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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stufenschalter, umfassend einen Wähler und einen Lastumschalter zur Umschaltung zwischen wenigstens zwei Stufen mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs.
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Ein Lastumschalter ist beispielsweise aus der
DE 44 07 945 C1 bekannt. Der in der DE-Patentschrift offenbarte Lastumschalter umfasst Schaltkontakte, deren Umschalten durch das sprungartige Auslösen eines Kraftspeichers einleitbar ist. Die Verbindung des ersten und des zweiten Schaltkontaktes mit der Lastableitung erfolgt über getrennt voneinander betätigbare Vakuumschalter. Bei Umschaltung zwischen verschiedenen Stufen rotiert die gesamte Umschalteinheit im Ölgefäß.
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Meist befinden sich feste Kontakte am Gehäuse oder Gefäß des Lastumschalters, die den elektrisch leitenden Kontakt zu den Wicklungsanzapfungen herstellen. Bewegte Kontakte an der Umschalteinheit können zudem einen Kontakt mit jedem von den auf einer Höhe angeordneten Kontakten am Ölgefäß herstellen. Typischerweise sind die Phasen hierbei in mehreren Ebenen übereinander angeordnet. Die Wicklungsanzapfungen eines zu schaltenden Stufentransformators können an die im Ölgefäß angebrachten Kontakte angeschlossen sein. Eine zunehmende Vielzahl von Kontakten auf dem Umfang des Ölgefäßes des Lastumschalters führt allerdings zu Einschränkungen in der Spannungsfestigkeit, da die Abstände der Kontakte voneinander oftmals für eine ausreichend hohe Spannungsfestigkeit nicht ausreichend sind.
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Auch kann vorgesehen sein, dass bei diesen Stufenschaltern, die nach dem sog. Lastwählerprinzip arbeiten, die gesamte Umschalteinheit im Ölgefäß rotiert. Üblicherweise sind die Stufenschalter mit Lastwählerprinzip mit einem mechanisch einfach zu realisierenden Kraftspeicher ausgestattet.
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Aus dem Stand der Technik bereits bekannte Stufenschalter können weiter einen Wähler umfassen. Der Wähler dient zur leistungslosen Vorwahl derjenigen Wicklungsanzapfung des Stufentransformators, auf die umgeschaltet werden soll. Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Lastumschaltern mit Wählern kann der Lastumschalter in einem separaten Ölgefäß angeordnet sein. Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, einen verbesserten Lastumschalter mit Wähler zur Verfügung zu stellen, welcher die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile vermeidet. Insbesondere besteht die Aufgabe der Erfindung in der Erhöhung der Spannungsfestigkeit zwischen den Wicklungsanzapfungen und in der variablen Schaltbarkeit in beiden Drehrichtungen.
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Diese Aufgabe der Erfindung wird durch einen Stufenschalter mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Merkmale vorteilhafter Weiterbildungen der Erfindung finden sich in den sich daran anschließenden abhängigen Ansprüchen. Zur Lösung der genannten Aufgabe schlägt die Erfindung einen Stufenschalter vor, der zumindest aus einem Wähler und einem Lastumschalter zur Umschaltung zwischen wenigstens zwei Stufen eines Stufentransformators o. dgl. besteht, wobei der Lastumschalter mindestens ein Schaltelement umfasst, das teilweise auch als Schaltsektor bezeichnet wird, und das aus mindestens zwei Schaltstrecken wie bspw. Vakuumzellen, sog. Ölschaltstrecken, Thyristorstufen etc. gebildet ist. Der Lastumschalter dient der Umschaltung zwischen elektrisch leitenden Verbindung mit jeweils mindestens einem elektrischen Kontaktelement. Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass zumindest Teile der Lastumschalteinheit beim Umschalten rotieren, wobei die Kontaktelemente umlaufend in einer Ebene angeordnet sind. Die Schaltelemente sind dabei jeweils nicht einer definierten Phase zugeordnet, sondern jeder bewegte Kontakt im Laststufenschalter kann grundsätzlich Kontakt mit allen Festkontakten alter Phasen haben, bspw. durch Rotation in gleicher Richtung.
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Der erfindungsgemäße Stufenschalter liefert eine sehr hohe Spannungsfestigkeit, was u. a. dadurch erreicht wird, dass der Lastumschalter als bauliche Einheit vom Wähler getrennt ist, wobei die gesamte Lastumschalteinheit oder einzelne Baugruppen davon wie bei bekannten Stufenschaltern nach dem Lastwählerprinzip im Kreis rotieren. Die mindestens eine, in einer Ausführungsform jedoch drei (oder ggf. mehr), Phase ist vorzugsweise am Umfang des Lastumschaltergefäßes umlaufend in einer Höhe angeordnet. Wie bei den bisher bekannten Stufenschaltern mit dem Lastwählerprinzip kann in vorteilhafter Weise ein rotatorischer Kraftspeicher verwendet werden, weil sich ein solcher gut mit der rotierenden Lastumschalteinheit kombinieren lässt.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsvariante sind je Phase typischerweise lediglich zwei Kontakte, d. h. stromführende und vorgewählte Stufen, am Umfang des Lastumschalterölgefäßes angebracht. Bei einem dreiphasigen Lastumschalter sind entsprechend mehr Kontakte am Umfang verteilt, in diesem Fall sind dies insgesamt sechs Kontakte. Grundsätzlich sind verschiedene Schaltungen möglich, z. B. Zweizellen-Schaltungen oder Dreizellen-Schaltungen. Bei einer Schaltung mit zwei Schaltstrecken und einem Überschaltwiderstand pro Phase kann zwischen zwei Wicklungsanzapfungen eines Stufentransformators gewählt werden, wobei die Schaltstrecken wahlweise lediglich jeweils einen Überschaltwiderstand oder einen damit seriell geschalteten zusätzlichen mechanischen Kontakt aufweisen können. Entsprechende Konfigurationen können auch bei den Dreizellen-Schaltungen vorgesehen sein. Grundsätzlich sind die Schaltstrecken variabel; so sind bspw. sog. Ölschaltstrecken, Vakuumzellen, elektronische Schaltelemente, z. B. Thyristoren, IGBT etc. sinnvoll einsetzbar sowie ggf. auch untereinander kombinierbar. Auch sind mehr Schaltstrecken bzw. Schaltelemente pro Phase denkbar.
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Der mit der erfindungsgemäßen Anordnung zur Verfügung stehende Bauraum und der damit geschaffene vergrößerte Abstand zwischen den Kontakten führt zu der gewünschten erhöhten Spannungsfestigkeit zwischen den jeweils vorgewählten und stromführenden Stufen. Grundsätzlich sind die Schaltelemente bzw. Schaltstrecken der Lastumschalteinheit nicht fest einer Phase zugeordnet, sondern jeder bewegte Kontakt kann je nach Schaltstellung Kontakt mit allen Festkontakten aller Phasen haben, bspw. durch eine Rotation in gleich bleibender Richtung.
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Der Aufbau des erfindungsgemäßen Laststufenschalters sieht insgesamt drei Hauptbaugruppen bzw. Funktionsgruppen vor, nämlich das Ölgefäß mit dem Lastumschalter und den Wähler. Der Lastumschalter ist in einem Ölgefäß, beispielsweise in einem geschlossenen Isolierstoffzylinder, angeordnet. Der Lastumschalter ist vorgesehen zum Umschalten zwischen wenigstens zwei Stufen, bspw. zwischen wenigstens zwei Wicklungsanzapfungen. Auch kann der Lastumschalter zum Umschalten zwischen mehreren, beispielsweise zum Umschalten zwischen zwei oder drei Stufen, vorgesehen sein. Ferner umfasst der Lastumschalter mindestens ein Schaltelement bestehend aus mindestens zwei Schaltstrecken. Die Schaltstrecken können beispielsweise über eine Vakuumzelle und/oder ein elektronisches Schaltelement, wie beispielsweise einen Thyristor oder einen IGBT, verfügen. Soll eine elektrisch leitende Verbindung hergestellt werden, so befinden sich die beiden Schaltstrecken in Oberflächenkontakt mit jeweils einem elektrischen Kontaktelement. Die elektrische Verbindung kann beispielsweise durch schnelles Schalten der Schaltelemente über einen Federkraft- oder sonstigen Energiespeicher erfolgen. Auch ist eine außerhalb des Ölgefäßes angeordnete Wählvorrichtung vorhanden, die zur Umschaltung zwischen den wenigstens zwei Stufen mit dem Lastumschalter in Wirkverbindung gebracht ist. Die Wählvorrichtung kann beispielsweise über ein Wählergetriebe und/oder einen Feinwähler und/oder einen Vorwähler (Wender oder Grobwähler), verfügen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das mindestens eine Schaltelement mit den mindestens zwei Schaltstrecken drehfest an einer in zwei entgegengesetzte Rotationsrichtungen betätigbaren Welle angeordnet sein. Beispielsweise kann die Rotation um eine durch die Welle verlaufende lineare Achse im- und entgegen dem Uhrzeigersinn erfolgen. Auch können die zwei elektrischen Kontaktelemente kreisförmig und mit mehreren Kontaktstellen um die Welle angeordnet sein, so dass mittels einer Drehbewegung der Schaltwelle eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Schaltelement und den elektrischen Kontaktelementen herstellbar ist.
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Zudem kann eine elektrische Verbindung mindestens einer Schaltstrecke mindestens eines Schaltelements über einen Widerstand und/oder über eine Vakuumschaltzelle herstellbar sein. Beispielsweise kann eine Schaltstrecke über einen Widerstand verfügen, während die weitere Schaltstrecke keinen zusätzlichen Widerstand aufweist. Die Widerstände können eine Vielzahl von Widerstandswerten aufweisen, die dem Fachmann bekannt sind und aus diesem Grunde nicht explizit erwähnt werden. Auch können in einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wenigstens drei Schaltelemente mit jeweils mindestens zwei Schaltstrecken vorgesehen sein, wobei die wenigstens drei Schaltelemente bei einer Drehbewegung der Welle zur zumindest annäherungsweise zeitsynchronen Herstellung einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen den drei Schaltelementen und den elektrischen Kontaktelementen ausgebildet sind.
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Weiterhin kann jedes Schaltelement mindestens zwei Schaltstrecken mit Widerstand und mindestens eine Lastschaltstrecke umfassen. Die mindestens zwei Schaltstrecken mit Widerstand können bei einer elektrischen Verbindung mit jeweils einem elektrischen Kontaktelement in Oberflächenkontakt gebracht sein. Auch können die Schaltstrecken mit Widerstand und/oder die mindestens eine Lastschaltstrecke insgesamt wenigstens drei Vakuumschaltröhren aufweisen, welche in definiertem zeitlichem Versatz schaltbar sind. Beispielsweise kann zunächst die erste Vakuumschaltröhre der ersten Schaltstrecke mit Widerstand geschaltet werden und hierauf die zweite Vakuumschaltröhre der Lastschaltstrecke und hierauf die dritte Vakuumschaltröhre der zweiten Schaltstrecke mit Widerstand. Auch können die beiden Vakuumschaltröhren der Schaltstrecken mit Widerstand derart zweitversetzt zueinander schalten, dass diese zu keinem Zeitpunkt gleichzeitig geöffnet sind.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können genau drei erste und genau drei zweite elektrische Kontaktelemente und genau drei Schaltelemente vorhanden sein, die kreisförmig und um 120° versetzt um die zentrale Schaltwelle des Lastumschalters angeordnet sind. Somit ist auf einfache Weise eine Umschaltung zwischen wenigstens zwei Stufen möglich, die immer auf gleiche Weise und vorzugsweise in gleichem zeitlichem Versatz erfolgt, unabhängig von der gewählten Drehrichtung der Antriebswelle. Auf eine aufwändige mechanische Gleichrichtung oder Drehrichtungsumkehr bei der Schaltbetätigung kann hierbei verzichtet werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Verwendung der nachfolgend beschriebenen Zeichnungen näher erläutert. Die nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele der Schaltungen und der aufeinander abgestimmten Schaltvorgänge und -reihenfolgen der mechanischen Schaltelemente und Vakuumschaltröhren sind nicht einschränkend zu verstehen, sondern dienen zur Erläuterung der Funktionen und der Schaltmöglichkeiten eines erfindungsgemäßen Lastumschalters eines Stufenschalters.
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1 zeigt eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Stufenschalters mit Ölgefäß und Wählvorrichtung
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2 zeigt ein Schaltbild mit den verschiedenen Komponenten des Lastumschalters 10, der mittels einer zentralen Schalt- bzw. Antriebswelle 8 gedreht und geschaltet werden kann.
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3 zeigt in mehreren Schaltbildern die Verschaltung einzelner Schaltzweige mehrerer Schaltelemente des erfindungsgemäßen Stufenschalters und die Schaltabläufe beim Drehen einer Schaltwelle.
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4 zeigt eine alternative Ausführungsform eines Lastumschalters, wie er in der vorliegenden Erfindung Verwendung finden kann.
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1 zeigt eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Stufenschalters 1 mit Ölgefäß 3 und Wählvorrichtung 5. Am Ölgefäß 3 ist ein Deckel 4 angeordnet. Die Wählvorrichtung 5 kann beispielsweise ein Wählergetriebe, einen Feinwähler und einen Vorwähler (nicht dargestellt) aufweisen. Ferner kann, wie in der gezeigten Ausführungsform dargestellt, eine Trennstelle 7 zwischen Ölgefäß 3 und Wählvorrichtung 5 vorhanden sein. Im oder am Ölgefäß 3 können weitere Komponenten, wie beispielsweise ein Federenergiespeicher (nicht dargestellt) angeordnet sein.
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2 zeigt ein Schaltbild mit den verschiedenen Komponenten des Lastumschalters 10, der mittels einer zentralen Schalt- bzw. Antriebswelle 8 gedreht und geschaltet werden kann. Der Schaltvorgang kann mittels Drehung der Antriebswelle 8 im- oder entgegen dem Uhrzeigersinn erfolgen. Der in 3 anhand mehrerer Prinzipschaltbilder dargestellte Lastumschalter 10 dient zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen zwei elektrischen Kontaktelementen 12 und 14 eines Stufenschalters 1 (siehe 1). Der Lastumschalter 10 umfasst mehrere Schaltelemente 17a, 17b und 17c mit jeweils einer Lastschaltstrecke 18 und jeweils zwei Schaltstrecken mit Widerstand 19. Die Laststrecke 18 des jeweiligen Schaltelementes 17a, 17b und 17c verläuft mittig zwischen den beiden Schaltstrecken mit Widerstand 19. Eine der beiden Schaltstrecken mit Widerstand 19 des Schaltelementes 17a, 17b und 17c kann jeweils über eine Serienschaltung aus einer Vakuumschaltröhre TTVa und einem mechanischen Schaltkontakt TTF1 sowie einem Widerstand R1 gebildet sein. Ebenso kann eine weitere Schaltstrecke mit Widerstand 19 der Schaltelemente 17a, 17b und 17c jeweils über eine Serienschaltung aus einer Vakuumschaltröhre TTVb und einem mechanischen Schaltkontakt TTF2 sowie einem Widerstand R2 gebildet sein. Zudem kann die Laststrecke 18 eines jeweiligen Schaltelemente 17a, 17b und 17c aus einer Serienschaltung einer Vakuumschaltröhre MSV1 und einem mechanischen Schaltkontakt MTS1 gebildet sein.
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Die drei Vakuumschaltröhren MSV1, TTVa und TTVb und die drei mechanischen Schaltkontakte TTF1, MTS1 und TTF2 sind gemäß 3 mit definiertem zeitlichem Versatz schaltbar. Wie anhand der 3a und 3b zu erkennen ist, öffnet zunächst die im ersten Widerstandszweig 19 angeordnete Vakuumschaltröhre TTVb, bevor mit kurzem zeitlichen Versatz der zugehörige mechanische Schaltkontakt TTF2 im selben Pfad 19 rotierend einen Schaltvorgang vom ersten elektrischen Kontaktelement 12 zum zweiten elektrischen Kontaktelement 14 herbeiführt (siehe 3b und 3c). Als nächstes öffnet sich, wie in 3c und 3d gezeigt, die sich am Pfad 18 befindliche zweite Vakuumschaltröhre MSV1 bevor der im selben Pfad 18 befindliche mechanische Schaltkontakt MTS1 gelöst wird (siehe 3c–3f). Wie aus den 3e bis 3f erkennbar, wird, während die zweite Vakuumschaltröhre MSV1 noch geöffnet ist, die erste Vakuumschaltröhre TTVb wieder geschlossen, so dass eine elektrisch leitende Verbindung hergestellt ist.
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Zum Trennen der elektrischen Verbindung wird in einem nächsten Schritt die dritte Vakuumschaltröhre TTVa des dritten Pfades 19 geöffnet (siehe 3f). Wie in 3g und 3h gezeigt, wird der Lastpfad 18 in Richtung zweites Kontaktelement 14 weitergeführt und die auf dem Lastpfad angeordnete Vakuumschaltröhre MSV1 geschlossen (3h). Die 3i bis 3k zeigen das Schließen der auf dem dritten Pfad 19 angeordneten Vakuumschaltröhre TTVa und das Weiterführen des Pfades 19 zum zweiten elektrischen Kontaktelement 14. Die 31 bis 3u zeigen einen weiteren Schaltschritt und das Weiterführen der Schaltelemente 17a, 17b und 17c und der Pfade 18 und 19 vom zweiten Kontaktelement 14 zum ersten Kontaktelement 12. Der Ablauf des Schaltvorgangs ist hierbei identisch zu dem Schaltvorgang der 3a bis 3l. Insgesamt sind für eine Rotation um 360° drei Schaltvorgänge von jeweils einem ersten Kontaktelement 12 auf ein zweites Kontaktelement 14 vorgesehen.
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Die Darstellung der 4 zeigt schließlich eine Variante des Stufenschalters 1, bei der zumindest im Lastpfad 18 mit der zweiten Vakuumschaltröhre MSV1 und dem mechanischem Schaltkontakt MTS1 ein zusätzlicher Hauptkontakt MC angeordnet ist, der die Dauerstromführung übernehmen kann.
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Die Erfindung wurde unter Bezugnahme auf eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben. Es ist jedoch für einen Fachmann vorstellbar, dass Abwandlungen oder Änderungen der Erfindung gemacht werden können, ohne dabei den Schutzbereich der nachstehenden Ansprüche zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Stufenschalter
- 3
- Ölgefäß
- 4
- Deckel
- 5
- Wahlvorrichtung
- 7
- Trennstelle
- 8
- Antriebswelle
- 10
- Lastumschalter
- 12
- Erstes Kontaktelement
- 14
- Zweites Kontaktelement
- 17
- Schaltelement
- 18
- Lastschaltstrecke
- 19
- Schaltstreckt mit Widerstand
- MSV1
- Vakuumschaltröhre
- TTV
- Vakuumschaltröhre
- MTS
- Mechanischer Schaltkontakt
- TTF
- Mechanischer Schaltkontakt
- R
- Widerstand
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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