用於對試驗變壓器進行無功功率補償的裝置和方法
2023-08-22 13:08:26
專利名稱：用於對試驗變壓器進行無功功率補償的裝置和方法
技術領域：
本發明涉及一種用於對具有電抗器和發電機的試驗變壓器進行無功功率補償的裝置和方法，其中該發電機用於產生具有可預定的試驗頻率的發電機電流和發電機電壓。
背景技術：
功率變壓器是基於電源和市電網絡運營商針對每種單獨情況分別所要求的功率規範來開發和製造的。在該開發和製造過程的範圍內，功率變壓器應當滿足特定的功率要求，這些特定的功率要求將藉助所謂的試驗裝置來加以檢查和證明。在該製造過程結束時， 功率變壓器將作為試驗變壓器在固定的試驗裝置中就該功率變壓器的功率特徵接受檢查。 在此，例如藉助執行感應出的耐受交流電壓試驗來測試耐壓性。由於國內和國際的規範或標準，試驗裝置必須能夠在大的電功率範圍內檢查試驗變壓器。因此將試驗裝置設計為，使得可以在該試驗裝置內測試最大可能要測試的試驗變壓器。除了對試驗裝置的結構要求之外，為了在不同的試驗頻率和不同的試驗電壓下對試驗變壓器進行試驗還必須通過該試驗裝置提供特定的電功率範圍。在此，對試驗頻率和試驗電壓的選擇應當遵循國際和國內的標準。試驗頻率和試驗電壓影響整個試驗電路以及各個部件的鋪設。在具有低頻率的試驗電壓下，試驗變壓器的電特性是強烈電感的。相反在試驗電壓具有高頻率的情況下，試驗電路中的試驗變壓器的特性是強烈電容的。在此的問題是，在具有試驗變壓器的試驗電路的特定部件具有不同比例時，例如激活的變壓器鐵芯和發電機的質量相對於電路的銅的質量不同時，在試驗的範圍內可能出現非常高的電容或電感幹擾分量，或者在試驗變壓器的特定部件具有太大的不同比例時，甚至可能阻止試驗。傳統地，通過使用非常大的電動機/發電機機組產生必要的、具有可預定的試驗頻率的發電機電壓或發電機電流來克服該問題。對於必要的功率範圍，用於聚集所需要的有功功率和無功功率的該電動機/發電機機組非常大，因此可能不能移動式地使用。此外，固定安裝的、具有中等變壓器以及僅在無壓狀態中可連接的大的電抗器和電容器的試驗裝置是公知的。但在這種情況下，無功功率補償的接通或斷開未經調節地進行，並且在開關級的任何變化之前都要求電動機/發電機機組的關閉或補償裝置的電釋放。該方法是耗費時間的，並且從機械、電和熱方面加重了電動機或發電機機組的負擔。尤其是在供電企業和國家監察機構(Aufsichtstelle)根據處於運行中的功率變壓器的「現場」試驗而提出的要求的背景下，不能使用目前的大的電動機/發電機組。可替換的，可以在相應的整個試驗電路中根據單獨的情況來計算試驗變壓器的電感和電容，並據此提供合適的電容或電感。這必須針對每種試驗情況在所定義的試驗電壓和試驗頻率下單獨進行。該方法非常費事並且不能應用於未給出在該製造方法中特殊確定的功率數據的試驗變壓器。由此DE 40 07 826 C2描述了一種用於運行無功功率調節器的方法，該無功功率調節器藉助在待補償的電網中的變流器依據在待補償的電網內所確定的電容值接通或斷開分級的電容器組的電容器級。此外DE 101 37 615 Al描述了一種用於補償無功功率的方法，其中通過無功能量差調節器藉助待補償設備的當前電網電壓和電網電流來採集無功能量，並且依據必要時確定的對無效功的不足補償或過補償來確定平均無功功率需求以及提供給補償用。同樣DE 36 22 570 Al描述了一種用於交流電壓試驗設備的調節機組，該調節機組由調節變壓器和補償電抗器組成。藉助附加的電容試驗設備，通過適當確定調節變壓器和電抗器的尺寸使得可以藉助該調節機組在試驗變壓器的整個電壓範圍中進行電壓試驗。此外，US5，觀1，908描述了一種具有可變電容的移動試驗裝置，其中可以通過該試驗裝置依據試驗電路或試驗變壓器的測量值來逐漸增加地改變電容。在現有技術的所有解決方案中的問題是，目前利用公知的設備不能在大的電壓和頻率範圍內對功率變壓器進行直接的「現場」試驗。
發明內容
因此本發明的任務是提供用於對試驗變壓器進行無功功率補償的裝置和方法，其中該裝置可以簡單而且在直接靠近作為試驗變壓器的功率變壓器的地方安裝，並且可以快速和簡單地執行「現場」試驗。該任務就用於對試驗變壓器進行無功功率補償的裝置來說是根據權利要求1的特徵來解決的。同樣，該任務就用於對試驗變壓器進行無功功率補償的方法來說是根據權利要求 6來解決的。根據本發明規定，電抗器的電感可調節並且可與分級的電容器組錯接，其中該電抗器和分級的電容器組設置在發電機和試驗變壓器之間，並且基於所確定的試驗電路的電參數而與該試驗變壓器連接為，使得發電機可以在幾乎僅僅只有有功功率的情況下運行。 通過發電機能夠幾乎僅僅以有功功率運行，保證了在試驗電路內存在用於對試驗變壓器進行試驗的最佳工作點。由此用於產生具有可預定的試驗頻率的發電機電壓或發電機電流的發電機的功率、電抗器的功率以及分級的電容器組的功率可以被保持得很小，並且通過這樣進行的部件大小的減小而使得可以將該裝置直接在待試驗的功率變壓器的現場使用。優選的，電抗器被構成為，使得藉助活動鐵芯原理可以在繞組內無級地調節鐵芯， 並由由此可以無級地調節電感。分級的電容器組允許在有負載的情況下也能接通或斷開相應的電容器級，從而不需要像現有技術所需要的那樣中斷試驗運行以改變電容補償級。有利的是，確定發電機電壓和發電機電流之間的相位角cos (Φ)，並且由此確定和調節用於分級的電容器組和/或可調電抗器的調節參數。位於發電機電壓和發電機電流之間的相位角COS(C5)是對試驗電路內的無效功程度的度量。利用在發電機電壓和發電機電流之間的相應相位角COS(O)的確定以及通過分級的電容器組和可調電抗器對該相位角的相應補償，發電機可以在幾乎僅僅只有有功功率的情況下運行。在使用匹配變壓器來將發電機電壓和發電機電流變換到用於試驗變壓器的試驗電壓和試驗電流的情況下，替換或附加地可以直接在試驗變壓器之前(在考慮整個試驗電路的情況下)確定試驗電壓和試驗電流之間的相位角COS (Φ)，並將該相位角用於確定試驗電路中必要的無功功率補償。有利的是，控制裝置依據發電機電壓/發電機電流和/或試驗電壓/試驗電流之間的相位角COS(O)，直接在具有可預定的試驗頻率的試驗變壓器之前確定分級的電容器組和/或可調電抗器的調節參數，並且在分級的電容器組和/或可調電抗器上調節出由此確定的調節參數。 有利的是，驅動發電機所需要的電動機被調節到所要求的轉數作為試驗頻率的等效。藉助功率開關，在所出現的轉數時匹配變壓器被作為試驗電路的一部分而連接。該匹配變壓器用於將通過發電機產生的發電機電壓/發電機電流轉換為在試驗變壓器上需要施加的試驗電壓/試驗電流。在電動機出現所要求的轉數時，通過閉合在匹配變壓器的輸入端上的功率開關而同時接通和緩慢加速發電機激勵。在發電機的該加速過程中，連續地確定發電機電壓和發電機電流或位於發電機電壓和發電機電流之間的相位角，並由此推導出用於可調電抗器和分級的電容器組的調節參數。附加的，可以直接在試驗變壓器之前確定試驗電壓和試驗電流之間的相位角。有利的是，在功率開關閉合的情況下電動機可調節， 並且被調節到所要求的轉數作為試驗頻率的等效。 根據本發明，規定一種用於對具有電抗器、電容器組和發電機的試驗變壓器進行無功功率補償的方法，使得電動機的必要的轉數被確定為試驗頻率的等效，並為此可以接通相應的發電機。確定在閉合的試驗電路產生的發電機電壓和發電機電流之間的相位角COS(O)， 並且基於相應的試驗電路的測量參數，調節可調電抗器的電感和/或分級的電容器組的電容，使得發電機在試驗電路閉合的情況下在幾乎僅僅只有有功功率的情況下運行。有利的是，在試驗電路中對試驗變壓器進行電容補償的情況下規定，在達到在發電機電流和發電機電壓之間和/或在直接於試驗變壓器前確定的試驗電壓和試驗電流之間的相位角cos(c5)的極限值之前不接通電容。在達到COS(O)的可預定的極限值時，才在提高發電機電壓的過程中逐步地接通分級的電容器組的電容器級，直到達到預定的發電機電壓或試驗電壓為止。有利的是，在損耗因數COS(O) =0.7時接通電容補償。電容器組的級數不是剛性預定的，而是根據在第一級或每下一級接通之後損耗因數的變化過程來給出的。在此，相應的損耗因數被確定為接通一個電容器級之前和之後的相位角COS (Φ)，並估計是否需要接通其它電容器級。在達到作為相位角COS(O) 1的損耗因數或達到COS(O) 0.9的電容的損耗因數時，不接通其它的電容器級，而是繼續加速發電機激勵。因此整個過程一直重複，直到發電機電壓或在使用匹配變壓器時的試驗電壓施加在試驗變壓器上為止。如果在接通最大的電容補償功率之後仍然未達到發電機電壓或試驗電壓，則該系統可以進一步提高激勵，但是要在達到相位角COS(O) ^ 0. 6的最大穩定極限之前。有利的是，電感補償通過調節可調電抗器以及斷開分級的電容器組來進行。由於在試驗電路的電容特性時(主要在頻率高於80Hz的情況下)不需要電容補償，因此電容補償完全由試驗電路接納。與電容補償相反，電感補償可以藉助可調電抗器尤其是根據活動鐵芯原理無級地調節。就這點而言在接通對發電機的激勵之後，將損耗因數連續地計算為相位角 COS (Φ)，並且確定當前相位角COS(O)和預定相位角COS(O)的額定值與實際值比較。在調節過程的範圍內，控制該結構的可調電抗器，使得依據相位角COS(O)就所確定的無功功率來跟蹤電感。這要一直進行下去，直到達到發電機電壓或試驗電壓或者在試驗電路中出現最大可接通的電感為止。發電機電壓的提高以與活動鐵芯的跟蹤相匹配的速度進行。 從而實現對無功功率的電感補償的連續調節。如果發電機電壓或試驗電壓在接通最大電感之後還未出現，則可以進一步加速該激勵，但是要最大在相位角COS(O) 0.6之前。作為設備的穩定限制應當不低於該值。有利的是，在本方法的範圍內，根據所確定的發電機電壓/發電機電流之間或試驗電壓/試驗電流之間的相位角，藉助可編程控制器確定或者通過可編程控制器控制可調電抗器和/或分級的電容器組的調節參數。為了改善對在試驗電路中佔主導的電狀態的確定，在試驗電路中設置尤其是用於確定發電機電壓和發電機電流之間的相位角COS(O)和 /或用於確定試驗電壓和試驗電流之間的相位角COS(O)的測量換能器。
其它有利的構成在從屬權利要求中找到。附圖中圖1示出了具有3個分級的電容器組和1個可調電抗器的試驗電路的接線圖；圖2示出了由兩個分級的電容器組和3個可調電抗器組成的補償電路的接線圖；圖3示出了具有測量換能器和分析單元的試驗電路的接線圖。
具體實施例方式圖1示出該有利裝置的通用接線圖。藉助主開關9將試驗電路連接到外部電源， 尤其是400V、1500A的交流電源。藉助變流器或變頻器10，將三相交流電壓轉換為用於電動機5的直流電壓。該電動機用於驅動發電機6，該發電機6直接產生具有可預定的試驗頻率的相應的發電機電壓，或者如果相應的發電機電壓不足，則藉助匹配變壓器8將該發電機電壓轉換為試驗電壓。可調電抗器加在圖1所示的示例中與試驗電路11中的3個電容器級3a，3b，3c連接。藉助功率開關7，可以在發電機6所出現的轉數下以及由此作為被激勵到試驗頻率的發電機電壓的等效而閉合開關7，並由此同樣閉合試驗電路11。然後通過特殊的測量電路4，可以測量在試驗變壓器1上施加的、試驗電壓和試驗電流之間的相位角 cos (Φ)，並且藉助分析裝置13顯示該相位角。圖2示出具有3個可調電抗器加，2b，2c和兩個分級的電容器組3a，3b的補償電路的連線圖。依據發電機電壓和發電機電流之間或試驗電壓和試驗電流之間的相位角 C0S(O)，可以簡單地而且在試驗運行運轉期間提供必要的電容補償或電感補償。在此，藉助可調電抗器2a，2b，2c，尤其是通過根據活動鐵芯原理的電抗器來保證電感補償。依據分級的電容器組3a，3b的各個電容器級的電容大小，還可以藉助分級的電容器組3a，3b以逐漸增加的小間隔來提供電容補償。圖3示出具有設置在試驗電路11的不同位置上的測量接收器和所連接的量測換能器1 至Hm的示意性接線圖。尤其是在試驗變壓器1前，設置測量換能器Hm來用於確定試驗電壓和試驗電流之間的相位角，以及在匹配變壓器8前設置測量換能器14k來用於確定發電機電壓和發電機電流。此外，直接在發電機6後連接具有相應的測量換能器14b 的測量接收器，該測量換能器14b確定在直接靠近發電的發電機6的地方發電機電壓和發電機電流之間的相位角cos(c5)。所獲得的量測換能器14a至Hm的測量值被傳送給分析裝置13並藉助控制裝置9未示出)用於調節試驗電路11的相應部件的調節值。
在使用自動控制的情況下結合可調電抗器2a，2b，2c和分級的電容器組3a，3b，3c 使得可以幾乎在發電機6的有功功率工作點(相位角COS(O) ^ 1)實現試驗電路11的發電機6的運行。通過藉助自動調節來優化補償，發電機6幾乎不需要籌集無功功率。由此相應發電機6的功率以及必要的結構大小可以與實際需要的有功功率匹配，而且不再與整個試驗電路11的無功功率需求匹配。藉助對無功功率的自動補償，產生了使用與目前的設備相比小的發電機或電動機/發電機組的可能性。根據本發明的自動無功功率補償的另一個優點在於將補償元件設置為發電機6 與匹配變壓器8之間的可調電抗器2a，2b，2c和分級的電容器組3a，3b，3c。由此正好不將試驗電路11的高壓側用於設置可調電抗器h，2b，2c和分級的電容器組3a，3b，3c形式的補償元件。因此，作為可調電抗器加，2b，2c和分級的電容器組3a，3b，3c的補償元件的測定電壓與發電機6的測定電壓一致，這有助於減小試驗電路11的全部部件的結構大小和測定功率。由此能以更小的結構設計來提供試驗電路11的所有部件，尤其是發電機6、可調電抗器2a，2b，2c、分級的電容器組3a，3b，3c以及匹配變壓器8。該試驗電路的部件在這種情況下具有這樣的大小，即這些部件可以安放在標準運輸容器中並在標準運輸容器中移動。例如，在第一容器中試驗電路11的電源可以按照主功率開關9、變頻器或變流器10、電動機5以及發電機6的形式設置。在第二容器中，匹配變壓器8可以直接集成在待試驗的變壓器1之前。在第三容器中，補償元件可以按照可調電抗器2a，2b，2c和分級的電容器組3a，3b，3c的形式設置。通過藉助基於存儲器的控制器來自動進行補償，使得可以只由一個操作人員來執行變壓器試驗。基於安全限制的預定，尤其是不超過或不低於相位角的預定，優選基於發電機電壓和發電機電流之間或者試驗電壓和試驗電流之間的相位角C0S(O) ^ 0. 6，可以在穩定的運行狀態內執行對試驗變壓器1的試驗。附圖標記清單
1試驗變壓器
2a,2b,2c可調電抗器
3a,3b,3c分級的電容器組
4試驗變壓器的測量電路
5電動機
6發電機
7試驗電路的功率開關
8匹配變壓器
9裝置的功率開關
10變換器
11試驗電路
12a,12b,12c開關
13分析裝置
14a 至 14m測量換能器
權利要求
1.一種用於對具有電抗器Oa，2b，2c)和發電機(6)的試驗變壓器(1)進行無功功率補償的裝置，其中，該發電機(6)用於產生具有可預定的試驗頻率的發電機電流和發電機電壓，其特徵在於，電抗器Oa，2b，2c)的電感可調節並且能與分級的電容器組(3a，;3b，3C) 錯接，其中，該可調的電抗器Oa，2b，2c)和分級的電容器組(3a，;3b，3C)設置在發電機(6) 和試驗變壓器(1)之間並且基於所確定的試驗電路(11)的電參數而與該試驗變壓器(1) 連接為，使得發電機(6)能在幾乎僅僅只有有功功率的情況下運行。
2.根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於，確定發電機電壓和發電機電流之間的相位角C0S(O)，並且能根據該相位角確定和調節用於分級的電容器組(3a，;3b，3C)和/或可調電抗器Oa，2b，2c)的調節參數。
3.根據權利要求2所述的裝置，其特徵在於，控制裝置依據發電機電壓/發電機電流之間和/或試驗電壓/試驗電流之間的相位角C0S(O),直接在具有可預定的試驗頻率的試驗變壓器(1)之前確定和調節分級的電容器組(3a，;3b，3C)和/或可調電抗器Oa，2b，2c) 的調節參數。
4.根據權利要求1至3之一所述的裝置，其特徵在於，電動機(5)能被調節到所要求的轉數作為試驗頻率的等效，以及藉助功率開關(7)在所出現的轉數時通過發電機(6)與作為試驗電路(11)的一部分的匹配變壓器(8)連接。
5.根據權利要求4所述的裝置，其特徵在於，在功率開關(7)閉合的情況下能接通所述發電機(6)，並且該發電機(6)能被調節到所要求的轉數作為試驗頻率的等效。
6.一種用於對具有電抗器0a，2b，2c)和發電機(6)的試驗變壓器(1)進行無功功率補償的方法，其中，該發電機(6)用於產生具有可預定的試驗頻率的發電機電流和發電機電壓，具有以下步驟a)確定電動機(5)的必要的轉數作為試驗頻率的等效；b)將發電機(6)連接到電動機(5)；c)確定在施加於試驗變壓器(1)上的試驗電壓和試驗電流之間的相位角COS(O)；d)依據所確定的具有試驗變壓器(1)的試驗電路(11)的電測量參數，調節可調電抗器Oa，2b，2c)的電感和分級的電容器組(3a，;3b，3C)的電容，使得發電機(6)在試驗電路 (11)閉合的情況下在幾乎僅僅只有有功功率的情況下運行。
7.根據權利要求6所述的方法，其特徵在於，在試驗電路(11)中對試驗變壓器(1)進行電容補償，使得在達到在發電機電壓/發電機電流之間和/或在直接於試驗變壓器(1) 前確定的試驗電壓/試驗電流之間的相位角C0S(O)的極限值之前不接通電容，以及在達到該可預定的極限值時才接通分級電容器組的(3a，;3b，3C)電容器級，並在提高發電機電壓的過程中逐步地接通直到達到預定的試驗電壓為止。
8.根據權利要求6所述的方法，其特徵在於，電感補償在斷開分級的電容器組(3a，3b， 3c)的情況下通過調節可調電抗器Oa，2b，2c)來進行。
9.根據權利要求6至8之一所述的方法，其特徵在於，根據所確定的發電機電壓和發電機電流之間的相位角C0S(O)或根據所確定的試驗電壓和試驗電流之間的相位角 cos(O)，可編程控制器確定電抗器Oa，2b，2c)和/或分級的電容器組(3a，;3b，3C)的調節參數。
10.根據權利要求6至9之一所述的方法，其特徵在於，藉助設置在試驗電路(11)中的測量換能器(Ha-Hm)確定發電機電壓和發電機電流之間的相位角Cos(O)或試驗電壓和試驗電流之間的相位角(Χ)8(Φ)。
全文摘要
本發明涉及一種用於對具有電抗器、分級的電容器組以及發電機的試驗變壓器進行無功功率補償的裝置和方法，其中該發電機用於產生具有可預定的試驗頻率的發電機電流和發電機電壓。根據本發明規定，電抗器的電感可調節並且能與分級的電容器組相互錯接，使得發電機能在幾乎僅僅只有有功功率的情況下運行。由此在試驗電路內，發電機幾乎總在最佳的工作點附近被調節以用於對試驗變壓器進行試驗，並且不需要大於必要的尺寸。由此發電機的功率可被最佳地用於產生發電機電壓，並且通過這樣進行的、對試驗電路的主要部件的部件大小的減小使得可以將整個裝置移動式地用於現場對待試驗的功率變壓器進行試驗。
文檔編號H01F27/42GK102187543SQ200880131602
公開日2011年9月14日 申請日期2008年10月20日 優先權日2008年10月20日
發明者簡-雷納.莫肯豪普特 申請人:西門子公司