EP3005383A1 - Vorrichtung zur verringerung eines magnetischen gleichfluss-anteils im kern eines transformators - Google Patents

Vorrichtung zur verringerung eines magnetischen gleichfluss-anteils im kern eines transformators

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EP3005383A1 EP13726491.7A EP13726491A EP3005383A1 EP 3005383 A1 EP3005383 A1 EP 3005383A1 EP 13726491 A EP13726491 A EP 13726491A EP 3005383 A1 EP3005383 A1 EP 3005383A1
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    • H01F27/42—Circuits specially adapted for the purpose of modifying, or compensating for, electric characteristics of transformers, reactors, or choke coils

Definitions

  • the invention relates to a device for reducing a magnetic flux component in the core of a
  • Transformer in particular a three-phase transformer, comprising a plurality of compensation windings, which are magnetically coupled to the core of the transformer.
  • the application area is basically included
  • DC component can, for example, electronic
  • Construction components come as they are today in the
  • GIC Geomagnetically Induced Currents
  • Geomagnetically induced currents occur approximately in ten-year cycles. They are evenly distributed over all (three) phases, can reach up to 30 A per phase and flow through the neutral point of a transformer. This leads to a strong saturation of the core of the transformer in a half cycle and therefore to a strong excitation current in a half cycle. This additional excitement has a strong harmonic content and this is due to the
  • Windings and iron parts of the transformer caused. This can lead to local overheating in the transformer. Furthermore, due to the strong excitation requirement, high reactive power consumption and voltage drop occur. Together, this can lead to the instability of the energy transmission network. Simplified speaking, the behaves the
  • WO 2012/041368 AI is one in a
  • DC ratio used by a thyristor switch is connected in series with a current limiting reactor to introduce the compensation current in the compensation winding. This solution works well for
  • Capacitor is connected in the neutral point of the transformer. This solution is problematic because the charging of the capacitor creates a transfer voltage. In addition, the displacement voltage across the capacitor is limited, so that usually not the entire DC current can be blocked. This solution is also problematic if there is a short circuit in the transmission network and therefore too
  • Claim 1 is characterized in that
  • a controllable current source is provided for feeding current into the compensating windings, which is electrically connected in
  • Row is arranged with the compensation windings, with their neutral point, from the inputs of the
  • a star point generator is provided which is electrically conductive with the outputs of the compensation windings
  • Ampere turn is another term for the magnetic flux. It is the
  • Compensation current introduced by a controllable current source in the compensation windings which is usually a compensation winding per phase of the transformer
  • the neutral point generator generates a star point with respect to the outer conductor voltages of the compensation windings.
  • the star point of the compensation windings and the star point formed by the neutral point generator are at the same potential. You can now easily insert a controllable current source between these star points. Furthermore, the
  • An embodiment of the invention provides that at least one current limiting inductor is arranged electrically in series with the current source. This pre-switching of a current limiting choke can effectively filter out transient voltages so that they do not break through to the power source. Due to the controllable power source is the
  • Compensating current can be provided that the controllable current source is connected to a measuring device for detecting the magnetic DC component in the transformer.
  • a measuring device for detecting the magnetic DC component in the transformer.
  • Such measuring devices are from the WO
  • the shunt part may be connected to the core of the transformer e.g. be arranged adjacent to a leg or on the yoke to pass a portion of the magnetic flux in a bypass.
  • Shunt-guided magnetic flux can be very easily a long-term stable by means of a sensor coil
  • Gain sensor signal which optionally after signal processing the DC component (CD component) maps very well.
  • the star point generator can be used for better load distribution
  • Windings in zigzag circuit include.
  • Figure 1 is a principle circuit according to the prior art for introducing compensation current in a
  • FIG. 2 shows a basic circuit according to the invention for
  • the compensation winding K designed as a thyristor switching unit T is connected in series with a current limiting inductor L.
  • the required direct current can be adjusted by voltage synchronous ignition at a specific ignition timing of the thyristor T. Ignition of the thyristor in the voltage zero crossing, so sets the maximum direct current, but with a
  • Thyristor T is controlled by a current limiting inductor L
  • the controllable current source S is electrically connected directly in series with the compensation windings Kl, K2, K3, namely, the inputs of the compensation windings Kl, K2, K3 are interconnected in a star point PI, which is directly connected to the power source S.
  • a compensation winding Kl, K2, K3 is on a leg of one - not here
  • connection ends are each with a connection end of the three (here lower)
  • Zigzag switching means that primary and secondary windings of a phase (here a compensation winding) on
  • Primary and secondary windings of the neutral point H are the same size, so have about the same number of turns, but are flowed through in different directions from the stream. Thus, no flux is induced in the core of the neutral point H at the same current in different windings.
  • the current source S is directly on the one hand with the neutral point PI of the compensation windings Kl, K2, K3 and on the other hand with the neutral point P2 of the neutral point H electric
  • Power source S be arranged.
  • Neutral point generator H are known per se and available.
  • the introduction of compensation windings with induced Voltages at the medium voltage level are in themselves also already proven technology.
  • the advantage of the present invention is that the controllable current source
  • T switching unit (thyristor)

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verringerung eines magnetischen Gleichfluss-Anteils im Kern eines Transformators, insbesondere eines Dreiphasentransformators, umfassend mehrere Kompensationswicklungen (K1, K2, K3), welche magnetisch mit dem Kern des Transformators gekoppelt sind. Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass - eine steuerbare Stromquelle (S) zum Einspeisen von Strom in die Kompensationswicklungen (K1, K2, K3) vorgesehen ist, welche elektrisch in Reihe mit den Kompensationswicklungen (K1, K2, K3) angeordnet ist, und zwar mit deren Sternpunkt (PI), der von den Eingängen der Kompensationswicklungen (K1, K2, K3) gebildet wird, und - ein Sternpunktbildner (H) vorgesehen ist, der elektrisch leitend mit den Ausgängen der Kompensationswicklungen (K1, K2, K3) verbunden ist, und - die Stromquelle (S) den Sternpunkt (P1) der Kompensationswicklungen (K1, K2, K3) und den Sternpunkt (P2) des Sternpunktbildners (H) elektrisch miteinander verbindet.

Description

Beschreibung
Vorrichtung zur Verringerung eines magnetischen Gleichfluss- Anteils im Kern eines Transformators
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verringerung eines magnetischen Gleichfluss-Anteils im Kern eines
Transformators, insbesondere eines Dreiphasentransformators, umfassend mehrere Kompensationswicklungen, welche magnetisch mit dem Kern des Transformators gekoppelt sind. Der Einsatzbereich liegt grundsätzlich sowohl bei
Transformatoren im Nieder- oder Mittelspannungsbereich, wie auch bei Transformatoren sehr hoher Leistung
(Leistungstransformatoren, HGÜ (Hochspannungs-Gleichstrom- Übertragungs ) -Transformatoren) .
Stand der Technik
Bei elektrischen Transformatoren, wie sie in
Energieverteilungsnetzen eingesetzt werden, kann es zu einer unerwünschten Einspeisung eines Gleichstroms in die
Primärwicklung oder Sekundärwicklung kommen. Eine solche Gleichstromeinspeisung, im Folgenden auch als DC-Anteil bezeichnet, kann beispielsweise von elektronischen
Baukomponenten herrühren, wie sie heutzutage bei der
Ansteuerung von elektrischen Antrieben oder auch bei der Blindleistungskompensation verwendet werden. Eine andere Ursache können sogenannte geomagnetisch induzierte Ströme (englisch "Geomagnetically Induced Currents", GIC) sein.
Aufgrund von Sonnenwinden wird das Erdmagnetfeld verändert und damit werden an Leiterschleifen an der Erdoberfläche sehr niederfrequente Spannungen induziert. Bei langen elektrischen Energieübertragungsleitungen kann die induzierte Spannung relativ große niederfrequente Ströme (Quasi-Gleichströme) bewirken. Geomagnetisch induzierte Ströme treten ungefähr in Zehnjahreszyklen auf. Sie verteilen sich gleichmäßig auf alle (drei) Phasen, können pro Phase bis zu 30 A erreichen und fließen über den Sternpunkt eines Transformators ab. Dies führt zu einer starken Sättigung des Kerns des Transformators in einem Halbzyklus und daher zu einem starken Erregerstrom in einem Halbzyklus. Diese zusätzliche Erregung hat einen starken Oberwellenanteil und dadurch werden durch das
Streufeld mit Oberwellenanteil Wirbelstromverluste in
Wicklungen und Eisenteilen des Transformators verursacht. Dies kann zu lokaler Überhitzung im Transformator führen. Weiters kommt es durch den starken Erregungsbedarf zu einem hohen Blindleistungsverbrauch und Spannungsabfall. Gemeinsam kann dies zur Instabilität des Energieübertragungsnetzes führen. Stark vereinfacht gesprochen verhält sich der
Transformator in einer Halbwelle wie eine Drossel.
Manche Energieübertragungsunternehmen verlangen daher in der Spezifikation von Transformatoren bereits 100 A Gleichstrom für den Sternpunkt des Transformators.
Gemäß der WO 2012/041368 AI wird eine in einer
Kompensationswicklung induzierte elektrische Spannung genutzt und für die Kompensation des störenden magnetischen
Gleichfluss-Anteils herangezogen, indem ein Thyristorschalter in Serie mit einer Strombegrenzungsdrossel geschaltet wird, um den Kompensationsstrom in die Kompensationswicklung einzubringen. Diese Lösung funktioniert gut für
auszugleichende Gleichströme in einem Bereich, die um eine Größenordnung kleiner sind als geomagnetisch induzierte
Ströme, also etwa im Bereich unter 10 A. Für geomagnetisch induzierte Ströme müsste man auf die Mittelspannungsebene gehen, also in den Bereich von etwa 5 kV, und leistungsstarke Thyristoren einsetzen. Aufgrund der hohen Verlustleistung derartiger Thyristoren ist diese Lösung aber nicht
wirtschaftlich . Eine andere Lösung für geomagnetisch induzierte Ströme stellt der sogenannte DC Blocker dar, bei dem im Prinzip ein
Kondensator in den Sternpunkt des Transformators geschaltet wird. Diese Lösung ist problematisch, weil durch das Aufladen des Kondensators eine Verlagerungsspannung entsteht. Darüber hinaus ist die Verlagerungsspannung am Kondensator begrenzt, sodass in der Regel nicht der gesamte Gleichstrom geblockt werden kann. Problematisch ist diese Lösung auch, wenn es zu einem Kurzschluss im Übertragungsnetz und daher zu
Nullströmen kommt.
Darstellung der Erfindung Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
Vorrichtung zur Verringerung eines magnetischen Gleichfluss- Anteils im Kern eines Transformators zur Verfügung zu
stellen, welche einerseits ohne die hohe Verlustleistung leistungsstarker Thyristoren auskommt und welche andererseits nicht begrenzt ist durch eine Verlagerungsspannung an einem Kondensator .
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen definiert .
Anspruch 1 ist gekennzeichnet dadurch, dass
- eine steuerbare Stromquelle zum Einspeisen von Strom in die Kompensationswicklungen vorgesehen ist, welche elektrisch in
Reihe mit den Kompensationswicklungen angeordnet ist, und zwar mit deren Sternpunkt, der von den Eingängen der
Kompensationswicklungen gebildet wird, und
- ein Sternpunktbildner vorgesehen ist, der elektrisch leitend mit den Ausgängen der Kompensationswicklungen
verbunden ist, und
- die Stromquelle den Sternpunkt der Kompensationswicklungen und den Sternpunkt des Sternpunktbildners elektrisch
miteinander verbindet. Das Prinzip der erfindungsgemäßen Lösung beruht wieder auf der Gleichstromkompensation mittels Kompensationswicklungen, indem gezielt Strom in die Kompensationswicklungen
eingespeist wird, dessen Wirkung dem Gleichfluss-Anteil entgegengerichtet ist und die Aufmagnetisierung des Kerns des Transformators verhindert. Mit anderen Worten werden
sogenannte Gegenamperewindungen in den Transformator
eingebracht, wobei Amperewindung ein anderer Begriff für die magnetische Durchflutung ist. Dabei wird der
Kompensationsstrom durch eine steuerbare Stromquelle in die Kompensationswicklungen eingebracht, wobei in der Regel pro Phase des Transformators eine Kompensationswicklung
vorgesehen ist.
Damit der Kompensationsstrom leistungsarm eingebracht werden kann, muss das Problem der in den Kompensationswicklungen induzierten Spannungen gelöst werden. Dies geschieht durch einen an sich bekannten Sternpunktbildner, der auch als
Nullpunktsbildner oder Erdungstransformator bezeichnet wird. Der Sternpunktbildner generiert einen Sternpunkt bezüglich der Außenleiterspannungen der Kompensationswicklungen. Damit liegen der Sternpunkt der Kompensationswicklungen und der durch den Sternpunktbildner gebildete Sternpunkt auf gleichem Potential. Zwischen diese Sternpunkte kann man nun problemlos eine steuerbare Stromquelle einfügen. Weiters hat der
Sternpunktbildner den Vorteil, dass Gleichströme, die über seinen Sternpunkt eingebracht werden und sich dann
gleichmäßig auf alle (drei) seiner Schenkel verteilen, keine Aufmagnetisierung des Kerns des Sternpunktbildners bewirken.
Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass zumindest eine Strombegrenzungsdrossel elektrisch in Reihe mit der Stromquelle angeordnet ist. Durch dieses Vorschalten einer Strombegrenzungsdrossel kann man transiente Spannungen effektiv ausfiltern, sodass diese nicht auf die Stromquelle durchschlagen . Durch die steuerbare Stromquelle wird den
Kompensationswicklungen immer genau jener Strom zugeführt, der für die Kompensation der unerwünschten Gleichströme notwendig ist. Für die Bestimmung des notwendigen
Kompensationsstroms kann vorgesehen sein, dass die steuerbare Stromquelle mit einer Messeinrichtung zum Erfassen des magnetischen Gleichfluss-Anteils im Transformator verbunden ist. Derartige Messeinrichtungen sind etwa aus der WO
2012/041368 AI in Form eines magnetischen Nebenschluss-Teils mit einer Sensorspule bekannt. Der Nebenschluss-Teil kann am Kern des Transformators z.B. an einem Schenkel oder am Joch anliegend angeordnet sein, um einen Teil des magnetischen Flusses in einem Bypass zu führen. Aus diesem, im
Nebenschluss geführten magnetischen Fluss, lässt sich mittels einer Sensorspule sehr leicht ein langzeitstabiles
Sensorsignal gewinnen, welches gegebenenfalls nach einer Signalaufbereitung den Gleichfluss-Anteil (CD-Anteil) sehr gut abbildet. Der Sternpunktbildner kann zur besseren Lastverteilung
Wicklungen in Zickzackschaltung umfassen.
Kurzbeschreibung der Figuren
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im nachfolgenden Teil der Beschreibung auf die Figuren Bezug genommen, aus der weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, Einzelheiten und
Weiterbildungen der Erfindung zu entnehmen sind. Es zeigen:
Figur 1 eine Prinzipschaltung nach dem Stand der Technik zum Einbringen von Kompensationsstrom in eine
Kompensationswicklung, umfassend einen
Thyristorkreis ,
Figur 2 eine erfindungsgemäße Prinzipschaltung zum
Einbringen von Kompensationsstrom in
Kompensationswicklungen mittels einer steuerbaren Stromquelle . Ausführung der Erfindung
Gemäß dem Stand der Technik in Fig. 1 wird bei der
sogenannten Gleichstrom-Kompensation gezielt Gleichstrom in eine Kompensationswicklung K eingebracht, um die
Gleichstrommagnetisierung des Transformatorkerns aufzuheben. Zum Einbringen der notwendigen magnetischen Durchflutung (der sogenannten Gleichstrom-Amperewindungen) in die
Kompensationswicklung K macht man sich die in der
Kompensationswicklung K induzierte Wechselspannung zunutze, die Kompensationswicklung K wirkt wie eine
Wechselspannungsquelle. An der Kompensationswicklung K wird eine als Thyristor ausgebildete Schalteinheit T in Serie mit einer Strombegrenzungsdrossel L geschaltet. Der erforderliche Gleichstrom kann durch spannungssynchrones Zünden bei einem bestimmten Zündzeitpunkt des Thyristors T eingestellt werden. Zündet man den Thyristor im Spannungsnulldurchgang, so stellt sich der maximale Gleichstrom ein, der jedoch mit einem
Wechselstrom von der Amplitude des Gleichstroms und der
Netzfrequenz überlagert ist. Zündet man den Thyristor T später, so wird der Gleichstrom kleiner, es entstehen jedoch auch Oberschwingungswechselströme. Der Stromverlauf im
Thyristor T wird durch eine Strombegrenzungsdrossel L
begrenzt, dimensionierend für die Strombegrenzung ist die zulässige thermische Belastung des Thyristors T.
Erfindungsgemäß werden in Fig. 2 statt dem Thyristor T, und in dieser Ausführungsform auch statt der
Strombegrenzungsdrossel L, eine steuerbare Stromquelle S und ein Sternpunktbildner H verwendet.
Die steuerbare Stromquelle S ist elektrisch direkt in Reihe mit den Kompensationswicklungen Kl, K2, K3 geschaltet, und zwar sind die Eingänge der Kompensationswicklungen Kl, K2, K3 in einem Sternpunkt PI zusammengeschaltet, der direkt mit der Stromquelle S verbunden ist. Je eine Kompensationswicklung Kl, K2, K3 ist auf einem Schenkel eines - hier nicht
dargestellten - Dreiphasentransformators angeordnet. Beim Sternpunktbildner H sind die drei (hier oberen)
Primärwicklungen mit ihrem einen Anschlussende jeweils an einen Ausgang einer Kompensationswicklung Kl, K2, K3
angeschlossen. Die anderen Anschlussenden sind jeweils mit einem Anschlussende der drei (hier unteren)
Sekundärwicklungen in Zickzackschaltung verbunden. Die anderen Anschlussenden der Sekundärwicklung sind gemeinsam in einem künstlichen Sternpunkt P2 zusammengeführt, der direkt mit der steuerbaren Stromquelle S verbunden ist.
Zickzackschaltung bedeutet, dass Primär- und Sekundärwicklung einer Phase (hier einer Kompensationswicklung) auf
verschiedenen Schenkeln des Sternpunktbildners H angeordnet sind bzw. dass die Windungen auf dem selben Schenkel zu unterschiedlichen Phasen (unterschiedlichen
Kompensationswicklungen) gehören .
Primär- und Sekundärwicklungen des Sternpunktbildners H sind gleich groß, haben also etwa die gleiche Windungszahl, werden aber in unterschiedlichen Richtungen vom Strom durchflössen. Damit wird bei gleichem Strom in unterschiedlichen Wicklungen kein Fluss im Kern des Sternpunktbildners H induziert. Die Stromquelle S ist direkt einerseits mit dem Sternpunkt PI der Kompensationswicklungen Kl, K2, K3 und andererseits mit dem Sternpunkt P2 des Sternpunktbildners H elektrisch
verbunden . Ähnlich zur Fig. 1 könnte auch bei Fig. 2 eine
Strombegrenzungsdrossel L elektrisch in Reihe mit der
Stromquelle S angeordnet sein.
Mit der erfindungsgemäßen Methode können leistungsarm große Kompensationsströme und damit große Gegenamperewindungen in den Transformator eingebracht werden. Die dafür verwendeten Komponenten an der Mittelspannungsebene, wie der
Sternpunktbildner H, sind an sich bekannt und verfügbar. Das Einbringen von Kompensationswicklungen mit induzierten Spannungen auf Mittelspannungsebene stellt an sich ebenfalls bereits erprobte Technik dar. Der Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass die steuerbare Stromquelle auf
Erdpotential liegt. Man kann mit der Mittelspannungsebene auf 10 kV, 20 kV oder 30 kV gehen. Dabei reduziert sich der
Kompensations-Gelichstrom und man kann mit handelsüblichen Stromquellen arbeiten. Der Sternpunktbildner ist sehr
unempfindlich gegen Sternpunkts-Gleichströme, da sich diese gleichmäßig aufteilen und keine zusätzliche
Kernmagnetisierung bewirken.
Bezugs zeichenliste : H Sternpunktbildner
K, Kl, K2 , K3 Kompensationswicklung
L Strombegrenzungsdrossel
PI Sternpunkt der Kompensationswicklungen Kl, K2,
K3
P2 Sternpunkt des Sternpunktbildners H
T Schalteinheit (Thyristor)

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Verringerung eines magnetischen
Gleichfluss-Anteils im Kern eines Transformators,
insbesondere eines Dreiphasentransformators, umfassend mehrere Kompensationswicklungen (Kl, K2, K3) , welche magnetisch mit dem Kern des Transformators gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, dass
- eine steuerbare Stromquelle (S) zum Einspeisen von Strom in die Kompensationswicklungen (Kl, K2, K3) vorgesehen ist, welche elektrisch in Reihe mit den
Kompensationswicklungen (Kl, K2, K3) angeordnet ist, und zwar mit deren Sternpunkt (PI), der von den Eingängen der Kompensationswicklungen (Kl, K2, K3) gebildet wird, und
- ein Sternpunktbildner (H) vorgesehen ist, der elektrisch leitend mit den Ausgängen der Kompensationswicklungen (Kl, K2, K3) verbunden ist, und
- die Stromquelle (S) den Sternpunkt (PI) der
Kompensationswicklungen (Kl, K2, K3) und den Sternpunkt (P2) des Sternpunktbildners (H) elektrisch miteinander verbindet .
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Strombegrenzungsdrossel (L) elektrisch in Reihe mit der Stromquelle (S) angeordnet ist.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die steuerbare Stromquelle (S) mit einer Messeinrichtung zum Erfassen des magnetischen
Gleichfluss-Anteils verbunden ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, dass pro Phase des Transformators eine Kompensationswicklung (Kl, K2, K3) vorgesehen ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, dass der Sternpunktbildner (H) Wicklungen in Zickzackschaltung umfasst.
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