用于减小变压器的芯中的磁性单向通量成分的设备的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于减小在变压器的芯中的磁性单向通量成分的设备，所述变压器具有至少三个铁心柱，所述变压器尤其是三相变压器，所述设备对于所述变压器的每个铁心柱都包括至少一个补偿绕组，其中所述补偿绕组磁性地与所述变压器的芯耦合。所述设备的特征在于，?针对每个铁心柱设置两个补偿绕组（K1?1，K1?2；K2?1，K2?2；K3?1,K3?2），?铁心柱的第一补偿绕组（K1?1，K2?1，K3?1）分别彼此电连接成第一三角形连接（1），?铁心柱的第二补偿绕组（K1?2，K2?2,K3?2）分别彼此电连接成第二三角形连接（2），?其中至少一个铁心柱的补偿绕组（K1?1，K1?2；K3?1,K3?2）具有不同的匝数，?并且其中，针对相位截止控制，与补偿绕组串联地布置有至少一个开关单元（T）。
【专利说明】
用于减小变压器的芯中的磁性单向通量成分的设备
技术领域
[0001]本发明涉及一种用于减小变压器的芯中的磁性单向通量成分的设备，该变压器具有至少三个铁心柱(Schenkel )，该变压器尤其是三相变压器，该设备针对变压器的每个铁心柱包括至少一个补偿绕组，其中补偿绕组与变压器的芯磁性耦合。
[0002]本发明的应用领域原则上不仅在于在低压范围或者中压范围中的变压器而且在于非常高的功率的变压器(功率变压器、HGi)(高压直流输电)变压器)。
【背景技术】
[0003]在如在配电网中采用的电力变压器中，可发生直流电流不期望地馈入到初级绕组或者次级绕组中。这种直流电流馈入(也称作DC成分)例如可能由如目前在操控电驱动或者也在无功功率补偿中所使用的电子结构部件引起。其他原因可能是所谓的地磁感应电流(英语“GeomagneticalIy Induced Current，，，GIC)。
[0004]由于太阳风，地磁场被改变并且由此在地表面上的导体环上感应出非常低频的电压。在长的电输能线中，所感应的电压可引起相对大的低频电流(准直流电流)。地磁感应电流大致以十年周期出现。所述地磁感应电流均匀地分布到所有(三)相上，每个相都可以达到直至30A并且经由变压器的中性点流出。这导致在半周期中变压器的芯的强烈饱和并且因而导致在半周期中的强烈的励磁电流。附加的激励有强烈的谐波成分并且由此由于具有谐波成分的杂散场造成变压器的绕组和铁质件(Eisenteil)中的涡流损耗。这可导致变压器中的局部过热。此外，由于强烈的激励需求而发生高的无功功率消耗和电压降。这可共同导致能量输送网的不稳定。强烈地简言之，变压器在半波中表现得如扼流圈。
[0005]在变压器的规范中，一些能量输送公司因而针对变压器的中性点已经要求100A的直流电流。
[0006]根据WO2012/041368 Al，在补偿绕组中感应的电压被使用并且被考虑用于补偿干扰性的磁性单向通量成分，其方式是晶闸管开关与限流扼流圈串联连接，以便将补偿电流引入到补偿绕组中。该解决方案对于在如下范围中的要均衡的直流电流而言运行良好:该范围比地磁感应电流小一个量级，即大约在1A以下的范围中。对于地磁感应电流，必须会朝向中压水平，即在大约5kV或SkV的范围中，并且采用强力的晶闸管。由于这样的晶闸管的高损耗功率，要会针对晶闸管设置自己的冷却装置，使得该解决方案接着会是不经济的。
[0007]对于地磁感应电流的其他解决方案是所谓的DC阻断器(DCBlocker)，其中在原理上将电容器连接到变压器的中性点中。该解决方案是有问题的，因为由于电容器的充电而形成位移电压。除此之外，位移电压被限制在电容器上，使得通常不能阻断整个直流电流。当在输电网中发生短路并且因而发生零序电流时，该解决方案也是有问题的。
【发明内容】
[0008]本发明的任务是提供一种用于减少在变压器的芯中的地磁感应的磁性单向通量成分的设备，在该设备中该电压在可预给定的值之下，该可预给定的值被指定例如在所谓的低电压指令(Niederspannungsrichtlinie)之内，即在690V之下。
[0009]该任务通过具有权利要求1所述的特征的设备来解决。本发明的有利的改进方案在相应的从属权利要求中予以限定。
[0010]权利要求1涉及一种用于减小在变压器的芯中的磁性单向通量成分的设备，该变压器具有至少三个铁心柱，该变压器尤其是三相变压器，该设备对于变压器的每个铁心柱包括至少一个补偿绕组，其中所述补偿绕组与变压器的芯磁性耦合。
[0011]权利要求1的特征在于，
-针对每个铁心柱设置两个补偿绕组，
-铁心柱的第一补偿绕组分别彼此电连接成第一三角形连接，
-铁心柱的第二补偿绕组分别彼此电连接成第二三角形连接，
-其中至少一个三角形连接的补偿绕组具有如下的匝数，并且N、m是自然数，其中N>m: 第一铁心柱的第一补偿绕组具有N+m匝，
第二铁心柱的第一补偿绕组分别具有N匝，
第三铁心柱的第一补偿绕组具有N-m匝，
-并且其中，针对相位截止控制(Phasenanschnittsteuerung)，与补偿绕组串联地布置有至少一个开关单元。
[0012]根据本发明的解决方案的原理又基于借助补偿绕组的直流电流补偿，其方式是，有针对性地将电流馈入到补偿绕组中，该补偿绕组的作用与单向通量成分相反并且防止变压器的芯的磁化。换言之，所谓的反安匝被引入变压器中，其中安匝是磁动势的另一术语。在此，补偿电流通过开关单元被引入到补偿绕组中，其中对于变压器芯的每个相或每个铁心柱必须设置一个补偿绕组并且根据本发明对于变压器芯的每个相或每个铁心柱设置两个补偿绕组。
[0013]由于三角形连接的补偿绕组具有不同的匝数，所以三角形连接的回路电压(Umlauf spannung)有意地不是被加到零，而是停止的回路电压可以通过参数m来设定，使得该回路电压在确定的值之下，例如在690V之下。有效匝数N原则上可以任意大地被选择，仅须注意变压器中的耐压强度。
[0014]在相位截止控制中，在补偿绕组中感应的电压的相位被探测并且开关单元被操控，使得脉动的直流电流被馈入到补偿绕组中，如在WO 2012/041368 Al中已经展现的那样。
[0015]本发明的一个实施形式设置两个三角形连接，所述三角形连接分别具有不同匝数的补偿绕组，即补偿绕组具有如下匝数并且N、m为自然数，其中N>m:
第一铁心柱的第一补偿绕组具有N+m匝，而第一铁心柱的第二补偿绕组具有N-m匝， 第二铁心柱的第一补偿绕组和第二补偿绕组分别具有N匝，
第三铁心柱的第一补偿绕组具有N-m匝，而第三铁心柱的第二补偿绕组具有N+m匝。
[0016]换言之，铁心柱的两个补偿绕组共同地具有总是同样多的匝，然而这两个补偿绕组在三个铁心柱中的两个中并非均匀地分布在这两个补偿绕组上。三角形连接的所有补偿绕组也总共具有同样多的匝，只是该数目的匝没有均匀地分布到铁心柱上。
[0017]在该实施变型方案中有利的是，第一三角形连接和第二三角形连接并不彼此电连接，而是每个三角形连接都拥有自己的开关单元。
[0018]本发明的另一实施形式设置两个彼此接线的三角形连接:补偿绕组具有如下匝数，并且N、m、M是自然数，其中N>m:
第一铁心柱的第一补偿绕组具有N+m匝，而第一铁心柱的第二补偿绕组具有M匝，
第二铁心柱的第一补偿绕组具有N匝，第二铁心柱的第二补偿绕组具有M匝，
第三铁心柱的第一补偿绕组具有N-m匝，而第三铁心柱的第二补偿绕组具有M匝。
[0019]在彼此接线的三角形连接的实施形式中，可以设置，第一三角形连接和第二三角形连接串联电连接并且拥有共同的开关单元。
[0020]针对所有开关单元可以设置:至少一个限流扼流圈与开关单元电串联地被布置。通过在上游连接(Vors cha I ten )限流扼流圈(电感)可以有效地滤出瞬态电压。
[0021]为了确定所需的补偿电流，可以设置:开关单元与用于检测变压器中的磁性单向通量成分的测量装置连接。这样的测量装置例如从WO 2012/041368 Al中以具有传感器线圈的磁分流件(Nebenschluss-Tei I)的形式公知。该分流件可以靠置在变压器的芯上、例如靠靠在铁心柱上或者磁轭上地被布置，以便在旁路中引导磁通的一部分。由于在分流中引导磁通，所以可以借助传感器线圈非常容易地获得长期稳定的传感器信号，该传感器信号必要时在信号调理之后非常良好地映射单向通量成分(CD成分)。
[0022]为了执行相位截止控制，可以为开关单元设置控制单元，其中该控制单元包括限时元节，该限时元节与相位探测器连接，使得该限时元节可以被相位探测器触发，该相位探测器可以探测在补偿绕组中感应的电压的相位并且可以操控该开关单元，使得脉动的直流电流被馈入到补偿绕组中。该控制单元接着也会与用于检测变压器中的磁性单向通量成分的测量装置连接。
[0023]相对应的用于使带有控制单元的设备运行的方法设置:该控制单元包括限时元节，该限时元节被相位探测器触发，该相位探测器探测在补偿绕组中感应的电压的相位并且操控该开关单元，使得脉动的直流电流被馈入到补偿绕组中。
【附图说明】
[0024]为了进一步阐述本发明，在说明书的随后的部分中参照附图，从附图中可获悉本发明的其他有利的改进设计方案、细节和扩展方案。在附图中:
图1示出了根据现有技术的用于将补偿电流引入到补偿绕组中的原理电路图，该原理电路图包括晶闸管电路，
图2示出了根据现有技术的用于借助可控的电流源将补偿电流引入到补偿绕组中的原理电路图，
图3示出了根据本发明的带有为两个分开的三角形连接的补偿绕组的原理电路图，
图4示出了图3的三角形连接中的电压和电流变化过程，
图5示出了根据本发明的具有为两个彼此电连接的三角形连接的补偿绕组的原理电路图。
【具体实施方式】
[0025]根据图1中的现有技术，在所谓的直流电流补偿的情况下有针对性地将直流电流引入到补偿绕组K中，以便抵消变压器芯的直流电流磁化。为了将所需的磁动势(所谓的直流电流安匝)引入到补偿绕组K中，利用在补偿绕组K中感应的交流电压，该补偿绕组K如交流电压源那样起作用。在补偿绕组K上，构造为晶闸管的开关单元T与限流扼流圈L串联连接。所需的直流电流可以通过在晶闸管T的确定的激发时间进行电压同步激发而被设定(相位截止控制)。如果在电压过零时激发晶闸管，则出现最大直流电流，然而该最大直流电流与具有直流电流的幅值和电网频率的交流电流叠加。如果稍晚激发晶闸管，则直流电流变得更小，然而也形成谐波交流电流。晶闸管T中的电流变化过程通过限流扼流圈L来限制，晶体管T的允许的热负载针对限流被确定尺寸。
[0026]另一公知的用于减小磁性单向通量成分的实施形式在图2中示出。不是晶闸管T，并且在该实施形式中也不是限流扼流圈L，而是使用可控的电流源S，并且对于变压器的每个相设置补偿绕组K1、K2、K3，所述补偿绕组借助三角形连接彼此连接。可控的电流源S与补偿绕组Κ1、Κ2、Κ3串联电连接。每个补偿绕组Κ1、Κ2、Κ3都被布置在(此处未示出的)三相变压器的一个铁心柱上。
[0027]在这三个相上的这三个补偿绕组现在可以以三角形连接的形式彼此接线，因为地磁感应电流均匀地分布到所有三个相上。因而，也必须将相同的直流电压反安匝引入到所有三个相上或其补偿绕组中。补偿绕组的三角形连接因此显得有意义，因为相同的电流必须流过所有补偿绕组并且回路电压(在电网中的回路或网格的所有分电压之和)在理想的对称电流网(没有直流分量)中被加成零。
[0028]现在可能会利用为零的回路电压并且通过可控的电流源S引入直流电压反安匝。但是如果变压器非对称地被加载负荷，则回路电压的分电压没有被加为零并且由电流源S施加无功功率。电流源S的该功率可由其他源输送。
[0029]通过修改图2中的设备，即通过两个根据本发明的三角形连接，但又可以使用根据图1的直流电流补偿的原理并且由此取消电流源S。
[0030]本发明的第一实施形式在图3中针对三相变压器被示出。对于变压器的每个铁心柱或相设置两个补偿绕组Kl-1、Κ1-2 ;Κ2-1、Κ2-2 ;Κ3-1、Κ3_2。铁心柱的一个补偿绕组Kl-1、Κ2-1、Κ3-1总是被选出并且与其他铁心柱的在第一三角形连接I中的另一补偿绕组彼此电连接。铁心柱的相应其他的补偿绕组Κ1-2、Κ2-2、Κ3-2在第二三角形连接2中与另一铁心柱的相应其余的补偿绕组Κ1-2、Κ2-2、Κ3-2彼此电连接。
[0031]第一三角形连接I和第二三角形连接2并不彼此电连接，每个三角形连接1、2拥有带有连接在上游的限流扼流圈(电感)L的自己的开关单元T。
[0032]补偿绕组1(1-1、1(1-2;1(2-1、1(2-2;1(3-1、1(3-2通常相同地被构造，即具有相同的导体横截面和相同的线匝直径，但是部分地具有不同数目的线匝。补偿绕组在此具有如下匝数，其中N、M是自然数，其中N>m:
(第一相的)第一铁心柱的第一补偿绕组Kl-1具有N+m匝，而(第一相的)第一铁心柱的第二补偿绕组K1-2具有N-m匝，
(第二相的)第二铁心柱的第一补偿绕组K2-1和第二补偿绕组K2-2分别具有N匝，
(第三相的)第三铁心柱的第一补偿绕组K3-1具有N-m匝，而(第三相的)第三铁心柱的第二补偿绕组K3-2具有N+m匝。
[0033]由此，在两个三角形连接中的回路电压的分电压有意地没有被加为零，由此又可以使用相位截止控制。最终得到的(停止的)回路电压可以通过参数m来设定，使得该回路电压来到在690V之下并且根据本发明的设备降低在低电压指令之下。然而，有效匝数为N并且原理上可以任意大地被选择，仅须注意变压器中的耐压强度。不需要外来输送的功率，可能出现的直流分量出现将不会扰乱根据本发明的设备。
[0034]根据图3的实施方案的另一优点在于，在第一三角形连接I中的回路电压UuI与在第二三角形连接2中的回路电压Uu2是对影像的(gegengleich)，如从图4中可获悉的那样。在上部图示中，示出了关于时间t的回路电压Uu的变化过程。回路电压Uul、Uu2不仅刚好是对影像的，而且也相应等大。
[0035]现在，当在图3的第二三角形连接2中的被构造为晶闸管的开关单元T比在第一三角形连接I中的晶闸管T晚半周期T/2被激发时，得到相同的直流电流成分，但是叠加的交流电压是对影像的。由此，得到了谐波成分的减小，引入能量网中的谐波成分被减小。关于时间t的补偿电流I的变化过程在图4中的下部图示中可看到，Il标明第一三角形连接I的补偿电流，12标明第二三角形连接2的补偿电流。水平虚线是两个三角形连接1、2的有效补偿电流。
[0036]在补偿绕组中的电压电势减小的改进的实施形式在图5中示出。通过将三角形连接1、2彼此接线，在每个三角形连接中的分电压被加成零。第一三角形连接和第二三角形连接串联电连接，其方式是:第一铁心柱的第一补偿绕组Kl-1的输出端与第三铁心柱的第二补偿绕组K3-2的输入端电连接。第三铁心柱的第一补偿绕组K3-1的输入端与(这两个三角形连接1、2共用的)开关单元T连接，同样与第一铁心柱的第二补偿绕组K1-2的输出端连接。在开关单元T上游此处也连接限流扼流圈(电感)L。
[0037]补偿绕组具有如下匝数，其中N、m、M是自然数，其中N>m并且(在此情况下)M〈N: (第一相的)第一铁心柱的第一补偿绕组Kl-1具有N+m匝，而第一铁心柱M的第二补偿绕组K1-2具有M匝，
(第二相的)第二铁心柱的第一补偿绕组K2-1具有N匝，第二铁心柱的第二补偿绕组K2-2具有M匝。
[0038](第三相的)第三铁心柱的第一补偿绕组K3-1具有N-m匝，而第三铁心柱的第二补偿绕组K3-2具有M匝。
[0039]在图5中的第二三角形连接2中的匝数M在此情况下小于第一三角形连接I中的匝数N，但匝数M也可能等于或大于在第一三角形连接I中的匝数N。
[0040]由此，回路电压的分电压通过两个三角形连接有意地没有被加成零，由此在使用晶闸管T的情况下可以使用相位截止控制，如已经在图3中阐述的那样。最终得到的(停止的)回路电压又可以通过参数m来设定，使得该回路电压来到在690V之下并且根据本发明的设备降低在低电压指令之下。然而，有效匝数对于第一三角形连接I而言为N，而对于第二三角形连接2而言为M。有效匝数N原理上可以任意大地被选择，只须注意变压器中的耐压强度。不需要外来输送的功率，根据本发明的设备相对可能出现的直流分量是稳健的。
[0041 ]图2、3中的箭头示出了补偿电流的电流方向。
[0042]对于所有实施变型方案适用的是，在切换开关装置时，即在激发晶闸管T时，补偿电流开始流动。晶闸管的控制如在WO 2012/041368 Al中那样进行:控制单元基本上包括相位探测器和限时元节。相位探测器、例如过零探测器从感应的电压导出触发信号，该触发信号被输送给限时元节。与同样被输送给控制单元的控制信号一起，控制单元在输出侧提供调节量，该调节量被引向晶闸管T。电感L在此被按尺寸安排为使得在晶闸管T接通时将沿电流方向流动的脉动的电流变化过程馈入到补偿绕组K中。在此，晶闸管T在直流电流脉冲结束时被切换到无电流的状态下，例如其方式是:低于晶闸管T的保持电流。
[0043]附图标记列表
1第一三角形连接
2第二三角形连接
I补偿电流
II第一三角形连接的补偿电流
12第二三角形连接的补偿电流 K补偿绕组
Kl第一铁心柱的补偿绕组
Κ2第二铁心柱的补偿绕组
Κ3第三铁心柱的补偿绕组
Kl-1第一铁心柱的第一补偿绕组
Κ1-2第一铁心柱的第二补偿绕组
Κ2-1第二铁心柱的第一补偿绕组
Κ2-2第二铁心柱的第二补偿绕组
Κ3-1第三铁心柱的第一补偿绕组
Κ3-2第三铁心柱的第二补偿绕组
L限流扼流圈(电感)
M匝数
N匝数
Ν+Μ匝数
N-M匝数
T开关单元(晶闸管)
Τ/2半周期
S可控的电流源
Uu回路电压
Uul第一三角形连接的回路电压
Uu2第二三角形连接的回路电压
【主权项】
1.一种用于减小在变压器的芯中的磁性单向通量成分的设备，所述变压器具有至少三个铁心柱，所述变压器尤其是三相变压器，所述设备对于所述变压器的每个铁心柱都包括至少一个补偿绕组(ΚΙ，K2，K3)，其中所述补偿绕组(ΚΙ，K2，K3)磁性地与所述变压器的芯耦入η ? 其特征在于， -针对每个铁心柱设置两个补偿绕组(1(1-1，1(1-2;1(2-1，1(2-2;1(3-1，Κ3-2)， -铁心柱的第一补偿绕组(Κ1-1，Κ2-1，Κ3-1)分别彼此电连接成第一三角形连接(1)， -铁心柱的第二补偿绕组(Κ1-2，Κ2-2，Κ3-2)分别彼此电连接成第二三角形连接(2)， -其中至少一个三角形连接(I，2)的补偿绕组具有如下的匝数，并且N、m是自然数，其中 N>m: 第一铁心柱的第一补偿绕组(Kl-1)具有N+m匝， 第二铁心柱的第一补偿绕组(K2-1)分别具有N匝， 第三铁心柱的第一补偿绕组(3-1)具有N-m匝， -并且其中，针对相位截止控制，与补偿绕组串联地布置有至少一个开关单元(T)。2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述补偿绕组具有如下匝数，并且N、m为自然数，其中N>m: 第一铁心柱的第一补偿绕组(Kl-1)具有N+m匝，而第一铁心柱的第二补偿绕组(K1-2)具有N-m匝， 第二铁心柱的第一和第二补偿绕组(K2-1，K2-2)分别具有N匝， 第三铁心柱的第一补偿绕组(Κ3-1)具有N-m匝，而第三铁心柱的第二补偿绕组(Κ3-2)具有N+m匝。3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述第一和第二三角形连接(I，2)并不彼此电连接，而是每个三角形连接都拥有自己的开关单元(T)。4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述补偿绕组具有如下匝数，并且N、m、M是自然数，其中N>m: 第一铁心柱的第一补偿绕组(Kl-1)具有N+m匝，而第一铁心柱的第二补偿绕组(K1-2)具有M匝， 第二铁心柱的第一补偿绕组(K2-1)具有N匝，第二铁心柱的第二补偿绕组(K2-2)具有M匝， 第三铁心柱的第一补偿绕组(K3-1)具有N-m匝，而第三铁心柱的第二补偿绕组(K3-2)具有M匝。5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，第一和第二三角形连接(I，2)串联电连接并且拥有共用的开关单元(T)。6.根据权利要求1至5之一所述的设备，其特征在于，与所述开关单元(T)电串联地布置有至少一个限流扼流圈(L)。7.根据权利要求1至6之一所述的设备，其特征在于，所述开关单元(T)与用于检测磁性单向通量成分的测量装置连接。8.根据权利要求1至7之一所述的设备，其特征在于，针对开关单元(T)的相位截止控制，设置控制单元，其中所述控制单元包括限时元节，该限时元节与相位探测器连接，使得该限时元节能够被相位探测器触发，所述相位探测器能够探测在所述补偿绕组(K1-1，κι-2;Κ2-1，Κ2-2;Κ3-1，Κ3-2)中感应的电压的相位并且所述相位探测器能够操控所述开关单元打夂使得脉动的直流电流被馈入到所述补偿绕组^卜^^;!^-!，!^-];!^-!，Κ3-2)中。9.一种用于使根据权利要求8所述的设备运行的方法，其特征在于，控制单元包括限时元节，所述限时元节被相位探测器触发，所述相位探测器探测在补偿绕组(1(1-1，1(1-2;1(2-1，Κ2-2;Κ3-1，Κ3-2)中感应的电压的相位并且所述相位探测器操控所述开关单元(T)，使得脉动的直流电流被馈入到所述补偿绕组(Κ1-1，Κ1-2;Κ2-1，Κ2-2;Κ3-1，Κ3-2)中。
【文档编号】H01F27/42GK105993056SQ201480075006
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2014年12月17日
【发明人】P.哈姆贝格尔
【申请人】西门子公司