AT519338A1 - Schaltungsanordnung zur Verringerung eines Gleichfluss-Anteils im weichmagnetischen Kern eines Transformators - Google Patents

Abstract

Schaltungsanordnung zur Verringerung eines Gleichfluss- Anteils im weichmagnetischen Kern eines Transformators, mit einer Kompensationswicklung (1), die mit dem Kern des Transformators magnetisch gekoppelt ist, einem Transduktor und einer Strombegrenzungsdrossel(3), dadurch gekennzeichnet, dass Transduktor und Strombegrenzungsdrossel(3) einen gemeinsamen Eisenkreis aufweisen und dass der Eisenkreis zumindest eine Transduktorschicht und zumindest eine Drosselschicht aufweist.

Description

Beschreibung

Schaltungsanordnung zur Verringerung eines Gleichfluss-Anteils im weichmagnetischen Kern eines Transformators

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Verringerung eines Gleichfluss-Anteils im weichmagnetischen Kern eines Transformators.

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, 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 Al 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 oder 8 kV, und leistungsstarke Thyristoren einsetzen. Aufgrund der hohen Verlustleistung derartiger Thyristoren wäre eine eigene Kühlung für die Thyristoren vorzusehen, sodass diese Lösung dann nicht wirtschaftlich wäre.

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, den Standd er Technik weiterzuentwickeln.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Kurzbeschreibung der Figuren

Die Erfindung wird anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen beispielhaft:

Figur 1 eine Prinzipschaltung nach dem Stand der Technik zum Einbringen von Kompensationsstrom in eine KompensationsWicklung,

Figur 2 die schematische Darstellung eines Transduktors

Figur 3 die schematische Darstellung einer Drossel,

Figur 4 die beispielhafte Kombination der Eisenkreise von Transduktor und Drossel

Figur 5 eine bevorzugte Bauform der erfindungsgemäßen Kombination von Transduktor und Drossel.

Ausführung der Erfindung

Gemäß dem Stand der Technik in Fig. 1 wird bei der sogenannten Gleichstrom-Kompensation gezielt Gleichstrom in eine Kompensationswicklung 1 eingebracht, um die Gleichstrommagnetisierung des Transformatorkerns aufzuheben. Zum Einbringen der notwendigen magnetischen Durchflutung (der sogenannten Gleichstrom-Amperewindungen) in die Kompensationswicklung 1 macht man sich die in der Kompensationswicklung 1 induzierte Wechselspannung zunutze, die Kompensationswicklung 1 wirkt wie eine Wechselspannungsquelle. An der Kompensationswicklung 1 wird eine beispielsweise als Thyristor ausgebildete Schalteinheit 3 in Serie mit einer Strombegrenzungsdrossel 2 geschaltet.

Der erforderliche Gleichstrom kann durch spannungssynchrones Zünden bei einem bestimmten Zündzeitpunkt der Schalteinheit 3 eingestellt werden (Phasenanschnittsteuerung). Zündet man die Schalteinheit 3 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 die Schalteinheit 3 später, so wird der Gleichstrom kleiner, es entstehen jedoch auch Oberschwingungswechselströme. Der Stromverlauf in der Schalteinheit 3 wird durch eine Strombegrenzungsdrossel 2 begrenzt, dimensionierend für die Strombegrenzung ist die zulässige thermische Belastung der Schalteinheit 3.

Als Alternative kann anstelle eines Halbleiterschalters auch ein Transduktor eingesetzt werden. Eine derartige Lösung kann beispielsweise die folgenden Merkmale aufweisen: eine Kompensationswicklung, die mit dem Kern des Transformators magnetisch gekoppelt ist; einen Transduktor, der in Reihe mit der

Kompensationswicklung in einem Kompensations-Strompfad angeordnet ist, wobei der Kompensations-Strompfad zwei parallele Stromzweige aufweist, in denen jeweils eine Arbeitswicklung des Transduktors und ein ungesteuertes Ventil in Reihe angeordnet ist, wobei die Flussrichtung der Ventile entgegengesetzt gerichtet ist, und wobei jede Arbeitswicklung über einen sättigungsfähigen Transduktor-Kern mit einer Steuerwicklung magnetisch gekoppelt ist; eine Steuereinrichtung, der eingangsseitig eine Information über Größe und Richtung des Gleichfluss-Anteils zugeführt ist, und die ausgangsseitig eine Steuergröße erzeugt, die jeder Steuerwicklung zugeführt ist, so dass der Sättigungszustand des Transduktor-Kerns so änderbar ist, dass sich im Kompensations-Strompfad ein

Kompensationsstrom ausbildet, dessen Wirkung dem Gleichfluss-Anteil entgegen gerichtet ist.

Gemäß einer weiteren Variante umfasst die Transduktor-Lösung folgende Merkmale: - eine Kompensationswicklung, die mit dem Kern des Transformators magnetisch gekoppelt ist; - einen Transduktor, mit einer Arbeitswicklung, die in Reihe mit der Kompensationswicklung in einem Kompensations-Strompfad angeordnet ist, wobei im Kompensations-Strompfad ein ungesteuertes Ventil und eine Schaltvorrichtung zum Umpolen der Stromflussrichtung im Ventil angeordnet ist, und wobei die Arbeitswicklung über einen sättigungsfähigen Transduktor-Kern mit einer Steuerwicklung magnetisch gekoppelt ist; - eine Steuereinrichtung, der eingangsseitig eine von einer Erfassungseinrichtung bereitgestellte Information über Größe und Richtung des Gleichfluss-Anteils (Φβο) zugeführt ist, und die ausgangsseitig eine Steuergröße erzeugt, die der Steuerwicklung zugeführt ist, so dass der Sättigungszustand des Transduktor-Kerns so änderbar ist, dass im Kompensations-Strompfad ein Kompensationsstrom (IK) sich ausbildet, dessen Wirkung im Kern des Transformators dem Gleichfluss-Anteil (Φβο) entgegen gerichtet ist.

Durch die Verwendung eines Transduktors in Verbindung mit ungesteuerten Ventilen entfällt die sonst für gesteuerte Ventils erforderliche komplexe Steuerschaltung. Verglichen mit einem Thyristor, sind ungesteuerte Ventile, wie beispielsweise eine Diode, vergleichsweise robust und haben eine höhere Lebensdauer. Der Transduktor, der im Wesentlichen aus einem magnetischen Kern und einer darauf angeordneten Wicklungsanordnung (bestehend aus einer oder einer paarweisen Anordnung von Arbeitswicklung und Steuerwicklung) besteht, ähnelt von seiner Bauweise einem Transformator und lässt eine ähnlich hohe Lebensdauer erwarten.

Fig.2 zeigt in einer schematischen Darstellung den Aufbau eines Transduktors.

Dieser umfasst einen geschlossenen Eisenkreis K, der gezielt durch eine Steuerwicklung S in Sättigung gebracht werden kann. Damit wird die Induktivität der Lastwicklung L des Transduktors verändern. Ist der geschlossene Eisenkreis K nicht gesättigt, so stellt die Lastwicklung eine hohe Induktivität dar. Es fließt nur ein sehr kleiner Erregerstrom (Transformator im Leerlauf). Dies entspricht einem offenen Schalter.

Bringt man den geschlossenen Eisenkreis K (partiell oder ganz) in Sättigung, so sinkt die Induktivität der Lastwicklung L stark auf eine Restinduktivität ab. Dies entspricht einem geschlossenen Schalter. In der Regel ist die Restinduktivität nicht ausreichend, um die notwendige Strombegrenzung zu erreichen.

Daher ist zusätzlich eine Strombegrenzungsdrossel erforderlich.

Wesentlich an einer Drossel ist die Realisierung einer bestimmten Induktivität, die über den technischen Strombereich möglichst konstant sein soll. Je nach Höhe der geforderten Induktivität erreicht man dies durch Luftspalte im Eisenkreis. Daher hat eine Drossel im Gegensatz zu einem Transduktor kleinere oder größere Luftspalte, die auch verteilt sein können. Eine mögliche, beispielhafte Bauform ist in Fig. 3 dargestellt.

Um die gewünschte Induktivität der Drossel zu erreichen, ist die Anzahl der Windungen der Wicklung zu wählen und der notwendige Eisenkreis (Eisenquerschnitt und Luftspalte) zu dimensionieren. Dies ist eine Frage des wirtschaftlichen Optimums. Es ist jedoch davon auszugehen, dass der benötigte

Querschnitt des Eisenkreises des Transduktors wesentlich kleiner ist, als der der Drossel.

Erfindungsgemäß werden nun Transduktor und Drossel zu einem „Transractor" (TRANSduktor + ReACTOR) zusammengefasst werden und eine gemeinsame Lastwicklung angeordnet wird.

Fig. 4 zeigt beispielhafte Kombinationen der Eisenkreise von Transduktor und Drossel. Dargestellt sind die Querschnitte zweier Varianten. Auf der Linken Seite eine Sandwichbauweise, rechts ist der Transduktorkreis einfach außen eben aufgelegt. Der Querschnitt muss dabei nicht quadratisch sein, sondern kann auch gestuft ausgeführt sein.

Fig. 5 zeigt eine bevorzugte Bauform der erfindungsgemäßen Kombination. Da die Luftspalte in der Regel sehr groß werden, kann man in der Reaktorschicht auf Bleche im Schenkel komplett verzichten und nur die Jochbleche Jo, Ju verwenden. Dies ist von der Fertigung einfacher zu realisieren. Die oberen Jochbleche des Transduktors sollen nicht verzapft sein, damit ein kleiner Luftspalt eingestellt werden kann, durch eventuelle Einlage einer dünnen Isolationsschicht (Abb. 6). Da der Transduktorkern eher schmal ausgeführt ist ist eine ovale Form der Wicklung, um den Raum optimal zu nutzen sinnvoll.

Der wesentliche Vorteil der Erfindung liegt darin, dass die Funktion des Transduktors und der Strombegrenzungsdrossel in einer speziellen Konstruktion einer Drossel vereint ist. Dies führt zu einer erheblichen Einsparung, da die Lastwicklung des Transduktors und die Wicklung der Strombegrenzungsdrossel durch eine einzelne Wicklung realisierbar sind.

Bezugszeichenliste 1 Kompensationswicklung 2 Strombegrenzungsdrossel 3 Schalteinheit K Eisenkreis des Transduktors S Steuerwicklung des Transduktors L Lastwicklung des Transduktors 1. Jo, Ju Jochbleche

Claims (5)

Patentansprüche

1. Schaltungsanordnung zur Verringerung eines Gleichfluss-Anteils im weichmagnetischen Kern eines Transformators, mit einer Kompensationswicklung (1), die mit dem Kern des Transformators magnetisch gekoppelt ist, einem Transduktor und einer Strombegrenzungsdrossel(3), dadurch gekennzeichnet, dass Transduktor und Strombegrenzungsdrossel(3) einen gemeinsamen Eisenkreis aufweisen und dass der Eisenkreis zumindest eine Transduktorschicht und zumindest eine Drosselschicht aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Transduktorschicht geschlossen ausgeführt ist und nur einen vergleichsweise sehr kleinen Luftspalt zur Verminderung der Remanenz aufweist, und dass die Transduktorschicht so gestaltet ist, dass sie hohe magnetische Leitfähigkeit besitzt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bleche der Transduktorschicht über Step-Lap-Verzapfung verbunden sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Transduktorschicht aus einem hochpermeablen Elektrostahl besteht.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Lastwicklung auf beide Schichten aufgesetzt wird und die Steuerwicklung nur die Transduktorschicht umfasst.