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Die Erfindung betrifft eine Schaltanordnung, die mechanisch und elektrisch hoch belastbar ist und überall dort zum Einsatz kommt, wo zuverlässig kleine, mittlere und hohe Leistung zu übertragen sind, zum Beispiel in Kraftwerken, bei der Energieverteilung, in stromintensiver Industrie, zum Beispiel bei der Stahl- und Aluminiumherstellung. Derartige Schaltanordnungen finden Verwendung als Trennschalter für Verteilanlagen, Stufenschalter oder Vorwähler von Regel- und Leistungstransformatoren, Mittelspannungstrennschalter, Erdungsschalter sowie mobile und stationäre Kurzschließer.
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Beim Verbinden und Trennen von Kontakten, an denen hohe Spannungen anliegen und/oder hohe Ströme fließen, kommt es bisweilen zu stromstarken Entladungen, die zum Verbrauch des Kontaktmaterials führen, als auch ionisiertes Gas in die umgebende Atmosphäre eintragen. Wenn zum Beispiel ein Schalter in einem ölgefüllten Leistungstransformator betroffen ist, wird das Öl durch diesen Gaseintrag verschmutzt.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Schaltanordnung zu schaffen, bei der die Auswirkungen von stromstarken Entladungen reduziert werden.
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Diese Aufgabe wird durch eine Schaltanordnung gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Erfindungsgemäß hat die Schaltanordnung wenigstens zwei Kontaktpunkte und wenigstens ein Schaltelement, um die Kontaktpunkte miteinander zu verbinden. In der Regel ist das Schaltelement selbst mit einem Kontaktpunkt dauerhaft verbunden, während es durch seine Schaltbewegung einen oder mehreren andere Kontaktpunkten kontaktieren kann. Erfindungsgemäß enthält das Schaltelement wenigstens einen temperaturabhängigen Widerstand (Thermistor). Hierdurch ist es möglich, den Vorgang des Verbindens oder Trennens über diesen temperaturabhängigen Widerstand zu steuern, was im Gegensatz zu normalen Schaltern zu einem graduellen Spannungs- und Stromverlauf führt, welcher den Energieumsatz in stromstarken Entladungen reduziert, diese zu einem thermisch unkritischen Funken reduzieren lässt, oder die Entstehung einer stromstarken Entladungserscheinung ganz verhindert.
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Wenn zum Beispiel der Vorgang des Trennens betrachtet wird, ist festzustellen, dass bei herkömmlichen Schaltern, mit dem Öffnen des Schalters eine stromstarke Entladung entstehen kann. Wenn nun zum Trennen des Schalters ein Thermistor mit einer PTC-Charakteristik (Kaltleiter oder PTC-Widerstand), das heißt ein Widerstand mit einer positiven Temperaturcharakteristik, verwendet wird, dann hat dieser Widerstand zu Beginn des Stromflusses einen geringen Wert, da er noch kalt ist. Wird der PTC-Widerstand von einem Strom durchflossen, erwärmt sich dieser, woraufhin in der Folge nimmt auch sein Widerstand zunimmt. Durch den höheren Spannungsabfall über dem PTC Widerstand reduziert sich entsprechend der Stromfluss im PTC-Widerstand, der gleich dem Strom in der Entladung der Trennstrecke ist. Beim Trennvorgang ist dann der Stromfluss, so gering, dass der Energieeintag in die Umgebung bei geeigneter Wahl des PTC Elements so gering ist, dass eine stromstarke Entladung und die damit verbundene Generierung von Zersetzungsprodukten im Umgebungsmedium der Trennstrecke im Schaltmoment nicht stattfindet.
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Auch zum Schließen des Kontakts ist die Verwendung eines temperaturabhängigen Widerstands vorteilhaft. Für die Phase des Schließens der Kontakte der Schaltanordnung wird vorzugsweise ein temperaturabhängiger Widerstand mit einer NTC-Charakteristik (Heißleiter) verwendet, das heißt ein Widerstand, der einen hohen Wert hat, wenn er kalt ist und dessen Wert entsprechend seiner Kennlinie abnimmt, wenn er sich aufheizt. Wenn somit das Schaltelement die beiden Kontaktpunkte der Schaltanordnung miteinander verbindet, kommt es bei genügender Annäherung der potentialführenden Elemente des Schaltkreises zu einem dielektrischen Durchschlag des Umgebungsmediums. Normalerweise wird dieses Durchschlagsereignis aufgrund des nun fliessenden Stroms in eine stromstarke Entladung übergehen, die bis zum Herstellen eines metallischen Kontaktes zwischen den Kontaktelementen zur Ionisation und Zersetzung des Umgebungsmediums des Kontaktsystems führt. Wird nun ein NTC-Widerstand eingeführt, so wird der anfänglich fließende Strom reduziert, so dass das dielektrische Durchschlagsereignis sich nicht in einer stromstarken Entladung weiterentwickelt und somit eine Ionisation und Zersetzung des Umgebungsmediums verhindert wird. Kommt es zur Erwärmung des NTC Elements, nimmt der Widerstand ab und der Stromfluss wird größer.
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Wenn der Stromfluss hoch genug ist, kann die Verbindung zwischen den beiden Kontaktpunkten durch einen Leiter erfolgen, was dazu führt, dass der NTC-Widerstand nur während der Phase des Schließens einer Verbindung verwendet wird, in gleicher Weise wie der PTC-Widerstand oder auch Kaltleiter nur während der Phase des Trennens einer Schaltverbindung verwendet wird.
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Die Erfindung erlaubt somit, die Bildung von Stufenschaltern, Vorwählern und Trennschaltern. Der mit der Schaltanordnung zu schaltende Stromfluss kann im Bereich von wenigen mA bis mehreren hundert kA liegen, vorzugsweise im Bereich von 10 A bis 5 kA.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung hat die Schaltanordnung drei Schaltelemente, nämlich einen NTC-Widerstand, einen Leiter und einen PTC-Widerstand. Die Verbindung wird hergestellt über den NTC-Widerstand. Die Verbindung der Kontaktpunkte in der Kontaktstellung nach dem Aufbau des Kontakts über den NTC-Widerstand und dem Erreichen eines entsprechend hohen Stromwertes wird dann durch den Leiter übernommen. Dahingegen wird die Trennung der Verbindung zwischen den Kontaktpunkten von dem PTC-Widerstand übernommen, welcher nur in der Phase des Trennens des Kontaktes verwendet wird. Eine derartige Schaltanordnung ist in der Lage, hohe Spannungen und hohe Ströme zuverlässig ohne Erzeugung von stromstarken Entladungen zu schalten, das heißt zu verbinden und zu trennen und ermöglicht eine lange Lebensdauer der Schaltelemente.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist ein erstes Schaltelement durch einen Leiter gebildet und wenigstens ein weiteres Schaltelement durch den temperaturabhängigen Widerstand. Dies erlaubt es, den temperaturabhängigen Widerstand nur in der Umschaltphase der Schaltanordnung zu verwenden und ansonsten die Verbindung über den Leiter laufen zu lassen, was verlustfrei möglich ist und die Schaltung hoher Ströme von mehreren mA oder kA gestattet. Dies entlastet auch den Thermistor vor Dauerbeanspruchung und führt zu einer längeren Lebensdauer der gesamten Schaltanordnung.
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Vorzugsweise ist das Schaltelement / sind die Schaltelemente zwischen mehreren Kontaktpunkten bewegbar und selber mit einem Kontaktpunkt verbunden. Die Bewegung kann linear sein, wenn es sich um einen Gleitschalter handelt oder rotierend, wenn es sich um einen Drehschalter handelt, wie er häufig in Stufenschaltern von Regeltransformatoren verwendet wird. Entsprechend der Kontaktgeometrie sind auch beliebige dreidimensionale Bewegungsabläufe des Schaltelements der Schaltanordnung im Raum denkbar, wie sie zum Beispiel bei Double-Motion-Kontaktsystemen bei Hochspannungs-Leistungsschaltern oder Generatorschutzschaltern zum Einsatz kommen. In diesem Fall sind vorzugsweise in Schaltrichtung ein erstes Schaltelement mit einem NTC-Widerstand vor einem zweiten Schaltelement mit einem Leiter und dieses wiederum vor einem dritten Schaltelement mit einem PTC-Widerstand angeordnet, so dass die Phase der Kontaktherstellung immer über den NTC-Widerstand erfolgt, während die Phase der Kontakttrennung immer über den PTC-Widerstand erfolgt. Falls die Schaltelemente in beiden Richtungen betätigt werden, sollten die Schaltelemente mit den PTC- und NTC-Widerständen um das Schaltelement mit dem Leiter mechanisch und/oder elektrisch umschaltbar sein, um damit immer in korrekter Abfolge in Schaltrichtung angeordnet zu sein. Es kann auch vorgesehen sein, dass lediglich die Schaltkontakte der drei Schaltelemente bewegbar angeordnet sind. Der NTC- und PTC-Widerstand können somit stationär angeordnet werden.
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Vorzugsweise sind die Schaltelemente, die durch den Leiter, den PTC- und den NTC-Widerstand oder deren Schaltkontakte gebildet sind, in Form eines Schnappschalters ausgebildet, wobei der Leiter vorzugsweise starr auf einem bewegbaren Schaltelementträger angeordnet ist, während die Schaltelemente mit dem NTC- und PTC-Widerstand bewegbare Schaltkontakte haben, die relativ zum Schaltkontakt des Leiters bewegbar sind. Hierdurch lässt sich der Übergang des Schaltens von den Thermistoren auf den Leiter gut und betriebssicher definieren.
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Vorzugsweise ist der bewegbare Schaltkontakt des PTC-Widerstandes und des NTC-Widerstandes durch eine Federeinrichtung in eine Ruheposition ausgerichtet, in der sie zum Beispiel in die gleiche Richtung wie der Schaltkontakt des Leiters weisen (d.h. sich parallel dazu erstrecken), aber von diesem getrennt sind. In der Phase des Kontaktierens fährt zuerst der Schaltkontakt des NTC-Widerstands gegen einen festen Kontaktpunkt, so dass hier ein anfangs geringer Stromfluss entsprechend der NTC-Widerstandskennlinie stattfindet. Mit dem Weiterbewegen des Schaltelementträgers in Schaltrichtung wird dann der bewegbare Schaltkontakt des NTC-Widerstandes in Richtung auf den Schaltkontakt des Leiters gedrückt, so dass diese kurzgeschlossen sind und der Stromfluss nur noch über den Leiter stattfindet. Mit der weiteren Bewegung des Schaltelementträgers gleitet nun der Schaltkontakt des Leiters über den festen Kontaktpunkt, bis der feste Kontaktpunkt in die Lücke zwischen dem bewegbaren Schaltkontakt des PTC-Widerstands und dem festen Schaltkontakt des Leiters eingreift und sich beim Weiterbewegen des Schaltelementträgers vom Schaltkontakt des Leiters löst, so dass nun der Stromfluss nur noch über den PTC-Widerstand stattfindet. Der Schaltkontakt des PTC-Widerstands bewegt sich mit der Weiterbewegung des Schaltelementträgers mit, wobei er an dem festen Kontaktpunkt hängen bleibt. Der PTC-Widerstand kann sich dabei erwärmen, was zu einer Abnahme des Stromflusses führt. Wenn der bewegbare Schaltkontakt des PTC-Widerstands schließlich unter dem festen Kontaktpunkt hindurchgleitet und wieder in seine Ruheposition schnappt, ist der Strom weit genug abgesunken, so dass bei der abschließenden Kontakttrennung keine stromstarken Entladungen entstehen und somit keine Gaserzeugung stattfindet.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind somit drei Schaltelemente, nämlich ein NTC-Widerstand, ein Leiter und ein PTC-Widerstand und/oder deren Schaltkontakte auf einem beweglichen Schaltelementträger angeordnet, der zwischen stationären Kontaktpunkten beweglich ist. Eine derartige Anordnung ist zum Beispiel vorteilhaft in einem Stufenschalter realisierbar, in welchem durch das Schaltelement unterschiedliche Windungsanzapfungen einer Stufenwicklung eines Regeltransformators kontaktiert werden. Die Schaltelemente selber sind hierbei beispielsweise mit einem Lastabgriff verbunden.
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Die erfindungsgemäße Schaltanordnung ist prinzipiell für Lichtschalter, MS-Schalter, HS-Schalter und DC-Schalter geeignet, wobei jedoch eine Anwendung im Hochspannungs-/Hochstrombereich, insbesondere im Bereich der Energieversorgung als besonders vorteilhaft betrachtet wird.
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Die Schaltanordnung kann jedoch auch für einen Vorwähler verwendet werden, wobei dann vorzugsweise das Schaltelement mit einer Stammwicklung eines Regeltransformators verbunden ist, während die festen Kontaktpunkte durch die beiden Wicklungsanzapfungen an den entgegengesetzten Enden der Stufenwicklung gebildet sind.
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Die Erfindung betrifft auch einen Leistungstransformator, bei dem eine Wicklung mit einer Schaltanordnung der vorstehend beschriebenen Art mit einer Last verbunden oder von dieser getrennt wird.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Umschalten zwischen Kontaktpunkten wenigstens einer Wicklung eines Leistungstransformators, bei welchem vor der Trennung der Verbindung wenigstens eines ersten Kontaktpunktes mit wenigstens einem zweiten Kontaktpunkt der Strom zwischen dem ersten Kontaktpunkt und dem zweiten Kontaktpunkt während einer definierten ersten Zeitspanne über einen PTC-Widerstand geleitet wird und/oder bei welchem vor dem Verbinden des ersten Kontaktpunktes mit wenigstens einem zweiten Kontaktpunkt der Strom während einer definierten zweiten Zeitspanne über einen NTC-Widerstand geleitet wird. Die Zeitspannen können beispielsweise durch die Art der Schaltkontakte und die Schaltgeschwindigkeit beeinflusst werden. Die beiden Zeitspannen sind so zu wählen, dass sich darin der Widerstandswert des entsprechenden Thermistors (PTC- oder NTC-Widerstand) genügend ändert, um einen Stromverlauf während der Schaltphasen zu erzielen, der der Erzeugung von stromstarken Entladungen entgegenwirkt. Diese Zeitspannen sollten somit so bemessen sein, dass sich der Thermistor genügend aufheizen kann, um eine gravierende Änderung seines Widerstandwertes zu verursachen, im Bereich von –50 °C bis 500 °C und vorzugsweise von –25 °C bis 150 °C.
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Die Gruppe der drei Schaltelemente kann z.B. mit einem gemeinsamen Abgriff verbunden sein, der dann z.B. mit einer Last oder einem Punkt einer Wicklung verbunden ist.
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Das Trennen und Verbinden der Kontaktpunkte mit dem Abgriff über die NTC- und PTC-Widerstände lässt sich beispielsweise über gekoppelte Schalter realisieren, die zuerst einen NTC-Widerstand und anschließend einen Leiter mit dem Kontaktpunkt verbinden. Das Trennen von dem Kontakt wird dadurch realisiert, dass vor dem Trennen des Leiters als Schaltelement der Strom über den PTC-Widerstand geführt wird, so dass der Strom vor dem endgültigen Trennen des Kontakts auf einen Wert abfällt, in dem keine stromstarke Entladung mehr erzeugt wird.
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Vorzugsweise ist spezifiziert, dass während eines kurzen Zeitraums beim Umschalten der erste Kontaktpunkt zwei zweiten Kontaktpunkten verbunden ist.
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Hier ist anzumerken, dass es prinzipiell möglich ist, das Umschalten zwischen dem ersten Kontaktpunkt und dem zweiten Kontaktpunkt so zu gestalten, dass eine kurze Periode ohne Kontakt zwischen den beiden Kontaktpunkten vorgesehen ist. Hierdurch ist die Schaltgruppe aus den drei Schaltelementen, d.h. der Abgriff, immer nur mit einem der zu kontaktierenden Kontaktpunkte verbunden. Es kann aber auch so geschaltet werden, dass sich die Verbindung des PTC-Widerstands mit dem ersten Kontaktpunkt mit der bereits erfolgten Kontaktierung des zweiten Kontaktpunkts durch den NTC-Widerstand überschneidet. Dies hat den Vorteil, dass ohne Stromunterbrechung kontinuierlich zwischen Kontakten, z.B. Windungsanzapfungen durchgeschaltet werden kann, das heißt eine unterbrechungsfreie Durchschaltung. Während der gleichzeitigen Kontaktierung des ersten und zweiten Kontaktpunktes über den NTC- als auch den PTC-Widerstand fließt ein Strom zwischen den beiden Kontaktpunkten, welcher von der Potentialdifferenz zwischen diesen Punkten und dem aktuellen Widerstandswert des NTC-Widerstandes und PTC-Widerstandes entspricht. Die Widerstände können so gewählt werden, dass dieser Stromfluss in tolerierbaren Grenzen verläuft. Entsprechend fließt während einer kurzen Übergangsperiode beim Umschalten des Abgriffs von dem ersten Kontaktpunkt zu dem zweiten Kontaktpunkt der Strom zwischen dem ersten Kontaktpunkt und dem Abgriff über den PTC-Widerstand und gleichzeitig fließt der Strom zwischen dem zweiten Kontaktpunkt und dem Abgriff über den NTC-Widerstand. Dieses Verfahren erlaubt somit nicht nur eine unterbrechungsfreie, sondern auch gasfreie Umschaltung zwischen auf unterschiedlichem Potential befindlichen Kontaktpunkten.
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Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der schematischen Zeichnung beschrieben. In dieser zeigen:
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1 ein Schaltbild einer Schaltanordnung mit drei Schaltelementen umfassend einen PTC-Widerstand, einen Leiter und einen NTC-Widerstand zum unterbrochenen Umschalten von Anzapfungen einer Stufenwicklung;
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2 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Schaltanordnung mit einem bewegbaren Schaltelementträger, der drei Schaltelemente umfasst, die über die Kontaktpunkte die Anzapfungen einer Stufenwicklung kontaktieren können;
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3a–e eine Abfolge der Schaltvorgänge beim Umschalten zwischen zwei Kontaktpunkten einer Schaltanordnung mit drei Schaltelementen:
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4 ein Spannungs/Strom-Diagramm des Schaltablaufs der 3a–3e, wenn die Umschaltung zwischen zwei Kontaktpunkten unterbrochen ist;
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5 ein Spannungs/Strom-Diagramm entsprechend 4 des Schaltablaufs gemäß den 3a bis 3e, wenn die Umschaltung zwischen zwei Kontaktpunkten überlappend stattfindet.
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1 zeigt eine Schaltanordnung 10 zum Verbinden der Stammwicklung 12 mit der Stufenwicklung 14 eines Regeltransformators, wobei die Schaltanordnung 10 als Vorwähler geschaltet ist, um die Stufenwicklung 14 in gewünschter Polung mit der Stammwicklung 12 zu verbinden. Die Schaltanordnung 10 enthält drei Schaltelemente 16, 18, 20, die parallel geschaltet sind, wobei das linke erste Schaltelement 16 einen PTC-Widerstand 22 aufweist, der in Serie mit einem ersten Kopplungsschalter 24 geschaltet ist. Das mittlere zweite Schaltelement 18 besteht aus einem Leiter 26, der in Serie geschaltet ist mit jeweils einem zweiten und dritten Kopplungsschalter 34, 35, über welche der Leiter 26 alternativ mit dem ersten oder zweiten Ende der Stufenwicklung 14 verbindbar ist. Das in der Zeichnung rechte dritte Schaltelement 20 besteht aus einem NTC-Widerstand 28 in Serie geschaltet mit einem dritten Kopplungsschalter 30. Die Kopplungsschalter 24, 30, 34, 35 sind über eine erste Kopplungseinrichtung 56 derart gekoppelt, dass ein Kontaktierungsvorgang immer über das dritte Schaltelement 20 und dann das zweite Schaltelement 18 läuft, während ein Trennen immer über das zweite Schaltelement 18 und anschließend das erste Schaltelement 16 durchgeführt wird.
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An diese Schaltanordnung 10 schließt sich eine Verbindungsmatrix 36 an, die aus zwei Parallelverbindungen 38, 40 und zwei Querverbindungen 42, 44 zu den äußersten Enden der Stufenwicklung 14 besteht. Die Anschlussmatrix 36 verfügt weiterhin über vier Verbindungsschalter 46, 48, 50, 52, wobei jeweils einer der Verbindungsschalter in jeder Parallelverbindung und Querverbindung angeordnet ist. Die Verbindungsschalter 46, 48, 50, 52 sind über eine zweite Kopplungseinrichtung 54 synchronisiert betätigbar. Die erste und zweite Kopplungseinrichtung 56, 54 können rein mechanische Kopplungen mittels Gestänge und Federn sein als auch elektrische Kopplungseinrichtungen mit elektrisch geschalteten Kontakten.
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Die Stufenwicklung 14 weist weiterhin Wicklungsanzapfungen 58 auf, die von einem nicht dargestellten Feinstufenschalter beschaltbar sind. In der Figur ist die Stammwicklung 12 über den Leiter 26 des zweiten Schaltelements 18 und den zweiten Kopplungsschalter 34 mit dem linken Ende der Stufenwicklung 14 verbunden. Soll jetzt eine Umpolung durchgeführt werden, um das rechte Ende der Stufenwicklung 14 mit der Stammwicklung 12 zu verbinden, so wird zuerst der erste Kopplungsschalter 24 geschlossen und der zweite Kopplungsschalter 34 geöffnet, so dass die linke Seite der Stufenwicklung 14 nun über den PTC-Widerstand 16 mit der Stammwicklung 12 verbunden ist. Hierbei erhitzt sich der PTC-Widerstand, so dass dessen Widerstandswert zunimmt und entsprechend der Strom abfällt. Zu diesem Zeitpunkt wird nun der vierte Kopplungsschalter 30 des dritten Schaltelements 20 geschlossen, womit das rechte Ende der Stufenwicklung 14 über den NTC-Widerstand 28 des dritten Schaltelements 20 mit der Stammwicklung 12 verbunden ist. Der Widerstandswert des NTC-Widerstands 28 ist zu Beginn noch sehr hoch, so dass ein geringer Strom fließt. Nach dem Verbinden des NTC-Widerstands 28 mit der Stufenwicklung 14 wird nun der erste Kopplungsschalter 24 des ersten Schaltelements 16 geöffnet, so dass jetzt nur noch das rechte Ende der Stufenwicklung 14 über den NTC-Widerstand 28 mit der Stammwicklung 12 verbunden ist. Durch den Stromfluss erwärmt sich der NTC-Widerstand, so dass dessen Widerstandswert absinkt und der Strom steigt. Wenn dieser Anstieg groß genug ist, wird der dritte Kopplungsschalter 35 geschlossen und der vierte Kopplungsschalter 30 geöffnet, so dass die rechte Seite der Stufenwicklung 14 nun über den Leiter 26 des mittleren Schaltelements 18 mit der Stammwicklung 12 verbunden ist. Die Umschaltung des Vorwählers ist damit abgeschlossen, wobei alle Schaltvorgänge ohne stromstarke Entladungserzeugung und daher gasfrei ablaufen.
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Auf diese Weise lässt sich die Schaltanordnung 10 in vorteilhafter Weise als Vorwählers zwischen Stammwicklung und Stufenwicklung eines Regeltransformators nutzen. Aufgrund der Leistungsfähigkeit der Schaltelemente könnte hierbei sogar unter Last umgeschaltet werden.
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2 zeigt eine zweite Ausführungsform einer Schaltanordnung 60 umfassend eine Schaltgruppe 61 mit drei Schaltelementen in Form eines PTC-Widerstands 62, eines Leiters 64 und eines NTC-Widerstands 66, die mit einem ersten Kontaktpunkt 68, zum Beispiel einer Last oder einem Wicklungskontaktpunkt verbunden sind. Diese drei Schaltelemente 62, 64, 66 enden in Schaltkontakten 70, 72, 74, die zum Zusammenwirken mit Gleitkontakten 76a–e konzipiert sind, die die Anzapfungen einer Stufenwicklung 14 eines Regeltransformators bilden. In den Figuren sind identische oder funktionsgleiche Teile mit den identischen Bezugszeichen versehen.
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Die Schaltgruppe 61 bestehend aus den drei Schaltelementen 62, 64, 66 wird in Pfeilrichtung über die Gleitkontakte 76a–76e der Stufenwicklung 14 geführt, um so als Feinstufenschalter zu agieren. In Verbindungsstellung ist die Gruppe so angeordnet, dass der Schaltkontakt 72 des Leiters 64 auf einem Gleitkontakt 76a–76e der Stufenwicklung zu liegen kommt. Wenn auf einer anderen Anzapfung der Stufenwicklung umgeschaltet werden soll, so gleitet der Schaltkontakt 72 des Leiters 68 von dem entsprechenden Gleitkontakt 76 weg und der Schaltkontakt 70 des PTC-Widerstands 62 kommt in Kontakt mit dem entsprechenden Gleitkontakt 76. Über einen kurzen Zeitraum sind die beiden Schaltkontakte 72 und 70 des Leiters 68 und des PTC-Widerstands gleichzeitig mit dem Gleitkontakt 76 der Stufenwicklung 14 verbunden. Wenn nun nur noch der PTC-Widerstand 62 mit dem Gleitkontakt 76a–76e der Stufenwicklung 14 verbunden ist, heizt sich dieser auf und der Widerstand wächst an, so dass der Strom zwischen dem Kontaktpunkt 68 und der Stufenwicklung abnimmt. Bereits gleichzeitig mit dem noch vorhandenen Kontakt des PTC-Widerstands 62 mit dem Gleitkontakt 76a–e kann der Schaltkontakt 74 des NTC-Widerstands 66 bereits den nächsten Gleitkontakt 76b–76e der Stufenwicklung kontaktieren, so dass für eine kurze Zeit der PTC-Widerstand 62 und der NTC-Widerstand 66 mit zwei nebeneinanderliegenden Gleitkontakten 76a–76e verbunden sind. Der Abstand zwischen den Gleitkontakten kann jedoch auch so groß gewählt werden, dass eine derartige gleichzeitige Kontaktierung zweier Gleitkontakte 76a–e nicht stattfinden kann. In diesem Fall tritt dann für eine kurze Zeit eine Unterbrechung des Stromflusses auf. Beim Auffahren auf den nächsten Gleitkontakt 76b–e kontaktiert der Kontaktpunkt 68 den Gleitkontakt 76b–76e der Stufenwicklung 14 zuerst über den NTC-Widerstand 66, wobei anfangs der Widerstand hoch ist und durch die Erhitzung des NTC-Widerstands immer geringer wird. Schließlich kommt bei der Weiterbewegung der Schaltgruppe auch der Schaltkontakt 72 des Leiters 68 in Kontakt mit dem Gleitkontakt 76b–76e der nächsten Anzapfung 58 der Stufenwicklung, womit der Umschaltvorgang abgeschlossen ist. Bei diesem Umschaltvorgang erfolgt somit kein abruptes Ein- und Ausschalten des Stroms, sondern der Strom wird langsam eingeschaltet und langsam abgeschaltet, was die Entstehung von stromstarken Entladungen und eine entsprechende Gaserzeugung verringert bzw. verhindert.
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Vorzugsweise können die Schaltkontakte 70, 74 des PTC-Widerstands 62 und des NTC-Widerstands 66 auch als Schnappkontakte ausgebildet sein, so dass diese relativ zum Schaltkontakt 72 des Leiters 68 bewegbar sind. Eine derartige Anordnung mit ihren möglichen Schaltzuständen ist nachfolgend in Verbindung mit dem Umschalten zwischen zwei Kontaktpunkten in den 3a–3e dargestellt.
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In den 3a bis 3e sind zwei stationäre Kontaktpunkte S+ und S– dargestellt, die durch eine in Pfeilrichtung bewegbare Schaltgruppe 80 schaltbar mit einem als Abgriff ausgebildeten Kontaktpunkt S0 verbindbar sind. Die Schaltgruppe 80 umfasst ein erstes Schaltelement 82 bestehend aus einem PTC-Widerstand 84 und einem beweglichen Schaltkontakt 86, ein zweites Schaltelement 88 bestehend aus einem Leiter 90 und einem unbeweglichen Schaltkontakt 92 als auch ein drittes Schaltelement 94, bestehend aus einem NTC-Widerstand 96 und einem beweglichen Schaltkontakt 98. Die beweglichen Schaltkontakte 86 und 98 des ersten und dritten Schaltelements 82, 94 sind in der Art eines Schnappkontaktes ausgebildet, die in die in 3a dargestellte Form vorgespannt sind, in welcher sie zu dem stationären Schaltkontakt 92 des zweiten Schaltelements 88 parallel ausgerichtet aber bewegbar sind.
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Die gesamte Schaltgruppe 80 bestehend aus allen drei Schaltelementen 82, 88, 94 ist in Pfeilrichtung bewegbar. In 3a ist die Schaltsituation zu Beginn des Schaltvorgangs dargestellt, in welcher der erste Kontaktpunkt S+ mit dem Abgriff S0 über das zweite Schaltelement 88 verbunden ist, das heißt über den stationären Schaltkontakt 92 und den Leiter 90. Wird nun die Schaltgruppe 80 zum Umschalten auf den zweiten Kontaktpunkt S– in Pfeilrichtung bewegt, so gleitet der erste Kontaktpunkt S+ von dem stationären Schaltkontakt 92 des Leiters 90 weg auf den beweglichen Schaltkontakt 86, der über den PTC-Widerstand 84 mit dem Abgriff S0 verbunden ist. Hierbei heizt sich der PTC-Widerstand auf, so dass dessen Widerstandswert zunimmt. Dies führt dazu, dass kein großer Strom mehr fließt, wenn der bewegbare Schaltkontakt 86 des ersten Schaltelements 82 sich von dem ersten Kontaktpunkt S+ ablöst. Schließlich erreicht die Schaltgruppe 80 mit dem bewegbaren Schaltkontakt 98 des dritten Schaltelements 94 den zweiten Kontaktpunkt S–, wobei sich aufgrund des Stromflusses zum Abgriff S0 der mit dem bewegbaren Schaltelement 98 verbundene NTC-Widerstand 96 aufwärmt, wobei dessen Widerstandswert von einem anfangs hohen Wert auf einen niedrigeren Wert abnimmt. Beim Weiterfahren der Schaltgruppe 80 in Pfeilrichtung wird dann der bewegbare Schaltkontakt 98 ausgelenkt und drückt gegen den stationären Schaltkontakt 92 des zweiten Schaltelements 88, womit bereits der zweite Kontaktpunkt S– über den Leiter 90 mit dem Abgriff S0 verbunden ist, wie es schließlich in der Endposition 3e gezeigt ist.
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Die zugehörigen Spannungen und Stromverläufe in den unterschiedlichen Schaltphasen sind in den 4 und 5 für zwei unterschiedliche Fälle gezeigt. Die Diagramme zeigen in der Abszisse die Zeit und in der Ordinate die Spannung U bzw. den Strom I zwischen dem Abgriff S0 und den Kontaktpunkten S+, S–.
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In 4 ist der Fall gezeigt, dass die gesamte Schaltgruppe 80 für eine kurze Zeitspanne während des Umschaltens keinen Kontakt zu einem der Kontaktpunkte S+ und S– hat, während 5 einen Fall zeigt, bei der der PTC-Widerstand 84 der Schaltgruppe 80 über den bewegbaren Schaltkontakt 86 des ersten Schaltelements 82 noch mit dem ersten Kontaktpunkt S+ verbunden ist, während der bewegbare Schaltkontakt 98 des dritten Schaltelements bereits mit dem zweiten Kontaktpunkt S– verbunden ist, so dass der Abgriff S0 der Schaltgruppe für diese Zeitspanne sowohl über den PTC-Widerstand 84 mit dem ersten Kontaktpunkt S+ verbunden ist, während er gleichzeitig über den NTC-Widerstand 96 mit dem zweiten Kontaktpunkt S– verbunden ist. Es fließt hierbei nicht nur ein Strom zwischen den Kontaktpunkten S+ bzw. S– und dem Abgriff S0 der Schaltgruppe, sondern auch ein Strom zwischen den stationären Kontaktpunkten S+ und S– über die Reihenschaltung der beiden Thermistoren, und zwar des PTC-Widerstands 84 und des NTC-Widerstands 96. Mit dieser Schaltabfolge lässt sich unterbrechungsfrei zwischen zwei Kontaktpunkten S+, S– umschalten. Wie deutlich an den Spannungs/Strom-Diagrammen zu sehen ist, ist sowohl der Spannungsverlauf, das heißt die Potentialdifferenz zwischen den Kontaktpunkten S+, S– einerseits und dem Abgriff S0 andererseits relativ stetig, d.h. weist keine großen Sprünge auf. Auch der Stromfluss I zwischen dem Abgriff S0 der Schaltgruppe 80 und den stationären Kontaktpunkten S+ und S– verläuft relativ stetig, d.h. Änderungen treten eher graduell als sprunghaft auf, was die Entstehung von stromstarken Entladungen beim Schalten vermeidet.
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Die Erfindung ermöglicht somit ein von stromstarken Entladungen freies und damit weitgehend gasfreies Schalten von hohen Strömen, was zum Beispiel in Leistungstransformatoren wichtig ist, wenn die Schaltanordnung in einem Ölbad angeordnet ist, in welchem auch die Wicklungen des Transformators angeordnet sind. Auf diese Weise wird eine Verschmutzung des Öls, in welchem die Schaltanordnung zusammen mit anderen Teilen des Transformators angeordnet ist, vermieden.
