CN102209998A - 带有分接电路的中低压变压器及其运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于中低压变压器的分接开关，该分接开关基于一个或多个机械开关。在换接时电流通过半导体开关传输，以确保无中断。

Description

带有分接电路的中低压变压器及其运行方法

技术领域

本发明涉及一种带有分接电路的中低压变压器。

背景技术

配电网经受尤其是由于电网元件阻抗和由于变换负载而引起的电压波动。值得力求的是，该波动保持尽可能的小。为此，在变压器的高压和中压之间使用分接开关。该分接开关平衡在负载改变时出现的电压波动，方法是，分接开关改变变压比。为了这个目的，变压器的至少一个绕组备有一串抽头(Anzapfung)，该抽头可以和选择机构电连接在一起。此外，使用负载换接开关，该负载换接开关在两个选择位置之间即使在负载情况下也执行无中断的换接。通过强制电流短时通过电阻，避免线圈间短路。

可能在未来，与目前的情况相比更加分散进行能量供应。也就是说，在各个小设备数量较大的情况下，发电将会比目前更加接近耗电器。这些设备例如是光电设备、风力发电站和生物量发电站或小的单元热电厂(Blockheizkraftwerke)。小的发电站由于更容易实现热电联产而至少在原则上是极为有利的。当不能直接降低产生的电流时，需要从低压网馈入到中压网，以使低损耗的远距离传输成为可能。为此必须在配电网变压器中提供可变的变压比。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于，提出一种带有分接电路的中低压变压器，该带有分接电路的中低压变压器特别容易制造。本发明的另一个要解决的技术问题在于，提出对于这样的变压器的运行方法。

上述技术问题通过具有权利要求1的特征的中低压变压器来解决。上述技术问题还通过具有权利要求10的特征的方法来解决。

根据本发明的中低压变压器具有分接电路。在此，变压器的绕组，尤其是低压方面的次级绕组具有两个端抽头和至少一个其它抽头。此外，设置用于将至少一个抽头和变压器的输出导线电连接的至少一个开关装置。最后，设置至少一个半导体开关装置，该半导体开关装置与输出导线电连接并且与一个抽头电连接。

优选的，第一端抽头直接与变压器的第一输出导线相连接，并且对于该分接电路不再被改变或以特别的方式被使用。相反，在绕组的另一端的第二端抽头和一个或多个其它抽头一起用于该分接电路，并且这些抽头在此以更复杂的方式和变压器的第二输出导线相连接。

优选的，开关装置包括机械开关，该机械开关优选具有特别小的正向电阻，并且特别有利地使得可以独立接通和断开单个的抽头。在此，开关装置合适地将单个的抽头和变压器的第二输出导线交替连接。

根据本发明的中低压变压器优选具有一种简单并且由于半导体开关而低维修的结构，并且使没有负载中断的分接电路在中压到低压范围内成为可能。

合适地，但不是必须的，分接开关包含控制装置，该控制装置自动进行对负载换接的控制。为此，控制装置合适地具有如下的装置：该装置能够识别，什么时候应该进行换接。例如，该装置可以是用于确定在输入侧或输出侧上的电压和/或电流的装置。通过该装置确定，换接是否必要，其方法是，例如在输出侧的负载提高的情况下探测输出电压的相应的轻微下降。替换地，负载换接的控制也能在分接开关之外进行。在这种情况下，分接开关合适地具有如下的装置：该装置使得能够在外部控制。在此，例如可以是间接的、例如数字的远距离控制，该远距离控制在分接开关中通过控制装置实现开关的实际控制。也可以是直接的、模拟的外部控制，该外部控制有时甚至可以没有内部控制装置地实现，例如通过从外部将电流直接施加到开关元件的执行机构。

特别优选的是，开关装置只和其它抽头相连接，反向表达的话就是说，开关装置不和端抽头相连接。合适的是，存在多个其它抽头，即至少两个。同样合适的是，半导体开关装置和一个端抽头相连接。该结构允许一种特别优选的运行。

对此，一旦出现换接的必要，则该半导体开关装置被接通。该接通优选在交流电压的过零点进行，其中，合适地考虑半导体开关装置的接通延迟或半导体开关装置的半导体开关的接通延迟，即例如晶闸管的触发延迟。借此避免电压跳变。

一旦接通半导体开关装置，则产生线圈间短路，因为一个其它抽头通过开关元件、即半导体开关装置直接连接到端抽头。因此，导致在该电路中形成电流。为了抑制该电流的形成，优选与半导体开关装置串联地设置电感。另外或附加的也可以用电阻元件来限制电流。

通过在端抽头上的半导体开关装置的和在一个其它抽头上的开关元件的相对布置，在线圈间短路回路里的电流与负载电流是反向的。因此之后达到如下的时间点，在该时间点，在线圈间短路回路里的电流与负载电流绝对值相同，并且由此通过开关元件就像没有电流流过一样。换种说法，负载电流在该时间点向半导体开关装置完全交换(kommutiert)。

该时间点被用于通过开关元件断开连接。因为在该时间，在该连接中没有或只有非常少的电流流过该开关元件，与此相应的，在该开关元件上几乎没有降落电压，所以可以没有电弧地断开，并且因此特别保护了开关元件。另外开关元件也可以在过零点之前就打开，特别是对于如下的时间点，对于该时间点，半导体开关装置已经可靠导通。在这种情况下，通过打开开关元件产生电弧，然而，该电弧在电流交换过程中非常快地、典型地在微秒范围内熄灭，因为电流通过开关元件消失。如果电弧一旦熄灭，则在该开关元件上的电压上升的情况下不再会重新产生电弧。

优选地，中低压变压器包含用于确定代表了在开关元件上的电压和/或通过开关元件的电流的数值的装置，因为于是能够直接确定打开开关元件的时间点。在前文所述的运行方式中例如当电流恰好为零时给出该时间点。另一种可能是，当电流或电压、特别是电流和电压在各自周期内的最大绝对值未超过一个特定的、仅稍大于零的阈值时，使得开关元件打开。另一个选择是，对于开关元件打开的时间可以按照时间控制、根据半导体开关装置的接通时间来确定，例如在半导体开关装置接通2ms以后。

在通过开关元件打开之后，半导体开关装置带有负载电流，并且消除了线圈间短路。

接着，开关元件重新闭合，以便和绕组的其他抽头中的另一个抽头建立连接。为此也优选的，选择一个适合的时间点来建立连接。为此，例如可以选择如下的时间点，在该时间点在开关元件上的电压恰好相应于半导体开关装置上的电压。假定，通过半导体开关导致在半导体开关装置上仅降落很少的电压。在开关元件闭合时，优选的，考虑为建立电连接所需的闭合时间。在上述的时间点的闭合可以实现避免电压跳变。另一个方法是，当通过网络频率导致的电压恰好是过零点时，执行开关元件的闭合。

在开关元件重新建立了电连接之后，半导体开关装置被断开或者说每次使用半导体开关之后，消除触发。

本发明的实施方案是使用晶闸管电路作为半导体开关。优选的，该晶闸管电路是自主断开的，并且能够实现简单的控制。晶闸管电路优选由两个反并联连接的晶闸管元件组成，其中，每一个该晶闸管元件由一个晶闸管或晶闸管的并联电路和/或晶闸管的串联电路组成。其它的电气部件也能和晶闸管共同使用。

作为半导体开关，除了晶闸管，还可以使用可关断的半导体开关，特别是晶体管、GTO(门极可关断晶闸管)或IGCT(集成门极换流晶体管)。因此，通过半导体开关可实现导线的主动断开，这又缩短了通过闭合的开关元件和导通的半导体开关形成的线圈间短路的时间。

在本发明优选的实施方案中，具有用于确定在开关元件的或半导体开关的范围里的电流的装置。

附图说明

下面结合以下的附图对本发明的优选的、但绝不是限制性的实施例作进一步说明。在此，相同的附图标记表示相同或者对应的部件。其中：

图1示出了带有直通的次级绕组的第一变压器，其带有分接开关，

图2示出了具有第一变压器的分接电路的过程图。

附图是关于中低压变压器的实施例。这些中低压变压器在实际应用中合适地实施为三相。但为了清楚，附图只绘出了单相的实施。因为同样的原因，分接开关在实施例中对于变压比也只列出了三种设置可能，实际中分接开关通常能设置大于三种变压比。以超出三种的变压比同样能良好应用本发明。例如，电压在初级绕组侧应该为10kV，而在次级绕组侧输出400V的电压。

具体实施方式

图1在此示出了带有分接电路的变压器1。该变压器1具有在该实施例中不详细讨论的初级绕组之外的一个直通的次级绕组。直通的次级绕组由第一至第四部分17a...d组成。第一部分17a包含大约次级绕组的70％的绕组长度，而第二、第三和第四部分17b...d分别包含大约10％的绕组长度。图1的图示在此不是精确按比例的。根据对次级绕组的相对比例得到可调整的变压比，并且清楚的是，次级绕组的其它分配也是完全可能的。通过第一、第二和第三抽头2、3、4来定义部分17a...d，其中，第一抽头2在次级绕组的70％绕组长的位置，第二抽头3在次级绕组的80％绕组长的位置，并且第三抽头4在次级绕组的90％绕组长的位置。变压器1的第一输出导线11与次级绕组的开头相连接。变压器1的第二输出导线以复杂的方式与抽头2、3、4相连接，以便实现分接电路。

对于分接电路设置机械开关20，该机械开关的中间接头根据图1与第二输出导线12相连接。开关20能在开关20的中间接头与第一连接线13、第二连接线14或第三连接线15其中之一之间建立连接。第一连接线13连接抽头2与机械开关20的一个接头。第二连接线14连接第二抽头3与开关的另一个接头并且第三连接线15连接第三抽头4与机械开关20最后的一个接头。在此，合适地这样构造开关20，使得能彼此独立地实现在接头之间的连接的断开和建立，也就是多个机械开关元件共同构成了开关20。

此外，在次级绕组的端抽头52和第二输出导线12之间存在第四连接线18，该第四连接线18通过由两个反向并联接通的晶闸管组成的晶闸管电路5引导。在此，用两个晶闸管的结构作为例子。视预计的负载不同，这里的一个晶闸管分别代表由许多实际上的晶闸管元件组成的串联电路和/或并联电路。代替晶闸管，这里也可以使用其它的元件如IGBT，GTO等。与晶闸管5串联的是电感53，该电感53用于在线圈间短路的情况下电流的延迟。

在每个连接线13、14、15、18上以及在开关20的中间接头的范围中设置测量点7...10。此外，设置控制机构6。该控制机构6能确定在测量点7...10上的电压，并且根据确定的值调节晶闸管电路5和开关20。

现在根据图2来举例说明利用图1的结构的负载换接的过程。在第一步21假定，机械开关20在第二输出导线12和第一连接线13之间建立电连接。即，第一电流通路26从第一输出导线11经过次级绕组的第一部分17和第一连接线13流向第二输出导线12。在此，使用大约70％的次级绕组。晶闸管没有被触发。

在第二步22进行换接。在此，机械开关20在其接头之间这样换接，使得换接将第二抽头3而不是第一抽头2与第二输出导线12相连接。在换接期间，晶闸管电路5接受电流。这点无中断地发生，其中，确切的电路在下文举例说明。即第二电流通路27在换接时从第一输出导线11流经次级绕组的所有部分17a...d。其进一步通过第四连接线18并且由此通过晶闸管电路5流向第二输出导线12。即在此使用全部的次级绕组。一旦机械开关20换接完成，则结束晶闸管电路5的触发。

在换接之后得到如下状况，该状态在第三步23被使用。在此，使用了大约80％的次级绕组，并且第三电流通路28从第一输出导线11经过次级绕组的第一和第二部分17a，b以及第二连接线14流向第二输出导线12。

在第四步24再次进行换接。在此，机械开关20在其接头之间这样换接，使得将第三抽头4而不是第二抽头3与第二输出导线12相连接。在换接期间，晶闸管电路5再次接受电流。即第四电流通路29在换接时从第一输出导线11流经全部的次级绕组。其进一步通过第四连接线18并且由此通过晶闸管电路5流向第二输出导线12。一旦机械开关20换接完成，则结束晶闸管电路5的触发。

在换接之后得到如下状况，该状态在第五步25被使用。在此，使用了大约90％的次级绕组，并且电流通路从第一输出导线11经过次级绕组的第一、第二和第三部分17a...c以及第三连接线15流向第二输出导线12。

其它的换接相似地执行。在此，机械开关20并不是必须在相邻放置的抽头2、3、4之间换接，而是可以实现在任意两个抽头之间的换接，也就是例如直接从第一抽头2换接到第三抽头4或者反之。

现在要根据例子来更详细说明进行换接的方法。假定，控制机构6确定，在两个抽头之间的换接看起来是有必要的。因此，控制机构负责在晶闸管电路中5中的晶闸管的触发。在此，这样选择触发时间点，使得没有出现电压跳变。理想地，为此使用这样的时间点，该时间点在电网电压的过零点之前的时间间隔附近，其中，该时间间隔相应于晶闸管的触发延时。由此得出，晶闸管在电压的过零点原则上能接受负载电流。

当晶闸管导通，由于通过开关20和晶闸管的连接产生线圈间短路，其中包含部分次级绕组。在该短路电路中会流过非常高的电流。在该实施例中，进行速度(Einsatzgeschwindigkeit)利用电感53来限制。

通过晶闸管在端抽头52上的和开关20在其它的抽头2、3、4之一上的相对布置，在线圈间短路电路中的电流与负载电流相反。以后，因此达到一个时间点，在该时间点，在线圈间短路电路中的电流取与负载电流相同的绝对值，并且由此不再有电流通过开关20。

该时间点被用于通过开关断开连接。在此，优选在预计过零点之前一点就打开开关，特别是对于晶闸管已经安全导通了的时间点。在这种情况下，在打开开关元件时产生电弧，然而，该电弧在电流流通的过程中很快地、典型地在微秒范围内熄灭，因为电流通过开关元件消失。如果电弧一旦熄灭，则在开关元件上的电压上升时不再重新产生电弧。为了平缓的转换，合适的是，对于连接的打开这样控制开关20：使得当晶闸管已经导通时，开关20才打开。

之后，晶闸管传输负载电流，并且通过打开开关20消除线圈间短路。优选在电网电压的自然过零点重新建立开关20的连接，以便又实现导线的平缓过渡。因为在开关20连接之后又存在线圈间短路(Eindungskurzschluss)，所以合适的是，在过零点之前及时结束晶闸管的触发，以防止晶闸管和开关20同时导通。

Claims (13)

1.一种带有分接电路的中低压变压器(1，50)，其中：

-变压器的绕组之一具有两个端抽头和至少一个其它抽头，

-具有至少一个开关装置(20，35，36)，用于将变压器抽头之一与变压器的输出导线之一能够切换地电连接，和

-具有至少一个半导体开关装置(5，37)，该半导体开关装置与输出导线并且与一个抽头电连接。

2.根据权利要求1所述的中低压变压器(1，50)，其中，所述半导体开关装置(5，37)与所述端抽头相连接。

3.根据权利要求1或2所述的中低压变压器(1，50)，其中，至少有两个中间抽头，并且开关元件(20，35，36)在中间抽头和输出导线之间建立电连接。

4.根据上述权利要求中任一项所述的中低压变压器(1，50)，其中，具有用于确定代表了在所述开关元件上的电压和/或通过所述开关元件的电流的数值的装置。

5.根据上述权利要求中任一项所述的中低压变压器(1，50)，其中，具有用于确定代表了在所述半导体开关装置上的电压的数值的装置。

6.根据上述权利要求中任一项所述的中低压变压器(1，50)，其中，所述开关装置(20，35，36)具有机械开关(20，35，36)。

7.根据上述权利要求中任一项所述的中低压变压器(1，50)，其中，所述半导体开关装置(5，37)包含两个反并联连接的半导体开关元件，特别是两个晶闸管。

8.根据上述权利要求中任一项所述的中低压变压器(1，50)，其中，所述半导体开关装置(5，37)具有可关断的半导体开关元件，特别是晶体管、GTO或IGCT。

9.根据上述权利要求中任一项所述的中低压变压器(1，50)，其中，与所述半导体开关装置(5，37)串联设置电感或电阻。

10.一种用于运行根据上述权利要求中任一项所述的带有分接电路的中低压变压器(1，50)的方法，所述中低压变压器具有半导体开关装置，该半导体开关装置用于在开关装置的切换过程中暂时接收电流，其中，在开关装置的切换过程中确定第一时间点，在所述第一时间点，通过开关装置的电流恰好为零，并且在所述时间点所述开关装置被打开。

11.根据权利要求10所述方法，其中，在过零点稍前接通所述半导体开关装置。

12.根据权利要求10或11所述的方法，其中，在所述开关装置打开之后确定第二时间点，在所述第二时间点，在开关装置的目标抽头和变压器的输出导线之间的电压相应于半导体开关上的电压，并且在该第二时间点，所述开关装置被闭合。

13.根据权利要求12所述方法，其中，在确定所述第二时间点时考虑开关元件的闭合持续时间。

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