DE69826243T2

DE69826243T2 - Transformator mit spannungsregelungsmitteln

Info

Publication number: DE69826243T2
Application number: DE69826243T
Authority: DE
Inventors: Udo Fromm; Pär Holmberg; Albert Jaksts; Mats Leijon; Christian Sasse; Thorsten Schütte
Original assignee: ABB AB
Current assignee: ABB AB
Priority date: 1997-02-03
Filing date: 1998-02-02
Publication date: 2005-10-20
Anticipated expiration: 2018-02-03
Also published as: EP0956571A1; US6995646B1; IS5114A; WO1998034249A1; EP0956571B1; DE69826243D1; CZ298079B6; CZ269899A3; EE9900286A; EE03458B1; SE9704453D0; SE9704453L; SE510452C2; AU5890298A; JP2001509955A; ATE276578T1

Description

TECHNISCHES UMFELD
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Leistungs- oder Steuertransformator eines Erzeugungs-, Übertragungs- oder Verteilungssystems, das Spannungssteuerungsmittel umfasst, mit einem nominalen Leistungsbereich von wenigen hundert kVA bis zu mehr als 1000 MVA und mit einem nominalen Spannungsbereich von 3–4 kV bis zu sehr hohen Übertragungsspannungen von 400 kV bis 800 kV oder mehr. Die Erfindung betrifft insbesondere Steuerwicklungen des Leistungs- oder Steuertransformators.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Hauptaufgabe eines Leistungstransformators ist, als elektrischer „Schaltkasten" zu dienen, um zuzulassen, dass elektrische Energie von einem elektrischen System zu einem anderen fließt. Die elektrischen Systeme, die mit einem Transformator verbunden sind, haben üblicherweise unterschiedliche Spannungen aber dieselbe Frequenz. Der Leistungstransformator, in seiner einfachsten Form, umfasst nur zwei Arten von Wicklungen: eine Primärwicklung und eine Sekundärwicklung. Das Übertragungsverhältnis ist dadurch fest, das heißt, es kann nicht gesteuert werden. Jedoch, es besteht die Notwendigkeit den Wirk- und den Blindleistungsfluss zwischen den elektrischen Systemen zu steuern, um die Systeme in einer effizienten Weise zu betreiben, oder, was grundlegender ist, die Stabilität der Systeme aufrechtzuerhalten. Deshalb werden Steuermittel, die eine Steuerwicklung oder Steuerwicklungen umfassen, in dem Leistungstransformator häufig vorgesehen, oder in einem getrennten Steuertransformator, der in Reihe mit dem Leistungstransformator geschaltet ist. Diese Steuertransformatoren werden manchmal als „Verstärkertransformatoren bzw. Booster-Transformatoren" bezeichnet. Um ein flexibles Steuern der elektrischen Systeme zu erreichen, wird der Wirk- und Blindleistungsfluss zwischen den Systemen bevorzugt unabhängig voneinander gesteuert. Um dieses zu erreichen, muss die Phasenverschiebung zwischen den Phasenspannungen der Systeme mit einem variablen Winkel zu steuern sein.
E. Wirth, J-F. Ravot: „Regulation transformers in power systems – new concepts and applications", ABB Review 4/1997, Seiten 12 bis 20 beschreibt einen Dreiphasenleistungstransformator mit integrierten Steuermitteln. Der Transformator hat drei Kernschenkel, wobei jedem Schenkel jeweils eine Phase U, V und W zugeordnet ist. Um jeden Schenkel sind eine Primärwicklung, eine Sekundärwicklung, eine gleichphasige Steuerwicklung, eine erste Phasenschiebersteuerwicklung und eine zweite Phasenschiebersteuerwicklung gewickelt. Die gleichphasige Steuerwicklung, die erste Phasenschiebersteuerwicklung und die zweite Phasenschiebersteuerwicklung sind alle Steuerwicklungen. Die gleichphasige Steuerwicklung jeder Phase ist mit Hilfe eines für alle drei Phasen gemeinsamen ersten Umschalters mit der Sekundärwicklung derselben Phase in Reihe geschaltet. Dieses ermöglicht das Steuern der Amplitude der Sekundärspannung jeder Phase, das heißt, dass eine gleichphasige Steuerung zwischen der Primären und Sekundären eines Transformators erhalten wird. Mit Hilfe eines zweiten Umschalters, der auch allen drei Phasen gemein ist, wird die Primärwicklung der Phase U mit der ersten Phasenschiebersteuerwicklung der Phase V und der zweiten Phasenschiebersteuerwicklung der Phase W in Reihe geschaltet. In einer ähnlichen Weise wird die Primärwicklung der Phase V mit den Phasenschiebersteuerwicklungen der Phasen W und U in Reihe geschaltet, und die Primärwicklung der Phase W wird mit den Phasenschiebersteuerwicklungen der Phasen U und V in Reihe geschaltet. Die Anordnung der Phasenschiebersteuerwicklungen und des zweiten Umschalters ist so, dass die Spannung über die in Reihe geschalteten Phasenschiebersteuerwicklungen immer senkrecht zu der Spannung über die Primärwicklung ist. Die Anforderung so genannter Phasenschiebersteuerung ist somit erfüllt. Der Phasenwinkel der Primärspannung jeder Phase kann somit mit Hilfe des zweiten Umschalters gesteuert werden. Durch Kombination der gleichphasigen Steuerung auf der Sekundärseite mit der Phasenschiebersteuerung auf der Primärseite des Transformators ist es möglich für jede Phase eine Phasenverschiebung der Spannung über den Transformator durchzuführen und somit eine unabhängige Wirk- und Blindleistungsflusssteuerung zwischen der Primär- und Sekundärseite zu erreichen.
In N. Mohan: „MPTC: An economical alternative to universal power flow controllers", EPE 97, in Trondheim, Seiten 3.1027 bis 3.1032 wird ein anderes Steuersystem zum Steuern des Leistungsflusses beschrieben. Es umfasst ein Dreiphasensteuertransformator, wobei Bruchteile der Primärspannungen mit Hilfe von Sekundärwicklungen und durch Thyristor-Brückenanordnungen in Reihe mit jeder Phasenspannung injiziert bzw. eingeleitet werden. Die Sekundärwicklungen dienen somit als Steuerwicklungen. Durch Steuern der Schalter in den Thyristor-Brücken kann eine lineare Kombination der Spannungen über die Sekundärwicklungen zu jeder Phasenspannung dazuaddiert werden und jede Phasenspannung kann somit mit einem variablen Winkel phasenverschoben werden.
Die Steuermittel des Dreiphasensteuertransformators gemäß E. Wirth, J-F. Ravot, der oben beschrieben wurde, umfasst neun Steuerwicklungen, drei pro Phase, und zwei Umschalter. Die Steuermittel des Steuertransformators gemäß N. Mohan umfasst eine Steuerwicklung und eine Thyristor-Brücke pro Phase, was insgesamt drei Steuerwicklungen und drei Thyristor-Brücken entspricht. Abhängig von der Steuerspannung kann der beanspruchte Raum der Steuerwicklungen durch die benötigte Isolation verhältnismäßig umfangreich werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Unabhängig davon ob die Steuerwicklungen in einem Leistungstransformator oder in einem Steuertransformator enthalten sind, es ist technisch und wirtschaftlich von Vorteil den durch die Steuerwicklungen eingenommenen Raum zu reduzieren. Aufgabe der Erfindung ist es einen Transformator bereitzustellen, in dem die Steuerwicklungen eine kompakte Ausführung aufweisen. Diese Aufgabe wird erreicht durch einen Transformator gemäß Anspruch 1.
Ein Beispiel eines biegsamen bzw. flexiblen Leiters mit Mitteln, die Feld einschließen, ist ein biegsames Kabel des Typs, welcher für Leistungsverteilung verwendet wird. Solch ein Kabel umfasst einen leitenden Kern, eine erste halbleitende Schicht, die um den leitenden Kern vorgesehen ist, und eine feste Isolationsschicht, die um die erste halbleitende Schicht vorgesehen ist, und eine zweite halbleitende Schicht, die um die Isolationsschicht vorgesehen ist. Unter der Voraussetzung, dass die zweite halbleitende Schicht geerdet ist, besitzt das Kabel die Fähigkeit, elektrisches Feld in sich selbst einzuschließen, das aus dem Strom im leitenden Kern herrührt. Die elektrische Belastung wird somit innerhalb der festen Isolation des Kabels absorbiert, und es ist so gut wie kein elektrisches Feld außerhalb der zweiten halbleitenden Schicht vorhanden. Innerhalb des Kabels sind die unterschiedlichen Schichten fest miteinander verbunden. Außerdem sind die feste Isolationsschicht und die halbleitende Schichten aus Materialien hergestellt, die fast denselben Ausdehnungskoeffizient besitzen. Dadurch kann das Kabel beträchtlicher mechanischer und thermischer Belastung ausgesetzt werden, ohne dass die Schichten sich voneinander lösen, um Hohlräume zwischen den Schichten zu bilden. Dies ist ein wichtiges Merkmal, da Teilentladungen in einem Hohlraum auftreten werden, falls die elektrische Feldbelastung die Durchschlagsfestigkeit des Gases in dem Hohlraum überschreitet. Es ist besonders wichtig, dass die erste halbleitende Schicht und die feste Isolationsschicht fest miteinander verbunden sind, da die elektrische Feldbelastung in diesem Teil des Kabels am größten ist. Ein Kabel ähnlicher Art, der oben erwähnt wurde, ist beschrieben in den PCT Anmeldungen W-97/45847 und WO-97/45921, wobei beide den Stand der Technik gemäß dem Artikel 54(3) EPC beschreiben.
Es erfolgt eine ausführliche Beschreibung der Erfindung mit Verweis auf die angehängte Zeichnung.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 ist eine schematische Figur einer ersten Ausführungsform der Erfindung, die das Prinzip der Erfindung darstellt.
2 zeigt ein Beispiel eines biegsamen Leiters, der in einem Transformator gemäß der Erfindung verwendet wird.
3 ist eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Eine erste Ausführungsform der Erfindung, ein einphasiger Transformator 11 mit Spannungsteuerungsmitteln zur Spannungsteuerung, ist schematisch in 1 gezeigt, um das Prinzip der Erfindung darzustellen. Eine Primärwicklung 12 und eine Sekundärwicklung 13 sind um einen Transformatorkern 14 gewickelt. Die Steuermittel umfassen eine Steuerwicklung 15, die um den Kern 14 gewickelt ist, und einen Umschalter 16. Die Steuerwicklung 15 ist in zwei Steuerwicklungsteile 15a, 15b unterteilt, wobei beide an dem Umschalter 16 angeschlossen sind. Die Sekundärwicklung 13 ist durch den Umschalter 16 in Reihe mit der Steuerwicklung 15 geschaltet. Der Transformator 11 verbindet zwei elektrische Systeme miteinander, eins mit einem Spannungsniveau entsprechend der Primärspannung U_P und eins mit einem Spannungsniveau entsprechend der Sekundärspannung U_S. Mit Hilfe des Umschalters 16 und der Steuerwicklungsteile 15a, 15b kann die Sekundärspannung U_S in diskreten Spannungsniveaus eingestellt werden und somit kann das Übertragungsverhältnis U_P/U_S gesteuert werden.
In einem herkömmlichen Transformator wird üblicherweise Transformatoröl verwendet, um die Wicklungen voneinander und von dem Transformatorkern zu isolieren. In der PCT Anmeldung WO97/45847 wird ein Transformator dargestellt, wobei die Primär- und die Sekundärwicklung aus einem biegsamen Leiter mit Mitteln, die elektrisches Feld einschließen, angefertigt sind. Ein Beispiel eines biegsamen Leitertyps, welcher in WO97/45847 gezeigt wird, wird in 2 dargestellt. Das Kabel 21 umfasst zumindest einen Leiter 22 mit einer ersten halbleitenden Schicht 23, die um den Leiter 22 angeordnet ist. Auf der Außenseite der ersten halbleitenden Schicht 23 befindet sich die Hauptisolation des Kabels in Form einer festen Isolation 24, und eine zweite halbleitende Schicht 25 umgibt die feste Isolation 24. Unter der Voraussetzung dass die zweite halbleitende Schicht 25 geerdet ist besitzt das Kabel die Fähigkeit, das elektrische Feld in sich selbst einzuschließen, das durch den Strom im Leiter 22 hervorgerufen wird. Die elektrische Belastung ist somit in der festen Isolation 24 des Kabels eingeschlossen und es ist praktisch kein elektrisches Feld außerhalb der zweiten halbleitenden Schicht 25 vorhanden.
Ein biegsamer Leiter mit Mitteln, die elektrisches Feld einschließen, zum Beispiel des Typs, welcher in 2 gezeigt wird, wird in der Steuerwicklung des Steuertransformators verwendet, der in 1 gezeigt ist. Da kein elektrisches Feld außerhalb des biegsamen Leiters der Steuerwicklung 15 vorhanden ist, kann die Wicklung gebildet werden, ohne die Verteilung des elektrischen Feldes beachten zu müssen. Eine technische vorteilhafte Gestaltung ist somit erreicht. Die Primärwicklung 12 und die Sekundärwicklung 13 sind ebenso aus einem biegsamen Leiter mit Mitteln, die elektrisches Feld einschließen, angefertigt und somit ist kein Transformatoröl zur Isolation notwendig. Außerdem, falls der Umschalter-Typ z. B. elektronisch oder luftisoliert ist, kann Öl insgesamt im Transformator vermieden werden, was sowohl wirtschaftlich als auch ökologisch vorteilhaft ist.
3 stellt schematisch eine zweite Ausführungsform der Erfindung dar. Es ist ein Dreiphasensteuertransformator 31 mit Spannungssteuerungsmitteln, welche Möglichkeiten zum Steuern der Phasenwinkel zwischen der Eingangs- und der Ausgangsseite des Transformators bereitstellen. Der Transformator 31 verbindet ein erstes elektrisches System mit Phasenspannungen U_A, U_B, U_C mit einem zweiten elektrischen System mit Phasenspannungen u_A, u_B, u_C. Der Transformator 31 umfasst drei Kernschenkel 32a, 32b, 32c, die aus magnetisierbarem Material angefertigt sind. Auf jedem Kernschenkel sind eine Primär- 33 und eine Sekundärwicklung 34 gewickelt. Normalerweise werden die Wicklungen auf jedem Kernschenkel außerhalb voneinander gewickelt. Aus Klarheitsgründen werden die Wicklungen auf jedem Kernschenkel in 3 eine nach der anderen dargestellt. Die Primärwicklung 33 und die Steuerwicklung 34 auf jedem Kernschenkel 32 sind aus einem biegsamen Leiter mit Mitteln, die elektrisches Feld einschließen, angefertigt. Der Leiter 35 kann beispielsweise ein Kabel der Art sein, der in 2 beschrieben ist. Die Steuerwicklungen 34. sind in eine Anzahl von Steuerwicklungsteilen unterteilt. Jeder Steuerwicklungsteil ist mit Hilfe desselben biegsamen Leiters, der den Steuerwicklungsteil bildet, an eine Schaltvorrichtung 36 angeschlossen. Aus Klarheitsgründen wird diese Verbindung nur für die Steuerwicklung 34c eines Kernschenkels 32c in 3 dargestellt. Jedoch werden die Steuerwicklungsteile der Steuerwicklungen 34a, 34b. der anderen Kernschenkel 32a, 32b gleichermaßen an die Schaltvorrichtung 36 angeschlossen. Jede Steuerwicklung 34 ist in eine geeignete Anzahl von Steuerwicklungsteile unterteilt. Bevorzugt weisen die Steuerwicklungsteile auf jedem Kernschenkel Windungsverhältnisse entsprechend 1 : 3 : 9 ... 3^N–1 auf. In der Schaltvorrichtung 36 werden die Steuerwicklungsteile an einem elektronischen Schaltsystem angeschlossen. Durch das Schaltsystem können geeignete Kombinationen der Steuerwicklungsteile in Reihe geschaltet werden, um die gewünschten Phasenspannungen u_A, u_B und u_C. zu erhalten. Mit dieser Anordnung ist es möglich eine Phasenverschiebung der Phasenspannungen u_A, u_B und u_C im Vergleich zu U_A, U_B und U_C um bis zu ±60° durchzuführen. Durch das Ausführen einer Reihe von Phasenverschiebungsvorgängen einer nach dem anderen ist es möglich die Phasenspannungen u_A, u_B und u_C um ganze 360° zu verschieben. Durch kontinuierliches Ausführen von Phasenverschiebungsvorgängen ist es möglich zwei asynchrone elektrische Systeme mit derselben Nominalfrequenz oder Systemen mit verhältnismäßig kleinen Frequenzdifferenzen zu verbinden.
Da jede Steuerwicklung 34 aus einem biegsamen Leiter mit Mitteln 35, die elektrisches Feld einschließen, angefertigt ist, und weil der elektrische Strom in jeder Steuerwicklung zu der Schaltvorrichtung ebenso durch einen biegsamen Leiter geleitet wird, können die Spannungsteuerungsmittel des Transformators ohne Beachtung der Verteilung de elektrischen Feldes angelegt werden. Die Schaltvorrichtung 36 kann nah, oder sogar im physikalischen Kontakt, mit Steuerwicklungen 34 angeordnet werden. Alternativ ist es möglich die Schaltvorrichtung 36 beabstandet von den Steuerwicklungen 34 oder tatsächlich vom Rest des Transformators anzuordnen, durch Verwendung derselben biegsamen Leiter 35, die die Wicklungen 34 bilden zum Anschließen der Wicklungen 34 an die Schaltvorrichtung 36. Da die Primärwicklungen 33 auch aus einem biegsamen Leiter mit Mitteln, die elektrisches Feld einschließen, angefertigt sind, kann der Steuertransformator ölfrei angefertigt werden, was wirtschaftlich und ökologisch vorteilhaft ist.
Die Spannungssteuerungsanordnung, die oben beschrieben wurde, lehrt wie ein biegsamer Leiter in einer Wicklung verwendet werden kann, um eine Leistungs- oder Steuertransformator gemäß der Erfindung zustande zu bringen.

Claims

Transformator mit einem Spannungssteuerungsmittel umfassend mindestens eine Steuerwicklung (15, 34), dadurch gekennzeichnet, dass jede der Steuerwicklungen (15, 34) einen Leiter (22), eine erste Schicht (23), welche halbleitende Eigenschaften besitzt und um den Leiter (22) vorgesehen ist, eine feste Isolationsschicht (24), welche um die erste Schicht (23) vorgesehen ist, und eine zweite Isolierungsschicht (25), welche halbleitende Eigenschaften besitzt und um die Isolierungsschicht (24) vorgesehen ist, umfasst.
Transformator mit einem Spannungssteuerungsmittel gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannungssteuerungsmittel die Fähigkeit zur Phasenverschiebung bereitstellt.
Transformator mit einem Spannungssteuerungsmittel gemäß Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Transformator einen elektronischen Umschalter umfasst.
Transformator mit einem Spannungssteuerungsmittel gemäß Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Transformator einen mechanischen luftisolierten Umschalter umfasst.
Transformator mit einem Spannungssteuerungsmittel gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Transformator ölfrei ist.
Transformator mit einem Spannungssteuerungsmittel gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich der Phasenverschiebung 360° ist.
Transformator mit einem Spannungssteuerungsmittel gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Transformator zwei asynchrone Systeme mit derselben nominalen Frequenz verbindet.
Transformator mit einem Spannungssteuerungsmittel gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Transformator zwei elektrische Systeme mit unterschiedlicher nominaler Frequenz verbindet.