本發(fā)明總體上涉及在用于電能的生成、傳輸和分配的電力網(wǎng)絡中使用的類型的電力變壓器的領域，特別地涉及用于降低變壓器的軟磁芯中的單向通量分量（unidirectionalfluxcomponent）的電路布置。

背景技術：

已知在用于生成、傳輸和分配電功率的網(wǎng)絡中，因為例如由網(wǎng)絡中的功率電子切換單元引起的不同原因可能會發(fā)生不希望的直流的注入。此類直流（在下文中還被稱為dc分量）導致引起變壓器的磁芯材料的不對稱飽和的單向通量分量。這增加變壓器的損耗和操作噪聲。在空載損耗和空載噪聲顯著增加時，另一可能原因是特別針對高功率變壓器的問題的所謂的“地磁感應電流”（gic）。取決于變壓器的設計，甚至幾百毫安的非常小的dc分量可以將操作噪聲的發(fā)射增加到10到20db。在gic的情況下，可出現(xiàn)高達50a的dc分量?？赡艹霈F(xiàn)大約20-30%的損耗的顯著增加。變壓器中的局部加熱可以嚴重降低繞組絕緣的有效壽命。

用于降低變壓器的芯中的單向通量分量的各種方法和設備是已知的。例如，在ep2622614b1中，提議使用切換單元來將補償電流注入到磁耦合到變壓器芯的補償繞組中。補償電流的影響抵消單向通量分量。例如提議將諸如晶閘管之類的受控閥用于實施切換單元。然而，實際上受控半導體開關的使用因為它們的最大可容許電壓或更確切地功率耗散而目前被限到大約690v。然而，在高壓dc輸電（hvdct）的上下文中使用變壓器的情況下，補償繞組中感應的電壓可以遠遠高于這些限制值并且實際上超過8kv。晶閘管在此高壓范圍中的實際使用不僅僅受到限制，而且還要求冷卻設備耗散切換損耗的相當大的支出（outlay）。此外，要求相對地復雜的控制電路來控制受控閥，這不利地影響可靠性。對于切實可行的單向通量補償，與用于功率變壓器本身的類似的要求適用：補償設備應該具有簡單的設計并且提供幾十年內的低維護操作。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是指定用于降低變壓器的磁芯中的單向通量分量的電路布置，所述電路布置具有簡單設計并且在盡可能長的使用壽命內可靠地操作。

通過權利要求1和2的特征來實現(xiàn)此目的。將從從屬權利要求、說明書和附圖中出現(xiàn)本發(fā)明的更多有利實施例、方面和細節(jié)。

本發(fā)明的用于生成補償電流的基本方法是使用不要求受控閥的電路布置。

根據(jù)第一變體，該電路布置富有創(chuàng)造性地包括下面的部件：

-補償繞組，其被磁耦合到變壓器的芯；

-飽和電抗器（transductor），其與補償電流路徑中的補償繞組串聯(lián)連接，其中該補償電流路徑具有兩個并聯(lián)分支，在其中在每種情況下飽和電抗器的功率繞組和不受控閥串聯(lián)連接，其中閥的流動方向彼此相反，并且其中每個功率繞組經由可飽和的飽和電抗器芯被磁耦合到控制繞組；

-控制設備，在輸入側向其饋送關于單向通量分量的量值和方向的信息，并且該控制設備在輸出側生成控制變量，該控制變量被饋送到每個控制繞組，使得可以改變飽和電抗器芯的飽和狀態(tài)，以便在補償電流路徑中形成其影響抵消單向通量分量的補償電流。

根據(jù)第二變體，本發(fā)明包括下面的特征：

-補償繞組，其被磁耦合到變壓器的芯；

-飽和電抗器，其具有與補償電流路徑中的補償繞組串聯(lián)連接的功率繞組，其中該補償電流路徑包括不受控閥和用于使該閥中的電流的方向反向的切換設備，并且其中經由可飽和的飽和電抗器芯將功率繞組磁耦合到控制繞組；

-控制設備，在輸入側向其饋送由檢測設備提供的關于單向通量分量（φdc）的量值和方向的信息，并且該控制設備在輸出側生成控制變量，該控制變量被饋送到控制繞組，使得可以改變飽和電抗器芯的飽和狀態(tài)，以便在補償電流路徑中形成其影響抵消變壓器的芯中的單向通量分量（φdc）的補償電流（ik）。

結合不受控閥使用飽和電抗器消除了對受控閥另外要求的復雜控制電路的需要。與晶閘管相比，例如，諸如二極管之類的不受控閥相對魯棒（robust）并且具有長的使用壽命。本質上由磁芯和設置在其上的繞組布置（包括功率繞組和控制繞組的單個或成對布置）構成的飽和電抗器在設計上類似于變壓器并且有可能提供類似的長使用壽命。

對于變體二來說，實施方式復雜性特別低。不存在對電子地控制受控閥所要求的該種復雜控制電路的需要。用于將單個不受控閥（二極管）的極性反轉的切換設備可以是機械類型的并且可以由驅動器來致動。

關于電氣接通狀態(tài)功率損耗，與受控閥的切換損耗相比的二極管的那些是相對地低的，使得冷卻成本/復雜性整體更低得多。與諸如晶閘管之類的受控閥相比，關于目前商售的二極管的電壓和功率耗散的限制值相對較高。因此，dc補償設備的使用不再被限制到低電壓，而是現(xiàn)在還可能用于諸如hvdct變壓器之類的大功率變壓器的高電壓。低成本實施方式是可能的。

兩個變體的富有創(chuàng)造性地使用的部件相對地簡單并且都可能無故障地操作達許多年。

優(yōu)選的是其中不受控閥或兩個不受控閥在每個情況下被設計為高阻斷功率二極管的實施例。

就低制造成本來說，電路布置具有飽和電抗器可以是有利的，所述飽和電抗器的飽和電抗器芯被實施為分開的條狀芯（stripcore）或者采用堆疊層壓片（lamination）的形式。

可以通過由磁性材料制成的各個層壓片構成飽和電抗器來實現(xiàn)它的磁性材料中的低功率耗散，所述磁性材料具有盡可能窄的矩形磁滯回線（hysteresisloop）。飽和電抗器的驅動功率因此是低的，這意味著控制單元可以具有更簡單的設計。

如果飽和電抗器芯被設置在具有至少一個氣隙的磁路中，則可以實現(xiàn)控制單元的進一步簡化，使得剩余通量密度被限制到小于或等于飽和通量密度的20%。

為了更進一步降低控制單元中的損耗，如果使用低損耗晶粒取向的電工鋼（所謂的hib-goes材料），則它可能是有利的。

特別地，如果在軟磁飽和電抗器芯中的電工鋼的軋制方向的方向上載送磁通量，則可以實現(xiàn)飽和電抗器的低損耗操作。

為了限制補償電流路徑中的電流，可以例如在飽和電抗器和補償繞組之間串聯(lián)地使用限流扼流圈。

在切換設備的優(yōu)選實施例中，可以提供利用足夠大漏感來實施飽和電抗器的功率繞組（或繞組），使得它同時還提供限流。然后功率繞組（或繞組）同時充當限流扼流圈，并且因此并不呈現(xiàn)為分開的部件。

在兩種情況下，確保在電流路徑中限制最大電流，即使飽和電抗器的控制設備有故障。要在控制設備中提供的其它限流措施可以具有更簡單設計或被完全摒棄。

為了高可靠性和長使用壽命，如果被設置在電源部分中的部件，即補償繞組、飽和電抗器、閥和可能的限流扼流圈被設置在變壓器箱（transformertank）內部，則它可能是有利的。因此，電路布置的這些部件被浸泡在變壓器的絕緣和冷卻液中并且被其冷卻，這延長它們的使用壽命。

為了生成補償電流，使用測量設備來檢測在補償繞組中感應的電壓的相位并將其饋送到控制設備可能是有利的。這簡化了補償電流的生成。

可以例如借助于設置在變壓器芯上的測量設備來獲取關于要被補償?shù)膯蜗蛲糠至康牧恐岛头较虻男畔ⅰ＿@樣的測量設備可以是例如設置在變壓器磁軛上或電磁鐵芯（limb）上的分流電路中的磁傳感器。

然而，還可以從輸電網(wǎng)絡本身獲得提供關于要被補償?shù)膯蜗蛲糠至康牧恐岛头较虻男畔⒌牧硪豢赡苄浴？梢酝ㄟ^變壓器的連接電纜上的儀表測量來獲得該信息。本領域技術人員可以利用用于檢測dc分量的各種設備。

在特別優(yōu)選的實施例中，可以提供為每個控制電路提供的具有初級繞組和次級繞組的變壓器（圖3），其中通過補償繞組來饋送每個初級繞組，并且其中將每個次級繞組指派到它被并入的控制電路，使得在相應控制繞組（1b）中感應的電壓被補償。這意味著對根據(jù)本發(fā)明的電路布置的空間要求是低的并且不想要的dc分量的高度可區(qū)分的補償是可能的。

附圖說明

為了進一步解釋本發(fā)明，將在下面的描述部分中參考附圖，將在示例的基礎上從所述附圖中出現(xiàn)本發(fā)明的更多有利實施例、細節(jié)和發(fā)展，并且其中：

圖1示意性地圖示出根據(jù)本發(fā)明的電路布置的第一變體；

圖2示意性地圖示出根據(jù)本發(fā)明的電路布置的第二變體；

圖3示意性地圖示出根據(jù)本發(fā)明的第一變體的優(yōu)選實施例。

具體實施方式

現(xiàn)在將參考示例性實施例更詳細地解釋本發(fā)明。

圖1示意性地圖示出根據(jù)本發(fā)明的電路布置的第一變體。參考字符4表示磁耦合到變壓器的軟磁芯的補償繞組。（為了清楚的緣故，附圖中既沒有描繪磁芯也沒有描繪變壓器的其它公知部件）。

如圖1示出的，補償繞組4被插入在補償電流路徑8中。在如圖1中示出的本發(fā)明的變體中將在下文中也被稱為電源部分的補償電流路徑8（在圖1至3中使用粗實線厚度描繪）分成兩個并聯(lián)分支：每個并聯(lián)分支包含飽和電抗器1的功率繞組1a。在每種情況下與功率繞組1a串聯(lián)連接的是閥2。這些閥2中的每個是不受控制的。閥2被設計為半導體二極管。在該兩個并聯(lián)分支中，二極管2被反并行地連接，即在補償電流路徑8的環(huán)流方向上觀看，一個二極管2（圖1中的左側二極管）的流動方向是逆時針的，設置在右側并聯(lián)分支中的二極管2以順時針方向導通。

如可以從圖1中看到的，飽和電抗器1具有兩個功率繞組1a和兩個控制繞組1b。并聯(lián)分支中的每個功率繞組1a被指派控制繞組1b。兩個功率繞組1a中的每個載送補償電流ik的一部分。功率繞組1a和被指派到其的控制繞組1b之間的磁耦合創(chuàng)建軟磁飽和電抗器芯10（在圖1中以簡化形式示為虛線）。飽和電抗器芯10是分開的條狀芯，但是還可以具有層疊設計。所述飽和電抗器芯10的材料是晶粒取向的電工鋼hibgoes。此材料的磁滯現(xiàn)象是窄的矩形曲線，使得對控制飽和電抗器1要求少的切換功率。在飽和電抗器芯10中，在電工鋼的軋制方向上載送磁通量。

兩個控制繞組1b串聯(lián)連接在控制電路14中?？刂圃O備6將控制變量11饋送到此控制電路14中。如下面將更詳細地描述的，此控制變量11帶來了飽和電抗器芯10的磁性材料的不同程度的飽和，作為其結果而在補償電流路徑8中形成具有dc分量的電流。可以通過控制變量11在量值和方向方面限定所述dc分量，使得至少抵消或者理想地完全補償不想要的單向通量分量φdc（其由變壓器的初級/次級繞組中的dc分量產生）。

在圖1中的輸入側，兩個信號被饋送到控制設備6：

一方面，要補償關于單向通量分量φdc的量值和方向的信息12。如圖1中所示，關于不想要的單向通量分量φdc的此信息可以是檢測例如在變壓器的磁軛處的單向通量分量φdc的檢測設備5的信號。特別適當?shù)氖窃趐ct/ep2010/054857中描述的旁路測量系統(tǒng)，其本質上由設置在變壓器芯上的磁分流部分構成，使得磁通量的一部分被分支（branchoff）并且在分流電路中被載送，以便可以使用設置在分流部分上的傳感器線圈來確定對應于單向通量分量φdc的測量信號。這樣的磁場傳感器被設置在變壓器箱中。

然而，用于降低單向通量分量φdc的影響的信息還可以來自另一個源，例如來自輸電網(wǎng)絡本身，其中在電網(wǎng)的相位導體中測量gic-dc分量（這在技術上是復雜的）或者可以用某些其它方式來預測或檢測gic。在圖1中的示意性表示中，為了簡化的緣故沒有示出其全部；功能塊5大體上描繪檢測設備，其經由測量信號路徑12在輸入側向控制單元6提供關于擾動變量的方向和量值的相關信息。

另一方面，圖1還示出來自檢測器7的另一信號13，其給出在補償繞組4中感應的ac電壓的相位。在圖1中的實施例中，此信號13同樣地還被用于生成控制變量11，由此實現(xiàn)要被最小化的控制單元6中的復雜性。

在此示例中，控制單元6生成作為這兩個輸入變量12和13的函數(shù)的控制信號11。此控制信號被注入到控制電路14中。該控制單元6因此選擇性地控制飽和電抗器1中的飽和狀態(tài)，由此預定義其切換行為。使控制單元6的輸出的數(shù)目適應飽和電抗器1的設計?？刂茊卧?包含計算機，在此示例性實施例中其還并入自適應控制器的功能，由此在很大程度上消除了對昂貴測試設施中的校準的需要。由控制設備6中的適當算法來生成控制信號11。盡管可以通過使用相位信息13來簡化用于在控制設備6中生成控制變量11的算法，但是信號13不是絕對必要的。

通過其控制繞組1b中的電流脈沖來使飽和電抗器1在阻斷和導通狀態(tài)之間切換。飽和電抗器1經由功率繞組1a中的電流將自己保持在導通狀態(tài)中直到其零交叉（zerocrossing）為止，并且然后自動呈現(xiàn)阻斷狀態(tài)。此“磁開關”的切換行為因此對應于受控閥的切換行為，但是沒有后者的缺點。因此，控制信號11影響飽和電抗器芯10的飽和狀態(tài)，使得在補償電流路徑8中獲得可預定義的量值和方向的補償電流ik。在圖1中，這由雙箭頭9來指示。

圖2示出根據(jù)本發(fā)明的電路布置的第二變體。與根據(jù)圖1的實施例相比，飽和電抗器1由單個功率繞組和控制繞組1a、1b構成；此外，在功率路徑8（補償電流路徑）中不存在兩個閥的反平行布置，而是可以借助于切換設備15在電流路徑8中使極性反轉的僅單個閥2。這里將用于使二極管2的極性反轉的切換設備15實施為由兩個切換接觸15'和15''構成的機械開關。例如由電驅動器來由驅動單元（沒有更詳細地示出）致動切換接觸15'和15''。在圖2中的切換配置中，在其中補償電流ik在補償電流路徑8中逆時針流動的開關設置中示出兩個切換接觸15'和15''。如果兩個切換接觸15'和15''被置于它們相應的其它設置中，即第一切換接觸15'被連接到二極管2的陰極，切換接觸15''被連接到二極管2的陽極，則補償電流ik在補償電流路徑8中的流動方向變化。在圖2中示出的切換圖中的補償電流ik現(xiàn)在在相反的方向上（即順時針方向上）流動。如上面已經參考圖1解釋的，借助于“磁開關”1來降低變壓器的芯中的單向磁通分量。再次通過控制信號11以控制單元6的控制相位14來控制飽和電抗器1，使得雙向補償電流ik（雙箭頭9）開始在電源部分8中流動。經由信號路徑12將關于要被補償?shù)臄_動的信息饋送到控制單元6。補償電流ik使得它降低變壓器的芯中的單向通量分量φdc的不理想的影響。因此，降低了不平衡的飽和以及因此還有的變壓器的功率耗散和噪聲發(fā)射。較低的功率耗散（即較低的操作溫度）延長了變壓器的使用壽命。

圖2中示出的電路變體的優(yōu)點主要存在于較高補償功率的補償中，其要求較大的飽和電抗器和限流扼流圈。這里通過改變（單個）不受控整流器2的極性來對改變的直流極性進行反應可能是明智的。與圖1相比的電路復雜性也更低。需要提供僅一個飽和電抗器，而不是用于要被補償?shù)闹绷鞯拿總€極性的兩個飽和電抗器線圈。這里，根據(jù)可用性和可靠性來將切換設備15實施為機械開關可能是有利的。這確保高可用性和操作可靠性。經驗已示出要被補償?shù)膁c電流的極性（例如gic）僅非常緩慢地變化。因此可以通過簡單的機構來致動機械開關15。此開關15優(yōu)選地被物理地設置在變壓器箱內部，使得箱內部的絕緣和冷卻液圍繞其切換接觸15'，15''進行清洗。

圖3示出本發(fā)明的第一變體的優(yōu)選實施例。與圖1相比，使用兩個完全分開的飽和電抗器1，其還可以取決于要被補償?shù)闹绷鳎╣ic）的極性來由控制單元6分開地被激活。每個控制繞組1b再次地由控制電路14中的控制信號11來控制。在每個情況下由控制單元6來提供控制信號11。在用于控制控制繞組1b的兩個控制電路14的每個中，變壓器16的繞組被并入，使得控制繞組1b中感應的電壓被補償。其優(yōu)點是控制功率被顯著降低。因此，兩個控制單元6可以具有更簡單的設計。兩個變壓器16還被實施成使得在每種情況下將漏感引入相應的控制電路14中，從而增加相應控制器6的穩(wěn)定性。與圖1相比的另一個差別是在圖3中的實施例中，限流扼流圈3被分開地安裝在每個并聯(lián)分支中。其優(yōu)點是限流扼流圈3要求更少的空間。然而，在圖3中圖示出的實施例中，還可能將扼流圈3集成在功率繞組1a中，以便實現(xiàn)足夠大的漏感。然后分開的限流不再是必要的。然后根據(jù)本發(fā)明的電路布置的實施方式是特別有利的。

總而言之，所產生的優(yōu)點如下：

結合不受控閥的飽和電抗器構成在長使用壽命內可靠地操作的魯棒單元。

將飽和電抗器和二極管設置在變壓器的箱內部的優(yōu)點是高效冷卻是可能的。不要求復雜的冷卻設備。同樣地，不存在對復雜的開關盒以及相關聯(lián)的功率電子設備的需要。

完整的電源部分8（即設置在補償電流路徑中的部件）可以被容納在變壓器箱內部。消除電源部分的外部導體布置中的接地故障的問題。同樣地消除的是取出電源部分將另外要求的套管（bushing）。還不要求用于使電源部分斷開連接的設備（諸如斷流器或接觸器）。

磁性地作用的開關設備（由飽和電抗器和二極管構成）因為不同的電壓和功率而容易地可縮放（scalable）。甚至對于相對高的電壓和功率也可以實施廉價的dc補償。因此現(xiàn)在在大的hvdct變壓器中使用dc補償也是可能的。

因為控制單元保持在箱的外部，所以可以在eu低電壓指令的范圍內廉價地實施該控制單元。

在二極管故障的情況下，通過電網(wǎng)將變壓器關閉是不必要的。

用于生成此補償電流ik的能量來自在補償繞組4中感應的實際電壓（在圖1中用ac電壓源符號來表示補償繞組4）。因此補償繞組4用作能量源。不要求用于生成補償電流ik的分開的能源。如圖1中示出的，補償電流ik在兩個方向上流動通過補償繞組4，這引起其關聯(lián)的磁通分量取決于其方向來抵消變壓器的芯中的不想要的單向通量分量φdc。在圖1中，用雙向箭頭對9來指示雙向補償電流ik。

在圖1和2中，每個不受控閥2被實施為具有高阻斷能力和低正向電阻的高阻斷功率二極管。就半導體技術而言，這通過在高摻雜的pn區(qū)之間插入薄的低摻雜中間層來實現(xiàn)。因此，與晶閘管相比的此（不受控）閥中的損耗更低。

盡管已經在上面呈現(xiàn)的示例的基礎上詳細地解釋和描述了本發(fā)明，但是本發(fā)明不限于這些示例。在不偏離本發(fā)明的基本概念的情況下其它實施例和變化是可想到的。

其設計本身已知的飽和電抗器1可以具有關于其芯的不同的構造，例如由兩個磁路構成或者由具有三個電磁鐵芯的一個磁芯構成。其繞組布置可以由用于每個電源部分1a的兩個分開纏繞的控制線圈1a構成或者由用于兩個電源部分1a的共用控制線圈1b構成。

圖1和2中的框圖示出補償電流路徑8中的限流扼流圈3。如上文已經說明的，這不是絕對必要的，因為還可以由飽和電抗器的（多個）功率繞組1a的適當實施方式來提供此限流功能。在這種情況下，圖1和2中示出的限流扼流圈3將被省略。

使用的參考字符的列表

1飽和電抗器

1a功率繞組

1b控制繞組

2不受控閥、二極管

3限流扼流圈

4補償繞組、電壓源

5檢測設備、測量設備

6控制單元

7相位檢測器

8補償電流路徑

9雙箭頭

10飽和電抗器芯

11控制變量

12信號、測量信號路徑

13信號

14控制電路

15切換設備

15'切換設備15的第一切換接觸

15''切換設備15的第二切換接觸

16控制電路14中的變壓器

φdc單向通量分量

ik補償電流。