用于变压器中的DC分量的补偿的电路布置的制作方法

本发明一般地涉及如在用于电能的产生、传输和分配的电力系统中使用的电力变压器，特别是用于补偿变压器中的DC分量的电路布置，变压器具有借助于连接线而被连接到电力系统的绕组布置并且具有被连接至地的中性点。

背景技术：

在用于电能的产生、传输和分配的电力系统中，由于各种原因，成比例地叠加在交变电流上的DC电流可能形成。这种类型的直流分量（在下文称为DC分量）可以例如由被连接到电力系统的功率转换器创建，或者可以是“地磁感应电流”（GIC）。

GIC由太阳风引起，因为地的磁场改变使得在构成电网线和地回路导体的导体环路中，通量改变发生并且在其中感应的电压产生GIC。GIC是时间和方向相关的。然而，GIC改变所用的速度是如此相对缓慢的，以致其在电力系统中可以被视为DC分量。

不管其原因，变压器中的DC分量始终是不期望的，因为磁性单向通量部分与该DC分量相关联，其变得被叠加在变压器的芯中的交变通量上，使得变压器芯的输出不再是对称的。磁性材料的工作点的移位发生。取决于变压器的设计，甚至几百毫安的非常小的DC分量也可能使工作噪声的辐射增加10至20 dB。磁性材料的工作点的移位可以导致20-30%左右的在损耗方面的显著增加。局部地，增加的加热可以出现在变压器中，使得电气绕组的绝缘的寿命可能受损。在大GIC的情况下，热点可以形成在金属部分上并且导致绝缘液体的退化，这可以造成分解气体的形成。

用于减少变压器的芯中的单向通量部分的各种方法和装置是已知的。例如，在EP 2 622 614 B1中，提出为变压器芯提供补偿绕组并且借助于半导体开关装置馈入其中补偿电流，该补偿电流的效果被与破坏性单向通量部分相反引导。在这里的优点在于此补偿绕组被与能量网络电分离，即不具有到变压器的初级或次级绕组系统的连接。

这种类型的补偿绕组现在可以以合理的成本实现，如果其在变压器的生产期间被提供的话。取决于要补偿的DC分量的大小，要提供对应尺寸的安装空间，以便变压器芯的尺寸改变。

与此相比，改装是多得多的努力，并且几乎不具有任何实践重要性。如果要用DC补偿来改装已经在使用中的变压器，则必须将变压器从电力系统移除，并且必须在变压器箱的内部中安装补偿绕组。补偿绕组的回顾安装常常是根本不可能的。在任何情况下，后来安装的成本是非常高的，使得至今几乎从未执行过改装。

限制还由可用半导体组件的极限负荷造成。在被用作高压DC传输系统的部分的变压器中，可以在补偿绕组中感应数千伏的感应电压。并且GIC可以达到多于50 A的电流强度，作为其结果，电路的技术实现是困难的。

在被配置成用于数十年内无故障操作的电力变压器或配电变压器内部中，具有有限寿命的半导体组件的布置也是有问题的。

技术实现要素：

本发明的目的是提供用于DC分量的补偿的尽可能简单且稳健的方法，其还可以关于已经在操作中的变压器来经济地实现，并且其还导致长使用期限和高可靠性水平的预期。

用根据权利要求1的特征的电路布置来实现此目的。

在从属权利要求、本描述和附图中公开了本发明的另外有利实施例。

在基本概念中，本方法从那里着手，将不用变压器的内部中的组件来引起DC分量的补偿，而是相反地——类似于保护装置——在变压器外壳外部，其中单独的补偿绕组不是必需的。

从变压器开始，所述变压器的绕组布置被借助于在电源侧上的连接线而被连接到用于输送电能的电力系统并具有被连接至地的中性点，所述电路布置包括：

- 饱和电抗器电路，其被布置在将位于连接线的无节点部分上的连接点连接至地的电流路径中，以及

- 控制和调节装置，其借助于控制信号来控制饱和电抗器电路，在输入侧上向其馈入由检测装置提供的关于要补偿的所述DC分量的大小和方向的信号。

饱和电抗器电路起磁性开关的作用。饱和电抗器的功能是本来已知的并且此处不需要进一步描述。有利的是饱和电抗器电路不具有有源运行的组件，例如受控半导体阀，而是仅具有无源运行的组件。这些被布置在将到变压器的每个馈电线的无节点部分连接至地的电流路径中。饱和电抗器电路被控制单元控制，关于要补偿的DC分量的大小和方向的信息项被馈入该控制单元。这样的信息项可以例如源自于在变压器的内部中的传感器，例如测量变压器的芯中的破坏性单向通量部分的磁场传感器，或者替换地例如通过测量电网线中的DC分量而从电力系统获得（虽然由于电源电流和DC分量的大大不同的大小，这在技术上是复杂的）。还可想象的是安装在电力系统中的检测或预测GIC的其它测量装置。

用根据权利要求1的电路布置实现的技术效果类似充当保护装置的一组“DC点”的技术效果：破坏性DC部分通过被布置在变压器馈电线与地之间的电流路径中的饱和电抗器电路的目标控制而被“传导离开”至地。因此，DC部分被预先抵消，使得其不到达变压器——至少不在其最大程度上。针对早在馈电线发生的这种“补偿”，否则出于此目的按照常例被磁性耦合到变压器芯的单独补偿绕组不再是必需的。利用本电路布置，可以以容易的方式控制甚至多于50 A的DC部分，例如大的GIC。两者都是高度有利的。然而，与之相对比的是以下要求：必须根据变压器电源线的电压等级（例如，20 kV或120 kV或更大）来配置其中所有组件都位于饱和电抗器电流路径中的电路布置。然而，以上提到的优点胜过此附加努力。

如上所述，使DC分量传导离开的组件被布置在变压器外壳外部。其仅仅无源地运行。维护容易是可能的。该电路布置的可靠性是高的。

代替功率电子组件（例如，晶闸管）（否则其是常见的），为了产生补偿电流，使用“感应动作开关”——饱和电抗器电路。不受控阀、磁性线圈和饱和电抗器电路的组件导致长寿命和在许多年内无故障操作的预期。因此，就电网运营商方面来讲，具有这种类型的DC补偿装置的变压器的可接受性水平是高的。

在优选实施例中，可以将该电路布置配置为具有两个并联电流支路的饱和电抗器电路。因此，在这些电流支路中的每一个中，分别地提供了饱和电抗器负载绕组和与之串联的不受控阀。两个阀的电流流动方向是相反的。每个负载绕组被经由可饱和的饱和电抗器芯而磁性耦合到饱和电抗器控制绕组，其中，控制信号被馈入控制绕组。饱和电抗器芯的饱和状态和因此的“磁性阀”的开关状态是可借助于控制信号而预先设定的。连同阀的相反布置一起，实现的是取决于电流方向而使镜面对称的DC补偿平衡DC分量。

可以构造相对于其更加成本高效的实施例，以便饱和电抗器电路具有与单个阀串联地布置的单个负载绕组和用于使阀的电流流动方向反向成极（reverse-poling）的开关装置。此处而且，饱和电抗器电路的此负载绕组经由软磁饱和电抗器芯被耦合到控制绕组。控制信号被馈入控制绕组中，其中该控制信号的信息由检测要补偿的DC分量的大小和方向的检测装置提供。在这里，通过使此单个阀反向成极，在两个方向上的DC部分的补偿是可能的。

为了减少生产成本，如果饱和电抗器芯被配置为经切割的带材芯（slit strip core），则对于这些实施例两者而言可以是有利的。

为了保持用于控制饱和电抗器电路所需要的控制功率尽可能低，如果经切割的带材芯由具有本质上窄矩形磁滞回线的软磁材料的板材金属薄片（sheet metal lamellae）制成，则可以是有利的。控制和调节装置可以因此被构造得更简单。

由此可以实现控制功率的进一步减少，因为饱和电抗器芯被布置在具有至少一个气隙的磁路中。这导致磁滞回线的倾斜，以便磁通密度被限制为小于/等于饱和通量密度的20%。

特别有利的可以是其中检测破坏性DC部分的大小和方向的检测装置被配置为磁场测量装置的电路布置。可以将这样的磁场测量装置布置在位于变压器芯上的箱的内部中。以这种方式，仅仅一个信号股（strand）被从变压器箱的内部馈出（至控制和调节装置）而不是电力股。可以以相对小的成本来实现改装。

这样的磁性测量装置例如从PCT/EP2010/054857是已知的。其具有C形并联组件（shunt component），该并联组件的柱（limb）指向变压器的芯，以便磁性部分通量被从那里转向。经转向的部分通量感应电压，该电压将在芯中要补偿的单向通量部分表示为在并联组件处提供的传感器线圈中的信号。

换言之，本解决方法使电力系统中的在操作中的变压器能够被以简单且经济的方式回顾地装配有DC保护系统的功能。不是补偿绕组，而是仅仅测量装置必须被安装在变压器外壳中，只要关于要补偿的DC部分的信息不来自另一个检测装置。因此，在已经在操作中的变压器中，用相对小的努力回顾地安装DC补偿也是可能的。至今，这种类型的改装已由于成本原因而几乎不合理。

如果将每个二极管配置为具有高阻断能力和低正向电阻的高阻断功率二极管，则看起来是有利的。这可以用其中在高掺杂pn区之间形成薄的低掺杂中间层的构造类型的二极管来实现。

为了限制在饱和电抗器的导电状态下的电流，如果在电流路径（电力支路）中布置被与饱和电抗器电路的负载绕组串联地布置的限流电抗器，则可能是有利的。此限流电抗器可以被配置成像用于相当低的电流和低的功率的“并联电抗器”一样。控制和调节装置因此可以被构造得更简单，由于针对另外要提供的安全技术的努力更低。

然而，在其替换方案中，其也可能是有利的，如果将饱和电抗器电路装置的并联连接的负载绕组中的每一个或单个负载绕组配置成用于电流路径中的电流限制的话。然后不需要单独的限流电抗器。在这里而且，控制和调节装置可以被构造得更简单。

本发明还涉及一种用于补偿变压器的绕组布置中的DC分量的方法，该绕组布置借助于连接线而被连接到用于输送电能的电力系统，并且其中使用以上详细描述的电路布置。

附图说明

为了进一步解释本发明，在下面的描述部分中将参考绘图，其使用非限制性示例性实施例进一步图示本发明的有利实施例、细节和改进。

在所述绘图中：

图1示出根据本发明的第一实施例的电路布置的简化电路图；

图2示出根据本发明的第二实施例的电路布置的简化电路图。

具体实施方式

图1示出发明的电路布置的第一实施例的简化电路图。其本质上包括被布置在电流路径20中的饱和电抗器电路1。电流路径20将位于到变压器4的馈电线3上的连接点12连接到地电位11。为了简单起见，在图1中仅示出馈电线3中的一个，表示3相系统的三股。同样为了简单起见，仅表示变压器4的绕组系统的一个绕组8。变压器4的中性点被接地，即被连接到接地点11。通过粗体线样式来示意性地强调馈电线3以及同样地电流路径20（电力路径）两者；在图1和2中，用细线样式来表示测量信号17和控制信号16的传导（测量和控制信号路径）。

在图1中的示例中，变压器是在高压电力系统与中压系统之间的接口处的配电变压器。正常地，以矢量组Yy0——即具有接地的中性点来实现这样的配电变压器。城市电网配电变压器典型地例如在矢量组Yz5中还具有可访问中性点。

连接点12位于连接节点14与变压器连接13之间的馈电线部分31上。节点14是用于电能的产生、传输和分配的电力系统15的部分，其还包括另外的节点14'、14''、14'''。在连接电网节点14与变压器连接13之间没有布置另外的电网节点，即三相导体系统3的部分31是无节点的。

假设DC分量（I_DC）在馈电线3中流动（在图1中通过双箭头表示）。DC分量（I_DC）的电流流动方向向着或远离变压器。如已经公开的，此DC分量对于变压器4而言是高度不期望的。根据本解决方法，此DC分量在进入到变压器4中之前已经被抵消。类似于一组点，DC分量被转向至地11，使得其不能在变压器的芯中产生其破坏性效应。与其中采取变压器外壳内部中的补偿绕组的已知DC补偿的解决概念相对比，在本文中不需要单独的补偿绕组，而是在馈电线处使DC电流转向。这种转向本质上由作用就像用于变压器的保护装置一样的饱和电抗器电路1引起。

饱和电抗器电路1起磁性开关或“磁性阀”的作用并被控制和调节单元6控制。在导电状态下，电流限制借助于与饱和电抗器电路1串联连接地布置的扼流圈2发生。控制和调节单元6包括计算机单元，其具有能够在其上运行的算法。这产生控制信号16，其中使用在输入侧上馈入的测量信号17。测量信号17是要补偿的DC分量的表示，并且由磁场传感器5提供。此磁场传感器5被布置在变压器4内部中，在那里，其测量在变压器的芯中流动并源自于DC分量的单向通量部分。在PCT/EP2010/054857中描述了这种类型的磁场传感器。

饱和电抗器电路1还实现相当高的GIC DC电流的补偿，其可以总计多于50 A。在图1中所示出的实施例中，饱和电抗器电路1包括两个并联电流路径，在其中的每一个中串联地布置饱和电抗器负载绕组9和二极管7。并联路径中的两个二极管7被反并联地（传导方向相反）布置，这意味着在图1的表示中，左支路中的二极管7指向地11，并且在右支路中，二极管7指向馈电线3。并联支路中的每个负载绕组9经由有饱和能力的（saturation-capable）饱和电抗器芯19而被磁性耦合到关联饱和电抗器控制绕组10。两个控制绕组10在彼此后面被串联布置在控制电路中。控制信号16被馈入控制电路中，使得饱和电抗器芯19的饱和状态以及因此电流路径20中的电流流动是可预先设定的。取决于控制信号16，可以实现的是，在电流路径20（电力路径）中在一个或另一个方向上（从连接点12起在地11的方向上或者反之亦然）形成补偿电流I_K。利用电流路径20中的此双向补偿电流I_K（具有谐波的混合电流），变压器的芯中的破坏性单向通量部分被抵消或完全补偿。在图1的表示中，在每种情况下通过两个相等大小的箭头来表示完全DC补偿：相等大小的DC分量I_DC（虚线箭头）与每个补偿电流I_K（连续箭头）指向相反。

图2示出不同配置的解决方法。与图1相对比，饱和电抗器电路1在这里不包括两个饱和电抗器负载绕组，而包括单个负载绕组9和与之相关联的饱和电抗器控制绕组10。负载绕组9和控制绕组10又被借助于有饱和能力的饱和电抗器芯19而磁性耦合。控制绕组10被布置在控制电路中，控制信号16被馈入所述控制电路中。（在图2中用细线样式图示控制电路）。控制信号16又由控制和调节单元6在其输出侧上提供。在输入侧上，测量信号17被馈入到此控制和调节单元6，以便在本发明的此实施例中，在控制和调节单元6中存在关于要补偿的DC分量的大小和方向的信息。控制信号16提供饱和电抗器芯19的饱和状态，使得以适当的方式使感应操作开关1导电，借助于此，电流路径20中的电流流动是可预先设定的（谐波满载的电流，相对于I_DC镜面对称）。

与负载绕组9串联地布置的是具有第一开关接触18'和第二开关接触18''的开关装置18。布置在这些开关接触18'、18''之间的是单个二极管7。在所示出的开关位置上，第一开关接触18'被连接到二极管7的正极，并且第二开关接触18''被连接到负极。取决于这两个开关接触18'、18''的开关位置，可以使二极管7的极性反向。因此，在其中仅使用单个不受控阀7的此电路变型中，DC分量的双向补偿也是可能的。（参见图2中的双箭头）。

开关装置18的致动可以以不同的方式例如通过致动器或马达发生，并且还可以想象手动操作。

而且，为了清楚起见，图2中的参考数字3只表示3相系统的一个线。线3的部分31又位于能量供应电网15的电网节点14与变压器4的连接点13之间。在这两个点之间，到变压器4的馈电线部分31是无节点的。电路布置1位于接近于变压器4处，例如在变电站中。

在图1和2中，相同的参考数字表示同样的或功能上类似的元件。不但图1的实施例中而且也在图2的实施例中，在电流路径20中示出限流扼流圈2。然而也是可能的是，配置两个负载绕组9或一个负载绕组9，使得在“磁性阀”的导电状态中电流路径20中的电流受限制。

在两个实施例中，DC保护效应根据DC点的原理直接地在馈电线处发生，即补偿电流I_K只需要在线路31上具有镜面对称大小的破坏性DC分量。

在这里特别有利的是，利用本电路布置还可以抵消如在GIC的情况下可以发生的超过50 A的大电流。

两个实施例都具有本质的优点，即随后在改装的背景下或者在变压器的生产期间，补偿绕组的安装不是必需的。

针对已经在操作中的变压器，得出相当大的优点，即第一次以合理的成本可实现DC保护/DC补偿。

在变压器的生产期间，省去了否则对于补偿绕组而言将需要的安装空间。这导致紧凑的设计。如果要补偿大的GIC电流，则这是特别有利的，由于在这种情况下补偿绕组是相对体积大的，并且必须提供对应大的安装空间。

由于电路布置不具有有源功率电子装置，而仅仅具有无源地作用的组件，所以针对大电压可以容易地对其定尺寸。感应开关1原则上是处于空载操作中的变压器，其中，全部电压（110 kV、220 kV、340 kV等）下降至地线。其可以用相对小的成本来实现。其它组件在变压器设计中是常见的，或者是市场上买得到的。

虽然已基于两个优选示例性实施例详细地图示并描述了本发明，但本发明不受给出的示例限制，并且在不脱离本发明的保护范围的情况下可以由本领域中的技术人员从此导出其它变化。

所使用的参考符号的概要

1 饱和电抗器电路

2 限流电抗器

3 连接线

4 具有接地的中性点的变压器

5 用于I_DC的测量装置

6 控制和调节装置

7 二极管

8 变压器的绕组

9 负载绕组

10 控制绕组

11 地，接地点

12 连接点

13 变压器连接

14 电网节点

14' 电网节点

14'' 电网节点

15 电力系统

16 控制信号

17 测量信号

18 开关装置

18' 开关接触

18'' 开关接触

19 饱和电抗器芯

20 电流路径

31 3的部分（无节点）

I_DC DC分量、DC部分

I_K 补偿电流