用于減小變壓器的芯中的磁性單向通量成分的設備的制造方法
【專利摘要】本發明涉及一種用于減小在變壓器的芯中的磁性單向通量成分的設備，所述變壓器具有至少三個鐵心柱，所述變壓器尤其是三相變壓器，所述設備對于所述變壓器的每個鐵心柱都包括至少一個補償繞組，其中所述補償繞組磁性地與所述變壓器的芯耦合。所述設備的特征在于，?針對每個鐵心柱設置兩個補償繞組（K1?1，K1?2；K2?1，K2?2；K3?1,K3?2），?鐵心柱的第一補償繞組（K1?1，K2?1，K3?1）分別彼此電連接成第一三角形連接（1），?鐵心柱的第二補償繞組（K1?2，K2?2,K3?2）分別彼此電連接成第二三角形連接（2），?其中至少一個鐵心柱的補償繞組（K1?1，K1?2；K3?1,K3?2）具有不同的匝數，?并且其中，針對相位截止控制，與補償繞組串聯地布置有至少一個開關單元（T）。
【專利說明】
用于減小變壓器的芯中的磁性單向通量成分的設備
技術領域
[0001]本發明涉及一種用于減小變壓器的芯中的磁性單向通量成分的設備，該變壓器具有至少三個鐵心柱(Schenkel )，該變壓器尤其是三相變壓器，該設備針對變壓器的每個鐵心柱包括至少一個補償繞組，其中補償繞組與變壓器的芯磁性耦合。
[0002]本發明的應用領域原則上不僅在于在低壓范圍或者中壓范圍中的變壓器而且在于非常高的功率的變壓器(功率變壓器、HGi)(高壓直流輸電)變壓器)。
【背景技術】
[0003]在如在配電網中采用的電力變壓器中，可發生直流電流不期望地饋入到初級繞組或者次級繞組中。這種直流電流饋入(也稱作DC成分)例如可能由如目前在操控電驅動或者也在無功功率補償中所使用的電子結構部件引起。其他原因可能是所謂的地磁感應電流(英語“GeomagneticalIy Induced Current，，，GIC)。
[0004]由于太陽風，地磁場被改變并且由此在地表面上的導體環上感應出非常低頻的電壓。在長的電輸能線中，所感應的電壓可引起相對大的低頻電流(準直流電流)。地磁感應電流大致以十年周期出現。所述地磁感應電流均勻地分布到所有(三)相上，每個相都可以達到直至30A并且經由變壓器的中性點流出。這導致在半周期中變壓器的芯的強烈飽和并且因而導致在半周期中的強烈的勵磁電流。附加的激勵有強烈的諧波成分并且由此由于具有諧波成分的雜散場造成變壓器的繞組和鐵質件(Eisenteil)中的渦流損耗。這可導致變壓器中的局部過熱。此外，由于強烈的激勵需求而發生高的無功功率消耗和電壓降。這可共同導致能量輸送網的不穩定。強烈地簡言之，變壓器在半波中表現得如扼流圈。
[0005]在變壓器的規范中，一些能量輸送公司因而針對變壓器的中性點已經要求100A的直流電流。
[0006]根據WO2012/041368 Al，在補償繞組中感應的電壓被使用并且被考慮用于補償干擾性的磁性單向通量成分，其方式是晶閘管開關與限流扼流圈串聯連接，以便將補償電流引入到補償繞組中。該解決方案對于在如下范圍中的要均衡的直流電流而言運行良好:該范圍比地磁感應電流小一個量級，即大約在1A以下的范圍中。對于地磁感應電流，必須會朝向中壓水平，即在大約5kV或SkV的范圍中，并且采用強力的晶閘管。由于這樣的晶閘管的高損耗功率，要會針對晶閘管設置自己的冷卻裝置，使得該解決方案接著會是不經濟的。
[0007]對于地磁感應電流的其他解決方案是所謂的DC阻斷器(DCBlocker)，其中在原理上將電容器連接到變壓器的中性點中。該解決方案是有問題的，因為由于電容器的充電而形成位移電壓。除此之外，位移電壓被限制在電容器上，使得通常不能阻斷整個直流電流。當在輸電網中發生短路并且因而發生零序電流時，該解決方案也是有問題的。

【發明內容】

[0008]本發明的任務是提供一種用于減少在變壓器的芯中的地磁感應的磁性單向通量成分的設備，在該設備中該電壓在可預給定的值之下，該可預給定的值被指定例如在所謂的低電壓指令(Niederspannungsrichtlinie)之內，即在690V之下。
[0009]該任務通過具有權利要求1所述的特征的設備來解決。本發明的有利的改進方案在相應的從屬權利要求中予以限定。
[0010]權利要求1涉及一種用于減小在變壓器的芯中的磁性單向通量成分的設備，該變壓器具有至少三個鐵心柱，該變壓器尤其是三相變壓器，該設備對于變壓器的每個鐵心柱包括至少一個補償繞組，其中所述補償繞組與變壓器的芯磁性耦合。
[0011]權利要求1的特征在于，
-針對每個鐵心柱設置兩個補償繞組，
-鐵心柱的第一補償繞組分別彼此電連接成第一三角形連接，
-鐵心柱的第二補償繞組分別彼此電連接成第二三角形連接，
-其中至少一個三角形連接的補償繞組具有如下的匝數，并且N、m是自然數，其中N>m: 第一鐵心柱的第一補償繞組具有N+m匝，
第二鐵心柱的第一補償繞組分別具有N匝，
第三鐵心柱的第一補償繞組具有N-m匝，
-并且其中，針對相位截止控制(Phasenanschnittsteuerung)，與補償繞組串聯地布置有至少一個開關單元。
[0012]根據本發明的解決方案的原理又基于借助補償繞組的直流電流補償，其方式是，有針對性地將電流饋入到補償繞組中，該補償繞組的作用與單向通量成分相反并且防止變壓器的芯的磁化。換言之，所謂的反安匝被引入變壓器中，其中安匝是磁動勢的另一術語。在此，補償電流通過開關單元被引入到補償繞組中，其中對于變壓器芯的每個相或每個鐵心柱必須設置一個補償繞組并且根據本發明對于變壓器芯的每個相或每個鐵心柱設置兩個補償繞組。
[0013]由于三角形連接的補償繞組具有不同的匝數，所以三角形連接的回路電壓(Umlauf spannung)有意地不是被加到零，而是停止的回路電壓可以通過參數m來設定，使得該回路電壓在確定的值之下，例如在690V之下。有效匝數N原則上可以任意大地被選擇，僅須注意變壓器中的耐壓強度。
[0014]在相位截止控制中，在補償繞組中感應的電壓的相位被探測并且開關單元被操控，使得脈動的直流電流被饋入到補償繞組中，如在WO 2012/041368 Al中已經展現的那樣。
[0015]本發明的一個實施形式設置兩個三角形連接，所述三角形連接分別具有不同匝數的補償繞組，即補償繞組具有如下匝數并且N、m為自然數，其中N>m:
第一鐵心柱的第一補償繞組具有N+m匝，而第一鐵心柱的第二補償繞組具有N-m匝， 第二鐵心柱的第一補償繞組和第二補償繞組分別具有N匝，
第三鐵心柱的第一補償繞組具有N-m匝，而第三鐵心柱的第二補償繞組具有N+m匝。
[0016]換言之，鐵心柱的兩個補償繞組共同地具有總是同樣多的匝，然而這兩個補償繞組在三個鐵心柱中的兩個中并非均勻地分布在這兩個補償繞組上。三角形連接的所有補償繞組也總共具有同樣多的匝，只是該數目的匝沒有均勻地分布到鐵心柱上。
[0017]在該實施變型方案中有利的是，第一三角形連接和第二三角形連接并不彼此電連接，而是每個三角形連接都擁有自己的開關單元。
[0018]本發明的另一實施形式設置兩個彼此接線的三角形連接:補償繞組具有如下匝數，并且N、m、M是自然數，其中N>m:
第一鐵心柱的第一補償繞組具有N+m匝，而第一鐵心柱的第二補償繞組具有M匝，
第二鐵心柱的第一補償繞組具有N匝，第二鐵心柱的第二補償繞組具有M匝，
第三鐵心柱的第一補償繞組具有N-m匝，而第三鐵心柱的第二補償繞組具有M匝。
[0019]在彼此接線的三角形連接的實施形式中，可以設置，第一三角形連接和第二三角形連接串聯電連接并且擁有共同的開關單元。
[0020]針對所有開關單元可以設置:至少一個限流扼流圈與開關單元電串聯地被布置。通過在上游連接(Vors cha I ten )限流扼流圈(電感)可以有效地濾出瞬態電壓。
[0021]為了確定所需的補償電流，可以設置:開關單元與用于檢測變壓器中的磁性單向通量成分的測量裝置連接。這樣的測量裝置例如從WO 2012/041368 Al中以具有傳感器線圈的磁分流件(Nebenschluss-Tei I)的形式公知。該分流件可以靠置在變壓器的芯上、例如靠靠在鐵心柱上或者磁軛上地被布置，以便在旁路中引導磁通的一部分。由于在分流中引導磁通，所以可以借助傳感器線圈非常容易地獲得長期穩定的傳感器信號，該傳感器信號必要時在信號調理之后非常良好地映射單向通量成分(CD成分)。
[0022]為了執行相位截止控制，可以為開關單元設置控制單元，其中該控制單元包括限時元節，該限時元節與相位探測器連接，使得該限時元節可以被相位探測器觸發，該相位探測器可以探測在補償繞組中感應的電壓的相位并且可以操控該開關單元，使得脈動的直流電流被饋入到補償繞組中。該控制單元接著也會與用于檢測變壓器中的磁性單向通量成分的測量裝置連接。
[0023]相對應的用于使帶有控制單元的設備運行的方法設置:該控制單元包括限時元節，該限時元節被相位探測器觸發，該相位探測器探測在補償繞組中感應的電壓的相位并且操控該開關單元，使得脈動的直流電流被饋入到補償繞組中。
【附圖說明】
[0024]為了進一步闡述本發明，在說明書的隨后的部分中參照附圖，從附圖中可獲悉本發明的其他有利的改進設計方案、細節和擴展方案。在附圖中:
圖1示出了根據現有技術的用于將補償電流引入到補償繞組中的原理電路圖，該原理電路圖包括晶閘管電路，
圖2示出了根據現有技術的用于借助可控的電流源將補償電流引入到補償繞組中的原理電路圖，
圖3示出了根據本發明的帶有為兩個分開的三角形連接的補償繞組的原理電路圖，
圖4示出了圖3的三角形連接中的電壓和電流變化過程，
圖5示出了根據本發明的具有為兩個彼此電連接的三角形連接的補償繞組的原理電路圖。
【具體實施方式】
[0025]根據圖1中的現有技術，在所謂的直流電流補償的情況下有針對性地將直流電流引入到補償繞組K中，以便抵消變壓器芯的直流電流磁化。為了將所需的磁動勢(所謂的直流電流安匝)引入到補償繞組K中，利用在補償繞組K中感應的交流電壓，該補償繞組K如交流電壓源那樣起作用。在補償繞組K上，構造為晶閘管的開關單元T與限流扼流圈L串聯連接。所需的直流電流可以通過在晶閘管T的確定的激發時間進行電壓同步激發而被設定(相位截止控制)。如果在電壓過零時激發晶閘管，則出現最大直流電流，然而該最大直流電流與具有直流電流的幅值和電網頻率的交流電流疊加。如果稍晚激發晶閘管，則直流電流變得更小，然而也形成諧波交流電流。晶閘管T中的電流變化過程通過限流扼流圈L來限制，晶體管T的允許的熱負載針對限流被確定尺寸。
[0026]另一公知的用于減小磁性單向通量成分的實施形式在圖2中示出。不是晶閘管T，并且在該實施形式中也不是限流扼流圈L，而是使用可控的電流源S，并且對于變壓器的每個相設置補償繞組K1、K2、K3，所述補償繞組借助三角形連接彼此連接。可控的電流源S與補償繞組Κ1、Κ2、Κ3串聯電連接。每個補償繞組Κ1、Κ2、Κ3都被布置在(此處未示出的)三相變壓器的一個鐵心柱上。
[0027]在這三個相上的這三個補償繞組現在可以以三角形連接的形式彼此接線，因為地磁感應電流均勻地分布到所有三個相上。因而，也必須將相同的直流電壓反安匝引入到所有三個相上或其補償繞組中。補償繞組的三角形連接因此顯得有意義，因為相同的電流必須流過所有補償繞組并且回路電壓(在電網中的回路或網格的所有分電壓之和)在理想的對稱電流網(沒有直流分量)中被加成零。
[0028]現在可能會利用為零的回路電壓并且通過可控的電流源S引入直流電壓反安匝。但是如果變壓器非對稱地被加載負荷，則回路電壓的分電壓沒有被加為零并且由電流源S施加無功功率。電流源S的該功率可由其他源輸送。
[0029]通過修改圖2中的設備，即通過兩個根據本發明的三角形連接，但又可以使用根據圖1的直流電流補償的原理并且由此取消電流源S。
[0030]本發明的第一實施形式在圖3中針對三相變壓器被示出。對于變壓器的每個鐵心柱或相設置兩個補償繞組Kl-1、Κ1-2 ;Κ2-1、Κ2-2 ;Κ3-1、Κ3_2。鐵心柱的一個補償繞組Kl-1、Κ2-1、Κ3-1總是被選出并且與其他鐵心柱的在第一三角形連接I中的另一補償繞組彼此電連接。鐵心柱的相應其他的補償繞組Κ1-2、Κ2-2、Κ3-2在第二三角形連接2中與另一鐵心柱的相應其余的補償繞組Κ1-2、Κ2-2、Κ3-2彼此電連接。
[0031]第一三角形連接I和第二三角形連接2并不彼此電連接，每個三角形連接1、2擁有帶有連接在上游的限流扼流圈(電感)L的自己的開關單元T。
[0032]補償繞組1(1-1、1(1-2;1(2-1、1(2-2;1(3-1、1(3-2通常相同地被構造，即具有相同的導體橫截面和相同的線匝直徑，但是部分地具有不同數目的線匝。補償繞組在此具有如下匝數，其中N、M是自然數，其中N>m:
(第一相的)第一鐵心柱的第一補償繞組Kl-1具有N+m匝，而(第一相的)第一鐵心柱的第二補償繞組K1-2具有N-m匝，
(第二相的)第二鐵心柱的第一補償繞組K2-1和第二補償繞組K2-2分別具有N匝，
(第三相的)第三鐵心柱的第一補償繞組K3-1具有N-m匝，而(第三相的)第三鐵心柱的第二補償繞組K3-2具有N+m匝。
[0033]由此，在兩個三角形連接中的回路電壓的分電壓有意地沒有被加為零，由此又可以使用相位截止控制。最終得到的(停止的)回路電壓可以通過參數m來設定，使得該回路電壓來到在690V之下并且根據本發明的設備降低在低電壓指令之下。然而，有效匝數為N并且原理上可以任意大地被選擇，僅須注意變壓器中的耐壓強度。不需要外來輸送的功率，可能出現的直流分量出現將不會擾亂根據本發明的設備。
[0034]根據圖3的實施方案的另一優點在于，在第一三角形連接I中的回路電壓UuI與在第二三角形連接2中的回路電壓Uu2是對影像的(gegengleich)，如從圖4中可獲悉的那樣。在上部圖示中，示出了關于時間t的回路電壓Uu的變化過程。回路電壓Uul、Uu2不僅剛好是對影像的，而且也相應等大。
[0035]現在，當在圖3的第二三角形連接2中的被構造為晶閘管的開關單元T比在第一三角形連接I中的晶閘管T晚半周期T/2被激發時，得到相同的直流電流成分，但是疊加的交流電壓是對影像的。由此，得到了諧波成分的減小，引入能量網中的諧波成分被減小。關于時間t的補償電流I的變化過程在圖4中的下部圖示中可看到，Il標明第一三角形連接I的補償電流，12標明第二三角形連接2的補償電流。水平虛線是兩個三角形連接1、2的有效補償電流。
[0036]在補償繞組中的電壓電勢減小的改進的實施形式在圖5中示出。通過將三角形連接1、2彼此接線，在每個三角形連接中的分電壓被加成零。第一三角形連接和第二三角形連接串聯電連接，其方式是:第一鐵心柱的第一補償繞組Kl-1的輸出端與第三鐵心柱的第二補償繞組K3-2的輸入端電連接。第三鐵心柱的第一補償繞組K3-1的輸入端與(這兩個三角形連接1、2共用的)開關單元T連接，同樣與第一鐵心柱的第二補償繞組K1-2的輸出端連接。在開關單元T上游此處也連接限流扼流圈(電感)L。
[0037]補償繞組具有如下匝數，其中N、m、M是自然數，其中N>m并且(在此情況下)M〈N: (第一相的)第一鐵心柱的第一補償繞組Kl-1具有N+m匝，而第一鐵心柱M的第二補償繞組K1-2具有M匝，
(第二相的)第二鐵心柱的第一補償繞組K2-1具有N匝，第二鐵心柱的第二補償繞組K2-2具有M匝。
[0038](第三相的)第三鐵心柱的第一補償繞組K3-1具有N-m匝，而第三鐵心柱的第二補償繞組K3-2具有M匝。
[0039]在圖5中的第二三角形連接2中的匝數M在此情況下小于第一三角形連接I中的匝數N，但匝數M也可能等于或大于在第一三角形連接I中的匝數N。
[0040]由此，回路電壓的分電壓通過兩個三角形連接有意地沒有被加成零，由此在使用晶閘管T的情況下可以使用相位截止控制，如已經在圖3中闡述的那樣。最終得到的(停止的)回路電壓又可以通過參數m來設定，使得該回路電壓來到在690V之下并且根據本發明的設備降低在低電壓指令之下。然而，有效匝數對于第一三角形連接I而言為N，而對于第二三角形連接2而言為M。有效匝數N原理上可以任意大地被選擇，只須注意變壓器中的耐壓強度。不需要外來輸送的功率，根據本發明的設備相對可能出現的直流分量是穩健的。
[0041 ]圖2、3中的箭頭示出了補償電流的電流方向。
[0042]對于所有實施變型方案適用的是，在切換開關裝置時，即在激發晶閘管T時，補償電流開始流動。晶閘管的控制如在WO 2012/041368 Al中那樣進行:控制單元基本上包括相位探測器和限時元節。相位探測器、例如過零探測器從感應的電壓導出觸發信號，該觸發信號被輸送給限時元節。與同樣被輸送給控制單元的控制信號一起，控制單元在輸出側提供調節量，該調節量被引向晶閘管T。電感L在此被按尺寸安排為使得在晶閘管T接通時將沿電流方向流動的脈動的電流變化過程饋入到補償繞組K中。在此，晶閘管T在直流電流脈沖結束時被切換到無電流的狀態下，例如其方式是:低于晶閘管T的保持電流。
[0043]附圖標記列表
1第一三角形連接
2第二三角形連接
I補償電流
II第一三角形連接的補償電流
12第二三角形連接的補償電流 K補償繞組
Kl第一鐵心柱的補償繞組
Κ2第二鐵心柱的補償繞組
Κ3第三鐵心柱的補償繞組
Kl-1第一鐵心柱的第一補償繞組
Κ1-2第一鐵心柱的第二補償繞組
Κ2-1第二鐵心柱的第一補償繞組
Κ2-2第二鐵心柱的第二補償繞組
Κ3-1第三鐵心柱的第一補償繞組
Κ3-2第三鐵心柱的第二補償繞組
L限流扼流圈(電感)
M匝數
N匝數
Ν+Μ匝數
N-M匝數
T開關單元(晶閘管)
Τ/2半周期
S可控的電流源
Uu回路電壓
Uul第一三角形連接的回路電壓
Uu2第二三角形連接的回路電壓
【主權項】
1.一種用于減小在變壓器的芯中的磁性單向通量成分的設備，所述變壓器具有至少三個鐵心柱，所述變壓器尤其是三相變壓器，所述設備對于所述變壓器的每個鐵心柱都包括至少一個補償繞組(ΚΙ，K2，K3)，其中所述補償繞組(ΚΙ，K2，K3)磁性地與所述變壓器的芯耦入η ? 其特征在于， -針對每個鐵心柱設置兩個補償繞組(1(1-1，1(1-2;1(2-1，1(2-2;1(3-1，Κ3-2)， -鐵心柱的第一補償繞組(Κ1-1，Κ2-1，Κ3-1)分別彼此電連接成第一三角形連接(1)， -鐵心柱的第二補償繞組(Κ1-2，Κ2-2，Κ3-2)分別彼此電連接成第二三角形連接(2)， -其中至少一個三角形連接(I，2)的補償繞組具有如下的匝數，并且N、m是自然數，其中 N>m: 第一鐵心柱的第一補償繞組(Kl-1)具有N+m匝， 第二鐵心柱的第一補償繞組(K2-1)分別具有N匝， 第三鐵心柱的第一補償繞組(3-1)具有N-m匝， -并且其中，針對相位截止控制，與補償繞組串聯地布置有至少一個開關單元(T)。2.根據權利要求1所述的設備，其特征在于，所述補償繞組具有如下匝數，并且N、m為自然數，其中N>m: 第一鐵心柱的第一補償繞組(Kl-1)具有N+m匝，而第一鐵心柱的第二補償繞組(K1-2)具有N-m匝， 第二鐵心柱的第一和第二補償繞組(K2-1，K2-2)分別具有N匝， 第三鐵心柱的第一補償繞組(Κ3-1)具有N-m匝，而第三鐵心柱的第二補償繞組(Κ3-2)具有N+m匝。3.根據權利要求2所述的設備，其特征在于，所述第一和第二三角形連接(I，2)并不彼此電連接，而是每個三角形連接都擁有自己的開關單元(T)。4.根據權利要求1所述的設備，其特征在于，所述補償繞組具有如下匝數，并且N、m、M是自然數，其中N>m: 第一鐵心柱的第一補償繞組(Kl-1)具有N+m匝，而第一鐵心柱的第二補償繞組(K1-2)具有M匝， 第二鐵心柱的第一補償繞組(K2-1)具有N匝，第二鐵心柱的第二補償繞組(K2-2)具有M匝， 第三鐵心柱的第一補償繞組(K3-1)具有N-m匝，而第三鐵心柱的第二補償繞組(K3-2)具有M匝。5.根據權利要求4所述的設備，其特征在于，第一和第二三角形連接(I，2)串聯電連接并且擁有共用的開關單元(T)。6.根據權利要求1至5之一所述的設備，其特征在于，與所述開關單元(T)電串聯地布置有至少一個限流扼流圈(L)。7.根據權利要求1至6之一所述的設備，其特征在于，所述開關單元(T)與用于檢測磁性單向通量成分的測量裝置連接。8.根據權利要求1至7之一所述的設備，其特征在于，針對開關單元(T)的相位截止控制，設置控制單元，其中所述控制單元包括限時元節，該限時元節與相位探測器連接，使得該限時元節能夠被相位探測器觸發，所述相位探測器能夠探測在所述補償繞組(K1-1，κι-2;Κ2-1，Κ2-2;Κ3-1，Κ3-2)中感應的電壓的相位并且所述相位探測器能夠操控所述開關單元打夂使得脈動的直流電流被饋入到所述補償繞組^卜^^;!^-!，!^-];!^-!，Κ3-2)中。9.一種用于使根據權利要求8所述的設備運行的方法，其特征在于，控制單元包括限時元節，所述限時元節被相位探測器觸發，所述相位探測器探測在補償繞組(1(1-1，1(1-2;1(2-1，Κ2-2;Κ3-1，Κ3-2)中感應的電壓的相位并且所述相位探測器操控所述開關單元(T)，使得脈動的直流電流被饋入到所述補償繞組(Κ1-1，Κ1-2;Κ2-1，Κ2-2;Κ3-1，Κ3-2)中。
【文檔編號】H01F27/42GK105993056SQ201480075006
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2014年12月17日
【發明人】P.哈姆貝格爾
【申請人】西門子公司