DE2120679B2 - Lastumschalter fuer einen stufenschalter eines transformators - Google Patents

Description

30

Die Erfindung bezieht sich auf einen Lastumschalter IQr einen Stufenschalter eines Transformators gemäß 4er im Oberbegriff des Patentanspruchs angegebenen Art Ein solcher Lastumschalter ist aus der Siemens-Zeitschrift 1967, Heft 7, Seiten 638 bis 642 bekannt

Bei der Umschaltung eines derartigen Lastumschal-(ers werden Lichtbögen gezogen, die bei einer hohen Schalthäufigkeit, wie sie sich im Falle einer feinen Spannungsregelung ergibt, zu einem erheblichen Abbrand der Kontakte führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Belastung der Kontakte wesentlich zu verringern und auch bei Auftreten eines Stufenkurzschlusses die weitere Regelung nicht zu unterbrechen. Erfindungsgemäß geschieht dies durch die im Kennzeichen des Patentanspruches angegebenen Maßnahmen.

Es ist an sich aus der Zeitschrift »Die Lokomotivtechnik« 1967, S. 75 bis 84. bekannt, jeweils auf einer Seite des Lastumschalters den betreffenden Haupt- und Hilfskontakt durch die Reihenschaltung einer Thyristoranordnung und einer Sicherung zu verbinden, wobei parallel zu jeder Sicherung die Reihenschaltung eines Strornbegrenzungswiderstandes und der Primärwicklung eines Stromwandlers liegt Die Thyristoranordnungen werden dabei synchron zum Umschaltvorgang des Lastumschalter gesteuert. Hierdurch wird erreicht, daß die KLontakttrennung bei einem unbedeutenden Spannungsgefälle zwischen Haupt- und Hilfskontakt erfolgt so diiß die Kontakte weitgehend geschont werden. Bei dieser Schaltung fließt im Störungsfall, d.h. beim Durchbrennen einer Sicherung, über den Stromwandler ein entsprechend hoher Strom, der zur Auslösung einer Schutzschaltung führt, die den Transformator abschaltet Damit wird die Stromversorgung der angeschlossenen Anlage unterbrochen, was in vielen Fällen wirtschaftlich untragbar ist.

Zur Beseitigung dieses entscheidenden Mangels wurde in der DL-PS 71 161 bereits ein Lastumschalter vorgeschlagen, der den aus der Zeitschrift »Die Lokomotivtechnik« bekannten Lastumschalter dahingehend verbessert, daß der Lastumschalter trotz Durchbrennen einer Sicherung im Prinzip betriebsbereit bleibt, wobei der Lastumschalter in einer Stellung blockiert wird, in der der die ausgelöste Sicherung enthaltende Zweig abgeschaltet ist, der andere Zweig jedoch in der erreichten Stellung bis zum Auswechseln der defekten Sicherung stehenbleibt Der Schöpfer der aus der DL-PS 71 161 bekannten Schaltung ging dabei gemäß den Ausführungen in dieser Patentschrift von der Überlegung aus, daß die Auslegung der in Reihe zu den Thyristoranordnungen liegenden Strombegrenzungswiderstände Schwierigkeiten bereitet da diese Widerstände für die möglichen Kurzschlußfälle Lastkurzschluß und Stufenkurzschluß auszulegen seien, wobei die relativ lange Zeit von der Anregung der Abschaltung bis zur Trennung des Transformators vom Netz eine längere Belastung der Strombegrenzungswiderstände bewirke. Konkret läuft dann die Lösung gemäß der DL-PS 71 161 darauf hinaus, durch eine stromrichtungsabhängige Fehlerstromerfassung das Durchbrennen einer Sicherung zu signalisieren und daraufhin mittels besonderer Stellglieder den Lastumschalter einmal fortzuschalten und in der damit erreichten Lage zu blockieren.

Mit dieser letzteren Schaltung wird zwar das Ziel erreicht den Lastumschalter trotz Auftretens eines Fehlers betriebsbereit zu halten, wozu jedoch zwecks Vermeidung der als gefährlich angesehenen Belastung der Strombegrenzungswiderstände im Falle des Durchbrennens einer Sicherung bei einem Umschaltevorgang das Fließen eines Überstromes auf diesen einen Umschaltevorgang begrenzt wird, woraufhin dem Lastumschalter wegen seiner anschließenden Blockierung die Fähigkeit zur weiteren Regelung genommen wird.

Auch diese technische Lösung ist für viele Betriebsfälle r.icht hinnehmbar, da hierbei erhebliche Schaden in der angeschlossenen Last auftreten können, die wirtschaftlich nicht vertretbar sind.

Die Erfindung zeigt, daß es über die Vermeidung der Abschaltung des Transformators hinaus auch möglich ist, die Regelung im Falle des Durchbrennens einer Sicherung weiterhin aufrechtzuerhalten, so daß also der Fehler, abgesehen von einer Fehlermeldung, für die angeschlossene Last überhaupt nicht in Erscheinung tritt. Dieses entscheidende wichtige Ziel wird durch die überraschend einfache Maßnahme erreicht daß ein herkömmlich ausgelegter mechanischer Lastumschalter, bei dem also Kontakte und Widerstände für die betriebsmäßigen Belastungen bemessen sind, mit zwei elektronischen Schaltern und zwei Sicherungen derart kombiniert ist, daß normalerweise die Kontakte lichtbogenfrei schalten und die Widerstände thermisch entlastet sind. Tritt jedoch ein Stufenkurzschluß auf, beispielsweise durch einen Defekt an den elektronischen Schaltern oder in deren Steuereinheit so sprechen die Sicherungen an, und der zuvor elektronisch schaltende Lastumschalter wandelt sich selbsttätig in einen herkömmlichen, rein mechanisch arbeitenden Lastumschalter um, der in bekannter Weise eine Vielzahl von Lastschaltungen überdauern kann.

Während die Sicherung somit zum Unterbrechen des Kurzschlußstromes dient, hat der Überbrückungswiderstand eine doppelte Aufgabe. Erstens macht er es möglich, eine Sicherung zu benutzen, die nur für die Stufenspannung bemessen ist, indem er die rückkehren-

de Spannung nach Durchbrennen der Sicherung begrenzt, so daß diese nicht einem dauernden Oberschlag ausgesetzt und gesprengt wird. Zweitens macht es der Widerstand möglich, nach Unterbrechung in der Sicherung den Betrieb ungeänüert ohne Abbruch in der Spannungsregelung fortzusetzen, indem er dann als ein herkömmlicher Strombegrenzungswiderstand wirken wird, bis die Sicherung ausgewechselt ist

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeiipiels näher ertkitert Als Beispiel ist ein Lastschalter mit einem normalen Lastumschalter benutzt, der in sogenannter Wimpelschaltung ausgeführt und dazu bestimmt ist, in Verbindung mit einer Stufenspannung von der Größenordnung 0,4% benutzt zu werden und sich für Gleichrichtertransformatoren mit einer hohen Stufenzahl, beispielsweise im Bereiche 150 bis 250, eignen kann.

Fig. 1 zeigt zum Vergleich einen Lastschalter mit Lastumschslter in Wimpelschaltung in herkömmlicher Ausführung,

Fig.2 zeigt einen Lastschalter entsprechender Ausführung, jedoch mit elektronischen Ventilanordnungen versehen und entsprechend der Erfindung gesichert,

Fig.3 zeigt Kurven aus Oszillogrammaufnahmen, welche die Wirkungsweise des Lastschalters nach F i g. 2 während einer Umschaltung veranschaulichen.

In F i g. 1 bezeichnet T_r die geregelte Transformatorwicklung mit Spannungsabgriffen und Wähler, F den Verbraucher, Wl und H 2 die Hauptkontakte des Lastumschalters und M1 und M 2 dessen Hilfskontakte, während Λ3 und A4 Widerstände bezeichnen, die zwischen Haupt- und Hilfskontakt beiderseits des Lastumschalters eingesetzt sind und dazu dienen, die Zirkulationsströme während der Umschaltung zu beschränken.

Der Verlauf der Stufenumschaltung bei einem Lastschalter dieser Ausführung spielt sich wie folgt ab:

Auf der stromlosen Seite des Wählers (rechts in der Zeichnung) wird der Wählerkontakt auf den nächsten höheren oder niedrigeren Abgriff gestellt, je nachdem was erwünscht ist, und die (nicht dargestellte) Betätigungseinrichtung des Lastumschalters wird in Gang gesetzt.

Hilfskontakt M 2 wird geschlossen, so daß über H2 und M 2 Stufenspannung aufgedrückt wird und ein ZirkulatioMSstrom im Widerstand RA fließt. Hauptkontakt //1 öffnet, und durch R 3 und R 4 wird ein Strom getrieben, der durch die vektorielle Summe von Zirkulationsstrom und Laststrom bestimmt ist. Hauptkontakt H 2 wird geschlossen, der Laststrom fließt über H 2, und es entsteht ein Zirkulationsstrom in R 3. Hilfskontakt Ml öffnet, der Zirkulationsstrom wird unterbrochen, und der Schaltvorgang ist beendet.

Gesamte Umschaltungszeit mag etwa 50 ms betragen.

Eine Hinüberschaltung in entgegengesetzter Richtung erfolgt selbstverständlich in entsprechender Weise.

In der erfindungsgemäßen Ausführung nach F i g. 2 ist der Lastschalter nach F i g. 1 mn den folgenden Bestandteilen ergänzt: In die Stromkreise zwischen Haupt- und Hilfskontakt beiderseits des Lastumschalters ist eine aus zwei Thyristoren Q1, Q 2 bzw. Q 3, Q 4 in Antiparallelschaltung bestehende elektronische Ventilanordnung eingesetzt. Diese werden von einer elektronischen Steuereinheit St gesteuert, die nicht näher beschrieben wird, da sie nicht Gegenstand der vorlieeenden Erfindung bildet und solche Steuereinheiten für entsprechende Zwecke bekannt sind und ihr Aufbau im einzelnen den gegebenen Verhältnissen im Einzelfall anzupassen sein wird. Von Interesse im vorliegenden Zusammenhang ist, daß sie dazu imstande ist Steuerspannung an die Thyristoren zu liefern, so daß der in Durchflußrichtung beaufschlagte Thyristor bis zum Schluß der Halbperiode leitend wird, und daß die Steuerung der Steuereinheit vom Schaltzustand des Lastumschalters funktionell abhängig if ι, indem sie ihre Leistung von Kraftversorgungseinheiten Pl und P 2 erhält die vom Spannungsgefälle zwischen Haupt- und Hilfskontakt beiderseits des Lastumschalters gesteuert sind. Gemäß der Erfindung sind nun diese Antiparallel· schaltungen jeweils mit einer Sicherung S1 bzw. S 2 in Parallelschaltung mit einem Widerstand R 3 bzw. R 4 in Reihe geschaltet, der wie die entsprechend bezeichneten Widerstände in F i g. 1 bemessen sein kann. Schließlich sind mit Rücksicht auf die dynamische Charakteristik der Thyristoren die Ventilanordnungen mit Kommutierungskreisen ergänzt die von ÄC-Gliedern Ri, Ci bzw. R 2, C2 unmittelbar zwischen Haupt- und Hilfskontakt und einer Induktivität L 1 bzw. L 2 in Reihe mit der Antiparallelschaltung gebildet werden, sowie außerdem mit einem RC-Glied R 5, C3 bzw. R 6, C4 unmittelbar über die Antiparallelschaltung von Thyristoren.

Die Wirkungsweise beim Übergang vom Hauptkontakt H1 zum Hauptkontakt H 2 ist wie folgt:

Hilfskontakt M 2 wird geschlossen. Die Versorgungseinheit P2 erhält Spannung, wodurch die Steuereinheit St Steuerspannung an die Thyristoren Q 3 und Q 4 liefern wird. Gleichzeitig schließt die Steuereinheit die Zündkreise der Thyristoren Q1 und Q 2, so daß diese für Stromleitung bereit werden. Die Zündkreise der Thyristoren Q 3 und Q 4 werden ebenfalls geschlossen, jedoch kann die Zündung nicht erfolgen, ehe die Spannung über diese Thyristoren einen bestimmten Wert überschreitet der größer als der Amplitudenwert der Stufenspannung ist.

Hauptkontakt H1 öffnet, und die Thyristoren Q1 und <?2 übernehmen den Strom. Die Steuereinheit sorgt dafür, daß der Zündkreis eines Thyristors, sobald dieser gezündet ist, gesperrt wird, so daß der Thyristor nicht erneut zünden kann. Wenn der Strom durch die Thyristoren einen gewissen Wert, von der Größenordnung 0,01 A, unterschreitet, gehen sie selbsttätig in gesperrten Zustand über. Nach einer gewissen Zeit von etwa 10 ms bis etwa 20 ms, die davon abhängig ist, wann in bezug auf das elektrische System der Hauptkontakt öffnet, wird der Stromweg von Hl und Ml daher gesperrt. Die Spannung über die Thyristoren Q 3 und C? 4 steigt Derjenige Thyristor, dessen Durchlaßrichtung der Richtung entspricht, die der Strom anzunehmen sucht wird gezündet und der Strom ist auf die rechte Seite hinübergeführt. Die Kommutierung ist beendet, und Hauptkontakt H 2 kann geschlossen werden Die Zeit vom öffnen von H1 bis zum Schließen von H 2 mag 25 ms betragen, was einen genügenden Margin für die Zusammenarbeit des elektrischen und des mechanischen Systems gewährleistet.

Hauptkontakt H 2 wird geschlossen, und die Thyristoren Q 3 und Q 4 werden entlastet Der Strom geht jetzt von der Regelwicklung über H 2 an die Belastung F. Der Hilfskontakt Mi öffnet und die Kraftversorgungseinheit Pt und die Thyristoren Ql und Q2 werden spannungslos.

Der Verlauf ist in Fig.3 veranschaulicht die Oszillogrammaufnahmen von einer Überschaltung in

einem Lastschalter der dargestellten Ausführung mit Stufenspannung 150 V, Belastung 240 A und Leistungsfaktor 0 zeigt. In der Figur bezeichnen:

A Spannung zwischen Kontakten Hi und Mi,
B Spannung zwischen Kontakten H 2 und M 2,
C Strom durch Thyristoren <?lund<?2,

D Strom durch Thyristoren Q 3 und <? 4.

Zum Zeitpunkt 11 wird M 2 geschlossen,
zum Zeitpunkt 12 öffnet H1,
zum Zeitpunkt f 3 erfolgt Kommutierung,
zum Zeitpunkt f 4 wird H 2 geschlossen,
zum Zeitpunkt 15 wird M1 geöffnet.
Wie es aus dem Obigen hervorgeht, sind die elektronische Steuereinheit und die Thyristoren nur während des eigentlichen Überschaltungsvorganges eingeschaltet. In unverändertem Betriebszustand wird der Strom über die mechanischen Kontakte geführt. Wenn die Thyristoren nur während 10 ms Strom leiten, können sie wegen ihres sehr guten Überlastungsvermögens in so kurzen Zeiträumen verhältnismäßig große Stromstärken meistern.

Sollte nun irgendeine Unregelmäßigkeit eintreten, wodurch die Thyristoren auf beiden Seiten gleichzeitig leitend werden, ist es ersichtlich, daß dies zu Stufenkurzschluß führen würde. Dies wird gemäß der Erfindung mittels der Sicherungen 51 und S2 und der Widerstände R 3 und R 4 vermieden, indem die Sicherungen den Zirkulationsstrom begrenzen und selbsttätig den thyristorgesteuerten Lastumschalter in einen herkömmlichen Lastumschalter umwandeln. Der

ίο Lastschalter kann weiter arbeiten, so daß die Spannungsregelung ungestört erfolgt und die Auswechslung von Sicherungen und eine etwaige Revision zu einem geeigneten Zeitpunkt vorgenommen werden können. Die Sicherungen können zweckmäßig mit Meldevorrichtungen ausgerüstet sein, so daß ihr Zustand leicht zu überwachen ist.

Die Erfindung ist nicht auf Lastumschalter in der beschriebenen Wimpelschaltung beschränkt. Auch kann man anstatt der dargestellten Antiparallelschaltung von Thyristoren andere elektronische Schalter, beispielsweise solche der Triac-Bauart, verwenden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Lastumschalter für einen Stufenschalter eines Transformators mit zwei Hauptkontakten zur wahlweisen Verbindung eines gemeinsamen Lastanschlusses mit zwei abwechselnd arbeitenden Stufenwihlern und mit zwei Hilfskontakten, die jeweils über einen Widerstand zu den Hauptkontakten parallel liegen, wobei die Haupt- und Hilfskontakte durch ein Antriebssystem in der Reihenfolge Hilfskontakt ein — Hauptkontakt aus — Hauptkontakt ein — Hilfskontakt aus mit überlappender Kontaktgabe betätigbar sind und wobei die Haupt- und Hilfskontakte zur Lichtbogenlöschung der betriebsmäßig beim Umschaltvorgang auftretenden Ströme und die beiden Widerstände für die durch diese Ströme verursachten thermischen Belastungen ausgelegt sind, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe zu jedem Widerstand (#3, R 4) ein elektronischer Schalter (Q 1, Q 2; Q 3, ζ) 4) liegt, der mittels einer elektronischen Steuereinheit (St) synchron zum Umschaltvorgang des Lastumschalter steuerbar ist, und daß direkt parallel zu jedem Widerstand (R 3, R 4) eine Sicherung (51,52) liegt. die im Falle eines Stufenkurzschlusses anspricht.