EP2989646B1 - Regelbarer ortsnetztransformator - Google Patents

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EP2989646B1
EP2989646B1 EP14731577.4A EP14731577A EP2989646B1 EP 2989646 B1 EP2989646 B1 EP 2989646B1 EP 14731577 A EP14731577 A EP 14731577A EP 2989646 B1 EP2989646 B1 EP 2989646B1
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EP
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local network
network transformer
taps
transformer
contactor
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EP14731577.4A
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EP2989646A1 (de
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Zsolt SUKOSD
Gerd Griepentrog
Karsten Handt
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Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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Siemens AG
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F29/00—Variable transformers or inductances not covered by group H01F21/00
    • H01F29/02—Variable transformers or inductances not covered by group H01F21/00 with tappings on coil or winding; with provision for rearrangement or interconnection of windings
    • H01F29/04—Variable transformers or inductances not covered by group H01F21/00 with tappings on coil or winding; with provision for rearrangement or interconnection of windings having provision for tap-changing without interrupting the load current

Definitions

  • the invention relates to a controllable local network transformer for transforming a medium voltage, typically in the kV range, into a local network voltage, for example 400 V.
  • Energy distribution networks are subject to voltage fluctuations, in particular due to the impedances of the network components and changing loads. It is desirable to keep the fluctuations as low as possible.
  • Switching of the turns ratio is used for transformers between high and medium voltage. This compensates for the voltage fluctuations that occur when the load changes by changing the transmission ratio between the high and medium voltage.
  • at least one of the windings of the transformer is provided with a series of taps that can be connected electrically.
  • a mechanism is provided that switches between two selector positions without interruption even under load. A short circuit is avoided by briefly forcing the current flow through resistors.
  • a bypass for the current is provided via a thyristor circuit.
  • the thyristor circuit and thus the secondary path is switched to conductive when the actual line switch interrupts the current path.
  • Precise control of the thyristor circuit minimizes the time in which a circulating current driven through the windings can flow through the taps, the thyristor circuit and the line switch.
  • the disadvantage of this is the high outlay required for controlling the thyristors very precisely in terms of time.
  • Out CN202068191 U A controllable local network transformer is known which has a contactor on each winding tap, to which a parallel bypass with a series connection of a bypass contactor and one are arranged.
  • the object of the present invention is to provide a controllable local network transformer which is of particularly simple construction. This object is achieved by a controllable local network transformer with the features of claim 1. Advantageous refinements and developments are specified in the dependent claims.
  • the contactors in the connecting lines thus allow a selection of the transformation ratio of the local network transformer by making a direct connection between the first output connection and different taps of the winding.
  • the second tap of the low-voltage transformer winding is also connected to the first output terminal of the local network transformer via a secondary path contactor.
  • the controllable local network transformer thus created has the advantage of a simplified construction compared to known local network transformers. For example, when using a thyristor switching element in the bypass, a control for the thyristors is expedient, which operates with a temporal resolution in the range of 10-100 ⁇ s.
  • the bypass contactor on the other hand, only needs a control accuracy in the range of 10 - 20 ms.
  • the local network transformer comprises a current-limiting element in the bypass, which can be implemented, for example, as a resistor or inductor.
  • the bypass contactor is one of the use categories AC3 or AC4. Because of the short time that the bypass contactor remains switched on, it is possible to use a contactor with a load rating that is lower than the nominal current in the local network transformer. Such a contactor is relatively small and thus significantly reduces the installation space that is required in the local network transformer.
  • the second tap is one of the first taps. In other words, the bypass on one of the first taps.
  • the local network transformer preferably comprises three taps, of which the middle one - in relation to its position on the winding - is connected to the bypass contactor. Alternatively, a different number of taps can also be provided, for example five taps or seven taps.
  • the bypass contactor is preferably connected to the middle of the taps.
  • the local network transformer expediently, but not necessarily, contains a control device which automatically controls the load switchover.
  • the control device expediently has means which make it possible to recognize when a switchover should take place.
  • this can be a means for determining voltage and / or current on the input or output side. This determines whether a switchover is necessary, for example by detecting the corresponding slight reduction in the output voltage when there is an increased load on the output side.
  • the load switchover can also be controlled from outside the local network transformer.
  • the local network transformer expediently has means which enable external control.
  • This can be an indirect, for example digital, remote control, which is converted in the local network transformer by a control device into the actual activation of the switch. It can also be a direct, analog control from the outside, which can possibly even take place without an internal control device, for example by directly applying current to an actuator of the switching element from the outside.
  • FIG. 1 a line switch in a controllable local network transformer 10, which is shown in one phase for a better overview.
  • the local network transformer 10 has a primary winding 100 and a low-voltage secondary winding 101.
  • the voltage on the primary winding 100 side is 10 kV, for example, while a voltage of 400 V AC is output on the secondary winding 101 side.
  • a first output connection 19 of the local network transformer 10 is connected to the taps 13, 14, 15 in a more complex manner in order to implement a switchover of the transmission ratio in the local network transformer 10.
  • a second output connection 12 of the local network transformer 10 is connected to the start 11 of the secondary winding 101.
  • the secondary winding 101 has a first tap 13 at 9/11, a second tap 14 at 10/11 and a third tap 15 at 11/11 of its length; the latter at the end of the secondary winding 101. With this position of the taps 13, 14, 15, the length of the secondary winding 101 used can be increased or decreased by 10% if one starts from the middle of the three taps 14.
  • contactors 16a, b, c are provided, the output connections of which are connected to the first output connection 19.
  • the contactors 16a, b, c establish a connection between the first output connection 19 and the first, second or third tap 13, 14, 15.
  • only one of the contactors 16a, b, c is closed at a time and the remaining contactors are open.
  • the second tap 14 has a further connection to the first output connection 19 parallel to the second contactor 16b via a bypass contactor 17. This connection serves to enable an uninterrupted switchover in which the current is briefly conducted via the bypass contactor 17.
  • a current-limiting resistor 20 is arranged in series with the bypass contactor 17.
  • the bypass contactor 17 In normal operation, the bypass contactor 17 is open, while a connection to one of the taps 13, 14, 15 is established via one of the contactors 16a, b, c. If a switchover is to take place, the bypass contactor 17 is closed in order to keep the current flow uninterrupted. After a short waiting time, for example stored in a controller, the currently closed contactor 16a, b, c is opened and another of the contactors 16a, b, c is closed, i.e. the connection to the currently active tap 13, 14, 15 is interrupted and then the connection to another of the taps 13, 14, 15 is established. The bypass contactor 17 is then opened again.
  • a short waiting time is expediently observed between the beginning of the individual switching operations, for example in the size of the average switching times of the contactors 16a, b, c. This prevents accidental short circuits.
  • a signal from the actuation coils can also be evaluated in order to determine a suitable switching time.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Supply And Distribution Of Alternating Current (AREA)
  • Control Of Electrical Variables (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft regelbaren Ortsnetztransformator zur Transformation einer Mittelspannung, typischerweise im kV-Bereich, in einer Ortsnetzspannung, beispielsweise 400 V.
  • Energieverteilnetze sind insbesondere durch die Impedanzen der Netzkomponenten und durch wechselnde Lasten Spannungsschwankungen unterworfen. Es ist erstrebenswert, die Schwankungen so gering wie möglich zu halten. Dafür wird bei Transformatoren zwischen der Hoch- und der Mittelspannung eine Umschaltung des Windungsverhältnisses verwendet. Diese gleicht die bei Belastungsänderungen auftretenden Spannungsschwankungen aus, indem sie das Übersetzungsverhältnis zwischen der Hoch- und der Mittelspannung ändert. Zu diesem Zweck ist zumindest eine der Wicklungen des Transformators mit einer Reihe von Anzapfungen versehen, die elektrisch angebunden werden können. Weiterhin ist ein Mechanismus vorgesehen, der die Umschaltung zwischen zwei Wählerpositionen unterbrechungsfrei auch unter Last vornimmt. Ein Windungskurzschluss wird vermieden, indem der Stromfluss kurzzeitig über Widerstände gezwungen wird.
  • Es ist anzunehmen, dass in Zukunft die Energieversorgung im Vergleich zur heutigen Situation dezentraler erfolgt. Das heißt, die Stromerzeugung findet näher zum Verbraucher als heute in einer größeren Zahl von jeweils kleineren Anlagen statt. Solche Anlagen sind beispielsweise Photovoltaikanlagen, Windkraftwerke und Biomasse-Kraftwerken oder auch kleinere Blockheizkraftwerke. Wenn der erzeugte Strom nicht direkt abgenommen werden kann, ist eine Einspeisung vom Niederspannungsnetz, d.h. Ortsnetz, in das Mittelspannungsnetz erforderlich, um eine verlustarme Übertragung über weite Strecken zu ermöglichen. Hierzu ist es erforderlich, im Ortsnetztransformator ein variables Übersetzungsverhältnis zur Verfügung zu stellen, d.h. einen regelbaren Ortsnetztransformator zu schaffen.
    Es sind regelbare Ortsnetztransformatoren bekannt, mit denen eine Umschaltung des Übersetzungsverhältnisses unter Last unterbrechungsfrei möglich ist. Dazu wird beispielsweise in der DE 10 2008 064 487 A1 ein Nebenweg für den Strom über einen Thyristorkreis bereitgestellt. Der Thyristorkreis und damit der Nebenweg wird genau dann leitend geschaltet, wenn der eigentliche Leitungsumschalter den Stromweg unterbricht. Durch eine genaue Ansteuerung des Thyristorkreises wird dabei die Zeit minimiert, in der ein durch die Windungen getriebener Kreisstrom über die Anzapfungen, den Thyristorkreis und den Leitungsumschalter fließen kann. Nachteilig ist hieran der hohe Aufwand, der für die zeitlich sehr genaue Ansteuerung der Thyristoren erforderlich ist. Aus CN202068191 U ist ein regelbarer Ortsnetztransformator bekannt, der an jeder Wicklungsanzapfung ein Schütz aufweist, zu dem ein paralleler Nebenweg mit einer Serienschaltung aus einem Nebenwegs-Schütz und einem angeordnet sind.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen regelbaren Ortsnetztransformator anzugeben, der besonders einfach aufgebaut ist. Diese Aufgabe wird durch einen regelbaren Ortsnetztransformator mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Die Schütze in den Verbindungsleitungen erlauben somit eine Auswahl des Übersetzungsverhältnisses des Ortsnetztransformators, indem zwischen dem ersten Ausgangsanschluss und verschiedenen Anzapfungen der Wicklung eine direkte Verbindung herstellbar ist. Um für den Strom einen Nebenweg zu realisieren, ist die zweite Anzapfung der niederspannungsseitigen Transformatorwicklung über ein Nebenwegs-Schütz ebenfalls mit dem ersten Ausgangsanschluss des Ortsnetztransformators verbunden.
    Der so geschaffene regelbare Ortsnetztransformator weist gegenüber bekannten Ortsnetztransformatoren den Vorteil eines vereinfachten Aufbaus auf. So ist beispielsweise bei der Verwendung eines Thyristorschaltelements im Nebenweg eine Steuerung für die Thyristoren zweckmäßig, die mit einer zeitlichen Auflösung im Bereich von 10 - 100 µs arbeitet. Das Nebenwegs-Schütz hingegen benötigt lediglich eine Steuergenauigkeit im Bereich von 10 - 20 ms. Da mit dem Nebenwegs-Schütz ein Kreisstrom nicht so gut verhindert werden kann wie mit einem Thyristorkreis im Strom-Nebenweg, umfasst der Ortsnetztransformator im Nebenweg ein strombegrenzendes Element, das beispielsweise als Widerstand oder Induktivität realisiert sein kann.
  • Erfindugsgemäß ist das Nebenwegs-Schütz eines der Gebrauchskategorien AC3 oder AC4. Wegen der kurzen Zeit, die das Nebenwegs-Schütz eingeschaltet bleibt, ist es möglich, hierfür ein Schütz zu verwenden, dessen Belastbarkeit geringer ist als der Nennstrom im Ortsnetztransformator. Ein solches Schütz ist verhältnismäßig klein und verringert somit den Bauraum, der im Ortsnetztransformator benötigt wird, deutlich.
  • In einer Ausgestaltung der Erfindung ist die zweite Anzapfung eine der ersten Anzapfungen. Mit anderen Worten greift der Strom-Nebenweg an einer der ersten Anzapfungen an.
  • Damit wird eine zusätzliche Anzapfung nur für den Strom-Nebenweg unnötig und kann eingespart werden. Der Ortsnetztransformator umfasst bevorzugt drei Anzapfungen, von denen die mittlere - in Bezug auf ihre Lage an der Wicklung - mit dem Nebenwegs-Schütz verbunden ist. Alternativ kann auch eine andere Anzahl an Anzapfungen vorgesehen sein, beispielsweise fünf Anzapfungen oder sieben Anzapfungen. Das Nebenwegs-Schütz ist bevorzugt mit der mittleren der Anzapfungen verbunden.
  • Zweckmäßig, aber nicht zwangsläufig, enthält der Ortsnetztransformator eine Steuerungseinrichtung, die selbsttätig eine Steuerung der Lastumschaltung vornimmt. Dazu weist die Steuerungseinrichtung zweckmäßig Mittel auf, die eine Erkennung ermöglichen, wann eine Umschaltung erfolgen sollte. Beispielsweise kann es sich dabei um Mittel zur Bestimmung von Spannung und/oder Strom auf der Eingangs- oder Abgangsseite handeln. Durch diese wird ermittelt, ob eine Umschaltung nötig ist, indem beispielsweise bei erhöhter abgangsseitiger Last die entsprechende leichte Senkung der Ausgangsspannung detektiert wird. Alternativ kann die Steuerung der Lastumschaltung auch von außerhalb des Ortsnetztransformators vorgenommen werden. In diesem Fall weist der Ortsnetztransformator zweckmäßig Mittel auf, die eine Steuerung von außen ermöglichen. Dabei kann es sich um eine indirekte, beispielsweise digitale Fernsteuerung handeln, die im Ortsnetztransformator durch eine Steuereinrichtung umgesetzt wird in die tatsächliche Ansteuerung des Schalters. Es kann sich auch um eine direkte, analoge Steuerung von außen handeln, die ggfs. sogar ohne interne Steuereinrichtung erfolgen kann, beispielsweise durch direkte Beaufschlagung eines Aktors des Schaltelements von außen mit Strom.
  • Ein bevorzugtes, jedoch keinesfalls einschränkendes Ausführungsbeispiel für die Erfindung wird nunmehr anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei sind die Merkmale stark schematisiert und nicht maßstäblich dargestellt. Dabei zeigt Figur 1 einen Leitungsumschalter in einem regelbaren Ortsnetztransformator 10, der für die bessere Übersicht einphasig dargestellt ist. Der Ortsnetztransformator 10 weist eine Primärwicklung 100 und eine niederspannungsseitige Sekundärwicklung 101 auf. Die Spannung auf Seite der Primärwicklung 100 beträgt beispielhaft 10 kV, während auf der Seite der Sekundärwicklung 101 eine Spannung von 400 V AC ausgegeben wird.
  • Ein erster Ausgangsanschluss 19 des Ortsnetztransformators 10 ist auf komplexere Weise mit den Anzapfungen 13, 14, 15 verbunden, um eine Umschaltung des Übersetzungsverhältnisses im Ortsnetztransformator 10 zu realisieren. Mit dem Anfang 11 der Sekundärwicklung 101 ist ein zweiter Ausgangsanschluss 12 des Ortsnetztransformators 10 verbunden.
  • Die Sekundärwicklung 101 weist eine erste Anzapfung 13 bei 9/11, eine zweite Anzapfung 14 bei 10/11 und eine dritte Anzapfung 15 bei 11/11 ihrer Länge auf; letztere also am Ende der Sekundärwicklung 101. Bei dieser Lage der Anzapfungen 13, 14, 15 kann also die Länge der verwendeten Sekundärwicklung 101 um 10% erhöht oder verringert werden, wenn man von der mittleren der drei Anzapfungen 14 ausgeht.
  • Für die Umschaltung des Übersetzungsverhältnisses sind Schütze 16a, b, c vorgesehen, deren Ausgangsanschlüsse mit dem ersten Ausgangsanschluss 19 verbunden sind. Die Schütze 16a, b, c stellen eine Verbindung zwischen dem ersten Ausgangsanschluss 19 und der ersten, zweiten oder dritten Anzapfung 13, 14, 15 her. Zweckmäßig ist nur eines der Schütze 16a, b, c zu einer Zeit geschlossen und die verbleibenden Schütze sind geöffnet.
  • Die zweite Anzapfung 14 weist eine weitere Verbindung zum ersten Ausgangsanschluss 19 parallel zum zweiten Schütz 16b über ein Nebenwegs-Schütz 17 auf. Diese Verbindung dient dazu, eine unterbrechungsfreie Umschaltung zu ermöglichen, in dem der Strom kurzzeitig über das Nebenwegs-Schütz 17 geleitet wird. In Serie zum Nebenwegs-Schütz 17 ist ein strombegrenzender Widerstand 20 angeordnet.
  • Im normalen Betriebsfall ist das Nebenwegs-Schütz 17 geöffnet, während über eines der Schütze 16a, b, c eine Verbindung mit einer der Anzapfungen 13, 14, 15 hergestellt ist. Soll eine Umschaltung stattfinden, so wird das Nebenwegs-Schütz 17 geschlossen, um den Stromfluss unterbrechungsfrei zu halten. Nach Ablauf einer kurzen, beispielsweise in einer Steuerung hinterlegten Wartezeit wird das derzeit geschlossene Schütz 16a, b, c geöffnet und ein anderes der Schütze 16a, b, c geschlossen, d.h. die Verbindung zur derzeit aktiven Anzapfung 13, 14, 15 unterbrochen und dann die Verbindung zu einer anderen der Anzapfungen 13, 14, 15 hergestellt. Danach wird das Nebenwegs-Schütz 17 wieder geöffnet. Zwischen dem Beginn der einzelnen Schaltvorgänge wird zweckmäßig eine kurze Wartezeit eingehalten, beispielsweise in der Größe der mittleren Schaltzeiten der Schütze 16a, b, c. Dadurch werden unbeabsichtigte Kurzschlüsse vermieden. Alternativ kann auch ein Signal der Betätigungsspulen ausgewertet werden, um einen geeigneten Schaltzeitpunkt zu ermitteln.

Claims (4)

  1. Regelbarer Ortsnetztransformator (10), aufweisend:
    - eine Transformatorwicklung (101) auf der Seite der Ortsnetzspannung, wobei ein Endbereich der Transformatorwicklung (101) wenigstens zwei erste Anzapfungen (13, 14, 15) aufweist und das andere Ende der Transformatorwicklung (101) mit einem zweiten Ausgangsanschluss (12) für die Ortsnetzspannung verbunden ist,
    - eine Verbindungsleitung zwischen jeder der Anzapfungen (13, 14, 15) und einem ersten Ausgangsanschluss (19) für die Ortsnetzspannung, wobei in jeder der Verbindungsleitungen ein Schütz (16a, b, c) angeordnet ist,
    - genau eine zweite Anzapfung (14) im Endbereich der Transformatorwicklung (101), die über genau ein Nebenwegs-Schütz (17) mit dem ersten Ausgangsanschluss (19) verbunden ist,
    - ein strombegrenzendes Element (20) in Serie zum Nebenwegs-Schütz (17),
    wobei das Nebenwegs-Schütz (17) eines der Klasse AC3 oder AC4 ist.
  2. Regelbarer Ortsnetztransformator (10) gemäß Anspruch 1, bei dem die zweite Anzapfung (14) eine der ersten Anzapfungen (13, 14, 15) ist.
  3. Regelbarer Ortsnetztransformator (10) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das strombegrenzende Element (20) ein Widerstand (20) ist.
  4. Regelbarer Ortsnetztransformator (10) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche mit genau drei ersten Anzapfungen (13, 14, 15).
EP14731577.4A 2013-06-20 2014-06-12 Regelbarer ortsnetztransformator Active EP2989646B1 (de)

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