DE10028295C1

DE10028295C1 - Tap changer

Info

Publication number: DE10028295C1
Application number: DE10028295A
Authority: DE
Inventors: Hans-Henning Lessmann-Mieske
Original assignee: Maschinenfabrik Reinhausen GmbH; Maschinenfabrik Reinhausen Gebrueder Scheubeck GmbH and Co KG
Current assignee: Maschinenfabrik Reinhausen GmbH; Maschinenfabrik Reinhausen Gebrueder Scheubeck GmbH and Co KG
Priority date: 2000-06-07
Filing date: 2000-06-07
Publication date: 2001-08-16
Anticipated expiration: 2020-06-08

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Stufenschalter zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen verschiedenen Wicklungsanzapfungen eines Regeltransformators, bestehend aus einem Stufenwähler zur leistungslosen Vorwahl und einem Lastumschalter zur eigentlichen unterbrechungslosen Umschaltung unter Last. Nach der Erfindung weist der Lastumschalter als Schaltelement mindestens eine Diamantmembran auf, die mittels aktivierbarer Elektronenstrahlen gezielt partiell in einen leitfähigen Zustand versetzt werden kann.The invention relates to a tap changer for uninterrupted switching between different winding taps of a control transformer, consisting of a tap selector for powerless preselection and a diverter switch for the actual uninterrupted switching under load. According to the invention, the diverter switch has at least one diamond membrane as the switching element, which can be selectively brought into a conductive state by means of activatable electron beams.

Description

Stufenschalter dienen zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen verschiedenen Wicklungsanzapfungen eines Stufentransformators und damit zur Spannungsregelung. Sie bestehen aus einem Stufenwähler zur leistungslosen Vorwahl der jeweiligen Wicklungsanzapfung, auf die umgeschaltet werden soll, und einem Lastumschalter zur eigentlichen unterbrechungslosen Umschaltung unter Last von der bisherigen auf die vorab angewählte neue Wicklungsanzapfung und sind seit vielen Jahren in den vielfältigsten Ausführungsformen bekannter Stand der Technik.Step switches are used for uninterrupted switching between different Winding taps of a step transformer and thus for voltage regulation. they consist of a step selector for powerless pre-selection of the respective winding tap, to which the switch is made and a diverter switch for the actual uninterrupted switching under load from the previous to the pre-selected new winding tap and have been in the for many years most diverse embodiments of known prior art.

Bereits im Jahre 1929 wurde das bahnbrechende Prinzip der Widerstandsschnellschaltung in dem deutschen Reichspatent Nr. 474 613 beschrieben. Dieses Reichspatent ist als "Jansen-Patent" weltweit bekannt geworden und beinhaltet das bis heute unverändert gebliebene Funktionsprinzip, nach dem noch immer fast alle Stufenschalter dieser Welt arbeiten. Bei allen im Laufe der Jahre vorgenommenen Veränderungen und Verbesserungen an Stufenschaltern ist es, sieht man einmal von den in den USA und teilweise auf dem Gebiet der ehemaligen Sowjetunion gebräuchlichen sog. Reaktorschaltern ab, beim kurzzeitigen Einschalten von einem oder von mehreren Überschaltwiderständen während der eigentlichen Lastumschaltung zwischen zwei Wicklungsanzapfungen geblieben. Daran hat sich auch nichts dadurch geändert, dass in den letzten Jahren die mechanischen Schaltkontakte, d. h. Ölschaltstrecken, im Lastumschalter von Stufenschaltern zunehmend von Thyristoren oder auch Vakuumschaltzellen verdrängt werden.As early as 1929, the groundbreaking principle of high-speed resistance switching in the German patent no. 474 613. This Reich patent is a "Jansen patent" worldwide became known and includes the functional principle that has remained unchanged to this day, according to the almost all tap changers in the world always work. All of those made over the years It is changes and improvements to tap changers, one sees from those in the USA and partially in the area of the former Soviet Union brief switching on of one or more switching resistors during the actual Load switching remained between two winding taps. This has nothing to do with it changed that in recent years the mechanical switch contacts, i.e. H. Oil switching distances, in Diverter switches from tap changers increasingly from thyristors or vacuum switching cells to be ousted.

Ein Stufenschalter mit einem antiparallel geschalteten Thyristorpaar als Schaftelement im Lastumschalter ist beispielsweise aus dem EP 375 687 bekannt. Bei der Verwendung von Thyristoren treten jedoch zusätzliche Probleme gegenüber der Verwendung mechanischer Schaltstrecken auf. Beispielsweise ist die Erzeugung der Zündspannung für die Thyristoren nicht unproblematisch; es muss sichergestellt werden, dass auch nach Spannungsausfällen der Stufenschalter einen definierten Betriebszustand einnimmt. Zudem sind auch bei solchen Lastumschaltern noch mechanische Kontakte, etwa als Dauerhauptkontakte zur Dauerstromführung im stationären Zustand und damit Entlastung der Thyristoren, erforderlich.A tap changer with an anti-parallel pair of thyristors as a shaft element in the diverter switch is known for example from EP 375 687. However, when using thyristors occur additional problems compared to the use of mechanical switching paths. For example the generation of the ignition voltage for the thyristors is not without problems; it must be ensured that the tap changer has a defined operating status even after a power failure occupies. In addition, even with such diverter switches there are still mechanical contacts, such as Permanent main contacts for continuous current flow in the steady state and thus relieve the Thyristors, required.

Ein Stufenschalter mit Vakuumschaltzellen als Schaltelementen ist beispielsweise aus der WO 95/24724 bekannt. Vakuumschaltzellen stellen jedoch besondere Anforderungen an den Betätigungsmechanismus, ferner sind in vielen Fällen Vorkehrungen erforderlich, um auch bei einem eventuellen Ausfall solcher Vakuumschaltzellen die Funktionssicherheit des Stufenschalters beizubehalten, etwa durch mechanische Notschaltstrecken.A tap changer with vacuum switching cells as switching elements is for example from WO 95/24724 known. Vacuum switch cells, however, place special demands on the actuation mechanism, In addition, in many cases, precautions are required in order to prevent such a failure Vacuum switch cells to maintain the functional reliability of the tap changer, for example through mechanical ones Emergency switching routes.

Schließlich sind auch bereits vollstatische Stufenschalter bekannt geworden, die auf bewegliche Schaltelemente und auch auf Überschaltwiderstände ganz verzichten; ein solcher Stufenschalter ist beispielsweise in der WO 95/27931 beschrieben. Solche vollstatische Stufenschalter sind jedoch bislang zu teuer, groß und aufwendig und haben sich kommerziell nicht durchsetzen können.Finally, fully static tap changers have already become known, which are based on movable Switching elements and also completely omitted from switching resistors; is such a tap changer described for example in WO 95/27931. Such fully static tap changers have so far been used too expensive, large and complex and have not been able to establish themselves commercially.

Insgesamt ergibt sich aus dem bekannten Stand der Technik, dass die jeweiligen an der unterbrechungslosen Lastumschaltung zwischen den einzelnen Wicklungsanzapfungen beteiligten Schaltelemente der quasi "neuralgische Punkt" bei einem Lastumschalter eines Stufenschalters sind. Sie sollen einerseits schnell arbeiten, zudem möglichst verschleißfrei bleiben, insbesondere nicht durch Abbrand und Lichtbögen in Öl zu einer Verschmutzung des umgebenden Isoliermediums führen, sowie standfest sein, um die Inspektionskosten gering zu halten, dabei aber auch noch eine möglichst hohe Schaltleistung besitzen. In Verbindung mit der schnellen Umschaltung unter Last erfordern sie zudem, wie bereits erläutert, üblicherweise mindestens einen kurzzeitig einschaltbaren Überschaltwiderstand zur Begrenzung des jeweiligen Kreisstromes. Der entsprechende Überschaltwiderstand seinerseits benötigt zusätzlichen Platz, erwärmt sich im Betrieb und macht in vielen Fällen eine separate Kühleinrichtung erforderlich.Overall, it is apparent from the known prior art that the respective at the uninterrupted load switching between the individual winding taps involved Switching elements are the quasi "critical point" in a diverter switch of a tap changer. she On the one hand, they should work quickly, and they should remain as wear-free as possible, especially not through Burning and arcing in oil lead to contamination of the surrounding insulation medium, as well be stable in order to keep the inspection costs low, but also as high as possible Have switching capacity. In connection with the fast switching under load, they also require As already explained, usually at least one short-time switching resistor can be switched on Limitation of the respective circuit current. The corresponding contact resistance is required additional space, heats up during operation and in many cases makes a separate cooling device required.

Aufgabe der Erfindung ist es demnach, einen neuartigen Stufenschalter mit einem Lastumschalter anzugeben, der diese Nachteile nicht aufweist, insbesondere ohne Überschaltwiderstände arbeitet, dabei einfach aufgebaut, verschleißfest und elektrisch, mechanisch und thermisch hoch belastbar ist.The object of the invention is therefore to provide a novel tap changer with a diverter switch specify that does not have these disadvantages, in particular works without switching resistors, thereby is simply constructed, wear-resistant and can withstand high electrical, mechanical and thermal loads.

Diese Aufgabe wird durch Stufenschalter gemäß den nebengeordneten Patentansprüchen 1 und 2 gelöst.This object is achieved by tap changers according to the independent claims 1 and 2.

Die allgemeine erfinderische Idee liegt dabei in der Anwendung für einfache Ein- bzw. Ausschalter per se bekannter synthetischer Diamantmembranen oder -schichten als Schaltelemente, die mittels beschleunigter Elektronen, Photonen im UV-Bereich oder ionisierender Strahlung aktivierbar, d. h. in den leitenden Zustand versetzbar sind. Dieser leitende Zustand wird dabei dadurch erreicht, dass mittels der aufgeführten Strahlungsarten Elektronen-Loch-Paare generiert werden.The general inventive idea lies in the application for simple on and off switches per se known synthetic diamond membranes or layers as switching elements, which by means of accelerated electrons, UV photons or ionizing radiation can be activated, d. H. in the conductive state can be moved. This conductive state is achieved in that the Radiation types listed electron-hole pairs are generated.

Ein solches Schaltelement auf der Basis einer Schaltmembran aus synthetischem Diamantwerkstoff ist aus der WO99/62122 bekannt. Dort ist ein Schaltelement beschrieben, das, sich gegenüberliegend, zwei Kontaktbereiche aufweist, zwischen denen eine künstliche Diamantschicht angeordnet ist. Durch freie Ladungsträger erfolgt wahlweise eine Aktivierung der Diamantschicht, worauf diese leitend wird und eine elektrische Verbindung zwischen den Kontaktbereichen hergestellt wird. Es ist also mit diesem Schaltelement eine Umschaltung zwischen einem leitenden und einem nicht leitenden Zustand der Diamantschicht möglich; die gesamte Anordnung stellt einen üblichen, eine elektrische Verbindung unterbrechenden, Schalter dar.Such a switching element based on a switching membrane made of synthetic diamond material is known from WO99 / 62122. There is a switching element described, the, opposite, two Has contact areas between which an artificial diamond layer is arranged. By free Charge carriers optionally activate the diamond layer, whereupon it becomes conductive and one electrical connection between the contact areas is established. So it's with this Switching element a switch between a conductive and a non-conductive state of the Diamond layer possible; the whole arrangement represents a usual, an electrical connection interrupting switch.

Ein weiteres Schaltelement dieser Art ist aus der WO99/67798 bekannt. Auch dort ist ein elektrischer Schalter mit einer synthetischen Diamantschicht beschrieben, die durch eine Vielzahl in dieser Veröffentlichung im Einzelnen genannter unterschiedlichster Partikel und Strahlungen aktivierbar sein soll. Dieser WO-Schrift ist außerdem auch noch ein möglicher konstruktiver Aufbau einer solchen Schaltvorrichtung zu entnehmen. Dabei befinden sich in einem Vakuumgefäß eine Kathode, ein Steuergitter und die erforderliche Fokussiereinrichtung. Die eigentliche Diamantmembran ist im unteren Teil des Schaltgehäuses angeordnet. Auch dabei handelt es sich um einen üblichen Schalter, der eine elektrische Verbindung unterbrechen oder, nach Aktivierung, wiederherstellen kann.Another switching element of this type is known from WO99 / 67798. There is also an electric one there Switches with a synthetic diamond layer described by a variety in this Publication of various particles and radiation mentioned in detail can be activated should. This WO document is also a possible constructive structure of such To remove switching device. A cathode is located in a vacuum vessel Control grid and the required focusing device. The actual diamond membrane is in the bottom Part of the switch housing arranged. This is also a common switch, the one can interrupt the electrical connection or, after activation, restore it.

Die Weiterbildung solcher gattungsgemäßer Diamant-Schaltelemente für ihre Anwendung in einem Lastumschalter eines Stufenschalters, bei dem es nicht um ein einfaches Ein- oder Ausschalten eines Stromkreises, sondern, wie oben dargelegt, um die unterbrechungslose Umschaltung zwischen verschiedenen Wicklungsanzapfungen unter Last geht, einen komplexen Schaltvorgang also, ist durch diese bekannten Veröffentlichungen jedoch nicht nahegelegt.The further development of such generic diamond switching elements for their application in one Diverter switch of a tap changer, which is not a simple switch on or off Circuit, but, as stated above, to switch seamlessly between different winding taps under load, a complex switching process is over however, these known publications do not suggest.

Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Stufenschalters ist zunächst einmal das unproblematische Verhalten auch bei hohen Temperaturen, zudem besitzt er eine wesentlich höhere Sperrfähigkeit. Das bedeutet, dass die bei Stufenschaltern üblichen maximalen Stufenspannungen von etwa 5000 V ohne etwa erforderliche Reihenschaltung von Schaltelementen zuverlässig beherrschbar sind.A particular advantage of the tap changer according to the invention is that unproblematic behavior even at high temperatures, it also has a much higher one Lockability. This means that the maximum step voltages of about 5000 V can be reliably controlled without any necessary series connection of switching elements are.

Die Erfindung soll nachfolgend an Hand von Zeichnungen beispielhaft noch näher erläutert werden. Die Figuren zeigen:The invention will be explained in more detail below with reference to drawings. The Figures show:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform der Erfindung mit einer einzigen Elektronenquelle in schematischer Darstellung gemäß Patentanspruch 1, Fig. 1 shows a first embodiment of the invention having a single electron source in a schematic representation according to claim 1,

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform mit zwei separaten Elektronenquellen ebenfalls in schematischer Darstellung gemäß Patentanspruch 2. Fig. 2 shows a second embodiment with two separate electron sources also in a schematic representation according to claim 2.

Zunächst soll die in Fig. 1 dargestellte erste Ausführungsform erläutert werden. In der Figur nur angedeutet ist ein bekannter Stufenwähler W des Stufenschalters zur leistungslosen Vorwahl der jeweiligen Wicklungsanzapfung einer Regelwicklung 1 eines Stufentransformators, auf die umgeschaltet werden soll. Der Stufenwähler W weist dabei auf bekannte Weise zwei bewegliche Wählerkontakte 2, 3 auf, die mit den beiden Seiten A und B des Lastumschalters LU elektrisch in Verbindung stehen. Der erfindungsgemäße Lastumschalter LU ist vollständig in einem vakuumfesten Gehäuse G angeordnet. Er weist im Inneren des Gehäuses G eine Diamantmembran 4 auf. An deren Unterseite sind, elektrisch voneinander isoliert, zwei Elektroden 5, 6 vorgesehen, die die Lastumschalterseiten A, B darstellen. Auf der gegenüberliegenden Seite der Diamantmembran 4 sind, dazu jeweils korrespondierend, zwei weitere Elektroden 7, 8 angeordnet, die beide mit einer räumlich zwischen ihnen angeordneten und nach außen führenden Lastableitung 9 elektrisch in Verbindung stehen. Diese weiteren Elektroden 7, 8 sind gitterförmig ausgebildet, so dass sie die Oberfläche der Diamantmembran 4 nur partiell bedecken. Der Sternpunkt ist mit Y bezeichnet. Die Diamantmembran 4 ist auf einer Isolierplatte 10 angeordnet; seitlich der Diamantmembran 4 erstrecken sich senkrecht zu dieser Isolierbarrieren 11, 12 nach oben. Oberhalb der Diamantmembran 4, räumlich in deren senkrechter Mittelachse angeordnet, ist eine Elektronenquelle 13 vorgesehen. Zwischen dieser Elektronenquelle 13 und der Diamantmembran 4 befinden sich ein Beschleunigungsgitter 14, eine Blende 15 mit einer korrespondierenden Leiteinrichtung 16 und zwei Ablenkspulen 17, 18. Schließlich ist noch eine aus Blech bestehende Fokussiereinrichtung 19 vorgesehen, die den von der Elektronenquelle 13 erzeugten Elektronenstrahl so einschließt, dass er nur auf bestimmte Bereiche der Oberfläche der Diamantmembran 4, nämlich gerade auf diejenigen Bereiche, in denen sich die beiden gitterförmigen Elektroden 7, 8 befinden, treffen kann.First, the first embodiment shown in Fig. 1 will be explained. The figure only indicates a known tap selector W of the tap changer for the powerless preselection of the respective winding tap of a control winding 1 of a tap transformer, to be switched over to. The tap selector W has in a known manner two movable selector contacts 2 , 3 , which are electrically connected to the two sides A and B of the diverter switch LU. The diverter switch LU according to the invention is completely arranged in a vacuum-proof housing G. It has a diamond membrane 4 in the interior of the housing G. On the underside, electrically isolated from one another, two electrodes 5 , 6 are provided, which represent the diverter switch sides A, B. On the opposite side of the diamond membrane 4 , two further electrodes 7 , 8 are arranged, each corresponding to this, both of which are electrically connected to a load lead 9 which is arranged spatially between them and leads to the outside. These further electrodes 7 , 8 are designed in the form of a grid, so that they only partially cover the surface of the diamond membrane 4 . The star point is labeled Y. The diamond membrane 4 is arranged on an insulating plate 10 ; to the side of the diamond membrane 4 extend perpendicular to this insulating barrier 11 , 12 upwards. An electron source 13 is provided above the diamond membrane 4 , spatially arranged in its vertical central axis. An acceleration grid 14 , an aperture 15 with a corresponding guide device 16 and two deflection coils 17 , 18 are located between this electron source 13 and the diamond membrane 4 . Finally, a focusing device 19 made of sheet metal is provided, which encloses the electron beam generated by the electron source 13 in such a way that it only applies to certain areas of the surface of the diamond membrane 4 , namely precisely to those areas in which the two grid-shaped electrodes 7 , 8 are located can find, meet.

Die Wirkungsweise dieses Stufenschalters, wie er in Fig. 1 dargestellt ist, ist folgende: Der Stufenwähler W ist in bekannter Weise mit einem Wählerkontakt 2 auf einer der Anzapfungen der Regelwicklung 1 aufgeschaltet und hat mit dem Wählerkontakt 3 die Anzapfung für die nächste Lastumschaltung vorgewählt. Infolgedessen wird der Elektronenstrahl der Elektronenquelle 13 durch die gitterförmige Elektrode 7 auf die Diamantmembran 4 der Seite A gelenkt, um einen leitfähigen Zustand der Seite A und somit eine elektrische Verbindung zwischen dem Wählerkontakt 2 und dem Sternpunkt Y bzw. der Lastableitung 9 zu erreichen.The mode of operation of this tap changer, as shown in FIG. 1, is as follows: The tap selector W is connected in a known manner with a selector contact 2 to one of the taps of the control winding 1 and has preselected the tap for the next load changeover with the selector contact 3 . As a result, the electron beam of the electron source 13 is directed through the grid-shaped electrode 7 onto the diamond membrane 4 of the side A in order to achieve a conductive state of the side A and thus an electrical connection between the selector contact 2 and the star point Y or the load lead 9 .

Soll nun eine Umschaltung von Seite A nach Seite B bzw. von einer Anzapfung auf die andere, d. h. von Wählerkontakt 2 nach Wählerkontakt 3 erfolgen, wird der Elektronenstrahl mittels der Ablenkspulen 17, 18 so in Richtung der Seite B der Diamantmembran 4 abgelenkt, dass kurzzeitig Teilbereiche der beiden Seiten A und B der Diamantmembran 4 gleichzeitig überdeckt werden. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass während der Lastumschaltung immer ein niederohmiger Pfad für den Laststrom zur Verfügung steht. Nach einer Umschaltzeit < 1 ms hat der Elektronenstrahl die Seite A der Diamantmembran 4 vollständig verlassen und aktiviert durch die gitterförmige Elektrode 8 hindurch die Seite B der Diamantmembran 4. Damit ist eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der neuen Anzapfung und damit dem Wählerkontakt 3 und der Lastableitung 9 hergestellt; die Umschaltung A → B somit beendet.If a switch from side A to side B or from one tap to the other, that is to say from selector contact 2 to selector contact 3 , is now to take place, the electron beam is deflected by means of deflection coils 17 , 18 in the direction of side B of the diamond membrane 4 for a short time Parts of the two sides A and B of the diamond membrane 4 are covered simultaneously. This ensures that a low-resistance path for the load current is always available during load switching. After a switching time of <1 ms, the electron beam has completely left side A of diamond membrane 4 and activates side B of diamond membrane 4 through grid-shaped electrode 8 . This creates an electrically conductive connection between the new tap and thus the selector contact 3 and the load conductor 9 ; the changeover A → B thus ended.

Infolge der gleichzeitigen Aktivierung von Teilbereichen der Seiten A und B der Diamantmembran 4 beim Umschaltvorgang fließt - wie im Falle des konventionellen Stufenschalters nach dem Stand der Technik - ein Zirkulationsstrom zwischen den Wählerkontakten 2 und 3. Beim konventionellen Stufenschalter nach dem Stand der Technik kann der Zirkulationsstrom - abhängig von der zeitlichen Lage der Öffnung des Widerstandskontaktes zum Nulldurchgang des Stromes über die Widerstandskontaktstrecke - eine Zeitdauer von bis zu ca. 13 ms erreichen. Hinzu kommt, dass in diesem Fall der Laststrom in einem weiteren Schaltschritt auf den Widerstandszweig kommutiert werden muss, wobei wieder abhängig von der zeitlichen Lage der Kontaktöffnung des Schaltkontaktes zum Nulldurchgang des Laststromes eine zusätzliche Widerstandsbelastungszeit von ca. 13 ms (mit dem Laststrom) auftritt. Entsprechend groß müssen die Überschaltwiderstände nach dem Stand der Technik dimensioniert werden. As a result of the simultaneous activation of partial areas of the sides A and B of the diamond membrane 4 during the switching process, a circulation current flows between the selector contacts 2 and 3 , as in the case of the conventional step switch according to the prior art. In the case of the conventional step switch according to the prior art, the circulation current - depending on the timing of the opening of the resistance contact to the zero crossing of the current via the resistance contact path - can reach a time period of up to approx. 13 ms. In addition, in this case the load current must be commutated to the resistance branch in a further switching step, with an additional resistance load time of approx. 13 ms (with the load current) occurring again depending on the timing of the contact opening of the switch contact for the zero crossing of the load current. The transition resistances must be dimensioned accordingly large according to the state of the art.

Dagegen kann im Falle des erfindungsgemäßen Schalters die Umlenkung des Elektronenstrahles sehr schnell (Bruchteile einer ms) und unabhängig von der Phasenlage des Stromes in kontinuierlicher Weise durchgeführt werden. Die Eigenzeiten der Diamantschalttechnik sind so gering (ns-Bereich), dass die größtmögliche Umschaltgeschwindigkeit nicht durch das Schaltelement, sondern die Induktivität des Kommutierungskreises (Stufenschalter, Regelwicklung) bestimmt wird. Diese Induktivität bestimmt zusammen mit der gerätespezifischen (Stufenschalter, Transformator) höchstzulässigen Kommutierungsspannung das maximal zulässige di/dt beim Umschaltvorgang. Die sehr kurze Zeitdauer des Zirkulationsstromes ermöglicht einen geringen Energieeintrag in das den Zirkulationsstrom begrenzende Widerstandselement, selbst bei hohen Momentanwerten des Zirkulationsstromes. Infolgedessen eignet sich als begrenzendes Element die zweigeteilte Diamantmembran 4 mit ihren beiden Lastumschalterseiten A und B, deren in Reihe geschalteten Durchlasswiderstände für die Limitierung des Zirkulationsstromes wirksam sind. Ein separater Überschaltwiderstand kann entfallen.In contrast, in the case of the switch according to the invention, the deflection of the electron beam can be carried out very quickly (fractions of a ms) and in a continuous manner regardless of the phase position of the current. The inherent times of diamond switching technology are so low (ns range) that the greatest possible changeover speed is not determined by the switching element, but by the inductance of the commutation circuit (tap changer, control winding). This inductance together with the device-specific (step switch, transformer) maximum permissible commutation voltage determines the maximum permissible di / dt during the switching process. The very short duration of the circulation current enables a low energy input into the resistance element that limits the circulation current, even with high instantaneous values of the circulation current. As a result, the two-part diamond diaphragm 4 with its two diverter switch sides A and B, whose series resistances are effective for limiting the circulation current, is suitable as a limiting element. A separate switching resistor can be omitted.

Da der Zirkulationsstrom im Hinblick auf die Belastbarkeit der Regelwicklung mit dynamischen Stromkräften bestimmte Grenzwerte nicht übersteigen darf, andererseits der Durchlasswiderstand der Diamantmembran 4 im Hinblick auf geringe Durchlassverluste des Laststromes möglichst klein sein soll, ergibt sich die Notwendigkeit, den Durchlasswiderstand der Seiten A und B der Diamantmembran 4 während des kurzen Umschaltvorganges in Richtung höherer Werte zu verändern. Zur Realisierung bieten sich folgende drei Möglichkeiten an, die auch in beliebiger Kombination angewendet werden können:
Since the circulation current with regard to the load capacity of the control winding with dynamic current forces must not exceed certain limit values, on the other hand the forward resistance of the diamond membrane 4 should be as small as possible with regard to low forward losses of the load current, this results in the forward resistance of sides A and B of the To change diamond membrane 4 during the short switching process in the direction of higher values. The following three options are available for implementation, which can also be used in any combination:

1. Focusing of the electron beam in such a way that the area of the sides A and B of the diamond membrane 4 that is simultaneously captured by the electron beam during the switching process is small.
2. Geometric design of the covered area, which cannot be activated by the electron beam, between the sides A and B of the diamond membrane 4 in such a way that the area of the sides A and B of the diamond membrane 4 which can be detected simultaneously by the electron beam is small.
3. Reducing the intensity of the electron beam by shutting down the Acceleration voltage.

Während die Methoden 1 und 2 die gewünschte Widerstandserhöhung durch Reduzierung der Querschnittsflächen der leitfähigen Bereiche auf den Seiten A und B der Diamantmembran 4 erreichen, wird im Falle der Methode 3 die Elektronen-Loch-Paar-Bildung und damit die spezifische Leitfähigkeit der Diamantmembranen 4 entsprechend herabgesetzt.While methods 1 and 2 achieve the desired increase in resistance by reducing the cross-sectional areas of the conductive areas on sides A and B of the diamond membrane 4 , in the case of method 3 the electron-hole pair formation and thus the specific conductivity of the diamond membranes 4 become corresponding reduced.

In der Fig. 2 ist eine zweite Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen gezeigt. Abweichend sind hierbei jedoch zwei getrennte Elektronenquellen 20, 21 vorhanden, wobei die erste Elektronenquelle 20 nur auf die erste gitterförmige Elektrode 7 bzw. den entsprechenden darunterliegenden Bereich der Diamantmembran 4, der die elektrische Verbindung zwischen der Seite A des Lastumschalters LU und der Lastableitung 9 herstellen kann, wirkt, und die zweite Elektronenquelle 21 ganz analog nur zur möglichen elektrischen Verbindung der Seite B des Lastumschalters LU mit der Lastableitung 9 dient. Entsprechend sind hier zwei getrennte Blenden 22, 23 sowie darunter zwei Fokussierspulen 24, 25 vorgesehen. Ablenkspulen sind bei dieser Ausführungsform nicht erforderlich, vielmehr werden hierbei, wie erläutert, zwei separate Elektronenstrahlen erzeugt. Bei der Umschaltung von A nach B erzeugt also zunächst die erste Elektronenquelle 20 einen ersten Elektronenstrahl, der auf die gitterförmige Elektrode 7 und den darunterliegenden Bereich der Diamantmembran 4 trifft, mit der Folge, dass eine elektrische Verbindung zwischen der Seite A und der Lastableitung 9 besteht.In FIG. 2, a second embodiment of the invention is shown. The same components are shown with the same reference numerals. Deviating from this, however, there are two separate electron sources 20 , 21 , the first electron source 20 only on the first grid-shaped electrode 7 or the corresponding region below of the diamond membrane 4 , which establish the electrical connection between the side A of the diverter switch LU and the load conductor 9 can, acts, and the second electron source 21 is used analogously only for the possible electrical connection of the side B of the diverter switch LU to the load lead 9 . Correspondingly, two separate diaphragms 22 , 23 as well as two focusing coils 24 , 25 are provided here. Deflection coils are not required in this embodiment; rather, as explained, two separate electron beams are generated here. When switching from A to B, the first electron source 20 therefore first generates a first electron beam which strikes the grid-shaped electrode 7 and the region of the diamond membrane 4 underneath, with the result that there is an electrical connection between the side A and the load conductor 9 .

Die Umschaltung von Seite A nach Seite B wird so durchgeführt, dass analog zu einem Überblendvorgang die Beschleunigungsspannung der Elektronenquelle zu der Seite A kontinuierlich bis auf Null heruntergefahren wird, während gleichzeitig die Beschleunigungsspannung der Elektronenquelle zu der Seite B auf den vollen Wert hochgefahren wird. Die Umschaltung ist beendet, wenn der Elektronenstrahl auf der Seite B der Diamantmembran 4 seine volle Intensität erreicht hat und die Anzapfung, an der der Wählerkontakt 3 anliegt, über die Seite B der Diamantmembran 4 mit der Lastableitung 9 verbindet.The switchover from side A to side B is carried out in such a way that, analogously to a cross-fading process, the acceleration voltage of the electron source to side A is continuously reduced to zero, while at the same time the acceleration voltage of the electron source to side B is raised to the full value. The switchover is complete when the electron beam on the side B of the diamond membrane 4 has reached its full intensity and connects the tap on which the selector contact 3 is connected via the side B of the diamond membrane 4 to the load lead 9 .

Während der Umschaltung sind die Intensitäten der Elektronenstrahlen der Seiten A und B so zu steuern, dass einerseits die für die Höhe des Kreisstromes maßgebliche Summe der Durchlasswiderstände der Seiten A und B der Diamantmembran 4 einen definierten Wert nicht unterschreitet und andererseits die für die Durchlassverluste des Laststromes maßgebende Summe der Leitwerte der Seiten A und B der Diamantmembranen 4 ebenfalls einen festgelegten Grenzwert nicht unterschreitet. Die Geschwindigkeit der Intensitätsänderung der Elektronenstrahlen entspricht der Umschaltgeschwindigkeit und bewegt sich ebenso wie im Falle des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispieles im Bereich < 1 ms.During the switchover, the intensities of the electron beams on sides A and B must be controlled in such a way that on the one hand the sum of the forward resistances of sides A and B of the diamond membrane 4, which is decisive for the level of the circulating current, does not fall below a defined value, and on the other hand that for the forward losses of the load current decisive sum of the conductance values of sides A and B of the diamond membranes 4 likewise does not fall below a defined limit value. The speed of the change in intensity of the electron beams corresponds to the switching speed and, like in the case of the exemplary embodiment shown in FIG. 1, moves in the range <1 ms.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 hat gegenüber der Anordnung in Fig. 1 den Nachteil, dass ein zweiter unabhängiger Elektronenstrahl zur Verfügung gestellt werden muss, was höhere Kosten zur Folge hat. Auf der anderen Seite entfällt die Ablenkeinheit für die Elektronenstrahlen. Weiterhin kann die Steuerung der Elektronenstrahlen vereinfacht werden, weil die gleichzeitige Strahlablenkung und Intensitätsvariation hier vermieden wird. Schließlich steht bei der in Fig. 2 gezeigten Anordnung immer das gesamte Volumen der Seiten A und B der Diamantmembranen 4 zur Verfügung, um die Durchlassverluste von Laststrom und Zirkulationsstrom aufzunehmen. Die Gefahr der thermischen Überlastung von Teilbereichen der Diamantmembran ist infolgedessen im Falle der Anordnung gemäß Fig. 2 deutlich weniger gegeben als bei der in Fig. 1 gezeigten. The embodiment according to FIG. 2 has the disadvantage over the arrangement in FIG. 1 that a second independent electron beam has to be made available, which results in higher costs. On the other hand, there is no deflection unit for the electron beams. Furthermore, the control of the electron beams can be simplified because the simultaneous beam deflection and intensity variation are avoided here. Finally, in the arrangement shown in FIG. 2, the entire volume of the sides A and B of the diamond membranes 4 is always available in order to absorb the forward losses of load current and circulation current. As a result, the risk of thermal overloading of partial areas of the diamond membrane is significantly less in the case of the arrangement according to FIG. 2 than in the case of the one shown in FIG. 1.

Bei den beschriebenen Ausführungsformen liegt jedoch das selbe Funktionsprinzip zugrunde: Dadurch, dass partielle, im Normalfall nichtleitende Bereiche der Diamantmembran 4 unter der Einwirkung eines Elektronenstrahles gezielt in den leitenden Zustand versetzt werden, erfolgt eine Lastumschaltung zwischen den beiden Seiten A und B, indem diese - abhängig vom elektrischen Zustand des korrespondierenden Bereiches der Diamantmembran 4 - gezielt mit der Lastableitung 9 elektrisch verbindbar sind. Durch die geometrische Gestaltung der gesamten Anordnung, Dicke und Geometrie der verwendeten Diamantmembran 4, Art und Intensität der Elektronenstrahlung und den Modus der Erregung der Elektronenquelle bzw. -quellen ist die Schaltsequenz der Lastumschaltung in weiten Grenzen variierbar. Überschaltwiderstände sind nicht erforderlich. Der gesamte Lastumschalter, der keinerlei mechanische Schaltmittel aufweist, arbeitet völlig verschleißfrei. Dabei ist die Schaltdynamik der verwendeten Diamantmembran 4 extrem hoch; die Eigenzeit verwendeter Elektronenquellen liegt bei ca. 100 ns. Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass, bedingt dadurch, dass die thermische Eigenleitfähigkeit erst bei sehr hohen Temperaturen einsetzt, Betriebstemperaturen von bis zu etwa 750 Grad C möglich sind - wesentlich höhere zulässige Temperaturen als bei bekannten Stufenschaltern. Ferner ist Diamant im ungetriggerten, d. h. nicht durch Elektronenstrahlung angeregten, Zustand ein hervorragender Isolator. Die nichtleitende Diamantmembran 4 erreicht Widerstände größer 102 Ohm und ermöglicht somit außerordentlich geringe Leckströme. Insgesamt gestattet der erfindungsgemäße Stufenschalter einen Kommutationsvorgang an einer Stufenwicklung ohne Überschaltwiderstände und ohne auf den Stromnulldurchgang angewiesen zu sein. Natürlich ist es im Rahmen der Erfindung auch möglich, bekannte mechanische Dauerstromkontakte vorzusehen.In the described embodiments, however, the same functional principle is based: Because partial, normally non-conductive areas of the diamond membrane 4 are deliberately switched to the conductive state under the action of an electron beam, a load switching takes place between the two sides A and B by depending on the electrical state of the corresponding area of the diamond membrane 4 - can be specifically electrically connected to the load conductor 9 . Due to the geometric design of the entire arrangement, thickness and geometry of the diamond membrane 4 used , type and intensity of the electron radiation and the mode of excitation of the electron source or sources, the switching sequence of the load switching can be varied within wide limits. Overload resistors are not required. The entire diverter switch, which has no mechanical switching means, works completely without wear. The switching dynamics of the diamond membrane 4 used are extremely high; the proper time of electron sources used is approx. 100 ns. Another advantage of the invention is that, due to the fact that the thermal intrinsic conductivity only starts at very high temperatures, operating temperatures of up to about 750 degrees C are possible - significantly higher permissible temperatures than in the case of known tap changers. Furthermore, diamond is an excellent insulator in the untriggered state, ie not excited by electron radiation. The non-conductive diamond membrane 4 reaches resistances greater than 102 ohms and thus enables extremely low leakage currents. Overall, the tap changer according to the invention permits a commutation process on a tap winding without overturning resistors and without being dependent on the zero current crossing. Of course, it is also possible within the scope of the invention to provide known mechanical continuous current contacts.

Unter dem Begriff "Elektronenstrahlung" soll im Rahmen der Erfindung jede Strahlung verstanden werden, durch die die Diamantmembran partiell in einen leitenden Zustand versetzt werden kann. Darunter fallen beispielsweise auch alle in den WO99/62122 und WO99/67798 beschriebenen Strahlungen. Der Begriff "Elektronenquelle" soll im Rahmen der Erfindung alle Vorrichtungen zur Erzeugung dieser Strahlungen umfassen. Der Begriff "Diamantmembran" umfasst alle Elemente aus Diamant, insbesondere mit einer im Vergleich zur Dicke größeren flächigen oder Längsausdehnung, etwa als ebene Platte, Scheibe o. dgl., wobei auf einer Oberfläche die beiden Elektroden 5, 6, und auf der anderen Oberfläche, im Abstand der Dicke, die beiden weiteren, gitterförmigen Elektroden 7, 8 angeordnet sind. Der Begriff "gitterförmig" soll dabei jede Art einer durchbrochenen Struktur beschreiben, die partiell die darunterliegende Oberfläche der Diamantmembran 4 von außen für einen Elektronenstrahl zugänglich hält. Es ist im Rahmen der Erfindung natürlich auch möglich, statt der beschriebenen einzigen Diamantmembran 4 zwei getrennte solche Diamantmembranen vorzusehen, wobei mittels einer davon die Seite A des Lastumschalters LU und mittels der anderen die Seite B des Lastumschalters LU mit der Lastableitung 9 elektrisch verbindbar sind.In the context of the invention, the term “electron radiation” is to be understood to mean any radiation by means of which the diamond membrane can be partially brought into a conductive state. This includes, for example, all of the radiations described in WO99 / 62122 and WO99 / 67798. In the context of the invention, the term “electron source” is intended to encompass all devices for generating this radiation. The term “diamond membrane” encompasses all elements made of diamond, in particular with a flat or longitudinal extension that is larger than the thickness, for example as a flat plate, disk or the like, the two electrodes 5 , 6 on one surface and the other surface , at a distance from the thickness, the two further grid-shaped electrodes 7 , 8 are arranged. The term "lattice-shaped" is intended to describe any type of openwork structure that partially keeps the surface of the diamond membrane 4 underneath accessible from the outside for an electron beam. It is of course also possible within the scope of the invention to provide two separate such diamond membranes instead of the single diamond membrane 4 described, one side of the load changeover switch LU and the other side B of the load changeover switch LU being electrically connectable to the load lead 9 .

Claims

1. tap changer for uninterrupted switching between different winding taps of a regulating winding of a step transformer,
with a tap changer with two movable selector contacts for powerless pre-selection of the respective winding tapping, to which switching is to be carried out subsequently, and a diverter switch for the actual uninterrupted switching under load,
characterized by
that the diverter switch (LU) is arranged in a vacuum-proof housing (G),
that a diamond membrane ( 4 ) is provided in the housing (G), on one side of which, electrically insulated from one another, two fixed electrodes ( 5 , 6 ) are arranged, each of which is electrically connected to one of the movable selector contacts ( 2 , 3 ) ,
that on the other side of the diamond membrane ( 4 ), spatially opposite the two electrodes ( 5 , 6 ), two further grid-shaped electrodes ( 7 , 8 ) are arranged, both of which are electrically connected to a load lead ( 9 ),
that a controllable electron source ( 13 ) is arranged above the side of the diamond membrane ( 4 ) provided with the grid-shaped electrodes ( 7 , 8 )
and that deflection coils ( 17 , 18 ) are provided in the region of the electron source ( 13 ), in such a way that an electron beam that can be generated by the electron source ( 13 ) can be deflected such that, in the stationary state, it can be selectively directed only onto that region of the surface of the diamond membrane ( 4 ), on which one of the two grid-shaped electrodes ( 7 or 8 ) is located, and only in this area can the diamond membrane ( 4 ) be made conductive in its entire thickness.

2. tap changer for uninterrupted switching between different winding taps of a regulating winding of a step transformer,
with a tap changer with two movable selector contacts for powerless pre-selection of the respective winding tapping, to which switching is to be carried out subsequently, and a diverter switch for the actual uninterrupted switching under load,
characterized,
that the diverter switch (LU) is arranged in a vacuum-proof housing (G),
that a diamond membrane ( 4 ) is provided in the housing (G), on one side of which, electrically insulated from one another, two fixed electrodes ( 5 , 6 ) are arranged, each of which is electrically connected to one of the movable selector contacts ( 2 , 3 ) ,
that on the other side of the diamond membrane ( 4 ), spatially opposite the two electrodes ( 5 , 6 ), two further grid-shaped electrodes ( 7 , 8 ) are arranged, both of which are electrically connected to a load lead ( 9 ),
that two separately and independently controllable electron sources ( 20 , 21 ) are arranged above the side of the diamond membrane ( 4 ) provided with the grid-shaped electrodes ( 7 , 8 ), such that an electron beam that can be generated by the first electron source ( 20 ) only on that one Region of the surface of the diamond membrane ( 4 ) on which the first grid-shaped electrode ( 7 ) is located, and in this region the entire thickness of the diamond membrane ( 4 ) can be brought into a conductive state, and one of the second electron source ( 21 ) Generable electron beam hits only that area of the surface of the diamond membrane ( 4 ) on which the second grid-shaped electrode ( 8 ) is located, and in this area the entire thickness of the diamond membrane ( 4 ) can be set in a conductive state.

3. tap changer according to claim 1 or 2, characterized in that instead of the single diamond membrane ( 4 ) two separate diamond membranes are provided, the first of which the fixed electrode ( 5 ) and spatially opposite the grid-shaped electrode ( 7 ) is arranged and on the second of which the further fixed electrode ( 6 ) and spatially opposite the further grid-shaped electrode ( 8 ) is arranged.