EP0124904A2

EP0124904A2 - Stufenschalter

Info

Publication number: EP0124904A2
Application number: EP84105170A
Authority: EP
Inventors: Harry Göransson; Kjell Dipl.-Ing. Magnusson
Original assignee: ASEA AB
Current assignee: ABB Norden Holding AB
Priority date: 1983-05-10
Filing date: 1984-05-08
Publication date: 1984-11-14
Anticipated expiration: 2004-05-08
Also published as: SE8302691D0; ATE26764T1; SE8302691L; SE436529B; EP0124904B1; EP0124904A3; DE3463313D1; EP0124904B2

Abstract

Stufenschalter des Lastwählertyps mit mehreren auf einer Bahn (1) angeordneten festen Kontakte (K1, K2, K3), die elektrisch gegeneinander isoliert und zum Anschluß an die Stufenanzapfungen eines Regeltransformators bestimmt sind, und mit einem beweglichen Kontaktträger (2), auf dem ein Hauptkontakt (H) und zwei auf je einer Seite des Hauptkonaktes angeordnete Hilfskontakte (M1, M2) montiert sind, die in Kontakt mit den genannten festen Kontakte gebracht werden können. Gemäß der Erfindung ist zwischen dem Hauptkontakt (H) und jedem der beiden Hilfskontakte (M1, M2) mindestens eine in beiden Richtungen steuerbare Ventilanordnung (T1, T2) angeordnet, wobei die Ventilanordnungen (T1, T2) mitden zugehörigen Steurkreisen (3) auf dem beweglichen Kontaktträger (2) montiert sind und nur bei der Umschaltung zwischen verschiedenen Transformatoranzapfungen stromführend sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stufenschalter gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Stufenschalter werden benutzt, um unter Last Umschaltungen zwischen den Stufenanzapfungen eines Regeltransformators vornehmen zu können. Es gibt zwei Hauptbauarten von Stufenschaltern, von welchen die eine Bauart durch einen vom Wähler getrennten Lastumschalter gekennzeichnet ist, während bei der anderen Bauart-der Lastumschalter mit dem Wähler kombiniert ist. Die letztere Bauart wird normalerweise Lastwähler genannt. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Stufenschalter der letztgenannten Art. Ein solcher Stufenschalter ist beispielsweise bekannt aus dem ASEA-Katalog LL 11-4 E, August 1981.
Bei der Lastumschaltung mit einem Stufenschalter bekannter Ausführung bilden sich zwischen den Kontakten Lichtbögen, was einen Kontaktabbrand und eine Verschmutzung des Öls zur Folge hat. Es ist daher wünschenswert, diese Lichtbogenbildung zu.beseitigen, insbesondere bei Stufenschaltern für Transformatoren, die an Stellen verwendet werden, an denen häufig Umschaltungen vorkommen, und die demzufolge verhältnismäßig kurze Wartungsintervalle erfordern. ;
Die Lichtbogenbildung bei der Lastumschaltung mit Stufenschaltern kann dadurch vermieden werden, daß man für die Umschaltung Thyristoren verwendet. Elektronische Stufenschalter, die kontinuierlich eingeschaltete Thyristoren enthalten, haben jedoch hohe Verluste. Außerdem ist die Zuverlässigkeit solcher Stufenschalter gering, da in ihnen eine große Anzahl einzelner Starkstromhalbleiter enthalten ist. Um dies zu vermeiden, hat man vorgeschlagen, die Thyristoren im stationären Betriebszustand des Stufenschalters (Betriebsstellungen) mittels mechanischer Kontakte kurzzuschließen oder auszuschalten, so daß die Thyristoren nur während des Umschaltvorganges eingeschaltet sind (DE-PS 21 20 679). Dadurch können verhältnismäßig kleine und billige Thyristoren verwendet werden und gleichzeitig die durch die Durchlaßspannung der Thyristoren bedingten Verluste vermieden werden. Die Lösungen, die bisher für Thyristorstufenschalter vorgeschlagen wurden, galten jedoch nahezu ausschließlich für den Stufenschaltertyp mit getrenntem Wähler und Lastumschalter.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen mit Halbleitern arbeitenden Stufenschalter des Lastwählertyps zu entwickeln, der weniger Platz als die bisher vorgeschlagenen Stufenschalter mit Thyristoren erfordert und sich besser zur Verwendung in kleineren und mittelgroßen Transformatoren eignet.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Stufenschalter gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 vorgeschlagen, der erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale hat.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen genannt.
Dadurch, daß die Wählerkontakte die Zündfolge der Thyristoren steuern, können die Thyristoren mit den zugehörigen elektronischen Steuerkreisen ohne Anschluß ans Erdpotential auf dem beweglichen Kontakt plaziert werden. Dies bedeutet, daß man einen verhältnismäßig einfachen mechanischen Aufbau erhält, der es ermöglicht, die Erfindung verhältnismäßig leicht in solchen Fällen bei Lastwählern bekannter Art anzuwenden, in denen eine lichtbogenfreie Lastumschaltung von großer Bedeutung ist.
Um einen Stufenkurzschluß des Transformators bei einem eventuellen Fehler in einem Thyristor oder in der elektronischen Steuereinheit zu verhindern, kann in an sich bekannter Weise (vgl. die obengenannte DE-PS 21 20 679) eine Sicherung in der Verbindung zwischen einem oder jedem Hilfskontakt einerseits und dem Hauptkontakt andererseits eingefügt werden. Dabei wird parallel zu der Sicherung ein Widerstand angeordnet, der so bemessen ist, daß er nach einem eventuellen Auslösen der Sicherung als Überbrückungswiderstand dienen kann.
Die Betriebssicherheit des Stufenschalters kann dadurch noch weiter verbessert werden, daß man in die Verbindung zwischen wenigstens einem der _Hilfskontakte und dem Hauptkontakt zwei zueinander parallelgeschaltete, in beiden Richtungen steuerbare Thyristoranordnungen schaltet, von welchen die eine mit einer Sicherung und die andere mit einem Überbrückungswiderstand in Reihe liegt. Mit einer solchen Anordnung ist es möglich, daß der Kreisstrom während einer bestimmten Zeit des Umschaltvorganges fließt, ohne daß ein Stufenkurzschluß auftritt; der abzuschaltende Thyristor erhält dabei genügend Zeit zum Löschen.
Anhand der in den Figuren gezeigten Ausfuhrungsbeispiele soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen.

Figur 1:
- die prinzipielle Anordnung für einen Stufenschalter gemäß der Erfindung,
Figur 2:
- ein Kontaktbewegungsdiagramm für den Stufenschalter gemäß Figur 1,
Figur 3:
- die prinzipielle Anordnung für einen weiterentwickelten Stufenschalter gemäß der Erfindung mit zwei Thyristoranordnungen pro Phase,
Figur 4:
- die prinzipielle Anordnung für einen Stufenschalter gemäß der Erfindung mit vier Thyristoranordnungen pro Phase,
Figur 5:
- die prinzipielle Anordnung für einen Stufenschalter mit drei Thyristoranordnungen pro Phase.

Der in Figur 1 gezeigte Stufenschalter ist ein solcher des Lastwählertyps, was bedeutet, daß der gesamte Schaltverlauf in dem Wähler erfolgt; dieser ist in einer sog. Wimpelschaltung ausgeführt. Der Stufenschalter enthält mehrere längs einer Bahn 1 angeordnete feste Kontakte, von denen drei Kontakte K1, K2, K3 dargestellt sind. Die Kontakte sind in gleichem Abstand voneinander angeordnet und elektrisch gegeneinander isoliert. Sie dienen zum Anschluß an die Stufenanzapfungen eines Regeltransformators. Der bewegliche Teil des Stufenschalters umfaßt einen Kontaktträger, bei dem es sich um einen Hauptkontaktarm 2 handeln kann, der einen Hauptkontakt H und zwei Hilfskontakt M1, M2 trägt. Die Hilfskontakte sind mit Hilfe isolierender Distanzelemente fest an je einer Seite des Hauptkontaktarm 2 montiert. Zwischen dem Hauptkontakt H einerseits und jedem der beiden Hilfskontakte Ml und M2 andererseits ist je eine in beiden Richtungen steuerbare Ventilanordnung T1 bzw. T2 angeordnet. Jede Ventilanordnung kann aus zwei antiparallel geschalteten Thyristoren oder aus einer anderen Anordnung mit entsprechender Arbeitsweise, wie z.B. einem Triac, bestehen. Auch die Ventilanordnungen T1, T2 mit zugehöriger Steuereinheit 3 sind auf dem beweglichen Hauptkontaktarm 2 montiert. Die Stufenspannung des Transformators wird zur Speisung der Steuereinheit (Elektronikeinheit) benutzt, wodurch keine zusätzliche Verbindung zwischen dem beweglichen Teil des Stufenschalters und der festen Umgebung erforderlich ist. Durch die dargestellte Anordnung kann man beispielsweise bei der Umschaltung von K2 auf K3 Zugang zu der Stufenspannung zwischen M1 und M2 bekommen, und zwar beispielsweise von dem Zeitpunkt 40 ms vor dem Zünden des ersten Thyristors bis beispielsweise 20 ms nach dem Zeitpunkt,in dem der ganze Umschaltvorgang beendet worden ist.
Bei einem nach der prinzipielle Anordnung gemäß Figur 1 ausgeführten wirklichen Stufenschalter werden die festen Kontakte K1, K2, K3 usw. auf einem Kreis angeordnet, und der bewegliche Teil des Stufenschalters ist an einer Antriebswelle befestigt, die so gelagert ist, daß ihre Längsachse koaxial durch den Mittelpunkt des genannten Kreises verläuft.
Die abgehende Leitung 4 für den Laststrom ist an den beweglichen Hauptkontaktarm 2 über nicht dargestellte Schleifkontakte angeschlossen.
Figur 2 zeigt ein Kontaktbewegungsdiagramm für den Stufenschalter gemäß Figur 1 beim Umschalten von dem Kontakt K2 (Betriebsstellung L2) auf den Kontakt K3 (Betriebsstellung L3) und umgekehrt. Die links in der Figur stehenden Bezeichnungen 23a - 23e bzw. 32a - 32e bezeichnen verschiedene Zwischenstellungen des beweglichen Kontaktsystems des Stufenschalters während eines Anstiegsvorgangs (Vergrößerung der Windungszahl der Wicklungen) bzw. während eines Abstiegsvorganges (Verkleinerung der Windungszahl der Wicklungen). Die Zahlen 1 und 0 bei den drei Kontaktzweigen M1, H und M2 geben an, ob der betreffende Zweig stromführend oder nichtstromführend ist.
In den Betriebsstellungen führt der Hauptkontakt H den Laststrom, während die Hilfskontakte M1 und M2 ausgeschaltet sind und in den Öffnungen zwischen den festen Kontakten liegen. Bei einem Anstiegsvorgang aus der Betriebsstellung L2 in die Betriebsstellung L3 ergibt sich folgender Schaltverlauf:

In der Stellung 23a:

Die Hilfskontakte M1 und M2 schließen ungefähr gleichzeitig an die festen Kontakte K2 bzw. K3 an. Die Steuereinheit erhält Speisespannung. Die Ventilanordnung T1 erhält ein Zündsignal.

In der Stellung 23b:

Der Hauptkontakt H schaltet lichtbogenfrei von dem Kontakt K2 ab. Die Ventilanordnung T1 übernimmt den Laststrom.

In der Stellung 23c:

Die Ventilanordnung T1 erlischt. Die Ventilanordnung T2 zündet und übernimmt den Laststrom.

In der Stellung 23d:

Der Hauptkontakt H schließt an dem festen Kontakt K3 an. Die Ventilanordnung T2 erlischt. Der Laststrom wird von dem Hauptkontakt H übernommen.

In der Stellung 23e:

Die Hilfskontakte M1 und M2 schalten von den Kontakten K2 bzw. K3 ab. Auch diese Abschaltungen sind lichtbogenfrei, da die beiden Ventilanordnungen T1 und T2 vorher gelöscht wurden. Das bewegliche Kontaktsystem setzt nun seine Bewegung fort, bis sich die Hilfskontakte an ihren Plätzen in den Freiräumen zwischen den festen Kontakten befinden, wodurch die Betriebsstellung L3 erreicht wird.
Der Schaltverlauf während eines Abstiegsvorganges aus der Betriebsstellung L3 in die Betriebsstellung L2 ist, wie aus Figur 2 hervorgeht, mit dem oben beschriebenen Schaltverlauf analog, doch werden hierbei die Ventilanordnungen in umgekehrter Reihenfolge gezündet.
Figur 3 zeigt eine Ausführungsform mit zwei Thyristoranordnungen T1, T2 pro Phase, wobei zum Schutz bei einem eventuellen Stufenkurzschluß infolge eines Fehlers in einem Thyristor oder in den Steuerkreisen, eine Sicherung S in Reihe mit jeder Thyristoranordnung angeordnet ist. Parallel zu jeder Sicherung liegt ein Widerstand R. Dieser hat einerseits die Aufgabe, die Unterbrechung des Kurzschlußstromes durch die Sicherung zu erleichtern und andererseits nach Ansprechen der Sicherung den Betrieb aufrechtzuerhalten, wobei er dann als konventioneller Überbrückungswiderstand dient.
Figur 4 zeigt die prinzipielle Anordnung für einen Stufenschalter mit vier Thyristoranordnungen T1 - T4 pro Phase. Jede Thyristoranordnung umfaßt zwei antiparallel geschaltete Thyristoren.
Zwischen dem Hauptkontakt H und jedem Hilfskontakt M1 und M2 liegen je zwei parallelgeschaltete Thyristoranordnungen Tl, T3 bzw. T2, T4. Eine Thyristoranordnung (T1 bzw. T2) in jeder Parallelschaltung liegt in Reihe mit einer Sicherung S, und die jeweils andere _Thyristoranordnung T3, T4 liegt in Reihe mit einem Widerstand R.
Diese Schaltung ermöglicht das Fließen eines Kreisstromes ohne Auftreten eines Stufenkurzschlusses. Ferner wird, wie bei der Ausführungsform gemäß Figur 3, erreicht, daß der Stufenschalter im Falle eines Thyristorschadens nicht funktionsuntüchtig wird. Falls eine der Sicherungen infolge eines kurzgeschlossenen Thyristors anspricht, so geht die Arbeitsweise des Stufenschalter automatisch in die eines konventionellen Stufenschalter über.
Die Arbeitsweise eines Stufenschalter gemäß Figur 4 bei einer Umschaltung vom Kontakt K2 auf den Kontakt K3 (Anstiegsvorgang) ist wie folgt:

Die beweglichen Hilfskontakte M1 und M2 bilden Kontakt mit den festen Kontakte K2 bzw. K3. Dabei erhält man zwischen M1 und M2 die Stufenspannung, so daß die elektronische Steuereinheit 3 Speisespannung erhält. Gleichzeitig erhält man Spannung zwischen H und M2, wodurch die Steuerlogik in der Steuereinheit eine Information über die Bewegungsrichtung bekommt. Die Thyristoranordnung T1 erhält ein Zündsignal, leitet jedoch keinen Strom.

Der Hauptkontakt H verläßt K2, und die Thyristoranordnung T1 übernimmt den Laststrom. Der Kontakt H schaltet lichtbogenfrei ab. Das Zündsignal wird unmittelbar an die Thyristoranordnung T3 weitergegeben, die den Strom übernimmt, wenn die Thyristoranordnung T1 beim nächsten Stromnulldurchgang erlischt. Die Thyristoranordnung T3 hat ein Zündsignal während 11-14 ms, wonach T4 gezündet wird. Abhängig davon, in welcher Phasenlage die Zündfolge begann, kann nun der Kreisstrom über die Thyristoranordnungen T3, T4 und den Überbrückungswiderstand R fließen. Der Kreisstrom verschwindet, wenn die Thyristoranordnung T3 bei dem nächsten Stromnulldurchgang gelöscht wird. Bei niedrigem Laststrom kann die Thyristoranordnung T3 eventuell vor dem Stromnulldurchgang von dem entgegengesetzt fließenden Kreisstrom gelöscht werden, der dann unmittelbar aufhört.
Die Thyristoranordnung T4 hat ein Zündsignal während 11-14 ms, wonach die Thyristoranordnung T2 gezündet wird und aufgrund der niedrigeren Impedanz in dem Zweig unmittelbar Strom zu führen beginnt. Die Thyristoranordnung T2 ist leitend, bis der Hauptkontakt H den Kontakt K3 berührt und die Umschaltung dadurch vollendet wird. Die Thyristoranordnung T2 behält ihr Zündsignal, bis der Hilfskontakt 142 den Kontakt K3 verläßt.
Bei einer Betätigung in entgegengesetzter Richtung ist der Verlauf zu dem eben beschriebenen analog, doch werden die Thyristoranordnungen in umgekehrter Reihenfolge gezündet.
Durch die in Figur 4 gezeigte Thyristor- und Widerstandsanordnung erhält man einen Schutz gegen einen Kurzschluß bei einem eventuell rückzündenden Thyristor. Das einzige, was in einem solchen Fall passiert, ist das Weiterfließen des Kreisstromes während einer weiteren Halbperiode.
Ein eventueller Thyristorschaden, unabhängig davon, ob'die Ursache Überstrom oder Überspannung ist, resultiert in einem oder mehreren kurzgeschlossenen Thyristoren. Ein solcher Schaden in einer der Thyristoranordnungen T1 oder T2 verursacht ein Ansprechen der betreffenden Sicherung. Die zum defekten Thyristor parallel liegende Thyristorgruppe wird dabei auch ausgeschaltet, wenn sie kein Zündsignal hat. Die führt dazu, daß der Stufenschalter nicht länger lichtbogenfrei abschaltet; er bleibt jedoch weiterhin funktionstüchtig.
Figur 5 zeigt eine prinzipielle Anordnung für einen Stufenschalter mit drei Thyristoranordnungen T1 - T3 pro Phase, von welchen die Thyristoranordnungen T1 und T3 parallel zueinander zwischen dem Hilfskontakt M1 und dem Hauptkontakt H angeschlossen sind. Die Thyristoranordnung T1 liegt in Reihe mit einer Sicherung S, die Thyristoranordnung T3 liegt in Reihe mit einem Überbrückungswiderstand R und die Thyristoranordnung T2 liegt in Reihe mit einer Parallelschaltung mit einer Sicherung S und einem Widerstand R.
Der Stufenschalter gemäß Figur 5 arbeitet im Prinzip in gleicher Weise wie der Stufenschalter gemäß Figur 4. Bei einer Umschaltung von dem Kontakt K2 auf den Kontakt K3 (Anstiegsvorgang) erhält man folgenden Verlauf:

a) Die Hilfskontakte Ml und M2 gelangen auf die festen Kontakte K2 bzw. K3. Hierdurch erhält die Steuereinheit Speisespannung über die Hilfskontakte Ml und M2. Die Thyristoranordnung T1 erhält ein Zündsignal.
b) Der Hauptkontakt H schaltet lichtbogenfrei von K2 ab, und die Thyristoranordnung T1, die bereits ein Zündsignal hat, beginnt zu leiten. Danach wird ein Zündsignal an die Thyristoranordnung T3 gegeben, während das Zündsignal von der Thyristoranordnung T1 fortgenommen wird. Bei dem nächsten Stromnulldurchgang kommutiert der Laststrom von der Thyristoranordnung T1 auf die Thyristoranordnung T3.
c) Ein Zündsignal wird an die Thyristoranordnung T2 gegeben, wodurch ein Kreisstrom ausgelöst wird. Von der Thyristoranordnung T3 wird das Zündsignal weggenommen, so daß die Thyristoranordnung T3 bei dem nächsten Stromnulldurchgang erlischt.
d) Der Hauptkontakt H gelangt auf den festen Kontakt K3, wobei die Thyristoranordnung T2, die immer noch Zündstrom erhält, erlischt.

Der Stufenschalter gemäß Figur 5 bietet dieselben Vorteile wie der Stufenschalter gemäß Figur 4. Außerdem ist er billiger, da die Anzahl der Thyristoren kleiner ist. Wegen des asymmetrischen Aufbaus des Stufenschalters gemäß Figur 5 sind die Steuerkreise jedoch etwas komplizierter.

Claims

1. Stufenschalter des Lastwählertyps mit mehreren auf einer Bahn (1) angeordneten festen Kontakte (K1, K2, K3)"die elektrisch gegeneinander isoliert und zum Anschluß an die Stufenanzapfungen eines Regeltransformators bestimmt sind, und mit einem beweglichen Kontaktträger (2), auf dem ein Hauptkontakt (H) und zwei auf je einer Seite des Hauptkontaktes angeordnete Hilfskontakte (M1, M2) montiert sind, die in Kontakt mit den genannten festen Kontakte gebracht werden können, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Hauptkontakt (H) und jedem der beiden Hilfskontakte (M1, M2) mindestens eine in beiden Richtungen steuerbare Ventilanordnung (T1, T2) angeordnet ist, wobei die Ventilanordnungen (T1, T2) mit den zugehörigen Steuerkreisen (3) auf dem beweglichen Kontaktträger (2) montiert sind und nur bei der Umschaltung zwischen verschiedenen Transformatoranzapfungen stromführend sind.

2. Stufenschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerkreise (3) der Ventilanordnungen (T1, T2) zur Versorgung mit Speisespannung zwischen den beweglichen Hilfskontakten (M1, M2) angeschlossen sind und daß die festen und beweglichen Kontakte des Stufenschalters im Verhältnis zueinander so angeordnet sind, daß die Speisespannung mindestens 5 ms vor der Zündung des ersten Thyristors verfügbar ist.

3. Stufenschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der elektrischen Verbindung zwischen jedem Hilfskontakt (Ml, M2) und dem Hauptkontakt (H) eine Sicherung (S) in Reihe mit einer der genannten Ventilanordnungen (T1, T2) liegt und daß parallel zu der genannten Sicherung ein Widerstand (R) liegt, der so bemessen ist, daß er als Überbrückungswiderstand nach einer eventuellen Auslösung der Sicherung (S) zu dienen vermag.

4. Stufenschalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der elektrischen Verbindung zwischen wenigstens einem der Hilfskontakte (M1, M2) und dem Hauptkontakt (H) zwei zueinander parallelgeschaltete Ventilanordnungen (T1, T3) angeordnet sind, wobei die genannte Sicherung (S) mit der einen Ventilanordnung (T1) und der genannte Widerstand (R) mit der anderen Ventilanordnung (T3) in Reihe liegt.