用于减小在变压器的铁心中的单向磁通量分量的设备和方法

摘要

本发明涉及用于减小在变压器的铁心中的单向磁通量分量的设备，包括‑至少一个补偿绕组（K），所述补偿绕组（K）与变压器的铁心磁耦合，‑与补偿绕组（K）串联的至少一个开关单元（T1、T2），以便将电流馈入到补偿绕组中，和‑与补偿绕组（K）串联的至少一个限流电抗器。为了相比于已知的级联电路减少限流电抗器的数量，规定对于每个限流电抗器，两个开关单元(T1、T2)彼此并联，并且限流电抗器由两个绕组（W1、W2）组成，所述绕组(W1、W2)彼此可以要么串联要么并联。

权利要求

1.用于减小在变压器的铁心中的单向磁通量分量的设备，包括

-至少一个补偿绕组（K），所述补偿绕组（K）与变压器的铁心磁耦合，

-至少一个开关单元（T、T1、T2），所述开关单元（T、T1、T2）以电的方式在电流通路中与补偿绕组（K）串联地布置，以便将电流馈入到补偿绕组中，所述电流的作用与单向磁 通量分量相反，和-至少一个限流电抗器（L、L/4），所述限流电抗器（L、L/4）以电的方式在电流通路中与补偿绕组（K）串联地布置，其特征在于,-对于每个限流电抗器（L、L/4），两个开关单元(T1、T2)彼此并联，

-限流电抗器（L/4）由两个绕组（W1、W2）组成，所述绕组（W1、W2）彼此可以要么串联要么并联，其中-在并联的情况下，第一绕组（W1）与第一开关单元（T1）串联，并且第二绕组（W2）与第二开关单元（T2）串联，-而在串联的情况下，第一和第二绕组（W1、W2）彼此串联，并且与第一开关单元（T1）串联。

2.按照权利要求1所述的设备，其特征在于，第一和第二绕组（W1、W2）通过共同的磁环（R）彼此磁耦合。

3.按照权利要求2所述的设备，其特征在于，第一和第二绕组（W1、W2）分别围绕磁柱（S1、S2）缠绕，两个柱（S1、S2）彼此平行地对准，并且在其端面处分别通过磁轭（Jo、Ju）彼此连接。

4.按照权利要求3所述的设备，其特征在于，至少一个磁轭（Jo、Ju）具有两个在其末端处分别彼此连接的轭柱，其中第一绕组（W1）的多个匝（WH1）缠绕到一个轭柱上，并且第二绕组（W2）的相同数量的匝（WH2）以相反的方向缠绕到另一轭柱上。

5.按照权利要求1至4之一所述的设备，其特征在于，所述开关单元（T、T1、T2）包含至少一个半导体开关。

6.按照权利要求5所述的设备，其特征在于，所述半导体开关是晶闸管。

7.按照权利要求1至4之一所述的设备，其特征在于，所述开关单元（T、T1、T2）与控制单元连接，所述控制单元与用于检测单向磁通量分量的测量装置连接。

8.用于运行按照权利要求1至7之一所述的设备的方法，其特征在于，在仅需要最大可能的补偿电流的最多四分之一的情况下，使限流电抗器（L/4）的两个绕组(W1、W2)彼此串联，并且使用仅一个开关单元（T1），而在需要多于最大可能的补偿电流的四分之一的情况下，使限流电抗器（L/4）的两个绕组（W1、W2）彼此并联，并且使用两个开关单元（T1、T2）。

9.按照权利要求8所述的方法，其特征在于，具有滞后的调节准则被使用用于在并联电路和串联电路之间转换，以便如果要引入的补偿电流处于最大可能的补偿电流的四分之一的范围中，那么降低转换频率。

10.按照权利要求8或9所述的方法，其特征在于，用于控制开关单元（T、T1、T2）的控制器包括限时元件，所述限时元件由相位探测器触发，所述相位探测器探测在补偿绕组（K）中感应的电压的相位，并且如此操控开关单元（T、T1、T2），使得脉动式直流电流被馈入到补偿绕组（K）中。

说明书

用于减小在变压器的铁心中的单向磁通量分量的设备和方法

技术领域

[0001] 本发明涉及用于减小在变压器的铁心中的单向磁通量分量的设备，包括：

[0002] -至少一个补偿绕组，所述补偿绕组与变压器的铁心磁耦合，

[0003] -至少一个开关单元，所述开关单元以电的方式在电流通路中与补偿绕组串联地布置，以便将电流馈入到补偿绕组中，所述电流的作用与单向通量分量相反（entgegengerichtet），和

[0004] -至少一个限流电抗器，所述限流电抗器以电的方式在电流通路中与补偿绕组电串联地布置，

[0005] 以及涉及用于运行这样的设备的方法。

背景技术

[0006] 在如在能量分布网络中所使用的电变压器中，可能发生直流电流到初级绕组或者次级绕组中的不期望的馈入。这样的直流电流馈入（以下也被称作DC分量）例如可能由如目前在操控电驱动装置时或者也在无功功率补偿时所使用的电子结构组件引起。另一原因可能是所谓的“地磁感应电流（Geomagnetically Induced Current）”（GIC）。

[0007] DC分量在变压器的铁心中导致单向通量分量，所述单向通量分量叠加交变通量。这导致在铁心中磁性材料的非对称调制（Aussteuerung），并且带来一系列的缺点。几安培的直流电流已经可以引起变压器中的局部加热，这可能影响绕组绝缘的寿命。其它的不期望的效果是在变压器运行时的提高的噪声排放，因为现代的变压器铁心具有非常高的磁导率，因此小的直流电流已经足以将变压器铁心在交变电流的半周期中置于饱和。

[0008] 为了减小变压器的运行噪声，已知不同的主动和被动起作用的装置。按照WO 2012/041368 A1使用在补偿绕组中感应的电压，并且考虑用于补偿干扰性单向磁通量分量。在此，借助于电子开关单元产生补偿电流，其中开关单元的接通例如借助于相位控制遵循预先给定的开关策略。这里，晶闸管开关与限流电抗器串联，以便将补偿电流引入到补偿绕组中。

[0009] 由于所述的措施，变压器的绕组的热载荷以及损耗和噪声较小。在此，用于减小单向磁通量分量的设备能够利用比较简单的装置在使用分立的和/或可编程的模块的情况下被实现。对于补偿电流的产生不需要蓄能器，诸如电池或者电容器，用于产生补偿电流的能量直接地从补偿绕组中提取。由于其简单性，电路装置的可靠性是高的，并且良好地适合于在能量分布网络中变压器的低维护长时间运行。使用范围不仅包括在低压范围或者中压范围中的变压器，而且包括非常高的功率的变压器（功率变压器、HGÜ（高压直流输电）变压器）。通过使用所述设备既不不益地影响变压器的结构大小，也不不益地影响变压器的安全相关的装置或者其它的设计准则。

[0010] 如果限流电抗器被装入变压器的箱之内，以便使用其（油）冷却，那么在用于减小单向磁通量分量的设备情况下是有利的。但是，所述限流电抗器在变压器的箱之内需要位置。因为所谓的晶闸管电路（由构造为晶闸管的开关单元和限流电抗器组成）经常对于将需要的安匝（=需要的磁动势）引入到变压器中不足够，所以以已知的方式级联多个晶闸管电路，但是由此也需要多个限流电抗器，如这例如在图2中示出。在实践中，有时直至四个晶闸管电路必须被级联，这也意味着将四个限流电抗器装入到变压器的箱中。然而，多个限流电抗器导致在变压器的箱中的提高的位置需求。

发明内容

[0011] 本发明的任务是，提供用于减小在变压器的铁心中的单向磁通量分量的设备，所述设备相比于已知的级联电路（分别由开关单元和限流电抗器组成）具有更小数量的限流电抗器。

[0012] 通过用于减小在变压器的铁心中的单向磁通量分量的设备解决所述任务。

[0013] 在用于减小在变压器的铁心中的单向磁通量分量的设备情况下规定：

[0014] -对于每个限流电抗器，两个开关单元彼此并联，

[0015] -限流电抗器由两个绕组组成，所述绕组彼此可以要么串联要么并联，其中[0016] -在并联情况下，第一绕组与第一开关单元串联，并且第二绕组与第二开关单元串联，

[0017] -而在串联情况下，第一和第一绕组彼此串联，并且与第一开关单元串联。

[0018] 通过具有两个绕组的限流电抗器的构型（Gestaltung）可能的是，使绕组串联或者并联。因此，可以将限流电抗器从全电感（串联）转换到四分之一电感（并联）。

[0019] 可切换的解决方案的优点在于补偿电流中的谐波分量的可能的减小。需要的补偿电流可以通过切换开关单元（例如对晶闸管点火）来设定。如果在感应电压的过零点的时间点切换，那么出现最大的直流电流，然而所述最大的直流电流与直流电流幅度和电网频率的交变电流叠加。如果稍晚地切换开关单元，那么直流电流变得较小，然而也出现谐振交变电流。

[0020] 如果仅一个在零和最大电流的四分之一之间的直流电流必须作为补偿电流被引入，那么可以使用仅一个开关单元和具有全电感的限流电抗器。在要引入的补偿电流是最大直流电流的一半的情况下，在电压过零点切换并且不出现谐波。如果要引入的补偿电流处于最大直流电流的一半以上，那么使两个开关单元并联，其中在每个支路中使用具有四分之一的电感的限流电抗器。

[0021] 如果第一和第二绕组通过共同的磁环彼此磁耦合，那么这具有以下优点：在并联的开关单元的电阻中的可能的差别被均衡。因此避免到两个开关单元上的不相同的电流分配，并且因此避免开关单元的热过载。在两个支路中的电流的不相同的时间变化的情况下，在支路中感应电压，所述电压反作用于电流的不相同的时间变化。如果相同的电流在两个支路中流动，那么在磁环中不感应磁通量。

[0022] 限流电抗器的两个绕组和共同的磁环可以这样地被实施，使得第一和第二绕组分别围绕磁柱（Schenkel）缠绕，两个柱彼此平行地对准，并且在其端面处分别通过磁轭彼此连接。

[0023] 至少一个磁轭可以具有两个在其末端处分别彼此连接的轭柱（Jochschenkel），其中第一绕组的多个匝缠绕到一个轭柱上并且第二绕组的相同数量的匝以相反的方向缠绕到另一轭柱上。缠绕到轭柱上的匝是辅助匝或者附加匝，所述辅助匝或者附加匝实现环形铁心的作用方式。两个轭柱之间的缝隙可以由变压器的箱中的冷却剂流过，并且因此有利于冷却剂通过匝的流动。

[0024] 开关单元可以包含至少一个半导体开关、优选地晶闸管。使用晶闸管的优点在于：晶闸管可以利用电流脉冲被“点火”，也即可以被置于导通状态中。在电网电压的正半波期间，晶闸管直至下一个电流过零点为止具有二极管的特性。电流流动持续时间的结束由晶闸管自身引起，其方式是保持电流不被超过并且晶闸管自动地“清除（löscht）”，也即转入非导通状态。当然，其它的半导体开关、例如GTO、IGBT晶体管或者其它的开关元件也是可设想的。

[0025] 开关单元可以以有利的方式与控制单元连接，所述控制单元与用于检测单向磁通量分量的测量装置连接。

[0026] 用于检测单向磁通量分量的测量装置例如由WO 2012/041368 A1已知，所述测量装置在那里包括具有传感器线圈的磁分路部分。所述分路部分布置在变压器的铁心处、例如柱处或者邻近轭地布置，以便在旁路中引导磁通量的一部分。由所述在分路中引导的磁通量，能够借助于传感器线圈非常容易地获得长时间稳定的传感器信号，所述传感器信号必要时在信号处理后非常良好地映射单向通量分量（DC分量）。测量结果在很大程度上没有漂移并且是长时间稳定的。因为所述探测器基本上由分路部分和在其上布置的传感器线圈组成，所以所述探测器拥有高的可靠性。

[0027] 用于检测单向磁通量分量的测量装置的传感器信号被输送给控制装置。在此，开关单元例如利用调节参量控制，所述调节参量由在控制装置中存在的限时元件预先给定，其中所述限时元件由相位探测器触发，所述相位探测器探测在补偿绕组中感应的电压的相位。限时元件可以是分立的构件或者数字电路的部分。如果调节参量是微处理器的计算运算的结果，那么可以是有利的。在此，微处理器同时也可以被使用用于传感器信号的信号处理。所述开关单元可以例如被这样地操控，使得脉动式直流电流在补偿绕组中被馈入。这具有以下优点：所述脉动式直流电流的算术平均值可以非常简单地按照要补偿的DC分量被预先给定。为了减小在电感中所存储的磁能的目的，电子开关单元以有意义的方式一直被接通，直至脉动式直流电流衰减为止。因此，过电压保护在关断电开关单元后实际上不必吸收在线圈中存储的剩余磁能。

[0028] 如果开关单元和控制装置被布置在变压器的箱（Kessel）之外，那么可以是有益的。由此，整个电子电路从外部可达用于检查和维护。

[0029] 用于运行按照本发明的设备的方法规定：在仅需要最大可能的补偿电流的最多四分之一的情况下，使限流电抗器的两个绕组彼此串联，并且使用仅一个开关单元，而在需要多于最大可能的补偿电流的四分之一的情况下，使限流电抗器的两个绕组彼此并联，并且使用两个开关单元。

[0030] 具有滞后的调节准则可以被使用用于在并联电路和串联电路之间转换，以便如果要引入的补偿电流处于最大可能的补偿电流的四分之一的范围中，那么降低转换频率。

[0031] 可以规定：用于控制开关单元的控制器包括限时元件，所述限时元件由相位探测器触发，所述相位探测器探测在补偿绕组中感应的电压的相位，并且如此操控开关单元，使得脉动式直流电流被馈入到补偿绕组中，如已经在WO 2012/ 041368 A1 中示出的那样。

附图说明

[0032] 为了进一步阐述本发明，在说明书的随后部分中参照图，本发明的其它有利的扩展方案、细节和改进方案可以从所述图中得知。其中：

[0033] 图1示出用于将补偿电流引入到补偿绕组中的按照现有技术的电路原理，其包括一个晶闸管电路，

[0034] 图2示出用于将补偿电流引入到补偿绕组中的按照现有技术的电路原理，其包括两个晶闸管电路，

[0035] 图3示出按照一种可替代的解决方案的用于将补偿电流引入到补偿绕组中的电路原理，

[0036] 图4示出具有磁耦合的按照图3的电路原理，

[0037] 图5示出按照本发明的限流电抗器的示意图，

[0038] 图6从上示出来自图5的按照本发明的限流电抗器的视图，

[0039] 图7示出来自图5和6的限流电抗器的电路原理，

[0040] 图8示出在两个匝串联时的按照本发明的限流电抗器，

[0041] 图9示出在两个匝并联时的按照本发明的限流电抗器。

具体实施方式

[0042] 按照现有技术，在所谓的直流电流补偿情况下有针对性地将直流电流引入到补偿绕组K中，以便消除变压器铁心的直流磁化。为了将需要的磁动势（所谓的直流电流安匝（Amperewindungen））引入到补偿绕组K中，利用在补偿绕组K中感应的交变电压，所述补偿绕组K如交变电压源那样起作用。在补偿绕组K处，构造为晶闸管的开关单元T与限流电抗器L串联。需要的直流电流可以通过在晶闸管T的确定的点火时间点时电压同步地点火被设定。如果在电压过零点对晶闸管进行点火，那么出现最大的直流电流，然而所述最大的直流电流与直流电流幅度和电网频率的交变电流叠加。如果稍晚地对晶闸管T进行点火，那么直流电流变得较小，然而也出现谐振交变电流。在晶闸管T中的电流变化过程通过限流电抗器L限制，晶闸管T的允许的热载荷对于电流限制是确定大小的（dimensionierend）。

[0043] 如果一个晶闸管电路（由晶闸管T与限流电抗器L串联组成）不足够用于引入需要的磁动势，那么多个晶闸管电路可以被级联、也即被并联，如这在图2中针对两个晶闸管电路L、T1；L、T2可以看出的那样。

[0044] 在此，为了减少限流电抗器L的数量，可以仅将晶闸管T1、T2彼此并联，并且所述并联电路与限流电抗器L/4串联，所述限流电抗器L/4具有来自图1或2的限流电抗器L的电感的四分之一。

[0045] 限流电抗器L/4例如具有与具有全电感的限流电抗器L相同的大小，因为所述限流电抗器L/4虽然仅具有一半的匝数，但是（因为四倍的电流流动）也大体上需要四倍的导体截面。现在问题是，晶闸管T1、T2的电阻是小的，这本身是好的，但是所述电阻可能波动。这可能导致在晶闸管T1、T2中的不相同的电流分配并且因此导致晶闸管T1、T2的热过载。

[0046] 现在该问题的解决方案在于，通过磁高度传导的环形铁心R耦合（verkoppeln）两个晶闸管T1、T2，如这在图4中示意性地示出的那样。在两个晶闸管电路中的电流或者电压的不相同的时间变化△U的情况下，在晶闸管电路中感应电压，所述电压反作用于不相同的时间变化。如果相同的电流在两个晶闸管电路中流动，那么在环形铁心R中不感应磁通量。

[0047] 通过限流电抗器L/4的适当的构型，来自图4的环形铁心R的功能可以被集成到限流电抗器L/4中。两个晶闸管T1、T2彼此并联，限流电抗器L/4由两个绕组W1、W2组成，所述两个绕组可以彼此要么串联要么并联，其中在并联的情况下，第一绕组W1与第一晶闸管T1串联并且第二绕组W2与第二晶闸管T2串联，而在串联的情况下，第一和第二绕组W1、W2彼此串联并且与第一晶闸管T1串联。这在图8和9中示出。

[0048] 在图5和6中示出按照本发明的限流电抗器L/4的结构。第一绕组W1围绕第一磁柱S1缠绕，第二绕组W2围绕第二磁柱S2缠绕。两个柱S1、S2彼此平行地对准，并且在其端面处分别通过磁轭Jo、Ju彼此连接、也即磁耦合。

[0049] 轭Jo、Ju被构造为缠绕铁心（Wickelkern），其具有内部缝隙KS。因此，磁轭Jo、Ju具有两个在其末端处分别彼此连接的轭柱。这里，轭Jo、Ju具有椭圆环的形状，分别具有两个直的轭柱和两个曲折的轭部分（例如半圆形的），所述两个曲折的轭部分将两个高柱彼此连接。每个轭Jo、Ju通常单件地被实施。

[0050] 第一绕组W1的多个匝作为第一辅助绕组WH1被缠绕到上面的轭Jo的一个轭柱上，并且第二绕组W2的相同数量的匝作为第二辅助绕组WH2以相反的方向被缠绕到另一轭柱上。第一绕组的输入端E1处于绕组W1的下侧处，输出端A1处于在第一辅助绕组WH1之后的轭Jo的上侧处。第二绕组W2的输入端E2处于在第二辅助绕组WH2之前的轭Jo的上侧处，第二绕组W2的输出端A2处于第二绕组W2的下侧处。

[0051] 第一和第二绕组W1、W2通过共同的磁环彼此磁耦合，所述磁环由第一和第二柱S1、S2和两个轭Jo、Ju组成。第一和第二绕组W1、W2通过辅助绕组WH1、WH2在用作缠绕轭（Wickelhoch）的轭Jo上延长。两个辅助绕组WH1、WH2具有相同的匝数，缠绕方向被这样地形成，使得所链接的通量是零。于是，在绕组W1、W2中的相同的电流情况下，在环形铁心R中不感应通量。在不相同的电流情况下，在环形铁心R中形成磁通量，由此所述构造如同用于两个绕组W1、W2的经典的环形铁心起作用，并且反作用于在两个绕组W1、W2中的电流的不相同的分布（并且因此反作用于在两个晶闸管T1、T2中的不相同的电流分布）。

[0052] 由限流电抗器L/4和两个晶闸管T组成的按照本发明的设备通常被布置在变压器箱中和/或被布置在变压器箱处。于是，轭Jo、Ju的缝隙KS也用作冷却槽，以便有利于通过绕组W1、W2的油流。

[0053] 在图7中象征性地示出按照本发明的限流电抗器L/4，其中绕组W1和W2之间的小的正方形表示通过环形铁心R的磁耦合。

[0054] 通过限流电抗器L/4的按照本发明的构型，两个绕组W1、W2可以要么被串联要么被并联。由此，可以利用同一个电抗器从全电感转换到四分之一电感，在环形轭S1、S2、Jo、Ju上的附加绕组或者辅助绕组WH1、WH2实现不相同的电流分布的均衡。

[0055] 在图8中示出两个绕组W1、W2的串联电路，仅使用第一晶闸管T1。限流电抗器具有全电感，相同的电流流过两个绕组W1、W2，环形铁心R无作用。如果在零和最大可能的补偿电流的四分之一之间的仅一个直流电流应当被引入，那么使用串联电路。在该情况下足够的是，仅使用一个晶闸管T1，以及具有全电感的限流电抗器。然而，这里容忍补偿电流中的谐波分量，因为晶闸管T1由于较小的电流需求延迟地被切换。

[0056] 此外，在要引入到补偿绕组中的电流为最大直流电流的四分之一的情况下，按照图8的串联电路被使用，然而晶闸管T1在没有时间延迟的情况下被切换，使得不出现谐波。

[0057] 在图9中示出两个绕组W1、W2的并联电路，使用两个晶闸管T1、T2。限流电抗器具有电感的四分之一，环形铁心R负责均衡在两个绕组W1、W2上不同的电流升高。如果需要多于最大可能的电流的四分之一，那么使用并联电路。

[0058] 对于所有的实施变型方案适用的是：在切换开关装置时、也即在对晶闸管T1、T2点火时，补偿电流开始流动。晶闸管的控制可以如在WO 2012/041368 A1中那样进行：控制单元基本上由相位探测器和限时元件组成。相位探测器、例如过零探测器从感应电压中导出触发信号，所述触发信号被输送给限时元件。控制单元在输出侧与同样地被输送给控制单元的控制信号一起提供调节参量，所述调节参量被引向晶闸管T1、T2。在此，绕组W1、W2的电感被这样地测量，使得在接合晶闸管T1、T2时，在电流方向上流动的脉动式电流变化过程被馈入到补偿绕组K中。在此，晶闸管T在直流电流脉冲的结束时被切换到无电流状态，例如其方式是晶闸管的保持电流不被超过。

[0059] 具有滞后的调节准则最好地被使用用于在并联电路和串联电路之间转换，以便如果要引入的补偿电流处于最大可能的补偿电流的一半的范围中，那么降低转换频率，其中所述转换可以利用与用于晶闸管T1、T2的电路的那个控制单元相同的控制单元引起。

[0060] 如果需要比在按照图9的并联电路情况下更高的补偿电流，那么分别由限流电抗器L/2和两个晶闸管T组成的多个按照本发明的设备也可以被并联。

[0061] 附图标记列表：

[0062] Jo 第一轭

[0063] Ju 第二轭

[0064] K 补偿绕组

[0065] KS 轭Jo、Ju中的缝隙

[0066] L 限流电抗器

[0067] L/4 具有L的电感的四分之一的限流电抗器

[0068] R 磁环（环形铁心）

[0069] S1 磁环的第一柱

[0070] S2 磁环的第二柱

[0071] T 开关单元（晶闸管）

[0072] T1 第一开关单元（晶闸管）

[0073] T2 第二开关单元（晶闸管）

[0074] △ U 电压的时间变化

[0075] W1 限流电抗器的第一绕组

[0076] W2 限流电抗器的第二绕组

[0077] WH1 用于限流电抗器的第一绕组W1的第一辅助绕组

[0078] WH2 用于限流电抗器的第二绕组W2的第二辅助绕组。