專利名稱：帶有分接電路的中低壓變壓器及其運行方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種帶有分接電路的中低壓變壓器。
背景技術(shù)：
配電網(wǎng)經(jīng)受尤其是由于電網(wǎng)元件阻抗和由于變換負載而引起的電壓波動。值得力求的是，該波動保持盡可能的小。為此，在變壓器的高壓和中壓之間使用分接開關(guān)。該分接開關(guān)平衡在負載改變時出現(xiàn)的電壓波動，方法是，分接開關(guān)改變變壓比。為了這個目的，變壓器的至少一個繞組備有一串抽頭(Anzapfimg)，該抽頭可以和選擇機構(gòu)電連接在一起。此外，使用負載換接開關(guān)，該負載換接開關(guān)在兩個選擇位置之間即使在負載情況下也執(zhí)行無中斷的換接。通過強制電流短時通過電阻，避免線圈間短路?？赡茉谖磥?，與目前的情況相比更加分散進行能量供應(yīng)。也就是說，在各個小設(shè)備數(shù)量較大的情況下，發(fā)電將會比目前更加接近耗電器。這些設(shè)備例如是光電設(shè)備、風(fēng)力發(fā)電站和生物量發(fā)電站或小的單元熱電廠(Bloddieizkraftwerke)。小的發(fā)電站由于更容易實現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)而至少在原則上是極為有利的。當(dāng)不能直接降低產(chǎn)生的電流時，需要從低壓網(wǎng)饋入到中壓網(wǎng)，以使低損耗的遠距離傳輸成為可能。為此必須在配電網(wǎng)變壓器中提供可變的變壓比。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于，提出一種帶有分接電路的中低壓變壓器，該帶有分接電路的中低壓變壓器特別容易制造。本發(fā)明的另一個要解決的技術(shù)問題在于，提出對于這樣的變壓器的運行方法。上述技術(shù)問題通過具有權(quán)利要求1的特征的中低壓變壓器來解決。上述技術(shù)問題還通過具有權(quán)利要求10的特征的方法來解決。根據(jù)本發(fā)明的中低壓變壓器具有分接電路。在此，變壓器的繞組，尤其是低壓方面的次級繞組具有兩個端抽頭和至少一個其它抽頭。此外，設(shè)置用于將至少一個抽頭和變壓器的輸出導(dǎo)線電連接的至少一個開關(guān)裝置。最后，設(shè)置至少一個半導(dǎo)體開關(guān)裝置，該半導(dǎo)體開關(guān)裝置與輸出導(dǎo)線電連接并且與一個抽頭電連接。優(yōu)選的，第一端抽頭直接與變壓器的第一輸出導(dǎo)線相連接，并且對于該分接電路不再被改變或以特別的方式被使用。相反，在繞組的另一端的第二端抽頭和一個或多個其它抽頭一起用于該分接電路，并且這些抽頭在此以更復(fù)雜的方式和變壓器的第二輸出導(dǎo)線相連接。優(yōu)選的，開關(guān)裝置包括機械開關(guān)，該機械開關(guān)優(yōu)選具有特別小的正向電阻，并且特別有利地使得可以獨立接通和斷開單個的抽頭。在此，開關(guān)裝置合適地將單個的抽頭和變壓器的第二輸出導(dǎo)線交替連接。根據(jù)本發(fā)明的中低壓變壓器優(yōu)選具有一種簡單并且由于半導(dǎo)體開關(guān)而低維修的結(jié)構(gòu)，并且使沒有負載中斷的分接電路在中壓到低壓范圍內(nèi)成為可能。
合適地，但不是必須的，分接開關(guān)包含控制裝置，該控制裝置自動進行對負載換接的控制。為此，控制裝置合適地具有如下的裝置該裝置能夠識別，什么時候應(yīng)該進行換接。 例如，該裝置可以是用于確定在輸入側(cè)或輸出側(cè)上的電壓和/或電流的裝置。通過該裝置確定，換接是否必要，其方法是，例如在輸出側(cè)的負載提高的情況下探測輸出電壓的相應(yīng)的輕微下降。替換地，負載換接的控制也能在分接開關(guān)之外進行。在這種情況下，分接開關(guān)合適地具有如下的裝置該裝置使得能夠在外部控制。在此，例如可以是間接的、例如數(shù)字的遠距離控制，該遠距離控制在分接開關(guān)中通過控制裝置實現(xiàn)開關(guān)的實際控制。也可以是直接的、模擬的外部控制，該外部控制有時甚至可以沒有內(nèi)部控制裝置地實現(xiàn)，例如通過從外部將電流直接施加到開關(guān)元件的執(zhí)行機構(gòu)。特別優(yōu)選的是，開關(guān)裝置只和其它抽頭相連接，反向表達的話就是說，開關(guān)裝置不和端抽頭相連接。合適的是，存在多個其它抽頭，即至少兩個。同樣合適的是，半導(dǎo)體開關(guān)裝置和一個端抽頭相連接。該結(jié)構(gòu)允許一種特別優(yōu)選的運行。對此，一旦出現(xiàn)換接的必要，則該半導(dǎo)體開關(guān)裝置被接通。該接通優(yōu)選在交流電壓的過零點進行，其中，合適地考慮半導(dǎo)體開關(guān)裝置的接通延遲或半導(dǎo)體開關(guān)裝置的半導(dǎo)體開關(guān)的接通延遲，即例如晶閘管的觸發(fā)延遲。借此避免電壓跳變。一旦接通半導(dǎo)體開關(guān)裝置，則產(chǎn)生線圈間短路，因為一個其它抽頭通過開關(guān)元件、 即半導(dǎo)體開關(guān)裝置直接連接到端抽頭。因此，導(dǎo)致在該電路中形成電流。為了抑制該電流的形成，優(yōu)選與半導(dǎo)體開關(guān)裝置串聯(lián)地設(shè)置電感。另外或附加的也可以用電阻元件來限制電流。通過在端抽頭上的半導(dǎo)體開關(guān)裝置的和在一個其它抽頭上的開關(guān)元件的相對布置，在線圈間短路回路里的電流與負載電流是反向的。因此之后達到如下的時間點， 在該時間點，在線圈間短路回路里的電流與負載電流絕對值相同，并且由此通過開關(guān)元件就像沒有電流流過一樣。換種說法，負載電流在該時間點向半導(dǎo)體開關(guān)裝置完全交換 (kommutiert)。該時間點被用于通過開關(guān)元件斷開連接。因為在該時間，在該連接中沒有或只有非常少的電流流過該開關(guān)元件，與此相應(yīng)的，在該開關(guān)元件上幾乎沒有降落電壓，所以可以沒有電弧地斷開，并且因此特別保護了開關(guān)元件。另外開關(guān)元件也可以在過零點之前就打開，特別是對于如下的時間點，對于該時間點，半導(dǎo)體開關(guān)裝置已經(jīng)可靠導(dǎo)通。在這種情況下，通過打開開關(guān)元件產(chǎn)生電弧，然而，該電弧在電流交換過程中非常快地、典型地在微秒范圍內(nèi)熄滅，因為電流通過開關(guān)元件消失。如果電弧一旦熄滅，則在該開關(guān)元件上的電壓上升的情況下不再會重新產(chǎn)生電弧。優(yōu)選地，中低壓變壓器包含用于確定代表了在開關(guān)元件上的電壓和/或通過開關(guān)元件的電流的數(shù)值的裝置，因為于是能夠直接確定打開開關(guān)元件的時間點。在前文所述的運行方式中例如當(dāng)電流恰好為零時給出該時間點。另一種可能是，當(dāng)電流或電壓、特別是電流和電壓在各自周期內(nèi)的最大絕對值未超過一個特定的、僅稍大于零的閾值時，使得開關(guān)元件打開。另一個選擇是，對于開關(guān)元件打開的時間可以按照時間控制、根據(jù)半導(dǎo)體開關(guān)裝置的接通時間來確定，例如在半導(dǎo)體開關(guān)裝置接通ans以后。在通過開關(guān)元件打開之后，半導(dǎo)體開關(guān)裝置帶有負載電流，并且消除了線圈間短路。
接著，開關(guān)元件重新閉合，以便和繞組的其他抽頭中的另一個抽頭建立連接。為此也優(yōu)選的，選擇一個適合的時間點來建立連接。為此，例如可以選擇如下的時間點，在該時間點在開關(guān)元件上的電壓恰好相應(yīng)于半導(dǎo)體開關(guān)裝置上的電壓。假定，通過半導(dǎo)體開關(guān)導(dǎo)致在半導(dǎo)體開關(guān)裝置上僅降落很少的電壓。在開關(guān)元件閉合時，優(yōu)選的，考慮為建立電連接所需的閉合時間。在上述的時間點的閉合可以實現(xiàn)避免電壓跳變。另一個方法是，當(dāng)通過網(wǎng)絡(luò)頻率導(dǎo)致的電壓恰好是過零點時，執(zhí)行開關(guān)元件的閉合。在開關(guān)元件重新建立了電連接之后，半導(dǎo)體開關(guān)裝置被斷開或者說每次使用半導(dǎo)體開關(guān)之后，消除觸發(fā)。本發(fā)明的實施方案是使用晶閘管電路作為半導(dǎo)體開關(guān)。優(yōu)選的，該晶閘管電路是自主斷開的，并且能夠?qū)崿F(xiàn)簡單的控制。晶閘管電路優(yōu)選由兩個反并聯(lián)連接的晶閘管元件組成，其中，每一個該晶閘管元件由一個晶閘管或晶閘管的并聯(lián)電路和/或晶閘管的串聯(lián)電路組成。其它的電氣部件也能和晶閘管共同使用。作為半導(dǎo)體開關(guān)，除了晶閘管，還可以使用可關(guān)斷的半導(dǎo)體開關(guān)，特別是晶體管、 GTO(門極可關(guān)斷晶閘管)或IGCT(集成門極換流晶體管)。因此，通過半導(dǎo)體開關(guān)可實現(xiàn)導(dǎo)線的主動斷開，這又縮短了通過閉合的開關(guān)元件和導(dǎo)通的半導(dǎo)體開關(guān)形成的線圈間短路的時間。在本發(fā)明優(yōu)選的實施方案中，具有用于確定在開關(guān)元件的或半導(dǎo)體開關(guān)的范圍里的電流的裝置。


下面結(jié)合以下的附圖對本發(fā)明的優(yōu)選的、但絕不是限制性的實施例作進一步說明。在此，相同的附圖標記表示相同或者對應(yīng)的部件。其中圖1示出了帶有直通的次級繞組的第一變壓器，其帶有分接開關(guān)，圖2示出了具有第一變壓器的分接電路的過程圖。附圖是關(guān)于中低壓變壓器的實施例。這些中低壓變壓器在實際應(yīng)用中合適地實施為三相。但為了清楚，附圖只繪出了單相的實施。因為同樣的原因，分接開關(guān)在實施例中對于變壓比也只列出了三種設(shè)置可能，實際中分接開關(guān)通常能設(shè)置大于三種變壓比。以超出三種的變壓比同樣能良好應(yīng)用本發(fā)明。例如，電壓在初級繞組側(cè)應(yīng)該為10kv，而在次級繞組側(cè)輸出400V的電壓。
具體實施例方式圖1在此示出了帶有分接電路的變壓器1。該變壓器1具有在該實施例中不詳細討論的初級繞組之外的一個直通的次級繞組。直通的次級繞組由第一至第四部分17a. . . d組成。第一部分17a包含大約次級繞組的70%的繞組長度，而第二、第三和第四部分17b. . . d 分別包含大約10%的繞組長度。圖1的圖示在此不是精確按比例的。根據(jù)對次級繞組的相對比例得到可調(diào)整的變壓比，并且清楚的是，次級繞組的其它分配也是完全可能的。通過第一、第二和第三抽頭2、3、4來定義部分17a. . . d，其中，第一抽頭2在次級繞組的70%繞組長的位置，第二抽頭3在次級繞組的80%繞組長的位置，并且第三抽頭4在次級繞組的 90%繞組長的位置。變壓器1的第一輸出導(dǎo)線11與次級繞組的開頭相連接。變壓器1的第二輸出導(dǎo)線以復(fù)雜的方式與抽頭2、3、4相連接，以便實現(xiàn)分接電路。對于分接電路設(shè)置機械開關(guān)20，該機械開關(guān)的中間接頭根據(jù)圖1與第二輸出導(dǎo)線 12相連接。開關(guān)20能在開關(guān)20的中間接頭與第一連接線13、第二連接線14或第三連接線15其中之一之間建立連接。第一連接線13連接抽頭2與機械開關(guān)20的一個接頭。第二連接線14連接第二抽頭3與開關(guān)的另一個接頭并且第三連接線15連接第三抽頭4與機械開關(guān)20最后的一個接頭。在此，合適地這樣構(gòu)造開關(guān)20，使得能彼此獨立地實現(xiàn)在接頭之間的連接的斷開和建立，也就是多個機械開關(guān)元件共同構(gòu)成了開關(guān)20。此外，在次級繞組的端抽頭52和第二輸出導(dǎo)線12之間存在第四連接線18，該第四連接線18通過由兩個反向并聯(lián)接通的晶閘管組成的晶閘管電路5引導(dǎo)。在此，用兩個晶閘管的結(jié)構(gòu)作為例子。視預(yù)計的負載不同，這里的一個晶閘管分別代表由許多實際上的晶閘管元件組成的串聯(lián)電路和/或并聯(lián)電路。代替晶閘管，這里也可以使用其它的元件如IGBT， GTO等。與晶閘管5串聯(lián)的是電感53，該電感53用于在線圈間短路的情況下電流的延遲。在每個連接線13、14、15、18上以及在開關(guān)20的中間接頭的范圍中設(shè)置測量點 7... 10。此外，設(shè)置控制機構(gòu)6。該控制機構(gòu)6能確定在測量點7... 10上的電壓，并且根據(jù)確定的值調(diào)節(jié)晶閘管電路5和開關(guān)20?，F(xiàn)在根據(jù)圖2來舉例說明利用圖1的結(jié)構(gòu)的負載換接的過程。在第一步21假定， 機械開關(guān)20在第二輸出導(dǎo)線12和第一連接線13之間建立電連接。即，第一電流通路沈從第一輸出導(dǎo)線11經(jīng)過次級繞組的第一部分17和第一連接線13流向第二輸出導(dǎo)線12。在此，使用大約70%的次級繞組。晶閘管沒有被觸發(fā)。在第二步22進行換接。在此，機械開關(guān)20在其接頭之間這樣換接，使得換接將第二抽頭3而不是第一抽頭2與第二輸出導(dǎo)線12相連接。在換接期間，晶閘管電路5接受電流。這點無中斷地發(fā)生，其中，確切的電路在下文舉例說明。即第二電流通路27在換接時從第一輸出導(dǎo)線11流經(jīng)次級繞組的所有部分17a. . . d。其進一步通過第四連接線18并且由此通過晶閘管電路5流向第二輸出導(dǎo)線12。即在此使用全部的次級繞組。一旦機械開關(guān) 20換接完成，則結(jié)束晶閘管電路5的觸發(fā)。在換接之后得到如下狀況，該狀態(tài)在第三步23被使用。在此，使用了大約80%的次級繞組，并且第三電流通路觀從第一輸出導(dǎo)線11經(jīng)過次級繞組的第一和第二部分17a， b以及第二連接線14流向第二輸出導(dǎo)線12。在第四步M再次進行換接。在此，機械開關(guān)20在其接頭之間這樣換接，使得將第三抽頭4而不是第二抽頭3與第二輸出導(dǎo)線12相連接。在換接期間，晶閘管電路5再次接受電流。即第四電流通路四在換接時從第一輸出導(dǎo)線11流經(jīng)全部的次級繞組。其進一步通過第四連接線18并且由此通過晶閘管電路5流向第二輸出導(dǎo)線12。一旦機械開關(guān)20換接完成，則結(jié)束晶閘管電路5的觸發(fā)。在換接之后得到如下狀況，該狀態(tài)在第五步25被使用。在此，使用了大約90% 的次級繞組，并且電流通路從第一輸出導(dǎo)線11經(jīng)過次級繞組的第一、第二和第三部分 17a. . . c以及第三連接線15流向第二輸出導(dǎo)線12。其它的換接相似地執(zhí)行。在此，機械開關(guān)20并不是必須在相鄰放置的抽頭2、3、 4之間換接，而是可以實現(xiàn)在任意兩個抽頭之間的換接，也就是例如直接從第一抽頭2換接到第三抽頭4或者反之。
現(xiàn)在要根據(jù)例子來更詳細說明進行換接的方法。假定，控制機構(gòu)6確定，在兩個抽頭之間的換接看起來是有必要的。因此，控制機構(gòu)負責(zé)在晶閘管電路中5中的晶閘管的觸發(fā)。在此，這樣選擇觸發(fā)時間點，使得沒有出現(xiàn)電壓跳變。理想地，為此使用這樣的時間點， 該時間點在電網(wǎng)電壓的過零點之前的時間間隔附近，其中，該時間間隔相應(yīng)于晶閘管的觸發(fā)延時。由此得出，晶閘管在電壓的過零點原則上能接受負載電流。當(dāng)晶閘管導(dǎo)通，由于通過開關(guān)20和晶閘管的連接產(chǎn)生線圈間短路，其中包含部分次級繞組。在該短路電路中會流過非常高的電流。在該實施例中，進行速度 (Einsatzgeschwindigkeit)利用電感 53 來限制。通過晶閘管在端抽頭52上的和開關(guān)20在其它的抽頭2、3、4之一上的相對布置， 在線圈間短路電路中的電流與負載電流相反。以后，因此達到一個時間點，在該時間點，在線圈間短路電路中的電流取與負載電流相同的絕對值，并且由此不再有電流通過開關(guān)20。該時間點被用于通過開關(guān)斷開連接。在此，優(yōu)選在預(yù)計過零點之前一點就打開開關(guān)，特別是對于晶閘管已經(jīng)安全導(dǎo)通了的時間點。在這種情況下，在打開開關(guān)元件時產(chǎn)生電弧，然而，該電弧在電流流通的過程中很快地、典型地在微秒范圍內(nèi)熄滅，因為電流通過開關(guān)元件消失。如果電弧一旦熄滅，則在開關(guān)元件上的電壓上升時不再重新產(chǎn)生電弧。為了平緩的轉(zhuǎn)換，合適的是，對于連接的打開這樣控制開關(guān)20:使得當(dāng)晶閘管已經(jīng)導(dǎo)通時，開關(guān) 20才打開。之后，晶閘管傳輸負載電流，并且通過打開開關(guān)20消除線圈間短路。優(yōu)選在電網(wǎng)電壓的自然過零點重新建立開關(guān)20的連接，以便又實現(xiàn)導(dǎo)線的平緩過渡。因為在開關(guān)20 連接之后又存在線圈間短路(Eindungskurzschluss)，所以合適的是，在過零點之前及時結(jié)束晶閘管的觸發(fā)，以防止晶閘管和開關(guān)20同時導(dǎo)通。
權(quán)利要求
1.一種帶有分接電路的中低壓變壓器(1，50)，其中-變壓器的繞組之一具有兩個端抽頭和至少一個其它抽頭，-具有至少一個開關(guān)裝置00，35，36)，用于將變壓器抽頭之一與變壓器的輸出導(dǎo)線之一能夠切換地電連接，和-具有至少一個半導(dǎo)體開關(guān)裝置(5，37)，該半導(dǎo)體開關(guān)裝置與輸出導(dǎo)線并且與一個抽頭電連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中低壓變壓器(1，50)，其中，所述半導(dǎo)體開關(guān)裝置(5，37)與所述端抽頭相連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的中低壓變壓器(1，50)，其中，至少有兩個中間抽頭，并且開關(guān)元件O0，35，36)在中間抽頭和輸出導(dǎo)線之間建立電連接。
4.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的中低壓變壓器(1，50)，其中，具有用于確定代表了在所述開關(guān)元件上的電壓和/或通過所述開關(guān)元件的電流的數(shù)值的裝置。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的中低壓變壓器(1，50)，其中，具有用于確定代表了在所述半導(dǎo)體開關(guān)裝置上的電壓的數(shù)值的裝置。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的中低壓變壓器(1，50)，其中，所述開關(guān)裝置00， 35，36)具有機械開關(guān)(20，35，36)。
7.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的中低壓變壓器(1，50)，其中，所述半導(dǎo)體開關(guān)裝置(5，37)包含兩個反并聯(lián)連接的半導(dǎo)體開關(guān)元件，特別是兩個晶閘管。
8.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的中低壓變壓器(1，50)，其中，所述半導(dǎo)體開關(guān)裝置(5，37)具有可關(guān)斷的半導(dǎo)體開關(guān)元件，特別是晶體管、GTO或IGCT。
9.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的中低壓變壓器(1，50)，其中，與所述半導(dǎo)體開關(guān)裝置(5，37)串聯(lián)設(shè)置電感或電阻。
10.一種用于運行根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的帶有分接電路的中低壓變壓器 (1,50)的方法，所述中低壓變壓器具有半導(dǎo)體開關(guān)裝置，該半導(dǎo)體開關(guān)裝置用于在開關(guān)裝置的切換過程中暫時接收電流，其中，在開關(guān)裝置的切換過程中確定第一時間點，在所述第一時間點，通過開關(guān)裝置的電流恰好為零，并且在所述時間點所述開關(guān)裝置被打開。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述方法，其中，在過零點稍前接通所述半導(dǎo)體開關(guān)裝置。
12.根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的方法，其中，在所述開關(guān)裝置打開之后確定第二時間點，在所述第二時間點，在開關(guān)裝置的目標抽頭和變壓器的輸出導(dǎo)線之間的電壓相應(yīng)于半導(dǎo)體開關(guān)上的電壓，并且在該第二時間點，所述開關(guān)裝置被閉合。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述方法，其中，在確定所述第二時間點時考慮開關(guān)元件的閉合持續(xù)時間。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于中低壓變壓器的分接開關(guān)，該分接開關(guān)基于一個或多個機械開關(guān)。在換接時電流通過半導(dǎo)體開關(guān)傳輸，以確保無中斷。
文檔編號H01F29/04GK102209998SQ200980144210
公開日2011年10月5日 申請日期2009年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月22日
發(fā)明者格德·格里彭特羅格, 萊因哈德·梅爾 申請人:西門子公司