CN105229759B - 用于降低变压器的磁芯中的单向磁通分量的设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于降低变压器、尤其三相变压器的磁芯中的单向磁通分量的设备，所述设备包括多个补偿绕组（K1、K2、K3），所述补偿绕组与所述变压器的磁芯磁耦合。所述设备的特征在于，‑设置有用于将电流馈入到所述补偿绕组（K1、K2、K3）中的可控电流源（S），所述可控电流源与所述补偿绕组（K1、K2、K3）、更确切地说与所述补偿绕组的中性点（P1）电串联地布置，所述中性点由所述补偿绕组（K1、K2、K3）的输入端形成，以及‑设置有中性点生成器（H），所述中性点生成器与所述补偿绕组（K1、K2、K3）的输出端导电连接，以及–所述电流源（S）将所述补偿绕组（K1、K2、K3）的中性点（P1）和所述中性点生成器（H）的中性点（P2）互相电连接。

Description

用于降低变压器的磁芯中的单向磁通分量的设备

技术领域

本发明涉及用于降低变压器、尤其三相变压器的磁芯中的单向磁通分量的设备，所述设备包括多个补偿绕组，所述补偿绕组与变压器的磁芯磁耦合。

应用领域原则上不仅位于低或中压范围中的变压器中而且位于非常高功率的变压器（功率变压器，HGÜ（高压直流传输）变压器）中。

背景技术

在如在能量分配网络中被应用的电力变压器中，可能发生不期望地将直流电流馈入到初级绕组或次级绕组中。下面也称为DC分量的这种直流电流馈入例如可能来源于如现今在操控电驱动的情况下或者也在无功功率补偿的情况下所使用的电子结构组件。另外的原因可能是所谓的地磁感应电流（英文：“Geomagnetically Induced Currents”，GIC）。

由于太阳风，地磁场被改变并且因此在地表面处的导体环处感应非常低频的电压。在长的电能传输线路的情况下该感应电压可以引起相对大的低频电流（准直流电流）。地磁感应电流大约以十年的周期出现。所述地磁感应电流均匀地分布在所有（三个）相上，可以每个相达到直至30A并且经由变压器的中性点流出。这在半周期中导致变压器的磁芯的强烈的饱和并且因此在半周期中导致大的励磁电流。该附加的励磁具有大的谐波分量并且由此通过具有谐波分量的杂散场造成变压器的绕组和铁部件中的涡流损耗。这可能导致变压器中的局部过热。此外，由于强烈的励磁需求发生高的无功功率消耗和电压下降。这共同地可能导致能量传输网络的不稳定。大大简化而言，该变压器在半波中如电抗器那样表现。

有些能量传输公司因此在变压器的规范中已经针对变压器的中性点要求100A的直流电流。

根据WO 2012/041368 A1，在补偿绕组中感应的电压被利用，并且通过以下方式被用于干扰的单向磁通分量的补偿，即晶闸管开关与限流电抗器串联，以便将补偿电流引入到补偿绕组中。该解决方案对于一个范围中的要平衡的直流电流来说良好地运行，所述直流电流比地磁感应电流小一个数量级，也即大致在10A以下的范围中。对于地磁感应电流来说必须针对中压水平，也即在大致5kV的范围中，并且应用功率大的晶闸管。但是，由于这种晶闸管的高的损耗功率，该解决方案是不经济的。

地磁感应电流的另一解决方案是所谓的DC阻断器，在所述阻断器中原则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，因为通过电容器的充电形成偏置电压。除此之外，限制电容器处的偏置电压，使得通常不能阻断全部直流电流。当在传输网络中发生短路并且因此发生零电流时，该解决方案也是有问题的。

发明内容

本发明的任务是提供用于降低变压器的磁芯中的单向磁通分量的设备，所述设备一方面没有功率大的晶闸管的高的损耗功率也行并且所述设备另一方面不受电容器处的偏置电压限制。

该任务通过根据本发明的设备来解决。本发明的有利的构型在相应的从属权利要求中被限定。

根据本发明的设备的特征在于，

- 设置有用于将电流馈入到补偿绕组中的可控电流源，所述可控电流源与所述补偿绕组、更确切地说与所述补偿绕组的中性点电串联地布置，所述中性点由所述补偿绕组的输入端形成，以及

- 设置有中性点生成器，所述中性点生成器与所述补偿绕组的输出端导电连接，以及

- 所述电流源将所述补偿绕组的中性点和所述中性点生成器的中性点互相电连接。

根据本发明的解决方案的原理又基于借助于补偿绕组通过以下方式的直流电流补偿，即有针对性地将电流馈入到补偿绕组中，所述电流的作用抵消单向磁通分量以及阻止变压器的磁芯的磁化。换言之，将所谓的反安匝数引入到变压器中，其中安匝数是磁势的另一术语。在此，补偿电流通过可控电流源被引入到补偿绕组中，其中通常变压器的每个相设置有补偿绕组。

为了可以低功率地引入补偿电流，必须解决在补偿绕组中所感应的电压的问题。这通过本身已知的中性点生成器来进行，所述中性点生成器也称为零点生成器或接地变压器。该中性点生成器生成相对于补偿绕组的外部导体电压的中性点。因此，补偿绕组的中性点和通过中性点生成器形成的中性点位于相同的电位。在这些中性点之间现在可以没有问题地插入可控电流源。此外，该中性点生成器具有以下优点：经由所述中性点生成器的中性点引入以及然后均匀地分布到所述中性点生成器的所有（三个）臂上的直流电流不引起中性点生成器的磁芯的磁化。

本发明的一种实施方式规定：与电流源电串联地布置有至少一个限流电抗器。通过限流电抗器的前置可以有效地过滤出瞬态电压，使得这些瞬态电压不影响电流源。

通过可控电流源总是正好给补偿绕组输送对于不期望的直流电流的补偿来说必要的电流。对于必需的补偿电流的确定来说可以规定，可控电流源与用于检测变压器中的单向磁通分量的测量装置连接。这种测量装置例如从WO 2012/041368 A1中以具有传感器线圈的磁分路部件的形式已知。该分路部件可以在变压器的磁芯处、例如在臂处或在轭处邻近地布置，以便在分路中引导磁通的一部分。从所述在分路中所引导的磁通能够借助于传感器线圈非常容易地获得长时间稳定的传感器信号，该传感器信号必要时在信号处理之后非常良好地映射单向磁通分量（CD分量）。

所述中性点生成器可以为了更好的负载分布包括之字形连接形式的绕组。

附图说明

为了进一步阐述本发明，在说明书的随后的部分中参照图，从所述图中可获悉本发明的另外的有利的构型、细节以及改进方案。

图1示出根据现有技术的包括晶闸管电路的用于将补偿电流引入到补偿绕组中的原理电路，

图2示出根据本发明的用于借助于可控电流源将补偿电流引入到补偿绕组中的原理电路。

具体实施方式

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，以便消除变压器磁芯的直流电流磁化。为了将必要的磁势（所谓的直流安匝数）引入到补偿绕组K中利用在补偿绕组K中所感应的交流电压，该补偿绕组K如交流电压源那样起作用。在补偿绕组K处被构造为晶闸管的开关单元T与限流电抗器L串联。所需要的直流电流可以通过电压同步触发在晶闸管T的确定的触发时间点来调整。如果在电压过零时触发晶闸管，则出现最大直流电流，然而所述最大直流电流与具有直流电流的幅度和电网频率的交流电流重叠。如果稍后触发晶闸管T，则直流电流变得更小，然而也形成谐波交流电流。晶闸管T中的电流变化通过限流电抗器L来限制，晶闸管T的所允许的热负荷是针对电流限制来确定大小的。

根据本发明，在图2中代替晶闸管T以及在该实施方式中也代替限流电抗器L，使用可控电流源S和中性点生成器H。

所述可控电流源S与补偿绕组K1、K2、K3直接电串联，更确切地说补偿绕组K1、K2、K3的输入端在中性点P1中被连接在一起，所述中性点直接与电流源S连接。在（此处未示出的）三相变压器的臂上布置有各一个补偿绕组K1、K2、K3。

在中性点生成器H中三个（在此上部的）初级绕组以其一个接线端分别连接到补偿绕组K1、K2、K3的输出端上。另外的接线端以之字形连接的形式分别与三个（在此下部的）次级绕组的一个接线端连接。次级绕组的另一接线端共同地在人工中性点P2中被聚集在一起，所述人工中性点直接与可控电流源S连接。

之字形连接意味着，在中性点生成器H的不同的臂上布置一个相（在此一个补偿绕组）的初级和次级绕组或者同一臂上的绕组属于不同的相（不同的补偿绕组）。

中性点生成器H的初级和次级绕组是同样大的，因此大致具有相同的匝数，但是在不同方向上被电流流过。因此，在不同绕组中的相同电流的情况下在中性点生成器H的磁芯中不感应磁通。

电流源S一方面直接与补偿绕组K1、K2、K3的中性点P1电连接并且另一方面与中性点生成器H的中性点P2电连接。

与图1相似，即使在图2中限流电抗器L也可以与电流源S电串联地布置。

利用根据本发明的方法可以低功率地将大的补偿电流以及因此大的反安匝数引入到变压器中。在中压水平上为此所使用的组件、如中性点生成器H是本身已知的以及可用的。引入具有中压水平上的所感应的电压的补偿绕组本身同样表示已经被证明的技术。本发明的优点是，可控电流源位于地电位上。可以以中压水平针对10 kV、20 kV或30 kV。在此补偿直流电流被减小并且可以利用商业上通用的电流源来工作。中性点生成器相对中性点直流电流是非常不敏感的，因为这些中性点直流电流均匀地分布并且不引起附加的磁芯磁化。

附图标记列表：

H 中性点生成器

K、K1、K2、K3 补偿绕组

L 限流电抗器

P1 补偿绕组K1、K2、K3的中性点

P2 中性点生成器H的中性点

T 开关单元（晶闸管）

Claims (7)

1.用于降低变压器的磁芯中的单向磁通分量的设备，所述设备包括多个补偿绕组，所述补偿绕组与所述变压器的磁芯磁耦合，

其特征在于，

- 设置有用于将电流馈入到所述补偿绕组中的可控电流源（S），所述可控电流源与所述补偿绕组电串联地布置，以及

- 设置有中性点生成器（H），所述中性点生成器与所述补偿绕组的输出端导电连接，以及

- 所述电流源（S）将所述补偿绕组的中性点（P1）和所述中性点生成器（H）的中性点（P2）互相电连接。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述变压器是三相变压器。

3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述可控电流源（S）与所述补偿绕组的中性点（P1）电串联地布置，所述中性点由所述补偿绕组的输入端形成。

4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，与所述电流源（S）电串联地布置有至少一个限流电抗器（L）。

5.根据权利要求1至4之一所述的设备，其特征在于，所述可控电流源（S）与用于检测所述单向磁通分量的测量装置连接。

6.根据权利要求1至4之一所述的设备，其特征在于，所述变压器的每个相设置有一个补偿绕组。

7.根据权利要求1至4之一所述的设备，其特征在于，所述中性点生成器（H）包括之字形连接形式的绕组。