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Die Erfindung betrifft einen Laststufenschalter zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen Wicklungsanzapfungen eines Stufentransformators nach dem Mittenschaltprinzip. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Stufentransformator mit einem Laststufenschalter.
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Aus der
EP 0 213 461 B1 ist ein Stufentransformator bekannt, bei dem jede Phase aus zwei Wicklungen besteht. Diese Wicklungen weisen jeweils zwei miteinander gekoppelte Bereiche mit Anzapfungen auf. Ein Lastwähler, ein sog. integrierter Laststufenschalter, ist derart mit den Anzapfungen verbunden, dass dieser zunächst die Anzapfungen der einen und danach die der anderen Wicklung zuschaltet. Dies gilt ebenso für das Abschalten der Anzapfungen. Die Umschaltung von einer Anzapfung zu einer nächsten Anzapfung erfolgt in einem Schritt. Die eigentliche Umschaltung wird über ein Kontaktsystem mit drei Kontakten und zwei Überschaltwiderständen durchgeführt. Diese Ausführungsform weist folgende Nachteile auf:
- - Es werden zunächst alle Anzapfungen des einen Wicklungsteils ein- oder ausgeschaltet und danach die des anderen Wicklungsteils. Dies bewirkt ein unerwünschtes magnetisches Ungleichgewicht des Transformators.
- - Beim Bewegen über die Mittelstellung tritt an Ableitkontakten und Schleifkontakten Abbrand durch Kommutieren des Laststroms auf.
- - Der Schaltschritt beim Schalten über die Mittelstellung bewirkt keine Spannungsänderung am Transformator.
- - Zwischen Stufenkontakten und Ableitkontakten tritt teilweise die volle Regelbereichs-Spannung des Transformators auf. Dies bedeutet, dass bei hohen Spannungen große Abstände erforderlich sind.
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Aufgabe der Erfindung ist daher, einen Laststufenschalter zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen Wicklungsanzapfungen eines Stufentransformators nach dem Mittenschaltprinzip bereitzustellen, der die Nachteile des Standes der Technik vermeidet und dabei sicher, kostengünstig und einfach aufgebaut werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch einen Laststufenschalter gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen 2 - 10 beschrieben.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es einen Stufentransformator mit einem Laststufenschalter bereitzustellen, der ebenfalls sicher, kostengünstig und einfach aufgebaut werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch einem Stufentransformator gemäß Anspruch 11 gelöst.
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Die Erfindung schlägt einen Laststufenschalter zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen Wicklungsanzapfungen eines Stufentransformators nach dem Mittenschaltprinzip vor, umfassend:
- einen Lastumschalter mit einem Hauptzweig und einem Hilfszweig,
- einen Hauptschalter im Hauptzweig,
- einen Hilfsschalter und ein strombegrenzendes Element im Hilfszweig, die in Reihe geschaltet sind;
- einen Unterstützungsschalter zum Schließen und Öffnen eines Kreisstroms, wobei der Unterstützungsschalter in den Hauptzweig parallel zum Hauptschalter und in den Hilfszweig parallel zum Hilfsschalter zuschaltbar ist.
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Die erfinderische Idee besteht darin, dass bei einer Umschaltung ein Unterstützungsschalter parallel zum Hauptzweig oder Hilfszweig geschaltet wird. Dadurch ist es nicht notwendig, dass sowohl der Hilfszweig als auch der Hauptzweig einen eigenen Unterstützungsschalter aufweisen. In anderen Worten wird der Unterstützungsschalter also vom Hauptzweig oder vom Hilfszweig, zum Öffnen und Schließen eines Kreisstroms ausgeliehen. Durch die hohen Anforderungen an die Unterstützungsschalter, die zum Öffnen und Schlie-ßen eines Kreisstroms verwendet werden, sind diese sehr teuer. Durch die Tatsache, dass nun nur noch ein einzelner solcher Schalter als Unterstützungsschalter verwendet wird, wird der Laststufenschalter insgesamt kostengünstiger. Auch der Aufbau wird durch die Reduktion der verwendeten Einzelteile vereinfacht.
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Der Unterstützungsschalter ist in einem statischen Zustand entweder in den Hauptzweig zugeschaltet oder in den Hilfszweig zugeschaltet, aber niemals dem Hauptzweig und Hilfszweig gleichzeitig.
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Der Unterstützungsschalter, der Hilfsschalter, der Hauptschalter und die Nebenschalter können als Vakuumschaltröhren, mechanische Kontakte oder als Halbleiterschaltelemente (IGBT, Thyristor, GTO, etc.) ausgestaltet sein.
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Das strombegrenzende Element kann als konstanter Widerstand oder variabler Widerstand ausgebildet sein, bspw. Widerstand, Varistor, temperaturabhängiger Widerstand, spannungsabhängiger Widerstand oder Spule.
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Der Unterstützungsschalter ist über einen ersten und einen zweiten Nebenschalter zuschaltbar. Der erste und der zweite Nebenschalter können als zweipolige Schalter oder Brückenschalter ausgebildet sein. Der Brückenschalter ist dabei entweder als eine Doppelbrücke oder Drehbrücke ausgebildet.
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Der Hauptzweig ist mit einem ersten und einem zweiten Wählerkontakt elektrisch leitend verbunden. Die Wählerkontakte sind dabei an jeweils einem separaten Wählerarm oder paarweise an einem Wählerarm angeordnet. Die Wählerkontakte sind entweder paarweise oder einzeln betätigbar.
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Der Hilfszweig ist mit einem dritten und einem vierten Wählerkontakt elektrisch leitend verbunden. Die Wählerkontakte sind dabei an jeweils einem separaten Wählerarm oder paarweise an einem Wählerarm angeordnet. Die Wählerkontakte sind entweder paarweise oder einzeln betätigbar.
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Der Laststufenschalter weist einen Wähler zum abwechselnd leistungslosen Vorwählen von zu beschaltenden Wicklungsanzapfungen auf. Die Wählerkontakte und auch Wählerarme sind Bestandteile des Wählers.
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Die Erfindung schlägt weiterhin einen Stufentransformator mit einem Laststufenschalter vor, der mindestens eine erste Hauptwicklung, mindestens eine zweite Hauptwicklung, mindestens eine erste Regelwicklung, mindestens eine zweite Regelwicklung aufweist, wobei die erste und zweite Regelwicklung über Leitungen mit einem Wähler des Laststufenschalters verbunden sind und die Hauptwicklungen und die Regelwicklungen miteinander induktiv gekoppelt sind.
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Der Stufentransformator kann dabei als Ortsnetztransformator ausgebildet sein und drei Phasen mit jeweils zwei Regelwicklungen und zwei Hauptwicklungen aufweisen.
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Die Zeichnungen zeigen in
- 1 einen erfindungsgemäßen Laststufenschalter in einem Stufentransformator
- 2 einen erfindungsgemäßen Laststufenschalter
- 3a - m einen Schaltablauf von einer Wicklungsanzapfung zu einer benachbarten Wicklungsanzapfung
- 4a - 4i einen Schaltablauf von einer Wicklungsanzapfung zu einer benachbarten Wicklungsanzapfung
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In 1 ist eine schematische Darstellung eines Laststufenschalters 10 zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen Wicklungsanzapfungen N1-N5 eines Stufentransformators 11 nach dem Mittenschaltprinzip gezeigt. Der Laststufenschalter 10 ist im Inneren des Stufentransformators 11 angeordnet. Der Laststufenschalter 10 weist einen Lastumschalter 20 und einen Wähler 30 auf. Weiterhin weist der Stufentransformator 11 eine erste Hauptwicklung 70, eine erste Regelwicklung 71, eine zweite Hauptwicklung 80 und eine zweite Regelwicklung 81 auf. Die erste und die zweite Regelwicklung 71, 81 sind über Leitungen 12 mit dem Laststufenschalter 10 und insbesondere dem Wähler 30 des Laststufenschalters 10 verbunden. Der Lastumschalter 20 und der Wähler 30 sind hier beispielhaft mechanisch miteinander verbunden. Die Betätigung des Laststufenschalters 10 erfolgt mittels eines Motorantriebs 13. Dieser kann außen am Stufentransformator 11 oder auch in dessen Inneren angeordnet sein.
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In 2 ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Laststufenschalters 10 mit einer Ausführungsform eines Lastumschalters 20 abgebildet. Dieser weist einen Hauptzweig 40 und einen Hilfszweig 50 auf. Dem Hauptzweig 40 des Lastumschalters 20 ist ein erster und ein zweiter Wählerkontakt 42, 43 zugeordnet. Weiterhin weist der Hauptzweig 40 einen Hauptschalter 41 auf. Der Hauptzweig 40 verbindet im geschlossenen Zustand, d.h. wenn der Hauptschalter 41 geschlossen ist, die zweite Wicklungsanzapfung N2 der zweiten Regelwicklung 81 mit der dritten Wicklungsanzapfung N3 der ersten Regelwicklung 71.
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Die Wicklungsanzapfungen sind hier beispielhaft mit N1 bis N5 nummeriert. Dabei sind die ungeradzahligen Wicklungsanzapfungen N1, N3 und N5 mit der ersten Regelwicklung 71 elektrisch leitend verbunden. Die geradzahligen Wicklungsanzapfung N2 und N4 sind mit der zweiten Regelwicklung 81 elektrisch leitend verbunden. Die Bezeichnung „Wicklungsanzapfung“ beinhaltet, dass eine Leitung von einer der Regelwicklungen zu einem Kontakt geführt ist und mit diesem elektrisch leitend und mechanisch verbunden ist. Dieser Kontakt wird durch die Wählerkontakte 42, 43, 52, 53 beim Beschalten, sprich im stationären bzw. statischen Zustand oder bei einer Umschaltung, kontaktiert. Der Einfachheit halber wird jedoch in der weiteren Beschreibung nur von einer Wicklungsanzapfung gesprochen.
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Die elektrisch leitende Verbindung erfolgt dabei durch die erste Hauptwicklung 70, einen Teil der ersten Regelwicklung 71, die dritte Wicklungsanzapfung N3, den zweiten Wählerkontakt 43, den Hauptschalter 41, den ersten Wählerkontakt 42, die zweite Wicklungsanzapfung N2 und die zweite Hauptwicklung 80. Hier ist die zweite Regelwicklung 81 noch nicht zugeschaltet. Diese ist dann leitend, wenn die vierte Wicklungsanzapfung N4 durch die Wähler 30 kontaktiert wird.
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Der Hilfszweig 50 weist einen Widerstand 54 und einen Hilfsschalter 51 auf, die in Reihe geschaltet sind. Dem Hilfszweig 50 des Lastumschalters 20 sind ein dritter und ein vierter Wählerkontakt 52, 53 zugeordnet. In diesem Beispiel verbindet der Hilfszweig 50 im geschlossenen Zustand, d.h. wenn der Hilfsschalter 51 geschlossen ist, die zweite Wicklungsanzapfung N2 der zweiten Regelwicklung 81 mit der dritten Wicklungsanzapfung N3 der ersten Regelwicklung 71. Die elektrisch leitende Verbindung erfolgt dabei durch die erste Hauptwicklung 70, einen Teil der ersten Regelwicklung 71, die dritte Wicklungsanzapfung N3, den vierten Wählerkontakt 53, den Hilfsschalter 51, den Widerstand 54, den dritten Wählerkontakt 52, die zweite Wicklungsanzapfung N2 und die zweite Hauptwicklung 80.
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Sowohl der erste und der zweite Wählerkontakt 42, 43 als auch der dritte und der vierte Wählerkontakt 52, 53 kontaktieren im stationären Zustand bzw. statischen Zustand stets zwei benachbarte Wicklungsanzapfungen, wie beispielsweise in 2 die zweite und die dritte Wicklungsanzapfung N2, N3. Hier werden stets eine geradzahlige und eine benachbarte ungeradzahlige Wicklungsanzapfung kontaktiert.
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Die Wicklungsanzapfungen N1 bis N5 sind unterschiedlichen Regelwicklungen zugeordnet derart, dass beim Betätigen des Laststufenschalters 10 abwechselnd ein Teil der ersten Regelwicklung 71 und der zweiten Regelwicklung 81 zu- bzw. abgeschaltet wird, sprich zu den Hauptwicklungen 70, 80 addiert wird oder nicht. Die Hauptwicklungen 70, 80 und die Regelwicklungen 71, 81 sind induktiv miteinander gekoppelt. Dabei sind die Hauptwicklungen 70, 80 jeweils außen angeordnet und die Regelwicklung 71, 81 nebeneinander zwischen den Hauptwicklungen 70, 80. Durch diese besondere Verschaltung bzw. Anordnung der Wicklungen wird der sog. Stufentransformator nach dem Mittenschaltprinzip realisiert. Durch die Aufteilung der Regelwicklung auf zwei Teile wird die an frei schwingenden Wicklungsteilen auftretende Spannung reduziert. Die magnetische Durchflutung ist bei der Mittenschaltung in der Hälfte der Stellungen symmetrisch über die Höhe der Wicklung verteilt. Bei den anderen Stellungen beträgt die Unsymmetrie nur eine Stufe. Dadurch sind die im Kurzschlussfall auf die Wicklungen wirkenden Kräfte gering. Wenn keine Mittenschaltung, sondern eine Anzapfschaltung verwendet wird, ist der konstruktive Aufwand für die Regelwicklung deutlich größer.
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Weiterhin weist der Lastumschalter 20 einen Unterstützungsschalter 90 zum Schließen und Öffnen eines Kreisstroms auf. Der Unterstützungsschalter 90 wird hierzu in den Hauptzweig 40 parallel zum Hauptschalter 41 oder in den Hilfszweig 50 parallel zum Hilfsschalter 51 zugeschaltet. Das Zuschalten des Unterstützungsschalter 90 erfolgt mittels eines ersten und eines zweiten Nebenschalters 91, 92. Dabei darf der Unterstützungsschalter in einem statischen Zustand bzw. stationären Zustand entweder in den Hauptzweig 40 zugeschaltet sein oder in den Hilfszweig 50 zugeschaltet sein, aber niemals gleichzeitig in den Hauptzweig 40 und den Hilfszweig 50.
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Im stationären Zustand kontaktieren die Wählerkontakte 42, 43 des Hauptzweigs 40 und die Wählerkontakte 52, 53 des Hilfszweigs 50 stets dieselben benachbarten Wicklungsanzapfungen, in 1 beispielhaft Wicklungsanzapfung N2 und N3. Dadurch, dass im Hilfszweig 50 ein Widerstand 54 angeordnet ist, fließt der Strom von der ersten Hauptwicklung 70 und der ersten Nebenwicklung 71 durch den Hauptzweig 40 zur zweiten Regelwicklung 81 und der zweiten Hauptwicklung 80.
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In 3a - 3m wird ein Umschaltvorgang des Laststufenschalters 10 gezeigt, insbesondere das Zuschalten einer Stufe, also eines Teiles der zweiten Regelwicklung 81, indem die Wicklungsanzapfungen N3 und N4 kontaktiert werden. Der Teil der Regelwicklung 81, der nicht stromdurchflossen ist, ist hier schaffiert dargestellt. In der Ausgangstellung sind die Wicklungsanzapfungen N2 und N3 über den Hauptzweig 40 elektrisch leitend verbunden. Zunächst wird der Hilfsschalter 51 in 3a geöffnet. Im Anschluss wird in 3b der Unterstützungsschalter 90 geöffnet. Im nächsten Schritt wird der dritte Wählerarm 52 von der zweiten Wicklungsanzapfung N2 auf die dritte Wicklungsanzapfung N3 bewegt und der vierte Wählerarm 53 von der dritten Wicklungsanzapfung N3 auf die vierte Wicklungsanzapfung N4, siehe 3c. Die Wählerarme 52, 53 können einzeln oder gleichzeitig bewegt werden, wobei die Reihenfolge unerheblich ist.
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Im nächsten Schritt in 3d wird der Unterstützungsschalter 90 geschlossen. Nun entsteht ein Kreisstrom Ic, der durch den Laststufenschalter 10 fließt. Somit schließt der Unterstützungsschalter 90 den Kreisstrom bzw. dieser schaltet den Kreisstrom ein. Im Anschluss daran wird der Hilfsschalter 51 geschlossen, wie in 3e dargestellt. Der erste und der zweite Nebenschalter 91, 92 werden in 3f betätigt, sodass der Unterstützungsschalter 90 nun parallel zum Hauptschalter 41 geschaltet ist.
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Im nächsten Schritt in 3g wird zuerst der Hauptschalter 41 geöffnet. Im Anschluss wird der Unterstützungsschalter 90 geöffnet, siehe 3h. Bei Öffnen des Unterstützungsschalters 90 wird der Kreisstrom geöffnet, d.h. dieser fließt nicht mehr durch den Unterstützungsschalter 90.
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In dieser Stellung in 3i fließt der Strom von der dritten Wicklungsanzapfung N3 zur vierten Wicklungsanzapfung N4 über den Hilfszweig 50, insbesondere den Widerstand 54 und den Hilfsschalter 51.
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Im nächsten Schritt wird der erste Wählerarm 42 von der zweite Wicklungsanzapfung N2 auf die dritte Wicklungsanzapfung N3 bewegt und der zweite Wählerarm 43 von der dritten Wicklungsanzapfung N3 auf die vierte Wicklungsanzapfung N4. Die Wählerarme 42, 43 können einzeln oder gleichzeitig bewegt werden. Im Anschluss daran wird der Unterstützungsschalter 90 geschlossen, wie in 3j dargestellt. Auf Grund des Widerstandes 54 im Hilfszweig 50 fließt der Strom nun über den Hauptzweig 40. Danach wird der Hauptschalter 41 geschlossen, wie in 3k dargestellt. Die Umschaltung ist nun beendet und ein Teil der zweiten Regelwicklung 81 wurde zugschaltet.
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Im nächsten Schritt in 3I werden der erste und der zweite Nebenschalter 91, 92 betätigt, sodass der Unterstützungsschalter 90 nun wieder parallel zum Hilfsschalter 51 geschaltet ist, wie in 3m dargestellt. Die Umschaltung von der vierten Wicklungsanzapfung N4 auf die fünfte Wicklungsanzapfung N5 läuft analog ab.
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Beim sog. Runterschalten, in 4a-h, also z.B. beim Umschalten von der vierten Wicklungsanzapfung N4 auf die dritte Wicklungsanzapfung N3 werden zunächst der erste und der zweite Nebenschalter 91, 92 betätigt, sodass der Unterstützungsschalter 90 nun wieder parallel zum Hauptschalter 41 geschaltet ist. Danach werden zunächst der Hauptschalter 41 4b und danach der Unterstützungsschalter 90 geöffnet. Nun führt der Hilfszweig 50 den Strom wie in 4c abgebildet.
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Im nächsten Schritt in 4d wird der erste Wählerarm 42 von der dritten Wicklungsanzapfung N3 auf die zweite Wicklungsanzapfung N2 bewegt und der zweite Wählerarm 43 von der vierten Wicklungsanzapfung N4 auf die dritte Wicklungsanzapfung N3. Die Wählerarme 42, 43 können einzeln oder gleichzeitig bewegt werden.
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Im nächsten Schritt in 4e wird der Unterstützungsschalter 90 geschlossen. Nun entsteht ein Kreisstrom, der durch den Laststufenschalter 10 fließt, somit schließt der Unterstützungsschalter 90 den Kreisstrom bzw. dieser schaltet den Kreisstrom ein. Im Anschluss daran wird der Hauptkontakt 41 geschlossen. Der erste und der zweite Nebenschalter 91, 92 werden nun betätigt, sodass der Unterstützungsschalter 90 nun parallel zum Hilfsschalter 51 geschaltet ist. Danach wird der Hilfsschalter 51 in 4f geöffnet und im Anschluss der Unterstützungsschalter 90 geöffnet. Bei Öffnen des Unterstützungsschalters 90 wird der Kreisstrom geöffnet, d.h. dieser fließt nicht mehr durch den Unterstützungsschalter 90. Ein Teil der zweiten Regelwicklung 81 wurde nun abgeschaltet, siehe 4g.
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In dieser Stellung fließt der Strom von der zweiten Wicklungsanzapfung N2 zur dritten Wicklungsanzapfung N3 über den Hauptzweig 40 wie in 4g abgebildet. Der abgeschaltete Teil der zweiten Regelwicklung 81 ist nun schraffiert dargestellt.
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Nun werden, wie in 4h gezeigt, nur noch der dritte Wählerarm 52 von der dritten Wicklungsanzapfung N3 auf zweite Wicklungsanzapfung N2 bewegt und der vierte Wählerarm 53 von der vierten Wicklungsanzapfung N4 auf die dritte Wicklungsanzapfung N3 bewegt. Die Wählerarme 52, 53 können einzeln oder gleichzeitig bewegt werden. Im Anschluss daran werden der Unterstützungsschalter 90, in 4h und der Hilfsschalter 51 in 4i geschlossen. Diese Stellung des Laststufenschalters 10 in 4i entspricht der Stellung in 3a.
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Der Ablauf beim Runterschalten ist im Vergleich zum Raufschalten verkürzt dargestellt, sodass nicht jeder einzelne Schritt beschrieben wird.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Laststufenschalter
- 11
- Stufentransformator
- 12
- Leitung
- 13
- Motorantrieb
- 20
- Lastumschalter
- 30
- Wähler
- 31
- erster Wählerkontakt
- 32
- zweiter Wählerkontakt
- 33
- dritter Wählerkontakt
- 34
- vierter Wählerkontakt
- 40
- Hauptzweig (main path)
- 41
- Hauptschalter (main path disconnect switch)
- 42
- erster Wählerkontakt (first selector contact)
- 43
- zweiter Wählerkontakt (second selector contact)
- 50
- Hilfszweig (transition path)
- 51
- Hilfsschalter (transition path disconnect switch)
- 52
- dritter Wählerkontakt (third selector contact)
- 53
- vierter Wählerkontakt (fourth selector contact)
- 54
- Widerstand
- 70
- erste Hauptwicklung
- 71
- erste Regelwicklung
- 80
- zweite Hauptwicklung
- 81
- zweite Regelwicklung
- 90
- Unterstützungsschalter (main path switching contact)
- 91
- erster Nebenschalter (first main path transfer switch)
- 92
- zweiter Nebenschalter (second main path transfer switch)
- N1-N5
- Wicklungsanzapfungen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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