EP3786987A1 - Vorrichtung zum unterdrücken eines gleichstromanteils beim betrieb eines an ein hochspannungsnetz angeschlossenen elektrischen geräts - Google Patents

Vorrichtung zum unterdrücken eines gleichstromanteils beim betrieb eines an ein hochspannungsnetz angeschlossenen elektrischen geräts Download PDF

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EP3786987A1
EP3786987A1 EP19194634.2A EP19194634A EP3786987A1 EP 3786987 A1 EP3786987 A1 EP 3786987A1 EP 19194634 A EP19194634 A EP 19194634A EP 3786987 A1 EP3786987 A1 EP 3786987A1
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EP
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sub
switching unit
circuit
direct current
series
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Peter Hamberger
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Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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    • 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
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    • H01F27/34—Special means for preventing or reducing unwanted electric or magnetic effects, e.g. no-load losses, reactive currents, harmonics, oscillations, leakage fields
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    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/42—Circuits specially adapted for the purpose of modifying, or compensating for, electric characteristics of transformers, reactors, or choke coils
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    • H01F29/14—Variable transformers or inductances not covered by group H01F21/00 with variable magnetic bias
    • H01F2029/143—Variable transformers or inductances not covered by group H01F21/00 with variable magnetic bias with control winding for generating magnetic bias

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for suppressing a direct current component when operating an electrical device connected to a high-voltage network.
  • the invention also relates to an electrical device with such a device.
  • GIC Garnier Induced Currents
  • a direct current component results in a magnetic direct flux component in the core of the transformer, which is superimposed on the alternating flux.
  • There is an asymmetrical modulation of the magnetic material in the core which has a number of disadvantages.
  • a direct current of just a few amperes leads to saturation of the core with magnetic flux. This is associated with a significant increase in core losses (e.g. 20-30%). Heating problems can occur, especially with a large GIC.
  • there is an increased noise emission during operation which is perceived as particularly annoying in particular when the transformer is operated in the vicinity of a living area.
  • the device mentioned at the beginning and the method mentioned at the beginning are in FIG EP 3 080 821 B1 described.
  • the device disclosed there has a compensation winding which is part of a circuit.
  • a switching branch is provided in series with the compensation winding, a choke and a thyristor being connected in series in the switching branch.
  • a phase control is implemented with the aid of a control unit.
  • the current flowing in the circuit via the switching branch is regulated by varying the phase shift between the ignition time of the thyristor and the voltage in the compensation circuit.
  • the controllable current range can be increased by a second switching branch which is connected in parallel to the first switching branch.
  • the achievable throughflow in the core can be increased by the second switching branch, so that larger direct current components can be compensated.
  • the voltage-synchronous triggering of the thyristor or thyristors requires complex electronics, which are cost-intensive and require maintenance.
  • the object of the invention is therefore to create a device, an electrical device and a method of the type mentioned at the beginning which are inexpensive, reliable and low-maintenance.
  • the invention solves this problem in that the device with a compensation winding for generating a magnetic flux in the core, the effect of which is opposite to the direct flux component, a circuit in which the compensation winding is arranged, at least one in the circuit and converter unit arranged in series with the compensation winding, which enables a current to flow through it in only one direction, one in the circuit and in series with it Compensation winding arranged coarse stage arm with at least two series-connected main choke sections, with at least one main choke section a low-resistance bridging path is connected in parallel, in which a switching unit is arranged, which is from a blocking position, in which a current flow through the switching unit is enabled, in an interruption position, in which a current flow via the switching unit is prevented, or vice versa, a sensor for detecting the direct current component and a control unit connected to each switching unit and the sensor, which is set up to actuate each switching unit, so that a current flow can be set over so many main throttle sections that the direct
  • the invention also achieves this object by means of an electrical device with a core and at least one winding which is set up to generate a magnetic flux in the core, the electrical device having a device according to the invention inductively coupled to the core.
  • the invention solves the problem by a method for suppressing a direct current component when operating an electrical device connected to a high-voltage network, which has a core, at least one winding for generating a magnetic flux in the core and one arranged in a circuit and inductively coupled to the core Compensation winding, wherein the circuit has at least one converter unit arranged in series with the compensation winding, which allows current to flow through it in only one direction, and one in the circuit and in series with the compensation winding with at least two main choke sections connected in series, at least one Main throttle section, a low-resistance bridging path is connected in parallel, in which a switching unit is arranged, which can be transferred from a blocking position, into an open position or vice versa, and a control unit st that with a sensor for detecting the direct current component and each switching unit is connected, the method comprising the following steps: detecting the direct current component by the sensor while providing an output signal, transferring the output signal to the control unit, controlling the circuit units by the control unit so that
  • a direct current flowing through a compensation winding is set by connecting and disconnecting main choke sections. All main choke sections are arranged in series with the compensation winding in a circuit in which a converter unit ensures the rectification of the current flowing in the circuit.
  • the compensating direct current in the compensation winding becomes greater the more main choke sections are bridged.
  • a complex phase control has become superfluous within the scope of the invention.
  • a simple digital control is sufficient.
  • the circuit of the device according to the invention is expediently grounded at a potential point. This potential point is connected downstream of the main choke sections in the direction of the current permitted by the converter unit in the circuit.
  • the main choke which has main choke sections with the step inductance L, takes over the main part of the generation of the direct current in the compensation winding at the core of the electrical device.
  • the converter unit serves to rectify the current in the circuit.
  • the inductance of the main choke effective in the circuit can be adjusted by switching partial windings in and out as main choke sections of a tapped main choke or by switching on and off Partial chokes connected in series can be implemented as main choke sections.
  • the partial throttles are, for example, independent throttles and those arranged in series in the coarse stage branch. Each partial throttle can be bridged by a bridging branch when the switching unit arranged in the bridging path is switched on.
  • the direct current I DC generated according to the invention is inversely proportional to the inductance effective in the circuit according to I DC ⁇ 1 / L.
  • the main choke sections all have the same inductance L.
  • the main throttle sections can, however, deviate from this within the scope of the invention, also be designed differently, that is to say have an inductance L that differs from one another.
  • a fine-stage branch connected in parallel to the coarse-stage branch which has at least two series-connected secondary throttle sections, with at least one secondary throttle section being connected in parallel with a low-resistance bridging path in which a switching unit is arranged, which moves from a blocking position into a through position or vice versa is transferable.
  • Each switching unit is preferably an electronic switching unit or, in other words, an electronic switch.
  • Electronic switches have a faster switching time compared to mechanical switches.
  • the term switching time is understood to mean the time from the tripping point to the point in time when the disconnected position is reached.
  • the switches of the fine stage branch have to carry less current compared to the switches of the main stage branch and can therefore be designed to be more compact than these.
  • the secondary throttle sections are again preferably designed as independent partial throttles or in the form of taps of a large partial throttle.
  • the secondary throttle sections subdivide an adjustment range of the main stage branch into subsections, so that more precise fine control is possible. If the setting range is total (0 ... I dc, max ) and the coarse stage branch divides this setting range into N equal coarse sections I dc, max / N, then the fine stage branch with its M partial inductances divides the coarse sections into M fine stage sections.
  • the direct current I DC can be set with an accuracy of 1 / (2 * N) of the maximum direct current I dc, max
  • control unit increases or decreases the current flowing in the circuit in stages until the direct current component detected by the sensor is minimized.
  • the inductance acting in the circuit is changed in stages.
  • the compensation winding in the circuit acts as an ideal voltage source.
  • a voltage is induced in the compensation winding, which is inductively coupled to the winding or windings of the electrical device.
  • This voltage drives a current rectified by the converter unit in the circuit, the size of which depends on the inductance set in the circuit.
  • the circuit in which the compensation winding and the main and possibly secondary choke sections are arranged is, according to the invention, a closed circuit that is earthed at one point.
  • a direct current I DC thus flows on which an alternating current is superimposed, the amplitude of the alternating current roughly corresponding to the value of the direct current.
  • ⁇ corresponds to the angular frequency of the alternating current.
  • L stands for the inductance of the circuit.
  • Ueff is the rms value of the alternating voltage that is induced in the compensation winding.
  • the electrical device When operating the electrical device, it is connected to a high-voltage network within the scope of the invention.
  • the electrical device is therefore designed for high voltages and, for example, a transformer, in particular a power transformer or a choke.
  • a transformer or such a choke preferably has one with an insulating fluid filled tank.
  • An active part which has a magnetizable core and at least one winding, is arranged in the tank. At least one winding is connected to the high-voltage network carrying alternating voltage during operation.
  • An ester liquid or a mineral oil for example, can be used as the insulating fluid.
  • it also serves to cool the heat-generating components.
  • a suitable sensor is any sensor that detects direct currents and provides an electrical signal on the output side as a function of the magnitude of the direct current.
  • the electrical signal can be an analog electrical signal, for example an electrical current or a voltage, the strength or intensity of which corresponds to the magnitude of the detected direct current.
  • the output signal of the sensor can also be a digital signal, such as, for example, a sequence of digital values that have been generated, for example, by sampling an analog signal, obtaining sampling values and digitizing the sampling values.
  • the electrical device is designed within the scope of the invention for operation in the voltage or high-voltage network, i.e. for an operating voltage between 1 kV and 1200 kV, in particular 50 kV and 800 kV.
  • the high voltage network is preferably an alternating voltage network.
  • AC and DC voltage network is also possible within the scope of the invention.
  • an electrical device for example a transformer, in particular a power transformer, a choke or the like.
  • each switching unit is an electronic switching unit.
  • An electronic switching unit, or in other words an electronic one A switch is, for example, a controllable power semiconductor that is transferred by a control or ignition signal from a blocking position, in which a current flow through the power semiconductor is interrupted, to a through position, in which a current flow through the power semiconductor switch is enabled.
  • a controllable power semiconductor is, for example, a thyristor, GTO, IGBT, IGCT or the like.
  • each electronic switching unit is a thyristor.
  • Thyristors are particularly robust power semiconductors and are inexpensive on the market. Thyristors can only be actively transferred from a blocked position to the open position. In other words, they can only be switched on or on. In order to move from the pass-through position to the blocked position, the current flowing through the thyristor must fall below a holding current. However, this is guaranteed within the scope of the invention, since the compensation winding generates an alternating voltage in the circuit which, when the polarization changes, ensures a current in the circuit which falls below the holding current of the thyristor. If a circuit is to be switched on, the thyristor is continuously ignited.
  • each switching unit has at least two thyristors connected in parallel in opposite directions.
  • the thyristors serve not only as switches, but also as a converter unit. If a thyristor is in its through position, the current can flow through it in only one direction. In other words, the thyristor directs the current at the same time.
  • Figure 1 shows an embodiment of the device 1 according to the invention, which comprises a circuit 2 in which a compensation winding 3 is arranged.
  • the compensation winding 3 in the operation of the device 1 is inductively coupled to a high-voltage winding of a power transformer (not shown in the figure), the power transformer being connected to a high-voltage network carrying AC voltage with a nominal voltage of 325 kV.
  • a converter unit 4 can be seen in series with the compensation winding 3, which converter unit is designed as a diode 4 in the example shown.
  • the diode 4 is a non-controllable power semiconductor.
  • the converter unit or in other words the diode 4, enables a current to flow in the circuit 2 in only one direction, that is through the tip of the triangle Figure 1 is indicated from left to right.
  • the grounded circuit 2 also has a coarse stage branch 5 and a fine stage branch 6.
  • main throttle sections 7 1 , 7 2 , 7 3 ... 7 n are connected in series. Except for the first main throttle section 7 1 , all further main throttle sections 7 2 , 7 3 ... 7 n can be bridged by a bridging path 8 2 , 8 3 ... 8 n .
  • a switching unit 9 is arranged in each of the bridging paths 8 2 , 8 3 ... 8 n listed. Each switching unit 9 is designed as a thyristor which is connected to a control unit 10 via a signal line shown in dashed lines. To one To switch the main choke section or a secondary choke section into the circuit 2, the thristor must be in its interruption state.
  • the thyristor which can only be actively transferred from its blocking position to its through position, must not be ignited.
  • the current flowing through the thyristor must fall below a holding current.
  • the holding current is in the range of a zero current. Due to the alternating voltage coming from the compensation winding, the holding current is periodically undershot. The thyristor is permanently ignited to bridge the gap.
  • the control unit 10 is connected on the input side to a sensor 11 which is set up to detect a direct current component in an electrical device such as a transformer.
  • a sensor 11 which is set up to detect a direct current component in an electrical device such as a transformer.
  • N secondary throttle sections 12 1 , 12 2 , 12 3 ... 12 n are connected in series.
  • the fine step sections 12 2 , 12 3 ... 12 n following the first fine step section can again be bridged by bridging branches 13 2 , 13 3 ... 13 n , in each of which a switching unit 9 is arranged.
  • the switching units 9 of the fine stage branch 6 are also connected to the control unit 10 via signal lines shown in dashed lines.
  • the main choke sections 7 1 , 7 2 , 7 3 have the same inductance L.
  • the inductance of the fine choke sections 12 1 , 12 2 , 12 3 is greater. In the exemplary embodiment shown, it is N ⁇ L. Since the fine throttle sections, however, carry a lower current, they can be designed in a comparatively more compact manner.
  • Figure 2 shows the control range of the main throttle sections 7 1 , 7 2 , 7 3 ... 7 n and the control range of the fine throttle sections 12 1 , 12 2 , 12 3 ... 12 n .
  • Figure 2 only two main control areas 14 1 , 14 2 are shown.
  • the main control area 14 2 is in turn subdivided into fine control areas 15 1 to 15 n.
  • control unit 10 can now bypass as many main choke sections 7 1 , 7 2 , 7 3 ... 7 n and secondary choke sections 12 1 , 12 2 , 12 3 ... 12 n that there is a current in the circuit 2 which minimizes the direct current component in the transformer in which the device 1 is installed.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zum Unterdrücken eines magnetischen Gleichstromanteils im magnetisierbaren Kern eines elektrischen Geräts, mit-einer Kompensationswicklung (3) zum Erzeugen eines magnetischen Flusses in dem Kern, dessen Wirkung dem Gleichflussanteil entgegengerichtet ist,-einem Stromkreis (2), in dem die Kompensationswicklung (3) angeordnet ist,-wenigstens einer in dem Stromkreis (2) und in Reihe zur Kompensationswicklung (3) angeordneten Stromrichtereinheit (4), die einen Stromfluss über diese in nur einer Richtung ermöglicht,-einem in dem Stromkreis (2) und in Reihe zur Kompensationswicklung (3) angeordneten Grobstufenzweig (5) mit wenigstens zwei in Reihe geschalteten Hauptdrosselabschnitten (7<sub>1</sub>, 7<sub>2</sub>, ... 7<sub>n</sub>), wobei wenigstens einem Hauptdrosselabschnitt (7<sub>2</sub>, ... 7<sub>n</sub>) ein niederohmiger Überbrückungspfad (8<sub>2</sub>, ... 8<sub>n</sub>) parallel geschaltet ist, in dem eine Schalteinheit (9) angeordnet ist, die von einer Durchlassstellung, in der ein Stromfluss über die Schalteinheit (9) ermöglicht ist, in eine Unterbrecherstellung, in der ein Stromfluss über die Schalteinheit (9) verhindert ist, oder umgekehrt überführbar ist,-einem Sensor (11) zum Erfassen des Gleichstomanteils und einer mit jeder Schalteinheit (9) und dem Sensor (11) verbundenen Steuerungseinheit (10), die zum Betätigen jeder Schalteinheit (9) eingerichtet ist, so dass ein Stromfluss über so viele Hauptdrosselabschnitte (7<sub>1</sub>, 7<sub>2</sub>, ... 7<sub>n</sub>) einstellbar ist, dass der von dem Sensor (11) erfasste Gleichstromanteil minimiert ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Unterdrücken einen Gleichstromanteils beim Betrieb eines an eine Hochspannungsnetz angeschlossenen elektrischen Geräts.
  • Die Erfindung betrifft ferner ein elektrisches Gerät mit einer solchen Vorrichtung.
  • Bei elektrischen Transformatoren, wie sie in Energie-Übertragungs- und Verteilungsnetzen eingesetzt werden, kann es zu einer unerwünschten Einspeisung eines Gleichstroms in die Wicklungen kommen. Auch leistungselektronische Baukomponenten im Netz, beispielsweise die Ansteuerung elektrischer Antriebe, Umrichter für flexible AC Transmission Systeme, Streuströme von mit Gleichstrom betriebenen Bahnsystemen oder die Hochspannungsgleichstromübertragung können für Gleichströme im elektrischen Gerät sorgen. Eine andere Ursache für Gleichströme können so genannte "Geomagnetically Induced Currents" (im Folgenden auch kurz als GIC bezeichnet) sein.
  • Ein Gleichstromanteil hat im Kern des Transformators einen magnetischen Gleichfluss-Anteil zur Folge, der sich dem Wechselfluss überlagert. Es kommt zu einer unsymmetrischen Aussteuerung des magnetischen Werkstoffs im Kern, was eine Reihe von Nachteilen mit sich bringt. Bereits ein Gleichstrom von wenigen Ampere führt zu einer Sättigung des Kerns mit magnetischem Fluss. Damit verbunden ist eine signifikante Erhöhung der Verluste im Kern (z.B.: 20-30%). Erwärmungsprobleme können, insbesondere bei großem GIC auftreten. Es kommt ferner bei Betrieb zu einer erhöhten Geräuschemission, die insbesondere dann als besonders störend empfunden wird, wenn der Transformator in der Nähe eines Wohnbereichs betrieben wird.
  • Zur Gleichstrom-Kompensation bzw. Verringerung von Betriebsgeräuschen eines Transformators als elektrisches Gerät sind verschiedene aktiv und passiv wirkende Einrichtungen bekannt.
  • So sind die eingangs genannte Vorrichtung und das eingangs genannte Verfahren in der EP 3 080 821 B1 beschrieben. Die dort offenbarte Vorrichtung verfügt über eine Kompensationswicklung, die Teil eines Stromkreises ist. In dem besagten Stromkreis ist ein Schaltzweig in Reihe zur Kompensationswicklung vorgesehen, wobei in dem Schaltzweig eine Drossel und ein Thyristor in Reihe geschaltet sind. Mit Hilfe einer Regeleinheit wird eine Phasenanschnittssteuerung realisiert. Mit anderen Worten wird der über den Schaltzweig im Stromkreis fließende Strom geregelt, indem die Phasenverschiebung zwischen dem Zündzeitpunkt des Thyristors und der Spannung im Kompensationsstromkreis variiert wird. Der regelbare Strombereich kann durch einen zweiten Schaltzweig, der dem ersten Schaltzweit parallel geschaltet ist, erhöht werden. Durch den zweiten Schaltzweig kann die erzielbare Durchflutung im Kern erhöht werden, so dass größere Gleichstromanteile kompensiert werden können. Das spannungssynchrone Zünden des oder der Thyristoren macht jedoch eine aufwändige Elektronik erforderlich, die kostenintensiv und wartungsanfällig ist.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung, ein elektrisches Gerät und ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, die kostengünstig, zuverlässig und wartungsarm sind.
  • Ausgehend von der eingangs genannten Vorrichtung löst die Erfindung diese Aufgabe dadurch, dass die Vorrichtung mit einer Kompensationswicklung zum Erzeugen eines magnetischen Flusses in dem Kern, dessen Wirkung dem Gleichflussanteil entgegengerichtet ist, einem Stromkreis, in dem die Kompensationswicklung angeordnet ist, wenigstens einer in dem Stromkreis und in Reihe zur Kompensationswicklung angeordneten Stromrichtereinheit, die einen Stromfluss über diese in nur einer Richtung ermöglicht, einem in dem Stromkreis und in Reihe zur Kompensationswicklung angeordneten Grobstufenzweig mit wenigstens zwei in Reihe geschalteten Hauptdrosselabschnitten, wobei wenigstens einem Hauptdrosselabschnitt ein niederohmiger Überbrückungspfad parallel geschaltet ist, in dem eine Schalteinheit angeordnet ist, die von einer Sperrstellung, in der ein Stromfluss über die Schalteinheit ermöglicht ist, in eine Unterbrecherstellung, in der ein Stromfluss über die Schalteinheit verhindert ist, oder umgekehrt überführbar ist, einem Sensor zum Erfassen des Gleichstomanteils und einer mit jeder Schalteinheit und dem Sensor verbundenen Steuerungseinheit, die zum Betätigen jeder Schalteinheit eingerichtet ist, so dass einen Stromfluss über so viele Hauptdrosselabschnitte einstellbar ist, dass der von dem Sensor erfasste Gleichstromanteil minimiert ist.
  • Die Erfindung löst diese Aufgabe ferner durch elektrisches Gerät mit einem Kern und wenigstens einer Wicklung, die zum Erzeugen eines magnetischen Flusses in dem Kern eingerichtet ist, wobei das elektrische Gerät eine induktiv mit dem Kern gekoppelte erfindungsgemäße Vorrichtung aufweist.
  • Schließlich löst die Erfindung die Aufgabe durch ein Verfahren zum Unterdrücken einen Gleichstromanteils beim Betrieb eines an ein Hochspannungsnetz angeschlossenen elektrischen Geräts, das einen Kern, wenigstens eine Wicklung zum Erzeugen eines magnetischen Flusses in dem Kern und eine in einem Stromkreis angeordnete und induktiv mit dem Kern gekoppelte Kompensationswicklung aufweist, wobei der Stromkreis wenigstens eine in Reihe zur Kompensationswicklung angeordnete Stromrichtereinheit, die einen Stromfluss über diese in nur einer Richtung ermöglicht, und einen in dem Stromkreis und in Reihe zur Kompensationswicklung angeordneten Grobstufenzweig mit wenigstens zwei in Reihe geschalteten Hauptdrosselabschnitten aufweist, wobei wenigstens einem Hauptdrosselabschnitt ein niederohmiger Überbrückungspfad parallel geschaltet ist, in dem eine Schalteinheit angeordnet ist, die von einer Sperrstellung, in eine Durchlassstellung oder umgekehrt überführbar ist, und eine Steuerungseinheit aufweist, die mit einem Sensor zum Erfassen des Gleichstromanteils und jeder Schalteinheit verbunden ist, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Erfassen des Gleichstromanteils durch den Sensor unter Bereitstellung eines Ausgangssignals, Überführen des Ausgangssignals an die Steuerungseinheit, Ansteuern der Schaltungseinheiten durch die Steuerungseinheit, so dass ein Strompfad über so viele Hauptdrosselabschnitte ermöglicht ist, dass sich im Stromkreis ein Stromfluss einstellt, der den Gleichflussanteil minimiert.
  • Erfindungsgemäß wird ein durch eine Kompensationswicklung fließender Gleichstrom durch Zu- und Abschalten von Hauptdrosselabschnitten eingestellt. Dabei sind alle Hauptdrosselabschnitte in Reihe zur Kompensationswicklung in einem Stromkreis angeordnet, in dem eine Stromrichtereinheit für die Gleichrichtung des im Stromkreis fließenden Stromes sorgt. Im Rahmen der Erfindung wird der kompensierende Gleichstrom in der Kompensationswicklung umso größer je mehr Hauptdrosselabschnitte überbrückt sind. Eine aufwändige Phasenanschnittsregelung ist im Rahmen der Erfindung überflüssig geworden. Eine einfache digitale Steuerung ist ausreichend. Diese überbrückt im Rahmen der Erfindung so viele Hauptdrosselabschnitte, dass der von dem Sensor in einem elektrischen Gerät gemessene Gleichstromanteil minimiert ist. Der Stromkreis der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist zweckmäßigerweise an einem Potentialpunt geerdet. Dieser Potentialpunkt ist in Richtung des von der Stromrichtereinheit zugelassenen Stromes im Stromkreis den Hauptdrosselabschnitten nachgeschaltet.
  • Der Hauptanteil der Erzeugung des Gleichstroms in der Kompensationswicklung am Kern des elektrischen Geräts übernimmt die Hauptdrossel, die Hauptdrosselabschnitte mit der Stufeninduktivität L aufweist. Die Stromrichtereinheit dient zur Gleichrichtung des Stromes im Stromkreis. Die im Stromkreis wirksame Induktivität der Hauptdrossel kann durch Rein- und Rausschalten von Teilwindungen als Hauptdrosselabschnitte einer angezapften Hauptdrossel oder durch Zu- und Wegschalten von in Reihe geschalteten Teildrosseln als Hauptdrosselabschnitten realisiert werden. Die Teildrosseln sind beispielsweise also eigenständige Drosseln ausgebildet und die im Grobstufenzweig in Reihe angeordnet. Jede Teildrossel ist durch einen Überbrückungszweig überbrückbar, wenn die im Überbrückungspfad angeordnete Schalteinheit eingeschaltet ist.
  • Der gemäß der Erfindung erzeugte Gleichstrom IDC ist umgekehrt proportional zur im Stromkreis wirksamen Induktivität gemäß IDC ∝ 1/L.
  • Die Hauptdrosselabschnitte weisen gemäß einer vorteilhaften Weiterentwicklung der Erfindung alle die gleiche Induktivität L auf. Mit anderen Worten kann man durch überbrücken von Hauptdrosselabschnitten den Stellbereich (0 ... Idc,max) in N gleiche Abschnitte unterteilen. Die Hauptdrosselabschnitte können jedoch hiervon abweichend im Rahmen der Erfindung auch unterschiedlich ausgestaltet sein, also eine voneinander abweichende Induktivität L aufweisen.
  • Gemäß einer bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung ist ein dem Grobstufenzweig parallel geschalteter Feinstufenzweig vorgesehen, der wenigstens zwei in Reihe geschaltete Nebendrosselabschnitten aufweist, wobei wenigstens einem Nebendrosselabschnitt ein niederohmiger Überbrückungspfad parallel geschaltet ist, in dem eine Schalteinheit angeordnet ist, die von einer Sperrstellung in eine Durchgangsstellung oder umgekehrt überführbar ist.
  • Vorzugsweise ist jede Schalteinheit eine elektronische Schalteinheit oder mit anderen Worten ein elektronischer Schalter. Elektronische Schalter weisen im Vergleich mit mechanischen Schaltern eine schnellere Schaltzeit auf. Unter dem Begriff Schaltzeit wird die Zeitdauer vom Auslösezeitpunt bis zum Zeitpunkt des Erreichens der Trennstellung verstanden. Die Schalter des Feinstufenzweiges müssen verglichen mit den Schaltern des Hauptstufenzweiges weniger Strom tragen und können daher kompakter als diese ausgestaltet sein.
  • Bevorzugt sind die Nebendrosselanschnitte wieder als eigenständige Teildrosseln oder in Gestalt von Anzapfungen einer großen Teildrossel ausgebildet. Die Nebendrosselabschnitte unterteilen einen Stellbereich des Hauptstufenzweigs in Unterabschnitt, so dass eine genauere Feinregelung ermöglicht ist. Ist der Stellbereich insgesamt (0 ... Idc,max) und unterteilt der Grobstufenzweig diesen Stellbereich in N gleich Grobabschnitte Idc,max/N dann unterteilt der Feinstufenzweig mit seinen M Teilinduktivitäten die Grobabschnitte in M Feinstufenabschnitte.
  • Unterteilt man die Feindrosselabschnitte auch in N gleiche Teilinduktivitäten und kommt jeder Teilinduktivität der Wert N*L zu, kann der Gleichstrom IDC mit einer Genauigkeit von 1/ (2*N) des maximalen Gleichstroms Idc,max eingestellt werden
  • Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass die durch eine Drosseln und Stromrichtereinheit erzeugten Strompulse nur einen Wechselstromanteil der Grundharmonischen und einen DC-Mittelwert in der Höhe der Amplitude des Wechselstroms aufweisen. Daher hat man keine hohen harmonischen Stromanteile, so dass Wirbelstromverluste in den Wicklungen herab gesetzt sind.
  • Im Rahmen der Erfindung ist kein Umrichter notwendig, stattdessen benötigt man nur relativ einfache Schaltelemente. Auch ist im Rahmen der Erfindung eine komplexe und fehleranfällige Phasenanschnittssteuerung vermieden. Erfindungsgemäß erhöht oder verringert die Steuerungseinheit den im Stromkreis fließenden Strom stufenweise, bis der von dem Sensor erfasste Gleichstromanteil minimiert ist.
  • Dies geschieht durch eine einfache digitale Ansteuerung der Schalter. Probleme mit einer so genannten Schwingungsneigung eines PI-Reglers sind im Rahmen der Erfindung vermieden. Auch müssen keine langwierigen Reglereinstellungen (Pl) vorgenommen werden. Erfindungsgemäß ist eine einfache Nullpunktregelung (minimales Sensorsignal) durch Zu- und Wegschalten der jeweiligen Drosselabschnitte ausreichend. Ferner entfällt die aufwändige Kalibrierung des Sensors.
  • Im Rahmen der Erfindung wird die im Stromkreis wirkende Induktivität stufig verändert. Dabei wirkt die Kompensationswicklung im Stromkreis als ideale Spannungsquelle. Beim Betrieb eines elektrischen Geräts, das eine erfindungsgemäße Vorrichtung aufweist, wird in der Kompensationswicklung, die induktiv mit der oder den Wicklungen des elektrischen Geräts gekoppelt ist, eine Spannung induziert. Diese Spannung treibt einen durch die Stromrichtereinheit gleichgerichteten Strom im Stromkreis, dessen Größe von der im Stromkreis eingestellten Induktivität abhängig ist. Der Stromkreis, in dem die Kompensationswicklung und die Haupt- und ggf. Nebendrosselabschnitte angeordnet sind, ist erfindungsgemäß ein geschlossener und an einer Stelle geerdeter Stromkreis.
  • Schaltet man in einem geschlossenen Stromkreis, der eine ideale Spannungsquelle aufweist, eine Stromrichtereinheit, beispielsweise eine Diode, und Haupt- und ggf. Nebendrosselabschnitte in Reihe, so fließt folgender Strom im Stromkreis: i t = I DC 1 − cos ωt mit I DC = U eff 2 ωL
    Figure imgb0001
  • Es fließt somit ein Gleichstrom IDC, der von einem Wechselstrom überlagert wird, wobei die Amplitude des Wechselstromes dem Wert des Gleichstroms in etwa entspricht. ω entspricht der Kreisfrequenz des Wechselstromes. L steht für die Induktivität des Stromkreises. Ueff ist der Effektivwert der Wechselspannung, die in der Kompensationswicklung induziert wird.
  • Beim Betrieb des elektrischen Geräts ist dieses im Rahmen der Erfindung an ein Hochspannungsnetz angeschlossen. Das elektrische Gerät ist daher für Hochspannungen ausgelegt und beispielweise ein Transformator, insbesondere Leistungstransformator oder eine Drossel. Ein solcher Transformator oder eine solche Drossel verfügt bevorzugt über einen mit einem Isolierfluid befüllten Tank. In dem Tank ist ein Aktivteil angeordnet, das einen magnetisierbaren Kern und wenigstens eine Wicklung aufweist. Wenigstens eine Wicklung ist beim Betrieb mit dem Wechselspannung führenden Hochspannungsnetz verbunden. Als Isolierfluid kommt beispielsweise eine Esterflüssigkeit oder ein mineralisches Öl in Betracht. Es dient neben der elektrischen Isolation des Aktivteils gegenüber dem auf Erdpotential liegenden Tank auch zur Kühlung der Wärme entwickelnden Bauteile.
  • Als Sensor kommt im Rahmen der Erfindung jeder Sensor in Betracht, der Gleichströme erfassen und in Abhängigkeit der Größe des Gleichstroms ausgangsseitig ein elektrisches Signal bereitstellt. Das elektrische Signal kann ein analoges elektrisches Signal, beispielsweise ein elektrischer Strom oder eine Spannung sein, dessen Stärke oder Intensität der Größe des erfassten Gleichstromes entspricht. Das Ausgangssignal des Sensors kann jedoch im Rahmen der Erfindung auch ein digitales Signal, wie beispielsweise eine Folge digitaler Werte, sein, die z.B. durch Abtasten eines analogen Signals unter Gewinnung von Abtastwerten und digitalisieren der Abtastwerte erzeugt wurden.
  • Das elektrische Gerät ist im Rahmen der Erfindung für einen Betrieb im Spannungs- bzw. Hochspannungsnetz ausgelegt, d.h. für eine Betriebsspannung zwischen 1 kV und 1200 kV, insbesondere 50 kV und 800 kV. Das Hochspannungsnetz ist bevorzugt ein Wechselspannungsnetz. Aber auch eine Kombination aus Wechsel- und Gleichspannungsnetz ist im Rahmen der Erfindung möglich.
  • Erfindungsgemäß ist ein elektrisches Gerät, beispielsweise ein Transformator, insbesondere Leistungstransformator, eine Drossel oder dergleichen.
  • Gemäß einer weiteren Variante der Erfindung ist jede Schalteinheit eine elektronische Schalteinheit. Eine elektronische Schalteinheit oder mit anderen Worten ein elektronischer Schalter ist beispielsweise ein ansteuerbarer Leistungshalbleiter, der durch ein Steuer- oder Zündsignal von einer Sperrstellung, in der ein Stromfluss über den Leistungshalbleiter unterbrochen ist, in eine Durchgangsstellung überführt wird, in der ein Stromfluss über den Leistungshalbleiterschalter ermöglicht ist. Ein ansteuerbarer Leistungshalbleiter ist beispielsweise ein Thyristor, GTO, IGBT, IGCT oder dergleichen.
  • Gemäß einer diesbezüglich zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindnung ist jede elektronische Schalteinheit ein Thyristor. Thyristoren sind besonders robuste Leistungshalbleiter und kostengünstig am Markt erhältlich. Thyristoren können aktiv nur von einer Sperrstellung in die Durchgangstellung überführt werden. Sie können also mit anderen Worten nur ein- oder zugeschaltet werden. Um von der Durchgansstellung in die Sperrstellung zu gelangen, muss der über den Thyristor fließende Strom einen Haltestrom unterschreiten. Dies ist jedoch im Rahmen der Erfindung gewährleistet, da die Kompensationswicklung eine Wechselspannung im Stromkreis erzeugt, die bei einem Polaristionswechsel für einen Strom im Stromkreis sorgt, der den Haltestrom des Tyristors unterschreitet. Soll ein Schaltkreis zugeschaltet werden, wird der Tyristor dauergezündet.
  • Gemäß einer Variante der Erfindung weist jede Schalteinheit wenigstens zwei gegensinnig zueinander parallel geschaltete Thyristoren auf.
  • Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung dienen die Thyristoren nicht nur als Schalter, sondern auch als Stromrichtereinheit. Befindet sich ein Thyristor in seiner Durchgangsstellung ist der Stromfluss über ihn in nur einer Richtung möglich. Mit anderen Worten richtet der Thyristor den Strom zugleich.
  • Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung unter Bezug auf die Figur der Zeichnung, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleichwirkende Bauteile verweisen und wobei
    • Figur 1
    ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung, und
    Figur 2
    die Stellbereiche der Vorrichtung gemäß Figur 1 schematisch verdeutlicht.
  • Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1, die einen Stromkreis 2 umfasst, in dem eine Kompensationswicklung 3 angeordnet ist. Die in Kompensationswicklung 3 ist beim Betrieb der Vorrichtung 1 induktiv mit einer Oberspannungswicklung eines figürlich nicht dargestellten Leistungstransformators gekoppelt, wobei der Leistungstransformator an ein Wechselspannung führendes Hochspannungsnetz mit einer Nennspannung von 325 kV angeschlossen ist.
  • Im Stromkreis 2 ist in Reihe zur Kompensationswicklung 3 eine Stromrichtereinheit 4 erkennbar, die in dem dargestellten Beispiel als Diode 4 ausgeführt ist. Die Diode 4 ist ein nicht ansteuerbarer Leistungshalbleiter.
  • Die Stromrichtereinheit oder mit anderen Worten die Diode 4 ermöglicht einen Stromfluss im Stromkreis 2 in nur einer Richtung, die durch die Spitze des Dreiecks also in Figur 1 von links nach rechts angedeutet ist.
  • Der geerdete Stromkreis 2 verfügt ferner über einen Grobstufenzweig 5, sowie über einen Feinstufenzweig 6. In dem Grobstufenzweig 5 sind Hauptdrosselabschnitte 71, 72, 73 ... 7n in Reihe geschaltet. Bis auf den ersten Hauptdrosselabschnitt 71 sind alle weiteren Hauptdrosselabschnitte 72, 73... 7n durch einen Überbrückungspfad 82, 83 ... 8n überbrückbar. In jedem der aufgezählten Überbrückungspfade 82, 83 ... 8n ist eine Schalteinheit 9 angeordnet. Jede Schalteinheiten 9 ist als Tyristor ausgeführt, der über eine gestrichelt dargestellte Signalleitung mit einer Steuerungseinheit 10 verbunden ist. Um einen Hauptdrosselabschnitt oder einen Nebendrosselabschnitt in den Stromreis 2 zu schalten, muss sich der Thristor in seiner Unterbrecherstelltung befinden. Mit anderen Worten darf der Tyristor, der aktiv nur von seiner Sperrstellung in seine Durchgangsstellung überführt werden kann, nicht gezündet werden. Um den Thyristor wieder auszuschlaten, um ihn also von seiner Durchgangsstellnung in seine Sperstellung zu überführen, muss der über den Thyristor fließende Strom eine Haltestrom unterschreiten. Der Haltestrom ist liegt im Bereich eines Nullstroms. Auf Grund der von der Kompensationswicklung her rührenden Wechselspannung wird der Haltestrom periodisch unterschritten. Zum Überbrücken wird der Thyristor dauergezündet.
  • Die Steuerungseinheit 10 ist eingansseitig mit einem Sensor 11 verbunden, der zum Erfassen eines Gleichstromanteils in einem elektrischen Gerät, wie einem Transformator eingerichtet ist. In dem Feinstufenzweig 6 sind N Nebendrosselabschnitte 121, 122, 123 ... 12n in Reihe geschaltet. Die dem ersten Feinstufenabschnitt folgenden Feinstufenabschnitte 122, 123 ... 12n sind wieder durch Überbrückungszweige 132, 133 ... 13n, in denen jeweils eine Schalteinheit 9 angeordnet ist, überbrückbar.
  • Auch die Schalteinheiten 9 des Feinstufenzweig es 6 sind über gestrichelt dargestellte Signalleitungen mit der Steuerungseinheit 10 verbunden. Die Hauptdrosselabschnitte 71, 72, 73 weisen die gleich Induktivität L auf. Die Induktivität der Feindrosselabschnitte 121, 122, 123 ist größer. Sie beträgt im gezeigten Ausführungsbeispiel N x L. Da die Feindrosselabschnitte jedoch einen geringeren Strom tragen, können diese vergleichsweise kompakter ausgestaltet werden.
  • Figur 2 zeigt den Regelbereich der Hauptdrosselabschnitte 71, 72, 73... 7n sowie die Regelbereich der Feindrosselabschnitte 121, 122, 123 ... 12n. In Figur 2 sind lediglich zwei Hauptregelbereiche 141, 142 dargestellt. Der Hauptregelbereich 142 ist wiederum in Feinregelbereiche 151 bis 15n unterteilt.
  • Die Steuerungseinheit 10 kann nun durch Öffnen der Tyristoren 9 so viele Hauptdrosselabschnitte 71, 72, 73 ... 7n und Nebendrosselabschnitte 121, 122, 123 ... 12n überbrücken, dass sich im Stromkreis 2 ein Strom einstellt, der den Gleichstromanteil in dem Transformator, in dem die Vorrichtung 1 verbaut ist, minimiert.

Claims (10)

  1. Vorrichtung (1) zum Unterdrücken eines magnetischen Gleichstromanteils im magnetisierbaren Kern eines elektrischen Geräts, mit
    - einer Kompensationswicklung (3) zum Erzeugen eines magnetischen Flusses in dem Kern, dessen Wirkung dem Gleichflussanteil entgegengerichtet ist,
    - einem Stromkreis (2), in dem die Kompensationswicklung (3) angeordnet ist,
    - wenigstens einer in dem Stromkreis (2) und in Reihe zur Kompensationswicklung (3) angeordneten Stromrichtereinheit (4), die einen Stromfluss über diese in nur einer Richtung ermöglicht,
    - einem in dem Stromkreis (2) und in Reihe zur Kompensationswicklung (3) angeordneten Grobstufenzweig (5) mit wenigstens zwei in Reihe geschalteten Hauptdrosselabschnitten (71, 72, ... 7n), wobei wenigstens einem Hauptdrosselabschnitt (72, ... 7n) ein niederohmiger Überbrückungspfad (82, ... 8n) parallel geschaltet ist, in dem eine Schalteinheit (9) angeordnet ist, die von einer Durchlassstellung, in der ein Stromfluss über die Schalteinheit (9) ermöglicht ist, in eine Unterbrecherstellung, in der ein Stromfluss über die Schalteinheit (9) verhindert ist, oder umgekehrt überführbar ist,
    - einem Sensor (11) zum Erfassen des Gleichstomanteils und
    - einer mit jeder Schalteinheit (9) und dem Sensor (11) verbundenen Steuerungseinheit (10), die zum Betätigen jeder Schalteinheit (9) eingerichtet ist, so dass ein Stromfluss über so viele Hauptdrosselabschnitte (71, 72, ... 7n) einstellbar ist, dass der von dem Sensor (11) erfasste Gleichstromanteil minimiert ist.
  2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1,
    gekennzeichnet durch
    einen dem Grobstufenzweig parallel geschalteten Feinstufenzweig (6) mit wenigstens zwei in Reihe geschalteten Nebendrosselabschnitten (121, 122, ... 12n), wobei wenigstens einem Nebendrosselabschnitt (121, 122, ... 12n) ein niederohmiger Überbrückungspfad (132, ... 13n) parallel geschaltet ist, in dem eine Schalteinheit (9) angeordnet ist, die von einer Sperrstellung in eine Durchgangsstellung oder umgekehrt überführbar ist.
  3. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    jede Schalteinheit eine elektronische Schalteinheit (9) ist.
  4. Vorrichtung (1) nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    jede elektronische Schalteinheit ein Thyristor (9) ist.
  5. Vorrichtung (1) nach Anspruch 3 oder 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    jede Schalteinheit wenigstens zwei gegensinnig zueinander parallel geschaltete Thyristoren (9) aufweist.
  6. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinheiten (9) zumindest teilweise als Stromrichtungseinheit (4) dienen.
  7. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass Hauptdrosselabschnitte (71, 72, ... 7n) identisch oder unterschiedlich zueinander ausgebildet sind.
  8. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass Nebendrosselabschnitte i(121, 122, ... 12n) dentisch oder unterschiedlich zueinander ausgebildet sind.
  9. Elektrisches Gerät mit einem Kern und wenigstens einer Wicklung, die zum Erzeugen eines magnetischen Flusses in dem Kern eingerichtet ist, und einer induktiv mit dem Kern gekoppelten Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
  10. Verfahren zum Unterdrücken einen Gleichstromanteils beim Betrieb eines an ein Hochspannungsnetz angeschlossenen elektrischen Geräts, das einen Kern, wenigstens eine Wicklung zum Erzeugen eines magnetischen Flusses in dem Kern und einen in einem Stromkreis (2) angeordnete und induktiv mit dem Kern gekoppelte Kompensationswicklung (3) aufweist, wobei der Stromkreis (2) wenigstens eine in Reihe zur Kompensationswicklung (3) angeordnete Stromrichtereinheit (4), die einen Stromfluss über diese in nur einer Richtung ermöglicht, und einen in dem Stromkreis und in Reihe zur Kompensationswicklung (3) angeordneten Grobstufenzweig (5) mit wenigstens zwei in Reihe geschalteten Hauptdrosselabschnitten (71, 72, ... 7n), wobei wenigstens einem Hauptdrosselabschnitt (72,... 7n) ein niederohmiger Überbrückungspfad (82, ... 8n) parallel geschaltet ist, in dem eine Schalteinheit (9) angeordnet ist, die von einer Sperrstellung, in eine Durchlassstellung oder umgekehrt überführbar ist, und eine Steuerungseinheit (10) aufweist, die mit einem Sensor (11) zum Erfassen des Gleichstromanteils und jeder Schalteinheit (9) verbunden ist, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
    - Erfassen des Gleichstromanteils durch den Sensor (9) unter Bereitstellung eines Ausgangssignals,
    - Überführen des Ausgangssignals an die Steuerungseinheit (10),
    - Ansteuern der Schalteinheiten (9) durch die Steuerungseinheit (10), so dass ein Stromfluss über so viele Hauptdrosselabschnitte (71, 72, ... 7n) ermöglicht ist, dass sich ein Stromfluss im Stromkreis (2) einstellt, der den Gleichflussanteil minimiert.
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