DE10102310C1 - Thyristor-Stufenschalter - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Thyristor-Stufenschalter, der aus einem mechanischen Stufenwähler und einem Lastumschalter mit Thyristoren als Schaltmitteln besteht. Dabei ist nur der Stufenwähler im ölgefüllten Transformatorkessel untergebracht, während der Lastumschalter mit den Thyristoren in einem seitlich angebauten separaten Gehäuse in Luft sich befindet.
Description
Die Erfindung betrifft einen Thyristor-Stufenschalter zur unterbrechungslosen Umschaltung
zwischen verschiedenen Wicklungsanzapfungen eines Stufentransformators unter Last, bestehend
aus einem mechanischen Stufenwähler zur leistungslosen Vorwahl der jeweiligen
Wicklungsanzapfung, auf die umgeschaltet werden soll, und einem Lastumschalter mit Thyristoren
als Schaltmittel zur eigentlichen unterbrechungslosen Umschaltung von der bisherigen auf die vorab
angewählte neue Wicklungsanzapfung unter Last.
Thyristor-Stufenschalter der genannten Gattung werden üblicherweise auch als Hybrid-
Stufenschalter bezeichnet, weil sie neben den Thyristoren im Lastumschalter als
leistungselektronischen Schaltmitteln auch mechanische Kontakte, insbesondere mechanische
Wählerkontakte, aufweisen. Nur am Rande sei erwähnt, dass es daneben auch sogenannte
Vollthyristorschalter gibt, wie z. B. aus der WO 95/27931 bekannt, die auf bewegliche mechanische
Schaltelemente ganz verzichten, jedoch relativ groß und aufwändig im Aufbau sind, sich in der
Praxis nicht durchgesetzt haben und im Übrigen auch nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung
sind.
Die vorliegende Erfindung befasst sich vielmehr mit Thyristor-Stufenschaltern der eingangs
genannten Gattung, also mit den Hybrid-Stufenschaltern.
Diese Gattung von Thyristor-Stufenschaltern wiederum lässt sich in zwei unterschiedliche
Gerätearten mit verschiedenen Funktionsprinzipien unterteilen.
Zunächst einmal ist aus der DE 32 23 892 C2 ein solcher Thyristor-Stufenschalter bekannt, der nach
dem Kommuntierungsprinzip arbeitet. Hierbei erfolgt die Lastumschaltung durch eine gesteuerte
Kommutierung des Laststromes - daher der Name - von einem antiparallel geschalteten
Thyristorpaar in einem Zweig des Lastumschalters auf das jeweils andere Thyristorpaar im anderen
Zweig. Stufenschalter dieser Art wurden in den 80er Jahren vereinzelt als sogenannter
Durchführungstyp hergestellt und eingesetzt. Dabei ist der aktive Teil des Lastumschalters auf
einem Durchführungsstützer oberhalb des Transformatorkessels in einem luftgefüllten Gehäuse
angeordnet, während der andere Teil des Schalters in den ölgefüllten Transformatorkessel versenkt
ist. Der Durchführungsstützer ist teilweise mit Isolieröl gefüllt und über eine Silikagelvorlage mit der
Außenluft verbunden. Innerhalb des Gehäuses vom Aktivteil befindet sich ein Gestell, das die
elektronischen Baugruppen des Lastumschalters aufnimmt. Der Durchführungsstützer selbst ist auf
einem Aufbauflansch befestigt; in dem durch eine Aufbauflanschabdeckplatte nach oben
abgeschlossenen Lastumschalter-Ölraum befindet sich ein Tragkäfig mit Anschlusskontakten. Ein
solcher Schalter hat jedoch einen sehr großen Raumbedarf, besonders bedingt durch die große
Porzellan-Durchführung zwischen dem Elektronikgehäuse oberhalb des eigentlichen Transformators
und dem in den Transformator eingesenkten Teil des Gerätes mit dem Tragkäfig und den
mechanischen Hilfsschaltern. Daneben ist auch die Zugängigkeit zu den einzelnen Komponenten im
ölgefüllten Bereich schwierig, so dass sich Wartungen kompliziert und umständlich gestalten.
Insgesamt hat sich dieser Typ bisher nicht durchsetzen können.
Weiterhin ist als die andere der beiden Gerätearten aus der WO 98/48432 ein Thyristor-
Stufenschalter mit Überschaltwiderstand bekannt. Dabei ist ein einziges antiparallel geschaltetes
Thyristorpaar vorgesehen, zu dem parallel ein Überschaltwiderstand liegt. Durch besondere
mechanische Umschaltkontakte können sowohl Thyristorpaar als auch Überschaltwiderstand in
einer bestimmten Schaltsequenz betätigt und in den Stromkreis geschaltet werden. Dabei fließt über
den Überschaltwiderstand während der Lastumschaltung kurzfristig der Laststrom und anschließend
ein Kreisstrom, der von der Stufenspannung der Regelwicklung getrieben wird. Der konstruktive
Aufbau eines auf dieser Schaltung beruhenden praktisch ausgeführten Thyristor-Stufenschalters ist
aus der Firmenschrift "OLTC Hybrid-Diverter Switch with Thyristors" der Firma ELIN OLTC GMBH,
AT sowie dem Aufsatz "Hybrid-Transformatorstufenschalter TADS - ein zukunftsweisendes Konzept
zur Verlängerung der Wartungsintervalle" in der Zeitschrift "e & i", Heft 11, 1999 bekannt. Der
vollständige Schalter ist dabei als kompletter, in den ölgefüllten Transformatorenkessel vollständig
versenkbarer Einsatz konzipiert. Nachteilig bei dieser Ausführung ist, dass die Thyristoren dem
heißen Transformatorenöl ausgesetzt sind. Dies beeinträchtigt die Langzeitbeständigkeit dieser
elektronischen Bauelemente, die in der Regel nur bei Umgebungstemperaturen bis etwa 100 Grad
C sicher funktionieren. Verstärkt wird das Problem noch dadurch, dass im Überschaltwiderstand -
bzw. in der Praxis meistens den mehreren vorhandenen Überschaltwiderständen -, durch die
Strombelastung eine ganz erhebliche Energie in zusätzliche Wärme umgesetzt wird, die die
Funktion der Thyristoren gefährdet. Dies hat beim beschriebenen bekannten Stufenschalter zur
Folge, dass nur eine begrenzte Zahl von Lastumschaltungen in einem bestimmten Zeitraum erfolgen
darf, damit die durch die Überschaltwiderstände verursachte Wärmeentwicklung einen Grenzwert
nicht überschreitet. Dies ist für zahlreiche industrielle Anwendungsfälle unerwünscht. In diesem
Zusammenhang ist auch bereits vorgeschlagen worden, einen zusätzlichen Temperaturschalter
vorzusehen, der, wenn die Umgebung der Thyristoren eine gewisse, noch unschädliche
Grenztemperatur überschreitet, den Motorantrieb des Stufenschalters blockiert und so den Hybrid-
Thyristorschalter vorübergehend stillsetzt. Es liegt auf der Hand, dass dies ebenfalls in zahlreichen
industriellen Anwendungsfällen nicht praktikabel ist; ganz abgesehen davon, dass mit einem
solchen Vorschlag nicht das Problem gelöst, sondern nur am Symptom kuriert wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Thyristor-Stufenschalter der eingangs genannten Gattung, d. h.
einen Hybrid-Schalter, anzugeben, der die beschriebenen Nachteile vermeidet, insbesondere
aufwändige Durchführungen und Stützeranordnungen umgeht, dabei kompakt und
wartungsfreundlich aufgebaut ist und, entsprechende Dimensionierung der Thyristoren
vorausgesetzt, eine beliebige Anzahl hintereinander ausführbarer Schaltungen ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch einen Thyristor-Stufenschalter mit den Merkmalen des ersten
Patentanspruches gelöst.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Thyristoren auf einfache Weise sowohl
vom heißen Transformatorenöl als auch von den Überschaltwiderständen thermisch entkoppelt sind,
ohne dass es hierzu eines aufwändigen Aufbaus oder besonders großer
Durchführungsanordnungen bedarf. Durch eine separate Anordnung der Überschaltwiderstände
kann die in diesen in Wärme umgesetzte Energie auf einfache Weise durch einen natürlichen oder
forcierten Kühlkreislauf, insbesondere durch Luftkühlung, abgeführt werden. Zugleich ist
sichergestellt, dass diese Wärme nicht auf andere Teile des Gerätes abstrahlen und diese über
Gebühr erhitzen bzw. die Thyristoren in Mitleidenschaft ziehen kann. Insgesamt gestattet es der
erfindungsgemäße Thyristor-Stufenschalter damit, beliebig viele Lastumschaltungen hintereinander
auszuführen, ohne dass bei dem gegebenen Kurzzeitbetrieb der Thyristoren die thermischen
Belastbarkeitsgrenzen der Thyristoren ein Problem darstellen würden.
Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel noch näher erläutert werden. Die
Figur zeigt einen erfindungsgemäßen Thyristor-Stufenschalter, hier in einer Ausführung mit einem
Überschaltwiderstand.
Der grau unterlegte Bereich links in der Figur zeigt den ölgefüllten Transformatorkessel 1. In diesem
sind schematisch die Wicklungen 2, 3, davon rechts die gestufte Regelwicklung 3 mit einzelnen
Wicklungsanzapfungen 1. . .n angedeutet. Jede dieser Wicklungsanzapfungen 1. . .n ist mit jeweils
einem festen Kontakt K1. . .Kn eines Stufenwählers 4 des Thyristor-Stufenschalters elektrisch
verbunden. Die festen Kontakte K1. . .Kn werden auf bekannte Weise von zwei beweglichen
Wählerkontakten 5, 6 beschaltet. Außerhalb des Transformatorkessels 1, seitlich an diesem
angebaut und über eine Durchführungsplatte 7 mit ihm in Verbindung stehend, ist in einem
separaten Gehäuse 8 der eigentliche Lastumschalter 9, der in Luft arbeitet, angeordnet. Die
elektrischen Verbindungsleitungen 10, 11 vom Stufenwähler 4 zum Lastumschalter 9 sowie die
Lastableitung 12 sind durch separate öldichte Durchführungen 13, 14, 15 in der Durchführungsplatte
7 geführt. Der Lastumschalter 9 kann, abhängig von der jeweils zugrundeliegenden Schaltung, aus
unterschiedlichen Bauteilen bestehen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die aus der WO 98/48432
bekannte Schaltung gezeigt. Dabei bezeichnen D1 und D2 die Dauerhauptkontakte, die
im stationären Betrieb den Dauerstrom führen, d. h. die jeweilige Verbindung von einem der
beweglichen Wählerkontakte 5 oder 6 zu einer Lastableitung L herstellen. SR bezeichnet einen
Überbrückungsschalter zur Lastableitung L. Das Bezugszeichen 16 zeigt ein einziges, antiparallel
geschaltetes Thyristorpaar, und CT und CR bezeichnen zwei Umschalter. Dabei ist der
Wurzelkontakt des Umschalters CT mit dem Thyristorpaar 16 elektrisch verbunden, der
Wurzelkontakt des Umschalters CR mit einem Überschaltwiderstand 17.
Seitlich am separaten Gehäuse 8, abgeteilt durch eine Trennwand 18, ist ein weiterer separater
Gehäuseteil 19 vorgesehen, in dem, ebenfalls in Luft, der Überschaltwiderstand 17 angeordnet ist.
Oben und unten in diesem Gehäuseteil 19 sind Öffnungen 20, 21 vorgesehen, so dass eine
separate Luftströmung zur Kühlung des Überschaltwiderstandes 17 durch das Gehäuseteil 19
geleitet werden kann.
Insgesamt ergibt sich aus der Figur der besonders einfache Aufbau gemäß der Erfindung. Der
komplette Stufenwähler 4 des Thyristor-Stufenschalters ist im ölgefüllten Transformatorkessel 1
angeordnet und wird vom Transformatoröl umspült. Dadurch sind sowohl eine Schmierung der
mechanischen Kontakte als auch eine ausreichende elektrische Festigkeit der gesamten Anordnung
gewährleistet. Die eigentliche Lastumschaltung hingegen mittels des Thyristorpaares 16 erfolgt
außerhalb des Transformatorkessels 1 in Luft. Damit ist ein störender Einfluss des heißen
Transformatoröles auf das Thyristorpaar 16 mit Sicherheit ausgeschlossen. Die elektrische
Verbindung zwischen diesen beiden Baugruppen ist ebenfalls besonders einfach, da nur drei
elektrische Verbindungsleitungen 10, 11, 12 durch die Durchführungsplatte 7 geführt werden
müssen. Es wurde bereits erläutert, dass der Überschaltwiderstand 17 in einem weiteren separaten
Gehäuseteil 19, ebenfalls in Luft, angeordnet ist. Damit ist sowohl dessen einfache Kühlung
sichergestellt als auch ebenfalls jede thermische Beeinflussung des Thyristorpaares 16
ausgeschlossen.
Die Erfindung ist nicht auf die im Ausführungsbeispiel erläuterte bekannte Schaltung mit einem
Thyristorpaar, nur einem Überschaltwiderstand und der speziellen Anordnung zusätzlicher
mechanischer Schalter beschränkt. Im Rahmen der Erfindung ist ebenso jeder andere
Lastumschalter mit einer wie auch immer gearteten Anordnung eines oder mehrerer Thyristorpaare
als Schaltmittel und unabhängig von der Zahl, Schaltung und Betätigungssequenz eventuell noch
vorhandener weiterer mechanischer Schalter bzw. Umschalter einsetzbar. Ebenso ist die Art und
Weise der Erzeugung der Zündspannung für die einzelnen Thyristoren im Rahmen der Erfindung
auf vielfältige Weise lösbar.
Claims (1)
- Thyristor-Stufenschalter zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen verschiedenen Wicklungsanzapfungen eines Stufentransformators unter Last, bestehend aus einem mechanischen Stufenwähler zur leistungslosen Vorwahl der jeweiligen Wicklungsanzapfung, auf die umgeschaltet werden soll, und einem Lastumschalter mit mindestens einem antiparallelen Thyristorpaar zur unterbrechungslosen Umschaltung von der bisherigen auf die vorab angewählte neue Wicklungsanzapfung unter Last, dadurch gekennzeichnet,
dass nur der Stufenwähler (4) im mit Transformatoröl gefüllten Transformatorkessel (1) des Stufentransformators angeordnet ist,
dass der Lastumschalter (9) mit dem mindestens einen antiparallelen Thyristorpaar (16) hingegen in einem separaten Gehäuse (8) in Luft untergebracht ist, welches seitlich am Transformatorkessel (1) und von diesem durch eine Durchführungsplatte (7) getrennt angeordnet ist,
dass Verbindungsleitungen (10, 11, 12) vom Stufenwähler (4) zum Lastumschalter (9) durch die Durchführungsplatte (7) geführt sind
und dass mindestens ein Überschaltwiderstand (17) des Lastumschalters (9) in einem weiteren separaten Gehäuseteil (19) in Luft untergebracht ist, welches seinerseits durch eine Trennwand (18) vom Gehäuse (8) abgetrennt ist.
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