DE202011005058U1

DE202011005058U1 - Transformator mit Stellvorrichtung

Info

Publication number: DE202011005058U1
Application number: DE202011005058U
Authority: DE
Original assignee: ABB Technology AG
Current assignee: Hitachi Energy Ltd
Priority date: 2011-04-08
Filing date: 2011-04-08
Publication date: 2011-06-09
Anticipated expiration: 2021-04-09

Abstract

Transformator mit Stellvorrichtung (30, 40, 50), umfassend eine dreiphasige Primärwicklung (1R, 2S, 3T), eine dreiphasige erste Sekundärwicklung (2R1, 2S1, 2T1) sowie eine dreiphasige zweite Sekundärwicklung (2R2, 2S2, 2T2) mit Stufenverstellung (60), wobei jede Sekundärwicklung eine Gruppe von drei Einzelwicklungen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass Schaltmittel (ARS1, ARS2, ARS3) vorgesehen sind, mittels welcher die Gruppen der Einzelwicklungen (2R1, 2S1, 2T1; 2R2, 2S2, 2T2) der ersten und der zweiten Sekundärwicklung ohne zyklischen Phasentausch, mit einfachem zyklischen Phasentausch oder mit zweifachem zyklischen Phasentausch verbindbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Transformator mit Stellvorrichtung, umfassend eine dreiphasige Primärwicklung, eine dreiphasige erste Sekundärwicklung sowie eine dreiphasige zweite Sekundärwicklung mit Stufenverstellung, wobei jede Sekundärwicklung eine Gruppe von drei Einzelwicklungen aufweist.
Es ist allgemein bekannt, dass Transformatoren in elektrischen Energieversorgungsnetzen eingesetzt werden, um eine Spannung von einer Spannungsebene auf eine andere zu transformieren, beispielsweise von 110 kV auf 380 kV. Derartige Transformatoren weisen eine Leistung von bis zu einigen 100 MVA auf und werden zumeist als dreiphasige Öltransformatoren ausgeführt. Hierbei sind die jeweiligen Wicklungen auf einem Eisenkern angeordnet und zusammen mit diesem in einem mit Öl gefüllten Kessel angeordnet. Hierbei sind jeweils wenigstens drei Primärwicklungen und drei Sekundärwicklungen vorgesehen, welche gruppenweise sowohl in Stern- als auch in Dreieckschaltung elektrisch miteinander verbunden sein können, bei Höchstspannungen zur Reduktion des Isolationsaufwandes für eine jeweilige Wicklung jedoch vorzugsweise in Sternschaltung. Im symmetrischen Belastungsfall in einem dreiphasigen Energieverteilungsnetz liegen sowohl die Spannungen der drei Einzelwicklungen als auch die durch diese fließenden Ströme um jeweils 120° auseinander.
Energieverteilungsnetze sind zumeist vermascht. Der Energiefluss durch eine jeweilige Übertragungsleitung ergibt sich demgemäß aus dem Spannungsniveau der einspeisenden Quellen und den Impedanz- und Lastverhältnissen im Netz.
So kann es beispielsweise bei parallel geschalteten Übertragungsleitungen, welche auf unterschiedlichen Spannungsebenen betrieben werden, vorkommen, dass der sich den Impedanzverhältnissen der Leitungen inklusive der zugehörigen Transformatorenimpedanz entsprechende einstellende Strom durch eine Leitung nicht der gewollten Leistungsübertragung durch die jeweiligen Leitungen entspricht. Um entsprechend Einfluss auf die Lastaufteilung nehmen zu können ist es üblich, ausgewählte Transformatoren mit sogenannten Stufenstellern zu versehen. Diese weisen jeweilige Einzelwicklungen mit einem veränderbaren Übersetzungsverhältnis auf, mit welchem letztendlich die Ausgangsspannung des Transformators und auch die Impedanzverhältnisse im Übertragungsnetz veränderbar sind. Dies erfolgt üblicherweise über mehrere Anzapfungen einer Zusatzwicklung, beispielsweise siebenundzwanzig. Es wird somit der zu verändernden Spannung, welche in einer ersten Wicklung induziert wird, eine weitere veränderliche Spannung aus einer zweiten Wicklung addiert.
Eine weitere Verstellmöglichkeit wird erreicht, wenn die zu addierende veränderbare Spannung nicht in Phase mit der eigentlichen zu verändernden Spannung ist, sondern wenn diese noch in einem Winkel, vorzugsweise +/– 60° dazu, verläuft. Eine Zusatzspannung in einem Winkel von +/– 60° wird dadurch gewonnen, dass als veränderliche Zusatzspannung eine Spannung einer Wicklung addiert wird, welche gegenüber der zu verändernden Spannung zyklisch vor- bzw. nacheilt, also im symmetrischen Fall um +120° bzw. –120° verschoben ist. Durch Umpolung der jeweiligen Wicklung, also eine Phasendrehung um 180°, wird dann letztendlich eine Spannung mit 60° bzw. –60° Phasenverschiebung generiert.
Bei der Addition einer derartigen Spannung mit anderer Phasenlage wird die Übertragungsimpedanz nicht nur ihrem Betrage nach, sondern auch dem Winkel nach verändert. Dies kann im Falle von parallel geschalteten Leitungen verschiedener Spannungsebenen beispielsweise den Effekt haben, dass ein Kreisstrom verursacht wird, welcher die eine Leitung entlastet und die andere Leitung belastet, so dass sich eine gewünschte Lastaufteilung ergibt.
Nachteilig ist jedoch, dass derartige Transformatoren mit Stufenschalter lediglich alternativ entweder mit einem Phasenwinkel der Zusatzspannung von 0° oder aber mit einem Phasenwinkel der Zusatzspannung von +60° oder –60° ausgeführt werden. Hierdurch gehen Reglungsmöglichkeiten für den Transformator verloren, da der Transformator lediglich für eine der drei Möglichkeiten konstruiert ist.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, einen Transformator mit Stellvorrichtung anzugeben, welche möglichst flexibel zu handhaben ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Transformator mit Stellvorrichtung der eingangs genannten Art. Dieser ist dadurch gekennzeichnet, dass Schaltmittel vorgesehen sind, mittels welcher die Gruppen der Einzelwicklungen der ersten und der zweiten Sekundärwicklung wahlweise ohne zyklischen Phasentausch, mit einfachem zyklischen Phasentausch oder mit zweifachem zyklischen Phasentausch verbindbar sind.
Die Schaltmittel ermöglichen damit eine Reihenschaltung einer jeweiligen ersten Einzelwicklung der ersten Sekundärwicklung mit einer prinzipiell konstanten Grundspannung mit einer jeweiligen Einzelwicklung der zweiten Sekundärwicklung, welche in ihrer Spannungshöhe veränderlich ist, beispielsweise mittels eines Stufenschalters, der wahlweise eine von einer Vielzahl von Anzapfungen abgreift. Wenn kein zyklischer Phasentausch zwischen erster und zweiter Sekundärwicklung erfolgt ist, sind beide Wicklungen in Phase, so dass die addierte Spannung bei lediglich in ihrer Höhe, nicht aber in ihrem Phasenwinkel verändert wird.
Bei einfachem beziehungsweise zweifachem zyklischen Phasentausch verläuft die addierte Spannung in einem Winkel von +60° beziehungsweise –60° zur Grundspannung der jeweiligen Einzelwicklung der ersten Sekundärwicklung, so dass sich für die summarische Spannung je nach Höhe der jeweiligen Einzelspannungen ein Phasenwinkel zwischen 0 und 60° beziehungsweise –60° und 0° ergibt.
Zur Gewinnung einer zu addierenden Phasenspannung in einem Winkel von +60° oder –60° ist es erfindungsgemäß deshalb vorgesehen, dass die Einzelwicklungen der ersten Sekundärwicklung und der zweiten Sekundärwicklung gegenphasig angeordnet sind.
Durch die Schaltmittel ist in einfacher Weise ein Wechsel der Richtung der jeweils addierten Spannungen möglich, so dass in vorteilhafter Weise ein Transformator mit erweiterten Stellmöglichkeiten zur Verfügung gestellt ist.
Entsprechend einer besonders bevorzugten Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Transformators sind Schaltmittel derart gegeneinander verriegelt, dass unerwünschte Betriebszustände der Schaltmittel, durch welche beispielsweise ein Kurzschluss verursacht ist, ausgeschlossen sind. Wenn beispielsweise zwei Schaltmittel mit jeweils zwei Schaltstellungen zur Umschaltung vorgesehen sind, so ergeben sich bereits vier Kombinationsmöglichkeiten, von denen gegebenenfalls jedoch nur drei erfindungsgemäß vorgesehen sind. Entsprechend sind bei drei Schaltmitteln insgesamt acht Kombinationsmöglichkeiten denkbar, von denen ebenfalls nur drei erfindungsgemäß vorgesehen sind. Um die nicht vorgesehenen Kombinationsmöglichkeiten beziehungsweise zumindest die nicht gewünschten Kombinationsmöglichkeiten auszuschließen, können beispielsweise Schaltsequenzen definiert werden, welche die unerwünschten Varianten auszuschließen.
Entsprechend einer weiteren Ausgestaltungsmöglichkeit des erfindungsgemäßen Transformators sind als Schalter Advanced Retard Switches verwendet. Diese sind für Ströme von bis zu 2400 A bemessen und zur Kommutierung, also der Umpolung, von Strompfaden insbesondere bei energietechnischen Komponenten vorgesehen. Sie weisen daher genau die für ein erfindungsgemäßes Schaltmittel benötigten Eigenschaften auf. Ein geeigneter Advanced Retard Switch ist beispielsweise der COMTAP ARS I der Maschinenfabrik Reinhausen.
Entsprechend einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Transformators umfassen die Schaltmittel drei Schalter mit jeweils vier Kontakten, welche jeweils paarweise elektrisch miteinander verbindbar sind. Eine derartige Anordnung ist besonders geeignet um eine erfindungsgemäße Verschaltung von Primär- und Sekundärwicklung zu realisieren, insbesondere entsprechend der Verschaltung wie in den 3, 4 und 5 dargestellt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeiten sind den weiteren abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
Anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele sollen die Erfindung, weitere Ausführungsformen und weitere Vorteile näher beschrieben werden.
Es zeigen:
1 einen exemplarischen ARS in einer ersten Schaltposition,
2 einen exemplarischen ARS in einer zweiten Schaltposition,
3 einen Transformator mit Stellvorrichtung in einem ersten Zustand,
4 einen Transformator mit Stellvorrichtung in einem zweiten Zustand,
5 einen Transformator mit Stellvorrichtung in einem dritten Zustand sowie
6 eine exemplarische Einzelwicklung mit Stufenverstellung.
1 zeigt einen exemplarischer Advanced Retard Switch (ARS) in einer ersten Schaltposition in einer Darstellung 10. Rings um einen zweiteiligen Schleifkontakt angeordnet sind in etwa äquidistanten Abständen sechs Kontaktstellen, welche je nach Drehstellung des Schleifkontaktes durch diesen wahlweise elektrisch miteinander verbindbar sind. Die sechs Kontaktstellen sind intern derart verschaltet, dass sie an die vier äußeren Anschlussstellen A, B, C und D geführt sind. Im gezeigten Beispiel sind die Anschlussstellen A und B sowie C und D über die Schleifkontakte miteinander verbunden, so dass die im unteren Bereich der Fig. gezeigte Induktivität elektrisch in einer ersten Richtung verschaltet ist.
2 zeigt einen exemplarischen und vergleichbaren Advanced Retard Switch (ARS) in einer zweiten Schaltposition in einer Darstellung 20. In dieser zweiten Schaltposition sind die Anschlussstellen A und D sowie B und C miteinander verbunden, so dass die im unteren Bereich gezeigte Induktivität gegenüber der Darstellung in der 1 elektrisch genau kommutiert, also umgepolt ist.
3 zeigt wiederum einen exemplarischen erfindungsgemäßen Transformator mit Stellvorrichtung in einem ersten Schaltzustand 30. Der Transformator weist – neben einem nicht gezeigten Transformatorkern – eine Gruppe von drei im Stern verschalteten primären Einzelwicklungen 1R, 1S, 1T auf, welche beispielsweise auf einer Spannungsebene von 380 kV in einem nicht gezeigten dreiphasigen Übertragungsnetz angeschlossen sind. Über den nicht gezeigten Transformatorkern erfolgt eine magnetische Kopplung mit einer ersten Gruppe von sekundären Einzelwicklungen 2R1, 2S1, 2T1 und einer zweiten Gruppe von sekundären Einzelwicklungen 2R2, 2S2 und 2T2, in welchen jeweils eine dem jeweiligen Windungsverhältnis zwischen Primär- und Sekundärwicklung entsprechende Spannung induziert wird. Die zweite Gruppe von Sekundärwicklungen weist eine nicht gezeigte Möglichkeit zur Spannungsveränderung auf, beispielsweise in Form eines jeweiligen Stufenschalters.
Die erste Gruppe von sekundären Einzelwicklungen 2R1, 2S1, 2T1 sind mit jeweils einem ihrer Anschlüsse im Stern verschaltet, wohingegen je ein Anschluss der zweiten Gruppe von sekundären Einzelwicklungen 2R2, 2S2 und 2T2 dafür vorgesehen ist, mit einem elektrischen Energieverteilungsnetz verbunden zu werden, beispielsweise auf einer Spannungsebene von 110 kV.
Die sechs jeweils freien Enden der sekundären Einzelwicklungen sind mittels dreier Advanced Retard Switches ARS1, ARS2, ARS3 derart untereinander verbunden, dass – je nach Schaltstellung der Advanced Retard Switches – eine Reihenschaltung der beiden sekundären Wicklungen ohne zyklische Phasenverschiebung, mit einer einfachen zyklischen Phasenverschiebung oder auch mit einer dreifachen zyklischen Phasenverschiebung ermöglicht ist. Jeder Advanced Retard Switches weist vier Anschlüsse A, B, C, D auf, wobei in einer jeweiligen ersten Schalterstellung die Anschlüsse A und D bzw. B und C miteinander verbunden sind und in einer zweiten Schalterstellung jeweils die Anschlüsse A und B beziehungsweise C und D. Auf die insgesamt zwölf Anschlüsse der drei Advanced Retard Switches sind somit die sechs verbleibenden Anschlüsse der sekundären Einzelwicklungen sowie sechs Enden von insgesamt drei Verbindungsleitungen geführt, mit welchen jeder Advanced Retard Switch mit einem Anschluss jedes der beiden anderen Advanced Retard Switches verbunden ist. Die genaue Verschaltung ist der Fig. selbst zu entnehmen.
In der 3 sind der erste und der zweite Advanced Retard Switch ARS1 und ARS2 in einer ersten Schalterstellung und der dritte Advanced Retard Switch ARS3 in einer zweiten Schalterstellung gezeigt. In dieser Konstellation ist ein einfacher zyklischer Phasentausch zwischen den ersten sekundären Einzelwicklungen und den zweiten sekundären Einzelwicklungen ermöglicht, d. h. folgende Wicklungen sind elektrisch in Reihe geschaltet: 2R1 und 2S2, 2S1 und 2T2 sowie 2T1 und 2R2. In der Folge sind die Spannungen, welche durch die zweiten Sekundärwicklungen den jeweiligen Spannungen der ersten Sekundärwicklungen aufaddiert werden um jeweils 60° verschoben.
4 zeigt wiederum einen exemplarischen Transformator mit Stellvorrichtung in einem zweiten Schaltzustand 40. Die Anordnung entspricht im Wesentlichen der Anordnung aus 30 aus 3, in 40 sind jedoch der erste und der dritte Advanced Retard Switch ARS1 und ARS3 in einer ersten Schalterstellung und der zweite Advanced Retard Switch ARS in einer zweiten Schalterstellung gezeigt. In dieser Konstellation ist kein zyklischer Phasentausch zwischen den ersten sekundären Einzelwicklungen und den zweiten sekundären Einzelwicklungen realisiert, d. h. folgende Wicklungen sind elektrisch in Reihe geschaltet: 2R1 und 2R2, 2S1 und 2S2 sowie 2T1 und 2T2. In der Folge sind die Spannungen, welche durch die zweiten Sekundärwicklungen den jeweiligen Spannungen der ersten Sekundärwicklungen aufaddierten werden mit diesen jeweils in Phase.
5 zeigt wiederum einen exemplarischen Transformator mit Stellvorrichtung in einem dritten Schaltzustand 50. Die Anordnung entspricht im Wesentlichen der Anordnung aus 30 aus 3, in 5 sind jedoch alle Advanced Retard Switches ARS1, ARS2 und ARS3 in einer zweiten Schalterstellung gezeigt. In dieser Konstellation ist ein zweifacher zyklischer Phasentausch zwischen den ersten sekundären Einzelwicklungen und den zweiten sekundären Einzelwicklungen realisiert, d. h. folgende Wicklungen sind elektrisch in Reihe geschaltet: 2R1 und 2T2, 2S1 und 2R2 sowie 2T1 und 2S2. In der Folge sind die Spannungen, welche durch die zweiten Sekundärwicklungen den jeweiligen Spannungen der ersten Sekundärwicklungen aufaddiert werden um jeweils –60° verschoben.
6 zeigt eine exemplarische Einzelwicklung mit Stufenverstellung in einer Darstellung 60. Dies ist eine mögliche Ausführungsform für eine zweite Sekundärwicklung, welche erfindungsgemäß eine Verstellmöglichkeit für deren Übersetzungsverhältnis aufweist. An einer Einzelwicklung 68 sind mehrere Anzapfungen 62 vorgesehen, welche wahlweise durch einen in der mit dem Pfeil 66 angedeuteten Bewegungsrichtung elektrisch mit einem Stufenschalter 64 verbindbar sind. Da die jeweiligen Anzapfungen 62 auf verschiedene Windungen der Einzelwicklung 68 zurückgreifen, ist – je nach gewählter Stufenschalterstellung – ein entsprechendes Übersetzungsverhältnis gewählt. Alternativ zur beschriebenen Methode zur Stufenverstellung kann ebenfalls eine sogenannte Zu- und Gegenschaltung benutzt werden, welche zusätzlich zur Wahl der Stufenstellung noch eine Möglichkeit bietet, die Durchflutungsrichtung umzukehren oder aber eine Grob-, Feinregulierung, welche aus einer Grob- und einer Feinstufe besteht und dem Zweck dient, größere Regelbereiche zu realisieren.
Bezugszeichenliste

10: exemplarischer ARS in einer ersten Schaltposition
20: exemplarischer ARS in einer zweiten Schaltposition
30: Transformator mit Stellvorrichtung in einem ersten Zustand
40: Transformator mit Stellvorrichtung in einem zweiten Zustand
50: Transformator mit Stellvorrichtung in einem dritten Zustand
60: exemplarische Einzelwicklung mit Stufenverstellung
62: Anzapfungen
64: Stufenschalter
66: Verstellrichtung
68: Einzelwicklung

Claims

Transformator mit Stellvorrichtung (30, 40, 50), umfassend eine dreiphasige Primärwicklung (1R, 2S, 3T), eine dreiphasige erste Sekundärwicklung (2R1, 2S1, 2T1) sowie eine dreiphasige zweite Sekundärwicklung (2R2, 2S2, 2T2) mit Stufenverstellung (60), wobei jede Sekundärwicklung eine Gruppe von drei Einzelwicklungen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass Schaltmittel (ARS1, ARS2, ARS3) vorgesehen sind, mittels welcher die Gruppen der Einzelwicklungen (2R1, 2S1, 2T1; 2R2, 2S2, 2T2) der ersten und der zweiten Sekundärwicklung ohne zyklischen Phasentausch, mit einfachem zyklischen Phasentausch oder mit zweifachem zyklischen Phasentausch verbindbar sind.
Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelwicklungen der ersten Sekundärwicklung und der zweiten Sekundärwicklung gegenphasig angeordnet sind.
Transformator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie Schaltmittel derart gegeneinander verriegelt sind, dass unerwünschte Betriebszustände der Schaltmittel, durch welche beispielsweise ein Kurzschluss verursacht ist, ausgeschlossen sind.
Transformator nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass als Schalter Advanced Retard Switches (ARS) verwendet sind.
Transformator nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltmittel (ARS1, ARS2, ARS3) drei Schalter mit jeweils vier Kontakten (A, B, C, D) umfassen, welche jeweils paarweise elektrisch miteinander verbindbar sind.