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Lastumschalter mit veränderlichen ohmschen Überschaltwiderständen
Lastumschalter zum Umschalten der Anzapfungen eines Stufentransformators während
des Betriebes bestehen in den meisten Fällen aus einer Reihe von Haupt- und Hilfskontaktpaaren
und zwischen diese geschalteten ohmschen Widerständen (sogenannte überschaltwiderstände),
die durch das abwechselnde Schließen und öffnen der Haupt- und Hilfskontaktpaare
vorübergehend in den äußeren Stromkreis des Stufentransformators eingeschaltet werden.
Die Überschaltwiderstände sollen bei der Lastumschaltung von einer Transformatoranzapfung
zur anderen einerseits eine Unterbrechung des Betriebsstromes und andererseits einen
Kurzschluß zwischen den zu wechselnden Transformatoranzapfungen vermeiden. Die Widerstandsbemessung
soll hierbei so erfolgen, daß während der Lastumschaltung der Betriebsstrom mit
möglichst geringem Spannungsabfall in den überschaltwiderständen dem Verbrauchernetz
zugeleitet wird, daß aber gleichzeitig auch der zwischen zwei benachbarten Anzapfungen
des Stufentransformators entstehende Ausgleichsstrom auf ein tragbares Maß beschränkt
wird. Im ersteren Fall sollten die überschaltwiderstände möglichst geringohmig,
im zweiten Fall möglichst hochohmig sein. Bei der Gegenläufigkeit der Anforderungen,
die durch die Verwendung von überschaltwiderständen mit festen Ohmwerten nur für
einen geringen Belastungsbereich erfüllt werden können, lag es auf der Hand, statt
der Festwiderstände veränderliche Widerstände zu verwenden. Es wurden deshalb bereits
überschaltwiderstände mit entsprechend dem Strom-Spannungs-Verhältnis veränderlichem
Widerstandswert für die Lastumschaltung vorgeschlagen, die den obenerwähnten Anforderungen
der Lastumschalter gerecht werden und den im Normalbetrieb des Stufentransformators
auftretenden Strömen und Stufenspannungen gewachsen sind. Bei Abweichungen vom normalen
Betriebszustand infolge überströmen oder überspannungen jedoch treten auch hierbei
schädliche Auswirkungen auf den Lastumschalter und sogar auf den Transformator auf,
die den normalen Ablauf der Lastumschaltung wesentlich beeinträchtigen oder gar
verhindern und damit die Vorteile der ausgewählten überschaltwiderstände in Frage
stellen.
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Durch die nachbeschriebene Erfindung kann man die Vorteile von ohmschen
Widerständen mit veränderlicher Strom-Spannungs-Charakteristik nicht nur für den
engen Bereich der im Normalbetrieb des Stufentransformators auftretenden Strömen
und Stufenspannungen, sondern auch für die Lastumschaltung von Stufentransformatoren,
die einen weitgespannten Betriebsbereich von der Leerlauf-Lastumschaltung bis zur
Lastumschaltung bei höchsten überströmen einerseits und von der Spannungsbeanspruchung
mit der normalen Stufenspannung bis zum Auftreffen höchster überspannungswellen
andererseits umfassen, nutzbar machen.
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Der Lastumschalter zum Umschalten der Anzapfungen eines Stufentransformators
während des Betriebes mit Hilfe von Haupt- und Hilfskontakten und ohmschen überschaltwiderständen
teils mit konstantem und teils mit entsprechend dem Strom-Spannungs-Verhältnis veränderlichen
Widerstandswert kennzeichnet sich nach der Erfindung dadurch, daß überspannungsventile
zwischen den verschiedenen überschaltwiderständen oder Widerstandsgruppen vorgesehen
sind, die diese Widerstände beim Auftreten von Überströmen oder überspannungen während
des Umschaltvorganges zusammenschalten.
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Die konstanten Überschaltwiderstände liegen dabei zweckmäßig über
Hilfskontakte am Lastumschalter, während die veränderlichen Widerstände über überspannungsventile
zu den konstanten Überschaltwiderständen parallel geschaltet sind. Auch können die
konstanten überschaltwiderstände bzw. die überschaltwiderstandsgruppen über ein
Überspannungsventil zusammengeschaltet sein.
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Weiterhin ist es möglich, die konstanten überschaltwiderstände und
die veränderlichen überschaltwiderstände über gesonderte Hilfskontakte an den Umschalter
zu legen.
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Die überschaltwiderstände .selbst können zur Erreichung der richtigen
Charakteristiken teils zueinander parallel, teils hintereinandergeschaltet werden,
wobei diese Kombination der Widerstände so vorgenommen
wird, daß
schädliche Auswirkungen auf den Lastumschalter oder auf den dem normalen Betriebszustand
entsprechenden Ablauf der Lastumschaltung selbst fernhalten. Die Überspannungsventile
und die gesonderten Hilfskontakte bewirken dabei auch bei einer Abweichung der Betriebsverhältnisse
des Stufentransformators vom normalen Betriebszustand infolge von Überströmen oder
überspannungen die Vermeidung schädlicher Auswirkungen auf den Lastumschalter.
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Eine konstruktive Vereinfachung des Zusammenlegens der verschiedenen
überschaltwiderstände kann dadurch erreicht werden, daß die aus Halbleitermaterial
bestehenden veränderlichen Widerstände und die aus Metall bestehenden konstanten
Widerstände mechanisch als ein Widerstandskörper ausgeführt sind, wobei das Halbleitermaterial
als Träger des metallischen Widerstandsmaterials dient.
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Fig.1 zeigt einen Lastumschalter mit Fahnenschaltung, bei dem die
üblichen konstantohmigen Überschaltwiderstände durch veränderliche überschaltwiderstände
mit progressivsteigender Strom-Spannungs-Kennlinie ähnlich den in überspannungsableitern
angewandten Widerständen ersetzt sind. Nur für einen engen Betriebsbereich (z. B.
für die normale Vollastbeanspruchung des Stufentransformators) kann man die veränderlichen
überschaltwiderstände so auslegen, daß bei gegebener Stufenspannung und gegebenem
Vollaststrom während des Lastumschaltvorgangs, die durch Drehung des mit der Ableitung
C verbundenen Lastumschaltkontaktes K aus der Stellung 1 in die Stellung 7 bewirkt
wird, die optimalen Verhältnisse hinsichtlich Spannungsabfall, Ausgleichsstrom und
Kontaktabbrand erreicht werden. Für diesen Betriebsfall sind die veränderlichen
Widerstände den für ihren Fall optimal berechneten konstanten Widerständen überlegen,
da sie bei der Abschaltung der Haupt und Hilfskontakte Ha und ha geringe
wiederkehrende Spannungen und bei der überbrückung der beiden Hilfskontakte
ha und hb einen geringen Ausgleichsstrom und bei dem alleinigen Stromduß
durch den Hilfskontakt hb einen geringen Spannungsabfall gegenüber der Spannung
der Anzapfung B ergeben. Bei der Anwendung konstanter Widerstände würden sich in
diesen drei Fällen ungünstigere Werte ergeben.
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Die Überlegenheit des Lastumschalters (Fig. 1) mit veränderlichen
Widerständen beschränkt sich jedoch auf einen geringen Belastungsbereich um die
Vollastbelastung herum (VoIIastbelastung -I- x %). Außerhalb dieses optimalen Bereiches
verkehren sich infolge der progressiven Charakteristik der veränderlichen Widerstände
die Vorteile in Nachteile.
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Dies kann man dadurch vermeiden, daß man die progressivsteigende Charakteristik
durch die Kombination verschieden geschalteter, veränderlicher und konstanter Widerstände
in gewünschter Weise den besonderen Anforderungen, die der Lastumschaltvorgang bei
verschiedenen Belastungen stellt, anpaßt. Der viel zu große Ohmwert bei kleinen
Strömen (geringe Trafobelastung) erfordert die Parallelschaltung eines konstanten
Widerstandes oder eines veränderlichen Widerstandes von wesentlich geringerer Progres,sion.
Umgekehrt erfordert das viel zu starke Absinken des Ohmwertes bei hohen Differenzspannungen
die Reihenschaltung eines konstanten Widerstandes von höherem Ohmwert. In Fig. 2
ist der komplizierteste Fall der Parallel- und Reihenschaltung verschiedenartiger
Widerstände Ra l bis Ra 4 gezeichnet. Der schmal und lang gezeichnete Widerstand
Ra l mit dem schräg hindurchgehenden Pfeil stellt einen veränderlichen Widerstand
mit schwach steigender Strom-Spannungs-Kennlinie dar, wohingegen der kurz und dick
gezeichnete, ebenfalls mit einem schrägen Pfeil veränderliche Widerstand Ra4 einen
solchen mit stark progressivsteigender Strom-Spannungs-Kennlinie anzeigen ,soll.
Von den beiden konstanten Widerständen Rat und Ra3 hat der erstere schmal gezeichnete
einen niedrigeren Widerstand, während der zweite breit gezeichnete einen höheren
Widerstand aufweist. Es liegt auf der Hand, daß ein so aus vier verschiedenen Teilwiderständen
zusammengesetzter Gesamtwiderstand zwar in der Charakteristik so zu gestalten ist,
daß er dem einfachen Konstantwiderstand überlegen ist. Man erkennt aber auch ohne
weiteres, daß er wesentlich teurer zu stehen kommt und infolgedessen nur dann wirtschaftlich
vertretbar ist, wenn die beiden Grenzfälle, die beim Betrieb eines Stufentransformators
auf dem Strom- und Spannungsgebiet auftreten können, nämlich der höchste Überstrom
(Kurzschlußstrom) bzw. die höchste Überspannung (Prüfspannung), von dem mit dieser
Widerstandskombination ausgestatteten Lastumschalter ausgehalten werden.
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Auf billigere Weise erzielt man die im Vordergrund des wirtschaftlichen
Interesses stehende Festigkeit des Lastumschalters gegen die Grenzbeanspruchung
durch Überströme und Überspannungen, wenn man nur eine einfache Kombination gemäß
Fig. 3 anwendet, bei der die beiden Konstantwiderstände Rat und Rb2 für den normalen
Lastumschaltvorgang im Bereich von Leerlauf bis zum doppelten oder dreifachen Vollaststrom
des Stufentransformators bzw. der doppelten bis dreifachen Betriebsspannung des
Transformators benutzt und erst darüber hinausgehend die zusätzlichen veränderlichen
Widerstände Ra 1 und Rb 1 zuschaltet. Diesen veränderlichen Widerständen fällt dann
die Beherrschung des Bereiches bis zu den maximalen Überströmen und Überspannungen
zu. Wie aus Fig. 3 hervorgeht, kann die Zuschaltung der veränderlichen Widerstände
bei Überschreitung des kritischen Bereiches durch Funkenstrecken f a und
f b erfolgen, die eine Parallelschaltung der beiden Widerstände jeder Lastum-Schalterseite
zwischen der AnzapfungA und dem Hilfskontakt ha einerseits und der Anzapfung
B und dem Hilfskontakt hb andererseits bewirkt. Überschreitet der Betriebsstrom
den im Beispiel angenommenen doppelten bis dreifachen Wert des Vollaststromes, so
entsteht bei einer Lastumschaltbewegung aus Stellung 1 nach Stellung 4, die eine
Lichtbogenabschaltung am Hauptkontakt Ha mit sich bringt, beim Löschen des
Lichtbogens ein Spannungsabfall am konstanten Widerstand Ra 2, der in dem
Moment dem Doppelten bis Dreifachen des Normalwertes zustrebt, in dem der Lichtbogenwiderstand
zwischen K und Ha
vor Erlöschen des Lichtbogens dem Wert Unendlich zustrebt.
Die Löschung des Lichtbogens wird unter diesen Umständen betriebssicher erfolgen,
wenn ein Funkenüberschlag an der entsprechend eingestellten Funkenstrecke fa den
veränderlichen Widerstand Ra l dem für diesen Betriebsfall viel zu hochohmigen Konstantwiderstand
Rat parallel schaltet. Der hohe zwei- bis dreifache Vollaststrom wird die Spannung
an den Enden des veränderlichen Widerstandes Ra 1 tief herabsinken lassen und damit
die wiederkehrende
Spannung an den Enden des Lichtbogens zwischen
K und Ha so weit herabsetzen, daß die Löschung ohne Schwierigkeit erfolgt.
Das gleiche gilt für die entgegengesetzte Lastumschaltung aus Stellung 7 nach Stellung
5 für die entsprechenden Kontakte und Widerstände. Bei einer solchen überstromlastumschaltung
tritt die Funkenstrecke f ab nicht in Funktion.
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Erst wenn anstatt eines Überstromes eine überspannung zwischen den
Lastumschalterpolen auftritt, zündet die Funkenstrecke fab und läßt die z. B. über
der Ableitung C eintretende überspannungswelle über Ha-A-Ra2-fab-Rb2 nach
B und weiter nach Hb laufen. Die Energie der überspannungswelle tritt
dann zu gleicher Zeit bei den Anzapfungen A und Bin die Stufenwicklung des Transformators
ein. Angeregt durch die Zündung der Funkenstrecke f ab
und der hierdurch an
den Enden der überschaltwiderstände Rat und Rb2 auftretenden Spannungsabfälle, zünden
auch die beiden anderen Funkenstrecken f a und f b, so daß nunmehr
die veränderlichen Widerstände Ra 1 und Rb 1 parallel zu den Anzapfungen A und B
geschaltet sind und kurzzeitig die Spannungserhöhung zwischen den Lastumschalterpolen
auf erträgliche Werte herabsetzen. Dadurch wird der Lastumschalter, der die voneinander
isolierten Kontakte Ha - ha - hb - Hb enthält, gegen überspannungswellen
geschützt, so daß seine Isolierstrecken zwischen vorgenannten Kontakten nicht zu
sehr überdimensioniert zu werden brauchen.
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Die Schaltung der überschaltwiderstände nach Fig. 3, die nach dem
Vorstehenden geeignet ist, den Lastumschalter sowohl gegen Überströme als auch gegen
Überspannungen sowohl im stationären Betriebszustand als auch während des Lastumschaltvorgangs
zu schützen, läßt sich einfacher gestalten, wenn man nur eine der beiden Schutzarten
anwenden will. Soll der Lastumschalter und damit auch die Trafostufe zwischen
A und B nur gegen Überspannungen geschützt werden, so genügt es, die
Funkenstrecken fa und f b wegzulassen und die Funkenstrecke f ab ohne die
gezeichneten festen Verbindungen mit Rat und Rb 2 direkt zwischen die Enden der
veränderlichen Widerstände Ra l und Rb 1 zu schalten. Will man dagegen nur einen
Schutz gegen Überströme haben, die während einer Lastumschaltung über das Schaltvermögen
des Lastumschalters hinausgehen, so kann man nach Fig. 4 die Enden der veränderlichen
Widerstände Ra 1 und Rb 1 mit zusätzlichen Kontakten ha 1
und hb
1 versehen, die bei der Abschaltung an den Haupt- und Hilfskontakten vorübergehend
eingeschaltet sind und in der bereits beschriebenen Weise die an den Enden der abzuschaltenden
Lichtbogen anstehenden wiederkehrenden Spannungen auf einen beherrschbaren Wert
herabsetzen.