AT501582B1

AT501582B1 - Verfahren zur regelung der elektrischen spannung in elektrischen versorgungsnetzen sowie einrichtung zur durchführung des verfahrens

Info

Publication number: AT501582B1
Application number: AT0182301A
Authority: AT
Inventors: Hansjoerg Dipl Ing Dr Hauer
Original assignee: Va Tech Elin Transformatoren G
Priority date: 2001-11-20
Filing date: 2001-11-20
Publication date: 2007-05-15
Also published as: EP1446708A2; CA2467886A1; US20050017696A1; AU2002358396A1; WO2003044611A3; AT501582A1; AU2002358396A8; WO2003044611A2

Description

2 AT 501 582 B1

Einrichtung zur Anpassung der elektrischen Spannung zwischen einem Versorgungsnetz und zumindest einem Versorgungsbereich.

Technisches Gebiet 5

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Anpassung der elektrischen Spannung zwischen einem. Versorgungsnetz und_zumindest .einem Versorgungsbereich, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. io Durch die Liberalisierung und Dezentralisierung der elektrischen Energieversorgung und auf Grund der höheren bidirektionalen Auslastung der Netze werden die verbraucherseitigen Spannungsunterschiede zwischen Starklast-Bezug, Schwachlast und möglicherweise Einspeisung größer. Zur Spannungshaltung sollte daher eine Spannungsanpassung auf der Ebene der Niederspannung oder eventuell auf der Ebene der Mittelspannung als wirtschaftliche Lösung 15 durchgeführt werden.

Stand der Technik

Eine derartige Einrichtung ist aus der WO 01/33308 A1 bekannt. Wie in dieser Druckschrift 20 ausgeführt, ist es an sich bekannt, die Spannungsanpassung der Netze nur in zentralen Netzknoten der Hoch- oder Mittelspannungsnetze durchzuführen. Die weitere Transformation auf Niederspannungsniveau ist normalerweise nicht unter Last regelbar. Diese Netzstruktur ist auf die zentrale Energieversorgung ausgerichtet und hat den Nachteil, dass die durch Laständerung verursachten Spannungsschwankungen ab den Netzknoten bis zu den Endverbrauchern 25 nicht mehr ausgeregelt werden können. Dadurch ist die ausnützbare Übertragungsleistung der Netzteile ab den Netzknoten eher durch den Spannungsabfall als durch die thermische Belastbarkeit limitiert.

Ein Transformator mit Haupt- und Hilfswicklungen ist aus der GB 2 307 567 A bekannt. 30

Zur Spannungsanpassung der Netze in den zentralen Netzknoten werden Regeltransformatoren vorgesehen. Regeltransformatoren dienen der stufenweisen Spannungsanpassung elektrischer Netze durch Änderung des Übersetzungsverhältnisses. Zu diesem Zweck enthalten Regeltransformatoren Regelwicklungen mit Anzapfungen, die mit Hilfe der Transformatorstu-35 fenschalter unter Last umgeschaltet werden. Während der Umschaltvorgänge darf weder der Laststromfluss unterbrochen noch die Wicklungsstufe zwischen den betroffenen Anzapfungen kurzgeschlossen werden. Die zweite Anforderung resultiert daraus, dass während jeder Umschaltung zweier benachbarter Anzapfungen notwendigerweise, auf Grund der ersten Anforderung kurzzeitig miteinander verbunden sind, und dadurch über den Schalter und die betroffene 40 Teilwicklung ein Kreisstrom in Höhe des Transformator-Kurzschlussstromes fließt, dessen Wirkungen der Transformator, vor allem im periodischen Betrieb, nicht standzuhalten vermag. Dieser Transformator-Kurzschlussstrom ist relativ hoch, da normalerweise der Innenwiderstand des Transformators klein ist. Darüber hinaus müssten die Stufenschalter der Transformatoren auf das periodische Schalten dieser hohen Kurzschlussströme abgestimmt sein. 45

Die Umschaltung im Stufenschalter des Transformators erfolgt aus obigem Grund auch nicht direkt, sondern mehrstufig, wobei während des Umschaltvorganges kurzzeitig Überschaltimpedanzen in die Stromkreise der Anzapfungen geschaltet werden, die den Kreisstrom begrenzen. Üblich sind sowohl ohmsche Überschaltimpedanzen im europäischen Raum, als auch induktive so Überschaltimpedanzen im amerikanischen Raum. Für die mehrstufige Umschaltung werden mehrere Überschaltprinzipien angewendet, die nach den Erscheinungsbildern der Zeigerdiagramme der Umschaltvorgänge benannt sind. So spricht man dann von einer symmetrischen oder unsymmetrischen Fahnen- bzw. Wimpelschaltung. 55 Nachteilig bei den bislang angewendeten Maßnahmen zur Begrenzung des Kreisstromes ist,

3 AT 501 582 B1 dass sie zu komplexen Überschaltprinzipien führen und komplexe Ausführungen der Regeltransformatoren erfordern.

Darstellungen der Erfindung 5

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Einrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die einerseits die obigen Nachteile vermeidet und die anderseits durch ein neues verbrauchernäheres Anwendungsfeld der Spannungsanpassung eine höhere und effizientere Ausnützung vorhandener Netze zulässt bzw. gewährleistet. 10

Die Aufgabe wird durch die Erfindung gelöst.

Die erfindungsgemäße Einrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Regelwicklung versorgungsnetzseitig angeordnet ist und für die Anpassung der, im Fall einer rückspeisenden Ener-15 gieflussrichtung von dem Versorgungsbereich in das Versorgungsnetz, im Versorgungsbereich erzeugten elektrischen Spannung an die Spannung des Versorgungsnetzes ausgebildet ist.

Mit der Erfindung ist es erstmals möglich eine Spannungsanpassung in Netzen oder Verbraucheranlagen, in Nähe des Verbrauchers, auf Basis von Regeltransformatoren durchzuführen, 20 die eine erhöhte Impedanz der Regelwicklung aufweisen, so dass ein vereinfachter Stufenschalter ohne Überschaltimpedanzen eingesetzt werden kann.

Es ist weiters Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung zu schaffen, die vor allem einfach und robust im Aufbau und im Betrieb ist und wirtschaftlich hergestellt werden kann. 25

Nach einem besonderen Merkmal der Erfindung ist die Einrichtung dadurch gekennzeichnet, dass der Regeltransformator als Einwicklungstransformator, beispielsweise als Spartransformator, oder Mehrwicklungstransformator, beispielsweise als Volltransformator, ausgeführt ist. 30 Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Regeltransformator mit versorgungsnetzseitiger Regelwicklung ausgebildet, die über die Wicklungsenden und/oder Anzapfungen mit den Wicklungsenden und/oder Anzapfungen der Stammwicklung verbunden ist.

Nach einer weiteren besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist der Regeltransformator mit 35 einer zwischenkreisseitigen Regelwicklung ausgeführt.

Gemäß einem weiteren besonderen Merkmal der Erfindung ist der Regeltransformator als Zweiwicklungstransformator mit versorgungsnetzseitiger Regelwicklung ausgebildet. 40 Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Regeltransformator als Längsregler mit einer Differenzleistung proportional zur auszuregelnden Spannungsdifferenz ausgebildet.

Erfindungsgemäß werden also zur Spannungshaltung Regeltransformatoren bzw. Längsregler vorgesehen, bei denen die Regelwicklung zur Anpassung der lastseitigen Spannung die erfin-45 dungsgemäß hohe Eigenimpedanz bzw. Streuimpedanz aufweist, die als im Regeltransformator integrierte Überschaltimpedanz wirkt, so dass die aus dem Stand der Technik bekannten und heute üblichen Überschaltimpedanzen des Stufenschalters und damit die Widerstandskontakte entfallen. so Da die hohe Streuimpedanz nur in der Regelwicklung des Regeltransformators auftritt, wirkt sie sich nur gering auf den Gesamtinnenwiderstand des Netzes aus.

Die Notwendigkeit der Überschaltimpedanzen resultiert aus dem Faktum, dass Netzinnenwiderstand und Kurzschlussimpedanz von Regeltransformatoren aus Gründen der Spannungshal-55 tung wesentlich kleiner als die Lastimpedanz sind, so dass die während der Überschaltvorgän- 4 AT 501 582 B1 ge auftretende Kreisströme ohne Überschaltwiderstand in Höhe von Kurzschlussströmen und damit wesentlich höher als die Betriebsströme sind.

Erhöht man die Kurzschlussimpedanz der Regelwicklung, z.B. durch Verbreiterung des Streu-5 spaltes, so weit, dass der während der Überschaltvorgänge auftretende Kreisstrom im Fall des Kurzschlusses benachbarter Anzapfungen in der Größenordnung des Nennstromes liegt, so sind die zusätzlichen Überschaltimpedanzen nicht erforderlich, und der Stufenschalter vereinfacht sich auf einen gewöhnlichen Umschalter. io Die Regelwicklung kann beliebig, beispielsweise als konzentrische oder als Scheibenspulenwicklung, mit den entsprechenden Anzapfungen ausgeführt sein. Dieses Prinzip ist beispielsweise sowohl bei Volltransformatoren mit Regelwicklung als auch bei Spartransformatoren für Längsregelung anwendbar. Die Regelwicklung kann sowohl über die Wicklungsenden als auch über Anzapfungen mit den Wicklungsenden und/oder Anzapfungen der primären und/oder 15 sekundären und/oder zwischenkreisseitigen Stammwicklung verbunden sein.

Da die Einrichtung vor allem für die Spannungsanpassung von Netzausläufern in Frage kommt, liegt ihre Leistungsfähigkeit auf Basis der Durchgangsleistung im Bereich von einigen 10 kVA bis einigen 10 MVA. 20

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist der Umschalter ein widerstandskontaktloser und ausschließlich Hauptkontakte aufweisender Lastumschalter. Wie bereits oben aufgezeigt, ist ein derart ausgebildeter Lastumschalter eine wirtschaftliche Lösung. 25 Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Umschalter ein widerstandskontaktloser Lastwähler. Ebenso ist diese Ausführung des Umschalters äußerst einfach im Aufbau und wirtschaftlich herstellbar.

Gemäß weiterer Ausgestaltungen der Erfindung kann der Umschalter auch auf Basis eines 30 mehrstufigen Nockenschalters oder einer Kette von Relais oder Schützen oder deren Komponenten oder einer Kette elektronischer Schalter, insbesondere Halbleiterschalter, ausgebildet sein. Auch diese Ausführungen des Umschalters sind einfach im Aufbau und in einem robusten Betrieb äußerst zuverlässig. Natürlich können diese Umschalter auf allen Schaltprinzipien, wie beispielsweise luftoffene Schaltsysteme, Schaltsysteme unter Öl oder SF6 sowie Vakuum-35 schaltsysteme, beruhen.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird an Hand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher 40 erläutert.

Es zeigt: 45

Figur 1 eine Prinzipskizze bei Anordnung eines Spartransformators mit versorgungsnetzseitig angeordneter Regelwicklung;

Fig. 2 eine Prinzipskizze bei Anordnung eines Volltransformators mit versorgungsnetzseitig angeordneter Regelwicklung, die über eine Wicklungsanzapfung mit einer Wicklungsanzapfung der Stammwicklung verbunden ist;

Fig. 3 einen Umschalter auf Basis von Schützen; und 50

Fig. 4 einen Umschalter auf Basis von Halbleitern.

Ausführung der Erfindung

Einführend sei festgehalten, dass in der beschriebenen Ausführungsform gleiche Teile bzw. 55 Zustände mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen versehen werden, 5 AT 501 582 B1 wobei die in der gesamten Beschreibung enthaltenen Offenbarungen sinngemäß auf gleiche Teile bzw. Zustände mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen übertragen werden können. Weiters können auch Einzelmerkmale aus dem gezeigten Ausführungsbeispiel für sich eigenständige, erfindungsgemäße Lösungen darstellen. 5

Gemäß der Fig. 1 ist eine Einrichtung zur Anpassung der elektrischen Spannung zwischen einem - mit dem Pfeil dargestellten - Versorgungsnetz 1 und einem - ebenfalls nur mit einem Pfeil angedeuteten - Versorgungsbereich 2, der sowohl elektrische Energieverbraucher als auch Energieerzeuger enthält, aufgezeigt, wobei für die Anpassung ein Regeltransformator 3 in io der Ausführung eines Spartransformators vorgesehen ist. Dieser Spartransformator weist versorgungsnetzseitig eine Regelwicklung mit Teilwicklungen 4 auf. Die Regelwicklung ist über eine Anzapfung 5, beispielsweise über eine Mittelanzapfung mit der Stammwicklung 6 des Spartransformators verbunden. Dies erlaubt die Anpassung der elektrischen Spannung zwischen einem Versorgungsnetz 1 und zumindest einem Versorgungsbereich 2 sowohl nach 15 oben als auch nach unten. Die Anzapfungen 5 der Regelwicklung werden über einen Umschalter 7 wahlweise mit dem Versorgungsnetz 1 verbunden. Die Ansteuerung des Umschalters 7 erfolgt mit der Ansteuereinrichtung 8 ungeregelt oder über einen Spannungsregler 10 geregelt. Die Umschaltungen erfolgen schrittweise, indem eine zur geschlossenen Schaltstrecke be-nachbarte-Schaltstrecke geschlossen und danach die ursprüngliche Schaltstrecke geöffnet 20 wird. Dadurch kann die elektrische Spannung zwischen dem Versorgungsnetz 1 und zumindest einem Versorgungsbereich 2 sowohl nach oben als auch nach unten angepasst werden.

Zur Erhöhung der Kurzschlussimpedanz der Regelwicklung weist der Regeltransformator 3 in der Ausführungsart als Spartransformator einen verbreiterten Streuspalt 9 auf. Durch diese 25 Erhöhung der Streuimpedanz wird der Kreisstrom im Falle eines Kurzschlusses auf die Größenordnung des Nennstromes begrenzt.

Gemäß der Fig. 2 ist wieder die Einrichtung zur Anpassung der elektrischen Spannung zwischen einem Versorgungsnetz 1 und einem Versorgungsbereich 2, der sowohl elektrische 30 Energieverbraucher als auch Energieerzeuger enthält, aufgezeigt, wobei für die Anpassung ein Regeltransformator 3 in der Ausführung eines Volltransformators mit versorgungsnetzseitiger Regelwicklung vorgesehen ist. Dabei erfolgt die Verbindung der Regelwicklung mit den Teilwicklungen 4 über ihre Wicklungsanzapfung zu einer Wicklungsanzapfung der versorgungsnetzseitigen Stammwicklung des Regeltransformators 3. An die Teilwicklungen 4 ist wieder ein 35 Umschalter 7 mit seiner Ansteuereinrichtung 8 vorgesehen. Zur Erhöhung der Streuimpedanz weist der Regeltransformator 3 ebenfalls wieder einen verbreiterten Streuspalt 9 auf. Die Streuimpedanz zwischen versorgungsnetzseitiger Stammwicklung 14 und versorgungsbereichsseitiger Wicklung 6 ist nicht erhöht. 40 Der Umschalter 7 ist als mehrstufiger Nockenschalter ausgeführt und korrespondiert mit den Anzapfungen 5 der Teilwicklungen 4.

Gemäß der Fig. 3 sind die Teilwicklungen 4 mit ihren Anzapfungen 5 mit einer Reihe von Schützen 12 verbunden, die die Spannungsanpassung entsprechend dem Umschalter 7 in Fig. 1 und 45 2 durchführen. Die Ansteuerung der einzelnen Schütze 12 oder auch Relais erfolgt über An steuereinrichtungen 8, die mit einem Spannungsregler in Verbindung stehen.

Gemäß der Fig. 4 sind die Teilwicklungen 4 mit ihren Anzapfungen 5 mit einer Reihe von elektronischen Schaltern 13, insbesondere Halbleiterschaltern, verbunden, die die Spannungsan-50 passung entsprechend dem Umschalter 7 durchführen. Die Ansteuerung der einzelnen Halbleiterschalter erfolgt über elektronische Einrichtungen, die mit dem Spannungsregler in Verbindung stehen.

Abschließend sei der Ordnung halber darauf hingewiesen, dass in der Zeichnung einzelne 55 Bauteile und Baugruppen zum besseren Verständnis der Erfindung unproportional und maß-

Claims

6 AT 501 582 B1 stäblich verzerrt dargestellt sind. Es können auch einzelne Merkmale des Ausführungsbeispieles mit anderen Einzelmerkmalen oder jeweils für sich alleine den Gegenstand von eigenständigen Erfindungen bilden. Vor allem 5 können die einzelnen in der Fig. 1 und 2 gezeigte Ausführungen den Gegenstand von eigenständigen erfindungsgemäßen Lösungen bilden. Die diesbezüglichen erfindungsgemäßen Aufgaben und Lösungen sind den detaillierten Beschreibungen dieser Figuren zu entnehmen. io Patentansprüche: 1. Einrichtung zur Anpassung der elektrischen Spannung zwischen einem Versorgungsnetz (1) und zumindest einem Versorgungsbereich (2), der sowohl elektrische Energieverbraucher als auch Energieerzeuger enthält, umfassend: 15 einen Regeltransformator (3) mit einer Regelwicklung (4), welche Teilwicklungen (4) mit Anzapfungen aufweist, die zur Anpassung des Übersetzungsverhältnisses des Regeltransformators mittels eines Umschalters (7) umschaltbar sind, wobei die Regelwicklung (4) eine hohe Streuimpedanz aufweist, die den Kreisstrom im Fall eines Kurzschlusses benachbarter Anzapfungen (5) auf die Größenordnung des Nennstromes des Regeltransformators 20 begrenzt, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelwicklung (4) versorgungsnetzseitig angeordnet ist und für die Anpassung der, im Fall einer rückspeisenden Energieflussrichtung von dem Versorgungsbereich (2) in das Versorgungsnetz (1), im Versorgungsbereich erzeugten elektrischen Spannung an die 25 Spannung des Versorgungsnetzes ausgebildet ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Regeltransformator (3) als Einwicklungstransformator, insbesondere als Spartransformator, oder als Mehrwicklungstransformator, insbesondere als Volltransformator, ausgeführt ist. 30
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Regeltransformator (3) mit versorgungsnetzseitiger Regelwicklung ausgebildet ist, die über die Wicklungsenden und/oder Anzapfungen mit den Wicklungsenden und/oder Anzapfungen der Stammwicklung verbunden ist. 35
4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Regeltransformator (3) mit einer zwischenkreisseitigen Regelwicklung ausgeführt ist.
5. Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass 40 der Regeltransformator (3) als Zweiwicklungstransformator mit versorgungsnetzseitiger Regelwicklung ausgebildet ist.
6. Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Regeltransformator (3) als Längsregler mit einer Differenzleistung proportional zur aus- 45 zuregelnden Spannungsdifferenz ausgebildet ist.
7. Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Umschalter (7) ein widerstandskontaktloser und ausschließlich Hauptkontakte aufweisender Lastumschalter ist. 50
8. Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Umschalter (7) ein widerstandskontaktloser Lastwähler ist.
9. Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass 55 der Umschalter (7) ein mehrstufiger Nockenschalter oder auf Basis eines Nockenschalters 7 AT 501 582 B1 oder seiner Komponenten konzipiert ist.
10. Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Umschalter (7) aus einer Kette von Relais oder Schützen (12) oder auf Basis von Relais- oder Schützkomponenten gebildet ist.
11. Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Umschalter (7) aus einer Kette von elektronischen Schaltern (13) oder auf Basis elektronischer Schalter, insbesondere Halbleiterschalter, gebildet ist. Hiezu 2 Blatt Zeichnungen