串联电路中的磁控的电抗器线圈的制作方法

1.本发明涉及一种用于在具有至少一个相导体的高压电网中进行无功功率补偿的设备，高压电网具有至少一个第一高压接头，第一高压接头被设计为用于分别与一个相导体连接，其中，针对每个第一高压接头设置：第一和第二芯区段，其是闭合的磁路的一部分并且布置在罐中；包围第一芯区段的第一高压绕组；和第二高压绕组，其包围第二芯区段并且与第一高压绕组并联连接；至少一个饱和开关支路，其被设计为用于使芯区段饱和并且具有可控的功率半导体开关；和用于控制功率半导体开关的控制单元，其中，第一和第二高压绕组连接至第一高压接头，并且可以与一个或该饱和开关支路连接。


背景技术：

2.这种设备已经由ep 3 168 708a1已知。在那里公开了所谓的“全可变并联电抗器”(full variable shunt reactor，fvsr)。先前已知的设备针对每个相位具有两个彼此并联连接的高压绕组，高压绕组分别包围闭合的铁芯的芯柱，并且在其高压端部上连接至高压电网的相导体。高压绕组的低压侧可以借助晶体管开关要么与适宜地极化的变流器连接，要么直接与地接头连接。变流器被设计为用于在与其连接的高压绕组内产生直流电流。在此将直流电流调节为，使得将由绕组包围的芯柱驱动到期望的饱和状态。在该饱和状态下，芯材料例如具有非常小的磁导率，由此，绕组的磁阻增大并且绕组的电感降低。所述芯区段的饱和是取决于极化的，从而流过绕组的交流电流根据其极化基本上仅流过两个高压绕组中的一个。因此，正的交流电流例如流过第一高压绕组，而负的交流电流经由第二高压绕组流向地。如果仅通过一个高压绕组驱动电流，那么相应另一绕组(其刚好没有被交流电流流过)被加载以直流电流，以便使由其包围的芯柱以期望的程度饱和。
3.先前已知的设备具有以下缺点，即该设备仅可以在并联电路中与供电网的一个或多个相导体连接。在并联连接的设备中，该设备以其一侧连接至相导体的高压电势，其中，背向高压接头的侧处于地电势。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题在于，提供一种开头提到的设备，其可以串联连接到高压电网中，并且此外是低成本的。
5.本发明通过第二高压接头解决所述技术问题，该第二高压接头同样设置用于连接至上述的相导体，并且通过一个或两个饱和开关支路或直接与高压绕组连接，其中，每个饱和支路布置在罐的外部，并且相对于地电势电绝缘地安置。
6.在本发明的范围内，第二接头是高压接头。该第二高压接头同样设置用于与相导体连接，从而整个设备串联连接到相应的相导体。在本发明的范围内，饱和开关支路可以直接(即除了套管以外在没有中间连接另外的部件或构件的情况下)与第二高压接头连接。然而对此替换地，在本发明的范围内也可能的是，另外的部件布置在饱和开关支路和第二高压接头之间的电流路径中。
7.在本发明的范围内，一个或多个饱和开关支路绝缘地安置在罐的外部，并且例如布置在高压平台上，其中，饱和支路利用其功率半导体开关和电力电子器件在运行时可以处于高压电势。这使与罐中的高压绕组的连接变得容易。在布置在高压平台上的部件之间出现电压降、例如在1kv至50kv的中压范围内的电压降。然而，与通常100kv至800kv的高压降相比，可以更低成本地处理该中压降，其中，为此使用的部件由中压技术已知。在本发明的范围内，在高压平台上可以布置另外的部件、例如电容构件等。
8.根据本发明的第一变型方案，第一和第二高压绕组与第一高压接头连接。附加的构件或部件可以布置在第一高压接头和高压绕组之间。
9.然而，在第二高压接头和高压绕组之间没有布置饱和支路。
10.由于每个高压绕组布置在被填充以绝缘流体的罐内，并且每个饱和开关支路布置在罐外，因此具有其电感部件的罐和饱和开关支路的电力电子部件可以彼此独立地制造和运输。除了处于地电势的罐以外，电感部件还包括在运行时处于高压电势的高压绕组，其布置在罐中。液态或气态的绝缘流体用于绝缘和冷却，绝缘流体此外还用于冷却高压绕组。根据该变型方案，不再需要耐高压地安置或绝缘以绝缘方式建于支架上的饱和支路的电力电子器件。在高压平台上，在那里布置的部件的电势仅在1到52kv的范围内不同。因此，与在更高的电压中相比，所述部件可以相互更靠近地安置。这导致更紧凑的设备和更小的成本。
11.有利地，每个饱和开关支路布置在电绝缘地安置的高压平台上。
12.此外在这些变型方案中有利的是，每个饱和开关支路通过至少一个高压套管与一个或多个高压绕组连接。高压套管能够实现将相应的饱和开关支路连接至设备的布置在罐中的部件。
13.将矿物油、酯液等考虑作为绝缘流体。可以在不同的罐中设置不同的绝缘流体。然而优选地，绝缘流体在所有罐中是相同的。与之不同地，绝缘流体也可以实施为保护气体。如果针对高压电网的每个相设置罐，那么例如需要多个罐。
14.有利地，至少一个高压绕组具有中间接头，所述高压绕组通过中间接头连接至一个或该饱和支路。高压绕组的绕组端部在此与第一或第二高压接头连接。
15.根据在这方面适宜的改进，每个高压绕组具有中间接头，该中间接头与一个或该饱和开关支路连接。
16.优选地，每个饱和开关支路具有至少一个双极的子模块，子模块具有桥电路，桥电路具有功率半导体开关和直流电压源，从而根据对功率半导体开关的控制，直流电压源可以要么与至少一个高压绕组串联连接，要么与至少一个高压绕组桥接。由此，在功率半导体开关的适宜的控制中，直流电压源提供所需的电压和直流电流，用以使高压绕组的芯饱和。
17.优选地，每个子模块被构造为全桥电路，全桥电路具有第一串联电路支路和第二串联电路支路，它们分别与直流电压源并联连接。每个串联电路支路具有由两个功率半导体开关构成的串联电路，其中，第一串联电路支路的功率半导体开关之间的电势点与子模块的第一连接端子连接，并且第二串联电路支路的功率半导体开关之间的电势点与子模块的第二连接端子连接。全桥电路能够实现连接端子上的极化反转，而这对于具有仅一个带有两个功率半导体开关的并联支路的所谓的半桥电路来说是不可能的。
18.优选地，每个功率半导体开关是具有反向并联连接的续流二极管的igbt、所谓的gto或晶体管开关。在本发明的范围内有利的是，每个功率半导体开关可以从其断开位置转
换到其接通位置，或者可以相反地转换，在该断开位置中经由功率半导体开关的电流流动是不可能的，在该接通位置中能够实现经由功率半导体开关的电流流动。这种功率半导体开关也被称为可关断的功率半导体开关，如果已采取适当的措施来消除在此形成的能量，那么所述功率半导体开关甚至可以断开流过其的短路电流。
19.优选地，每个直流电压源是能量存储器。有利地，将优选单极的电能存储器考虑作为能量存储器。因此，例如将电容器、超级电容器、超导线圈、蓄电池、超级电容等考虑作为能量存储器。列举的或其他的能量存储器可以单独出现在子模块中，或它们中的多个串联连接。在本发明的范围内，术语“能量存储器”总体上涉及该串联电路。
20.适宜地，能量存储器与用于给能量存储器充电的充电单元连接。优选地，能量存储器可以连接至供电网。这适宜地通过充电单元进行，在本发明的范围内原则上可以任意设计充电单元。然而重要的是，可以通过充电单元从供电网提取能量，并且可以将其存储在能量存储器中。由此，该能量能够实现电流流动，用以使相应的高压绕组饱和。
21.适宜地设置附加绕组，附加绕组与高压绕组电感地耦合，其中，附加绕组与至少一个起电容作用的构件互连。在本发明的范围内，附加绕组与fvsr的高压绕组中的至少一个电感地耦合。在此，附加绕组与起电容作用的构件互连。术语“互连”表示，每个起电容作用的构件以电流方式要么直接要么通过电气构件、例如开关单元与附加绕组中的至少一个连接。因此，电容构件、例如电容器或装备有电容器的“灵活交流传输系统”(flexible ac transmission system，facts)部件、例如“静态同步补偿器”(static synchronous compensator，statcom)可以对无功功率补偿的程度和方向产生影响。fvsr主要用于负载流调节、电流限制或动态滤波。
22.适宜地，电容构件具有电容器或电容器组。
附图说明
23.本发明的另外的适宜的设计方案和优点是随后参考附图对本发明的实施例的描述的内容，其中，相同的附图标记表示起相同作用的构件，并且其中，
24.图1以示意图示出了根据本发明的设备的实施例；
25.图2示出了根据图1的设备的饱和开关支路；
26.图3示出了根据本发明的设备的另外的实施例；
27.图4示出了根据本发明的具有建于支架上的饱和开关支路的设备的另外的实施例；
28.图5示出了根据本发明的设备的另外的实施例；和
29.图6示出了根据本发明的设备的另外的实施例。
具体实施方式
30.图1示出了根据本发明的设备1的实施例，该设备具有以绝缘流体填充的罐2。将矿物油和酯液等考虑作为绝缘流体。在本发明的范围内，气态的绝缘流体也是可能的。
31.绝缘流体一方面相对于处于地电势的罐2为设备1的处于高压电势的构件提供必要的耐压强度。此外，绝缘流体用于冷却在运行时产生热的部件。在图1所示的实施例中，罐被填充以酯液。
32.在罐2的内部布置有芯，芯由可磁化的材料、优选铁磁材料、例如铁构成。为了避免涡流，芯由相互平面贴靠的铁片组合而成。在此，芯形成第一芯柱3和第二芯柱4作为芯区段。
33.第一芯柱3被第一高压绕组5包围。第二芯柱4被第二高压绕组6包围。为了构造出闭合的磁路或铁回路，在附图中未示出的轭从芯柱3的上端部延伸到芯柱4的上端部，并且从芯柱3的下端部延伸到芯柱4的下端部。此外设置两个在附图中同样未示出的回流柱，回流柱没有被绕组包围，并且在右边和左边平行于芯柱3或4地延伸。换言之，提供所谓的2/2芯。
34.第一高压绕组5和第二高压绕组6分别具有绕组端部7，第一高压绕组和第二高压绕组利用绕组端部与高压套管8连接，在运行时处于高压电势的接头导线利用高压套管引导通过罐2的处于地电势的壁。
35.高压套管8在此穿过罐2的壁，并且在其布置在罐2的外部的自由端上装备有露天接头。在附图中未示出的露天接头用于连接空气绝缘的导体40，高压绕组5和6通过该导体与第一高压接头42连接，整个设备1可以通过第一高压接头与高压电网的相导体16连接。针对高压电网的为清楚起见而在此未示出的每个其他的相导体，设备1具有与在图1中示出的结构相同的结构。为清楚起见也未示出这些部件。在本发明的范围内，线缆连接显然也是可能的。
36.在其背向第一高压接头42的端部9上，第一高压绕组5和第二高压绕组6分别与布置在罐2外部的饱和开关支路10或11连接，其中，每个饱和开关支路10、11具有双极的子模块12，子模块利用第一连接端子13与相应的高压绕组5或6连接。子模块12通过其第二连接端子14与第二高压接头44连接。套管8又用于引导高压绕组5、6和饱和开关支路10、11之间的连接导线穿过罐2的壁。在所示的实施例中，第二高压接头44同样与相导体16连接。换言之，所示的根据本发明的设备1利用相导体16串联连接到供电网。
37.在本发明的范围内重要的是，每个饱和开关支路10或11具有双极的子模块12，子模块具有由功率半导体开关20、21、22和23构成的桥电路和直流电压源24，直流电压源优选被构造为单极的，并且因此具有固定的正极和固定的负极。相对于地电势绝缘地安置饱和开关支路10、11。为此使用适宜的绝缘构件、例如绝缘支柱(st
ü
tzer)等。
38.在本发明的范围内，桥电路可以是半桥或全桥。在图1中，每个子模块具有全桥，并且包括四个功率半导体开关20、21、22和23。半桥仅包括所述功率半导体开关中的两个。为了适宜地控制四个功率半导体开关20、21、22和23设置控制单元26，控制单元在输入侧能够被供应以用于电压u
acsoll
、交流电流i
acsoll
和无功功率q
acsoll
的额定值。电流传感器27用于检测从相导体16流到高压绕组的交流电流i
ac
，其中，电压传感器28检测在高压绕组5和6的高压侧下降的电压。电流传感器27和电压传感器28通过在附图中未示出的信号线与控制单元26连接。在高压绕组5或6的另一端部上同样可看到传感器29和30，这些传感器同样通过信号线与控制单元26连接，并且检测在相应的子模块12和相应的高压绕组5或6之间流动的电流。子模块12的功率半导体开关20、21、22和23可以由控制单元26通过适宜的控制信号(通过虚线示出)从断开位置转换到接通位置，或相反地从接通位置转换到断开位置，在该断开位置中断开经由功率半导体开关的电流流动，在该接通位置中经由功率半导体开关的电流流动是可能的。
39.设备1的运行方式如下：如果由电压传感器28检测的电压是正的，那么饱和开关支路10的功率半导体开关22和23闭合。在此假定，芯柱3提前由于从第一饱和开关支路10的子模块12流到高压绕组5的直流电流而饱和，从而对于交流电压的正的半波来说，高压绕组5的交流电阻小于高压绕组6的交流电阻。因此，几乎整个交流电流i
ac
经由用i1表示的电流路径流向第二高压接头44。因此，在交流电压的正的半波中，功率半导体开关21和22闭合，从而饱和开关电路11的直流电压源24驱动从高压绕组6流到第二高压接头44的直流电流。因此，在相导体16中的交流电压的正的半波期间，第二芯柱可以以期望的方式饱和。
40.相反，在由传感器28测量的电压为负的负的半波期间相反地，交流电流i
ac
基本上流过第二高压绕组6，从而通过闭合功率半导体开关20和23并且断开第一饱和开关支路10的子模块12的功率半导体开关21和22产生饱和直流电流，饱和直流电流从子模块12流到第一高压绕组5或相反，并且因此确保芯柱3的期望的饱和。
41.图2更精确地示出了第一和第二饱和开关电路10、11的子模块12的结构。可看到的是，两个饱和开关支路10或11的子模块相同地构建。此外可看到的是，功率半导体开关20、21、22和23包括所谓的igbt 31，续流二极管32与igbt反向并联连接。igbt和续流二极管的结构原则上是已知的，从而在该情况下无需更详细地讨论其作用方式。重要的是，续流二极管32用于通过反向电压来保护igbt。在此，igbt 31和二极管32安置在共同的开关壳体中。igbt 31和续流二极管32在此共同被称为功率半导体开关。
42.每个子模块12被构造为所谓的全桥，并且包括第一串联电路支路32和第二串联电路支路34，它们分别由两个串联连接的功率半导体开关20、21或22、23构成。功率半导体开关20和21之间的电势点与第一连接端子13连接，并且第二串联电路支路34的功率半导体开关22和23之间的电势点与子模块12的连接端子14连接。
43.图3示出了根据本发明的设备1的另外的实施例，该设备部分相应于结合图1示出的实施例。除了在图1中已经描述的构件或元件以外，设备1的在图3中示出的实施例还具有起电容作用的构件，该构件在所示的实施例中实施为电容器35。电容器35与补偿绕组36并联连接，其中，补偿绕组36由两个相互串联连接的子补偿绕组37和38构成。子补偿绕组37与第一高压绕组电感地耦合，并且第二子补偿绕组38与高压绕组6电感地耦合。在此，高压绕组5或6和相应的子补偿绕组37或38相互同中心地布置，其中，它们包围此外未进一步示出的芯的相同的芯区段3或4。在图3中仅示出了针对在那里示出的相的附加绕组36。然而，在罐2中针对其他的相，设置另外的补偿绕组，另外的补偿绕组相同地构建并且以相同的方式与电容器35互连。在此，不同的相的补偿绕组36相互以三角电路连接。通过箭头39a或39b表示该三角电路。此外，在补偿绕组的并联支路(在其中布置有电容器35)中示意性示出了开关49，开关在所示的实施例中包括两个反向并联连接的晶闸管。借助电子开关49可以使电容器35与补偿绕组36并联连接，或抑制起电容作用的构件35的作用。
44.电容器35在图3中示出为单个电容器，其布置在fvsr的罐2的外部。然而，电容器35包括一定数量的相互串联或并联布置的电容器，并且因此也可以被称为电容器组。在此，并联或串联连接的电容器的数量与相应的要求有关，其中可以提高或降低电容作用。
45.电容器或换言之电容器组35和开关49一样布置在fvsr的罐2的外部。与之不同地，布置在共同的罐内自然也是可能的。为了能够实现罐2内的补偿绕组36之间的电连接，又设置适宜的套管8，套管能够使高压线耐压地引导穿过罐2的处于地电势的壁。
46.图4示出了根据本发明的设备1的另外的实施例，该设备具有用于连接相导体16的第一高压接头42和同样设置用于连接相导体16的第二高压接头44。设备因此又串联连接到相导体16。如在图1和图3中示出的实施例那样，饱和开关支路10和11布置在罐2的外部。高压套管8又用于连接饱和开关支路与布置在罐2内的高压绕组5和6，高压套管分别穿过罐2的壁，其中，外部的绝缘体相对于处于地电势的罐2提供必要的耐压强度。
47.在此，饱和开关支路10、11布置在高压平台50上，高压平台具有平坦的承载结构51和两个在外部设有肋的、由非导电的材料制成的绝缘支柱。绝缘支柱52利用一个端部固定地锚定在地面中，并且利用其背向地面的端部与承载板51固定连接。
48.在图4、图5和图6中分别可看到两个绝缘支柱52。然而，在该情况下要指出的是，另外的在附图中未示出的用于对承载结构51进行承载的绝缘支柱是可能的。借助绝缘体或绝缘支柱52可能的是，饱和开关支路10和11处于高压电势。因此，这适用于功率半导体开关的电力电子器件。麻烦的电势隔离变得多余。
49.图5示出了根据本发明的设备的另外的实施例，该设备与图4所示的实施例的不同之处在于，第二高压接头44没有通过星形中性点直接与饱和开关支路10、11连接。而是，第二高压接头44通过套管8直接与布置在罐2内的高压绕组端部9连接。在此，高压绕组5和6分别具有中间接头53，中间接头用于连接布置在平台50上的饱和开关支路10和11。饱和开关支路10和11通过适宜的互连件54相互连接。
50.图6示出了根据本发明的设备的另外的实施例，该设备与图5所示的实施例的不同之处在于，在高压平台50上仅布置一个饱和开关支路，该饱和开关支路与两个高压绕组5、6连接，其中，设置适宜的开关，以便导致芯区段3和4的期望的饱和。