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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Laststufenschalter zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen verschiedenen Wicklungsanzapfungen eines Stufentransformators gemäß dem Oberbegriff des ersten Patentanspruches.
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Laststufenschalter sind seit vielen Jahren zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen verschiedenen Wicklungsanzapfungen von Stufentransformatoren in großen Zahlen weltweit im Einsatz. Solche Laststufenschalter bestehen üblicherweise aus einem Wähler zur leistungslosen Anwahl der jeweiligen Wicklungsanzapfung des Stufentransformators, auf die umgeschaltet werden soll, und einem Lastumschalter zur eigentlichen Umschaltung von der bisherigen auf die neue, vorgewählte Wicklungsanzapfung. Der Lastumschalter weist dazu üblicherweise Schaltkontakte und Widerstandskontakte auf. Die Schaltkontakte dienen dabei zur direkten Verbindung der jeweiligen Wicklungsanzapfung mit der Lastableitung, die Widerstandskontakte zur kurzzeitigen Beschaltung, d. h. Überbrückung mittels eines oder mehrerer Überschaltwiderstände. Die Entwicklungen der letzten Jahre führten jedoch weg von Lastumschaltern mit mechanischen Schaltkontakten im Isolieröl. Stattdessen werden vermehrt Vakuumschaltzellen als Schaltelemente eingesetzt. Zukünftig werden auch Halbleiterschaltelemente zum Einsatz kommen!
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Bei einer besonderen Gattung von Laststufenschaltern, den so genannten Lastwählern, sind die beschriebenen Mittel zur Anwahl einer neuen Wicklungsanzapfung und die Mittel zur eigentlichen Lastumschaltung baulich vereinigt und werden gemeinsam betätigt.
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Abhängig vom Umschaltprinzip und der konstruktiven Bauart des jeweiligen Laststufenschalters ist entweder der gesamte Laststufenschalter, mindestens jedoch der dann separate Lastumschalter in einem vom Transformatoröl separierten Ölgefäß montiert. Das Öl dient dabei sowohl zur elektrischen Isolation bzw. Erhöhung der dielektrischen Festigkeit zwischen spannungstragenden Teilen am Stufenschalter, als auch zur gleichzeitigen Kühlung thermisch stark beanspruchter Bauteile, wie beispielsweise den Überschaltwiderständen, während der eigentlichen Umschaltung. Außerdem dient das Öl zur besseren Lichtbogenlöschung und reduziert im Betrieb die aufzuwendende mechanische Energie aufgrund der guten Schmiereigenschaft. Die kühlende Wirkung des Isolieröls ist auch erforderlich, da während der Umschaltung am Übergangswiderstand (ggf. Drossel) eine hohe Wärmeenergie erzeugt und über das Öl abgeführt wird.
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Bestimmte Anwendungsgebiete eines Laststufenschalters erfordern jedoch ein häufiges Umschalten zwischen den Wicklungsanzapfungen des Stufentransformators aufgrund häufiger Regelung oder unvorhergesehenen Störungssituationen. Die häufigen Umschaltungen pro Zeiteinheit könnten das Isolieröl im Stufenschalterölgefäß über die technisch zulässigen Grenzwerte erwärmen. Trotz Erfüllung der Temperaturgrenzwerte einschlägiger Normen können spezielle praktische Anwendungsfälle ohne zusätzliche Maßnahme nicht abgedeckt werden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demnach, einen Laststufenschalter anzugeben, der trotz einer Vielzahl vollzogener Schaltungen innerhalb einer relativ kurzen Zeitperiode keine Überschreitung der Grenzwerte der Isolieröltemperatur innerhalb des Ölgefäßes aufweist.
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Diese Aufgabe wird durch einen Laststufenschalter mit den Merkmalen des ersten Patentanspruches gelöst. Die Unteransprüche betreffen besonders vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
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Die allgemeine erfinderische Idee besteht darin, im Bereich des Stufenschalterkopfes eine mit einem separat zirkulierenden Kühlmedium durchströmbare Kühleinrichtung vorzusehen, die als geschlossener Kühlkreislauf ausgebildet ist und mittels der die überschüssige Wärmeenergie aus dem Isolieröl des Ölgefäßes des Laststufenschalters abgeführt werden kann. Die abgeführte Wärmeenergie kann über handelsübliche Komponenten an die Umgebung (z. B. Fluid-Luft-Wärmetauscher) oder an andere Kühlmedien (z. B. Fluid-Fluid-Wärmetauscher) abgegeben werden. Indem nun die Temperatur des Isolieröls im Ölgefäß durch die zusätzlich vorgesehene Kühleinrichtung, die nach Art eines Wärmetauschers funktioniert, auf einem definierbar niedrigen Niveau gehalten wird, ist es mit dem erfindungsgemäßen Laststufenschalter jetzt möglich, eine Vielzahl von Wicklungsanzapfungen des Stufentransformators innerhalb einer kurzen Zeitperiode zu durchschalten und dennoch eine ausreichende Kühlung der thermisch belasteten Bauteile des Laststufenschalters sicherzustellen. Da auf Grund der natürlichen Konvektion innerhalb des Ölgefäßes der Kühlkörper zwangsweise von dem nach oben steigenden wärmeren Isolieröl umströmt wird, gewährleistet die gezielte Positionierung der Kühleinrichtung im oberen Bereich des Ölgefäßes des Laststufenschalters eine zusätzliche Effizienzsteigerung des Wärmeaustausches zwischen kaltem Kühlmedium und warmen Isolieröl. Je nach vorhandenem Temperaturunterschied zwischen Kühlmedium und Isolieröl kann die Kühleffizienz sowohl über den Volumenstrom des Kühlmediums, als auch die Temperatur des Selbigen gezielt gesteuert werden. Als Kühlmedien können grundsätzlich alle Fluide verwendet werden, die eine große spezifische Wärmekapazität aufweisen, insbesondere das Isolieröl selbst.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Kühlkörper der Kühleinrichtung als eine im Isolieröl des Ölgefäßes eingetauchte Spirale ausgebildet, wobei die jeweiligen Enden der Spirale einmal den Zufluss und das andere mal den Abfluss für das Kühlmedium bilden. Durch die spiralförmige Ausgestaltung des Kühlkörpers wird eine Vergrößerung der mit warmen Isolieröl umströmbaren Oberfläche geschaffen, was zu einer Steigerung der Kühlleistung der Kühleinrichtung beiträgt. Für spezielle Anwendungen, die ein sehr häufiges Umschalten zwischen den verschiedenen Wicklungsanzapfungen des Stufentransformators erforderlich machen, kann die spiralförmige Ausgestaltung des Kühlkörpers im Rahmen dieser Ausführungsform auch doppelt, oder mehrfach, d. h. drei-, vier- oder fünffach, ausgeführt werden. Neben der Gesamtanzahl der Spiralen kann die Kühleffizienz der Kühleinrichtung zudem über die Anzahl der einzelnen Windungen der jeweiligen Spirale beeinflusst werden. Die Kühleinrichtung ist daher weder auf die in diesem Ausführungsbeispiel abgebildete Anzahl der Spiralen, noch der dargestellten Anzahl der Windungen begrenzt.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Kühleinrichtung mit separat zirkulierendem Kühlmedium in den am Laststufenschalter angeordneten Schirmringen integriert. Derartige Schirmringe für Laststufenschalter sind beispielsweise aus der auf die Anmelderin zurückgehenden
DE 10011966 bekannt. Die Integration der Kühleinrichtung in die ohne hin vorhanden Schirmringe des Laststufenschalters bietet durch die funktionale Zusammenführung von kühlenden und dielektrischen Eigenschaften in einem einzigen Bauteil, nämlich den weiterentwickelten Schirmringen, eine besonders platzsparende Lösung für die zusätzlich vorgesehene Kühleinrichtung mit separatem Kühlmedium.
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Nach einer nochmals weiteren Ausführungsform ist die zusätzliche Kühleinrichtung als ein in der seitlichen Wandung des Stufenschalterkopfes integriertes umlaufendes Rohrleitungssystem ausgebildet. Da in dieser Ausführungsform keine zusätzlichen Zu- bzw. Ableitungen für das zirkulierende Kühlmedium des Kühlkörpers innerhalb des Ölgefäßes geführt werden müssen und zudem kein separater Kühlkörper im Ölgefäß vorgesehen ist, wird hierdurch ein besonders einfacher Ein- und Ausbau des Lastumschaltereinsatzes im Wartungsfall möglich.
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Nach einer wiederum weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die zusätzliche Kühleinrichtung als Kühlschlange an dem das separate Ölgefäß nach oben hin abdichtenden Deckel des Laststufenschalters angeordnet. Die schlangenartige Ausgestaltung der Kühleinrichtung führt zu einer Vergrößerung der mit warmen Isolieröl in Kontakt tretenden Oberfläche und damit zu einer Verbesserung der Kühlleistung der Kühleinrichtung. Auf besonders einfache Weise können die Anschlüsse für den Zu- bzw. Abfluss des separaten Kühlmediums ebenfalls durch den Deckel nach außen geführt werden.
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Zwar ist es beispielsweise bereits aus der
DE 10 2008 003 672 oder der
WO 01/37292 bekannt, das Isolieröl von Stufentransformatoren mittels extern angebrachten Kühlradiatoren und mit diesen zusammenwirkenden weiteren Lüftern zu kühlen, jedoch eignet sich das Verfahren in mehrfacher Hinsicht nicht für den Einsatz bei Laststufenschaltern. Erfindungsgemäß wird nicht, wie aus dem Stand der Technik bekannt, das Isolieröl selbst gekühlt, sondern ein Wärmeaustausch über die zusätzliche Kühleinrichtung mit separaten Kühlmedium erzwungen. So muss in beiden genannten Publikationen mittels einer aufwändigen Pumpenkonstruktion sichergestellt werden, dass ein Zwangsaustausch zwischen dem in den Kühlradiatoren befindlichen Isolieröl einerseits und dem restlichen, weitaus größeren Volumen des Isolieröls, welches sich noch im Transformatortank befindet, stattfindet. Zudem gilt es zu berücksichtigen, dass beim Ein- bzw. Ausschalten der Pumpenkonstruktion Druckschwankungen innerhalb des Isolieröls auftreten, die mit dem Stufenschalter in Wirkverbindung stehende Schutzeinrichtungen fehlauslösen könnten. Durch die erfindungsgemäße Lösung, im Bereich des Stufenschalterkopfes eine mit einem separat zirkulierenden Kühlmedium durchströmbare Kühleinrichtung vorzusehen, die als geschlossener Kühlkreislauf ausgebildet ist und mittels der die überschüssige Wärmeenergie aus dem Isolieröl des Ölgefäßes des Laststufenschalters abgeführt werden kann, werden diese Nachteile wirkungsvoll vermieden und erstmals eine für einen Laststufenschalter einsetzbare Kühleinrichtung geschaffen.
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Die Erfindung soll nachstehend beispielhaft an Hand von Zeichnungen noch näher erläutert werden.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Teiles eines erfindungsgemäßen Laststufenschalters mit Kühlungseinrichtung
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2a und 2b eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Laststufenschalters mit Kühlungseinrichtung
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3a und 3b eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Laststufenschalters mit Kühlungseinrichtung
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4 eine nochmals weitere bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Laststufenschalters mit Kühleinrichtung.
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Ein in 1 aus Übersichtlichkeitsgründen nur zum Teil gezeigter Laststufenschalter zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen verschiedenen Wicklungsanzapfungen eines Stufentransformators weist einen im wesentlichen flanschartig ausgebildeten Stufenschalterkopf 1 sowie ein sich am unteren Ring des Stufenschalterkopfes 1 abdichtend anschließendes Ölgefäß 2 auf, das als dielektrischer Isolierstoffzylinder ausgebildet ist. Innerhalb des separierten Ölgefäßes 2, vollständig eingetaucht im Isolieröl, befindet sich der in dieser Darstellung nicht erkennbare eigentliche Laststufenschalter. Im Bereich des Stufenschalterkopfes 1, an dessen inneren seitlichen Wandung des unteren Rings, ist eine als doppelte Spirale ausgebildete erfindungsgemäße Kühleinrichtung 3 angeordnet, die mit einem separat zirkulierenden Kühlmedium durchströmbar ist, so dass damit die überschüssige Wärmeenergie nach dem physikalischen Prinzip des Wärmeaustausches aus dem Isolieröl des Ölgefäßes 2 abgeführt werden kann. Über entsprechende Rohrleitungsanschlüsse 4.1 und 4.2, die am Flanschring des Stufenschalterkopfes 1 angeordnet sind, wird eine Versorgung der Kühleinrichtung 3 mit separatem Kühlmedium sichergestellt. Je nach vorhandenem Temperaturunterschied zwischen Kühlmedium und Isolieröl kann die Kühleffizienz sowohl über den Volumenstrom des separaten Kühlmediums, als auch die Temperatur des Selbigen gezielt gesteuert werden. Auf Grund der auftretenden natürlichen Konvektion, d. h. dem Aufstieg des warmen Isolieröls innerhalb des Ölgefäßes 2, ist durch die gezielte Positionierung der Kühleinrichtung 3 im Bereich des Stufenschalterkopfes 1 sichergestellt, dass diese stets vom warmen Isolieröl zwangsumspült wird.
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Die
2a und
2b zeigen eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, bei der die Kühleinrichtung
3 in wenigstens einem Schirmring
5 des Laststufenschalters integriert ist. Derartige Schirmringe
5 sind grundsätzlich bekannte Bauteile nach dem Stand der Technik und werden beispielsweise in der
DE 10011966 der Anmelderin beschrieben. Der Schirmring
5 der
2a und
2b ist dabei als horizontal aufgeschnittener, rotationsymmetrischer Toroid ausgebildet, der an seiner Innenseite ein im wesentlichen spiralförmig umlaufend angeordnetes hohles Rechteckprofil aufweist, das die Kühleinrichtung
3 bildet. Über die jeweiligen Rohrleitungsanschlüsse
4.1 und
4.2, die sich an den entsprechenden Enden der als Rechteckprofil ausgebildeten Kühleinrichtung
3 befinden, kann das separate Kühlmedium der Kühleinrichtung
3 zu- bzw. abgeführt werden.
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Die 3a zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform, bei der die Kühleinrichtung 3 in der seitlichen Wandung des Stufenschalterkopfes 1 integriert und dabei als ein in mehreren horizontalen Ebenen umlaufendes Rohrsystem ausgebildet ist. Im Unterschied zu der 3a ist in der 3b die Kühleinrichtung 3 nicht als ein in mehreren horizontalen Ebenen umlaufendes Rohrsystem ausgebildet, sondern als ein in der seitlichen Wandung des Stufenschalterkopfes umlaufendes Hohlprofil, das im wesentlichen das durch die Wandstärke zur Verfügung stehende Volumen als Hohlprofil zum Durchströmen mit separatem Kühlmedium nutzt. Der Zu- bzw. Ablauf des separaten Kühlmediums erfolgt auch in dieser Ausführungsform über die entsprechenden Rohrleitungsanschlüsse 4.1 und 4.2, wobei in dieser Figur auf Grund der Darstellungsweise nur einer der beiden Rohranschlüsse, nämlich 4.1, sichtbar ist. Am unteren Ende der seitlichen Wandung des Stufenschalterkopfes befindet sich kontaktschlüssig, d. h. dichtend, angeordnet das Ölgefäß 2, in dem sich der eigentliche, aber aus Übersichtlichkeitsgründen hier nicht dargestellte, Laststufenschalter befindet.
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4 zeigt die Unterseite eines im wesentlichen kreisförmigen Deckels 5, der eine zusätzliche Kühleinrichtung 3 nach Art einer Kühlschlange aufweist. Die schlangenartige Ausgestaltung der Kühleinrichtung 3 ist derart an die Unterseite des Deckels 5 angepasst, dass sie mittels mehrerer Windungen und Biegungen eine möglichst große Länge zur Oberflächenvergrößerung erreicht, was zu einer Verbesserung der mit warmen Isolieröl in Kontakt tretenden Oberfläche führt. Die Rohrleitungsanschlüsse 4.1 und 4.2 dienen in diesem Ausführungsbeispiel sowohl für den Zu- und Abfluss des separaten Kühlmediums, als auch zur Befestigung der Kühleinrichtung 3 an dem Deckel 5. Je nach Dimensionierung der Kühleinrichtung 3 ist diese noch mittels weiterer Befestigungspunkte an der Unterseite des Deckels 5 befestigt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10011966 [0010, 0021]
- DE 102008003672 [0013]
- WO 01/37292 [0013]
