EP3783630B1 - 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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EP3783630B1
EP3783630B1 EP19193135.1A EP19193135A EP3783630B1 EP 3783630 B1 EP3783630 B1 EP 3783630B1 EP 19193135 A EP19193135 A EP 19193135A EP 3783630 B1 EP3783630 B1 EP 3783630B1
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EP
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switching
current
circuit
partial
core
Prior art date
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Peter Hamberger
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Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/34—Special means for preventing or reducing unwanted electric or magnetic effects, e.g. no-load losses, reactive currents, harmonics, oscillations, leakage fields
    • H01F27/38—Auxiliary core members; Auxiliary coils or windings
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F29/00—Variable transformers or inductances not covered by group H01F21/00
    • 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 for suppressing a magnetic direct current component in the magnetizable core of an electrical 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 which Electric circuit and a power converter unit arranged in series with the compensation winding, which enables current to flow therethrough in only one direction, a number of switching branches which are arranged in parallel to one another in the circuit and each in series with the compensation winding and the power converter unit, with a switching unit and in each switching branch a current-limiting choke are connected in series, and a control unit connected to each switching unit, which is set up to actuate each switching unit, so that a current flow is enabled over so many switching branches that an input signal of the control unit is minimized, the current-limiting chokes being designed identically or differently to one another are.
  • the invention further includes a method for suppressing a direct current component when operating an electrical device connected to a high-voltage network.
  • the invention further 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. This results in an asymmetrical control of the magnetic material in the core, which has a number of disadvantages. Even a direct current of a few amperes leads to saturation of the core with magnetic flux. This is associated with a significant increase in losses in the core (e.g.: 20-30%). Heating problems can occur, especially with large GIC. There is also increased noise emission during operation, which is perceived as particularly disturbing when the transformer is operated near a living area.
  • the device mentioned at the beginning and the method mentioned at the beginning are in the EP 3 080 821 B1 described.
  • the device disclosed there has a compensation winding that is part of a circuit.
  • a switching branch is provided in series with the compensation winding, with a choke and a thyristor being connected in series in the switching branch.
  • Phase control is implemented with the help of a control unit.
  • the current flowing via the switching branch in the circuit is regulated by varying the phase shift between the ignition point of the thyristor and the voltage in the compensation circuit.
  • the adjustable current range can be used by a second switching branch, which is the first
  • the Switching branch is connected in parallel can be increased.
  • the second switching branch can be used to increase the achievable flow in the core, so that larger direct current components can be compensated for.
  • the voltage-synchronous ignition of the thyristor or thyristors requires complex electronics that are costly and maintenance-prone.
  • the object of the invention is to create a device, an electrical device and a method of the type mentioned at the outset that are cost-effective, reliable and low-maintenance.
  • each current-limiting choke is composed of partial coils, with two partial coils being arranged next to each other between two metal plates to form a partial coil pair and with each partial coil being equipped with connection terminals.
  • the invention further solves this problem by 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 which is inductively coupled to the core.
  • the invention solves the problem by a method in which an output signal from a sensor, which detects the direct current component in one or the winding of an electrical device, is fed to a control unit, the control unit actuates so many switching units that a current flow occurs in a circuit , which has a compensation winding that is inductively coupled to a core of an electrical device, so that a direct flux component in the electrical device is minimized.
  • a direct current flowing through a compensation winding is adjusted by switching current limiting chokes arranged in parallel on and off. All current-limiting chokes 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 more switching branches are connected the greater the compensating direct current in the compensation choke.
  • a complex phase control has become unnecessary within the scope of the invention.
  • a simple digital control is sufficient.
  • this switches on so many switching branches that the direct current component measured by a sensor in an electrical device is minimized.
  • the circuit of the device according to the invention is expediently grounded at a potential point. This potential point is connected downstream of the switching branches in the direction of the current permitted by the converter unit in the circuit.
  • the inductance acting in the circuit is changed gradually by switching the current limiting chokes on and off.
  • 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 in the circuit that is rectified by the converter unit, the magnitude of which depends on the inductance set in the circuit.
  • the circuit in which the compensation winding and the switching branches are arranged is a closed circuit that is grounded at one point.
  • a direct current I DC therefore flows, which is superimposed by an alternating current, with the amplitude of the alternating current approximately 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.
  • U eff is the effective value of the alternating voltage 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 is, for example, a transformer, in particular a power transformer or a choke.
  • a transformer or such a choke preferably has a tank filled with an insulating fluid.
  • An active part is arranged in the tank and has a magnetizable core and at least one winding. During operation, at least one winding is connected to the high-voltage network carrying alternating voltage.
  • An ester liquid or a mineral oil for example, can be considered as an insulating fluid.
  • it also serves to dissipate the heat generated in the components.
  • any sensor that detects direct currents and provides an electrical signal on the output side can be considered as a sensor.
  • the electrical signal can be an analog electrical one Signal, for example an electrical current or a voltage, the strength or intensity of which corresponds to the size of the detected direct current.
  • the output signal of the sensor can also be a digital signal, such as a sequence of digital values, which were generated, for example, by sampling an analog signal to obtain sample values and digitizing the sample values.
  • the electrical device is designed for operation in a 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. But a combination of alternating and direct voltage networks 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 switch is, for example, a controllable power semiconductor, which is transferred by a control or ignition signal from a blocking position, in which a current flow via the power semiconductor is interrupted, into a through position, in which a current flow via the power semiconductor switch is possible.
  • 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 available on the market at low cost. Thyristors can only be actively transferred from a blocking position to the through position become. In other words, they can only be switched on or off. In order to move from the through position to the blocking 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, in the event of a polarization change, ensures a current in the circuit that is below the holding current of the thyristor. If a circuit is to be switched on, the thyristor is permanently 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 current limiting unit or, in other words, as a current valve. If a thyristor is in its open position, current can only flow through it in one direction. In other words, the thyristor directs the current at the same time.
  • each current-limiting choke is composed of partial coils, with two partial coils being arranged side by side between two metal plates to form a partial coil pair and with each partial coil being equipped with connection terminals.
  • This design of the current limiting chokes has proven to be particularly simple and robust. In addition, this design allows the introduction of an intermediate inductance, which will be discussed in more detail later.
  • partial coil pairs are arranged one above the other, so that a coil stack is formed.
  • the partial coil pairs share a metal plate.
  • the thickness of the metal plate between two pairs of partial coils, which is arranged one above the other is exactly the same as the thickness of the lower or upper metal plate of the stack. If two adjacent pairs of partial coils are active, almost no magnetic flux can be measured in this metal plate, so that the flux of the lower and upper pairs of partial coils cancel each other out.
  • the metal plates with their constant thickness are necessary if an adjacent pair of partial coils is not active, i.e. does not generate a magnetic field.
  • Each metal plate advantageously consists of a ferromagnetic material. In this way, stray field losses are minimized.
  • the partial coils of a partial coil pair are advantageously connected in series or parallel to one another. This advantageous further development allows the number of partial coil pairs required to be reduced, so that material and construction volume are saved. If the partial coils of a partial coil pair are not connected in series, but parallel to one another, without otherwise changing the geometry, the inductance of the partial coil pair is quartered.
  • the partial coils of a partial coil pair are designed identically.
  • partial coils of different partial coil pairs have different numbers of turns and conductor cross sections. Based on the stack explained above, this means that the partial coils arranged between two metal plates are identical to one another. However, the partial coils of a pair of partial coils arranged further up or down in the stack can have a smaller number of turns, but a larger conductor cross section to be able to carry the higher currents that then occur without errors. Of course, it is also possible to connect the partial coils of a partial coil pair in parallel or in series.
  • Figure 1 shows an exemplary embodiment of the device 1 according to the invention, which shows a circuit 2 in which a compensation winding 3 is arranged.
  • the compensation winding 3 is inductively coupled to a high-voltage winding of a power transformer, the power transformer being connected to an alternating high-voltage network with a nominal voltage of 325 kV.
  • a power converter unit 4 can be seen in series with the compensation winding 3, which is designed, for example, as a diode.
  • a diode can also be referred to as a non-controllable power semiconductor.
  • the power converter unit 4 allows current to flow via it in only one direction, which is through the tip of the triangle (i.e. in Figure 1 from left to right).
  • the grounded circuit 2 also has switching branches 5 1 , 5 2 , 5 3 ... 5 n-1 , 5 n connected in parallel. In every switching branch a switching unit 6 1 , 6 2 , 6 3 ... 6 n-1 , 6 n and a current-limiting choke 7 1 , 7 2 , 7 3 ... 7 n-1 , 7 n are connected in series.
  • the switching units 6 1 , ... 6 n are in the in Figure 1
  • the exemplary embodiment shown is realized as tyristors, which take on the function of the diode 4 shown in the figure.
  • the diode 4 is therefore part of the switching unit and integrated into it. In other words, the rectifying effect of a power converter unit is taken over by the electronic switching unit. Once fired, a thyristor allows current to flow through it in only one direction.
  • Tyristor 6 1 , ... 6 n is connected via signal lines shown in dashed lines to a control unit 8, which is set up to ignite the respective thyristor.
  • the control unit 8 is also connected to the output of a sensor 9, with the help of which a direct current component is detected in one of the windings of the transformer, which is otherwise not shown. On the output side of the sensor 9 there is a signal which corresponds to the direct flow component and which is transferred to the control unit 8.
  • the compensation winding 3 which is inductively coupled to the high-voltage winding, generates a voltage U in the circuit 2.
  • the compensation winding 3 provides an ideal voltage source for the circuit 2.
  • the induced voltage now drives a direct current with an alternating current component across circuit 2.
  • the size of this current flowing in the circuit depends on the number of active switching branches connected in parallel. The more switching branches are actively switched by igniting the thyristor assigned to it, the greater the current flowing in the circuit 2, which also occurs in the compensation winding 3, so that the inductive coupling creates a direct flow component in the core, which is caused by a direct current flowing through the high-voltage circuit. and/or undervoltage winding is compensated for.
  • the control unit 8 is a particularly simple control unit, since these only switch branches through continuous ignition the tyristors or by omitting continuous ignition, a number of switching branches are connected in parallel, so that the direct current component detected by the sensor 9 is minimized. A complex phase control is avoided within the scope of the invention. According to the invention, a simple, almost error-free and robust device for direct current compensation is provided.
  • Figure 2 illustrates the structure of an inductor 7 1 , ... 7 n as an example. It can be seen that the current-limiting choke 7 1 is composed of a pair of partial coils 10 and 11, which are arranged between two iron plates 12, the partial coils 10 and 11 being provided with taps or connection terminals (not shown in the figure).
  • the two partial coils 10 and 11 form a partial coil pair 13.
  • An inductor constructed in this way can be assembled together with other inductors in a particularly simple and compact manner to form a stack 14, with adjacent coil pairs 13 sharing a metal or iron plate 13 arranged between them.
  • all metal plates 13 of the stack 14 have the same thickness. Only a metal plate is necessary between two pairs of partial coils 13 arranged one above the other.
  • the metal plates are preferably designed identically to one another.
  • the metal plates are preferably plates made of thin electrical sheets.
  • the number of coil pairs required can be limited by appropriate interconnection.
  • Two partial coils 10 and 11 are connected in series, for example.
  • Figure 5 shows the two partial coils 10 and 11 of a partial coil pair 13 in parallel connection. Since the partial coil pairs are according to Figure 4 and Figure 5 Otherwise no further distinction is made, the partial coil pair 13 according to Figure 5 only a quarter of the inductance of the partial coil pair Figure 4 on. If partial coil pairs with full inductance are referred to as L1, see Figure 4 , and partial coil pairs according to Figure 5 , which are connected in parallel and thus have a quarter of the inductance of L1, with L2, can be used with eight partial choke pairs 12 switching stages can be implemented, as shown in Table 1.
  • n is the number of partial coil pairs with different inductances
  • the number of possible switching stages is 2 n -1.
  • the partial coil pairs are graded so that the following partial coil pair only has half the inductance. This means that 2 n -1 switching stages with the same increments can be achieved with n pairs of partial coils.
  • the partial chokes 10 and 11 of a partial choke pair 13 are designed with only half the number of turns but with a doubling of the conductor cross section compared to an adjacent partial choke pair, the size of the said partial choke pair remains approximately the same.
  • the inductances of the partial choke pairs can now be quartered again, so that, according to this further development of the invention, there are four partial choke pairs with different inductances L1, L2, L4 and L8.

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  • Power Conversion In General (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Unterdrücken eines magnetischen Gleichstromanteils im magnetisierbaren Kern eines elektrischen Geräts, 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, einer Anzahl von Schaltzweigen, die in dem Stromkreis parallel zueinander und jeweils in Reihe zur Kompensationswicklung und zur Stromrichtereinheit angeordnet sind, wobei in jedem Schaltzweig eine Schalteinheit und eine Strombegrenzungsdrossel in Reihe geschaltet sind, und einer mit jeder Schalteinheit verbundenen Steuerungseinheit, die zum Betätigen jeder Schalteinheit eingerichtet ist, so dass ein Stromfluss über so viele Schaltzweige ermöglicht ist, dass ein Eingangssignal der Steuerungseinheit minimiert ist, wobei die Strombegrenzungsdrosseln identisch oder unterschiedlich zueinander ausgebildet sind.
  • Die Erfindung umfasst ferner 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 beispielsweise 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
  • Schaltzweig 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.
  • Weiterer Stand der Technik ist in der WO 2012/041368 A und der DE 27 23 767 A1 offenbart.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, 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 jede Strombegrenzungsdrossel aus Teilspulen zusammengesetzt ist, wobei jeweils zwei Teilspulen unter Ausbildung eines Teilspulenpaares nebeneinander zwischen zwei Metallplatten angeordnet sind und wobei jede Teilspule mit Anschlussklemmen ausgerüstet ist..
  • Die Erfindung löst diese Aufgabe ferner durch ein 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, bei dem ein Ausgangssignal eines Sensor, der den Gleichstromanteil in einer oder der Wicklung eines elektrischen Geräts erfasst, einer Steuerungseinheit zugeführt wird, die Steuerungseinheit so viele Schalteinheiten betätigt, dass sich ein Stromfluss in einem Stromkreis einstellt, der eine Kompensationswicklung aufweist, die induktiv mit einem Kern eines elektrischen Geräts gekoppelt ist, so dass ein Gleichflussanteil in dem elektrischen Gerät minimiert ist.
  • Erfindungsgemäß wird ein durch eine Kompensationswicklung fließender Gleichstrom durch Zu- und Abschalten von parallel zueinander angeordneten Strombegrenzungsdrosseln eingestellt. Dabei sind alle Strombegrenzungsdrosseln 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 Kompensationsdrossel umso größer je mehr Schaltzweige zugeschaltet sind. Eine aufwändige Phasenanschnittsregelung ist im Rahmen der Erfindung überflüssig geworden. Eine einfache digitale Steuerung ist ausreichend. Diese schaltet im Rahmen der Erfindung so viele Schaltzweige zu, dass der von einem Sensor in einem elektrischen Gerät gemessene Gleichstromanteil minimiert ist. Der Stromkreis der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist zweckmäßigerweise an einem Potentialpunkt geerdet. Dieser Potentialpunkt ist in Richtung des von der Stromrichtereinheit zugelassenen Stromes im Stromkreis den Schaltzweigen nachgeschaltet.
  • Im Rahmen der Erfindung wird die im Stromkreis wirkende Induktivität durch das Zu- und Abschalten der Strombegrenzungsdrosseln 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 Schaltzweige angeordnet sind, ist erfindungsgemäß ein geschlossener und an einer Stelle geerdeter Stromkreis.
  • Schaltet man in einem geschlossenen Stromkreis, der eine ideale Spannungsquelle aufweist, eine Stromrichtungseinheit, beispielsweise eine Diode, und eine Strombegrenzungsdrossel in Reihe, so fließt folgender Strom i(t) 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.
  • Durch sukzessives Zuschalten von N identischen Teilinduktivitäten wird der im Stromkreis fließende Gleichstrom in gleichen Sprüngen verändert, d. h. jedes Hinzuschalten einer Teilinduktivität verändert den Strom um ein Increment.
  • 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 Abfuhr der erzeugten Wärme in den Bauteilen.
  • 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 Erfindung 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 Thyristors unterschreitet. Soll ein Schaltkreis zugeschaltet werden, wird der Thyristor 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 Strombegrenzungseinheit oder mit anderen Worten als Stromventil. 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.
  • Zweckmäßigerweise sind die Strombegrenzungsdrosseln identisch oder unterschiedlich zueinander ausgebildet. Sind alle Strombegrenzungsdrosseln identisch, kann der Strom im Stromkreis bei gleicher Verschaltung der Strombegrenzungsdrosseln nur in gleichförmigen Stufen verändert werden. Erfindungsgemäß ist jede Strombegrenzungsdrossel aus Teilspulen zusammengesetzt, wobei jeweils zwei Teilspulen unter Ausbildung eines Teilspulenpaares nebeneinander zwischen zwei Metallplatten angeordnet sind und wobei jede Teilspule mit Anschlussklemmen ausgerüstet ist. Diese Bauweise der Strombegrenzungsdrosseln hat sich als besonders einfach und robust erwiesen. Darüber hinaus ermöglicht diese Bauweise die Einführung einer Zwischeninduktivität, auf die später noch genauer eingegangen wird.
  • Weitere Kosten können im Rahmen der Erfindung eingespart werden, wenn Teilspulenpaare übereinander angeordnet sind, so dass ein Spulenstapel ausgebildet ist. Gemäß dieser Variante der Erfindung teilen sich die Teilspulenpaare eine Metallplatte. Mit anderen Worten ist die Dicke der Metallplatte zwischen zwei Teilspulenpaaren, die übereinander angeordnet ist, genau so groß wie die Dicke der unteren oder oberen Metallplatte des Stapels. Sind zwei benachbarte Teilspulenpaare aktiv, so ist in dieser Metallplatte fast kein magnetischer Fluss messbar, so dass sich der Fluss der unteren und der oberen Teilspulenpaare gegenseitig aufhebt. Die Metallplatten mit ihrer konstanten Dicke, sind notwendig, falls ein benachbartes Teilspulenpaar nicht aktiv ist, also kein magnetisches Feld erzeugt.
  • Vorteilhafterweise besteht jede Metallplatte aus einem ferromagnetischen Material. Auf diese Weise werden die Streufeldverluste minimiert.
  • Vorteilhafterweise sind die Teilspulen eines Teilspulenpaares in Reihe oder parallel zueinander geschaltet. Durch diese vorteilhafte Weiterentwicklung lässt sich die Anzahl der benötigten Teilspulenpaare verringern, so dass Material und Bauvolumen eingespart werden. Schaltet man die Teilspulen eines Teilspulenpaares nicht in Reihe, sondern parallel zueinander, ohne an der Geometrie sonst etwas zu verändern, so viertelt sich die Induktivität des Teilspulenpaares.
  • Gemäße einer Variante sind die Teilspulen eines Teilspulenpaares identisch ausgebildet. Gemäß einer diesbezüglichen Weiterentwicklung weisen Teilspulen verschiedener Teilspulenpaare voneinander abweichende Windungszahlen und Leiterquerschnitte auf. Bezogen auf den weiter oben ausgeführten Stapel, bedeutet dies, dass die zwischen zwei Metallplatten angeordneten Teilspulen identisch zueinander sind. Allerdings können die Teilspulen eines im Stapel weiter oben oder unten angeordneten Teilspulenpaares eine geringere Windungszahl aufweisen, dafür aber einen größeren Leiterquerschnitt, um die dann auftretenden höheren Ströme fehlerfrei führen zu können. Natürlich ist es zusätzlich möglich die Teilspulen eines Teilspulenpaares parallel oder in Reihe zu schalten.
  • 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 die
    • Figur 1
    ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
    Figur 2
    eine Ausführungsbeispiel der in der Vorrichtung gemäß Figur 1 verwendeten Spulen,
    Figur 3
    ein weiteres Ausführungsbeispiel der in der Vorrichtung gemäß Figur 1 verwendeten Spulen,
    Figuren 4,5
    Ausführungsbeispiele der Verschaltung der Spulen gemäß der Figuren 2 und 3 schematisch verdeutlichen.
  • Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1, die einen Stromkreis 2 zeigt, in dem eine Kompensationswicklung 3 angeordnet ist. Die Kompensationswicklung 3 ist induktiv mit einer Oberspannungswicklung eines 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 beispielsweise als Diode ausgeführt ist. Eine Diode kann auch als nicht ansteuerbarer Leistungshalbleiter bezeichnet werden.
  • Die Stromrichtereinheit 4 ermöglicht den Stromfluss über diese in nur eine Richtung, die durch die Spitze des Dreiecks (also in Figur 1 von links nach rechts) angedeutet ist. Der geerdete Stromkreis 2 verfügt ferner über einander parallel geschaltete Schaltzweige 51, 52, 53 ... 5n-1, 5n. In jedem Schaltzweig sind eine Schalteinheit 61, 62, 63 ... 6n-1, 6n und eine Strombegrenzungsdrossel 71, 72, 73 ... 7n-1, 7n in Reihe geschaltet. Dabei sind die Schalteinheiten 61, ... 6n in dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel als Tyristoren realisiert, welche die Funktion der figürlich dargestellten Diode 4 übernehmen. Die Diode 4 ist somit Teil der Schalteinheit und in diese integriert. Mit anderen Worten wird die gleichrichtende Wirkung einer Stromrichtereinheit durch die elektronische Schalteinheit mit übernommen. Nach dem Zünden lässt ein Thyristor Strom in nur eine Richtung durch ihn hindurch fließen. Dabei ist Tyristor 61, ... 6n über gestrichelt dargestellte Signalleitungen mit einer Steuerungseinheit 8 verbunden, die zum Zünden des jeweiligen Thyristors eingerichtet ist. Die Steuerungseinheit 8 ist ferner mit dem Ausgang eines Sensors 9 verbunden, mit dessen Hilfe ein Gleichstromanteil in einer der Wicklungen des ansonsten nicht weiter dargestellten Transformators erfasst wird. Ausgangseitig des Sensors 9 ist ein Signal breitgestellt, das dem Gleichflussanteil entspricht und das an die Steuerungungeinheit 8 überführt wird.
  • Die induktiv mit der Oberspannungswicklung gekoppelte Kompensationswicklung 3 erzeugt im Stromkreis 2 eine Spannung U. Mit anderen Worten stellt die Kompensationswicklung 3 eine ideale Spannungsquelle für den Stromkreis 2 bereit. Die induzierte Spannung treibt nun einen Gleichstrom mit Wechselstromanteil über den Stromkreis 2. Die Größe dieses im Stromkreis fließenden Stromes ist von der Anzahl der aktiven und parallel geschalteten Schaltzweige abhängig. Je mehr Schaltzweige durch Zünden des ihr zugeordneten Thyristor aktiv geschaltet sind, desto größer wird der im Stromkreis 2 fließende Strom, der sich auch in der Kompensationswicklung 3 einstellt, so dass durch die induktive Kopplung ein Gleichflussanteil im Kern, der durch eine Gleichstromdurchflutung der Oberspannungs- und/oder Unterspannungswicklung verursacht wird, kompensiert wird.
  • Die Steuerungseinheit 8 ist eine besonders einfache Steuerungseinheit, da diese lediglich Schaltzweige durch Dauerzünden der Tyristoren oder eben durch Unterlassen der Dauerzündung eine Anzahl von Schaltzweigen parallel schaltet, so dass der von dem Sensor 9 erfasste Gleichstromanteil minimiert wird. Eine aufwändige Phasenanschnittssteuerung ist im Rahmen der Erfindung vermieden. Erfindungsgemäß ist eine einfache nahezu fehlerfreie und robuste Vorrichtung zur Gleichstrom-kompensation bereitgestellt.
  • Figur 2 verdeutlichet den Aufbau einer Induktivität 71, ... 7n beispielshaft. Es ist erkennbar, dass die Strombegrenzungsdrossel 71 aus einem Paar von Teilspulen 10 und 11 zusammengesetzt ist, die zwischen zwei Eisenplatten 12 angeordnet sind, wobei die Teilspulen 10 und 11 mit figürlich nicht dargestellten Anzapfungen oder Anschlussklemmen versehen sind.
  • Die beiden Teilspulen 10 und 11 bilden ein Teilspulenpaar 13 aus. Eine so aufgebaute Induktivität kann gemeinsam mit anderen Induktivitäten auf besonders einfache und kompakte Art und Weise zu einem Stapel 14 zusammengesetzt werden, wobei benachbarte Spulenpaare 13 sich eine zwischen ihnen angeordneten Metall- oder Eisenplatte 13 teilen. Mit anderen Worten weisen alle Metallplatten 13 des Stapels 14 die gleiche Dicke auf. Zwischen zwei übereinander angeordneten Teilspulenpaaren 13 ist lediglich eine Metallplatte notwendig. Die Metallplatten sind bevorzug identisch zueinander ausgebildet. Die Metallplatten sind bevorzugt Platten aus dünnen Elektroblechen.
  • Durch eine zweckmäßige Verschaltung lässt sich die Anzahl der benötigten Spulenpaare begrenzen. In Figur 4 sind zwei Teilspulen 10 und 11 beispielhaft in Reihe geschaltet. Figur 5 zeigt die zwei Teilspulen 10 und 11 eines Teilspulenpaares 13 in Parallelschaltung. Da sich die Teilspulenpaare gemäß Figur 4 und Figur 5 ansonsten nicht weiter unterscheiden, weist das Teilspulenpaar 13 gemäß Figur 5 nur ein Viertel der Induktivität des Teilspulenpaares gemäß Figur 4 auf. Bezeichnet man Teilspulenpaare mit voller Induktivität mit L1, siehe Figur 4, und Teilspulenpaare gemäß Figur 5, die einander parallel geschaltet sind und die somit ein Viertel der Induktivität von L1 aufweisen, mit L2, können mit acht Teildrosselpaaren 12 Schaltstufen realisiert werden, wie aus der Tabelle 1 hervor geht. Tabelle 1:
    n L1 2 L2 3 L1 4 L2 5 L1 6 L2 7 L1 8 L2
    1 1 0 0 0 0 0 0 0
    2 0 1 0 0 0 0 0 0
    3 1 1 0 0 0 0 0 0
    4 1 1 1 0 0 0 0 0
    5 1 1 0 1 0 0 0 0
    6 1 1 1 1 0 0 0 0
    7 1 1 1 1 1 0 0 0
    8 1 1 1 1 0 1 0 0
    9 1 1 1 1 1 1 0 0
    10 1 1 1 1 1 1 1 0
    11 1 1 1 1 1 1 0 1
    12 1 1 1 1 1 1 1 1
  • Darüber hinaus ist es möglich, die Teildrosseln unterschiedlich auszubilden. Ist n die Anzahl der Teilspulenpaare mit unterschiedlicher Induktivität, so ergibt sich die Anzahl der möglichen Schaltstufen nach 2n-1. Idealerweise werden die Teilspulenpaare so abgestuft, dass das folgende Teilspulenpaar nur die Hälfte der Induktivität aufweist. Damit kann man mit n Teilspulenpaaren 2n-1 Schaltstufen mit gleichen Inkrementen realisieren.
  • Werden z.B. die Teildrosseln 10 und 11 eines Teildrosselpaares 13 mit nur der Hälfte der Windungszahlen aber mit einer Verdopplung des Leiterquerschnitts im Vergleich zu einem benachbarten Teildrosselpaar ausgestaltet, so bleibt die Baugröße der besagten Teildrosselpaar in etwa gleich. Durch die Parallelschaltung kann man nun die Induktivitäten der Teildrosselpaare wieder vierteln, so dass sich gemäß dieser Weiterentwicklung der Erfindung vier Teildrosselpaare mit unterschiedlichen Induktivitäten L1,L2,L4 und L8 ergeben.
  • Man erkennt, dass man nur vier Teilspulenpaare benötigt, um 15 Schaltstufen zu realisieren, 24-1 = 15. Dies entspricht eine Einsparung von bis zu 60 %. Die Schaltmöglichkeiten sind in Tabelle 2 verdeutlicht: Tabelle 2:
    n 1 L1 2 L2 3 L4 4 L8
    1 1 0 0 0
    2 0 1 0 0
    3 1 1 0 0
    4 0 0 1 0
    5 1 0 1 0
    6 0 1 1 0
    7 1 1 1 0
    8 0 0 0 1
    9 1 0 0 1
    10 0 1 0 1
    11 1 1 0 1
    12 0 0 1 1
    13 1 0 1 1
    14 0 1 1 1
    15 1 1 1 1

Claims (12)

  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,
    - einer Anzahl von Schaltzweigen (51, 52, ... 5n), die in dem Stromkreis parallel zueinander und jeweils in Reihe zur Kompensationswicklung (3) und zur Stromrichtereinheit (4) angeordnet sind, wobei in jedem Schaltzweig (51, 52, ... 5n) eine Schalteinheit (61, 62, ... 6n) und eine Strombegrenzungsdrossel (71, 72, ... 7n) in Reihe geschaltet sind, und
    - einer mit jeder Schalteinheit (61, 62, ... 6n) verbundenen Steuerungseinheit (8), die zum Betätigen jeder Schalteinheit (61, 62, ... 6n) eingerichtet ist, so dass ein Stromfluss über so viele Schaltzweige (51, 52, ... 5n) ermöglicht ist, dass ein einem erfassten Gleichstromanteil entsprechendes Eingangssignal der Steuerungseinheit (8) minimiert ist,
    - wobei die Strombegrenzungsdrosseln (71, 72, ... 7n) identisch oder unterschiedlich zueinander ausgebildet sind,
    - dadurch gekennzeichnet, dass
    - jede Strombegrenzungsdrossel (71, 72, ... 7n) aus Teilspulen (10, 11) zusammengesetzt ist, wobei jeweils zwei Teilspulen (10, 11) unter Ausbildung eines Teilspulenpaares (13) nebeneinander zwischen zwei Metallplatten (12) angeordnet sind und wobei jede Teilspule (10, 11) mit Anschlussklemmen ausgerüstet ist.
  2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    jede Schalteinheit eine elektronische Schalteinheit (61, 62, ... 6n) ist.
  3. Vorrichtung (1) nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    jede elektronische Schalteinheit ein Thyristor (61, 62, ... 6n) ist.
  4. Vorrichtung (1) nach Anspruch 2 oder 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    jede Schalteinheit (61, 62, ... 6n) wenigstens zwei gegensinnig zueinander parallel geschaltete Thyristoren aufweist.
  5. Vorrichtung (1) nach Anspruche 3 oder 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Thyristoren (61, 62, ... 6n) zumindest teilweise als Stromrichtungseinheit (4) dienen.
  6. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Teilspulenpaare (13) übereinander angeordnet sind, so dass ein Spulenstapel (14) ausgebildet ist.
  7. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Teilspulen (10, 11) eines Teilspulenpaares (13) in Reihe oder parallel zueinander geschaltet sind.
  8. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1, 6 oder 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Teilspulen (10, 11) eines Teilspulenpaares (13) identisch zueinander ausgebildet sind.
  9. Vorrichtung (1) nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    Teilspulen (10, 11) verschiedener Teilspulenpaare (13) voneinander abweichende Windungszahlen und Leiterquerschnitte aufweisen.
  10. 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 7.
  11. Elektrisches Gerät nach Anspruch 10,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    ein Sensor (9) zum Ermitteln des Gleichstromanteils in einer oder der Wicklung vorgesehen ist, wobei der Sensor (9) ausgangsseitig mit der Steuerungseinheit (8) verbunden ist.
  12. Verfahren zum Unterdrücken eines 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 (2) angeordnete und induktiv mit dem Kern gekoppelte Kompensationswicklung 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 eine Anzahl von Schaltzweigen (51, 52, ... 5n) aufweist, die in dem Stromkreis (2) parallel zueinander und jeweils in Reihe zur Kompensationswicklung (3) und zur Stromrichtereinheit (4) geschaltet sind, wobei in jedem Schaltzweig (51, 52, ... 5n) eine Schalteinheit (61, 62, ... 6n) und eine Strombegrenzungsdrossel (71, 72, ... 7n) in Reihe geschaltet sind, bei dem
    - das Ausgangssignal eines Sensors (9), der den Gleichstromanteil in einer oder der Wicklung erfasst, einer Steuerungseinheit (8) zugeführt wird,
    - die Steuerungseinheit (8) so viele Schalteinheiten (61, 62, ... 6n) einschaltet, dass sich durch die Anzahl von aktiven und parallel geschalteten Schaltzweigen ein in Schaltstufen einstellbarer Stromfluss im Stromkreis (2) einstellt, der den Gleichstromanteil minimiert.
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