SE503518C2 - Symmetreringsdon med Z-kopplade lindningar - Google Patents

Description

10 15 20 25 30 503 518 2 Ett liknande, känt arrangemang visas också i SU 1504-725.

I DE 2155903 visas ett på annat sätt utformat symmetreringsdon. l detta fall utnyttjas inte någon Z-koppling men varje fas har en separat magnetkäma av konventionellt utförande.

Antalet sekundärlindningar skall vid denna konstruktion motsvara antalet faser. Även vid arrangemanget enligt US 2 488 628 erbjuds möjlighet att för ett symmetre- ringsdon utnyttja separata magnetkämor. Fördelen anges vara förenklade transportmöjligheter vid hantering av varje enhet för sig. Konstruktionens drift medför dock generellt inte någon förändring.

Ett väsentligt syfte med uppfinningen är nu att åstadkomma ett symmeringsdon, som ger en ännu bättre balans i ett elektriskt trefasnät än vad som varit möjligt att åstadkomma med tidigare känd teknik. Detta blir möjligt genom att symmetreringsdonet för varje fas i trefassystemet innefattar en separat toroidforrnad magnetkärna, på vilken är anordnade åtminstone två sinsemellan elektriskt isolerade lindningar, vilka är Z-kopplade. Det nya symmetreringsdonet är avsett att verka både såsom reaktor och såsom transformator. I det förra fallet innefattar detsamma två lindningar av sekundärlindningstyp på varje magnetkäma och i det senare fallet är en av lindningama på varje magnetkärna av primärlindningstyp.

Genom att Z-kopplingen utförs på tre separata järnkämor blir konstruktionen helt symmetrisk för samtliga tre faser i nätet. Symmetrin kan dessutom förbättras ytterligare genom att - vid användning av två lindningar på varje kärna - de båda lindningama lindas samtidigt och järnnt fördelade över hela järnkäman. Härigenom minimeras läckflödet och nollföljdsimpedansen blir nästan helt resistiv. Detta medför att nollföljdimpedansen blir frek- vensoberoende och dess styrka bestäms då endast av möjligheten att linda spelarna med grov tråd.

Det bör observeras att en Z-kopplad transformator på trebenskärna ger ett mindre magnetiskt läckfált än en motsvarande transformator med Y-koppling på sekundärsidan. Tre Z-kopplade enfastransforrnatorer minskar då ytterligare läckfältet. En toroidkäma ger mycket lågt läckfalt beroende på lindningens utfomming samt valet av kärnmaterial. En trefaskopp- ling av toroider ger ett lägre läckfalt än motsvarande en- och trefastransforrnatorer. Tre toroidtransformatorer i Z-koppling förenar toroidens och Z-kopplingens fördelar.

Väsentliga kännetecken på uppfinningen, vilka inte framgår av det ovanstående, följer av de osjälvständiga patentkraven.

Uppfrnningens särdrag och fördelar kommer att beskrivas närmare nedan i form av 10 l5 20 25 30 503 513 3 fördelaktiga utföringsexempel under hänvisning till den bifogade ritningen.

Fig. l visar det enligt uppfinningen utformade symmetreringsdonet i samband med en reaktorkoppling.

Fig. 2 visar den i fig. l åstadkomna reaktorkopplingen kompletterad med en extra öppen D-lindning, till vilken yttre impedanselement kan anslutas.

F ig. 3 visar i diagramform Ul-karaktäristiken vid ett kopplingsarrangemang enligt fig. 2.

F ig. 4 visar en av flera tranforrnatorkopplingar enligt uppfinningen.

Fig. 5 och 6 visar ett kopplingsarrangemang dels med kondensatoreri Y-koppling, dels kopplade såsom en Z-reaktor.

Fig. 7 visar ett diagram avseende frekvensen för nollföljdsimpedans vid ett kopp- lingsarrangemang enligt uppfinningen.

I de olika ritningsfigurerna är likadana delar försedda med samma hänvisnings- beteckningar.

Det i fig. 1 åskådliggjorda symmetreringsdonet är inkopplat såsom reaktor i en önskad punkt i ett distributionsnät med tre ledningsfaser Ll, L2 och L3. En belastning 10 är inkopplad mellan ledningsfas Ll och nolledningen N. Symmetreringsdonet är i föreliggande fall försedd med tre helt separata magnetkämor 12, 14 och 16 av järn. Magnetkämoma 12, 14, 16 är utfonnade såsom åtskilt anordnade toroider och varje kärna är försedd med två elektris- ka lindningar 18, 20; 22, 24; resp 26, 28. Lindningama är på resp. kärna i elektriskt avseende helt isolerade från varandra och kan vara anordnade koncentriskt (icke visat på ritningen), varvid de har något olika impedans. Den resistiva olikheten vid låga frekvenser motverkas vid den åskådliggjorda Z-kopplingen av att en yttre lindning. t. ex. 18, alltid kopplas ihop med en inre, 24. Dock kvarstår skillnaden i induktans. Med bifilär lindning utjämnas både den resistiva och induktiva delen. Ökat läckflöde innebär ökad resistiv förlust, bland annat på grund av strömförträngning. Genom att magnetkämoma 12. 14, 16 är helt åtskilda finns det inte någon magnetisk koppling mellan desamma. Denna åtskillnad medför emellertid att kravet på amperevarvbalans för varje kärna 12, 14, 16 är mycket stark. En konstruktion med skilda kämor och utbredda lindningar uppfyller målsättningen att åstadkomma så små läckfält som möjligt.

Den teori, som ligger till grund för uppfinningsiden, är baserad på följande förhållan- den: 10 15 20 25 30 503 518 4 Antag att lindningama 18, 20; 22, 24; resp 26, 28 har olika varvtal: N] och NZ ß=fl+Q ís = fB fT = fc 'íF = ífiírfíc I-EÜFI-»tfiz ídfifïß' 1:12 Villkoret för amperevarvsbalans är således att fi, = 1:12 och att strömmarna lA = lB = fc, vilket medför att IF = 3 - lA En Z-kopplad trefastransformator/reaktor, vilken är utforrnad enligt uppfinningens principer, kan även utnyttjas för spänningsbegränsning. Den i fig. 1 åskådliggjorda reaktorkopplingen kan sålunda enligt fig. 2 vara kompletterad med en extra D-lindning 30, 32 resp. 34 på varje kärna 12, 14 resp 16. Med hjälp av denna kan UI-karaktäristiken vid knä- punkten enligt diagrammet i fig. 3 varieras. Kurvart till vänster i diagrammet visar förhållan- dena då den extra D-lindningen är inkopplad och kurvan till höger förhållandena utan extra D- lindning. Detta kan utnyttjas både vid eldistribution och vid elkraftgenerering, exempelvis vid kondensatorrnagnetisering av en asynkronmaskin. I detta fall ger den Z-kopplade reaktom, förutom överspänningsskydd, även en nätnollpunkt och lastsymmetrering. Då symmetre- ringsdonet används för spänningsbegränsning av detta slag bestäms dess frekvensegenskaper av utformningen av lindning och kärna.

Normalt lindas en Z-kopplad trebenstransformator med 15 procent extra lind- ningsvarv på grund av lindningsspänningamas fasläge. Om tre enskilda enfastransformatorer Z-kopplas i toroidutförande till en trefastransforrnator kan denna dock magnetiseras till full spänning utan att det behövs extra lindningsvarv. Detta beror på att delspärmingama är deformerade samtidigt som sumrnaspänningen över lindningarna är sinusformad. Detta innebär alltså att en transformator, som är utformad enligt uppfinningens principer, kan erhålla ett färre antal lindningsvarv, dock med en viss ökning av magnetiseringsströmmens övertonshalt. Denna effekt kan utnyttjas dels för att minska kostnadema för en Z-trans- 10 15 20 25 30 503 518" 5 formator/reaktor och dels för överspänningsbegränsning.

Toroidtransformatoms lindningsteknik gör det möjligt att använda kärnmaterial, vilket ej bladas eller hopfogas. Även hela kämor kan alltså utnyttjas. I stömingsfilter används med fördel kämor av ferrit m.m., vilka har mycket goda högfrekvensegenskaper.

Trefastransformatoms primärlindning kan vara D-, Y- eller Z-kopplad. Sekundär- sidan utföres dock alltid Z-kopplad, så att den blir symmetrisk och lågohmig. Den i fig. 4 såsom exempel visade transformatorkopplingen har D-kopplad primärsida och Z-kopplad sekundärsida. Om primär- och sekundärlindningarna utformas åtskilda, så erhålls sedvanlig begränsad kortslutningsström. Fördelarna med detta är att kortvariga överspärmingar kan klaras av på primärsidan utan att sekundärsidans spänningar höjs över begränsningsnivån.

Om en Z-kopplad reaktor inkopplas vid slutet av ett elnät så erhålls en bättre balansering vid en- och tvåfasig kortslutning utmed ledningssträckan. Detta innebär en utjämning av spänningar och strömvariationer.

Ett utförande av en Z-kopplad trefastransforrnator/induktor med skilda toroidformade magnetkämor innebär att de tre fasema vid tomgång är helt symmetriska beträffande spän- ning, ström, effekt och effektfaktor. Vid utnyttjande av separata magnetkärnor är effektfaktom dessutom, vid märkspänning, betydligt högre än vid utnyttjande av trebenskäma.

Det är vanligt att man mäter nollpunktsspänning under utnyttjande av Y-kopplade impedanselement, induktorer motstånd, kondensatorer. En Z-reaktor, som består av tre enligt uppfinningens principer utfonnade enfasreaktorer, uppvisar dock en nollföljdsimpedans som - är betydligt lägre än dess pulsföljdsimpedans. Utförandet kan vara: - i forrn av reaktor [fig. 1, dock utan lastimpedans (lO)] - som transformator (exempelvis enligt fig. 4); dessutom kombinerad med konden- satorer enligt fig. 5 och 6.

I kopplingen enligt fig. 5 upptar kondensatorema 38, 40, 42 en stor del av grundtonsspänningen och minskar därmed kärnans storlek.

I fig. 6 kompenserar kondensatorema 38', 40', 42' den ökande läckinduktansen vid mycket höga frekvenser.

Traditionsenligt anses nollfóljdsimpedansen vara induktiv (Zo = Xo). Nollföljds- impedansen består generellt dels av den lindade spolens induktiva egenskaper och dels av kärnans induktiva egenskaper (imfr. med magnetiseringskretsens induktiva del i en strömtransformator). Z-kopplingen ger en utbalansering av flödet mellan lindningarna. Ju 10 15 20 25 503 518 6 bättre kopplingen är mellan lindningama desto mindre utnyttjas käman. En bra koppling erhålls om lindningama lindas bifilärt. Toroidlindningens förrnåga att ge lågt läckfält minskar dels den direkta läckinduktansen, dels tillägget från käman. Genom att Z-koppla tre toroid- kämor i en trefaskoppling, som utnyttjar de ovan nämnda egenskapema, erhålls en mycket flack frekvenskaraktäristik for nollföljdsimpedansen. Detta framgår av diagrammet i fig. 7, där Zg anger grundtonsimpedansen, fo grundtonsfrekvensen och fm frekvensen vid minsta värde på Zo.

Impedansen vid grundtonsfrekvensen är nästan enbart resistiv och reaktansen ändras långsamt vid ökande frekvens. Ändringstakten beror på utfórandeforrnen av lindning och käma. Av diagrammet framgår att en minimipunkt erhålls, vilket innebär att nollfóljdsimpedansen för tredje ton är lägre än för grundton. Den Z-kopplade toroidtrans- formatorn/reaktom möjliggör att nollfóljdsimpedansen blir huvudsakligen resistiv inom ett brett frekvensområde. Nollföljdsimpedansen resistiva del består då huvudsakligen av lindningens resistans. Med tillfogandet av kondensatorema enligt fig; 6 kan det resistiva frekvensområdet ytterligare vidgas.

Vid fasavbrott i en normalt trefasigt eldistributionsnät, som innehåller osymmetriska laster - enfas eller tvåfas - kan mellanspänningar uppstå. Vid jordslutning i trefasnätet uppstår under bryttiden förhöjd spänning till jord på icke jordslutna fasledare. Det utbredda jordningssystemet kan innebära spänningssättning mellan olika jordförbundna anläggningsde- lar, t.ex. vattenledning-avlopp, vattenledning-skyddsj ord, osv.. Ur elsäkerhetssynpunkt innebär en symmetrering med hjälp av symmetreringsdonet enligt uppfinningen att osymmetriströmmar àterföres till trefasnätets faser så nära osymmetripunkten som möjligt.

En utformning av symmetreringsdonet såsom transformator eller reaktor medför att nollföljdsimpedansen är utpräglat resistiv och att det yttre magnetfáltet följaktligen blir litet.

Ett trefasnät, som utnyttjar symmetreringsdonet enligt uppfinningen, kommer att uppföra sig mera symmetriskt vid varierande laster, störningar, till- och frånslag, fasbortfall m.m.. Detta medför mindre stömingsproblem i form av vagabonderande strömmar, magnet- fält, överspänningar samt överbelastningar i nolledare och strömskenor. Tidigare har dessa problem åtgärdats var för sig utan tanke på helheten.

Claims (10)

10 15 20 25 so: 518 7 Patentkrav

1. Med Z-kopplade lindningar utformat Symmetreringsdon, vilket är avsett att vid användning i ett effektdon möjliggöra förbättring av balansen i ett elektriskt trefassystem, varvid symmetreringsdonet exempelvis fungerar som ett filter, och att vid användning i ett mätdon möjliggöra bildande av en stabil referensmätpunkt med avseende på amplitud, fas och frekvens hos elektriska storheter i ett trefassystem, k ä n n e te c k n a t av att symmetre- ringsdonet för varje fas i trefassystemet innefattar en separat toroidforrnad magnetkärna (12, 14 resp. 16), på vilken är anordnade åtminstone tvâ sinsemellan elektriskt isolerade lindningar (18, 20; 22, 24; resp. 26, 28), vilka är Z-kopplade.

2. Symmetreringsdon enligt kravet l, k ä n n e t e c k n a t av att det innefattar två lindningar (20, 30; 24, 32; 28, 34) av sekundärlindningstyp på varje magnetkäma (12, 14, 16), varvid symmetreringsdonet är avsett att verka såsom reaktor. I

3. Symmetreringsdon enligt kravet l, k ä n n e t e c k n at av att en av lindningarna på varje magnetkärna ( 12, 14, 16) är av primärlindningstyp, varvid symmetreringsdonet är avsett att verka såsom transformator.

4. Symmetreringsdon enligt något av kraven 1-3, k ä n n e t e c k n at av att magnetkämoma (12, 14, 16) är homogena.

5. Symmetreringsdon enligt något av kraven l-4, k ä n n e t e c k n a t av att magnetkärnoma (12, 14, 16) är ferritlcärnor.

6. Symmetreringsdon enligt något av kraven l-S, k ä n n e t e c k n at av att lind- ningama är anordnade på varje magnetkäma (12, 14, 16) med ett inbördes mellanrum.

7. Symmetreringsdon enligt något av kraven 3-6. k ä n n e t e c k n a t av att de tre magnetkämomas (12, 14, 16) primärlindningar är avsedda för D-, Y- eller Z-koppling.

8. Symmetreringsdon enligt något av kraven l-7, k ä n n e t e c k n a t av att lindningama är biñlärt anordnade på varje magnetkärna (12, 14, 16).

9. Symmetreringsdon enligt något av kraven l-8. k ä n n e te c k n at av att lindningama är jämnt fördelade utmed hela sträckningen av varje magnetkäma (12, 14, 16).

10. Symmetreringsdon enligt något av kraven 1-9. k ä n n e t e c k n a t av att lindningama på varje magnetkäma (12, 14, 16) är anordnade koncentriskt relativt varandra.