VORRICHTUNG ZUR VERRINGERUNG EINES MAGNETISCHEN GLEICHFLUSS-ANTEILS IM KERN EINES TRANSFORMATORS

Beschreibung

Technisches Gebiet

[0001] 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.

[0002] 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

[0003] 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.

[0004] 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.

[0005] Manche Energieübertragungsunternehmen verlangen daher in der Spezifikation von Transformatoren bereits 100 A Gleichstrom für den Sternpunkt des Transformators.

[0006] Gemäß der WO 2012/041368 A1 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.

[0007] 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.

[0008] WO 2012/041367 A1 offenbart eine Anordnung zum Verringern eines Gleichfeldanteils im Kern eines Transformators, umfassend eine Kompensationswicklung, die mit dem Kern des Transformators magnetisch gekoppelt ist und einen Gleichstromerzeuger, der in Reihe mit der Kompensationswicklung und mit einem Reaktanzzweipol angeordnet ist, wobei der Reaktanzzweipol aus einer Parallelschaltung einer Induktivität und einem Kondensator gebildet ist, um in die Kompensationswicklung einen Kompensationsstrom einzuspeisen, dessen Wirkung dem Gleichfeldanteil im Kern entgegengesetzt gerichtet ist, wobei, die Induktivität aus einer ersten Wicklung gebildet ist, welche mit einer zweiten Wicklung magnetisch gekoppelt ist, wobei die erste Wicklung mit ihrem einen Ende mit dem Gleichstromerzeuger und mit ihrem anderen Ende mit der Kompensationswicklung verbunden ist, und die zweite Wicklung mit dem Kondensator parallel geschaltet ist.

Darstellung der Erfindung

[0009] 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.

[0010] Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen definiert.

[0011] In der Vorrichtung nach Anspruch 1 ist

- die steuerbare Stromquelle zum Einspeisen von Strom in die Kompensationswicklungen elektrisch in Reihe mit den Kompensationswicklungen angeordnet, und zwar mit deren Sternpunkt, der von den Eingängen der Kompensationswicklungen gebildet wird, und

- der Sternpunktbildner elektrisch leitend mit den Ausgängen der Kompensationswicklungen verbunden, wobei

- die Stromquelle den Sternpunkt der Kompensationswicklungen und den Sternpunkt des Sternpunktbildners elektrisch miteinander verbindet.

[0012] 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.

[0013] 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.

[0014] 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

[0015] 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 A1 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.

[0016] Der Sternpunktbildner kann zur besseren Lastverteilung Wicklungen in Zickzackschaltung umfassen.

Kurzbeschreibung der Figuren

[0017] 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

[0018] 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.

[0019] 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.

[0020] Die steuerbare Stromquelle S ist elektrisch direkt in Reihe mit den Kompensationswicklungen K1, K2, K3 geschaltet, und zwar sind die Eingänge der Kompensationswicklungen K1, K2, K3 in einem Sternpunkt P1 zusammengeschaltet, der direkt mit der Stromquelle S verbunden ist. Je eine Kompensationswicklung K1, K2, K3 ist auf einem Schenkel eines - hier nicht dargestellten - Dreiphasentransformators angeordnet.

[0021] Beim Sternpunktbildner H sind die drei (hier oberen) Primärwicklungen mit ihrem einen Anschlussende jeweils an einen Ausgang einer Kompensationswicklung K1, 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.

[0022] 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.

[0023] Primär- und Sekundärwicklungen des Sternpunktbildners H sind gleich groß, haben also etwa die gleiche Windungszahl, werden aber in unterschiedlichen Richtungen vom Strom durchflossen. Damit wird bei gleichem Strom in unterschiedlichen Wicklungen kein Fluss im Kern des Sternpunktbildners H induziert.

[0024] Die Stromquelle S ist direkt einerseits mit dem Sternpunkt P1 der Kompensationswicklungen K1, K2, K3 und andererseits mit dem Sternpunkt P2 des Sternpunktbildners H elektrisch verbunden.

[0025] Ähnlich zur Fig. 1 könnte auch bei Fig. 2 eine Strombegrenzungsdrossel L elektrisch in Reihe mit der Stromquelle S angeordnet sein.

[0026] 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-Gleichstrom 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.

Bezugszeichenliste:

[0027] 

H

Sternpunktbildner

K, K1, K2 ,K3

Kompensationswicklung

L

Strombegrenzungsdrossel

P1

Sternpunkt der Kompensationswicklungen K1, K2, K3

P2

Sternpunkt des Sternpunktbildners H

T

Schalteinheit (Thyristor)

Ansprüche

1. Vorrichtung zur Verringerung eines magnetischen Gleichfluss-Anteils im Kern eines Transformators, insbesondere eines Dreiphasentransformators, umfassend eine steuerbare Stromquelle (S), einen Sternpunktbildner (H), sowie mehrere Kompensationswicklungen (K1, K2, K3), welche magnetisch mit dem Kern des Transformators
koppelbar sind, wobei

- die steuerbare Stromquelle (S) zum Einspeisen von Strom in die Kompensationswicklungen (K1, K2, K3) elektrisch in Reihe mit den Kompensationswicklungen (K1, K2, K3) angeordnet ist, und zwar mit deren Sternpunkt (P1), der von den Eingängen der Kompensationswicklungen (K1, K2, K3) gebildet wird, und

- der Sternpunktbildner (H)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.

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 Vorrichtung eine Messeinrichtung zum Erfassen des magnetischen Gleichfluss-Anteils umfasst, welche mit der steuerbaren Stromquelle (S) verbunden ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass pro Phase des Transformators eine Kompensationswicklung (K1, K2, K3) vorgesehen ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sternpunktbildner (H) Wicklungen in Zickzackschaltung umfasst.

Claims

1. Apparatus for reducing a magnetic unidirectional flux component in the core of a transformer, in particular a three-phase transformer, comprising a controllable current source (S), a neutral earthing transformer (H) and a plurality of compensation windings (K1, K2, K3) which are able to be magnetically coupled to the core of the transformer, wherein

- the controllable current source (S) for feeding current into the compensation windings (K1, K2, K3) is arranged electrically in series with the compensation windings (K1, K2, K3), and specifically with the neutral point (P1) thereof, which is formed by the inputs of the compensation windings (K1, K2, K3) and

- the neutral earthing transformer (H) is electrically conductively connected to the outputs of the compensation windings (K1, K2, K3) and

- the current source (S) electrically connects the neutral point (P1) of the compensation windings (K1, K2, K3) and the neutral point (P2) of the neutral earthing transformer (H) to one another.

2. Apparatus according to claim 1, characterised in that at least one current limiting reactor (L) is electrically arranged in series with the current source (S).

3. Apparatus according to one of claims 1 or 2, characterised in that the apparatus comprises a measuring device for detecting the magnetic unidirectional flux component, which is connected to the controllable current source (S).

4. Apparatus according to one of claims 1 to 3, characterised in that one compensation winding (K1, K2, K3) is provided for each phase of the transformer.

5. Apparatus according to one of claims 1 to 4, characterised in that the neutral earthing transformer (H) comprises windings in a zigzag arrangement.

Revendications

1. Dispositif de réduction d'une composante continue de flux magnétique dans le noyau d'un transformateur, notamment d'un transformateur triphasé, comprenant une source de courant (S) commandable, une réactance de mise à la terre (H) et plusieurs enroulements de compensation (K1, K2, K3) qui peuvent être couplés magnétiquement au noyau du transformateur, dans lequel

- la source de courant (S) commandable servant à alimenter en courant les enroulements de compensation (K1, K2, K3) est agencée électriquement en série avec les enroulements de compensation (K1, K2, K3), par le biais de leur point neutre (P1) qui est formé par les entrées des enroulements de compensation (K1, K2, K3), et

- la réactance de mise à la terre (H) est reliée de manière électriquement conductrice aux sorties des enroulements de compensation (K1, K2, K3), et

- la source de courant (S) relie électriquement le point neutre (P1) des enroulements de compensation (K1, K2, K3) au point neutre (P2) de la réactance de mise à la terre (H) .

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins une inductance de limitation de courant (L) est agencée électriquement en série avec la source de courant (S).

3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le dispositif comprend un moyen de mesure pour détecter la composante continue du flux magnétique, qui est relié à la source de courant commandable (S).

4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'un enroulement de compensation (K1, K2, K3) est prévu par phase du transformateur.

5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la réactance de mise à la terre (H) comprend des enroulements montés en zigzag.

Zeichnung