EP0149169B1 - Stromrichtertransformator - Google Patents

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EP0149169B1
EP0149169B1 EP84115627A EP84115627A EP0149169B1 EP 0149169 B1 EP0149169 B1 EP 0149169B1 EP 84115627 A EP84115627 A EP 84115627A EP 84115627 A EP84115627 A EP 84115627A EP 0149169 B1 EP0149169 B1 EP 0149169B1
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EP
European Patent Office
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winding
compensating
windings
primary
transformer
Prior art date
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EP84115627A
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EP0149169A3 (en
Inventor
Josip Dobsa
Gerhard Linhofer
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BBC Brown Boveri AG Switzerland
Original Assignee
BBC Brown Boveri AG Switzerland
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/34—Special means for preventing or reducing unwanted electric or magnetic effects, e.g. no-load losses, reactive currents, harmonics, oscillations, leakage fields
    • H01F27/38—Auxiliary core members; Auxiliary coils or windings

Definitions

  • the invention is based on a converter transformer according to the preamble of patent claim 1.
  • the invention refers to a state of the art of converter transformers, as described in the book: H. Happoldt, D. Oeding, Electrical Power Plants and Networks, 5th Edition, Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York, 1980, p. 612-614, shown and described.
  • Figures 19.4, 19.5'3 and 4 winding transformers of a high-voltage direct current transmission layer, hereinafter referred to as HVDC are shown there, in which one or two secondary windings of the transformer are connected to alternating current inputs of converters.
  • a tertiary or equalization winding is connected to filter suction circuits for harmonic currents or to generators, which supply the required reactive power for the converter.
  • a HVDC converter generates harmonic currents. If these flow freely into the three-phase network, voltage distortions arise there. To prevent this, filter circuits (suction circuits) are connected to the three-phase busbar in parallel with the converter transformers. These filter circuits are dimensioned so that they have a very low impedance for certain dominant harmonics and thus form a short-circuit path for the harmonic currents.
  • the effect is that the harmonic currents flow predominantly into the filter circuits and thus the harmonic load on the network is kept low.
  • the filter circuits have very high specific costs. To reduce this, the filter circuits are connected to an additional winding of the converter transformers, which are dimensioned for a low voltage. The residual impedance of the compensating winding, which detunes the filter circuits and thus reduces their effect, is disruptive.
  • the invention solves the problem of achieving better filtering of disturbing harmonic currents which are generated by consumers, in particular by converters, by simple measures.
  • An advantage of the invention is that harmonic voltages are reduced in the AC networks and thus inadmissible distortions of the mains voltage and telephone interference are avoided.
  • the choke of the filter suction circuits of the filter circuit connected to the converter transformer can advantageously be dimensioned such that the additional choke is omitted. It is particularly advantageous to use a 4-winding transformer for 12-pulse converter operation, in which the filter circuit essentially only has to be designed to filter out the 11th and 13th harmonic.
  • A denotes a 400 kV three-phase network
  • B denotes a 220 kV three-phase network, which is connected to the three-phase network A via a HVDC link.
  • Converter transformers T A and TB transform the voltages present in the three-phase networks A and B in converters S i , S 2 and S 3 , S 4 to a value of 50 kV suitable for the DC coupling.
  • the converters S and S 2 on the transmission side work as rectifiers; they take active power from the three-phase network A and transfer it to the DC side.
  • the converters S 3 and S 4 on the receiving side work as inverters; they take over the direct current power transmitted by the direct current line and deliver it to the three-phase network B as active power.
  • At least one smoothing choke L is provided in the DC circuit.
  • the converter transformers T A and T B each have a primary or high-voltage winding 1, two secondary or valve windings 2, 3 and a tertiary or balancing winding 4.
  • the primary windings 1 of the converter transformers T A and T B are connected to the respective three-phase network A or B connected, the secondary windings 2 or 3 to the AC inputs of the converters S, or S 2 and S 3 or S 4 .
  • the two compensation windings 4 are also connected to a filter circuit 6 '.
  • Two or more converter transformers with valve and filter circuits can also be connected in parallel per converter station.
  • the compensation windings 4 of the converter transformers can then be connected to one another. Due to the symmetrical structure, the transmitting and receiving sides can be interchanged.
  • FIG. 2 The winding arrangement of the cylinder windings of the converter transformers T A , T B according to FIG. 1 for an alternating current phase can be seen from FIG. 2.
  • a primary winding 1 or 1 ' Around each leg of a transformer core 5 there is a primary winding 1 or 1 'as the outer winding, a secondary winding 2 or 3 as the inner winding and a compensating winding 4 or 4 "between the outer and inner winding.
  • the two primary windings 1 and 1' are connected in parallel, the two compensating windings 4 and 4 "are connected in series and the two secondary windings 2 and 3 are made separately.
  • the arrangement on two legs keeps the undesired magnetic coupling of the secondary windings 2 and 3 as low as possible.
  • FIG. 3 An associated substitute reactance circuit diagram for an alternating current phase is shown in FIG. 3, in which X 1 ... X 4 denote substitute reactances which are assigned to the windings 1 ... 4 of the converter transformer T A or T B , and xp, xq fictitious Filter coupling reactances are.
  • the dimensioning of the windings of the converter transformer and their spacing from one another are to be selected such that the filter-side equivalent reactance X4 ⁇ 0.
  • FIG. 4 For a winding transformer, a winding arrangement of the cylinder windings for an AC phase can be seen from FIG. 4.
  • a compensating winding 4 ', a secondary winding 2, a further compensating winding 4 and a primary winding 1 are arranged from the inside to the outside around a transformer core 5' shown in sections.
  • the two compensating windings 4 and 4 ' are connected in series.
  • 8 denotes a consumer which is connected to the secondary winding 2 via the converter S.
  • the filter circuit 6 is connected to the compensating winding 4 via the additional choke 7.
  • Xi2, X 24 and X 14 denote scattering reactances that can be determined in a known manner from measurements on the transformer between windings 1, 2 and 4 and are usually indicated on the nameplate of the transformer. Otherwise, the same parts are provided with the same reference numerals in all the figures.
  • the 3-winding transformer is again to be dimensioned such that the substitute reactance X 4 assumes the value 0 or a small negative value.
  • an air choke with a (positive) reactance which is the same size as the negative equivalent reactance X 4 , is then connected in series with the compensation winding 4 and optionally 4 '. From the filter connection point, the reactance to an imaginary center of the scattering reactances is brought to zero and the filter effect is fully retained.
  • X 4 can be calculated according to:
  • the inner compensating winding 4 ' can be omitted and the required condition for the substitute reactance X 4 can be achieved only with the compensating winding 4 by suitably adjusting the spacings of the windings.
  • two compensating windings 4 and 4 'with the same number of turns are preferably used.
  • the invention is not limited to 3 or 4 winding transformers.
  • the two winding arrangements can also be arranged one below the other instead of on two legs.

Description

  • Bei der Erfindung wird ausgegangen von einem Stromrichtertransformator nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Mit diesem Oberbegriff nimmt die Erfindung auf einen Stand der Technik von Stromrichtertransformatoren Bezug, wie er in dem Buch: H. Happoldt, D. Oeding, Elektrische Kraftwerke und Netze, 5. Auflage, Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York, 1980, S. 612-614, dargestellt und beschrieben ist. Dort sind in den Bildern 19.4 bzw. 19.5'3- bzw. 4Wicklungstransformatoren einer Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungslage, nachfolgend HGÜ genannt, dargestellt, bei denen eine bzw. zwei Sekundärwicklungen des Transformators mit Wechselstromeingängen von Stromrichtern verbunden sind. Eine Tertiär- oder Ausgleichswicklung ist mit FilterSaugkreisen für Oberschwingungsströme bzw. mit Generatoren verbunden, welche die benötigte Blindleistung für die Stromrichter liefern. Auf den S. 172 - 175 dieses Buches ist ein Beispiel eines 3Wicklungstransformators zur Einspeisung elektrischer Energie aus einem 110-kV-Netz in 10-kV-bzw. 30-kV-Netze mit ruhigen und unruhigen Verbrauchern beschrieben, bei dem die Primärwicklung zwischen zwei Sekundärwicklungen angeordnet ist. Dort sind Gleichungen zur Ermittlung der Kurzschlussimpedanzen aus Spannung, Durchgangsleistung und Nennkurzschlussspannung angegeben. Bei einem gerechneten Beispiel ist die Reaktanz der Primärwicklung negativ, während Reaktanzen der beiden Sekundärwicklungen etwa gleich den Kurzschlussreaktanzen zwischen ihnen und der mittleren Wicklung sind.
  • Die Stromrichter einer HGÜ erzeugen Oberschwingungsströme. Fliessen diese frei in das Drehstromnetz ab, entstehen dort Spannungsverzerrungen. Um dies zu verhindern, werden parallel zu den Stromrichtertransformatoren Filterkreise (Saugkreise) an die Drehstromsammelschiene geschaltet. Diese Filterkreise sind so dimensioniert, dass sie für bestimmte, dominant auftretende Oberschwingungen eine sehr geringe Impedanz aufweisen und dadurch für die Oberschwingungsströme einen Kurzschlussweg bilden.
  • Die Auswirkung ist, dass die Oberschwingungsströme vorwiegend in die Filterkreise fliessen und somit die Oberschwingungsbelastung des Netzes klein gehalten wird.
  • Wenn HGÜ kleiner Leistung an Drehstromsammelschienen mit hoher Spannung angeschlossen werden und die Filterkreise gleichfalls an diese hohe Spannung angeschlossen werden müssen, ergeben sich für die Filterkreise sehr hohe spezifische Kosten. Um diese zu reduzieren, werden die Filterkreise an eine zusätzliche Wicklung der Stromrichtertransformatoren angeschlossen, welche für eine niedrige Spannung dimensioniert sind. Störend ist dabei die Restimpedanz der Ausgleichswicklung, welche die Filterkreise verstimmt und damit deren Wirkung reduziert.
  • Die Erfindung, wie sie in den Patentansprüchen gekennzeichnet ist, löst die Aufgabe, mit einfachen Massnahmen eine bessere Filterung störender Oberschwingungsströme, die durch Verbraucher, insbesondere durch Stromrichter, erzeugt werden, zu erreichen.
  • Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass Oberschwingungsspannungen in den Wechselstromnetzen verringert und somit unzulässige Verzerrungen der Netzspannung und Telefonstörungen vermieden werden. Durch geeignete Wicklungsanordnung kann die filterseitige Ersatzstreureaktanz gegenüber einem imaginären Mittelpunkt der Ersatzreaktanzen negativ oder möglichst nahe zu Null gebracht werden. Ist eine Ersatzstreureaktanz = 0, so werden die angeschlossenen Filterkreise nicht verstimmt. Ist die Ersatzstreureaktanz < 0, so kann gemäss einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung eine Zusatzdrossel zwischen die Ausgleichswicklung und den Filterkreis geschaltet werden, so dass dieser nicht verstimmt wird. Die Drossel der Filtersaugkreise des an den Stromrichtertransformator angeschlossenen Filterkreises kann vorteilhafterweise so bemessen sein, dass die Zusatzdrossel entfällt. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung eines 4Wicklungstransformators für 12pulsigen Stromrichterbetrieb, bei dem der Filterkreis im wesentlichen nurfür die Ausfilterung der 11. und 13. Oberschwingung ausgelegt sein muss.
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand von zwei Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1 ein Prinzip-Schaltbild einer HGÜ mit Gleichrichter- und Wechselrichterstation mit erfindungsgemässen Stromrichtertransformatoren,
    • Fig. 2 die Wicklungsanordnung eines 4Wicklungstransformators,
    • Fig. 3 ein Reaktanz-Ersatzschaltbild für einen 4Wicklungstransformator gemäss Fig. 2,
    • Fig. 4 die Wicklungsanordnung eines 3Wicklungstransformators und
    • Fig. 5 ein Reaktanz-Ersatzschaltbild für einen 3Wicklungstransformator gemäss Fig. 4.
  • In Fig. 1 ist mit A ein 400-kV-Drehstromnetz und mit B ein 220-kV-Drehstromnetz bezeichnet, das über eine HGÜ mit dem Drehstromnetz A verbunden ist. Stromrichtertransformatoren TA bzw. TB transformieren die in den Drehstromnetzen A bzw. B vorhandenen Spannungen in Stromrichtern Si, S2 bzw. S3, S4 auf einen für die Gleichstromkupplung geeigneten Wert von 50 kV. Die Stromrichter S, und S2 auf der Sendeseite arbeiten als Gleichrichter; sie entnehmen dem Drehstromnetz A Wirkleistung und geben diese an die Gleichstromseite ab. Die Stromrichter S3 und S4 auf der Empfangsseite arbeiten als Wechselrichter; sie übernehmen die von der Gleichstromleitung übertragene Gleichstromleistung und geben diese als Wirkleistung an das Drehstromnetz B ab. Im Gleichstromkreis ist mindestens eine Glättungsdrossel L vorgesehen. Die Stromrichtertransformatoren TA und TB haben je eine Primär- oder Hochspannungswicklung 1, zwei Sekundär- oder Ventilwicklungen 2, 3 und eine Tertiär- oder Ausgleichswicklung 4. Die Primärwicklungen 1 der Stromrichtertransformatoren TA und TB sind an das jeweilige Drehstromnetz A oder B angeschlossen, die Sekundärwicklungen 2 bzw. 3 an die Wechselstromeingänge der Stromrichter S, bzw. S2 und S3 bzw. S4. Die Ausgleichswicklungen 4 der parallelgeschalteten Stromrichtertransformatoren auf der Sendeseite sind über mindestens eine Zusatzdrossel 7 mit einem Filterkreis 6 mit Filtersaugkreisen für Oberschwingungsströme der Ordnungszahl u = 11 1 und u = 13 und u ≥ 23 verbunden. In der Empfängerstation sind die beiden Ausgleichswicklungen 4 ebenfalls mit einem Filterkreis 6' verbunden. Hier sind keine Zusatzdrosseln zum Anschluss des Filterkreises 6' vorhanden, da sie entweder aufgrund des Aufbaus des Stromrichtertransformators TB nicht erforderlich oder bei der Dimensionierung der Saugkreisdrosseln berücksichtigt sind.
  • Je Stromrichterstation können auch zwei oder mehr Stromrichtertransformatoren mit Ventil- und Filterkreisen parallelgeschaltet sein. Die Ausgleichswicklungen 4 der Stromrichtertransformatoren können dann miteinander verbunden sein. Aufgrund des symmetrischen Aufbaus können Sende- und Empfangsseite miteinander vertauscht sein.
  • Die Wicklungsanordnung der Zylinderwicklungen der Stromrichtertransformatoren TA, TB gemäss Fig. 1 ist für eine Wechselstromphase aus Fig. 2 ersichtlich. Um je einen Schenkel eines Transformatorkerns 5 ist eine Primärwicklung 1 bzw. 1' als Aussenwicklung, eine Sekundärwicklung 2 bzw. 3 als Innenwicklung und eine Ausgleichswicklung 4 bzw. 4" zwischen Aussen- und Innenwicklung angeordnet. Die beiden Primärwicklungen 1 bzw. 1' sind parallelgeschaltet, die beiden Ausgleichswicklungen 4 und 4" sind hintereinandergeschaltet und die beiden Sekundärwicklungen 2 und 3 getrennt ausgeführt. Durch die Anordnung auf zwei Schenkeln wird die unerwünschte magnetische Kopplung der Sekundärwicklungen 2 und 3 möglichst gering gehalten.
  • Ein zugehöriges Ersatz-Reaktanzschaltbild für eine Wechselstromphase ist in Fig. 3 dargestellt, in der Xl ... X4 Ersatzreaktanzen bezeichnen, welche den Wicklungen 1 ... 4 des Stromrichtertransformators TA oder TB zugeordnet sind, und xp, xq fiktive Filterkopplungsreaktanzen sind. Die Dimensionierung der Wicklungen des Stromrichtertransformators und deren Abstände zueinander sind so zu wählen, dass die filterseitige Ersatzreaktanz X4 < 0 wird. Bezüglich der relativ umfangreichen Gleichungen zur Berechnung von X4 wird verwiesen auf das Buch: Transformer Engineering (a publication of the General Electric Company's engineers of the transformer engineering department), herausgegeben von L.F. Blume, Wiley, New York (1938) S. 122 und 123.
  • Für einen 3Wicklungstransformator ist eine Wicklungsanordnung der Zylinderwicklungen für eine Wechselstromphase aus Fig. 4 ersichtlich. Um einen abschnittweise dargestellten Transformatorkern 5' sind von innen nach aussen eine Ausgleichswicklung 4', eine Sekundärwicklung 2, eine weitere Ausgleichswicklung 4 und eine Primärwicklung 1 angeordnet. Die beiden Ausgleichswicklungen 4 und 4' sind in Reihe geschaltet.
  • In dem zugehörigen Ersatz-Reaktanzschaltbild der Fig. 5 bezeichnet 8 einen Verbraucher, der über den Stromrichter S, an die Sekundärwicklung 2 angeschlossen ist. An die Ausgleichswicklung 4 ist über die Zusatzdrossel 7 der Filterkreis 6 angeschlossen. Xi2, X24 und X14 bezeichnen Streureaktanzen, die in bekannter Weise aus Messungen am Transformator zwischen den Wicklungen 1, 2 und 4 ermittelt werden können und üblicherweise auf dem Typenschild des Transformators angegeben sind. Im übrigen sind in allen Figuren gleiche Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.
  • Der 3Wicklungstransformator ist wieder so zu dimensioneren, dass die Ersatzreaktanz X4 den Wert 0 oder einen kleinen negativen Wert annimmt. Im letzteren Fall wird dann in Serie zur Ausgleichswicklung 4 und gegebenenfalls 4' eine Luftdrossel mit einer (positiven) Reaktanz geschaltet, welche gleich gross ist wie die negative Ersatzreaktanz X4. Damit wird vom Filteranschlusspunkt aus gesehen die Reaktanz zu einem imaginären Mittelpunkt der Streureaktanzen zu Null gebracht und die Filterwirkung bleibt voll erhalten. X4 kann berechnet werden nach:
    Figure imgb0001
  • Werden bei einer HGÜ gemäss Fig. 1 anstelle der 4Wicklungstransformatoren TA und TB 3Wicklungstransformatoren verwendet, so entfallen die Sekundärwicklungen 3 mit angeschlossenen Stromrichtern S2 und S4.
  • Bei Verwendung eines 3Wicklungstransformators kann die innere Ausgleichswicklung 4' entfallen und die geforderte Bedingung für die Ersatzreaktanz X4 allein mit der Ausgleichswicklung 4 durch geeignete Einstellung der Abstände der Wicklungen erreicht werden. Vorzugsweise werden jedoch zwei Ausgleichswicklungen 4 und 4' mit gleicher Windungszahl verwendet.
  • Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf 3-oder 4Wicklungstransformatoren beschränkt ist. Bei 4Wicklungstransformatoren können die beiden Wicklungsanordnungen statt auf zwei Schenkeln auch auf einem Schenkel untereinander angeordnet sein.

Claims (5)

1. Stromrichtertransformator für mindestens eine Phase eines Wechselstromes, insbesondere zur Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung, mit einem Transformatorkern (5, 5'), um den
a) mindestens eine Primärwicklung (1, 1'
b) mindestens eine Sekundärwicklung (2, 3) und
c) mindestens eine Ausgleichswicklung (4, 4', 4") für den Anschluss mindestens eines Filterkreises (6, 6') gewickelt ist,

dadurch gekennzeichnet,
d) dass mindestens ein Teil der Ausgleichswicklung (4, 4") zwischen einer Primärwicklung (1) und einer Sekundärwicklung (2, 3) angeordnet ist und
e) dass die Abstände der Ausgleichswicklung von der Primärwicklung und Sekundärwicklung so gewählt sind, dass die Ersatzreaktanz (X4) dieser Ausgleichswicklung ≤ 0 ist.
2. Stromrichtertransformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
a) dass ein Teil der Ausgleichswicklungen (4') zwischen dem Transformatorkern (5') und der Sekundärwicklung (2) angeordnet ist und
b) dass die Teilwicklungen der Ausgleichswicklung (4, 4') in Reihe geschaltet sind.
3. Stromrichtertransformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
a) dass auf dem Transformatorkern (5) mindestens zwei Wicklungsanordnung angebracht sind,
b) dass jede Wicklungsanordnung eine Primärwicklung (1, 1') als Aussenwicklung aufweist,
c) dass die Primärwicklungen zueinander parallelgeschaltet sind,
d) dass jede Wicklungsanordnung eine getrennte Sekundärwicklung (2, 3) aufweist und
e) dass die Ausgleichwicklungen (4, 4") zwischen jeder Primär- und Sekundärwicklung in Reihe geschaltet sind.
4. Stromrichtertransformator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
a) dass die Ausgleichswicklung (4, 4' , 4") mit einer Zusatzdrossel (7) in Wirkverbindung steht und
b) dass die Reaktanz dieser Zusatzdrossel betragsmässig gleich dem Betrag der Ersatzstreureaktanz (X4) der Ausgleichswicklung ist.
5. Stromrichtertransformator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzdrossel (7) mit mindestens einer Drossel des Filterkreises (6') vereinigt ist.
EP84115627A 1984-01-13 1984-12-17 Stromrichtertransformator Expired EP0149169B1 (de)

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CH160/84 1984-01-13
CH16084 1984-01-13

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EP0149169A2 EP0149169A2 (de) 1985-07-24
EP0149169A3 EP0149169A3 (en) 1985-08-28
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