DE102008064485A1

DE102008064485A1 - Stufenschalter für Mittel-Niederspannungstransformatoren

Info

Publication number: DE102008064485A1
Application number: DE200810064485
Authority: DE
Inventors: Gerd Dr. Griepentrog; Reinhard Dr. Maier
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2008-12-22
Filing date: 2008-12-22
Publication date: 2010-06-24
Also published as: WO2010072622A1

Abstract

Es wird ein Stufenschalter für Mittel-Niederspannungstransformatoren angegeben, der auf einem oder mehreren mechanischen Schaltern basiert. Beim Umschalten wird der Strom über Halbleiterschalter geführt, um die Unterbrechungsfreiheit zu sichern.

Description

Die Erfindung betrifft einen Stufenschalter für Mittel-Niederspannungstransformatoren.
Energieverteilnetze sind insbesondere durch die Impedanzen der Netzkomponenten und durch wechselnde Lasten Spannungsschwankungen unterworfen. Es ist erstrebenswert, die Schwankungen so gering wie möglich zu halten. Dafür werden bei Transformatoren zwischen Hoch- und Mittelspannung Stufenschalter verwendet. Der Stufenschalter gleicht die bei Belastungsänderungen auftretenden Spannungsschwankungen aus, indem er das Übersetzungsverhältnis ändert. Zu diesem Zweck ist zumindest eine der Wicklungen des Transformators mit einer Reihe von Anzapfungen versehen, die von einem Wählermechanismus elektrisch angebunden werden können. Weiterhin ist ein Lastumschalter vorgesehen, der die Umschaltung zwischen zwei Wählerpositionen unterbrechungsfrei auch unter Last vornimmt. Ein Windungskurzschluss wird vermieden, indem der Stromfluss kurzzeitig über Widerstände gezwungen wird.
Es ist möglich, dass in der Zukunft die Energieversorgung im Vergleich mit der heutigen Situation dezentraler erfolgt. Das heißt, die Stromerzeugung findet näher zum Verbraucher als heute in einer größeren Zahl von jeweils kleineren Anlagen statt. Solche Anlagen sind beispielsweise Photovoltaikanlagen, Windkraftwerke und Biomasse-Kraftwerken oder auch kleinere Blockheizkraftwerke. Kleinere Kraftwerke sind wegen der eher umsetzbaren Kraft-Wärme-Kopplung zumindest prinzipiell sehr vorteilhaft. Wenn der erzeugte Strom nicht direkt abgenommen werden kann, ist eine Einspeisung vom Niederspannungsnetz in das Mittelspannungsnetz erforderlich, um eine verlustarme Übertragung über weite Strecken zu ermöglichen. Hierzu ist es erforderlich, im Verteilungstransformator ein variables Übersetzungsverhältnis zur Verfügung zu stellen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Stufenschalter für Mittel-Niederspannungstransformatoren anzugeben, der besonders einfach aufgebaut ist.
Diese Aufgabe wird durch einen Stufenschalter für Mittel-Niederspannungstransformatoren mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Der erfindungsgemäße Stufenschalter für Mittel-Niederspannungstrafos weist eine erste Teilwicklung und wenigstens eine zweite Teilwicklung auf. Weiterhin umfasst er wenigstens ein Schaltelement zur Schaltung der elektrischen Verbindung eines Mittelanschlusses mit einem von wenigstens zwei Anschlüssen, wobei die Anschlüsse wenigstens teilweise mit der ersten oder zweiten Teilwicklung verbunden sind. Schließlich weist er wenigstens einen Halbleiterschalter auf, der elektrisch eingangsseitig mit dem Mittelanschluss des Schaltelements und ausgangsseitig mit einem der Anschlüsse verbunden ist.
Zweckmäßig, aber nicht zwangsläufig, enthält der Stufenschalter eine Steuerungseinrichtung, die selbsttätig eine Steuerung der Lastumschaltung vornimmt. Dazu weist die Steuerungseinrichtung zweckmäßig Mittel auf, die eine Erkennung ermöglichen, wann eine Umschaltung erfolgen sollte. Beispielsweise kann es sich dabei um Mittel zur Bestimmung von Spannung und/oder Strom auf der Eingangs- oder Abgangsseite handeln. Durch diese wird ermittelt, ob eine Umschaltung nötig ist, indem beispielsweise bei erhöhter abgangsseitiger Last die entsprechende leichte Senkung der Ausgangsspannung detektiert wird. Alternativ kann die Steuerung der Lastumschaltung auch von außerhalb des Stufenschalters vorgenommen werden. In diesem Fall weist der Stufenschalter zweckmäßig Mittel auf, die eine Steuerung von außen ermöglichen. Dabei kann es sich um eine indirekte, beispielsweise digitale Fernsteuerung handeln, die im Stufenschalter durch eine Steuereinrichtung umgesetzt wird in die tatsächliche Ansteuerung des Schalters.
Es kann sich auch um eine direkte, analoge Steuerung von außen handeln, die ggfs. sogar ohne interne Steuereinrichtung erfolgen kann, beispielsweise durch direkte Beaufschlagung eines Aktors des Schaltelements von außen mit Strom.
Bei der ersten und zweiten Teilwicklung handelt es sich bevorzugt um Teile einer der beiden Transformatorwicklungen. Diese liegen dabei zweckmäßig nicht separat vor, sondern bilden eine einzige durchgehende Wicklung. Die Aufteilung in die erste und die ein oder mehreren zweiten Teilwicklungen ergibt sich anhand der Platzierung der Anschlüsse, die zweckmäßig elektrisch mit Abgriffen an den Wicklungen verbunden sind.
Alternativ kann es sich bei der ersten und zweiten Teilwicklung auch um getrennte Wicklungen handeln, die so in Nähe zueinander angeordnet sind, dass sie mit einer weiteren Wicklung den Transformator bilden. In dieser Alternative ist eine andere elektrische Verschaltung nötig als bei einer einzigen durchgehenden Wicklung. Hierbei kommen bevorzugt zwei Schaltelemente zum Einsatz.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind Mittel zur Bestimmung eines den Schaltzustand des Schaltelements repräsentierenden Werts vorgesehen. Das heißt, über die Mittel ist bevorzugt ermittelbar, ob der Schalter gerade geschlossen ist, also seinen Mittelanschluss mit einem der Anschlüsse verbindet oder ob er momentan geöffnet ist. Solche Mittel sind in einer bevorzugten Ausgestaltung Mittel zur Bestimmung der Spannung zwischen dem Mittelanschluss und einem der Anschlüsse, insbesondere mit jedem der Anschlüsse. Besteht die Möglichkeit, die Spannung zwischen dem Mittelanschluss und jedem der Anschlüsse zu bestimmen, so kann beispielsweise ermittelt werden, mit welchem der Anschlüsse das Schaltelement gerade eine Verbindung herstellt bzw. ob er gerade geöffnet ist. Somit kann vollständig bestimmt werden, wann und wie das Schaltelement schaltet. Alternativ könnte auch eine Strommessung oder eine mechanische oder optische Messung verwendet werden. Auch kann das Schaltelement ausges taltet sein, selbst einen beispielsweise elektrischen repräsentierenden Wert über seinen Schaltzustand zur Verfügung zu stellen. Besonders vorteilhaft ist hierbei, dass ein Kontaktprellen nicht wie bei bekannten Stufenschaltern einen Lichtbogen mit entsprechendem Verschleiß des Schaltelements bewirkt, da die Halbleiterschalter beispielsweise spannungsgesteuert so lange den Strom tragen, bis über das Schaltelement keine Spannung mehr abfällt, d. h. auch sicher kein Lichtbogen mehr brennt.
Bevorzugt handelt es sich bei dem Schalelement um einen mechanischen Schalter. Dieser weist einen besonders geringen Durchlasswiderstand auf, führt also zu geringen Verlusten im Betrieb.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist das Schalelement eine offene Schalterstellung auf. In dieser wird dann zweckmäßig keine Verbindung hergestellt. In diesem Fall trägt der Halbleiterschalter den Strom. Dieser Betriebsmodus kann sehr vorteilhaft sein, wenn die Schaltvorgänge häufig sind und zu einem großen Verschleiß beim Schalelement führen würden. So kann in dieser Ausgestaltung ein Teil der Schaltvorgänge vermieden werden. In diesem Fall ist es zweckmäßig, wenn der Halbleiterschalter Einrichtungen zur Kühlung, beispielsweise Kühlkörper aufweist.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist als Halbleiterschalter ein Thyristorkreis vorgesehen. Vorteilhaft ist, dass dieser selbstabschaltend ist und so eine einfache Ansteuerung ermöglicht. Der Thyristorkreis besteht bevorzugt aus zwei antiparallel geschalteten Thyristorelementen, wobei jedes der Thyristorelemente aus einem Thyristor oder einer parallel und/oder Serienschaltung von Thyristoren besteht. Auch andere elektrische Bauelemente können gemeinsam mit den Thyristoren verwendet werden.
Alternativ zu den Thyristoren können als Halbleiterschalter auch abschaltbare Halbleiterschalter verwendet werden, insbe sondere Transistoren, GTOs(Gate Turn-off Thyristor) oder IGCTs(Integrated Gate Commutated Transistor). Hierdurch wird eine aktive Abschaltung der Leitung durch den Halbleiterschalter ermöglicht, was wiederum die Zeit des Windungskurzschlusses durch das geschlossene Schaltelement und den leitenden Halbleiterschalter verkürzt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die Steuerung des Halbleiterschalters unabhängig von der Steuerung des Schaltelements realisiert, indem ein Einschalten und Ausschalten des Halbleiterschalters anhand des Schaltzustandes des Schaltelements bewirkt wird. Beispielsweise kann das Einschalten des Halbleiterschalters bewirkt werden, beispielsweise eine Zündung eines Thyristorpaars, wenn die Spannung zwischen Ein- und Ausgang des Schaltelements ungleich Null wird. Da Halbleiterschalter sehr schnell schalten, ist auch eine solche Ansteuerung, die nur auf das Verhalten des Schaltelements reagiert, als unterbrechungsfrei zu bezeichnen. Auch das Ausschalten kann erfolgen, indem die Spannung zwischen dem Mittelanschluss des Schaltelements und seinen weiteren Anschlüssen betrachtet wird. Wird eine Spannung Null, so hat das Schaltelement eine Verbindung hergestellt und der Halbleiterschalter kann abgeschaltet werden. Im Falle von Thyristoren kann dabei natürlich nur die Zündung beendet werden. Andere Halbleiterschalter erlauben auch ein sofortiges Abschalten. In einer bevorzugten Ausgestaltung wird hierbei ausschließlich die Spannung überwacht, d. h. für die Steuerung des Halbleiterschalters wird kein Vorwissen über das Schalten des Schaltelements oder den Zielanschluss, zu dem das Schaltelement schalten wird, verwendet. Besonders vorteilhaft ist dabei, dass die Steuerung für das Schaltelement keine Rücksicht auf den Halbleiterschalter nehmen muss oder überhaupt von diesem wissen muss. Umgekehrt muss die Steuerung des Halbleiterschalters keine Steuerbefehle von der Steuerung des Schaltelements bekommen. Schaltelement und Halbleiterschalter agieren also vollkommen getrennt voneinander. Eine unterbrechungsfreie Stromumleitung über den Halbleiterschalter ist dennoch gewährleistet. So ist es bei spielsweise möglich, dass das Schaltelement von außerhalb des Transformators gesteuert wird und eine interne Steuerung des Schaltelements gar nicht mehr gegeben ist. Im Transformator befindet sich dann lediglich eine Steuerung für den Halbleiterschalter, die von außen nicht ersichtlich ist, also „transparent” oder selbststeuernd ist. In diesem Fall erfolgt die Steuerung der Halbleiterschalter reaktiv, d. h. Veränderungen des Schaltelements werden anhand einer Messung ermittelt und es wird darauf reagiert.
Alternativ ist es auch möglich, die Steuerung des Halbleiterschalters gemeinsam mit der Steuerung des Schaltelements vorzunehmen. In diesem Fall kann beispielsweise die gemeinsame Steuerung das Schalten des Halbleiterschalters und des Schaltelements koordinieren. So könnte beispielsweise der Halbleiterschalter kurz vor dem Umschalten des Schaltelements eingeschaltet werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Ansteuerung des Schaltelements abhängig zu machen von momentanen Eigenschaften von Strom oder Spannung, beispielsweise von der Phasenlage. Hiermit kann beispielsweise erreicht werden, dass die Zeit, in der ein Windungskurzschluss durch das geschlossene Schaltelement und den leitenden Halbleiterschalter besteht, minimiert wird. Bei dieser Alternative ist der Transformator völlig selbststeuernd und ein Eingriff von außen ist nicht nötig.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuerung des Halbleiterschalters ausgestaltet, den Halbleiter wie ein Sanftstarter anzusteuern. Hierdurch wird eine weichere Kopplung ermöglicht.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind Mittel zur Bestimmung des Stroms im Bereich des Schaltelements oder Halbleiterschalters vorgesehen. Hierdurch wird ein besonders vorteilhaftes Betriebsverfahren für den Stufenschalter ermöglicht. Dabei wird ausgenutzt, dass sich nach dem Einschalten des Halbleiterschalters ein Windungskurzschluss ergibt, der unter Einfluss der Teilwicklung einen entsprechenden Kurz schlussstrom im Kreis über den Halbleiterschalter und das Schaltelement fließen lässt. Gleichzeitig fließt der Laststrom weiter über das Schaltelement, wobei die Stromrichtung über das Schaltelement für Kurzschlussstrom und Laststrom gegenläufig zueinander ist. Bevorzugt ist in Serie zum Halbleiterschalter eine Drossel vorgesehen, die den Kurzschlussstrom begrenzt. In dem Moment, in dem Kurzschlussstrom und Laststrom betragsmäßig gleich sind, d. h. in dem der Gesamtstrom über das Schaltelement gerade Null ist, wird das Schaltelement für die eigentliche Umschaltung betätigt. Dadurch wird eine stromlose Umschaltung erreicht. Kontaktgrellen, Lichtbögen und andere Probleme des Schaltens, insbesondere mechanischen Schaltens, unter Strom, werden dadurch vermieden.
Hierbei ist es vorteilhaft, wenn der Wicklungsabgriff, d. h. der Anschluss an die Sekundärwicklung, an den der Halbleiterschalter angeschlossen ist, am Ende der Sekundärwicklung ansetzt. In diesem Fall ist bei jedem Schaltvorgang, bei dem das Schaltelement anfangs nicht direkt parallel zum Halbleiterschalter liegt, d. h. bei dem das Schaltelement anfangs nicht ebenfalls auf das Ende der Sekundärwicklung geschaltet ist, gewährleistet, dass nach dem Einschalten des Halbleiterschalters ein Zeitpunkt erreicht wird, zu dem der Strom über das Schaltelement Null oder wenigstens betragsmäßig sehr klein wird.
Wenn das Schaltelement anfangs parallel mit dem Halbleiterschalter geschaltete ist, wird beim Einschalten des Halbleiterschalters kein Windungskurzschluss erzeugt. In diesem Fall wird kein Kurzschlussstrom fließen, da nur ein Kreis vom Schaltelement und Halbleiterschalter ohne einen Teil der Sekundärwicklung gebildet wird. Da der Halbleiterschalter üblicherweise einen höheren Widerstand als das Schaltelement hat bzw. keine Einsatzspannung hat, wird de Laststrom unverändert über das Schaltelement fließen. Erst der Schaltvorgang des Schaltelements führt zu einer Umleitung des Laststroms durch den Halbleiterschalter.
Eine weiteres besonders vorteilhaftes Betriebsverfahren, das in Kombination mit dem vorgenannten verwendet werden kann, ergibt sich, wenn die Umschaltung des Schaltelements genau so passiert, dass die Spannung, die sekundärseitig vom Transformator ausgegeben wird und nach Schließen des Schaltelements über dieses anliegt, genau der Spannung über den Halbleiterschalter entspricht. Dadurch wird ein Spannungssprung vermieden, der ansonsten beim Schließen des Schaltelements auftreten würde. Hierzu kann beispielsweise eine bekannte Umschaltdauer des Schaltelements mit einer Spannungsmessung kombiniert werden, um den richtigen Schaltzeitpunkt zu ermitteln.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich, wenn das Einschalten des Halbleiterschalters genau dann passiert, wenn die vom Transformator ausgegebene Spannung einen Nulldurchgang zeigt. Dies lässt sich ebenfalls durch eine Spannungsmessung ermitteln. Dadurch wird ebenfalls ein Spannungssprung beim Einschalten des Halbleiterschalters vermieden.
Besonders bevorzugt kann der Stufenschalter in einem Mittel-Niederspannungstransformator verwendet werden. Bei diesen ist es am ehesten möglich, einen besonders einfachen Aufbau mit vorhandenen Komponenten (COTS, components off the shelf) zu realisieren. Besonders vorteilhaft wirkt sich hierbei aus, dass die Halbleiterschalter den Strom immer nur kurzzeitig tragen müssen. Eine aufwändige Kühlung ist daher unnötig.
Bevorzugte, jedoch keinesfalls einschränkende Ausführungsbeispiele für die Erfindung werden nunmehr anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei sind die Merkmale schematisiert dargestellt und sich entsprechende Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen markiert. Die Figuren zeigen dabei im Einzelnen
1 einen ersten Transformator mit durchgehender Sekundär-Wicklung mit Stufenschalter,
2 ein Ablaufdiagramm für die Stufenschaltung mit dem ersten Transformator,
3 einen zweiten Transformator mit durchgehender Sekundär-Wicklung mit Stufenschalter und
4 ein Ablaufdiagramm für die Stufenschaltung mit dem zweiten Transformator.
Die Figuren nehmen Bezug auf Ausführungsbeispiele für Mittel-Niederspannungstransformatoren. Diese sind zweckmäßig dreiphasig ausgeführt. Für eine bessere Übersichtlichkeit stellen die Figuren aber nur eine einphasige Ausführung dar. Aus dem gleichen Grund weisen die Stufenschalter in den Ausführungsbeispielen lediglich drei Einstellungsmöglichkeiten für das Übersetzungsverhältnis auf, während tatsächlich Stufenschalter oft mehr als drei Übersetzungsverhältnisse einstellen können. Die Erfindung ist ebenso gut mit mehr als drei Übersetzungsverhältnissen anwendbar.
Die Spannung auf Seite der Primärwicklungen soll beispielhaft etwa 10 kV betragen, während auf der Seite der Sekundärwicklung eine Spannung 400 V (dreiphasig) ausgegeben wird.
Die 1 zeigt dabei einen Transformator 1 mit einem Stufenschalter. Der Transformator 1 weist neben einer in diesem Ausführungsbeispiel nicht weiter beachtlichen Primärwicklung eine durchgehende Sekundärwicklung auf. Die durchgehende Sekundärwicklung besteht aus einem ersten bis dritten Teil 17...19. Der erste Teil 17 umfasst dabei etwa 80% der Wicklungslänge der Sekundärwicklung, während der zweite und dritte Teil jeweils ca. 10% der Wicklungslänge umfassen. Aus den relativen Anteilen an der Sekundärwicklung ergeben sich die einstellbaren Übersetzungsverhältnisse und es ist klar, dass auch ganz andere Aufteilungen der Sekundärwicklung möglich sind. Die Teile 17, 18, 19 werden definiert durch einen ersten, zweiten und dritten Abgriff 2, 3, 4, wobei der erste Abgriff 2 bei etwa 80% der Wicklungslänge der Sekundärwicklung liegt, der zweite Abgriff 3 bei etwa 90% der Wicklungslänge der Sekundärwicklung liegt und der dritte Abgriff 4 am Ende der Sekundärwicklung. Mit dem Anfang der Sekundärwicklung ist die erste Ausgangsleitung 11 des Transformators 1 verbunden.
Die zweite Ausgangsleitung 12 des Transformators 1 ist auf komplexere Weise mit den Abgriffen 2, 3, 4 verbunden, um die Stufenschaltung zu realisieren.
Eine erste Verbindung 16 ist zwischen der zweiten Ausgangsleitung 12 und dem zweiten Abgriff 3 realisiert. Die erste Verbindung 16 führt dabei über einen Thyristorkreis 5, der aus zwei antiparallel geschalteten Thyristoren besteht. Der Aufbau aus zwei Thyristoren ist hierbei beispielhaft. Je nach erwarteter Belastung kann hier einer der Thyristoren repräsentierend stehen für jeweils eine Reihenschaltung und/oder Parallelschaltung aus mehreren tatsächlichen Thyristorelementen. Auch können hier statt der Thyristoren andere Elemente wie IGBTs, GTOs o. ä. verwendet werden.
Weiterhin ist ein mechanischer Schalter 20 vorgesehen, dessen Mittelanschluss mit der zweiten Ausgangsleitung 12 verbunden ist. Der Schalter 20 kann eine Verbindung zwischen seinem Mittelanschluss und einer zweiten, dritten oder vierten Verbindung 13, 14, 15 herstellen. Die zweite Verbindung 13 verbindet den ersten Abgriff 2 und einen der Anschlüsse des mechanischen Schalters 20. Die dritte Verbindung 14 verbindet den zweiten Abgriff 3 mit einem weiteren Anschluss des Schalters und die dritte Verbindung 15 verbindet den dritten Abgriff 4 mit einem letzten Anschluss des mechanischen Schalters 20.
An jeder der Verbindungen 14, 15, 16 sowie an der Ausgangsleitung 12 ist ein Messpunkt 7...10 vorgesehen. Eine Steuerung 6 ist weiterhin vorgesehen. Die Steuerung 6 kann die Spannung an den Messpunkten 7...10 ermitteln und anhand der ermittelten Werte den Thyristorkreis 5 steuern.
Der Ablauf einer beispielhaften Lastumschaltung mit dem Aufbau gemäß 1 wird nun anhand von 2 erläutert. Es wird in einem ersten Schritt 21 davon ausgegangen, dass der mechanische Schalter 20 eine Verbindung zwischen der zweiten Ausgangsleitung 12 und der zweiten Verbindung 13 herstellt.
Der Stromweg 26 führt also von der ersten Ausgangsleitung 11 über den ersten Teil 17 der Sekundärwicklung und die zweite Verbindung 13 zur zweiten Ausgangsleitung 12. Es werden dabei also ca. 80% der Sekundärwicklung verwendet. Die Thyristoren sind nicht gezündet.
In einem zweiten Schritt 22 wird eine Umschaltung durchgeführt. Dabei schaltet der mechanische Schalter 20 zwischen seinen Anschlüssen so um, dass anstelle des ersten Abgriffs 2 der zweite Abgriff 3 mit der zweiten Ausgangsleitung 12 verbunden wird. Während der Umschaltung übernimmt der Thyristorkreis 5 den Strom. Dies passiert unterbrechungsfrei, wobei die genaue Schaltung beispielhaft weiter unten dargestellt wird. Der Stromweg führt also während der Umschaltung von der ersten Ausgangsleitung 11 über den ersten Teil 17 der Sekundärwicklung und den zweiten Teil 18 der Sekundärwicklung. Weiter führt er über die erste Verbindung 16 und damit den Thyristorkreis 5 zur zweiten Ausgangsleitung 12. Es werden dabei also ca. 90% der Sekundärwicklung verwendet. Da der Thyristorkreis 5 in diesem Beispiel fest parallel zur dritten Verbindung 14 angeordnet ist, werden beim Umschalten immer ca. 90% der Sekundärwicklung verwendet. Sollte in einer alternativen Ausführungsmöglichkeit immer während des Umschaltens schon so viel von der Sekundärwicklung verwendet werden, wie nach dem Umschalten geplant ist, so muss mindestens ein weiterer beispielsweise mechanischer Schalter vorgesehen werden, der ein Umschalten der Zuordnung zwischen Thyristorkreis 5 und Abgriff 2, 3, 4 erlaubt. Sobald der mechanische Schalter 20 umgeschaltet hat, wird die Zündung des Thyristorkreises 5 beendet.
Nach dem Umschalten ergibt sich der Zustand, der im dritten Schritt 23 verwendet wird. Hierbei werden ca. 90% der Sekundärwicklung verwendet und der Stromweg führt von der ersten Ausgangsleitung 11 über den ersten und zweiten Teil 17, 18 der Sekundärwicklung und die dritte Verbindung 14 zur zweiten Ausgangsleitung 12.
In einem vierten Schritt 24 wird wieder eine Umschaltung durchgeführt. Dabei schaltet der mechanische Schalter 20 zwischen seinen Anschlüssen so um, dass anstelle des zweiten Abgriffs 3 der dritte Abgriff 4 mit der zweiten Ausgangsleitung 12 verbunden wird. Während der Umschaltung übernimmt wiederum der Thyristorkreis 5 den Strom. Der Stromweg führt also während der Umschaltung von der ersten Ausgangsleitung 11 über den ersten Teil 17 der Sekundärwicklung und den zweiten Teil 18 der Sekundärwicklung. Weiter führt er über die erste Verbindung 16 und damit den Thyristorkreis 5 zur zweiten Ausgangsleitung 12. Es werden dabei also wiederum ca. 90% der Sekundärwicklung verwendet. Sobald der mechanische Schalter 20 umgeschaltet hat, wird die Zündung des Thyristorkreises 5 beendet.
Nach dem Umschalten ergibt sich der Zustand, der im fünften Schritt 23 verwendet wird. Hierbei wird die ganze Länge der Sekundärwicklung verwendet und der Stromweg führt von der ersten Ausgangsleitung 11 über den ersten, zweiten und dritten Teil 17, 18, 19 der Sekundärwicklung und die vierte Verbindung 15 zur zweiten Ausgangsleitung 12.
Weitere Umschaltungen werden analog ausgeführt. Dabei muss der mechanische Schalter 20 nicht zwischen benachbart liegenden Abgriffen 2, 3, 4 umschalten, sondern die Umschaltung kann zwischen beliebigen der Abgriffe erfolgen, also beispielsweise direkt vom ersten Abgriff 2 zum dritten Abgriff 4 oder umgekehrt.
Für die Ansteuerung des Stufenschalters gibt es eine Mehrzahl von verschiedenen Möglichkeiten. Eine bevorzugte Möglichkeit für die Ansteuerung besteht darin, dass der Stufenschalter eine Steuereinrichtung besitzt, die anhand einer Spannungsmessung feststellt, dass eine Umschaltung nötig ist und den mechanischen Schalter 20 veranlasst, umzuschalten. Sehr vorteilhaft ist es, wenn die Steuerung 6 für den Thyristorkreis 5 unabhängig davon arbeitet, also sich die Steuereinrichtung für den mechanischen Schalte 20 nicht um den Thyristorkreis 5 kümmern muss. Dazu misst die Steuerung 6 die Spannungen zwischen dem Messpunkt 10 auf der zweiten Ausgangsleitung 12 und den Messpunkten 7...9 auf den Verbindungen 13...15. In einem längerfristigen Betriebszustand, d. h. im ersten, dritten oder fünften Schritt 21, 23, 25 ist eine der Spannungen Null, da der Schalter 20 zu einer der Verbindungen 13...15 geschlossen ist. Bei einer Umschaltung entsprechend dem zweiten oder vierten Schritt 22, 24 wird der mechanische Schalter 20 geöffnet, so dass alle gemessenen Spannungen ungleich 0 werden. Die Steuerung 6 zündet dann die Thyristoren des Thyristorkreises 5, so dass diese den fließenden Strom übernehmen können. Die Steuerung 6 hält die Thyristoren solange gezündet, bis der mechanische Schalter 20 wieder geschlossen ist, also eine Verbindung zu einem der Abgriffe wieder hergestellt ist. In diesem Fall wird eine der Spannungen wieder Null, was von der Steuerung 6 festgestellt wird und zur Beendigung der Zündung führt. Die Steuerung 6 für die Halbleiterschalter arbeitet also nur basierend auf der Spannungsmessung und die Steuereinrichtung für den mechanischen Schalter steuert auch nur den mechanischen Schalter ohne Rücksicht auf die Halbleiterschalter. Die beiden Steuerungen funktionieren also völlig unabhängig voneinander. Dies kann beispielsweise vorteilhaft sein, wenn eine Ansteuerung des Stufenschalters von außen, d. h. von außerhalb des Transformators erfolgen soll. Ein Befehl zum Umschalten kann dann nämlich von außen entgegengenommen und vom mechanischen Schalter durchgeführt werden, wobei die Schaltung der Halbleiterschalter durch die Steuerung 6 automatisch richtig durchgeführt wird. Ein Wissen über die Halbleiterschalter oder deren Steuerung von außen ist nicht erforderlich.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Steuerung 6 sowohl für die Steuerung der Halbleiterschalter als auch des mechanischen Schalters 20 auszulegen. In diesem Fall kann die Steuerung 6 auch teilweise oder ganz ohne die Spannungsmessung für die Schaltung der Halbleiterschalter auskommen, da die Zeitpunkte für das Schalten des mechanischen Schalters 20 der Steuerung 6 bekannt sind. Damit ist es beispielsweise möglich, die Zündung der Thyristoren beispielsweise eine kurze Zeit vor dem eigentlichen Schaltvorgang durchzuführen. In weiteren Alternativen könnte beispielsweise die Spannungsmessung nur für das Ausschalten der Zündung verwendet werden oder nur für das Einschalten.
Ein zweites Ausführungsbeispiel für die Erfindung wird nun anhand von 3 erläutert. Dabei kommt eine Sekundärwicklung beim Transformator 50 zum Einsatz, die nicht mehr als durchgehende Wicklung ausgeführt ist. Vielmehr besteht die Sekundärwicklung in diesem Fall aus einem ersten und zweiten, jeweils separaten Wicklungsteil 33, 34. Der zweite Wicklungsteil 34 umfasst dabei etwa 10% der Wicklungslänge des ersten Wicklungsteils 33. Auch hier ist klar, dass auch ganz andere Aufteilungen der Sekundärwicklung möglich sind. An den Wicklungsteilen 33, 34 sind ein erster, zweiter und dritter Wicklungsabgriff 38...40 vorgesehen, wobei der erste Wicklungsabgriff 38 am Ende des ersten Wicklungsteils 33 liegt, der zweite Wicklungsabgriff 39 am Beginn des zweiten Wicklungsteils 34 und der dritte Wicklungsabgriff 40 am Ende des zweiten Wicklungsteils 34. Mit dem Anfang des ersten Wicklungsteils 33 ist die erste Ausgangsleitung 31 des Transformators 1 verbunden. Die zweite Ausgangsleitung 32 des Transformators 50 ist auf komplexere Weise mit den Abgriffen Wicklungsabgriffen 38...40 verbunden, um die Stufenschaltung zu realisieren.
Eine erste Verbindung 51 ist zwischen der zweiten Ausgangsleitung 32 und dem ersten Wicklungsabgriff 38 realisiert. Die erste Verbindung 51 führt dabei über einen Thyristorkreis 37, der aus zwei antiparallel geschalteten Thyristoren besteht. Der Aufbau aus zwei Thyristoren ist auch hier hierbei beispielhaft.
Weiterhin ist ein erster Schalter 35 vorgesehen, dessen Mittelanschluss mit der zweiten Ausgangsleitung 32 verbunden ist. Der erste Schalter 35 kann eine Verbindung zwischen seinem Mittelanschluss und einem ersten oder zweiten Anschluss- Punkt 35a, b herstellen. Der erste Anschlusspunkt 35a des ersten Schalters 35 ist direkt verbunden mit einem ersten Anschlusspunkt 36a eines zweiten Schalters 36. Der zweite Anschlusspunkt 35b des ersten Schalters 35 ist direkt verbunden mit einem zweiten Anschlusspunkt 36b des zweiten Schalters 36. Der Mittelanschluss des zweiten Schalters 26 ist verbunden mit dem ersten Wicklungsabgriff 38. Der erste Anschlusspunkt 35a, 336a beider Schalter 35, 36 ist verbunden mit dem zweiten Wicklungsabgriff 39 und somit mit dem Anfang des zweiten Wicklungsteils 34, während das Ende des zweiten Wicklungsteils 34, d. h. der dritte Wicklungsabgriff 40 mit dem zweiten Anschlusspunkt 35b, 36b der beiden Schalter 35, 36 verbunden ist.
Mit dem Aufbau gemäß der Figur lässt sich beispielhaft ein relatives Übersetzungsverhältnis von ca. 0,9, 1 und 1,1 erreichen, wobei nur ein separater zweiter Wicklungsteil 34 nötig ist. Dabei wird wie im Folgenden beschrieben anhand von 4 der zweite Wicklungsteil 34 zu bestimmten Zeiten in umgekehrter Anschlusspolarität verwendet. 4 zeigt anhand von einem ersten bis neunten Schritt 41...49 die Lastumschaltung mit dem Aufbau gemäß der 3.
Es wird in einem ersten Schritt 41 davon ausgegangen, dass der erste Schalter 35 eine Verbindung zwischen der zweiten Ausgangsleitung 32 und seinem ersten Anschlusspunkt 35a herstellt, während der zweite Schalter 36 eine Verbindung zwischen dem ersten Wicklungsabgriff 38 und seinem zweiten Anschlusspunkt 36b herstellt. Die Schalterstellungen stellen letztlich eine Verbindung zwischen der zweiten Ausgangsleitung 32 und dem zweiten Wicklungsabgriff 39 sowie zwischen dem dritten Wicklungsabgriff 40 und dem ersten Wicklungsabgriff 38 her. Der Stromweg 52 im ersten Schritt 41 führt also von der ersten Ausgangsleitung 31 über den ersten Wicklungsteil 33 der Sekundärwicklung, über den zweiten Schalter 36 und den dritten Wicklungsabgriff 40 durch den zweiten Wicklungsteil 34 und von dort aus über den zweiten Wicklungsabgriff 39 und den ersten Schalter 35 zur zweiten Ausgangslei tung 32. In diesem Fall ist die Verschaltung so, dass der zweite Wicklungsteil 34 „rückwärts” betrieben wird, also in gegenläufigem Sinne zum ersten Wicklungsteil 33. Im Ergebnis bedeutet das, dass das Übersetzungsverhältnis des Transformators 50 so ist, als würde nur etwa 90% der Sekundärwicklung verwendet.
In einem zweiten Schritt 42 wird eine Umschaltung durchgeführt. Dabei schaltet der erste Schalter 35 zwischen seinen Anschlüssen 35a, b um, so dass nun anstelle des zweiten Wicklungsabgriffs 39 der erste Wicklungsabgriff 38 mit der zweiten Ausgangsleitung 32 verbunden wird. Während der Umschaltung übernimmt der Thyristorkreis 37 den Strom. Dies passiert wiederum zweckmäßig unterbrechungsfrei, wobei bezüglich der Ansteuerung der Thyristoren die gleichen Vorgehensweisen möglich sind wie beim Beispiel gemäß der 1. Der Stromweg führt also während der Umschaltung von der ersten Ausgangsleitung 11 über den Wicklungsteil 33 und den Thyristorkreis 37 zur zweiten Ausgangsleitung 32. Es wird dabei also der erste Wicklungsteil 33 zu 100% verwendet. Sobald der erste Schalter 35 umgeschaltet hat, wird die Zündung des Thyristorkreises 37 beendet.
Nach dem Umschalten ergibt sich der Zustand, der im dritten Schritt 43 verwendet wird. Hierbei werden 100% des ersten Wicklungsteils 33 verwendet und der Stromweg führt von der ersten Ausgangsleitung 11 über den ersten Wicklungsteil 33 und die direkte Verbindung zwischen den zweiten Anschlusspunkten 35b, 36b der beiden Schalter 35, 36 zur zweiten Ausgangsleitung 32. Der zweite Wicklungsteil 34 ist in diesem Fall nur einseitig verbunden und wird nicht verwendet.
In einem vierten Schritt 44 wird eine weitere Umschaltung durchgeführt. Dabei schaltet diesmal der zweite Schalter 36 zwischen seinen Anschlüssen 36a, b um, so dass nun anstelle der direkten Verbindung zwischen den zweiten Anschlusspunkten 35b, 36b der beiden Schalter 35, 36 eine Verbindung zwischen dem ersten und zweiten Wicklungsabgriff 38, 39 hergestellt wird. während der Umschaltung übernimmt der Thyristorkreis 37 wieder den Strom. Der Stromweg führt während der Umschaltung wieder von der ersten Ausgangsleitung 11 über den Wicklungsteil 33 und den Thyristorkreis 37 zur zweiten Ausgangsleitung 32. Es wird dabei also der erste Wicklungsteil 33 zu 100% verwendet. Sobald der zweite Schalter 36 umgeschaltet hat, wird die Zündung des Thyristorkreises 37 beendet.
Nach dem Umschalten ergibt sich der Zustand, der im fünften Schritt 45 verwendet wird. Der Stromweg führt von der ersten Ausgangsleitung 11 über den ersten Wicklungsteil 33 und die direkte Verbindung zwischen dem ersten und zweiten Wicklungsabgriff 38, 39 durch den zweiten Schalter 36 über den zweiten Wicklungsteil 34 und von dort zur zweiten Ausgangsleitung 32. Der zweite Wicklungsteil 34 wird in diesem Fall also in Reihe und gleichlaufend zum ersten Wicklungsteil 33 verwendet, so dass in diesem Schritt 45 effektiv etwa 110% der Wicklungslänge des ersten Wicklungsteils 33 verwendet wird.
In einem sechsten Schritt 46 wird eine weitere Umschaltung durchgeführt. Diesmal schaltet der erste Schalter 35 zwischen seinen Anschlüssen 35a, b um, so dass nun anstelle des zweiten Wicklungsabgriffs 39 der erste Wicklungsabgriff 38 mit der zweiten Ausgangsleitung 32 verbunden wird. Während der Umschaltung übernimmt der Thyristorkreis 37 den Strom. Der Stromweg führt also während der Umschaltung von der ersten Ausgangsleitung 11 über den Wicklungsteil 33 und den Thyristorkreis 37 zur zweiten Ausgangsleitung 32. Es wird dabei also der erste Wicklungsteil 33 zu 100% verwendet. Sobald der erste Schalter 35 umgeschaltet hat, wird die Zündung des Thyristorkreises 37 beendet.
Nach dem Umschalten ergibt sich der Zustand, der im siebten Schritt 47 verwendet wird. Hierbei werden 100% des ersten Wicklungsteils 33 verwendet und der Stromweg führt von der ersten Ausgangsleitung 11 über den ersten Wicklungsteil 33 und die direkte Verbindung zwischen den ersten Anschlusspunkten 35a, 36a der beiden Schalter 35, 36 zur zweiten Ausgangs leitung 32. Der zweite Wicklungsteil 34 ist in diesem Fall nur einseitig verbunden und wird nicht verwendet.
In einem achten Schritt 48 wird eine weitere Umschaltung durchgeführt. Dabei schaltet diesmal der zweite Schalter 36 zwischen seinen Anschlüssen 36a, b um, so dass nun anstelle der direkten Verbindung zwischen den ersten Anschlusspunkten 35a, 36a der beiden Schalter 35, 36 eine Verbindung zwischen dem ersten und dritten Wicklungsabgriff 38, 40 hergestellt wird. Während der Umschaltung übernimmt der Thyristorkreis 37 wieder den Strom. Der Stromweg führt während der Umschaltung wieder von der ersten Ausgangsleitung 11 über den Wicklungsteil 33 und den Thyristorkreis 37 zur zweiten Ausgangsleitung 32. Es wird dabei also der erste Wicklungsteil 33 zu 100% verwendet. Sobald der zweite Schalter 36 umgeschaltet hat, wird die Zündung des Thyristorkreises 37 beendet. Nach dem Umschalten ergibt sich im neunten Schritt 49 wieder der Ausgangszustand, der also auch im ersten Schritt 41 verwendet wurde.

Claims

Stufenschalter für Mittel-Niederspannungstrafos (1, 50) mit – einer ersten Teilwicklung (17, 33), – wenigstens einer zweiten Teilwicklung (18, 19, 34), – wenigstens einem Schaltelement (20, 35, 36) zur Schaltung der elektrischen Verbindung eines Mittelanschlusses mit einem von wenigstens zwei Anschlüssen (35a, b, 36a, b), wobei die Anschlüsse (35a, b, 36a, b) wenigstens teilweise mit der ersten oder zweiten Teilwicklung (17...19, 33, 34) verbunden sind, und – wenigstens einem Halbleiterschalter (5, 37), der elektrisch eingangsseitig mit dem Mittelanschluss des Schaltelements (20, 35, 36) und ausgangsseitig mit einem der Anschlüsse (35a, b, 36a, b) verbunden ist.
Stufenschalter gemäß Anspruch 1, bei dem weiterhin Mittel zur Bestimmung eines den Schaltzustand des Schaltelements (20, 35, 36) repräsentierenden Werts vorgesehen sind.
Stufenschalter gemäß Anspruch 2, bei dem die Mittel zur Bestimmung eines den Schaltzustand des Schaltelements (20, 35, 36) repräsentierenden Werts Mittel zur Bestimmung der Spannung zwischen dem Mittelanschluss und einem der Anschlüsse (35a, b, 36a, b) umfassen.
Stufenschalter gemäß Anspruch einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Schalelement (20, 35, 36) ein mechanischer Schalter (20, 35, 36) ist.
Stufenschalter gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Schaltelement (20, 35, 36) eine offene Schalterstellung aufweist, in der keine Verbindung hergestellt wird.
Stufenschalter gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Halbleiterschalter (5, 37) zwei antiparallel geschaltete Halbleiterschaltelemente umfasst.
Stufenschalter gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Teilwicklungen (17...19) Teile einer zusammenhängenden Transformatorwicklung sind, die wenigstens zwei Abgriffe (2...4) aufweist.
Stufenschalter gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Teilwicklungen (33, 34) getrennte Wicklungen sind.
Stufenschalter gemäß Anspruch 8 mit zwei Schaltelementen (35, 36).
Stufenschalter gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Halbleiterschalter (5, 37) abschaltbare Halbleiterschaltelemente aufweist, insbesondere Transistoren, GTOs oder IGCTs.
Stufenschalter gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem als Halbleiterschalter (5, 37) ein Thyristorkreis (5, 37) vorgesehen ist.
Stufenschalter gemäß einem der Ansprüche 2 bis 11, bei dem die Steuerung des Halbleiterschalters (5, 37) unabhängig von der Steuerung des Schaltelements (20, 35, 36) realisiert wird, indem ein Einschalten und Ausschalten des Halbleiterschalters (5, 37) anhand des Schaltzustandes des Schaltelements (20, 35, 36) bewirkt wird.
Stufenschalter gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Steuerung des Halbleiterschalters (5, 37) ausgestaltet ist, den Halbleiterschalter (5, 37) wie ein Sanftstarter anzusteuern.
Stufenschalter gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, derart ausgestaltet, dass das Einschalten des Halbleiterschalters (5, 37) phasengesteuert erfolgt, so dass eine Kurzschlussdauer der Teilwicklungen (17...19, 33, 34) minimiert wird.
Stufenschalter gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem Mittel zur Bestimmung des Stroms im Bereich des Schaltelements (20, 35, 36) oder Halbleiterschalters (5, 37) vorgesehen sind.
Stufenschalter gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem in Serie zum Schaltelement (20, 35, 36) und/oder Halbleiterschalter (5, 37) eine Induktivität oder ein Widerstand vorgesehen ist.
Mittel-Niederspannungstransformator (1, 50) mit einem Stufenschalter gemäß einem der vorangehenden Ansprüche.
Verfahren zum Betrieb eines Stufenschalters für Mittel-Niederspannungstrafos (1, 50) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Laststrom über ein Schaltelement (20, 35, 36) für eine Lastumschaltung geführt wird und ermittelt wird, wann eine Lastumschaltung erforderlich ist, und für die Lastumschaltung: – ein Halbleiterschalter (5, 37) eingeschaltet wird, um den Laststrom während des Umschaltens des Schaltelements (20, 35, 36) zu übernehmen, – wenn der Strom durch das Schaltelement (20, 35, 36) Null wird, die Umschaltung des Schaltelements (20, 35, 36) vorgenommen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 18, bei dem der Strom durch das Schaltelement (20, 35, 36) gemessen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 18 oder 19, bei dem das Einschalten des Halbleiterschalters (5, 37) vorgenommen wird, wenn die Spannung über den Halbleiterschalter (5, 37) gerade Null ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 18 bis 20, bei dem die Umschaltung des Schaltelements (20, 35, 36) derart vorgenommen wird, dass das Schließen des Schaltelements (20, 35, 36) zu einem Zeitpunkt passiert, an dem die Spannung über das Schaltelement (20, 35, 36) der Spannung über den eingeschalteten Halbleiterschalter (5, 37) entspricht.