Verfahren und Einrichtung zur Regelung der elektrischen Spannung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der elektrischen Spannung in elektrischen Versorgungsnetzen und/oder Verbraucheranlagen mit einem Regeltransformator sowie eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Ein derartiges Verfahren ist aus der WO 01/33308 A1 bekannt. Wie in dieser Druckschrift ausgeführt, ist es an sich bekannt, die Spannungsregelung 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 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.
Zur Spannungsregelung der Netze in den zentralen Netzknoten werden Regeltransformatoren vorgesehen. Regeltransformatoren dienen der stufenweisen Spannungsregelung elektrischer Netze durch Änderung des Übersetzungsverhältnisses. Zu diesem Zweck enthalten Regeltransformatoren Regelwicklungen mit Anzapfungen, die mit Hilfe der Transformatorstufenschalter 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 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.
Die Umschaltung im Stufenschalter des Transformators erfolgt aus obigem Grund auch nicht direkt, sondern mehrstufig, wobei während des Umschaltvorganges kurzzeitig Uberschaltimpedanzen in die Stromkreise der Anzapfungen geschaltet werden, die den Kreisstrom begrenzen. Üblich sind sowohl ohmsche Uberschaltimpedanzen im europäischen Raum, als auch induktive Uberschaltimpedanzen 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.
Nachteilig bei den bislang angewendeten Maßnahmen zur Begrenzung des Kreisstromes ist, dass sie zu komplexen Überschaltprinzipien führen und komplexe Ausführungen der Regeltransformatoren erfordern.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das einerseits die obigen Nachteile vermeidet und das anderseits durch ein neues verbrauchernähres Anwendungsfeld der Spannungsregelung eine höhere und effizientere Ausnützung vorhandener Netze zulässt bzw. gewährleistet.
Die Aufgabe wird durch die Erfindung gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass der
Regeltransformator im Zuge des Energieflusses zwischen mindestens einem Erzeuger und mindestens einem Endverbraucher mit einem die Teilwicklungen
des Regeltransformators umzuschaltenden Umschalter eingeschleift wird, wobei der Regeltransformator eine hohe Streuimpedanz, die den Kreisstrom im Fall eines Kurzschlusses benachbarter Anzapfungen der Teilwicklungen auf die Größenordnung des Nennstromes begrenzt, aufweist.
Mit der Erfindung ist es erstmals möglich eine Spannungsregelung in Netzen oder Verbraucheranlagen, in Nähe des Verbrauchers, auf Basis von Regeltransformatoren durchzuführen, die eine erhöhte Impedanz der Regelwicklung aufweisen, so dass ein vereinfachter Stufenschalter ohne Uberschaltimpedanzen eingesetzt werden kann.
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 Spannungsregelung auf der Ebene der Niederspannung oder eventuell auf der Ebene der Mittelspannung als wirtschaftliche Lösung durchgeführt werden.
Es ist weiters Aufgabe der Erfindung eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, die vor allem einfach und robust im Aufbau und im Betrieb ist und wirtschaftlich hergestellt werden kann.
Nach einem besonderen Merkmal der Erfindung ist die Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens dadurch gekennzeichnet, dass der
Regeltransformator (3) als Einwicklungstransformator, beispielsweise als Spartransformator, oder Mehrwicklungstransformator, beispielsweise als Volltransformator, ausgeführt ist.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Regeltransformator mit primär- und/oder sekundärseitiger 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 einer zwischenkreisseitigen Regelwicklung ausgeführt.
Gemäß einem weiteren besonderen Merkmal der Erfindung ist der Regeltransformator als Zweiwicklungstransformator mit primär- und/oder sekundärseitiger Regelwicklung ausgebildet.
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 erfindungsgemäß hohe Eigenimpedanz bzw. Streuimpedanz aufweist, die als im Regeltransformator integrierte Überschaltimpedanz wirkt, so dass die aus dem Stand der Technik bekannten und heute üblichen Uberschaltimpedanzen des Stufenschalters und damit die Widerstandskontakte entfallen.
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 Uberschaltimpedanzen resultiert aus dem Faktum, dass Netzinnenwiderstand und Kurzschlussimpedanz von Regeltransformatoren aus Gründen der Spannungshaltung wesentlich kleiner als die Lastimpedanz sind, so dass die während der Überschaltvorgänge 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 Streuspaltes, 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 Uberschaltimpedanzen nicht erforderlich, und der Stufenschalter vereinfacht sich auf einen gewöhnlichen Umschalter.
Die Regelwicklung kann beliebig, beispielsweise als konzentrische oder als Scheibenspulenwicklung, mit den entsprechenden Anzapfungen ausgeführt sein. Dieses Prinzip ist 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 sekundären und/oder zwischenkreisseitigen Stammwicklung verbunden sein.
Da die Einrichtung vor allem für die Spannungsregelung von Netzausläufern in Frage kommt, liegt ihre Leistungsfähigkeit auf Basis der Durchgangsleistung im Bereich von einigen 10 kVA bis einigen 10 MVA.
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.
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 mehrstufigen Nockenschalters oder einer Kette von Relais oder Schützen oder deren Komponenten oder einer Kette elektronischer Schalter,
insbesondere Halbleiterschalter, ausgebildet sein kann. 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 Vakuumschaltsysteme, beruhen.
Die Erfindung wird an Hand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Prinzipskizze bei Anordnung eines Spartransformators mit sekundärseitiger Regelwicklung
Fig. 2 eine Prinzipskizze bei Anordnung eines Volltransformators mit sekundärseitiger Regelwicklung, die über ihr Wicklungsende mit einem
Wicklungsende der Stammwicklung verbunden ist, Fig. 3 eine Prinzipskizze bei Anordnung eines Spartransformators mit primärseitiger Regelwicklung
Fig. 4 eine Prinzipskizze bei Anordnung eines Volltransformators mit primärseitiger Regelwicklung, die über eine Wicklungsanzapfung mit einer
Wicklungsanzapfung der Stammwicklung verbunden ist Fig. 5 einen Umschalter auf Basis von Schützen und
Fig. 6 einen Umschalter auf Basis von Halbleitern.
Einführend sei festgehalten, dass in der beschriebenen Ausführungsform gleiche Teile bzw. Zustände mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen versehen werden, wobei die in der gesamten
Beschreibung enthaltenen Offenbarungen sinngemäß auf gleiche Teile bzw. Zustände mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen übertragen werden können.
Gemäß der Fig. 1 ist eine Einrichtung zur Regelung der elektrischen Spannung zwischen einem - mit dem Pfeil dargestellten - Erzeuger 1 und einem - ebenfalls nur mit einem Pfeil angedeuteten - Endverbraucher 2 aufgezeigt,
wobei für die Regelung ein Regeltransformator 3 in der Ausführung eines Spartransformators vorgesehen ist. Dieser Spartransformator weist sekundärseitig eine Regelwicklung mit Teilwicklungen 4 auf. Die Regelwicklung ist über eine Anzapfung 5, beispielsweise über eine Mittelanzapfung mit der Primärwicklung 6 des Spartransformators verbunden. Dies erlaubt sowohl eine Erhöhung als auch eine Verringerung der endverbraucherseitigen Spannung. Die Anzapfungen 5 der Regelwicklung werden über einen Umschalter 7 wahlweise mit dem Ausgang zum Endverbraucher 2 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 benachbarte Schaltstrecke geschlossen und danach die ursprüngliche Schaltstrecke geöffnet wird. Dadurch kann die endverbraucherseitige Spannung erhöht oder verringert werden. Darüber hinaus kann auf der Seite des Endverbrauchers 2 ein integrierter Überspannungsschutz 11 vorgesehen sein.
Zur Erhöhung der Kurzschlussimpedanz der Regelwicklung weist der Regeltransformator 3 in der Ausführungsart als Spartransformator einen verbreiterten Streuspalt 9 auf. Durch diese 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 Regelung der elektrischen Spannung zwischen einem Erzeuger 1 und einem Endverbraucher 2 aufgezeigt, wobei für die Regelung ein Regeltransformator 3 in der Ausführung eines Volltransformators mit sekundärseitiger Regelwicklung vorgesehen ist. Dabei erfolgt die Verbindung der Regelwicklung mit den Teilwicklungen 4 über deren Wicklungsende zu einem Wicklungsende der sekundärseitigen Stammwicklung des Regeltransformators 3. An die Teilwicklungen 4 ist wieder ein Umschalter 7 mit seiner Ansteuereinrichtung 8 vorgesehen. Zur Erhöhung der Streuimpedanz weist der Regeltransformator 3 ebenfalls wieder einen
verbreiterten Streuspalt 9 auf. Die Streuimpedanz der Sekundären Stammwicklung 14 ist nicht erhöht.
Der Umschalter 7 ist als mehrstufiger Nockenschalter ausgeführt und korrespondiert mit den Anzapfungen 5 der Teilwicklungen 4.
Gemäß der Fig. 3 ist eine Einrichtung zur Regelung der elektrischen Spannung zwischen einem Erzeuger 1 und einem Endverbraucher 2 aufgezeigt, wobei für die Regelung ein Regeltransformator 3 in der Ausführung eines Spartransformators vorgesehen ist. Dieser Spartransformator weist primärseitig eine Regelwicklung mit Teilwicklungen 4 auf. Die Regelwicklung ist über eine Anzapfung 5, beispielsweise über eine Mittelanzapfung mit der Primärwicklung 6 des Spartransformators verbunden. Dies erlaubt sowohl eine Erhöhung als auch eine Verringerung der endverbraucherseitigen Spannung. Die Anzapfungen 5 der Regelwicklung werden über einen Umschalter 7 wahlweise mit dem Ausgang zum Endverbraucher 2 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 benachbarte Schaltstrecke geschlossen und danach die ursprüngliche Schaltstrecke geöffnet wird. Dadurch kann die endverbraucherseitige Spannung erhöht oder verringert werden. Darüber hinaus kann auf der Seite des Endverbrauchers 2 ein integrierter Überspannungsschutz 1 1 vorgesehen sein.
Zur Erhöhung der Kurzschlussimpedanz der Regelwicklung weist der Regeltransformator 3 in der Ausführungsart als Spartransformator einen verbreiterten Streuspalt 9 auf. Durch diese Erhöhung der Streuimpedanz wird der Kreisstrom im Falle eines Kurzschlusses auf die Größenordnung des Nennstromes begrenzt.
Gemäß der Fig. 4 ist wieder die Einrichtung zur Regelung der elektrischen Spannung zwischen einem Erzeuger 1 und einem Endverbraucher 2
aufgezeigt, wobei für die Regelung ein Regeltransformator 3 in der Ausführung eines Volltransformators mit primärseitiger Regelwicklung vorgesehen ist. Dabei erfolgt die Verbindung der Regelwicklung mit den Teilwicklungen 4 über ihre Wicklungsanzapfung zu einer Wicklungsanzapfung der Stammwicklung des Regeltransformators 3. An die Teilwicklungen 4 ist wieder ein Umschalter 7 mit seiner Ansteuereinrichtung 8 vorgesehen. Zur Erhöhung der Streuimpedanz weist der Regeltransformator 3 ebenfalls wieder einen verbreiterten Streuspalt 9 auf. Die Streuimpedanz der Sekundären Stammwicklung 14 ist nicht erhöht.
Der Umschalter 7 ist als mehrstufiger Nockenschalter ausgeführt und korrespondiert mit den Anzapfungen 5 der Teilwicklungen 4.
Gemäß der Fig. 5 sind die Teilwicklungen 4 mit ihren Anzapfungen 5 mit einer Reihe von Schützen 10 verbunden, die die Spannungsregelung entsprechend dem Umschalter 7 in Fig. 1 und 2 durchführen. Die Ansteuerung der einzelnen Schütze 12 oder auch Relais erfolgt über Ansteuereinrichtungen 8, die mit einem Spannungsregler in Verbindung stehen.
Gemäß der Fig. 6 sind die Teilwicklungen 4 mit ihren Anzapfungen 5 mit einer Reihe von elektronischen Schaltern 13, insbesondere Halbleiterschaltern, verbunden, die die Spannungsregelung entsprechend dem Umschalter 7 in Fig. 1 und 2 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 Bauteile und Baugruppen zum besseren Verständnis der Erfindung unproportional und maßstäblich verzerrt dargestellt sind.