die beigefügten Fig. 1-7 besprochen werden. Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Ventilanordnung. Fig. 2 zeigt ein Beispiel der Ausführungsform des Ventilstapels selbst in der Anordnung gemäß Fig. 1. Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch die Anordnung gemäß Fig. 1. Fig. 4 zeigt ausführlicher die Ausführungsform eines der Schirme der Anordnung. Fig. 5a zeigt, wie die Potentialsteuerung der Schirme erreicht werden kann, indem die Schirme mit geeigneten Punkten auf dem Ventilstapel verbunden werden. Fig. 5b zeigt, wie gemäß einer alternativen Ausführungsform ein separater Spannungsteiler zur Potentialsteuerung der Schirme angeordnet werden kann. Fig. 6 zeigt ein Beispiel dafür, wie die Potentiale der Schirme mit ihrer Position entlang des Ventilstapels und der Durchführung variieren. Fig. 7 zeigt eine alternative Ausführungsform, in welcher der Ventilstapel von seinem Gehäuse hängend angeordnet ist.

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Ventilanordnung, das heißt die Längsachse des Ventilstapels liegt in der Papierebene und verläuft in der Figur horizontal. Die Ventilanordnung ist für eine Freiluftaufstellung vorgesehen mit der in der Figur gezeigten Ausrichtung, das heißt mit der im wesentlichen horizontal verlaufenden Längsachse des Ventilstapels. Von der Ventilanordnung zeigt die Figur lediglich das Gehäuse 1 und den Ventilstapel 2 (mit gestrichelten Linien) mit ihren Durchführungen und elektrostatischen Schirmen.

Das Gehäuse 1 umfasst eine Metallgehäuse, welches für eine Freiluftaufstellung ausgelegt ist, welches in bekannter Weise mit Anordnungen (nicht gezeigt) bereitgestellt ist, beispielsweise zur Ventilation, zur Druck-Handhabung, zur Temperatursteuerung und zur Kühlung des Ventilstapels, ebenso wie zur Kommunikation mit dem Ventilstapel in Form von Steuerungs-, Erfassungs-, und Überwachungssignalen. Im gezeigten Beispiel ist das Gehäuse mit Luft unter Atmosphärendruck befüllt, und die Luft bildet das Isolationsmedium, welches die Spannung zwischen dem Gehäuse und dem Ventilstapel aufnimmt. Das Gehäuse kann auf Erdpotential sein oder - was häufig beispielsweise bei Umformerventilen der Fall ist, auf einem Potential sein, welches von dem Erdpotential sowohl unter den Gesichtspunkten einer Gleichspannung, als auch einer Wechselspannung abweicht.

Der Ventilstapel 2 wird in der Figur schematisch in gestrichelten Linien gezeigt. An dessen zwei, durch die Längsachse definierten Enden, weist er seine Hauptverbindungen 23 und 24 auf. Zwischen diesen Verbindungen sind mehrere Halbleiterelemente, beispielsweise 50-250, in Reihe geschaltet und diese Elemente können beispielsweise aus Thyristoren bestehen. In bekannter Weise umfasst der Ventilstapel Anordnungen zur Anbringung, zur Kühlung und zum Schutz der Elemente, beispielsweise vor Überspannungen, ebenso wie Spannungsteiler und Steuer-, Erfassungs- und Überwachungsschaltungen. Der Ventilstapel wird durch auf dem Boden des Gehäuses 1 angeordnete Stützisolatoren getragen, von denen die Isolatoren 91a-912a in der Figur gezeigt werden.

Die Hauptverbindung 24 des Ventilstapels liegt auf einem Potential, das im Prinzip das gleiche wie das Potential des Gehäuses 1 ist. Über eine Durchführung 4 für niedrige Spannungen (low voltage) wird jedoch die Verbindung durch die Wand des Gehäuses geführt. Eine Anstiegsableitungseinrichtung bzw. ein Überspannungsableiter für niedrige Spannungen kann zwischen dem Gehäuse und der Verbindung 24 angeordnet sein, um sicherzustellen, dass die Verbindung nicht von dem Potential des Gehäuses um mehr als einen begrenzten Absolutwert abweicht. Die Hauptverbindung 23 des Ventilstapels wird über eine Durchführung für hohe Spannungen 6 durch die Gehäusewand geführt. Eine in gestrichelten Linien gezeigte Anstiegsableitungseinrichtung 12 ist zwischen der Verbindung 23 und dem Gehäuse 1 angeordnet.

Erfindungsgemäß sind mehrere wechselweise identische, ringförmige, elektrostatische Schirme 7&sub1;-7&sub2;&sub9; entlang des Ventilstapels angeordnet. Jeder Schirm liegt in einer senkrecht zur Längsachse des Stapels verlaufenden Ebene und der Schirm umgibt den Stapel. Jeder Schirm, beispielsweise 7&sub1;, umfasst einen oberen Teil, 71a, und einen unteren Teil, 71b.

In gleicher Weise sind mehrere wechselweise identische Schirme 8&sub1;-8&sub8; entlang der Durchführung 6 angeordnet. Diese Schirme sind mit den Schirmen des Ventilstapels identisch und sind wie diese in Ebenen angeordnet, welche senkrecht zur Längsachse des Stapels verlaufen. Diese Schirme umgeben sowohl jenen Teil der Durchführung 6, welcher innerhalb des Gehäuses 1 angeordnet ist, als auch die Anstiegsableitungseinrichtung 12.

Fig. 2 zeigt zwei der sechs Abschnitte des Ventilstapels. Jeder dieser wird von vier Stützisolatoren getragen, von denen die Isolatoren 93a, 94a, 95a Und 96a gezeigt werden. Jeder Abschnitt umfasst zwei Thyristor-Module, 20&sub3;, 20&sub4;, 20&sub5; und 20&sub6;, und zwei Drosseln, 21&sub3;, 21&sub4;, 21&sub5; und 21&sub6;. Die Drossel-Module und die oberen Thyristor-Module werden durch Stützisolatoren getragen, wovon die Isolatoren 103a-106a und 113a-116a gezeigt werden. Die elektrische Reihenschaltung der Thyristor-Module und der Drosseln erfolgt in der in der Figur gezeigten Weise mittels Verbindungsleitern, beispielsweise 22, welche schematisch in fetten Linien gezeigt werden.

Fig. 3 zeigt, in Fig. 2 von links betrachtet, den Ventilstapelabschnitt, der die Thyristor- Module 20&sub3; und 20&sub4; aufweist. Die Figur zeigt die durch die Stützisolatoren 93a, 93b, 103a 103b, 113a, 113b getragenen Thyristor-Module und die Drossel 21&sub4;. Die Figur zeigt ebenfalls einen der den Ventilstapel umgebenden Schirme, nämlich den Schirm 7&sub1;, welcher aus den zwei identischen Teilen 71a und 71b besteht. Jeder Schirmteil weist ein Leichtmetallprofil auf, welches gekrümmt ist, um derart einen kreisförmigen Bogen mit einem Zentrumswinkel, welcher etwas größer als 180º ist, zu bilden. Die anderen Schirme des Ventilstapels sind mit dem in Fig. 3 gezeigten identisch.

Da jeder Schirm zwei Teile umfasst, kann der Schirm unabhängig von den anderen Schirmen angebracht und abgebaut werden, was sowohl während der Herstellungs-, als auch während der Überwachungsarbeiten am Ventilstapel einen signifikanten Vorteil darstellt. Da jeder Schirmteil einen kreisförmigen Bogen bildet, dessen Zentrumswinkel größer als 180º ist, sind die Zusammenfügungsstellen oder die Übergänge zwischen den beiden Schirmhälften etwas zu dem Ventilstapel hin eingezogen bzw. zurückgenommen. Auf diese Weise ist die externe Feldstärke an diesen Bereichen verringert, was die elektrische Stärke bzw. Festigkeit der Anordnung erhöht. Die Schirme können in geeigneter Weise an dem Ventilstapel mittels eines geeigneten, metallischen oder elektrisch isolierenden Stabs oder anderer Befestigungsmittel (siehe nachstehend mit Bezugnahme auf Fig. 5) angebracht werden.

Fig. 4 zeigt einen vertikalen Schnitt durch die Längsachse des Ventilstapels durch den oberen Schirmteil 71a. Der Schirm ist aus einem symmetrischen Leichtmetallprofil mit weich bzw. glatt gerundeten Querschnitt hergestellt. In der hier gezeigten Ausführungsform bildet dessen externe Hüllfläche 73 mit der Richtung L-L der Längsachse des Stapels einen Winkel α. Der Winkel α kann beispielsweise ungefähr 10º betragen und die Neigung ist derart, dass der Abstand der Hüllfläche von dem Ventilstapel in Fig. 1 von links nach rechts abnimmt, das heißt von dem die höchste Spannung in Bezug zu dem Gehäuse 1 aufweisenden Ende des Stapels zu jenem Ende, welches die niedrigste Spannung in Bezug zu dem Gehäuse aufweist. Alle Schirme 7&sub1;-7&sub2;&sub9; sind auf diese Weise hergestellt. Auf diese Weise werden die Hüllflächen der Schirme den elektrischen Äquipotentialflächen näher folgen, was zur Verringerung der Feldstärke außerhalb des Schirmes beiträgt.

Fig. 5 zeigt zwei alternative Weisen zum Steuern der Potentiale der Schirme 7. Ihre Potentiale sind derart gesteuert, dass sie ungefähr dem Potential des Ventilstapels folgen, das heißt, derart, dass sie die höchste Spannung in Bezug zu dem Gehäuse an der Hauptverbindung 23 des Ventilstapels aufweisen und derart, dass ihre Spannung entlang des Ventilstapels in Richtung zur zweiten Hauptverbindung 24 davon abnimmt. Fig. 5a zeigt, wie einige Schirme 7n, 7n+1, 7n+2, 7n+3 mit Hilfe von elektrisch leitenden Mitteln 71n, 71n+1, 71n+2, 71n+3 mit schematisch gezeigten Verbindungspunkten 72n, 72n+1, 72n+2, 72n+3 auf dem Ventilstapel verbunden sind. Dieser besteht aus einer relativ großen Anzahl an hintereinander geschalteten Halbleiterelementen, wobei diese alle normalerweise für eine elektrische Verbindung zugänglich sind. Deshalb besteht die Möglichkeit geeignete Verbindungspunkte für die verschiedenen Schirme derart zu wählen, dass die gewünschte Potentialverteilung erreicht wird, beispielsweise ein Potential, welches linear entlang des Stapels von dem Schirm 7&sub1; zu dem Schirm 7&sub2;&sub9; abnimmt, welcher eine niedrige Spannung in Bezug zum Gehäuse aufweist. Folglich ist nicht notwendig, dass die gewählten Verbindungspunkte wie in der Figur direkt vor den Schirmen angeordnet werden, sondern sie können in der einen oder anderen Richtung in der Längsrichtung des Stapels in einem gewissen Ausmaß in Bezug dazu versetzt sein.

Die elektrisch leitenden Mittel 71n etc. können aus elektrisch leitenden Befestigungsstäben oder ähnlichen Mitteln bestehen, mittels derer die Schirme an dem Ventilstapel angebracht sind. Alternativ können natürlich die Schirme mit Hilfe von elektrisch isolierenden Befestigungsmitteln an dem Ventilstapel angebracht werden, in welchem Falle separate Leiter zur Verbindung der Schirme mit ihren Verbindungspunkten auf dem Ventilstapel verwendet werden.

Fig. 5b zeigt wie ein separater Spannungsteiler zur Steuerung der Potentiale der Schirme verwendet werden kann. Der Spannungsteiler ist zwischen den beiden Hauptverbindungen 23 und 24 des Ventilstapels verbunden und umfasst mehrere Abschnitte, wobei jeder einen Verbindungspunkt für jeden Schirm aufweist. Jeder Abschnitt weist einen resistivkapazitiven Zweig (Widerstände R1n, R1n+1, R1n+2 und die Kondensatoren Cn, Cn+1, Cn+2) zur dynamischen Spannungsverteilung und einen rein resistiven Zweig bzw. reinen Widerstandszweig (Widerstände R2n, R2n+1, R2n+2) zur statischen Spannungsteilung auf. Die Figur zeigt als ein Beispiel die drei Abschnitte des Spannungsteilers, der die Verbindungspunkte für die Schirme 7n, 7n+1, 7n+2, 7n+3 aufweist. In diesem Falle sind die Verbindungsleiter 71n-71n+3 der Schirme mit dem Spannungsteiler in der in der Figur gezeigten Weise verbunden und der Spannungsteiler steuert die Potentiale der Schirme. Ebenfalls kann in diesem Falle die gewünschte Potentialverteilung durch eine geeignete Wahl von Impedanzen der Komponenten der Spannungsteilerabschnitte erhalten werden. In diesem Falle sind die Schirme von dem Ventilstapel elektrisch isoliert, beispielsweise mit Hilfe von elektrisch isolierenden Befestigungsmitteln daran angebracht. Weiterhin hat die Ausführungsform gemäß Fig. 5b den Vorteil, dass durch eine geeignete Wahl von Kapazitanzen der Kondensatoren der Spannungsteilerabschnitte Streukapazitanzen zwischen den Schirmen und dem Gehäuse derart kompensiert werden können, dass die gewünschte Spannungsverteilung ebenfalls im Falle schneller Stöße (transients) erreicht wird. Zur Begrenzung der Spannung zwischen dem Ventilstapel und den Schirmendem Spannungsteiler, werden Ableitungseinrichtungen Zn, Zn+1, Zn+2, Zn+3 zwischen dem Spannungsteiler und dem Ventilstapel angeordnet, wodurch die Gefahr elektrischer Überschlagsvorgänge, welche unter bestimmten, ungewöhnlichen Betriebsbedingungen entstehen, beseitigt wird.

Alternativ können die Widerstände R2n, R2n+1, R2n+2, etc. durch Metalloxid = Varistoren ersetzt oder hiermit ergänzt werden, welche dann ebenfalls harmlose Spannungswerte zwischen benachbart zueinander angeordneten Schirmen sicherstellen.

Die Schirme 8&sub1;-8&sub7; sind identisch mit den Schirmen 7&sub1;-7&sub2;&sub9;. Jedoch sind sie derart angebracht, dass ihre Hüllflächen sich in entgegengesetzte Richtungen zu den entsprechenden Oberflächen der Schirme 7&sub1;-7&sub2;&sub9; neigen, das heißt derart dass der Abstand von jeder Hüllfläche von dem Ventilstapel in Fig. 1 von rechts nach links abnimmt. Die Potentiale der Schirme sind in der gleichen Weise wie die Potentiale der Schirme 7&sub1;-7&sub2;&sub9; gesteuert, das heißt entweder derart, dass sie mit in geeigneter Weise angeordneten Punkten auf dem Ventilstapel 12 verbunden sind (in ähnlicher Weise wie jener in Fig. 5a gezeigte) oder derart, dass ein separater, zwischen dem Gehäuse 1 und der Verbindung 23 angeordneter Spannungsteiler zur Potentialsteuerung der Schirme angeordnet wird (in ähnlicher Weise wie jener in Fig. 5b gezeigte).

Fig. 6 zeigt, wie die Potentiale der Schirme mit ihrer Position entlang des Ventilstapels und der Durchführung variieren. Der Abstand der Schirme von der linken Endwand des Gehäuses 1 in Fig. 1 wird mit x bezeichnet, das heißt, bei der linken Endwand des Gehäuses ist x = 0, und bei der rechten Endwand des Gehäuses ist x = L, wobei L die Länge des Gehäuses ist. Bei dem linken Ende des Ventilstapels, das heißt an der Hauptverbindung 23, ist x = a. Die Potentiale der Schirme werden mit US bezeichnet, wobei das Potential des Gehäuses 0 ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, werden die Potentiale der Schirme gemäß der mit A bezeichneten Kurve gesteuert, das heißt die Spannung zwischen den Schirmen und dem Gehäuse ist am höchsten am linken Ende des Ventilstapels und nimmt näherungsweise linear zu den beiden Enden des Gehäuses hin ab.

Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform sind die Potentiale der Schirme derart gesteuert, dass ein bestimmter geringerer Teil, beispielsweise ungefähr 10%, der Spannung zwischen dem Gehäuse und einem bestimmten Punkt des Ventilstapels zwischen dem Stapel und dem außerhalb dieses Punktes angeordneten Schirm aufgenommen wird, wodurch die Spannungsbeanspruchung zwischen den Schirmen und dem Gehäuse verringert werden kann. Ein Beispiel der Potentialverteilung in dieser Ausführungsform wird durch die mit B bezeichnete Kurve gezeigt.

Die zwei in Fig. 6 gezeigten Potentialverteilungen können natürlich in Abhängigkeit von den Erfordernissen und Umständen des bestimmten Falls zu einem größeren oder kleineren Grad angepasst werden, und die geeigneteste Potentialverteilung in einem bestimmten Fall kann im Prinzip mit der Hilfe von dreidimensionalen Feldberechnungen bestimmt werden.

Fig. 7 zeigt einen Querschnitt durch eine Ventilanordnung gemäß einer alternativen, erfindungsgemäßen Ausführungsform. Der schematisch gezeigte Ventilstapel 2 mit seinen Schirmen 7ia und 7ib ist hier von dem Gehäuse 1 hängend angeordnet und wird durch die Hängeisolatoren getragen, welche an dem oberen Teil des Gehäuses 1 befestigt sind, und von denen die Isolatoren 9ja und 9jb gezeigt sind.

Es zeigte sich, dass die Querabmessungen bzw. Hauptachsenabmessungen (Breite und Höhe) einer erfindungsgemäßen Ventilanordnung drastisch reduziert werden können (in einem typischen Fall wurden sowohl Breite, als auch Höhe näherungsweise halbiert) verglichen mit dem was bei einer Ventilanordnung des Stands der Technik erforderlich gewesen wäre. Auch bei den höchsten auftretenden Arbeitsspannungen wird deshalb ein gekapseltes, erfindungsgemäßes Freiluftventil derart maßvolle Abmessungen aufweisen, dass es ohne Probleme vom Werk zur Aufstellungsstelle transportiert werden kann und zusätzlich wird der Grundflächenbedarf für einen Aufbau mit einer erfindungsgemäßen Ventilanordnung beträchtlich geringer als für eine Ventilanordnung entsprechender Art des Stands der Technik sein. Die verringerten Abmessungen bringen ebenfalls eine Verringerung des Gewichts und der Kosten einer Ventilanordnung mit sich.

Vorstehend ist eine gekapselte, für eine Freiluftaufstellung entworfene Ventilanordnung beschrieben. Die Erfindung kann ebenfalls bei einem nicht-gekapselten, für eine Freiluftaufstellung entworfenen Ventil angewendet werden, in welchem Fall die durch die Erfindung gute Nutzung der isolierenden Eigenschaften der Luft einen beträchtlich verringerten Abstand zwischen den Ventilen und zwischen diesen und anderen Vorrichtungen ermöglicht, was zu einem geringeren Volumen und geringeren Kosten der Ventilhallen führt.

In der vorstehend beschriebenen Ventilanordnung wird Luft als isolierendes Medium verwendet und das Gehäuse ist mit Luft unter Atmosphärendruck gefüllt. Alternativ, können andere gasförmige isolierende Medien verwendet werden, beispielsweise Stickstoff oder SF&sub6;, und dann möglicherweise bei höheren Drücken als Atmosphärendruck.

Vorstehend ist eine Ventilanordnung beschrieben, die im strikten Wortsinn ein einzelnes Ventil aufweist. Die Erfindung kann bei geeigneten Änderungen jedoch ebenfalls bei einer Ventilanordnung angewendet werden, welche in einer Einfassung aufweist beispielsweise einen Teil eines Ventils, oder zwei miteinander in Reihe geschaltete Ventile oder angrenzende Teile von zwei Ventilen.

Bei der vorstehend beschriebenen Ventilanordnung ist der Teil mit niedrigen Spannungen (die Hauptverbindung 24) des Ventilstapels mit einer Durchführung verbunden. Alternativ, kann jedoch diese Verbindung direkt mit dem Gehäuse oder der Einfassung der Anordnung verbunden sein.

Die Ausführungsform der vorstehend beschriebenen elektrostatischen Schirme ist nur ein Beispiel für eine bevorzugte Ausführungsform.

Die vorstehend beschriebenen Schirme sind aus Profilen hergestellt, welche als kreisförmiger Bogen gebogen sind, das heißt der Krümmungsradius ist konstant und folglich innerhalb des Bereichs von gegebenen externen Abmessungen so groß wie möglich, was zu den geringst möglichen Beanspruchungen des isolierenden Mediums führt. Damit möglichst große erfindungsgemäße Vorteile, in Form von verringerten Abmessungen der Ventilanordnung erreicht werden, sollten die Abmessungen der Schirme in einer zu der Längsachse des Stapels senkrecht verlaufenden Ebene, so klein wie möglich sein, was bedeutet, dass der Krümmungsradius des Schirms in der gleichen Größenordnung wie die Hauptachsenabmessungen des Ventilstapels sein sollte und diese nur um eine geringst mögliche Menge überschreiten sollte. Ein weiterer, in Betracht zu ziehender Faktor ist, ob jeder Schirm bei näherungsweise dem gleichen Potential wie innerhalb des Schirms angeordnete Teile des Ventilstapels angeordnet ist oder ob den Schirmen in der vorstehend beschriebenen Weise derartige Potentiale gegeben werden, dass ein bestimmter geringerer Teil der Ventilspannung zwischen dem Stapel und den Schirmen aufgenommen wird.

Von dem Schutzbereich der Erfindung ist natürlich auch umfasst, dass Schirme mit unterschiedlicher Gestalt, beispielsweise mit einem in gewisser Weise variierenden Krümmungsradius entworfen werden. Ebenso kann das Profil der Schirme von dem vorstehend beschriebenen symmetrischen Profil mit einer geneigten externen Hüllfläche abweichen, und das Profil kann unsymmetrisch sein und/oder eine externe Hüllfläche aufweisen, welche im wesentlichen parallel zu der Längsachse des Ventilstapels verläuft.

Die beschriebenen, zweiteiligen Schirme führen zu signifikanten Vorteilen während eines Anbringens/Abbauens, alternativ kann jedoch natürlich jeder Schirm in einem einzelnen Teil entworfen werden und in diesem Fall beispielsweise die Gestalt eines einzelnen, geschlossenen, kreisförmigen Bogens aufweisen oder als zwei halbkreisförmige Bögen, die durch schwächer gekrümmte (möglicherweise gerade) Bereiche zusammengefügt sind. Weiterhin wird von dem Schutzbereich der Erfindung umfasst, dass die Schirme in mehr als zwei Teilen entworfen werden können. Jedoch bringt die vorstehend beschriebene Gestalt beträchtliche Vorteile in Form einer einfachen Herstellung (alle Schirmhälften sind untereinander identisch), eines einfachen Anbringens/Abbauens und einer Gestalt, welche die geringst möglichen elektrischen Beanspruchungen für das isolierende Medium hervorruft.

In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform sind die Schirme identisch und äquidistant, falls es jedoch als geeignet angesehen wird, so ermöglicht der Schutzbereich der Erfindung, dass Schirme verschiedene Breiten aufweisen und/oder in Abständen voneinander angeordnet werden, die entlang der Längsachse der Anordnung variieren, beispielsweise mit Schirmen, welche näher an den Enden der Anordnung, wo die Spannungsbeanspruchungen geringer sind, weiter voneinander beabstandet angeordnet sind.

Die vorstehend beschriebenen Verfahren zur Steuerung der Potentiale der Schirme können innerhalb des Schutzbereichs der Ansprüche variiert werden. Eine mögliche Weise zur Steuerung der Potentiale, beispielsweise von den außerhalb der Durchführungen für hohe Spannungen (6 in Fig. 1) angeordneten Schirmen, ist eine Verwendung der Kühlwasserrohre des Ventils als Spannungsteiler. Die Rohre werden dann mit Elektroden bereitgestellt, die mit den Schirmen verbunden sind, wobei die Elektroden derart angeordnet sind, dass die gewünschte Potentialverteilung der Schirme erhalten wird.


Anspruch[de]

1. Gasisolierte Halbleiterventilanordnung für hohe Spannungen und große Leistungen, welche umfasst einen Ventilstapel (2) mit mehreren, zwischen einer ersten (24) und zweiten (23) elektrischen Hauptverbindung elektrisch in Reihe geschalteten Halbleiterelementen (beispielsweise 20&sub3;-20&sub6;) und eine, den Ventilstapel umgebende Einfassung (1) mit einer in der Wand der Einfassung angeordneten, länglichen Durchführung (6), wobei der Ventilstapel eine Längsachse (A-A) aufweist und die Verbindungen an den gegenüberliegenden Enden davon angeordnet sind, wobei die erste Verbindung auf einem niedrigen Potential in Bezug auf die Einfassung und die zweite, mit der Durchführung verbundene Verbindung ist, wobei die Ventilanordnung einen ersten Satz von Schirmen mit mehreren entlang der Längsachse des Ventilstapels verteilten ringförmigen, elektrostatischen Schirmen (7&sub1;-7&sub2;&sub9;) aufweist, wobei jeder Schirm in einer, im wesentlichen senkrecht zu der Längsachse verlaufenden Ebene angeordnet ist und den Ventilstapel umgibt, wobei die gekrümmten Teile von jedem Schirm einen im wesentlichen konstanten Krümmungsradius aufweisen, und wobei die Schirme in dem ersten Satz von Schirmen mit einem ersten Potential-steuernden Element (beispielsweise 2) elektrisch verbunden sind, um die Potentiale der Schirme derart zu steuern, dass die Spannungen zwischen den Schirmen und den Umgebungen der Schirme sukzessive entlang des Ventilstapels in einer Richtung von der zweiten Verbindung weg zu der ersten Verbindung hin abnehmen, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterventilanordnung einen zweiten Satz von Schirmen mit mehreren ringförmigen elektrostatischen Schirmen (8&sub1;-8&sub7;) aufweist, die entlang der Durchführung zwischen der zweiten Verbindung und der Einfassung verteilt sind und die Durchführung umgeben.

2. Ventilanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das das erste Potential- steuernde Element einen Spannungsteiler (beispielsweise R1n, R2n, Cn) umfasst, welcher mit dem Ventilstapel parallelgeschaltet ist und mit den Schirmen elektrisch verbundene Anschlüsse aufweist.

3. Ventilanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Spannungsteiler aus Widerstandselementen (R1n, R2n) und kapazitativen Elementen (Cn) zusammensetzt.

4. Ventilanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Potential- steuernde Element den Ventilstapel umfasst, welcher mit Anschlüssen (beispielsweise 72n) bereitgestellt ist, welche mit den Schirmen elektrisch verbunden sind.

5. Ventilanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Potential-steuernde Element angepasst ist mindestens bestimmten Schirmen in dem ersten Satz von Schirmen Potentiale zu erteilen, die näher am Potential der ersten Verbindung sind als jene Teile des Ventilstapels, die in der selben Ebene wie der jeweilige Schirm angeordnet sind.

6. Ventilanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchführung eine Längsachse aufweist, welche im wesentlichen parallel verlaufend zu der Längsachse (L-L) des Ventilstapels ist, dass jeder Schirm in dem zweiten Satz von Schirmen in einer Ebene angeordnet ist, welche im wesentlichen zu den Längsachsen der Durchführung und des Ventils senkrecht verlaufend ist, und dass die gekrümmten Teile von jedem Schirm einen im wesentlichen konstanten Krümmungsradius aufweisen.

7. Ventilanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schirme in dem zweiten Sau von Schirmen im wesentlichen identisch mit den Schirmen in dem ersten Satz von Schirmen sind.

8. Ventilanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schirme in dem zweiten Satz von Schirmen mit einem zweiten Potential-steuernden Element (12) elektrisch verbunden sind, welches angepasst ist die Potentiale dieser Schirme derart zu steuern, dass die Spannung zwischen den Schirmen und der Einfassung entlang der Durchführung in einer Richtung von der zweiten Verbindung weg hin zu der Einfassung sukzessive abnimmt.

9. Ventilanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ventilableitungseinrichtung (12) parallel zu der Durchführung zwischen der zweiten Verbindung und der Einfassung angeordnet ist, und wobei die Schirme in dem zweiten Satz von Schirmen angepasst sind, sowohl die Durchführung, als auch die Ableitungseinrichtung zu umgeben.

10. Ventilanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Potential- steuernde Element die Anstiegsableitungseinrichtung umfasst, welche mit den Schirmen in dem zweiten Satz von Schirmen elektrisch verbundene Anschlüsse aufweist.

11. Ventilanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Potential- steuernde Element einen separaten Spannungsteiler umfasst.

12. Ventilanordnung nach Anspruch 8 oder einem der Ansprüche 9-11, wenn diese von Anspruch 8 abhängig sind, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Potential-steuernde Element angepasst ist mindestens bestimmten Schirmen in dem zweiten Satz von Schirmen Potentiale zu erteilen, die näher an dem Potential der Einfassung sind als jene Teile der Ventilanordnung, welche durch den jeweiligen Schirm umgeben und in der selben Ebene wie der Schirm angeordnet sind.

13. Ventilanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens bestimmte der Schirme (beispielsweise 7&sub1;) teilbar sind, um das Anbringen und das Abbauen der Schirme zu erleichtern.

14. Ventilanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens jeder teilbare Schirm (beispielsweise 7&sub1;) zwei Teile umfasst (71a, 71b), wobei jedes Teil im wesentlichen als ein kreisförmiger Bogen mit konstantem Radius gebildet ist.

15. Ventilanordnung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass jene Teile eines teilbaren Schirmes, an denen die zwei Schirmteile aneinandergrenzen in eine Richtung zu dem Ventil eingezogen sind.

16. Ventilanordnung nach Anspruch 13-15, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der zwei Teile eines Schirmes im wesentlichen als ein kreisförmiger Bogen Intt einem Zentrumswinkel, welcher größer als 180º ist, gebildet ist.

17. Ventilanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens bestimmte Schirme mit externen Hüllflächen (73) angeordnet sind, welche in Bezug auf die Längsachse des Ventilstapels derart geneigt sind, dass der Abstand zwischen der Hüllfläche und dem Ventilstapel mit einem zunehmenden Abstand von der zweiten Verbindung abnimmt.







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