CN107430927A - 变压器以及用于改装变压器的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有磁芯的变压器，其中，该磁芯包括具有绕组结构的至少一个支柱（10）以及磁轭（11），其中，补偿绕组结构（12）被设置以便补偿在至少一个支柱（10）中流动的单向磁通量部分（Φ_DC），其特征在于，补偿绕组结构（12）设置在磁轭（11）上。

Description

变压器以及用于改装变压器的方法

技术领域

本发明一般涉及设置有用于补偿单向磁通分量的补偿装置的电力变压器的领域。

背景技术

通常用在电力分配系统中的类型的电力变压器可能经受注入至初级或次级绕组中的不期望的直流（下文中也称作DC分量）。

例如，该DC分量能够由当前用于控制电驱动器或者也用于电力分配系统中的功率因子校正的类型的电力电子电路所引起。

所谓的“地磁感应电流”（GIC）也能够使得单向磁通量出现在变压器中。

在这两种情形中，变压器的操作特性能够被影响，因为产生了叠加在变压器芯部中的交变磁通量上的单向磁通量。该单向与交变磁通量的叠加导致磁性材料的不平衡饱和及其附带缺点。

一方面，局部升温（“热区（hot spot）”）可以出现在变压器芯部中。这引起损耗增加并且也可以不利地影响电绕组的使用寿命。另一不期望的效果是增大的噪声排放。这甚至出现在几安培的非常小的直流的情形中。如果变压器靠近居民区安装则是特别不利的。

为了减小变压器的噪声排放，例如，在DE 40 21 860 C2中提出除了通常的绕组结构之外在芯部上设置所谓的补偿绕组。补偿电流被注入至该补偿绕组中，该补偿电流的磁效应被引导以便抵消或补偿变压器芯部中的单向磁通量。

为了补偿变压器的芯部中的单向磁通分量，因此需要一种用于测量单向磁通量的测量装置、补偿绕组以及与其连接的电流控制装置。

例如，从WO2011/127969 A1中已知一种用于测量DC分量的测量装置。

例如，从WO2012/041368 A1中已知一种连接至电流控制装置的补偿绕组。

通常已经在变压器的制造期间设置补偿绕组，例如，变压器的每个柱在下磁轭的区域中支撑该补偿绕组。

然而，变压器现在是宝贵的投资耐用品。不期望的DC注入或者GIC也能够在变压器的长使用寿命期间出现。然而，用单向磁通量或DC补偿装置装备已经在使用的变压器几乎是过于昂贵的。这样的改装或修改至少要求重建现有的绕组结构，这等同于更换变压器。然而，与此同时，对于向已经在使用的变压器设置单向磁通量补偿存在重要需求，因为DC分量或GIC能够出现在操作期间的任意时刻。

发明内容

本发明的目标在于具体说明一种变压器以使得尽可能简单地安装补偿绕组，使得已经在使用的变压器能够配备有单向磁通量补偿装置。

本发明的另一目标在于具体说明一种尽可能便宜的变压器改装方法。

该目标由具有如权利要求1中所请求保护的特征的变压器以及由具有如权利要求7中所请求保护的特征的改装变压器的方法而实现。

从相应的从属权利要求、说明书以及附图中将显现本发明的有利的实施例、特征方面和细节。

根据本发明的基本概念，提出了一种补偿绕组，该补偿绕组没有置于变压器的绕组支撑柱上（如迄今为止的通常情形），而是置于变压器芯部的磁轭上。所述补偿绕组结构电连接至至少一个指定电流控制装置以用于补偿变压器的柱中流过的DC分量的目的。磁轭支撑补偿绕组结构的事实确保了初级或次级绕组的设计和构造以及变压器芯部的设计无需修改。许多优点由此产生：主要的优点在于对已经在使用的变压器进行升级或改装，因为补偿绕组结构能够以相对低的成本安装。变压器仅需要从电网断开短时间以便提供通向变压器的上磁轭的通道。变压器盖被打开并且一些绝缘液体和冷却剂被泵出。一旦绝缘液体和冷却剂的水平面已经降至上磁轭的水平面以下，补偿绕组能够容易地在一个或多个区段被手动安装在上磁轭上。补偿绕组借助于连接线缆连接至柜外的电流馈送装置。绝缘液体和冷却剂随后泵送返回至变压器柜中的原始水平面。变压器盖被关闭并且变压器随后重新连接至电网。本发明因此使得能够采用用于单向磁通量补偿的装置而以比较低的成本装备已经在使用中的变压器―不论所述变压器的设计（例如，单柱或多柱类型）―其已经变得在其使用寿命期间经受了DC分量的注入，或者对于经受GDC的变压器。同样对于已经在使用中的变压器，这开启了降低损耗、减小热量、以及抑制其噪声排放的可能性。后者特别地成为越来越重要的因素。

上述优点也延伸至变压器的制造：同样在制造工序中，本发明的在磁轭上安装补偿绕组结构无需修改变压器的现有设计，不论是对于绕组或者对于磁芯。因此甚至能够在制造工序期间以比较低的成本对变压器装备单向磁通量补偿。

总之，应该重新强调的是，本发明的基本优点来自其用作“改装方案”的一部分。这是因为迄今为止对于已经在使用的变压器，随后以可能的单向磁通补偿的方式进行修改是不经济的。

在优选实施例中提出的是，在上磁轭的区段上设置补偿绕组结构。补偿绕组能够容易地安装在上磁轭上。“改装方案”是低成本的选择。

对于单柱和多柱变压器，本发明的实施例能够优选地被设计使得补偿绕组结构由多个绕组线圈形成，每个绕组线圈经过夹持板与上磁轭区段之间的冷却间隙。该安装间距通常总是作为冷却间隙存在于高功率变压器中。不必对绕组或绝缘部的设计进行改变。线圈直接地围绕磁轭卷绕。

对于3-柱、4-柱、5-柱芯部设计的变压器，优选实施例能够被设计使得补偿绕组结构的至少两个线圈总是围绕两个主柱之间的上磁轭而卷绕。这些线圈再次穿过形成在磁轭的外叠片与相邻相对的夹持板之间的冷却间隙。

在优选实施例中，补偿绕组结构能够由至少两个导体线圈构成。这些导体线圈的每一个沿着在磁轭方向上延伸的区段而延伸。这些导体区段的第一对应丝线对例如通过夹持而互联。第二对应丝线对结束于终端触点中。对于后者，其借助于连接线缆而连接指定的电流控制装置。这样一来，对于每个主柱能够注入独自限定的补偿电流。这允许单向磁通分量Φ_DC的差分补偿，从而合适地与相应主柱匹配。

在本发明的其他有利实施例中，补偿绕组能够由一匝或多匝线圈构成，从而与所使用的电流控制装置的预定电压负荷匹配。

上述技术目标也通过用于改装变压器的方法而实现。对于已经在使用中的变压器执行以下步骤：

从电力分配系统断开变压器；

排出变压器柜中含有的冷却剂和绝缘液体中的至少一些；

打开变压器柜以使得能够接近磁轭的区段；

在上磁轭的至少一个区段上安装补偿绕组结构；

在补偿绕组结构与置于变压器柜外的电流控制装置之间建立连接；

关闭变压器柜；

用步骤b中排出的数量的冷却剂和绝缘液体装满变压器柜；

将变压器连接至电力分配系统。

该方法提供了对已经在使用的变压器（包括较老设计的变压器）进行改装的非常便宜的方法。对于该改装，不必修改现有的初级或次级绕组或磁路。对于安装，补偿绕组简单地环绕上磁轭的区段。已经存在的冷却系统导管能够被有利地利用。补偿绕组的各个线圈简单地在磁轭夹持板与磁轭之间延伸。如已经描述的，每个绕组能够由一匝或多匝线圈构成。绕组线圈随后被接合并连接至电流控制装置。该电流控制装置通常位于变压器柜外。根据本发明的方法的优点基本上对应于上面已经参照根据本发明变压器所述的优点。组装或改装成本低。电力分配系统的中断短。“改装方案”提供了对现有电厂进行现代化或升级的比较低成本的方法。已知变压器被设计用于长的使用寿命。例如，如果已经使用多年的这样的变压器由于直流注入而变得经受增大的噪声排放，则能够以最小的修改来使所述变压器现代化并且设置有单向磁通量补偿的功能，从而使得变压器在操作中更安静。

附图说明

为了进一步描述本发明，在非限定性示例的基础上，在说明书的以下段落中将参照示出本发明的其他有利实施例、细节和其他改进例的附图：

图1示出了本发明的第一实施例的三维示意图，其具有置于1-柱套管芯部的上磁轭上的补偿绕组圈；

图2示出了本发明的第二实施例的三维示意图，其具有置于2-柱芯部的上磁轭上的补偿绕组；

图3示出了本发明的第三实施例的三维示意图，其具有置于3-柱芯部的上磁轭上的补偿绕组；

图4示出了本发明的第四实施例的三维示意图，其具有置于4-柱芯部的上磁轭上的补偿绕组；

图5示出了本发明的第五实施例的三维示意图，其具有置于5-柱芯部的上磁轭上的补偿绕组；

图6示意性地示出了置于上磁轭上的补偿绕组，其示出了柱中的单向磁通量的补偿。

具体实施方式

以下说明书解释了如图1至图5中所示的本发明的各个实施例，每个附图示出了特定变压器设计的磁芯的上部区段的三维视图。对应的结构单元设置有相同的附图标记。

在下文中，术语“导体线圈”要被理解为通常意指由导体跨过的区域，所述导体线圈旨在表示能够由单匝或多匝线圈构成的绕组的基本形状。下文中由附图标记12表示的每个导体结构因此要被理解为单个线圈或者由多匝线圈构成的绕组。

图1示出了1-柱套管芯部设计的电力变压器1的磁芯的上部区域的透视图。变压器1的中心柱10支撑由初级和次级绕组构成的绕组结构（图1中未更详细示出）；柱10的左右两柱构成该设计的磁回路。磁轭11连接两个返回柱和中心柱10。图1示出了两个磁轭夹持板6、8，借助于该磁轭夹持板，芯部堆体11的叠片被压在一起。在前磁轭夹持板8和磁轭11之间形成间距或冷却间隙9，并且同样地在后磁轭夹持板6和磁轭11之间形成冷却间隙7。在图1中，补偿绕组结构12在中心柱10的区域中置于磁轭11上。补偿绕组结构12基本上由两个导体线圈13、15构成。这些导体线圈13、15的每一个围绕形成在柱10和磁回路之间的上磁轭11的区段而卷绕。在围绕该区段卷绕之后，两个导体线圈13、15由在磁轭11的纵向方向上延伸的导体区段17、18而连续。两个会聚后导体区段17、18位于间隙7中。它们的端部被压接在一起。前部的两个导体区段17、18进入前间隙9中。它们的端部形成接触终端以用于通向电流控制装置的线缆，该电流控制装置在图1中由附图标记120表示。电流控制装置120用于注入补偿电流，在以下说明书中将参照图6更详细解释该补偿电流在变压器芯部中的磁效应。根据检测不期望的DC分量的方向和大小的传感器而注入补偿电流。该传感器在附图中未示出。

图2示出了在2-柱芯部变压器2的芯部的基础上的本发明的示例性实施例。该磁芯由两个柱10构成，其每一个支撑变压器绕组。两个柱10由磁轭11连接。图2示出了创新性地置于上磁轭11上的补偿绕组结构12。补偿绕组结构12由单个导体线圈或多匝导体线圈构成。其围绕上磁轭11成环状。其成环状使得导体再次进入间隙7、上磁轭11的下部区域并且随后再次向上进入间隙9中。导体线圈12的两个端部形成终端触点。连接线缆再次从这些终端触点行进至用于注入补偿电流的电流控制装置120。

图3示出了本发明的第三实施例，其使用3-柱芯部设计的电力变压器3的示例。3-柱芯部由三个绕组支撑柱10和连接磁轭11构成。同样地，磁轭11的叠片在两侧上由磁轭夹持板6、8压在一起。两个磁轭夹持板6和8相应地距离磁轭11以间距7和9侧向设置。此处，补偿绕组结构12由两个导体线圈12'、12''构成。在图3的示意图中，两个导体线圈中的左侧线圈12'置于连接左柱10和中心柱10的上磁轭区段11上；在图3中的右手侧上的导体线圈12''置于连接中心柱10和右侧柱10的上磁轭区段11上。根据图3从顶部终端触点观察，导体进入前磁轭夹持板8与磁轭11之间的间隙9中，随后围绕磁轭11的下部区段成环状并且再次进入后磁轭夹持板6与磁轭11之间的间隙7中至终端触点。在每种情形中，每个导体线圈12'、12''的终端触点再次连接至电流控制装置120'、120''。当每个补偿绕组12'、12''由单独指定的电流控制装置120'、120''控制时，相应地在左侧和右侧柱10中能够在单向磁通分量上产生差分效果。每个电流控制装置120'、120''自主地操作。这两个单独的电流控制装置120'、120''使得其能够独自地并且彼此独立地补偿每个柱10中的单向磁通分量。

图4示出了本发明的第四示例性实施例。同样地，变压器的磁芯的上部区段被示出，其使用4-柱芯部设计的变压器4的示例。在该4-柱芯部中，两个主柱10的每一个支撑绕组堆体（图4中未示出）。磁回路经过两个柱10的左侧和右侧的返回柱。如以上示例中所述，磁轭11的叠片同样地由两个磁轭夹持板6、8压在一起。在磁轭夹持板6、8与磁轭11之间同样存在相应的冷却间隙7、9。补偿绕组结构12由第一补偿绕组12'和第二补偿绕组12''构成。在每种情形中，这些补偿绕组12'、12''的每一个置于柱10的头部处的上磁轭11上。类似于图1中所述的补偿绕组结构12，这些绕组12'、12''的每一个由沿着磁轭11延伸的两个导体线圈13和15构成（在该示例中位于阶梯式线性导体区段中）。线性导体区段相应地根据间隙7和9中的可用间距而成阶梯状。绕组12'、12''的这些阶梯式线性导体区段同样朝向彼此延伸。进入间隙7中的后线性导体区段再次互联，进入间隙9中的前线性导体区段同样以触点对结束，该触点对用于连接指定的电流控制装置120'、120''。这两个电流控制装置120'、120''的每一个相应地向指定的绕组12'和12''施加补偿电流，使得两个柱10之一中的单向磁通分量能够被补偿。相应的补偿电流同样根据检测待补偿的相应单向磁通量Φ_DC的传感器而被预限定。在两个绕组12'、12''中的单独注入使得能够以差分的方式进行补偿（即使在所示的4-柱芯部设计的情形中），并且取决于其方向和大小而抵消在柱10中流动的单向磁通量Φ_DC。

图5示出了基于所谓的5-柱芯部构造的变压器的本发明的第五示例性实施例。该5-柱芯部由三个主柱10和两个外返回柱构成，该三个主柱10的每一个支撑绕组结构。磁轭11同样地连接这三个柱10和两个返回柱。在该实施例中，补偿绕组结构12由三个单独绕组12'、12''和12'''构成，这些绕组同样置于上磁轭11上并且由三个单独的电流源120'、120''和120'''供电。在此同样地，在绕组12'、12''和12'''的每一个中的单独的预定补偿电流允许产生差分效果以用于补偿三个柱10中的单向磁通分量Φ_DC。

在如上所述的五个示例性实施例中，由于间距的原因，用于将补偿绕组连接至置于柜外的电流控制装置的连接线缆的柜套管置于变压器的低电压侧。

最终，将参照图6中的三维草图更详细地说明图1、图4和图5中所示示例性实施例的操作原理。图6示出了在上磁轭11与柱20之间的连接区域中的补偿绕组结构12的这个实施例。不期望的单向磁通量Φ_DC在柱20中流动。该单向磁通量Φ_DC叠加在交变磁通量上，使得磁性材料在每个半周期中饱和至不同程度。这导致损耗增大并且加剧了噪声排放。补偿绕组结构12的目的在于补偿该单向磁通量Φ_DC。其基本上由两个开放的导体线圈13、15构成，导体线圈13、15围绕磁轭弯曲并且相应地在磁轭的方向上与导体区段17和18成对延伸。导体线圈13、15的每一个围绕与磁轭11中磁通量的方向近似成直角延伸的区域而弯曲。如图6中所示，第一导体线圈13围绕磁轭区段21卷绕至柱20的左侧，第二导体线圈15围绕磁轭区段22卷绕至柱20的右侧。在环绕之后，导体线圈13与丝线对17以及导体线圈15与丝线对17在磁轭的方向上连续，其中，区段17和18的端部彼此对准。两个后导体区段17和18在连接点23处互联。两个前导体区段17和18相应地结束于两个终端触点K1和K2。补偿电流I_K经由这些终端触点K1、K2而注入。在图6中，该补偿电流I_K经由终端K1流入补偿绕组结构12并经由终端K2流出补偿绕组结构12。取决于该预定的电流方向，与导体线圈15中的电流相互关联的磁场强度具有箭头16的方向（在电流方向上观察的右手螺旋），在导体线圈13中具有箭头14的方向。根据连续性定律，补偿磁通量Φ_DC*形成在柱20中。该补偿磁通量Φ_DC*在图6中从底部向上，即，抵消了待补偿的单向磁通量Φ_DC。通过已知单向磁通量Φ_DC的大小和方向，基本上能够减小（即，补偿）其不期望的效果。这具有能够实现至少基本上减少“热区（hotspots）”和增加的噪声排放的效果。

如上面已经提到的，在每种情形中，补偿绕组12、12'、12''、12'''能够由多匝线圈构成。实际上，线圈的匝数取决于变压器的电压类别，因为补偿控制装置120'、120''、120'''必须承受在相应的补偿绕组12'、12''、12'''中感应产生的电压；在实际示例中，对于300V的感应电压，补偿绕组结构12由两匝线圈构成。

尽管已经在以上示例性实施例的基础上详细描述并解释了本发明，但是本发明不限于这些示例。其他实施例和变形例是可想到的并且没有脱离本发明的基本概念。

所使用的附图标记的列表

1 1-柱套管芯部

2 2-柱芯部

3 3-柱芯部

4 4-柱芯部

5 5-柱芯部

6 磁轭夹持板

7 间距

8 磁轭夹持板

9 腔体

10 柱

11 磁轭

12 补偿绕组结构

12'、12''、12''' 补偿绕组

13 导体线圈

14 箭头

15 导体线圈

16 箭头

17 导体区段

18 导体区段

19 连接部

20 柱

21 上磁轭区段

22 上磁轭区段

23 连接部

120'、120''、120''' 电流控制装置

I_K 补偿电流

Φ_DC 单向磁通量

Φ_DC ^* 补偿单向磁通量

K1、K2 终端触点

Claims (11)

1.一种具有磁芯的变压器，其中，所述磁芯包括具有绕组结构的至少一个柱（10）以及磁轭（11），其中，补偿绕组结构（12）被设置以便补偿在至少一个柱（10）中流动的单向磁通分量（Φ_DC），其特征在于，所述补偿绕组结构（12）置于所述磁轭（11）上。

2.根据权利要求1所述的变压器，其特征在于，所述补偿绕组结构（12）置于上磁轭（11）的区段上。

3.根据权利要求2所述的变压器，其特征在于，所述补偿绕组结构（12）由至少一个开放导体线圈（15、16）形成，所述至少一个开放导体线圈（15、16）至少部分地围绕所述上磁轭的区段而卷绕。

4.根据权利要求3所述的变压器，其特征在于，所述补偿绕组结构（12）具有由两个导体线圈（13，14）形成的至少一个补偿绕组（12'、12''、12'''），其中，每个导体线圈（13，14）具有在所述磁轭的方向上延伸并且朝向彼此定向的两个丝线区段（17，18），其中，第一对应丝线对互连并且第二对应丝线对延伸至终端触点（K1，K2），所述终端触点（K1，K2）被设置用于与指定的电流控制装置（120、120'、120''、120'''）连接。

5.根据权利要求4所述的变压器，其特征在于，所述补偿绕组（12'、12''、12'''）由多匝线圈形成。

6.根据权利要求4所述的变压器，其特征在于，所述补偿绕组结构（12）由两个补偿绕组（12'、12''）或者三个补偿绕组（12'、12''、12'''）形成，在每种情形中，单独的电流控制装置（120'、120''、120'''）被指定给所述补偿绕组。

7.一种用于改装包含在电力分配系统中并具有芯部的变压器的方法，所述芯部包括具有绕组结构的至少一个柱（10）以及磁轭（11），其中，所述芯部置于填充有冷却剂和绝缘液体的变压器柜中，所述方法包括以下步骤：

a．从所述电力分配系统断开所述变压器；

b．排出所述冷却剂和绝缘液体中的至少一些；

c．打开所述变压器柜以使得能够接近所述磁轭（11）的区段；

d．在所述磁轭（11）的至少一个区段上安装补偿绕组结构（12）；

e．在所述补偿绕组结构（12）与置于所述变压器柜外的至少一个电流控制装置（120、120'、120''、120'''）之间建立电连接；

f．关闭所述变压器柜；

g．用步骤b中排出的数量的冷却剂和绝缘流体装满所述变压器柜；

h．将所述变压器连接至所述电力分配系统。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述补偿绕组结构（12）置于上磁轭（11）的区段上。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述补偿绕组结构（12）由至少一个开放导体线圈（12、12'、12''、12'''）形成，所述至少一个开放导体线圈（12、12'、12''、12'''）至少部分地围绕所述上磁轭（11）的区段而卷绕。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，具有至少两个导体线圈（13，14）的补偿绕组结构（12）被使用，其中，每个导体线圈（13，14）具有在所述磁轭的方向上延伸并朝向彼此定向的两个丝线区段（17，18），其中，这些丝线区段（17，18）中的第一对应丝线对互联，并且这些丝线区段（17，18）中的第二对应丝线对延伸至终端触点（K1，K2），所述终端触点（K1，K2）电连接至指定的电流控制装置（120、120'、120''、120'''）。

11.根据权利要求7至10的任一项所述的方法，其特征在于，所述补偿绕组结构（12）由多个补偿绕组（12'、12''、12'''）形成，所述多个补偿绕组（12'、12''、12'''）的每一个连接至指定的电流控制装置（120、120'、120''、120'''）。