用于对试验变压器进行无功功率补偿的装置和方法

摘要

本发明涉及一种用于对具有电抗器、分级的电容器组以及发电机的试验变压器进行无功功率补偿的装置和方法，其中该发电机用于产生具有可预定的试验频率的发电机电流和发电机电压。根据本发明规定，电抗器的电感可调节并且能与分级的电容器组相互错接，使得发电机能在几乎仅仅只有有功功率的情况下运行。由此在试验电路内，发电机几乎总在最佳的工作点附近被调节以用于对试验变压器进行试验，并且不需要大于必要的尺寸。由此发电机的功率可被最佳地用于产生发电机电压，并且通过这样进行的、对试验电路的主要部件的部件大小的减小使得可以将整个装置移动式地用于现场对待试验的功率变压器进行试验。

权利要求

1.一种用于对具有电抗器（2a，2b，2c）和发电机（6）的试验变压器（1）进行无功功率补偿的装置，其中，该发电机（6）用于产生具有可预定的试验频率的发电机电流和发电机电压，其特征在于，电抗器（2a，2b，2c）的电感可调节并且能与分级的电容器组（3a，3b，3c）连接，其中，该可调的电抗器（2a，2b，2c）和分级的电容器组（3a，3b，3c）设置在发电机（6）和试验变压器（1）之间并且基于所确定的试验电路（11）的电参数而与该试验变压器（1）连接为，使得发电机（6）能在仅仅只有有功功率的情况下运行。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，确定发电机电压和发电机电流之间的相位角cos(Φ)，并且能根据该相位角确定和调节用于分级的电容器组（3a，3b，3c）和/或可调电抗器（2a，2b，2c）的调节参数。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，控制装置依据发电机电压和发电机电流之间和/或试验电压和试验电流之间的相位角cos(Φ)，直接在具有可预定的试验频率的试验变压器（1）之前确定和调节分级的电容器组（3a，3b，3c）和/或可调电抗器（2a，2b，2c）的调节参数。

4.根据权利要求1至3之一所述的装置，其特征在于，电动机（5）能被调节到所要求的转数作为试验频率的等效，以及借助功率开关（7）在所出现的转数时通过发电机（6）与作为试验电路（11）的一部分的匹配变压器（8）连接。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，在功率开关（7）闭合的情况下能接通所述发电机（6），并且该发电机（6）能被调节到所要求的转数作为试验频率的等效。

6.一种用于对具有电抗器（2a，2b，2c）和发电机（6）的试验变压器（1）进行无功功率补偿的方法，其中，该发电机（6）用于产生具有可预定的试验频率的发电机电流和发电机电压，具有以下步骤：a)确定电动机（5）的必要的转数作为试验频率的等效；

b)将发电机（6）连接到电动机（5）；

c)确定在施加于试验变压器（1）上的试验电压和试验电流之间的相位角cos(Φ)；

d)依据所确定的具有试验变压器（1）的试验电路（11）的电测量参数，调节可调电抗器（2a，2b，2c）的电感和分级的电容器组（3a，3b，3c）的电容，使得发电机（6）在试验电路（11）闭合的情况下在仅仅只有有功功率的情况下运行。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在试验电路（11）中对试验变压器（1）进行电容补偿，使得在达到在发电机电压和发电机电流之间和/或在直接于试验变压器（1）前确定的试验电压和试验电流之间的相位角cos(Φ)的极限值之前不接通电容，以及在达到该可预定的极限值时才接通分级电容器组的（3a，3b，3c）电容器级，并在提高发电机电压的过程中逐步地接通直到达到预定的试验电压为止。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，电感补偿在断开分级的电容器组（3a，3b，

3c）的情况下通过调节可调电抗器（2a，2b，2c）来进行。

9.根据权利要求6至8之一所述的方法，其特征在于，根据所确定的发电机电压和

发电机电流之间的相位角cos(Φ)或根据所确定的试验电压和试验电流之间的相位角cos(Φ)，可编程控制器确定电抗器（2a，2b，2c）和/或分级的电容器组（3a，3b，3c）的调节参数。

10.根据权利要求6至8之一所述的方法，其特征在于，借助设置在试验电路（11）中的测量换能器（14a-14m）确定发电机电压和发电机电流之间的相位角cos(Φ)或试验电压和试验电流之间的相位角cos(Φ)。

说明书

用于对试验变压器进行无功功率补偿的装置和方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种用于对具有电抗器和发电机的试验变压器进行无功功率补偿的装置和方法，其中该发电机用于产生具有可预定的试验频率的发电机电流和发电机电压。

背景技术

[0002] 功率变压器是基于电源和市电网络运营商针对每种单独情况分别所要求的功率规范来开发和制造的。在该开发和制造过程的范围内，功率变压器应当满足特定的功率要求，这些特定的功率要求将借助所谓的试验装置来加以检查和证明。在该制造过程结束时，功率变压器将作为试验变压器在固定的试验装置中就该功率变压器的功率特征接受检查。在此，例如借助执行感应出的耐受交流电压试验来测试耐压性。

[0003] 由于国内和国际的规范或标准，试验装置必须能够在大的电功率范围内检查试验变压器。因此将试验装置设计为，使得可以在该试验装置内测试最大可能要测试的试验变压器。

[0004] 除了对试验装置的结构要求之外，为了在不同的试验频率和不同的试验电压下对试验变压器进行试验还必须通过该试验装置提供特定的电功率范围。在此，对试验频率和试验电压的选择应当遵循国际和国内的标准。试验频率和试验电压影响整个试验电路以及各个部件的铺设。在具有低频率的试验电压下，试验变压器的电特性是强烈电感的。相反在试验电压具有高频率的情况下，试验电路中的试验变压器的特性是强烈电容的。在此的问题是，在具有试验变压器的试验电路的特定部件具有不同比例时，例如激活的变压器铁芯和发电机的质量相对于电路的铜的质量不同时，在试验的范围内可能出现非常高的电容或电感干扰分量，或者在试验变压器的特定部件具有太大的不同比例时，甚至可能阻止试验。

[0005] 传统地，通过使用非常大的电动机/发电机机组产生必要的、具有可预定的试验频率的发电机电压或发电机电流来克服该问题。对于必要的功率范围，用于聚集所需要的有功功率和无功功率的该电动机/发电机机组非常大，因此可能不能移动式地使用。

[0006] 此外，固定安装的、具有中等变压器以及仅在无压状态中可连接的大的电抗器和电容器的试验装置是公知的。但在这种情况下，无功功率补偿的接通或断开未经调节地进行，并且在开关级的任何变化之前都要求电动机/发电机机组的关闭或补偿装置的电释放。该方法是耗费时间的，并且从机械、电和热方面加重了电动机或发电机机组的负担。

[0007] 尤其是在供电企业和国家监察机构（Aufsichtstelle）根据处于运行中的功率变压器的“现场”试验而提出的要求的背景下，不能使用目前的大的电动机/发电机组。可替换的，可以在相应的整个试验电路中根据单独的情况来计算试验变压器的电感和电容，并据此提供合适的电容或电感。这必须针对每种试验情况在所定义的试验电压和试验频率下单独进行。该方法非常费事并且不能应用于未给出在该制造方法中特殊确定的功率数据的试验变压器。

[0008] 由此DE4007826C2描述了一种用于运行无功功率调节器的方法，该无功功率调节器借助在待补偿的电网中的变流器依据在待补偿的电网内所确定的电容值接通或断开分级的电容器组的电容器级。

[0009] 此外DE10137615A1描述了一种用于补偿无功功率的方法，其中通过无功能量差调节器借助待补偿设备的当前电网电压和电网电流来采集无功能量，并且依据必要时确定的对无效功的不足补偿或过补偿来确定平均无功功率需求以及提供给补偿用。

[0010] 同样DE3622570A1描述了一种用于交流电压试验设备的调节机组，该调节机组由调节变压器和补偿电抗器组成。借助附加的电容试验设备，通过适当确定调节变压器和电抗器的尺寸使得可以借助该调节机组在试验变压器的整个电压范围中进行电压试验。

[0011] 此外，US5，281，908描述了一种具有可变电容的移动试验装置，其中可以通过该试验装置依据试验电路或试验变压器的测量值来逐渐增加地改变电容。

[0012] 在现有技术的所有解决方案中的问题是，目前利用公知的设备不能在大的电压和频率范围内对功率变压器进行直接的“现场”试验。

发明内容

[0013] 因此本发明的任务是提供用于对试验变压器进行无功功率补偿的装置和方法，其中该装置可以简单而且在直接靠近作为试验变压器的功率变压器的地方安装，并且可以快速和简单地执行“现场”试验。

[0014] 该任务就用于对试验变压器进行无功功率补偿的装置来说是根据一种用于对具有电抗器（2a，2b，2c）和发电机（6）的试验变压器（1）进行无功功率补偿的装置来解决的，其中，该发电机（6）用于产生具有可预定的试验频率的发电机电流和发电机电压，其特征在于，电抗器（2a，2b，2c）的电感可调节并且能与分级的电容器组（3a，3b，3c）连接，其中，该可调的电抗器（2a，2b，2c）和分级的电容器组（3a，3b，3c）设置在发电机（6）和试验变压器（1）之间并且基于所确定的试验电路（11）的电参数而与该试验变压器（1）连接为，使得发电机（6）能在仅仅只有有功功率的情况下运行。

[0015] 同样，该任务就用于对试验变压器进行无功功率补偿的方法来说是根据一种用于对具有电抗器（2a，2b，2c）和发电机（6）的试验变压器（1）进行无功功率补偿的方法来解决的，其中，该发电机（6）用于产生具有可预定的试验频率的发电机电流和发电机电压，具有以下步骤：

[0016] a)确定电动机（5）的必要的转数作为试验频率的等效；

[0017] b)将发电机（6）连接到电动机（5）；

[0018] c)确定在施加于试验变压器（1）上的试验电压和试验电流之间的相位角cos(Φ)；

[0019] d)依据所确定的具有试验变压器（1）的试验电路（11）的电测量参数，调节可调电抗器（2a，2b，2c）的电感和分级的电容器组（3a，3b，3c）的电容，使得发电机（6）在试验电路（11）闭合的情况下在仅仅只有有功功率的情况下运行。

[0020] 根据本发明规定，电抗器的电感可调节并且可与分级的电容器组错接，其中该电抗器和分级的电容器组设置在发电机和试验变压器之间，并且基于所确定的试验电路的电参数而与该试验变压器连接为，使得发电机可以在几乎仅仅只有有功功率的情况下运行。通过发电机能够几乎仅仅以有功功率运行，保证了在试验电路内存在用于对试验变压器进行试验的最佳工作点。由此用于产生具有可预定的试验频率的发电机电压或发电机电流的发电机的功率、电抗器的功率以及分级的电容器组的功率可以被保持得很小，并且通过这样进行的部件大小的减小而使得可以将该装置直接在待试验的功率变压器的现场使用。

[0021] 优选的，电抗器被构成为，使得借助活动铁芯原理可以在绕组内无级地调节铁芯，并由由此可以无级地调节电感。分级的电容器组允许在有负载的情况下也能接通或断开相应的电容器级，从而不需要像现有技术所需要的那样中断试验运行以改变电容补偿级。

[0022] 有利的是，确定发电机电压和发电机电流之间的相位角cos(Φ)，并且由此确定和调节用于分级的电容器组和/或可调电抗器的调节参数。位于发电机电压和发电机电流之间的相位角cos(Φ)是对试验电路内的无效功程度的度量。利用在发电机电压和发电机电流之间的相应相位角cos(Φ)的确定以及通过分级的电容器组和可调电抗器对该相位角的相应补偿，发电机可以在几乎仅仅只有有功功率的情况下运行。在使用匹配变压器来将发电机电压和发电机电流变换到用于试验变压器的试验电压和试验电流的情况下，替换或附加地可以直接在试验变压器之前（在考虑整个试验电路的情况下）确定试验电压和试验电流之间的相位角cos(Φ)，并将该相位角用于确定试验电路中必要的无功功率补偿。

[0023] 有利的是，控制装置依据发电机电压/发电机电流和/或试验电压/试验电流之间的相位角cos(Φ)，直接在具有可预定的试验频率的试验变压器之前确定分级的电容器组和/或可调电抗器的调节参数，并且在分级的电容器组和/或可调电抗器上调节出由此确定的调节参数。

[0024] 有利的是，驱动发电机所需要的电动机被调节到所要求的转数作为试验频率的等效。借助功率开关，在所出现的转数时匹配变压器被作为试验电路的一部分而连接。该匹配变压器用于将通过发电机产生的发电机电压/发电机电流转换为在试验变压器上需要施加的试验电压/试验电流。在电动机出现所要求的转数时，通过闭合在匹配变压器的输入端上的功率开关而同时接通和缓慢加速发电机激励。在发电机的该加速过程中，连续地确定发电机电压和发电机电流或位于发电机电压和发电机电流之间的相位角，并由此推导出用于可调电抗器和分级的电容器组的调节参数。附加的，可以直接在试验变压器之前确定试验电压和试验电流之间的相位角。有利的是，在功率开关闭合的情况下电动机可调节，并且被调节到所要求的转数作为试验频率的等效。

[0025] 根据本发明，规定一种用于对具有电抗器、电容器组和发电机的试验变压器进行无功功率补偿的方法，使得电动机的必要的转数被确定为试验频率的等效，并为此可以接通相应的发电机。

[0026] 确定在闭合的试验电路产生的发电机电压和发电机电流之间的相位角cos(Φ)，并且基于相应的试验电路的测量参数，调节可调电抗器的电感和/或分级的电容器组的电容，使得发电机在试验电路闭合的情况下在几乎仅仅只有有功功率的情况下运行。

[0027] 有利的是，在试验电路中对试验变压器进行电容补偿的情况下规定，在达到在发电机电流和发电机电压之间和/或在直接于试验变压器前确定的试验电压和试验电流之间的相位角cos(Φ)的极限值之前不接通电容。在达到cos(Φ)的可预定的极限值时，才在提高发电机电压的过程中逐步地接通分级的电容器组的电容器级，直到达到预定的发电机电压或试验电压为止。

[0028] 有利的是，在损耗因数cos(Φ)=0.7时接通电容补偿。电容器组的级数不是刚性预定的，而是根据在第一级或每下一级接通之后损耗因数的变化过程来给出的。在此，相应的损耗因数被确定为接通一个电容器级之前和之后的相位角cos(Φ)，并估计是否需要接通其它电容器级。在达到作为相位角cos(Φ)≈1的损耗因数或达到cos(Φ)≈0.9的电容的损耗因数时，不接通其它的电容器级，而是继续加速发电机激励。因此整个过程一直重复，直到发电机电压或在使用匹配变压器时的试验电压施加在试验变压器上为止。如果在接通最大的电容补偿功率之后仍然未达到发电机电压或试验电压，则该系统可以进一步提高激励，但是要在达到相位角cos(Φ)≈0.6的最大稳定极限之前。

[0029] 有利的是，电感补偿通过调节可调电抗器以及断开分级的电容器组来进行。由于在试验电路的电容特性时（主要在频率高于80Hz的情况下）不需要电容补偿，因此电容补偿完全由试验电路接纳。与电容补偿相反，电感补偿可以借助可调电抗器尤其是根据活动铁芯原理无级地调节。

[0030] 就这点而言在接通对发电机的激励之后，将损耗因数连续地计算为相位角cos(Φ)，并且确定当前相位角cos(Φ)和预定相位角cos(Φ)的额定值与实际值比较。在调节过程的范围内，控制该结构的可调电抗器，使得依据相位角cos(Φ)就所确定的无功功率来跟踪电感。这要一直进行下去，直到达到发电机电压或试验电压或者在试验电路中出现最大可接通的电感为止。发电机电压的提高以与活动铁芯的跟踪相匹配的速度进行。从而实现对无功功率的电感补偿的连续调节。如果发电机电压或试验电压在接通最大电感之后还未出现，则可以进一步加速该激励，但是要最大在相位角cos(Φ)≈0.6之前。作为设备的稳定限制应当不低于该值。

[0031] 有利的是，在本方法的范围内，根据所确定的发电机电压/发电机电流之间或试验电压/试验电流之间的相位角，借助可编程控制器确定或者通过可编程控制器控制可调电抗器和/或分级的电容器组的调节参数。为了改善对在试验电路中占主导的电状态的确定，在试验电路中设置尤其是用于确定发电机电压和发电机电流之间的相位角cos(Φ)和/或用于确定试验电压和试验电流之间的相位角cos(Φ)的测量换能器。

附图说明

[0032] 其它有利的构成在从属权利要求中找到。附图中

[0033] 图1示出了具有3个分级的电容器组和1个可调电抗器的试验电路的接线图；

[0034] 图2示出了由两个分级的电容器组和3个可调电抗器组成的补偿电路的接线图；

[0035] 图3示出了具有测量换能器和分析单元的试验电路的接线图。

具体实施方式

[0036] 图1示出该有利装置的通用接线图。借助主开关9将试验电路连接到外部电源，尤其是400V、1500A的交流电源。借助变流器或变频器10，将三相交流电压转换为用于电动机5的直流电压。该电动机用于驱动发电机6，该发电机6直接产生具有可预定的试验频率的相应的发电机电压，或者如果相应的发电机电压不足，则借助匹配变压器8将该发电机电压转换为试验电压。可调电抗器2a在图1所示的示例中与试验电路11中的3个电容器级3a，3b，3c连接。借助功率开关7，可以在发电机6所出现的转数下以及由此作为被激励到试验频率的发电机电压的等效而闭合开关7，并由此同样闭合试验电路11。然后通过特殊的测量电路4，可以测量在试验变压器1上施加的、试验电压和试验电流之间的相位角cos(Φ)，并且借助分析装置13显示该相位角。

[0037] 图2示出具有3个可调电抗器2a，2b，2c和两个分级的电容器组3a，3b的补偿电路的连线图。依据发电机电压和发电机电流之间或试验电压和试验电流之间的相位角cos(Φ)，可以简单地而且在试验运行运转期间提供必要的电容补偿或电感补偿。在此，借助可调电抗器2a，2b，2c，尤其是通过根据活动铁芯原理的电抗器来保证电感补偿。依据分级的电容器组3a，3b的各个电容器级的电容大小，还可以借助分级的电容器组3a，3b以逐渐增加的小间隔来提供电容补偿。

[0038] 图3示出具有设置在试验电路11的不同位置上的测量接收器和所连接的量测换能器14a至14m的示意性接线图。尤其是在试验变压器1前，设置测量换能器14m来用于确定试验电压和试验电流之间的相位角，以及在匹配变压器8前设置测量换能器14k来用于确定发电机电压和发电机电流。此外，直接在发电机6后连接具有相应的测量换能器14b的测量接收器，该测量换能器14b确定在直接靠近发电的发电机6的地方发电机电压和发电机电流之间的相位角cos(Φ)。所获得的量测换能器14a至14m的测量值被传送给分析装置13并借助控制装置9未示出）用于调节试验电路11的相应部件的调节值。

[0039] 在使用自动控制的情况下结合可调电抗器2a，2b，2c和分级的电容器组3a，3b，3c使得可以几乎在发电机6的有功功率工作点（相位角cos(Φ)≈1）实现试验电路11的发电机6的运行。通过借助自动调节来优化补偿，发电机6几乎不需要筹集无功功率。由此相应发电机6的功率以及必要的结构大小可以与实际需要的有功功率匹配，而且不再与整个试验电路11的无功功率需求匹配。借助对无功功率的自动补偿，产生了使用与目前的设备相比小的发电机或电动机/发电机组的可能性。

[0040] 根据本发明的自动无功功率补偿的另一个优点在于：将补偿元件设置为发电机6与匹配变压器8之间的可调电抗器2a，2b，2c和分级的电容器组3a，3b，3c。由此正好不将试验电路11的高压侧用于设置可调电抗器2a，2b，2c和分级的电容器组3a，3b，3c形式的补偿元件。因此，作为可调电抗器2a，2b，2c和分级的电容器组3a，3b，3c的补偿元件的测定电压与发电机6的测定电压一致，这有助于减小试验电路11的全部部件的结构大小和测定功率。由此能以更小的结构设计来提供试验电路11的所有部件，尤其是发电机6、可调电抗器2a，2b，2c、分级的电容器组3a，3b，3c以及匹配变压器8。

[0041] 该试验电路的部件在这种情况下具有这样的大小，即这些部件可以安放在标准运输容器中并在标准运输容器中移动。例如，在第一容器中试验电路11的电源可以按照主功率开关9、变频器或变流器10、电动机5以及发电机6的形式设置。在第二容器中，匹配变压器8可以直接集成在待试验的变压器1之前。在第三容器中，补偿元件可以按照可调电抗器2a，2b，2c和分级的电容器组3a，3b，3c的形式设置。

[0042] 通过借助基于存储器的控制器来自动进行补偿，使得可以只由一个操作人员来执行变压器试验。基于安全限制的预定，尤其是不超过或不低于相位角的预定，优选基于发电机电压和发电机电流之间或者试验电压和试验电流之间的相位角cos(Φ)≈0.6，可以在稳定的运行状态内执行对试验变压器1的试验。

[0043] 附图标记清单

[0044] 1 试验变压器

[0045] 2a，2b，2c可调电抗器

[0046] 3a，3b，3c分级的电容器组

[0047] 4 试验变压器的测量电路

[0048] 5 电动机

[0049] 6 发电机

[0050] 7 试验电路的功率开关

[0051] 8 匹配变压器

[0052] 9 装置的功率开关

[0053] 10 变换器

[0054] 11 试验电路

[0055] 12a，12b，12c开关

[0056] 13 分析装置

[0057] 14a至14m 测量换能器