CN103943340B - 具有单向通量补偿的电力变压器 - Google Patents

Abstract

具有单向通量补偿的电力变压器，其特征在于：a)该变压器（20）具有软磁磁芯（4），在该软磁磁芯上除了初级和次级绕组装置（1，2）之外还设置有补偿绕组装置（3），该补偿绕组装置（3）与电流控制装置（12，13）相连接，该电流控制装置根据控制信号（14，15）而向该补偿绕组装置（3）中馈入补偿电流（16，17），使得该补偿电流在磁芯（4）中作用是抵消单向磁通（5），其中该控制信号由磁场测量装置（30）根据与初级或次级绕组装置中的电流相关的磁通的测量来提供。

Description

具有单向通量补偿的电力变压器

本申请是申请号为200780053317.X、申请日为2007年6月12日、发明名称为“具有单向通量补偿的电力变压器”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种具有单向通量补偿的电力变压器。

背景技术

已知的是，在与变流器相结合进行工作的电力变压器中由于功率半导体开关控制的不精确性而可能产生一种电流分量，该电流分量与该变压器的工作电流相叠加。关于电网而可以看作为直流的该电流分量在下文中也称为“直流分量”或“DC分量”。其大多仅为该变压器额定电流的千分之几，但在变压器的磁芯中产生一个单向磁通，该单向磁通与初级及次级交变通量相叠加，并导致铁磁磁芯材料的BH特征曲线的不对称调整。微小的单向通量分量由于铁磁磁芯材料的高磁导率已经能够引起磁芯的饱和，并导致磁化电流的极度失真。静止磁场也可以导致磁芯内的单向通量分量。由于这种不对称调整而引起了磁损耗提高并从而磁芯温度的提高，以及磁化电流峰值的提高，这造成工作噪声辐射的提高。

这种不期望的饱和效应基本上如此来抑制，即扩大磁回路的截面，并从而使磁通密度B保持为较小，或者在磁回路中添加一个(替代)气隙，如在DE 198 54 902 A1中所推荐。但第一方案导致变压器体积的增加，第二方案导致磁化电流变大；这均是缺点。

为了降低电力变压器的噪声辐射，在US 5 726 617以及在DE 699 01 596 T2中推荐了相应的执行器，该执行器如此来激励在变压器机壳中的油，使得在变压器工作中由磁芯的铁片和变压器绕组所引起的流体压力波被减弱。但这种执行器在工作中消耗不少的能量；另外其也是易干扰和耗费的。

发明内容

本发明的任务是提供一种变压器，其中以尽可能简单的方式降低了由磁芯中的单向磁通所引起的磁芯升温以及噪声辐射。

该任务通过如下所述的电力变压器而得到解决。具体地，根据本发明的具有单向通量补偿的电力变压器，(a)该变压器具有软磁磁芯，在该软磁磁芯上除了初级和次级绕组装置之外还设置有补偿绕组装置，该软磁磁芯具有三个磁芯柱，其中至少两个磁芯柱设置有补偿绕组，并且每个空芯线圈都分别设置在大致位于磁芯柱中间高度的间隙中，其中该间隙由磁芯柱的外周面与围绕的补偿绕组或二次绕组构成，(b)磁场测量装置测量在该磁芯外部通过空气通路所围绕的杂散磁场，并提供控制信号，(c)该控制信号被传输给电流控制装置，(d)该电流控制装置通过包含有电抗二端网络的电流路径与该补偿绕组装置相连接，并根据该控制信号向该补偿绕组装置馈入补偿电流，使得其作用是在磁芯中抵消单向磁通。

本发明所基于的想法是，不是克服预磁化的不期望的影响，而是消除其起因。本发明的变压器特征在于：

–该变压器具有一种软磁磁芯，在该软磁磁芯上除了初级和次级绕组装置之外还设置有一个补偿绕组装置。

该补偿绕组装置与一个电流控制装置相连接，该电流控制装置根据一个控制量在该补偿绕组装置中如此来馈入一个补偿电流，使得其在磁芯中的效应抵消单向磁通，其中该控制量是由一个磁场控制装置根据与初级或次级绕组装置中电流相关联的磁通的测量来提供。

由此实现了以简单的方式在测量技术上来探测在变压器磁芯中的单向磁通分量，并能够通过一个调节过程而被补偿。如果该单向通量分量被消除，那么BH特征曲线的调整就是对称的。磁芯的铁磁材料就不再被驱动至饱和。材料的磁致伸缩从而是较小的，因此工作噪声辐射也降低。该变压器绕组具有较小的热承载，因为在磁芯中的磁损耗以及从而工作温度是较低的。

根据本发明，根据一个磁场测量量来预给定补偿绕组中的补偿电流，其中一个磁场测量装置提供该磁场测量量。为了确定该磁场测量量，已知的磁场传感器是适合的，该磁场传感器或者测量在变压器磁芯中的场，或者测量磁芯之外通过空气通路所围绕的杂散磁场。该传感器的基本工作原理比如可以是测量线圈的感应、霍尔效应或磁阻效应。该磁场测量量也可以通过采用一种磁力仪(磁通门或福斯特探测器)来探测。与精确测量直流分量(尤其在大变压器情况下其远小于额定电流，并从而难以探测)相比，用于探测磁场测量量的测量技术耗费是较小的。

本发明的一种优选实施其特征可以是，该磁场测量装置由一种信号处理单元构成，其中该信号处理单元与至少两个磁场探测器以导通信号的方式相连接。在常规构造形式的三相变压器中，确定两个单向通量分量就可能足够了，因为总通量必须为零。

该信号处理单元有利地被设置用于根据由磁场探测器所提供的相应一个测量信号来探测谐波，并由此形成控制信号。从而可以利用相对微小的电路技术耗费来获得适合用于补偿单向通量分量的控制量。可以电子或计算机辅助地进行谐波分析。

在此尤其适合的是偶数谐波、尤其是第一谐波(2次谐波)，其幅度与适合补偿的单向磁通有函数关系。

尤其优选的是如下一种实施方案，其中两个磁场探测器在磁芯外部如此来设置，使得其探测该变压器的杂散磁通。该杂散磁通在磁芯磁饱和时非常大地增加，这对于求得控制信号是有利的。

该磁场探测器可以简单地作为感应探测器来构造，其中该感应探测器探测杂散磁通变化并变换为电测量信号，由该信号然后就可以过滤出偶数谐波、尤其2次谐波。

在一个尤其优选的实施方案中，该感应探测器可以作为空芯线圈来构造。与基于半导体的测量变换器相比该空芯线圈的电测量信号与长时漂移和温度漂移无关，并且另外还是造价合理的。

为了使电网对补偿线圈的影响保持为尽可能微小，如果在电流控制装置的电流回路中连接一个陷波回路(比如电抗二端网络)，那么这是合适的。由此向补偿线圈馈入补偿电流的受控电流源的电压负担可以保持为微小。适合于此的比如是由比如一个LC并联电路所构成的二端网络，该网络阻止电网频率，但对于该补偿直流完全不具有电阻。

最简单地通过试验或数字现场模拟来进行磁场探测器的合适的空间布置。尤其合适的是以下的测量位置，即在该位置上由初级和次级负载电流所产生的磁场被尽可能地补偿。优选的是以下一种布置，其中在变压器磁芯柱的外周面与同心围绕的补偿绕组或次级绕组所构成的间隙中、比如在磁芯柱中间高度上设置一个空芯线圈。

该补偿绕组的一种优选布置在三磁芯柱变压器的情况下可以是轭铁，或者在五磁芯柱变压器的情况下可以是磁轭磁芯柱；从而补偿绕组可以以简单的方式在已有的变压器上进行改进。

附图说明

为了进一步解释本发明，在下文中参照了附图，从中可以获得本发明的其他有利的扩展、特征和改进。

其中：

图1示出了根据本发明的具有单向通量补偿的一种三相变压器(三磁芯柱变压器)，其中该补偿绕组装置设置在主磁芯柱上；

图2示出了根据本发明的具有单向通量补偿的一种三相变压器(三磁芯柱变压器)，其中该补偿绕组装置设置在轭铁上；

图3示出了根据本发明的具有单向通量补偿的一种三相变压器，其中该补偿绕组装置设置在磁轭轭铁上；

图4示出了根据本发明的具有单向通量补偿的一种三相变压器(五磁芯柱变压器)，其中该补偿绕组装置设置在主磁芯柱上；

图5示出了根据本发明的用于调整单向通量分量的信号处理电路框图；

图6示出了用于测量在4MVA功率变压器上的单向通量分量的测量试验的电路框图，其中使用了图5的信号处理；

图7示出了在初级电压为6kV的情况下作为图6的测量试验结果的、在DC分量与2次谐波之间的线性关系图；

图8示出了在初级电压为30kV的情况下作为图6的测量试验结果的、在DC分量与2次谐波之间的线性关系图。

具体实施方式

在图1中示出了具有机壳7的电力变压器20，该变压器具有变压器磁芯4。该磁芯4的构造形式对应于已知的三磁芯柱构造形式，其具有三个磁芯柱21、22、23和一个横向的轭铁32。在每个磁芯柱21、22、23上通常具有一个初级绕组1和一个次级绕组2。

根据本发明，在外侧磁芯柱21和23上还设置有补偿绕组3。在图1中，在第一磁芯柱21的区域中用箭头5来表示磁“单向通量”。对于该磁“单向通量”5，认为它由流过初级侧或次级侧的“直流分量”(DC分量)而引起。但该“单向通量”也可能掺入地磁场。“单向通量”或“直流”在此应理解为一个物理量，该物理量与50Hz交变量相比来看在时间上仅非常缓慢地波动，-只要根本上是这种情况。在磁芯柱21中与交变通量相叠加的单向磁通5导致预磁化，预磁化引起磁材料的不对称调整，并从而引起噪声辐射的提高。为了根据本发明补偿该单向通量分量，在图1中设置有两个受控的电流源12和13。该电流源12、13分别在调整意义上向所配备的补偿绕组3馈入补偿电流16及17，该补偿电流的大小和方向如此来确定，使得在磁芯4中的单向磁通5被补偿。(在图1中这通过一个大小相同的、与箭头5相反的箭头6来表示。)这种调整借助该控制信号14、15来进行，其中该控制信号作为调节量借助导线9、10而传输给该电流源12及13。

一个信号处理单元11提供该控制量14、15，该信号处理单元在下文中还要详细解释。如在图1中所示，在该补偿绕组3与磁芯4的外侧磁芯柱21及23之间分别大致居中设置了一个磁场探测器8。每个磁场探测器8都位于该磁路外部，并测量该变压器20的杂散磁场。在该杂散磁场中尤其明显突出的是磁化电流的、被控制进入饱和的那个半波，如此使得在磁芯中的单向通量分量可以良好地被探测。该探测器8的测量信号借助导线9、10而传输给该信号处理单元11。

在本例子中，这两个磁场探测器8分别由一个测量线圈(几百匝，直径约25mm)组成。如在该三磁芯柱变压器的本例子中所示，两个探测器8就已经足够了，因为在所有磁芯柱上单向通量分量之和必定为零。

如前所述，基本上考虑许多传感器原理来用于磁场测量。关键仅仅是测量该变压器的一个磁场特性参数，由该磁场特性参数在信号技术上可以探测该DC分量或单向通量分量，并能够进一步调整它。

图2与图1的不同之处仅在于，在此该补偿绕组装置3不是设置在主磁芯柱21、22、23上，而是设置在磁芯4的轭铁32上。在每个主磁芯柱21、22、23上再次在磁芯4与次级绕组2之间的间隙中设置有一个磁场探测器8(在此出于冗余原因而总共三个)。

图3示出了一个五磁芯柱变压器，其中在每个磁轭磁芯柱31上分别设置了一个补偿绕组3。在这种构造中磁芯磁通在进入轭铁时并不是对半地分到两侧；由于连续原则，分别从磁轭磁芯柱31流回的单向通量分量必定等于在主磁芯柱21、22、23中的单向通量，如此使得每个磁轭磁芯柱31都传输1.5倍的单向通量分量。每个磁芯柱21、22、23再次分配有各一个设置于磁芯4外部的磁场探测器8。这三个磁场探测器8的每个测量信号都再次传输给该信号处理单元11，该信号处理单元在输出侧提供控制量14、15以用于受控的电流源12和13，如此使得该补偿电流16或17可以补偿该磁轭磁芯柱31中的单向通量分量。

在图4中示出了图3的实施例的一种变化。在此该补偿绕组3位于该主磁芯柱21、22和23上。每个补偿绕组3都再次分配了三个电流控制装置之一。如前所述通过该信号处理单元11来进行补偿电流的预给定。

在图5中以框图示出了该信号处理单元11的一种可能的实施方案，其中该信号处理单元用作DC补偿调节器。如前所述，该信号处理单元11根据谐波的频谱来探测身为单向通量分量(DC分量)的直接映像的二次谐波。

在下文中这借助所示的功能块来详细解释：传感器线圈8探测该变压器20的杂散磁通。该传感器线圈8的测量信号传输给一个差分放大器19。在所示的信号路径中，该差分放大器19的输出信号接着到达一个陷波滤波器(陷波器)24，该陷波滤波器滤除基本振荡(50Hz分量)。通过一个低通25和一个带通26该测量信号到达一个积分器27。通过积分产生与测量线圈8中的磁通变化成比例的一个电压信号，该电压信号被传输至一个非常有选择性的带通滤波器26，以滤出描绘单向通量分量的二次谐波。该电压信号在一个采样保持电路28和一个低通25之后通过导线16到达具有集成调节装置的受控电流源12。该电流源12和调节装置在一个封闭电流回路33中与一个补偿绕组3相连接。其在该补偿绕组3中提供一个直流，该直流抵消在磁芯4中的单向通量分量。因为要补偿的DC分量的方向事先是未知的，所以采用了一个双极性电流调节器，其在本实验中具有全桥的IGBT晶体管。积分器27针对2次谐波致使相位滞后99度。由一个并联振荡回路组成的电抗二端网络18阻止了电网频率分量的网络反作用。

在图5中还示出了一个辅助绕组29，它的信号通过滤波器和整流器传输给该采样保持电路28。它在所示的电路中用作采样信号的调节，如此使得实现了该测量信号的二次谐波的与相位相关的采样。在这里应说明的是，该采样保持电路最终仅用于由感应探测器8所提供的测量信号的与相位有关的采样(二次谐波100Hz)。

在图5中所示的信号处理仅示例地示出了一种可能的二次谐波的测量方法。熟练的专业人员对此可以使用一系列模拟的以及数字的功能模块。从而该电流控制量14、15比如还可以通过合适的数字计算方法在微计算机中或者在自由可编程的逻辑模块(FPGA)中被获得，其中根据傅立叶变换来探测二次谐波(100Hz)。

在图6中示出了一种试验装置，其中在图5中所示的以及在上文中所解释的信号处理单元11在4MVA功率变压器中被使用，以在实际条件下在测量技术上来探测在该单向通量分量与该第一谐波(2次谐波)之间的关系。该4MVA功率变压器在该实验中在初级电压为6KV或30KV时处于空载。在该初级或次级绕组装置(图6)的中性点中借助电流源而输入在0.2与2A之间的一个DC分量。具有200匝的传感器线圈用作磁场探测器8，其设置于该变压器磁芯外部并探测杂散磁通。

在图7和图8中分别记录了图6的试验装置的测量结果的图形。在图7和图8的图形中，在中性点所输入的直流分量(IDC)绘制于y轴上；在x轴上绘制了该第一谐波(U100Hz)的有效值。图7的图形示出了在初级电压为6KV时的关系，图8的图形适用于在初级电压为30KV时。图7和图8这两个图示出：在直流分量(IDC)与由此所伴随的失真(二次谐波U100Hz)之间的关系以足够的精确度可以看作是线性的。

结果，这意味着，由功率变压器的磁场测量所探测的特性参数非常好地适合于形成控制量，该控制量在测量技术上探测并补偿单向通量分量(不论其原因，也即即使叠加有地磁场)，如此使得该变压器的工作噪声和升温可以保持为微小。

所使用的附图标记汇总

1 初级绕组

2 次级绕组

3 补偿绕组

4 软磁磁芯

5 单向磁通

6 补偿磁通

7 变压器机壳

8 磁场探测器

9 测量线，-信号

10 测量线，-信号

11 信号处理单元

12 电流控制装置

13 电流控制装置

14 控制信号

15 控制信号

16 补偿电流

17 补偿电流

18 电抗二端网络

19 差分放大器

20 变压器

21 变压器的第一磁芯柱

22 变压器的第二磁芯柱

23 变压器的第三磁芯柱

24 陷波滤波器

25 低通

26 带通

27 积分器

28 采样保持电路

29 辅助绕组

30 磁场测量装置

31 磁轭磁芯柱

32 轭铁

33 电流路径

Claims (8)

1.具有单向通量补偿的电力变压器，其特征在于：

(a)该变压器（20）具有软磁磁芯（4），在该软磁磁芯上除了初级和次级绕组装置（1，2）之外还设置有补偿绕组（3），该软磁磁芯（4）具有三个磁芯柱（21，22，23），其中至少两个磁芯柱（21，23）设置有补偿绕组（3），并且每个空芯线圈分别被设置在位于磁芯柱中间高度的间隙中，其中该间隙由磁芯柱的外周面与围绕的补偿绕组（3）或次级绕组（2）构成，

(b)磁场测量装置（30）利用作为磁场探测器（8）的所述空芯线圈测量在该软磁磁芯（4）外部通过空气通路所围绕的且能在信号技术上探测该软磁磁芯（4）中的单向通量分量的杂散磁场，并由此提供控制信号（14，15）作为用于调整该单向通量分量的调节量，

(c)磁场测量装置（30）把该控制信号（14，15）传输给电流控制装置（12，13），

(d)该电流控制装置（12，13）通过包含有电抗二端网络（18）的电流路径（33）与该补偿绕组（3）相连接，并根据该控制信号（14，15）向该补偿绕组馈入补偿电流（16，17），使得其作用是在软磁磁芯（4）中抵消单向磁通（5）。

2.根据权利要求1所述的变压器，其特征在于，该磁场测量装置（30）由与至少两个磁场探测器（8）以导通信号的方式相连接的信号处理单元（11）构成。

3.根据权利要求2所述的变压器，其特征在于，该信号处理单元（11）被设置用于根据由磁场探测器（8）所提供的相应测量信号来探测谐波，以从中探测用于调整该单向通量的控制信号（14，15）。

4.根据权利要求3所述的变压器，其特征在于，该控制信号（14，15）根据第一谐波来形成。

5.根据权利要求2所述的变压器，其特征在于，所述至少两个磁场探测器（8）中的每一个都设置于该软磁磁芯（4）外部，以探测该变压器（20）的杂散磁通。

6.根据权利要求1至5之一所述的变压器，其特征在于，该电抗二端网络（18）具有并联振荡回路。

7.根据权利要求1所述的变压器，其特征在于，该软磁磁芯（4）还具有两个磁轭磁芯柱（31），在该旁轭磁芯柱上分别设置有补偿绕组（3）。

8.根据权利要求1所述的变压器，其特征在于，该补偿绕组（3）设置在该变压器的轭铁（32）上。