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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stufenschalter zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen wenigstens zwei Wicklungsanzapfungen eines Stufentransformators mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs.
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DE 20 21 575 A beschreibt einen Stufenschalter, der insgesamt vier Vakuumschaltröhren pro Phase aufweist. In jedem der beiden vorhandenen Lastzweige sind jeweils eine Vakuumschaltröhre als Hauptkontakt und jeweils eine weitere Vakuumschaltröhre, in Reihenschaltung mit einem Überschaltwiderstand, als Widerstandskontakt vorgesehen.
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Bei einer unterbrechungslosen Lastumschaltung von der bisherigen Wicklungsanzapfung n auf eine neue, vorgewählte Wicklungsanzapfung n + 1 wird zunächst der Hauptkontakt der abschaltenden Seite geöffnet, wonach der Widerstandskontakt der übernehmenden Seite geschlossen wird, so dass zwischen den beiden Stufen n und n + 1 ein durch die Überschaltwiderstände begrenzter Ausgleichsstrom fließt. Nachdem der bisher geschlossene Widerstandskontakt der abschaltenden Seite geöffnet hat, schließt der Hauptkontakt der übernehmenden Seite, so dass der gesamte Laststrom von der neuen Wicklungsanzapfung n + 1 zur Lastableitung führt, womit die Umschaltung beendet ist.
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Die bei diesem bekannten Stufenschalter und zahlreichen ähnlichen bekannten Ausführungsformen verwendeten Vakuumschaltröhren, die anstelle von herkömmlichen mechanischen Kontakten zur Lastumschaltung verwendet werden, besitzen eine Reihe von Vorteilen. Da die Kontakte selbst im Vakuum gekapselt sind, lassen sich hohe Schaltleistungen realisieren. Die gekapselten, hermetisch abgeschlossenen Kontakte können außerdem nicht zur Verrußung und Verschmutzung des sie umgebenden Isolieröls im Stufenschalter durch Kontaktabbrand oder Lichtbögen führen. Weiterhin sind Vakuumschaltröhren inzwischen als sehr kompakte Bauteile verfügbar; sie weisen einen geringen Platzbedarf auf und erfordern nur relativ geringe Betätigungskräfte.
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Bei verschiedenen Anwendungsfällen solcher bekannter Stufenschalter mit Vakuumschaltröhren zur Regelung von Leistungstransformatoren ist jedoch eine hohe Stoßspannungsfestigkeit von vorzugsweise bis zu Spannungen von 100 kV und deutlicher darüber hinaus erforderlich. Solche unerwünschte Stoßspannungen, deren Höhe wesentlich durch den Aufbau des Stufentransformators und der Wicklungsteile zwischen den einzelnen Anzapfstufen bedingt ist, sind zum einen Blitzstoßspannungen, die sich durch das Einschlagen von Blitzen im Netz ergeben. Zum anderen können auch Schaltstoßspannungen auftreten, die durch nicht vorhersehbare Schaltstöße im zu regelnden Netz verursacht sind. Bei nicht ausreichender Stoßspannungsfestigkeit des Stufenschalters kann es zu kurzzeitigem Stufenkurzschluss bzw. unerwünschtem Durchschlag an der Keramik bzw. dem Dampfschirm betroffener Vakuumschaltröhren im nicht den Laststrom führenden Lastzweig kommen, was nicht nur deren Langzeitschädigung verursachen kann, sondern generell unerwünscht ist.
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DE 23 57 209 B1 und
DE 26 04 344 A1 beschreiben, zur Bekämpfung zu hoher Stoßspannungsbeanspruchungen zwischen den Lastzweigen Schutzfunkenstrecken oder auch spannungsabhängige Widerstände oder auch beides vorzusehen.
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WO 2006/004 527 A1 beschreibt einen Lastumschalter eines Laststufenschalters, der zwei Lastzweige, nämlich Hauptzweig und Widerstandszeig, aufweist. Der Hauptzweig besteht aus einer Vakuumschaltröhre und einem Hauptschaltkontakt, die in Reihe geschaltet sind. Der Widerstandszweig besteht aus einer Vakuumschaltröhre, einem Widerstandsschalkontakt und einem Widerstand, die in Reihe geschaltet sind. Die Umschaltung im Lastumschalter erfolgt stets, nachdem der Wähler die Wicklung, auf die umgeschaltet werden soll, vorgewählt hat. Sowohl der Hauptschaltkontakt als auch der Widerstandskontakt sind derart ausgebildet, dass die Umschaltung durch eine Drehbewegung in die immer gleiche Richtung erfolgt. Bei jeder Umschaltung wird stets der Hauptschaltkontakt vor dem Widerstandsschaltkontakt betätigt.
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GB 1 164 782 A beschreibt eine Lastumschaltanordnung für Stufentransformatoren zum unterbrechungslosen Umschalten unter Last. Diese weist einen Wähler zur spannungsfreien Vorwahl einer nächsten Wicklungsanzapfung sowie einen Lastumschalter zur Umschaltung unter Last auf. Der Lastumschalter weist fünf parallel geschaltete Zweige mit je einem mechanischen Schaltkontakt auf. In zwei Zweigen sind die mechanischen Schaltelemente mit je einem Widerstand in Reihe geschaltet. Ein Zweig weist eine Vakuumschaltröhre, die mit einem mechanischen Schaltkontakt in Reihe geschaltet ist, auf. Durch geschicktes Verschalten sämtlicher Schaltelemente wird die Umschaltung unter Last hautsächlich mit der einzigen Vakuumschaltröhre durchgeführt.
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DE 1 638 575 A beschreibt eine Lastumschaltanordnung für Stufentransformatoren zum unterbrechungslosen Umschalten unter Last. Diese weist eine Lastableitung auf; die über zwei unterschiedliche Zweige mit unterschiedlichen Wicklungsanzapfungen verbunden werden kann. Einer dieser Zweige besteht aus einem Umschalter, welcher mit einer Vakuumschaltröhre in Reihe geschaltet ist. Der zweite Zweig besteht aus einem Überschaltwiderstand und einem Wender, welche ebenfalls in Reihe geschaltet sind. Mit Hilfe eines Umkehrgetriebes wird der Wender unabhängig von Drehrichtung der Antriebswelle stets an erster Stelle betätigt. Durch diese Lösung kommt der Lastumschalter mit nur einer Vakuumschaltröhre aus.
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DE 10 2007 004 530 A1 bildet die Basis für den Oberbegriff des Anspruchs 1 und beschreibt einen Stufenschalter zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen wenigstens zwei Anschlüssen von Wicklungsanzapfungen eines Stufentransformators. Die Anordnung weist drei parallel geschaltet Pfade auf, wobei zwei dieser Pfade je einen Hilfsunterbrecher und der dritte Pfad einen Hauptunterbrecher aufweisen. Bei den Unterbrechern handelt es sich um Vakuumschaltröhren. Außerdem sind die zwei Hilfsunterbrecher mit je einem Widerstand in Reihe geschaltet. Der Hauptunterbrecher hingegen ist mit einem mechanischen Hilfsschalter in Reihe geschaltet. Durch geschicktes Verschalten der beiden Vakuumschaltröhren sowie des Hilfsschalters über einen definierten zeitlichen Versatz sind die Wicklungsanzapfungen miteinander und/oder mit einem neutralen Punkt (Lastableitung) koppelbar.
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Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Stufenschalter der eingangs genannten Art mit hoher Stoßspannungsfestigkeit, auch als a0-Festigkeit bezeichnet, vorzuschlagen.
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Dieses Ziel der Erfindung wird mit dem Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs erreicht. Merkmale vorteilhafter Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. Zur Erreichung des Ziels der Erfindung wird ein Stufenschalter zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen wenigstens zwei Wicklungsanzapfungen eines Stufentransformators mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 vorgeschlagen. Bei diesem Stufenschalter ist ein Lastzweig mit einem Pfad vorgesehen, der eine Serienanordnung aus wenigstens einer Vakuumschaltröhre und wenigstens einem mechanischen Schaltelement umfasst, das im vorliegenden Zusammenhang auch als variabel einstellbarer oder umschaltbarer Schaltkontakt bezeichnet werden kann. Weiterhin besitzt der Stufenschalter zwei Widerstandszweige, die jeweils eine Serienanordnung aus wenigstens einer Vakuumschaltröhre, wenigstens einem mechanischen Schaltelement sowie einem Widerstand aufweisen. Auf diese Weise können die wenigstens zwei Wicklungsanzapfungen variabel miteinander gekoppelt und/oder mit einer Lastableitung beaufschlagt werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung sind die insgesamt wenigstens drei Vakuumschaltröhren und wenigstens drei mechanischen Schaltelemente mit definiertem zeitlichem Versatz zueinander in jeweils unterschiedliche Schaltrichtungen gemeinsam schaltbar. Zudem weist das mechanische Schaltelement im Lastzweig einen Umschaltzeitpunkt zwischen den beiden Wicklungsanzapfungen des Stufentransformators auf, bei dem der Kontakt der mit dem mechanischen Schaltelement in Serie geschalteten Vakuumschaltröhre geöffnet ist. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung bildet eine sog. Dreizellenschaltung, bei der ein weiches Ein- und Ausschalten ermöglicht ist. Diese Schaltungsanordnung eignet sich besonders für eine Kombination mit einem Rotationskraftspeicher.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Stufenschalters liegt der Umschaltpunkt des mechanischen Schaltelements im Lastzweig unabhängig von der Schaltrichtung jeweils innerhalb einer Phase, bei der die Vakuumschaltröhre geöffnet ist. Zudem schalten die Vakuumschaltröhren der beiden Widerstandszweige zeitversetzt zueinander, so dass sie zu keinem Zeitpunkt gleichzeitig geöffnet sind.
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Weiterhin kann eine bevorzugte Ausführungsvariante Dauerhauptkontakte vorsehen, die in geschlossener Schaltstellung eine direkte Leitungsverbindung zwischen der jeweiligen Wicklungsanzapfung des Stufentransformators und der Lastableitung herstellen. Der Kontakt eines solchen Dauerhauptkontaktschalters öffnet vorzugsweise auf der abschaltenden Seite vor allen übrigen Schaltelementen (MSV, TTV, MTF, TTF), während der Kontakt auf der aufschaltenden Seite nach allen übrigen Schaltelementen schließt.
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Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Stufenschalters sieht eine drehbare Schaltwelle vor, der Betätigungselemente für jede Betätigungsphase für die mechanischen Schaltelemente bzw. Vakuumschaltröhren zugeordnet sind, wobei die Betätigungselemente jeweils von der Schaltwelle drehbaren, konzentrischen Kurvenscheiben mit stirn- oder umfangsseitigen Konturen zugeordnet sind. Diese stirn- oder umfangsseitigen Konturen können insbesondere durch Vorsprünge, Nocken o. dgl. gebildet sein, die zur Betätigung der Schaltelemente und/oder Vakuumschaltröhren geeignet sind. Zudem sind die von den Kurvenscheiben ausgelösten Schaltzeitpunkte unabhängig von ihrer Drehrichtung bzw. von der Drehrichtung der Schaltwelle.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Verwendung der nachfolgend beschriebenen Zeichnungen näher erläutert.
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1 zeigt ein Ablaufdiagramm zur Verdeutlichung der Schaltabläufe eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Stufenschalters während eines Schaltzyklus in jeweils unterschiedliche Schaltrichtungen.
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2 zeigt ein Schaltbild zur Verdeutlichung der Verschaltung der Widerstands- und Lastzweige des erfindungsgemäßen Stufenschalters.
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3 zeigt ein weiteres Ablaufdiagramm zur Verdeutlichung der Schaltabläufe eines alternativen Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Stufenschalters während eines Schaltzyklus in jeweils unterschiedliche Schaltrichtungen.
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4 zeigt anhand eines weiteren Schaltbildes eine vereinfachte Variante eines Stufenschalters ohne die in 2 gezeigten Dauerhauptkontakte.
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Die nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele der Schaltungen und der aufeinander abgestimmten Schaltvorgänge und -reihenfolgen der mechanischen Schaltelemente und Vakuumschaltröhren dienen zur Erläuterung der Funktionen und der Schaltmöglichkeiten eines erfindungsgemäßen Stufenschalters. Die Darstellung der 1 soll in einem Ablaufdiagramm die Schaltabläufe eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Stufenschalters 10 (vgl. 2) während eines Schaltzyklus in jeweils unterschiedlichen Schaltrichtungen verdeutlichen. Das obere Diagramm verdeutlicht die Schaltfolge eines aus insgesamt sechs einzelnen Schalteinheiten bestehenden Stufenschalters 10 in eine erste Schaltrichtung, gekennzeichnet durch eine Antriebsrichtung im Diagramm von links nach rechts, während das untere Diagramm die Schaltfolge in entgegen gesetzte Schaltrichtung zeigt, gekennzeichnet durch eine Antriebsrichtung im Diagramm von rechts nach links.
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Die schematische Darstellung der 2 zeigt ein Schaltbild mit den verschiedenen Komponenten des Stufenschalters 10, der in beide Schaltrichtungen gedreht und geschaltet werden kann, was in 2 gekennzeichnet ist durch die optional zu verstehenden Schaltrichtungen n → n + 1 und n ← n + 1. Der in 2 anhand eines Prinzipschaltbildes dargestellte Stufenschalter 10 dient zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen zwei Wicklungsanzapfungen 12 und 14 eines Stufentransformators 16. Der Stufenschalter 10 bildet einen Lastzweig bzw. Lastpfad 18, der im Schaltbild mittig zwischen zwei Widerstandszweigen 20 und 22 verläuft. Der Lastpfad 18 umfasst eine Serienanordnung aus einer Vakuumschaltröhre MSV und einem mechanischen Schaltelement MTF, das im vorliegenden Zusammenhang auch als variabel einstellbarer oder umschaltbarer Schaltkontakt bezeichnet werden kann. Das mechanische Schaltelement MTF fungiert als Umschalter, der die Vakuumschaltröhre MSV wahlweise elektrisch leitend mit der ersten 12 oder der zweiten Wicklungsanzapfung 14 verbindet.
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Ein zweiter Pfad 20, der dem erstem Widerstandszweig entspricht, ist durch eine Serienschaltung aus einer weiteren Vakuumschaltröhre TTV1 und einem mechanischen Schaltelement TTF1 sowie einem Widerstand R1 gebildet. Ein dritter Pfad 22, der dem zweiten Widerstandszweig entspricht, ist durch eine Serienschaltung aus einer weiteren Vakuumschaltröhre TTV2 und einem mechanischen Schaltelement TTF2 sowie einem Widerstand R2 gebildet. Durch Umschalten der beiden mechanischen Schaltelemente TTF1 und TTF2 und durch Öffnen und Schließen der beiden Vakuumschaltröhren TTV1 und TTV2 sowie durch Umschalten des mechanischen Schaltelements MTF im Lastzweig und durch Öffnen und Schließen der entsprechenden Vakuumschaltröhre MSV können die beiden Wicklungsanzapfungen 12 und 14 des Stufentransformators 16 variabel miteinander gekoppelt und/oder mit einer Lastableitung LA beaufschlagt werden.
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Die Darstellung der 2 zeigt weiterhin zwei zusätzliche Schalter bzw. Dauerhauptkontakte MC (MC1 und MC2), die zusätzlich auf der ab- und aufschaltenden Seite vorgesehen sind. Diese sog. Dauerhauptkontakte MC bzw. zusätzlichen Schalter führen jeweils einen Dauerstrom. Zudem sind sie vorzugsweise so geschaltet, dass der Kontakt MC1 auf der abschaltenden Seite vor allen übrigen Schaltelementen (MSV, TTV, MTF, TTF) öffnet und der Kontakt MC2 auf der aufschaltenden Seite nach allen übrigen Schaltelementen schließt. Wie anhand der 2 gezeigt, ist der erste Kontakt MC1 zwischen der ersten Wicklungsanzapfung 12 und der Lastableitung angeordnet, während der zweite Kontakt MC2 zwischen der zweiten Wicklungsanzapfung 14 und der Lastableitung angeordnet ist.
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Die drei Vakuumschaltröhren MSV, TTV1 und TTV2 und die drei mechanischen Schaltelemente MSV, TTF1 und TTF2 sind gemäß 1 mit definiertem zeitlichem Versatz zueinander in jeweils unterschiedliche Schaltrichtungen (n → n + 1 oder n + 1 → n) gemeinsam schaltbar. Wie anhand der 1 (oben; n → n + 1) zu erkennen ist, öffnet zunächst die im dritten Pfad 22 bzw. im zweiten Widerstandszweig angeordnete Vakuumschaltröhre TTV2, bevor mit kurzem zeitlichen Versatz das zugehörige mechanische Schaltelement TTF2 im selben Pfad 22 von der ersten Wicklungsanzapfung 12 zur zweiten Wickelungsanzapfung 14 des Stufentransformators 16 umschaltet. Anschließend öffnet die im Lastzweig 18 befindliche Vakuumschaltröhre MSV, bevor der im selben Pfad 18 befindliche Umschalter MTF während der Öffnungsphase der Röhre MSV von einer zur anderen Wicklungsanzapfung 12 bzw. 14 umschaltet. Anschließend öffnet die im zweiten Pfad 20 bzw. im ersten Widerstandszweig befindliche Vakuumschaltröhre TTV1, bevor die im Lastzweig 18 befindliche Vakuumschaltröhre MSV schließt. Während der geöffneten Phase der Röhre TTV1 schaltet das entsprechende Schaltelement TTF1 in diesem Zweig 20 um. Nach abgeschlossenem Umschaltvorgang des mechanischen Schaltelements TTF1 im zweiten Pfad 20 schließt auch die entsprechende Vakuumschaltröhre TTV1 wieder, womit der Schaltzyklus entsprechend 1 abgeschlossen ist.
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Da sich die in 1 oben und unten dargestellten Zyklen in beide Schaltrichtungen nicht oder nur marginal unterscheiden, kann auf eine detaillierte Beschreibung des Schaltvorgangs in die andere Schaltrichtung (n ← n + 1) an dieser Stelle verzichtet werden. Aufgrund der im Stufenschalter 10 befindlichen mechanisch starren Koppelung der jeweils drei Schaltelemente und Vakuumschaltröhren in den drei Zweigen erfolgt der Schaltvorgang in Rückschaltrichtung in umgekehrter Reihenfolge wie zuvor anhand der oberen Darstellung der 1 beschrieben.
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Die Darstellung der 3 soll in einem weiteren Ablaufdiagramm die Schaltabläufe eines alternativen Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Stufenschalters 10 (vgl. 2) während eines Schaltzyklus in jeweils unterschiedlichen Schaltrichtungen verdeutlichen. Das obere Diagramm verdeutlicht wiederum die Schaltfolge des aus insgesamt sechs einzelnen Schalteinheiten bestehenden Stufenschalters 10 in eine erste Schaltrichtung, gekennzeichnet durch eine Antriebsrichtung im Diagramm von links nach rechts, während das untere Diagramm die Schaltfolge in entgegen gesetzte Schaltrichtung zeigt, gekennzeichnet durch eine Antriebsrichtung im Diagramm von rechts nach links.
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Die drei Vakuumschaltröhren MSV, TTV1 und TTV2 und die drei mechanischen Schaltelemente MSV, TTF1 und TTF2 sind gemäß 3 mit definiertem zeitlichem Versatz zueinander in jeweils unterschiedliche Schaltrichtungen (n → n + 1 oder n + 1 → n) gemeinsam schaltbar. Wie anhand der 3 (oben; n → n + 1) zu erkennen ist, öffnet zunächst die im dritten Pfad 22 bzw. im zweiten Widerstandszweig angeordnete Vakuumschaltröhre TTV2, bevor mit kurzem zeitlichen Versatz das zugehörige mechanische Schaltelement TTF2 im selben Pfad 22 von der ersten Wicklungsanzapfung 12 zur zweiten Wickelungsanzapfung 14 des Stufentransformators 16 umschaltet. Anschließend öffnet die im Lastzweig 18 befindliche Vakuumschaltröhre MSV, bevor zunächst die Vakuumschaltröhre TTV2 schließt und anschließend der im Lastpfad 18 befindliche Umschalter MTF während der Öffnungsphase der Röhre MSV von einer zur anderen Wicklungsanzapfung 12 bzw. 14 umschaltet. Anschließend öffnet die im zweiten Pfad 20 bzw. im ersten Widerstandszweig befindliche Vakuumschaltröhre TTV1, so dass während der geöffneten Phase dieser Röhre TTV1 das entsprechende Schaltelement TTF1 in diesem Zweig 20 umschaltet. Nach dem Öffnen der Röhre TTV1 schließt die im Lastpfad 18 befindliche Röhre MSV. Nach abgeschlossenem Umschaltvorgang des mechanischen Schaltelements TTF1 im zweiten Pfad 20 schließt auch die entsprechende Vakuumschaltröhre TTV1 wieder, womit der Schaltzyklus entsprechend 3 (oben; n → n + 1) abgeschlossen ist.
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Da sich die in 3 oben und unten dargestellten Zyklen in beide Schaltrichtungen nur an einer Stelle unterscheiden, kann auf eine detaillierte Beschreibung des Schaltvorgangs in die andere Schaltrichtung (n ← n + 1) an dieser Stelle verzichtet werden. Lediglich der Schaltzeitpunkt des im Lastpfad 18 befindlichen mechanischen Schaltelements MTF unterscheidet sich in beiden Schaltrichtungen. So öffnet das Schaltelement MTF in der oben gezeigten Schaltrichtung (n → n + 1) unmittelbar nach dem Schließen der Vakuumschaltröhre TTV2 im dritten Pfad 22 und beendet den Umschaltvorgang erst, nachdem die Vakuumschaltröhre TTV1 im zweiten Pfad 20 geöffnet wurde. Beim Rückschaltvorgang (n + 1 → n) beginnt dagegen die Betätigung des Schaltelements MTF bei noch geschlossener Röhre TTV2 und endet zu einem Zeitpunkt, bei dem die Vakuumschaltröhre TTV2 geöffnet ist. Diese Schaltverzögerung in Rückschaltrichtung für das Schaltelement MTF kann bspw. durch ein geeignetes Freilaufelement o. dgl. ausgelöst werden, das für die gewünschte Hysterese bei den Schaltvorgängen in unterschiedliche Schaltrichtungen sorgen kann. Aufgrund der im Stufenschalter 10 befindlichen mechanisch starren Koppelung der übrigen beiden Schaltelemente und den insgesamt drei Vakuumschaltröhren in den drei Zweigen erfolgt der Schaltvorgang in Rückschaltrichtung in umgekehrter Reihenfolge im Übrigen wie zuvor anhand der oberen Darstellung der 3 beschrieben.
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Die Darstellung der 4 zeigt anhand eines weiteren Schaltbildes eine vereinfachte Variante des Stufenschalters 10, bei dem die Dauerhauptkontakte bzw. mechanischen Kontakte MC (vgl. 2) fehlen. Bei dieser alternativen bzw. optional zu verstehenden Variante des Stufenschalters 10 sind lediglich die bereits zur 2 beschriebenen drei Zweige 18, 20 und 22 vorhanden.
