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Die Erfindung betrifft einen Transformator, insbesondere einen Stufentransformator mit wenigstens einer Stamm- sowie einer Regelwicklung. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Laststufenschalter mit einem solchen Transformator.
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Üblicherweise kommen Stufentransformatoren in Verbindung mit einem Stufenschalter zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen verschiedenen Wicklungsanzapfungen dieses Stufentransformators zum Einsatz und dienen dabei bekanntermaßen zur unterbrechungslosen Spannungsregelung in Energieverteilungsnetzen.
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Grundsätzlich existieren für Stufenschalter weltweit zwei unterschiedliche Schaltprinzipien:
- 1. Der schnell umschaltende Widerstandsschalter, nach seinem Erfinder auch oft als ”Jansen-Schalter” bezeichnet, der sich in weiten Teilen der Welt durchgesetzt hat. Hierbei erfolgt die Umschaltung von einer Wicklungsanzapfung auf die nächste schnell, d. h. sprungartig, und es sind Überschaltwiderstände vorgesehen, die einen Stufenkurzschluss, der bei diesem Prinzip der Umschaltung nur für eine sehr kurze Zeitspanne auftreten darf, verhindern.
- 2. Als zweites Schaltprinzip ist der langsam umschaltende Reaktorschalter bekannt, der bis heute in den USA dominierend ist. Dabei sind Umschaltimpedanzen vorgesehen, die während der langsamen Umschaltung von einer Wicklungsanzapfung zur nächsten einen Stufenkurzschluss vermeiden und für die Dauerbelastung bemessen sind.
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Ein solcher Stufenschalter nach dem Reaktorschaltprinzip ist beispielsweise aus der
Firmenschrift "Load Tap Changer Type RMV II" der Firma Reinhausen Manufacturing, Humboldt, Tenessee, USA, Impressum RM 05/91 – 1094/5000, bekannt geworden.
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Ein weiterer nach dem Reaktorschaltprinzip arbeitender Stufenschalter, der ebenfalls auf die Anmelderin zurückgeht, ist aus der
DE 197 43 865 C1 bekannt. N und n + 1 sind dabei benachbarte Anzapfungen der Stufenwicklung des Stufentransformators. Der Stufenschalter weist bewegliche Wählerkontakte und Umschaltimpedanzen auf, die auch Überschaltreaktanzen genannt werden. Zwischen die beiden Zweige ist eine Vakuumschaltröhre geschaltet, wobei die entsprechende Verbindung zur Lastableitung durch einen Bypass-Schalter hergestellt wird. Der Bypass-Schalter kann dabei – je nach Stellung – jeden der beiden beweglichen Wählerkontakte sowohl einzeln als auch gemeinsam mit der Lastableitung verbinden.
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Eine nochmals weitere bekannte Ausführungsform eines Laststufenschalters, der ebenfalls nach dem Reaktorschaltprinzip arbeitet, ist in 1a dargestellt. Diese zeigt eine diesem Stufenschalter zu Grunde liegende typische Umschaltung einschließlich Schaltsequenz der Schalthandlung von einer Stufe A auf eine benachbarte Stufe B. n und n + 1 sind hier die benachbarten Anzapfungen der Stufenwicklung des Stufentransformators. MTS1 und MTS2 sind die bei der Umschaltung zu betätigenden beweglichen Wählerkontakte, X1 und X2 die gekoppelten Überschaltreaktanzen. Die Lastableitung Y ist zwischen den Reaktanzen X1 und X2 angeordnet. Zu Beginn einer Lastumschaltung wird eine Lastschaltstrecke MSV2 geöffnet, der Wählerkontakt MTS2 kann damit stromlos auf die Anzapfung n + 1 bewegt werden, anschließend schließt die Laststrecke MSV2. Damit ist eine stationäre Betriebsstellung hergestellt und auf die Stufe B umgeschaltet. Die Überschaltreaktanzen X1 und X2 begrenzen den Kreisstrom IC auf eine für die Strombahn des Stufentransformators und des Laststufenschalters zulässigen Grenzwert.
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Die im Stand der Technik erwähnten Überschaltreaktanzen X1 und X2 sind stets so ausgelegt, dass diese den beim Umschalten in der „bridging position” entstehenden Kreisstrom begrenzen und als stationäre Betriebsstellung dauerhaft stromdurchflossen sein können. Da bei hohen Leistungsklassen dieser Kreisstrom sehr groß werden kann, können die Überschaltreaktanzen, die aus einer Spule auf einem gemeinsamen ferromagnetischen Kern aufgebaut sind, einen Durchmesser von über einem Meter und eine Höhe von mehreren Metern annehmen.
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Unabhängig von der Leistungsklasse stellen die Überschaltreaktanzen jedoch immer einen enormen Kostenfaktor für den Transformatorhersteller dar. Neben der großen Menge an Material aus dem diese separat angeordnete Spule besteht, wirkt sich auch der notwendige Bauraum im Transformatorkessel negativ aus.
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Im Betrieb kommt es zusätzlich zu einer Erwärmung der Überschaltreaktanz. Diese Wärmeenergie wird an das umgebende Transformatoröl abgegeben. Aus diesem Grund muss das Kühlsystem des Transformators größer und leistungsstärker ausgelegt werden.
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Ein weiterer Nachteil dieser Spulen sind die enormen ohmschen und magnetischen Verluste die durch diese entstehen. Einerseits stellt das viele Material der Spulen im Betrieb einen großen ohmschen Widerstand dar. Zusätzlich erzeugt die Form der Überschaltreaktanzen „Spule mit Kern” hohe magnetische Verluste.
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Um die eben beschriebenen negativen Einflüsse der Überschaltreaktanzen zu minimieren, ist es bei Reaktor-Stufenschaltern daher außerdem bereits bekannt, eine Wicklung mit Mittelanzapfung als sogenannte Ausgleichswicklung im Verknüpfungspunkt der beiden Zweige des Stufenschalters und der Lastableitung Y vorzusehen, wie in 1b gezeigt. Diese zusätzlich zur eigentlichen Stufenwicklung vorhandene, auf demselben Kern, jedoch separat angeordnete Ausgleichswicklung ist derart bemessen, dass über ihr eine Spannung abfällt, die der Hälfte der Anzapfungsspannung, d. h. der Spannung zwischen zwei benachbarten Anzapfungen der Stufenwicklung, entspricht. Dadurch wird die Nennspannung der gekoppelten Überschalt-Impedanzen X1 und X2 und damit die Nennleistung halbiert. Dies führt zu einer erheblichen Reduzierung der Baugröße der Impedanzen und zu einer Reduzierung der Verluste.
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Da stets ein Bestreben vorliegt, die einzelnen Baugruppen so kostengünstig wie möglich zu fertigen und die magnetischen und ohmschen Verluste so gering wie möglich zu halten, versuchen Transformatorhersteller dieses Ziel durch die Einsparung von Material, d. h. Menge des Kupfers für die Leitungen, Größe des Eisenkerns und Bauraums, den die Überschaltreaktanz oder die Ausgleichswicklung benötigen, zu erreichen. Außerdem wird stets versucht, die Kosten durch die konstruktive Gestaltung und durch die kleinere Dimensionierung aller stromführenden Teile zu reduzieren.
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Aufgabe der vorliegenden Neuerung ist es, einen Transformator bereitzustellen, der einfach aufgebaut ist und dabei trotzdem ein hohes Maß an Sicherheit und Zuverlässigkeit gewährleistet.
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Diese Aufgabe wird durch einen Transformator mit den Merkmalen des Schutzanspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche betreffen dabei besonders vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
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Die allgemeine erfinderische Idee besteht dabei darin, die Ausgleichwicklung in die wenigstens eine Stammwicklung des Stufentransformators zu integrieren, so dass nur mehr eine gemeinsame Wicklung für die Stammwicklung sowie Ausgleichswicklung technisch notwendig ist. Mit anderen Worten sind also die Abgriffe der Ausgleichswicklung neuerungsgemäß am Ende, d. h. dem der Regelwicklung zugewandten Teil, der wenigstens einen Stammwicklung angeordnet und nicht mehr, wie bisher im Stand der Technik, als separate, also baulich von der wenigstens einen Stammwicklung getrennte, Ausgleichswicklung ausgebildet. Wie in 1c dargestellt ist, wurde dabei erkannt, dass sich der Mittelabgriff der Ausgleichswicklung und das Ende der wenigstens einen Stammwicklung B im Stand der Technik auf gleichem Potential befinden. Die Windungsanzahl der Stammwicklung B ist nB und die Windungsanzahl der Ausgleichswicklung nBW. Insgesamt werden nach dem Stand der Technik für Stammwicklung B und Ausgleichswicklung also nB + nBW Windungen benötigt. Entsprechend der in 2 skizzierten erfindungsgemäßen Idee wird für Stammwicklung B und Ausgleichswicklung eine gemeinsame Wicklung mit nB + 0,5·nBW Windungen verwendet. Es werden damit 0,5·nBW Windungen eingespart. Der Anschluss „b” der Ausgleichswicklung befindet sich am Ende der gemeinsamen Wicklung. Der Anschluss „d” der Ausgleichswicklung wird als Anzapfung der gemeinsamen Wicklung nach nBW Windungen vom Anschluss „b” aus gesehen, realisiert. Der im Stand der Technik vorhandene Anschluss „0” befindet sich in der gemeinsamen Wicklung in der Mitte zwischen den Anschlüssen „b” und „d”.
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Der neuerungsgemäße Transformator hat dadurch folgende Vorteile:
Die Hälfte der Windungen der Ausgleichswicklung wird eingespart; dies bedeutet weniger Materialeinsatz, weniger Fertigungsaufwand und weniger Platzbedarf.
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Die Wicklungsverluste werden reduziert: Der Laststrom-Anteil über den Anschluss „d” fließt nach Stand der Technik zunächst durch die Hälfte der Ausgleichswicklung (d. h. durch 0,5·nBW Windungen) bis zum Mittelabgriff „0” und anschließend durch 0,5·nBW Windungen der Wicklung „B”, um das gleiche Potential „d” wieder zu erreichen. Da die beiden Wicklungsteile entgegengesetzt gerichtet sind, werden also nBW Windungen durchflossen ohne eine Änderung der Spannung zu erreichen. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung entfallen für den Laststrom-Anteil über Anschluss „d” diese Windungen und dadurch die entsprechenden Wicklungsverluste.
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Das Wicklungsdesign wird vereinfacht, weil die Isolationsspannung in Höhe von UBW zwischen der Ausgleichswicklung und der Wicklung „B” entfällt. Dadurch wird wiederum Material und Platz im Transformator eingespart.
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Die Erfindung soll nachstehend an Hand der Figuren beispielhaft noch näher erläutert werden. Es zeigen:
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1a eine aus dem Stand der Technik bekannte Ausführungsform eines Laststufenschalters nach dem Reaktorschaltprinzip;
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1b eine aus dem Stand der Technik bekannte Ausführungsform einer Stamm- sowie Regelwicklung einschließlich Überschalttransformator und Laststufenschalter
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1c ein aus dem Stand der Technik bekannter Aufbau eines Wicklungsabschnitts eines Transformators
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2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Transformators.
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Für gleiche oder gleich wirkende Elemente der Erfindung werden identische Bezugszeichen verwendet. Ferner werden der Übersicht halber nur Bezugszeichen in den einzelnen Figuren dargestellt, die für die Beschreibung der jeweiligen Figur erforderlich sind. Die dargestellten Ausführungsformen stellen lediglich Beispiele dar, wie der neuerungsgemäße Transformator beziehungsweise seine Stamm- und Regelwicklung ausgestaltet sein können und stellen somit keine abschließende Begrenzung der Erfindung dar.
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In 1a ist ein aus dem Stand der Technik bekannter Laststufenschalter nach dem Reaktorschaltprinzip gezeigt. N und n + 1 sind hier benachbarte Anzapfungen einer Stufenwicklung, auch Regelwicklung genannt, eines Stufentransformators. MTS1 und MTS2 sind bei der Umschaltung zu betätigende bewegliche Wählerkontakte, mit X1 und X2 sind gekoppelte Überschaltreaktanzen, auch als Überschalttransformator bezeichnet, dargestellt. Eine Lastableitung Y ist zwischen den Reaktanzen X1 und X2 angeordnet. Zu Beginn einer Lastumschaltung wird eine Lastschaltstrecke MSV2 geöffnet, der Wählerkontakt MTS2 kann stromlos auf die Anzapfung n + 1 bewegt werden, anschließend schließt die Laststrecke MSV2. Damit ist eine stationäre Position hergestellt und auf eine benachbarte Stufe der Regelwicklung umgeschaltet. Die Überschaltreaktanzen X1 und X2 begrenzen den Kreisstrom Ic auf eine für die Strombahn des Stufentransformators und des Laststufenschalters zulässigen Stromwert. In 1b ist ein im Unterschied zu 1a mit einer zusätzlichen Ausgleichswicklung UBW versehener Laststufenschalter nach dem Reaktorprinzip dargestellt. Die Ausgleichswicklung UBW ist dabei in eine erste Ausgleichwicklung UBW 1 sowie eine zweite Ausgleichswicklung UBW 2 aufgeteilt und dem jeweiligen Strompfad des Laststufenschalters sowie der Lastableitung Y elektrisch zwischengeschaltet. Bei Laststufenschaltern nach dem Reaktorschaltprinzip ist es bekannt, zusätzliche Ausgleichswicklungen UBW einzusetzen, um die Nennspannung der den Ausgleichsstrom begrenzenden Reaktanzen X1 und X2 und damit ihre Nennleistung zu begrenzen. Die in 1b dargestellten Reaktanzen werden im Stand der Technik auf oftmals als Überschaltimpedanzen oder aber Überschalttransformatoren bezeichnet. Beide genannten Mittel stellen dem Fachmann bekannte technische Alternativlösungen dar, um eine Halbierung der Anzapfungsspannung zu bewirken. Diese Halbierung der Anzapfungsspannung wird in der in 1a sowie 1b dargestellten „Brückenstellung” oder auch „Bridging Position” sichtbar. Die Ausgangsspannung UY beträgt in der dargestellten Stellung (Un + Un+1)/2. Diese Stellung ist eine nach dem Reaktorschaltprinzip zulässige stationäre Betriebsstellung, um letzten Endes aus beispielsweise 5 Anzapfungen der Regelwicklung des Stufentransformators 9 mögliche Regelstufungen zu bekommen. Wie im Vergleich der beiden 1a sowie 1b deutlich wird, beträgt die Nennspannung des Überschalttransformators ohne Ausgleichwicklung UBW, dargestellt in 1a, UTap = 2·UStep, wo hingegen die Nennspannung des Überschalttransformators mit Ausgleichwicklung UBW, dargestellt in 1b, lediglich 0,5·UTap = UStep beträgt.
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In 1c ist ein aus dem Stand der Technik bekannter Aufbau eines Wicklungsabschnitts eines ebenfalls bekannten Stufentransformators gezeigt. Es wurde sich bei der Darstellung der 1c auf die Bauteile des Transformators beschränkt, die im Zusammenhang mit der Erläuterung der vorliegenden Erfindung zu deren Verständnis bedeutsam sind. Derartige regelbarer Stufentransformatoren, die aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt sind, umfassen einen mit Isolieröl befüllten Transformatorkessel, in dem an einem Eisenjoch wenigstens eine Primär- sowie eine Sekundärwicklung angeordnet sind. Üblicherweise werden derartige Stufentransformatoren an der Primärwicklung geregelt. Diese Primärwicklung unterteilt sich hierfür wiederum in eine Stammwicklung UA und eine Regelwicklung UR, an der mehrere Wicklungsanzapfungen UR 1 ... UR 5 vorgesehen sind, die den Regelbereich bilden. An der Regelwicklung UR und mit dieser korrespondierend ist wiederum eine Stufenregeleinrichtung 1 angeordnet. Bei der Stufenregeleinrichtung 1 kann es sich um sämtliche aus dem Stand der Technik bekannte Laststufenschalter nach dem Reaktorschaltprinzip handeln. Ohne technische Einschränkungen für den Transformatorhersteller lässt sich der Laststufenschalter 1 so an die Wicklung des Stufentransformators anschließen, dass er nicht am Wicklungsende, wie in 1a und b dargestellt, eingesetzt wird, sondern am Wicklungsanfang, indem sich die Stammwicklung UB an die Ableitung des Laststufenschalters 1 anschließt. In einer weiteren Anordnung kann sich die Regelwicklung elektrisch zwischen zwei Stammwicklungsteilen UA und UB befinden. Die 5 Wicklungsanzapfungen UR 1 ... UR 5 lassen sich dabei mit den längs einer Bahn bewegbaren Wählerkontakten MTS1 sowie MTS2 wahlweise elektrisch kontaktieren, d. h. zu beschalten. Die eigentliche Lastumschaltung von der bisher beschalteten, auf die neue vorgewählte Wicklungsanzapfung übernehmen die beispielsweise als Vakuumschaltröhren ausgebildeten Lastschaltstrecken MSV1 sowie MSV2. In der Darstellung der 1c sind die Überschaltreaktanzen des Laststufenschalters 1 als Überschalttransformator PA bezeichnet. Der Überschalttransformator PA ist dabei an seinem ersten Eingang a mit der ersten Lastschaltstrecke MSV1 sowie mit seinem zweiten Eingang b mit der zweiten Lastschaltstrecke MSV2 elektrisch verbunden. Der Ausgang b des Überschalttransformators PA steht mit einer am Anfang der Ausgleichswicklung UBW angeordneten Wicklungsanzapfung b in elektrischer Verbindung, wohingegen in umgekehrt symmetrischer Anordnung der zweite Ausgang b des Überschalttransformators PA mit einer am Ende der Ausgleichwicklung UBW angeordneten Wicklungsanzapfung d in elektrischer Verbindung steht. Mittig der Ausgleichwicklung UBW ist eine weitere Wicklungsanzapfung 0, nachfolgend auch als Mittelabgriff bezeichnet, vorgesehen, die mit dem Ende der weiteren Stammwicklung UB elektrisch verbunden ist. Wesentlich dabei ist, dass der Mittelabgriff der Ausgleichwicklung UBW dasselbe Potential aufweist, wie der am Ende der Stammwicklung UB vorgesehene Wicklungsabgriff 0.
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Dies wurde erfindungsgemäß erkannt und wie in 2 dargestellt, die bisher im Stand der Technik separate Ausgleichwicklung UBW in die wenigstens eine Stammwicklung UB des Stufentransformators als eine gemeinsame Wicklung UN integriert. Mit anderen Worten sind also die Abgriffe der Ausgleichswicklung UBW neuerungsgemäß am Ende, d. h. dem der Regelwicklung UR zugewandten Teil, der wenigstens einen Stammwicklung UB angeordnet und nicht mehr, wie bisher im Stand der Technik, als separate, also baulich von der wenigstens einen Stammwicklung UB getrennte, Ausgleichswicklung ausgebildet. Wie bereits beschrieben, wurde dabei erkannt, dass sich der Mittelabgriff 0 der Ausgleichswicklung UBW und das Ende der wenigstens einen Stammwicklung UB auf gleichem Potential „0” befinden, so dass sich die beiden bisher separaten Wicklungen in einer einzigen, baulich zusammengefassten Wicklung UN mit beiden Funktionalitäten vereinen lässt. Daher wurde der Anschluss d der Ausgleichswicklung UBW als Abgriff der wenigstens einen Stammwicklung um 0,5·UBW vom Anschluss „0” entfernt realisiert sowie der Anschluss b der Ausgleichswicklung UBW als Verlängerung der ursprünglichen Stammwicklung B um 0,5·UBW über den Anschluss 0 der 1b hinaus in Richtung der Regelwicklung UR.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Firmenschrift ”Load Tap Changer Type RMV II” der Firma Reinhausen Manufacturing, Humboldt, Tenessee, USA, Impressum RM 05/91 – 1094/5000 [0004]
