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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erden wenigstens eines elektrischen Bauteils mit einem auf Erdpotenzial liegenden Erdungspunkt und mit Verbindungsmitteln zum elektrischen Verbinden der elektrischen Bauteils mit dem Erdungspunkt.
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Die Erfindung betrifft ferner einen Stromrichter mit einer solchen Vorrichtung.
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Eine solche Vorrichtung und ein solcher Stromrichter sind aus dem landläufigen Stand der Technik bereits bekannt. Stromrichter werden sowohl in der Antriebstechnik als auch in der Energieübertragung und -verteilung eingesetzt. Bei der Hochspannungsgleichstromübertragung sind beispielsweise zwei Stromrichter gleichspannungsseitig miteinander verbunden, wobei jeder Stromrichter an ein Wechselspannungsnetz angeschlossen ist. Dabei verfügt jeder Stromrichter über Phasenmodule, deren Anzahl der Anzahl der Phasen des jeweils angeschlossenen Wechselspannungsnetzes entspricht. Jedes Phasenmodul weist daher einen Wechselspannungsanschluss zum Anschluss der jeweiligen Phase des Wechselspannungsnetzes sowie einen Gleichspannungsanschluss auf. Zwischen dem Wechselspannungsanschluss und dem Gleichspannungsanschluss erstreckt sich ein Phasenmodulzweig, der aus einer Reihenschaltung von Submodulen besteht. Jedes Submodul verfügt über wenigstens einen Leistungshalbleiter, der in Parallelschaltung zu einer gegensinnig ausgerichteten Freilaufdiode angeordnet ist.
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Im Wartungsfall müssen die elektrischen Bauteile des Stromrichters, beispielsweise die Gehäuse der Submodule, geerdet werden. Hierzu dient üblicherweise ein handbedienbarer Kontaktstab oder ein an die Außenseite des jeweiligen Gehäuses des Submoduls verfahrbarer Kamm, wobei der Kontaktstab oder der Kamm jeweils einen Erdungspunkt aufweisen. Die Erdung der Submodule von Hand erfordert jedoch einen hohen Zeitaufwand. Darüber hinaus besteht ein beträchtliches Gefahrenpotenzial für das Wartungspersonal, das die Erdung durchführt. Ferner ist das Gehäuse während der Wartungsarbeiten nicht fortwährend geerdet, so dass ein Wiederaufladen des Gehäuses aufgrund einer Fehlfunktion des gesamten Submoduls nicht ausgeschlossen werden kann.
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Die
DE 693 04 282 T2 beschreibt ein Stromrichterventil mit Leistungshalbleiterschaltern, die in einem Gehäuse untergebracht sind. Hinweise darauf, das besagte Gehäuse mit einem Erdungspunkt zu verbinden, sind der genannten Druckschrift nicht zu entnehmen.
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Die
DE 28 39 003 A1 beschreibt eine Erdungsvorrichtung für eine Hochspannungsanlage. Die Hochspannungsanlage weist einen auf einem Hochspannungspotenzial liegenden elektrischen Leiter auf, der von einem Stützer in großer Höhe gehalten wird. An seinem von der Hochspannungsleitung abgewandten Ende ist der Stützer auf einem Gittermast abgestützt. Zur Erdung des besagten Gittermastes dient eine mechanische Erdungsvorrichtung.
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Aus der
DE 1 049 488 ist bekannt, zur Überbrückung elektrischer Stromkreise in Hochspannungsanlagen einen Wasserstrahl einzusetzen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und einen Stromrichter der eingangs genannten Art bereitzustellen, die eine einfache, gefahrlose und fortwährende Erdung ermöglichen.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe ausgehend von der eingangs genannten Vorrichtung dadurch, dass die Verbindungsmittel ein elektrisch leitendes Fluid umfassen, das leitend mit dem Erdungspunkt verbunden ist.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe ferner durch einen Stromrichter mit einer solchen Vorrichtung.
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Erfindungsgemäß werden die elektrischen Bauteile über ein elektrisch leitendes Fluid geerdet. Das elektrisch leitende Fluid ermöglicht ein schnelles und sicheres Erden solcher elektrischen Bauteile, die sich im Normalbetrieb auf einem Hochspannungspotenzial befinden. Dabei kann das elektrisch leitenden Fluid auf grundsätzlich beliebige Art und Weise zwischen dem Erdungspunkt und den zu erdenden Bauteilen geführt werden. Hierzu dient zweckmäßigerweise eine Rohrleitung, die zumindest abschnittsweise nicht leitend ausgebildet ist. Zum Erden wird die Rohrleitung mit dem elektrisch leitenden Fluid befüllt, wozu beispielsweise Sperrventile zum Einsatz gelangen.
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Vorteilhafterweise ist das elektrisch leitende Fluid ein elektrisch leitendes Wasser. Elektrisch leitendes Wasser ist beispielsweise salzhaltiges Wasser, wobei die elektrische Leitfähigkeit durch die Wanderung von in dem Wasser gelösten Ionen bereitgestellt ist, in die das im Wasser gelöste Salz zerfällt. Wasser ist ein besonders kostengünstiges Fluid, so dass die Kosten der erfindungsgemäßen Vorrichtung noch weiter herabgesetzt sind. Darüber hinaus weisen viele kostengünstige Salze eine ausreichend hohe Löslichkeit in Wasser auf, so dass eine ausreichende Leitfähigkeit kostengünstig bereitgestellt ist.
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Wie bereits weiter oben ausgeführt wurde, ist es vorteilhaft, dass die Verbindungsmittel eine mit elektrisch leitendem Fluid befüllbare Erdungsrohrleitung aufweisen. Die Erdungsrohrleitung ist beispielsweise aus einem Isoliermaterial gefertigt, das elektrisch nicht leitend ist. Abweichend davon ist die Erdungsrohrleitung nur teilweise aus einem Isoliermaterial gefertigt, wobei sich die Erdungsrohrleitung zwischen einem elektrisch mit dem Erdungspunkt verbundenen Potenzialpunkt und einem elektrisch mit den elektrischen Bauteilen verbundenen Potenzialpunkt erstreckt. Aufgrund der zumindest abschnittsweise bereitgestellten Nichtleitfähigkeit der Erdungsrohrleitung kommt es nur dann zu einer Erdung der elektrischen Bauteile, wenn diese mit einem elektrisch leitenden Fluid, wie beispielsweise ionisiertem Wasser, befüllt ist.
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Gemäß einer ersten Variante der Erfindung mündet die Erdungsrohrleitung in einen Kühlkreislauf, der einen Kühler und eine Entionisierungsvorrichtung umfasst, wobei ein sich zwischen dem Erdungspunkt und einer mit den elektrischen Bauteilen leitend verbundenen Gehäuseanbindung erstreckendes Rohrleitungssystem zumindest abschnittsweise aus einem elektrisch nicht leitendem Material besteht. Gemäß dieser vorteilhaften Weiterentwicklung wird ein Kühlkreislauf zur Kühlung von Komponenten eingesetzt. Kühlkreisläufe sind insbesondere bei Stromrichtern ohnehin vorhanden und dienen beispielsweise zum Kühlen von Halbleiterventilen, die zum Umrichten von elektrischen Strömen auf Hochspannungspotenzial eingerichtet sind. Dabei führt der Kühlkreislauf üblicherweise deionisiertes Wasser, so dass eine elektrische Verbindung zwischen den Gehäusen und den Wärmetauschern des Kühlkreislaufs vermieden ist. Zum Bereitstellen des deionisierten Wassers dient eine Entionisierungsvorrichtung, die als solche bekannt ist, so dass an dieser Stelle auf deren Aufbau und Funktionsweise nicht näher eingegangen zu werden braucht. Nur beispielhaft seien in diesem Zusammenhang Ionenaustauscher oder dergleichen genannt, die beispielsweise in Gestalt von Austauschpatronen auf dem Markt erhältlich sind.
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Vor dem Erden der elektrischen Bauteile werden diese oder die mit ihnen verbundenen Komponenten zunächst von einem Hochspannungspotenzial getrennt. Hierzu dienen zweckmäßige Halbleiterschalter oder mechanische Schalter. Zum anschließenden Erden wird elektrisch leitendes Fluid und insbesondere elektrisch leitendes Wasser in den Kühlkreislauf gegeben. Dies erfolgt mittels der Erdungsrohrleitung, die ebenfalls mit dem elektrisch leitenden Fluid befüllt ist. Die Erdungsrohrleitung ist elektrisch mit dem Erdungspunkt verbunden, so dass über das elektrisch leitende Fluid im Kühlkreislauf und in der Erdungsrohrleitung eine Erdung der Gehäuse bereitgestellt ist. Zur Wiederaufnahme des Normalbetriebs wird die Verbindung zwischen Kühlkreislauf und Erdungsrohrleitung, beispielsweise durch zweckmäßige Ventile, unterbrochen. Anschließend erfolgt mittels der Entionisierungsvorrichtung die Entionisierung des elektrischen Fluids und insbesondere des elektrisch leitenden Wassers. Das Wasser des Kühlkreislaufs wird entmineralisiert, so dass lediglich die aufgrund der Eigendissoziation des Wassers vorliegenden OH–- und H3O+-Ionen zur Leitfähigkeit des Wassers beitragen können. Dies sorgt für eine ausreichend geringe Leitfähigkeit des Wassers, so dass der Normalbetrieb unter Kühlung der Komponenten ohne Erdung wieder aufgenommen werden kann.
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Wie bereits weiter oben ausgeführt wurde, sind zur Regelung der Einleitung des elektrisch leitenden Fluids in den Kühlkreislauf Ventile zweckmäßig.
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Gemäß einer zweiten Variante der Erfindung erstreckt sich die Erdungsrohrleitung bis zu einem Verbindungspunkt, der elektrisch leitend mit dem oder den elektrischen Bauteilen verbunden ist, wobei die Erdungsrohrleitung zumindest abschnittsweise aus einem isolierenden Material besteht. Gemäß dieser Variante der Erfindung wird die Erdungsrohrleitung bis zu den Gehäusen oder aber bis zu einem elektrisch leitenden mit den Gehäusen verbundenen Verbindungspunkt erweitert. Auf das Einleiten des elektrisch leitenden Fluids in einen Kühlkreislauf wird gemäß dieser Variante verzichtet. Ein Entionisieren im Anschluss an das Erden entfällt gemäß dieser Variante. Zur Erdung wird die Erdungsrohrleitung einfach mit elektrisch leitendem Fluid befüllt und auf diese Art und Weise eine elektrisch leitende Verbindung der elektrischen Bauteile mit dem Erdungspunkt hergestellt. Ein einfaches Ablassen des elektrisch leitenden Fluids aus der Erdungsrohrleitung ist ausreichend, um die Verbindung zwischen Erdungspunkt und den elektrischen Bauteilen wieder zu unterbrechen. Auf diese Weise kann der Normalbetrieb bereits schnell nach Beendigung der Wartungsarbeiten wieder aufgenommen werden.
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Zweckmäßigerweise kommuniziert die Erdungsrohrleitung mit einem Vorratsbehälter, der mit elektrisch leitendem Fluid befällt ist. Auf diese Weise kann ein geeignetes, elektrisch leitendes Fluid zur Erdung bereitgehalten werden. Das elektrisch leitende Fluid, beispielsweise elektrisch leitendes Wasser, weist einen ausreichend hohen Grad an gelösten Ionen auf, so dass eine ausreichende Leitfähigkeit bereitgestellt ist.
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Zweckmäßigerweise weist der Kühlkreislauf eine Umwälzpumpe auf. Eine Umwälzpumpe ist auch für die Erdungsrohrleitung zweckmäßig.
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Die elektrischen Bauteile können beliebige Bauteile sein. So sind die elektrischen Bauteile beispielsweise Kondensatoren oder sonstige Komponenten eines Stromrichters. Vorteilhafterweise sind die elektrischen Bauteile Gehäuse von Halbleitermodulen oder Halbleitern.
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Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung unter Bezug auf die Figuren der Zeichnung, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleich wirkende Bauteile verweisen, und wobei
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Stromrichters, wobei sich der Stromrichter im Normalbetrieb befindet,
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2 die Vorrichtung und den Stromrichter gemäß 1, wobei der Stromrichter zu Wartungszwecken geerdet ist, und
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3 eine weitere Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigen, wobei zwei Detailansichten die Verbindung einer Erdungsrohrleitung mit den elektrischen Bauteilen verdeutlicht.
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1, die zur elektrisch leitenden Verbindung von elektrischen Bauteilen 2 eines Stromrichters mit einem Erdungspunkt 3 vorgesehen ist. Die elektrischen Bauteile sind in dem gezeigten Ausführungsbeispiel Gehäuse 2 von Submodulen des Stromrichters. Die Vorrichtung 1 umfasst eine Erdungsrohrleitung 4, die sich zwischen einem mit elektrisch leitendem Wasser befüllten Vorratsbehälter 5 sowie einem Kühlkreislauf 6 erstreckt. Zum Verbinden des Kühlkreislaufs 6 mit der Erdungsrohrleitung 4 sind zweckmäßige Absperrventile 7 vorgesehen. Der Kühlkreislauf 6 umfasst eine Entionisierungsvorrichtung 8, einen Kühler 9 zum Abkühlen des Wassers im Normalbetrieb sowie Filtermittel 10. Der Kühlkreislauf 6 verfügt ferner über ein Rohrleitungssystem, das über Wärmeaustauschbereiche 11 zum Austausch von Wärme mit den Gehäusen 2 verfügt.
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In der in 1 gezeigten Stellung der Absperrventile 7 kommuniziert der Vorratsbehälter 5 nicht mit dem Kühlkreislauf 6. Die Absperrventile 7 sorgen vielmehr dafür, dass der Kühler 9 sowie die Entionisierungsvorrichtung 8 und die Filtermittel 10 mit Wärmeaustauschbereichen 11 verbunden sind.
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Der erfindungsgemäße Stromrichter ist in den Figuren nur mit den Gehäusen 2 dargestellt, weist jedoch ferner so genannte Halbleiterventile zum Schalten elektrischer Ströme auf, die sich im Bereich der Energieübertragung und -verteilung in der Regel auf einem Hochspannungspotenzial befinden. Die Halbleiterventile umfassen in der Regel jeweils eine Reihenschaltung aus Submodulen, die wiederum aus Halbleitermodulen mit abschaltbaren Leistungshalbleitern bestehen. Im Normalbetrieb kommt es zur Erwärmung der Halbleitermodule und insbesondere der figürlich dargestellten Gehäuse 2 der Halbleitermodule, so dass eine Kühlung erforderlich ist. Diese wird durch den Kühlkreislauf 6 bereitgestellt. In den Wärmeaustauschbereichen 11 kommt es zu einem Wärmeübertrag von den Halbleitermodulen in die Kühlflüssigkeit, die in dem in der 1 gezeigten Beispiel aus nicht leitendem Wasser besteht. Die fehlende Leitfähigkeit des Wassers wird durch die Entionisierungsvorrichtung 8 bereitgestellt, mit der im Kühlwasser gelöste Ionen von Mineralsalzen aus dem Wasser entfernt werden. Es verbleiben im Wesentlichen lediglich die durch Eigendissoziation bereitgestellten OH–- und H3O+-Ionen, so das eine zur Isolierung ausreichend geringe Leitfähigkeit des Wassers bereitgestellt ist. Die Kühlung 9 sorgt für eine Abkühlung des durch die Gehäuse 2 der Halbleitermodule des aufgeheizten Wassers.
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2 zeigt ein Ausführungsbeispiel gemäß 1 in einem geerdeten Zustand. Zur Erdung der Gehäuse 2 wurden die Absperrventile 7 entsprechend betätigt, so dass die Entionisierungsvorrichtung 8, der Kühler 9 und die Filtermittel 10 nicht mehr mit den Wärmeaustauschabschnitten 11 kommunizieren. Stattdessen ist eine Verbindung der Wärmeaustauschabschnitte 11 mit dem Vorratsbehälter 5 über die Erdungsrohrleitung 4 bereitgestellt. Das elektrisch leitende Wasser des Vorratsbehälters 5 fließt aufgrund der Wirkung einer nicht in 2 oder 1 gezeigten Umwälzpumpe in das sich zwischen den Absperrventilen 7 und den Wärmeaustauschabschnitten 11 erstreckende Rohrleitungssystem. Auf diese Weise kommt es durch das elektrisch leitende Wasser zu einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen dem Erdungspunkt 3 und den Gehäusen 2, die selbstverständlich in den Wärmeaustauschbereichen 11 sowohl wärmeleitend als auch elektrisch leitend mit den Gehäusen 2 verbunden sind.
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3 zeigt eine Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1, die eine Erdungsrohrleitung 4 aufweist, die nicht mit dem Kühlkreislauf 6 verbunden ist. Stattdessen erstreckt sich die Erdungsrohrleitung 4 bis hin zu Gehäuseanbindungen 12, die zur Halterung der Erdungsrohrleitung 4 an den Gehäusen 2 vorgesehen sind. Dabei sind die Gehäuseanbindungen 12 jeweils elektrisch leitend mit einem Gehäuse 2 verbunden. Die Rohrleitung 4 besteht hingegen aus einem elektrisch nicht leitendem Material, das darüber hinaus die für die jeweiligen Hochspannungen notwendige Spannungsfestigkeit bereitstellt, um Kriechströme, Teilentladungen oder dergleichen sicher zu vermeiden. Zur Erdung der Gehäuse 2 wird elektrisch leitendes Wasser in die Erdungsrohrleitung 4 eingeleitet, wozu in 3 figürlich nicht dargestellte Sperrventile geöffnet werden. Sobald das elektrisch leitende Wasser in Kontakt mit den Gehäuseanbindungen 12 geraten ist, sind die Gehäuse 2 leitend mit dem Erdungspunkt 3 verbunden und liegen somit auf Erdpotenzial. Bei geerdeten Gehäusen 2 können gefahrlos Wartungsarbeiten durchgeführt werden, wobei die Erdung über den gesamten Zeitraum hinweg bei allen Gehäusen 2 gleichzeitig aufrechterhalten wird.
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Um die Erdung der Gehäuse 2 aufzuheben, wird das elektrisch leitenden Wasser durch eine in 3 figürlich nicht dargestellte Umwälzpumpe oder aber durch eine sonstige Absaugvorrichtung aus der Erdungsrohrleitung 4 entfernt.