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Die vorliegende Neuerung betrifft einen Stufenschalter, aufweisend einen Wähler und einen Lastumschalter zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen verschiedenen Wicklungsanzapfungen eines Stufentransformators mit den Merkmalen des unabhängigen Schutzanspruchs.
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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 beiden Wählerleitungen einer Phase werden typischerweise auf zwei Kontakte am Ölgefäß geführt. Bei einer Umschaltung zwischen verschiedenen Wicklungsanzapfungen des Stufentransformators schaltet der Lastumschalter zwischen diesen beiden Kontakten hin und her, auch wenn sich der Wähler in einer Richtung weiterdreht. Dies erfordert einen aufwändigen Antrieb des Lastumschalters. Die Aufgabe der Neuerung 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 Neuerung in der Erhöhung der Spannungsfestigkeit zwischen den Wicklungsanzapfungen des Stufentransformators und in der variablen Schaltbarkeit in beiden Drehrichtungen.
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Diese Aufgabe der Neuerung wird durch einen Stufenschalter mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Merkmale vorteilhafter Weiterbildungen der Neuerung finden sich in den sich daran anschließenden abhängigen Ansprüchen. Zur Lösung der genannten Aufgabe schlägt die Neuerung einen Stufenschalter vor, der zumindest einen Wähler und einem Lastumschalter zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen verschiedenen Wicklungsanzapfungen eines Stufentransformators aufweist, wobei der Lastumschalter mindestens eine Schalteinheit umfasst, die teilweise auch als Schaltsektor bezeichnet wird, und die aus mindestens zwei Schaltstrecken wie bspw. Vakuumzellen, sog. Ölschaltstrecken, Thyristorstufen etc. gebildet ist. Gemäß der Neuerung ist vorgesehen, dass zumindest Teile des Lastumschalters beim Umschalten rotieren, wobei die Kontaktelemente umlaufend in einer Ebene angeordnet sind. Die mindestens eine Schalteinheit ist dabei jeweils nicht, wie beim bekannten Stand der Technik, einer definierten Phase zugeordnet, sondern jeder bewegte Kontakt im Laststufenschalter kann grundsätzlich Kontakt mit allen Festkontakten aller Phasen haben, bspw. durch Rotation in gleicher Richtung.
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Der neuerungsgemäße Stufenschalter liefert eine sehr hohe Spannungsfestigkeit, was u. a. dadurch erreicht wird, dass der Lastumschalter als bauliche Einheit vom Wähler getrennt ist, wobei der gesamte Lastumschalter 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 gemeinsamen Ebene angeordnet. Wie bei den bisher bekannten Stufenschaltern nach 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 nach dem Wesen der vorliegenden Neuerung verschiedene Ausführungsformen der Schalteinheit möglich, z. B. Schaltungen mit zwei, drei oder auch mehr Schaltstrecken. Bei einer Schaltung mit beispielsweise zwei Schaltstrecken können die Schaltstrecken aus einem Schaltelement und einem wahlweise dazu in Reihe geschaltetem Überschaltwiderstand sowie einem weiteren wahlweise in Reihe dazu geschaltetem Schaltelement bestehen. Dabei kann das weitere Schaltelement auch ein anderes physikalisches Wirkprinzip als das erste Schaltelement aufweisen. Entsprechende Konfigurationen können auch bei einer Schaltung mit drei oder mehr Schaltstrecken 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 neuerungsgemäßen 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 Wicklungsanzapfungen des Stufentransformators. Grundsätzlich sind die Schalteinheiten 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 neuerungsgemäßen Laststufenschalters sieht insgesamt zwei Hauptbaugruppen bzw. Funktionsgruppen vor, nämlich den 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 des Stufentransformators. Auch kann der Lastumschalter zum Umschalten zwischen mehreren, beispielsweise zum Umschalten zwischen zwei oder drei Stufen, vorgesehen sein. Ferner umfasst der Lastumschalter mindestens eine Schalteinheit, 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 Wicklungsanzapfungen des Stufentransformators mit dem Lastumschalter in Wirkverbindung bringbar 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 Neuerung kann die mindestens eine Schalteinheit 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 des Uhrzeigersinns 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 der wenigsten einen Schalteinheit und den elektrischen Kontaktelementen herstellbar ist.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Neuerung ist es jedoch ebenso möglich, die mindestens eine Schalteinheit ortsfest anzuordnen und die elektrischen Kontaktelemente drehfest in einem Zylinder vorzusehen, so dass durch eine Drehbewegung des Zylinders eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der wenigstens einen Schalteinheit und den elektrischen Kontaktelementen herstellbar ist. Die Verbindung der elektrischen Kontaktelemente mit den ortsfesten Leitungen zum Wähler kann in diesem Fall vorzugsweise über Schleifkontakte erfolgen.
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Zudem kann eine elektrische Verbindung mindestens einer Schaltstrecke mindestens einer Schalteinheit 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 Neuerung wenigstens drei Schalteinheiten mit jeweils mindestens zwei Schaltstrecken vorgesehen sein, wobei die wenigstens drei Schalteinheiten bei einer Drehbewegung der Welle zur zumindest annäherungsweise zeitsynchronen Herstellung einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen den drei Schalteinheiten und den elektrischen Kontaktelementen ausgebildet sind.
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Weiterhin kann jede Schalteinheit 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 zeitversetzt zueinander schalten, dass diese zu keinem Zeitpunkt gleichzeitig geöffnet sind.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Neuerung 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 Neuerung 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 neuerungsgemäßen Lastumschalters eines Stufenschalters.
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1 zeigt eine schematische Ansicht eines neuerungsgemäßen 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 neuerungsgemäßen Stufenschalters und die Schaltabläufe beim Drehen einer Schaltwelle.
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4 zeigt eine alternative Ausführungsform eines Lastumschalters, wie er in der vorliegenden Neuerung Verwendung finden kann.
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1 zeigt eine schematische Ansicht eines neuerungsgemäßen 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 des Uhrzeigersinns 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), die über einen Wähler 20 mit Wicklungsanzapfungen, hier exemplarisch dargestellt mit n und n + 1, einer Regelwicklung 21 eines Stufentransformators verbindbar sind. Der Lastumschalter 10 umfasst mehrere Schalteinheiten 17a, 17b und 17c mit jeweils einer Lastschaltstrecke 18 und jeweils zwei Schaltstrecken mit Widerstand 19. Die Laststrecke 18 der jeweiligen Schalteinheit 17a, 17b und 17c verläuft mittig zwischen den beiden Schaltstrecken mit Widerstand 19. Eine der beiden Schaltstrecken mit Widerstand 19 der Schalteinheit 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 Schalteinheit 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 einer jeweiligen Schalteinheit 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 3l bis 3u zeigen einen weiteren Schaltschritt und das Weiterführen der Schalteinheit 17a, 17b und 17c und der Pfade 18 und 19 vom zweiten Kontaktelement 14 zum ersten Kontaktelement 12. Hier ist erkennbar, dass die Schalteinheiten 17a, 17b und 17c nicht fest einer bestimmten Phase zugeordnet sind, sondern jedes Schaltelement jeder Schalteinheit 17a, 17b und 17c grundsätzlich Kontakt mit allen Festkontakten einer jeden Phase herstellen kann, was beispielsweise durch eine Rotation in gleicher Richtung erfolgt. Der Ablauf des Schaltvorgangs ist hierbei identisch zu dem Schaltvorgang der 3a bis 3l Insgesamt sind für eine Rotation um 360° sechs Schaltvorgänge von jeweils einem ersten Kontaktelement auf ein zweites Kontaktelement 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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Nach dem Wesen der vorliegenden Neuerung ist es jedoch ebenso möglich, die mindestens eine Schalteinheit 17a, 17b und 17c ortsfest anzuordnen und die elektrischen Kontaktelemente 12 und 14 drehfest in einem Zylinder vorzusehen, so dass durch eine Drehbewegung des Zylinders eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der wenigstens einen Schalteinheit 17a, 17b und 17c und den elektrischen Kontaktelementen 12 und 14 herstellbar ist. Die Verbindung der elektrischen Kontaktelemente 12 und 14 mit den ortsfesten Leitungen zum Wähler 20 kann in diesem Fall vorzugsweise über Schleifkontakte erfolgen.
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Die Neuerung wurde unter Bezugnahme auf eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben. Es ist jedoch für einen Fachmann vorstellbar, dass Abwandlungen oder Änderungen der Neuerung 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
- Schalteinheit
- 18
- Lastschaltstrecke
- 19
- Schaltstrecke mit Widerstand
- 20
- Wähler
- 21
- Regelwicklung
- n
- Wicklungsanzapfung
- n + 1
- Wicklungsanzapfung
- 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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