EP2831894B1 - Ortsnetz-transformator - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a local network transformer for transforming a medium voltage in the kV range into a voltage for the local power supply.
- the DE 20 2010 012 811 U1 and the GB 1007496A show solutions for transformers with tap changers.
- the equipment of the tap-changer are arranged in the oil-filled boiler.
- a permanent connection is made by means of a controlled anti-parallel connected thyristor pair. It is an object of the present invention to provide an improved local power transformer, with which the above-mentioned problem is reduced. This object is achieved by a local power transformer with the features of claim 1.
- the local network transformer according to the invention for the local network power supply has an active part with primary and secondary windings for converting a primary medium voltage into a secondary local network voltage, wherein the active part is arranged in a transformer tank with cooling and insulating liquid. Furthermore, the local network transformer comprises a plurality of switching means for adjusting the ratio between the primary voltage and the secondary voltage, wherein the switching means are connected on the secondary side between taps of the secondary side windings and the neutral point of the secondary side windings. Finally, the switching devices are arranged in the transformer boiler in the area of cooling and insulating liquid.
- the primary voltage is a medium voltage in the range of a few kV, for example 10 kV, 20 kV or 30 kV.
- the secondary voltage is a voltage for the local supply of a local network or urban network, for example, 230V single-phase at 400V line-to-line voltage.
- the switching devices are designed, for example, such that the secondary voltage can be varied in steps by means of a suitable control. Due to the advantageous arrangement of the switching devices in the transformer boiler is achieved that bushings of Anzapfun conditions of the secondary windings out of the transformer box are unnecessary. Furthermore, it is achieved that the copper lines are short from the taps to the switching devices. Finally, it is additionally achieved that cooling of the switching devices automatically takes place, since the switching devices are arranged in the cooling and insulating liquid.
- the stated construction is modular, i. In addition to a structure with 3 or 5 taps and constructions can be realized with more taps without much additional effort. There are no substantial changes necessary, but it must only be adapted to the number of switching devices and appropriate taps are provided.
- the switching devices preferably each comprise a parallel circuit comprising a controllable mechanical switch and at least one controllable semiconductor switch. This is at the same time given a lossless power line in the normal state, i. when not currently switching, while at the same time a fast switchable bypass is possible when switching the voltage level. For an interruption-free switching is advantageously possible.
- the switching devices each comprise a bistable mechanical switch.
- the controllable mechanical switch is expediently a bistable switch. This ensures that in the switching devices no performance is required, as long as no switching takes place, because on the one hand no holding power for the mechanical switch is necessary, the current flow through the mechanical switch and not about semiconductor and on the other hand, the transformer has a defined switching group even in the de-energized state.
- the switching devices are arranged in the transformer box below the windings. "Below” refers to the area between the lower edge of the windings and the bottom of the tank.
- the switching means are in a range of cooling and insulating liquid, which is still relatively cool due to the heat convection. This ensures good cooling of the switching devices.
- the local network transformer expediently comprises a control device for detecting voltage and / or current of at least one of the phases and for controlling the switching devices on the basis of the detected values.
- the control is expediently such that a deviation of voltage values occurring in the local network from at least one predefinable setpoint voltage value for the local network is reduced.
- control device and the transformer are constructed in the immediate vicinity of each other.
- control device may be an external device separate from the transformer, but which is arranged in the immediate vicinity of the transformer.
- FIGS. 1 and 2 show sectional views of a local network transformer 10, in the case of FIG. 1 a side view and FIG. 2 a front view.
- a transformer tank 11 makes the main part of the local network transformer 10.
- the active part 12 of the local network transformer 10 with windings 311, 312, 313 is housed in about halfway up.
- copper lines lead to passages through the wall of the transformer tank 11. These passages lead into connecting elements for the phases of the local network and the medium voltage.
- the switching devices 13 are in that part of the transformer tank 11, which will be the coolest under normal conditions, since the heated in the region of the active part 12 cooling and insulating liquid will strive upward. It is also advantageous that the additional arrangement of the switching devices 13 in the transformer tank 11 additional complex and expensive feedthroughs from the transformer tank 11 are unnecessary.
- FIG. 3 schematically shows the secondary coils 311, 312, 313. At these taps 32 are arranged to one end of the coil, in the present example exactly five taps 32 per secondary coil 311, 312, 313. The last of the taps 32 is the respective coil end itself.
- Each of the taps 32 is connected to the input contact 135 of each switching device 13.
- the output contacts 134 of all switching devices 13 are in turn combined and connected to the neutral terminal 16.
- Each of the switching devices 13 comprises a parallel connection of a bistable mechanical switch 131 with a series of a resistor 133 and an anti-parallel pair of thyristors 132.
- the parallel circuit is connected on both sides with the input contact 135 and the output contact 134.
- FIG. 4 is also apparent that the switching devices 13 have no preferred operating direction and thus can be used with reversed input and output contact 134, 135.
- the respective control contacts of the individual elements are guided together or separately from one another to a control device 33.
- FIG. 4 shows the switching device 13 with closed bistable switch 131. This will be the case in normal operation only in three of the switching devices 13, one per phase. In the other switching devices 13 is the bistable Switch open and the thyristor pair 132 inactive and thus no current flow possible. It is particularly advantageous in the present switching device 13 that the bistable switch 131 as well as the other elements in normal operation requires power. Likewise, there is a very low volume resistance, since the current is not passed through semiconductor. Overall, this is - as well as a change in voltage - as little power needed as in a transformer of the prior art without voltage regulation.
- the control device 33 is configured in this example to receive and evaluate measured values for the voltage. For this purpose, for example, the measured voltages are compared with a nominal voltage value of 230 V or 400 V. If a clear deviation is detected, then a change in the voltage level on one of the phases in the local network is necessary. Then the gear ratio is switched. It is advantageous that this can take place specifically for the phase or phases in which the change is necessary, independently of the other phases.
- the switchover takes place without interruption, by first making a power line via thyristor pairs 132. The concept of switching is described in the DE 10 2008 064 487 A1 ,
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Description
- Die Erfindung betrifft einen Ortsnetz-Transformator zur Transformation einer Mittelspannung im kV-Bereich in eine Spannung zur Ortsnetzversorgung.
- Die herkömmliche Stromerzeugung aus beispielsweise fossilen Energieträgern war zu praktisch 100% zentral und die derzeitigen Stromnetze sind auf diese Situation ausgelegt. Es ist dabei stets mit einem Spannungsabfall vom Ortsnetz-Transformator hin zu den Anschlüssen wie Privathaushalten zu rechnen. Derzeit findet aber die Erzeugung von Strom aus regenerativen Quellen einen großen Zuwachs. Im Gegensatz zur althergebrachten Stromerzeugung erfolgt ein nicht unerheblicher Teil der Erzeugung von Strom aus regenerativen Quellen dezentral, beispielsweise in privaten Haushalten oder Kleinanlagen statt.
- Dadurch kann es zunehmend zu der bisher unmöglichen Situation kommen, dass sich der Leistungsfluss entlang von Stichleitungen im Ortsnetz umkehrt, wofür jedoch das Ortsnetz nicht ausgelegt ist. Die Folge sind Spannungsänderungen im Ortsnetz, die die Grenze von +/- 10% der Sollspannung überschreiten können. Auch im Mittelspannungsnetz sind Spannungsüberhöhungen möglich, beispielsweise durch angeschlossene Windenergieanlagen. Diese ziehen ebenfalls eine erhöhte Spannung im Niederspannungsnetz (Ortsnetz) nach sich.
- Eine bekannte Möglichkeit, mit diesen Problemen umzugehen, besteht in dem deutlichen Ausbau der Ortsnetze, d.h. einer Erhöhung des im Ortsnetz verlegten Kabelquerschnitts. Das führt zu einer Verringerung des Spannungsabfalls über die Kabel und damit auch zu einer Verringerung von Spannungsüberhöhungen im Ortsnetz. Dies ist jedoch mit einem erheblichen Aufwand verbunden.
- Die
DE 20 2010 012 811 U1 und dieGB 1007496A DE 20 2010 012 811 U1 sind die Einrichtungen der Stufenschalter im ölgefüllten Kessel angeordnet. Bei derGB 1007496A
Diese Aufgabe wird durch einen Ortsnetz-Transformator mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
Der erfindungsgemäße Ortsnetz-Transformator für die Ortsnetz-Spannungsversorgung weist ein Aktivteil mit Primär- und Sekundärwicklungen zur Wandlung einer primären Mittelspannung in eine sekundäre Ortsnetz-Spannung auf, wobei das Aktivteil in einem Trafokessel mit Kühl- und Isolierflüssigkeit angeordnet ist. Weiterhin umfasst der Ortsnetz-Transformator eine Mehrzahl von Schalteinrichtungen zur Anpassung des Verhältnisses zwischen der Primärspannung und der Sekundärspannung, wobei die Schalteinrichtungen sekundärseitig zwischen Abgriffen der sekundärseitigen Wicklungen und dem Sternpunkt der sekundärseitigen Wicklungen geschaltet sind. Schließlich sind die Schalteinrichtungen im Trafokessel im Bereich der Kühl- und Isolierflüssigkeit angeordnet.
Die Primärspannung ist dabei eine Mittelspannung im Bereich einiger kV, beispielsweise 10 kV, 20 kV oder 30 kV. Die Sekundärspannung ist eine Spannung zur lokalen Versorgung eines Ortsnetzes oder Stadtnetzes, beispielsweise 230V einphasig bei 400V Leiter-Leiter-Spannung.
Die Schalteinrichtungen sind beispielsweise derart ausgestaltet, dass mittels einer geeigneten Ansteuerung die Sekundärspannung in Schritten variierbar ist.
Durch die vorteilhafte Anordnung der Schalteinrichtungen im Trafokessel wird erreicht, dass Durchführungen der Anzapfun gen der sekundären Wicklungen aus dem Trafokessel heraus unnötig sind. Weiterhin wird erreicht, dass die Kupferleitungen von den Anzapfungen zu den Schalteinrichtungen kurz ausfallen. Schließlich wird noch zusätzlich erreicht, dass eine Kühlung der Schalteinrichtungen automatisch mit stattfindet, da die Schalteinrichtungen mit in der Kühl- und Isolierflüssigkeit angeordnet sind. - Ferner ist vorteilhaft, dass der angegebene Aufbau modular ist, d.h. neben einem Aufbau mit 3 oder 5 Anzapfungen können ohne großen Zusatzaufwand auch Aufbauten mit mehr Anzapfungen realisiert werden. Dabei sind keine substantiellen Änderungen nötig, sondern es muss lediglich die Anzahl der Schalteinrichtungen angepasst werden und entsprechende Anzapfungen vorgesehen werden.
- Besonders vorteilhaft ist weiterhin, dass eine separate Spannungskontrolle für die drei Phasen ermöglicht ist. Mit anderen Worten lässt sich das Übersetzungsverhältnis des Ortsnetz-Transformators für die Phasen einzeln kontrollieren. Dadurch kann auch dann eine Verbesserung des Spannungswerts erreicht werden, wenn im Ortsnetz eine sehr ungleichmäßige Belastung der Phasen auftritt.
- Bevorzugt umfassen die Schalteinrichtungen jeweils eine Parallelschaltung aus einem steuerbaren mechanischen Schalter und wenigstens einem steuerbaren Halbleiterschalter. Damit ist gleichzeitig eine verlustfreie Stromleitung im Normalzustand gegeben, d.h. wenn gerade nicht geschaltet wird, während gleichzeitig eine schnell schaltbare Überbrückung bei Umschaltung des Spannungsniveaus ermöglicht ist. Damit ist eine unterbrechungsfreie Umschaltung vorteilhaft ermöglicht.
- Erfindungsgemäß umfassen die Schalteinrichtungen jeweils einen bistabilen mechanischen Schalter. Dabei ist zweckmäßig der steuerbare mechanische Schalter ein bistabiler Schalter. Dadurch wird erreicht, dass in den Schalteinrichtungen keinerlei Leistung benötigt wird, solange keine Umschaltung stattfindet, da zum einen keine Halteleistung für den mechanischen Schalter nötig ist, der Stromfluss über den mechanischen Schalter läuft und nicht etwa über Halbleiter und zum anderen der Transformator auch im spannungslosen Zustand eine definierte Schaltgruppe aufweist.
- Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Schalteinrichtungen im Trafokessel unterhalb der Wicklungen angeordnet sind. "Unterhalb" bezeichnet dabei den Bereich zwischen der Unterkante der Wicklungen und dem Kesselboden. Bei dieser Anordnung befinden sich die Schalteinrichtungen in einem Bereich der Kühl- und Isolierflüssigkeit, der durch die wärmebedingte Konvektion noch vergleichsweise kühl ist. Dadurch ist eine gute Kühlung der Schalteinrichtungen gewährleistet.
- Zweckmäßig umfasst der Ortsnetz-Transformator eine Steuereinrichtung zur Erfassung von Spannung und/oder Strom wenigstens einer der Phasen und zur Steuerung der Schalteinrichtungen anhand der erfassten Werte. Die Steuerung erfolgt zweckmäßig derart, dass eine Abweichung von im Ortsnetz auftretenden Spannungswerten von wenigstens einem vorgebbaren Sollspannungswert für das Ortsnetz verringert wird.
- Dabei ist es vorteilhaft, wenn Spannung und/oder Strom in allen Phasen separat ermittelt werden. Damit ist dann ein Ausgleich von Spannungsunterschieden zwischen den Phasen im Ortsnetz möglich.
- In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind Steuereinrichtung und Transformator in unmittelbarer örtlicher Nähe zueinander aufgebaut. Sie können dabei beispielsweise eine bauliche Einheit bilden, also als ein Gesamtgerät gestaltet sein. Alternativ kann beispielsweise die Steuereinrichtung ein externes und vom Transformator separates Gerät sein, das aber in direkter Umgebung des Transformators angeordnet ist.
- Dadurch erfolgt vorteilhaft die Steuerung der Arbeit des Transformators ausschließlich aus lokal beim Transformator verfügbaren Informationen, indem die Spannung im Bereich des Transformators erfasst und verarbeitet wird. Eine Fernsteuerung ist also vorteilhaft nicht erforderlich. Ebenso ist keine Fernmessung beispielsweise von Spannungsdaten erforderlich.
- Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung unter Bezug auf die Figuren der Zeichnung, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleich wirkende Bauteile verweisen. Dabei zeigen
- Figur 1 und 2
- Schnittansichten eines Ortsnetz-Transformators,
- Figur 3
- ein elektrisches Schaltbild für die Sekundärseite des Ortsnetz-Transformators mit Schalteinrichtungen und
- Figur 4
- eine Schalteinrichtung.
- Die
Figuren 1 und2 zeigen Schnittansichten eines Ortsnetz-Transformators 10, im Falle derFigur 1 eine Seitenansicht undFigur 2 eine Frontansicht. Dabei macht ein Transformatorkessel 11 den Hauptteil des Ortsnetz-Transformators 10 aus. Im Transformatorkessel 11 ist in etwa auf halber Höhe das Aktivteil 12 des Ortsnetz-Transformators 10 mit Wicklungen 311, 312, 313 untergebracht. Zum oberen Abschluss des Transformatorkessels 11 hin führen Kupferleitungen zu Durchführungen durch die Wand des Transformatorkessels 11. Diese Durchführungen münden in Anschlusselementen für die Phasen des Ortsnetzes und der Mittelspannung. - Zum unteren Teil des Transformatorkessels 11 hin sind aus dem Aktivteil 12 Anschlüsse 14 von Anzapfungen der Wicklungen 311, 312, 313 herausgeführt. Die Anschlüsse führen jeweils zu einem Eingangsanschluss von im unteren Teil des Transformatorkessels 11 angeordneten Schalteinrichtungen 13. Die Ausgangsanschlüsse der Schalteinrichtungen 13 sind wiederum über eine waagrecht zuunterst im Transformatorkessel 11 angeordnete Busleitung 21 miteinander und mit einem Neutralleiteranschluss 16 verbunden.
- Durch die gezeigte Anordnung befinden sich die Schalteinrichtungen 13 in jenem Teil des Transformatorkessels 11, der unter normalen Bedingungen am kühlsten sein wird, da das im Bereich des Aktivteils 12 aufgeheizte Kühl- und Isolierflüssigkeit nach oben streben wird. Ebenfalls vorteilhaft ist, dass die durch die Anordnung der Schalteinrichtungen 13 im Transformatorkessel 11 zusätzliche aufwändige und teuere Durchführungen aus dem Transformatorkessel 11 unnötig sind.
- Die elektrische Beschaltung ist in den
Figuren 3 und 4 verdeutlicht.Figur 3 zeigt schematisiert die Sekundärspulen 311, 312, 313. An diesen sind zu einem Ende der Spule hin Anzapfungen 32 angeordnet, im vorliegenden Beispiel genau fünf Anzapfungen 32 pro Sekundärspule 311, 312, 313. Die letzte der Anzapfungen 32 ist dabei das jeweilige Spulenende selbst. Jede der Anzapfungen 32 ist mit dem Eingangskontakt 135 je einer Schalteinrichtung 13 verbunden. Die Ausgangskontakte 134 sämtlicher Schalteinrichtungen 13 sind wiederum zusammengeführt und mit dem Neutralleiteranschluss 16 verbunden. - Der Aufbau der Schalteinrichtungen 13 in diesem Beispiel ist in
Figur 4 verdeutlicht. Jede der Schalteinrichtungen 13 umfasst eine Parallelschaltung eines bistabilen mechanischen Schalters 131 mit einer Serie aus einem Widerstand 133 und einem antiparallel geschalteten Thyristorpaar 132. Die Parallelschaltung ist dabei auf ihren beiden Seiten mit dem Eingangskontakt 135 und dem Ausgangskontakt 134 verbunden. AusFigur 4 ist auch ersichtlich, dass die Schalteinrichtungen 13 keine bevorzugte Betriebsrichtung haben und somit auch mit vertauschtem Ein- und Ausgangskontakt 134, 135 verwendet werden können. Die jeweiligen Steuerkontakte der einzelnen Elemente sind zusammen oder getrennt voneinander zu einer Steuerungseinrichtung 33 geführt. -
Figur 4 zeigt die Schalteinrichtung 13 mit geschlossenem bistabilen Schalter 131. Dies wird im normalen Betriebsfall nur bei drei der Schalteinrichtungen 13, pro Phase eine, der Fall sein. Bei den anderen Schalteinrichtungen 13 ist der bistabile Schalter geöffnet und das Thyristorpaar 132 inaktiv und somit kein Stromfluss möglich. Besonders vorteilhaft ist bei der vorliegenden Schalteinrichtung 13, dass der bistabile Schalter 131 ebenso wenig wie die anderen Elemente im normalen Betrieb Leistung benötigt. Ebenso ergibt sich ein sehr geringer Durchgangswiderstand, da der Strom nicht durch Halbleiter geleitet wird. Insgesamt wird dadurch - abseits einer Änderung der Spannung - ebenso wenig Leistung gebraucht wie bei einem Transformator des Standes der Technik ohne Spannungsregelung. - Die Steuerungseinrichtung 33 ist in diesem Beispiel ausgestaltet, Messwerte für die Spannung aufzunehmen und auszuwerten. Dazu werden beispielsweise die gemessenen Spannungen mit einem Sollspannungswert von 230 V oder 400 V verglichen. Wird eine deutliche Abweichung festgestellt, dann ist eine Änderung des Spannungsniveaus auf einer der Phasen im Ortsnetz notwendig. Dann wird das Übersetzungsverhältnis umgeschaltet. Vorteilhaft ist, dass dies spezifisch für die Phase oder Phasen stattfinden kann, bei denen die Änderung nötig ist, unabhängig von den anderen Phasen. Die Umschaltung findet unterbrechungsfrei statt, indem zuerst eine Stromleitung über Thyristorpaare 132 hergestellt wird. Das Konzept der Umschaltung ist beschrieben in der
DE 10 2008 064 487 A1 .
Claims (5)
- Ortsnetz-Transformator (10) für die Ortsnetz-Spannungsversorgung, aufweisend:- ein Aktivteil (12) mit Primär- und Sekundärwicklungen (311, 312, 313) zur Wandlung einer primären Mittelspannung in eine sekundäre Ortsnetz-Spannung, wobei das Aktivteil (12) in einem Trafokessel (11) mit Kühl- und Isolierflüssigkeit angeordnet ist,- eine Mehrzahl von Schalteinrichtungen (13) zur Anpassung des Verhältnisses zwischen der Primärspannung und der Sekundärspannung, wobei die Schalteinrichtungen (13) sekundärseitig zwischen Abgriffen (32) der Sekundärwicklungen (311, 312, 313) und dem Sternpunkt der Sekundärwicklungen (311, 312, 313) geschaltet sind und wobei die Schalteinrichtungen (13) im Trafokessel (11) im Bereich der Kühl- und Isolierflüssigkeit angeordnet sind und wobei die Schalteinrichtungen (13) jeweils einen bistabilen mechanischen Schalter (131) umfassen.
- Ortsnetz-Transformator (10) gemäß Anspruch 1, bei dem die Schalteinrichtungen (13) jeweils eine Parallelschaltung aus dem steuerbaren bistabilen mechanischen Schalter (131) und wenigstens einem steuerbaren Halbleiterschalter (132) aufweisen.
- Ortsnetz-Transformator (10) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Schalteinrichtungen (13) im Trafokessel (11) unterhalb der Wicklungen des Aktivteils (12) angeordnet sind.
- Ortsnetz-Transformator (10) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem eine Steuereinrichtung (33) zur Erfassung der Spannung wenigstens einer der Phasen und zur Steuerung der Schalteinrichtungen (13) anhand der erfassten Spannung umfasst ist, wobei die Steuerung derart erfolgt, dass eine Abweichung von im Ortsnetz auftretenden Spannungswerten von wenigstens einem vorgebbaren Sollspannungswert für das Ortsnetz verringert wird.
- Ortsnetz-Transformator (10) gemäß Anspruch 4, bei der die Steuereinrichtung (33) zur Erfassung des Stroms in wenigstens einer Phase, insbesondere in allen Phasen ausgestaltet ist.
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