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Die Erfindung betrifft einen Schalter mit wenigstens zwei stationären Schaltkontakten und einem zwischen den stationären Schaltkontakten schaltenden Schaltelement, einen Stufenschalter für einen Regeltransformator sowie einen Regeltransformator. Das Schaltelement macht für die Kontaktierung entweder eine translatorische Bewegung oder eine Drehbewegung.
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Wenn derartige Schalter in Hochspannungsbereichen, insbesondere im Bereich der Energieversorgung, zum Beispiel in Verbindung mit Leistungstransformatoren verwendet werden, kann es aufgrund kapazitiver Kopplungen zu Entladungen beim Schalten unter Last im umgebenden Öl kommen. Aus diesem Grunde werden Schalter verwendet, die einen Vakuumschalter als Schaltelement aufweisen. Ein derartiger Schalter ist zum Beispiel in der
DE 10 2009 025 358 A1 gezeigt. Obwohl die dort gezeigte Schaltanordnung zuverlässig funktioniert, hat sie den Nachteil, dass die Ausführung des Schaltelements mit einem Vakuumschalter relativ komplex und aufwendig ist.
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DE 4 016 428 C1 beschreibt einen Lastumschalter für einen Stufenschalter von Stufentransformatoren. Der Lastumschalter besteht aus einem Schaltgetriebe und darüber angeordneten, identisch aufgebauten Kontaktebenen. Dabei ist für jede zu schaltende Phase eine Kontaktebene vorgesehen. In die Kontakteben reichen drehbare Wellen vom Schaltgetriebe hinein. Jede Welle ist in jeder Kontaktebene mit jeweils einem Kontakthebel fest verbunden. Jeder Kontakthebel ist zwischen festen Kontakten verschwenkbar.
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GB 1 095 741 A beschreibt einen Leistungsschalter, der zwei gegenüberliegende Vakuumschaltröhren aufweist, deren bewegliche Kontakte aufeinander zu bzw. voneinander weg bewegbar sind. Die Bewegung wird durch eine Öffnungsstange bewirkt, die senkrecht zu den beweglichen Kontakten angeordnet ist. Sobald die Öffnungsstange nach unten bewegt wird, werden die beweglichen Kontakte aufeinander zu bewegt und die Vakuumschaltröhren geöffnet.
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DE 198 21 775 C1 beschreibt einen Lastwähler, bei dem alle Kontaktträger um einen Drehpunkt an einer Schaltwelle drehbar angeordnet sind. Am Kontaktträger sind mechanische Kontakte sowie Vakuumschaltröhren befestigt.
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DE 195 10 809 C1 beschreibt einen Lastumschalter eines Stufenschalters mit einem Kraftspeicher, der einen von einer Antriebswelle kontinuierlich bewegbaren Aufzugsschlitten und ein Abtriebsteil aufweist, das eine Schaltwelle betätigt. Auf der Schaltwelle ist ein axial verschiebbarer Schalteinsatz angeordnet, der Kurvenscheiben zur Betätigung von sowohl Vakuumschaltern als auch mechanischen Schaltelementen trägt. Abhängig von der Schaltrichtung, d. h. der Linearbewegung des Aufzugsschlittens, wird der Schalteinsatz in eine obere bzw. untere Position auf der Schaltwelle verschoben, sodass unterschiedliche Kurvenscheiben in Funktion treten.
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DE 42 31 353 A1 beschreibt einen Stufenschalter, insbesondere einen Lastumschalter mit zwei Vakuumschaltröhren, einem Widerstand und einem Umschaltkontakt. Der Umschaltkontakt umfasst zwei stationäre Kontakte, die einerseits mit den Anzapfungs-Selektoren verbunden sind. Weiterhin können die stationären Kontakte abwechseln über einen beweglichen Kontakt mit einem anderen stationären Kontakt verbunden werden, der über eine Vakuumschaltröhre mit einem neutralen Punkt verbunden ist.
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DE 10 2009 025 358 A1 beschreibt einen Stufenschalter mit einem Vorwähler zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen verschiedenen Wicklungsanzapfungen eines Stufentransformators. Der bewegliche Vorwählerkontakt besitzt eine hermetisch gegen die Umgebung abgeschlossene Schaltkammer, in der die eigentliche Umschaltung erfolgt.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Schalter, einen Stufenschalter für einen Regeltransformator sowie einen Regeltransformator zu schaffen, bei denen insbesondere im Hochspannungsbereich gasfrei geschaltet wird.
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Die Erfindung schlägt gemäß einem ersten Aspekt einen Schalter vor, umfassend
- – wenigstens zwei stationäre Schaltkontakte und
- – ein zwischen den stationären Schaltkontakten bewegbares Schaltelement,
wobei
- – wenigstens einer der stationären Schaltkontakte durch einen Festkontakt und einen Vakuumschalter mit einem Betätigungskontakt gebildet ist, die zueinander parallel geschaltet sind,
- – der Betätigungskontakt in Bewegungsrichtung des Schaltelements derart weit vor dem Festkontakt angeordnet ist, dass das Schaltelement den Festkontakt erst dann kontaktiert, wenn es den Vakuumschalter mittels des Betätigungskontakts in seine Kontaktstellung geschaltet hat.
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In dem erfindungsgemäßen Schalter ist wenigstens einer der stationären Schaltkontakte durch einen Festkontakt und einen Vakuumschalter gebildet, die elektrisch miteinander verbunden sind. Der Vakuumschalter hat einen durch das Schaltelement zu betätigenden Betätigungskontakt, durch dessen Betätigung der Vakuumschalter von einer Öffnungsstellung in eine Kontaktstellung geschaltet wird. Der Betätigungskontakt ist dabei in Bewegungsrichtung des Schaltelements vor dem Festkontakt, so dass das Schaltelement zuerst den Betätigungskontakt und erst danach den Festkontakt kontaktiert. Der Betätigungskontakt ist dabei derart weit vor dem Festkontakt angeordnet, dass das Schaltelement den Festkontakt erst dann kontaktiert, wenn das Schaltelement den Vakuumschalter mittels des Betätigungskontakts in seine Kontaktstellung gedrückt hat. Auf diese Weise wird zum einen erreicht, dass das Schaltelement zu Beginn des Kontaktierungsvorganges erst den Betätigungskontakt berührt, dann über den Betätigungskontakt den Schalter im Vakuumschalter schließt, was aufgrund des im Vakuumschalter vorherrschenden Vakuums gasfrei geschieht, d. h. die Entstehung von Gasen im Öl des Transformators effektiv vermieden wird. Erst nach dem Schließen des Vakuumschalters kontaktiert das Schaltelement den Festkontakt, so dass dann der laufende Stromfluss hauptsächlich über den Festkontakt (evtl. geringeren Widerstandes) läuft und weniger über den Vakuumschalter. Auf diese Weise kann der Vakuumschalter kleiner dimensioniert werden. Durch die erfindungsgemäße Anordnung aller Elemente des Schalters wird erreicht, dass der Vakuumschalter selber stationär angeordnet werden kann und nicht mit dem Schaltelement zusammen bewegt werden muss.
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Der oben in Verbindung mit dem Herstellen eines Kontakts beschriebene Vorgang funktioniert vice versa auch für das Trennen des Kontakts. Hierbei fährt das Schaltelement von dem Festkontakt weg, wobei über einen Übergangszeitraum der Vakuumschalter geschlossen bleibt und erst nachdem sich das Schaltelements vom Festkontakt getrennt hat, öffnet sich der Vakuumschalter, wiederum ohne eine stromstarke Entladung und somit ohne einen Gaseintrag in die umgebende Atmosphäre bzw. bei Anordnung des Schalters in Öl in ein umgebendes Ölbad. Sowohl das Schließen des Kontaktes als auch das Trennen des Kontaktes erfolgt somit durch den erfindungsgemäßen Schalter gasfrei.
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Vorzugsweise ist ein Federelement zwischen dem Betätigungskontakt des Vakuumschalters und einer Halterung für den Vakuumschalter angeordnet. Auf diese Weise kann sich das Schaltelement nach dem Schließen des Vakuumschalters noch weiter in Richtung auf den Festkontakt weiterbewegen, wobei dann das Federelement entsprechend ausgelenkt wird. Durch das Federelement kann somit in einfacher Weise die beabsichtigte Schaltfolge realisiert werden, demgemäß beim Schließen eines Kontaktes zuerst der Kontakt des Vakuumschalters geschlossen wird und erst anschließend der Festkontakt kontaktiert wird und beim Lösen eines Kontaktes zuerst der Festkontakt getrennt wird und erst anschließend der Kontakt im Vakuumschalter geöffnet wird.
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Prinzipiell kann es für einen beabsichtigten Schaltzweck ausreichend sein, dass nur einer der stationären Schaltkontakte in der oben beschriebenen Weise mit einem Festkontakt und einem Vakuumschalter ausgebildet ist. Vorzugsweise ist jedoch jeder der stationären Festkontakte in dieser Weise ausgebildet, in welchem Fall es zum Beispiel möglich ist, den Schalter als Vorwähler in einem Stufenschalter eines Regeltransformators zu verwenden. Die stationären Schaltkontakte sind dann bevorzugt identisch ausgebildet.
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Es ist weiterhin möglich, dass mehrere, z. B. zwei bis zehn stationäre Schaltkontakte auf einer Kreisbahn angeordnet sind, und dass das Schaltelement rotierbar im Mittelpunkt der Kreisbahn angelenkt ist. In diesem Fall lässt sich der Schalter auch für einen Lastwähler verwenden.
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Vorzugsweise ist der Vakuumschalter durch eine vorzugsweise integrierte Vorspanneinrichtung in eine Öffnungsstellung vorgespannt. Dieses führt in vorteilhafter Weise dazu, dass der Vakuumschalter erst durch Druckbeaufschlagung des Betätigungskontakts mittels des Schaltelements von seiner Öffnungsstellung in seine Kontaktstellung gedrückt wird. Auf diese Weise lässt sich die oben beschriebene Schaltabfolge leicht realisieren. Im Falle, dass ein Federelement zwischen dem Betätigungskontakt und einer Halterung für den Vakuumschalter angeordnet ist, ist vorzugsweise die Federkonstante des Federelements höher als die Federkonstante der Vorspanneinrichtung. Dies führt dazu, dass bei Druckbeaufschlagung des Betätigungskontakts durch das Schaltelement zuerst der Vakuumschalter von seiner Öffnungsstellung in seine Kontaktstellung geschaltet wird und erst anschließend das Federelement ausgelenkt wird, bis das Schaltelement den Festkontakt berührt. Es ist schließlich notwendig, dass das Schaltelement nach dem Schließen des Vakuumschalters weiter in Richtung auf den Festkontakt auslenken kann. Dies wird durch das Federelement realisiert. Das Federelement kann in diesem Sinne durch eine Schraubenfeder, durch ein elastisches Material oder durch an sich bekannte Anordnungen, zum Beispiel Teleskopanordnungen, gebildet sein.
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Vorzugsweise verläuft die Schaltrichtung des Vakuumschalters in Bewegungsrichtung des Schaltkontakts, bezogen auf den Zeitpunkt, zu dem das Schaltelement den Betätigungskontakt des Vakuumschalters berührt. Auf diese Weise wird erreicht, dass das Schaltelement von oben in axialer Richtung auf den Vakuumschalter drückt, was ein leichtes Umschalten von der Öffnungsstellung in die Kontaktstellung des Vakuumschalters ermöglicht.
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Vorzugsweise ist das Schaltelement ein elektrischer Leiter, zum Beispiel ein Kupferschalthebel. Dieser hat einen geringen Widerstand und ist in der Lage hohe Ströme zu leiten.
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Das Schaltelement ist zwischen den stationären Schaltkontakten bewegbar, z. B. translatorisch. Vorzugsweise ist das Schaltelement zwischen zwei Schaltstellungen, in denen es jeweils einen der stationären Schaltkontakte kontaktiert, um eine Schwenk- bzw. Drehachse hin und her schwenkbar. Auf diese Weise lässt sich die Schaltbewegung zuverlässig und einfach realisieren.
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Der Festkontakt und der Vakuumschalter jedes stationären Schaltkontaktes sind bevorzugt parallel zueinander angeordnet und somit gemeinsam mit einem elektrischen Schaltpunkt verbunden.
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Die Erfindung schlägt gemäß einem zweiten Aspekt einen Stufenschalter für einen Regeltransformator, der eine Stammwicklung und eine Regelwicklung mit zwei Enden umfasst, vor, umfassend
- – einen Vorwähler;
wobei
- – der Vorwähler ein gemäß dem ersten Aspekt ausgebildeter Schalter ist;
- – das Schaltelement mit der Stammwicklung verbunden werden kann;
- – die stationären Schaltkontakte mit den beiden Enden der Regeltransformators verbunden werden können.
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Die Erfindung schlägt gemäß einem dritten Aspekt einen Regeltransformator vor, umfassend
- – eine Stammwicklung;
- – eine Regelwicklung;
- – einen Stufenschalter bestehend
- • aus einem Vorwähler, einem Feinwähler und einem Lastumschalter, oder
- • aus einem Vorwähler und einem Lastwähler,
wobei
- – der Vorwähler ein gemäß dem ersten Aspekt ausgebildeter Schalter ist;
- – das Schaltelement mit der Stammwicklung verbunden ist;
- – die stationären Schaltkontakte mit den beiden Enden der Regelwicklung verbunden sind.
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Die Erfindung schlägt gemäß einem vierten Aspekt einen Regeltransformator vor, umfassend
- – eine Stammwicklung;
- – eine Regelwicklung;
- – einen Stufenschalter bestehend
- • aus einem Vorwähler, einem Feinwähler und einem Lastumschalter, oder
- • aus einem Vorwähler und einem Lastwähler,
wobei
- – der Vorwähler ein gemäß dem ersten Aspekt ausgebildeter Schalter ist;
- – das Schaltelement mit einem der beiden Enden der Regelwicklung verbunden ist;
- – die stationären Schaltkontakte mit einem Ende der Stammwicklung oder einem Abgriff an der Stammwicklung verbunden sind.
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Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der schematischen Zeichnung beschrieben. Diese zeigt in Seitenansicht einen Schalter mit einem schwenkbaren Schaltelement und zwei stationären Schaltkontakten, die jeweils durch einen Festkontakt und einen Vakuumschalter gebildet sind.
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Der Schalter 10 enthält ein um eine Schwenkachse 12 schwenkbares Schaltelement 14, insbesondere in der Form eines Kupferschalthebels. Das Schaltelement 14 ist selbst im Bereich der Schwenkachse 12 in nicht dargestellter Weise mit einem elektrischen Abgriff kontaktiert. Das Schaltelement ist zwischen der dargestellten ersten Schaltposition und einer gestrichelt dargestellten zweiten Schaltposition durch einen nicht dargestellten Mechanismus bewegbar bzw. betätigbar.
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Der Schalter 10 hat zwei, vorzugsweise identisch ausgebildete, stationäre Schaltkontakte 16, 18, die jeweils durch einen Festkontakt 20a, b und einen Vakuumschalter 22a, b gebildet ist. Alle Elemente des ersten stationären Schaltkontakts 16 auf der linken Seite sind mit dem Kürzel a bezeichnet, während alle Elemente des auf der rechten Seite angeordneten zweiten stationären Schaltkontakts 18 mit dem Kürzel b bezeichnet sind.
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Der Festkontakt 20a und der Vakuumschalter 22a des ersten stationären Kontakts 16 sind elektrisch mit einem ersten Schaltpunkt S1 verbunden, während der Festkontakt 20b und der Vakuumschalter 22b des zweiten stationären Kontakts 18 elektrisch mit einem zweiten Schaltpunkt S2 verbunden sind. Das Schaltelement 14 ist elektrisch mit einem Abgriff S0 verbunden. Durch die Bewegung des Schaltelements 14 um die Schwenkachse 12 wird somit entweder der erste Schaltpunkt S1 oder der zweite Schaltpunkt S2 mit dem Abgriff S0 des Schaltelements 14 elektrisch verbunden.
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Der Vakuumschalter 22a, b jedes stationären Schaltkontakts 16, 18 ist wie folgt aufgebaut. Der Vakuumschalter 22a, b ist in der Form einer Vakuumröhre mit einem zylinderförmigen Gehäuse 24a, b ausgebildet, welches an einer als erste Stromzuführung ausgebildeten Halterung 26a, b gehalten ist. Die Halterung 26a ist gegenüber dem Gehäuse 24a isoliert und führt zu einem ersten Kontakt 28a des Vakuumschalters. Eine als zylindrischer Schubstange ausgebildete zweite Stromzuführung 30a, b ist axial verschiebbar in dem Gehäuse 24a gegen die Kraft einer Vorspanneinrichtung 32a in Form einer Schraubenfeder gehalten. Die Schraubenfeder 32a drückt sich gegen einen Ringflansch 34a der zweiten Stromzuführung 30a ab. Beide Stromzuführungen 26a, b, 30a, b sind aus leitfähigem Material gebildet. Am Ende der Schubstange 30a, b ist innerhalb des Gehäuses 24a, b der zweite Kontakt 36a, b des Vakuumschalters 22a, b ausgebildet. Auf dem freien zum Schaltelement hin weisenden Ende der Schubstange 30a, b ist ein Zylinder 38a, b angeordnet, der in teleskopartiger Weise über ein Federelement 40a, b gegen das freie Ende der Schubstange 30a vorgespannt ist. Die Stirnseite des Zylinders 38a bildet den Betätigungskontakt 42a, b des Vakuumschalters 22a, b. Das Federelement 40a, b hat eine größere Federkonstante als die Schraubenfeder 32a, b, so dass beim Aufdrücken des Schaltelements 14 auf den Betätigungskontakt 42a, b zuerst die Schraubenfeder 32a zusammengedrückt wird.
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Der Betätigungskontakt 42a, b ist in Bewegungsrichtung des Schaltelements 14 zum Zeitpunkt der Kontaktierung durch das Schaltelement um einen Abstand d2 vor dem Festkontakt 20a, b angeordnet. Dieser Abstand ist wiederum größer als der Schaltweg d1 des Vakuumschalters. Nach dem Kontaktieren des Betätigungskontakts 42a, b drückt somit das Schaltelement 14 zuerst die Kontakte 28a, b, 36a, b des Vakuumschalters 22a, b zusammen, wobei es sich um den Schaltweg d1 des Vakuumschalters weiter auf den Festkontakt 20a, b zu bewegt. Ist der Vakuumschalter 22a, b durch das Schaltelement 14 in die Kontaktstellung gedrückt worden, so drückt das Schaltelement 14 bei weiterer Bewegung in Richtung auf den Festkontakt 20a, b das Federelement 40a um einen Betätigungsweg d2–d1 zusammen, bis das Schaltelement 14 den Festkontakt 20a, b berührt. Der zulässige Federweg d3 des Federelements 40a, b muss somit größer sein als der Betätigungsweg d2–d1. Durch den erfindungsgemäßen Schalter wird somit erreicht, dass beim Schließen des Kontaktes zuerst der Vakuumschalter geschlossen wird, was gasfrei passiert und erst nach dem Schließen des Vakuumschalters der Festkontakt kontaktiert wird, was ebenfalls gasfrei stattfindet, da die parallel geschaltete Vakuumröhre bereits mit dem Schaltelement verbunden ist.
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Beim Öffnen findet der obige Vorgang in umgekehrter Reihenfolge statt, wobei das Schaltelement zuerst von dem Festkontakt 20a, b abhebt, bis das Federelement 40a, b vollständig entspannt ist oder der Zylinder 38a, b einen Anschlag erreicht (nach dem Betätigungsweg d2–d1). Erst danach entspannt sich die Schraubenfeder 32a in dem Vakuumschalter 22a, b, womit die beiden Kontakte 26a, b, 36a, b des Vakuumschalters 22a, b voneinander in die Öffnungsstellung des Vakuumschalters 22a, b getrennt werden. Sowohl das Schließen des Kontaktes als auch das Trennen des Kontaktes wird somit erst immer über den Vakuumschalter realisiert, das heißt in jedem Fall gasfrei.
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Der Schalter 10 wird vorzugsweise als Vorwähler verwendet. Hierbei kann der Vorwähler als Wender oder Grobstufenwähler ausgebildet sein. Der Wender verbindet dabei die Stammwicklung mit einem der beiden Enden der Regelwicklung eines Regeltransformators. Der Grobstufenwähler verbindet die Regelwicklung bzw. eine der beiden Enden der Regelwicklung mit einem Ende der Stammwicklung bzw. einem Abgriff der Stammwicklung. Der Grobwähler erlaubt es einen verhältnismäßig großen Bereich der Stammwicklung zuzuschalten.
