EP0712140A2 - Stufenschalter - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Stufenschalter mit pro Phase zwei beweglichen Wählerkontakten, wobei der erste bewegliche Wählerkontakt über einen nachgeschalteten ersten Vakuumschalter und der zweite bewegliche Wählerkontakt über eine Reihenschaltung aus einem Überschaltwiderstand und einem zweiten Vakuumschalter mit einer Lastableitung verbindbar sind; erfindungsgemäß ist in jeder Phase zwischen den beiden Vakuumschaltern jeweils auf deren der Lastableitung abgewandten Seite ein Oszillator geschaltet, dessen Signale durch mindestens einen HF-Empfänger im Bereich des Stufenschalters empfangbar sind und ein Sendepattern ergeben, das in einer Vergleichseinheit mit einem schalterspezifischen Sendepattern verglichen wird. Dieser Vergleich erlaubt Rückschlüsse auf die Funktionsfähigkeit der Vakuumzellen bzw. die Inanspruchnahme der durch die mechanischen Wählerkontakte gebildeten Notschaltstrecken bei Ausfall eines Vakuumschalters. <IMAGE>

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf einen Stufenschalter gemäß dem Oberbegriff des 1. Patentanspruches.
  Solche Stufenschalter sind aus der DE-OS 23 21 369 bekannt.
  Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf ein Verfahren zur Überwachung eines solchen Stufenschalters.
• Ein solcher bekannter Stufenschalter weist für jede Phase in mindestens einer Ebene kreisförmig angeordnete feste Kontakte auf, die jeweils mit Anzapfungen einer Stufenwicklung eines Stufentransformators elektrisch in Verbindung stehen.
  Diese festen Kontakte sind in jeder Ebene von zwei beweglichen Wählerkontakten beschaltbar, wobei der erste bewegliche Wählerkontakt als Schaltkontakt über einen ersten Vakuumschalter, der den Laststrom schaltet, mit der Lastableitung verbunden ist und der zweite bewegliche Wahlerkontakt als Hilfskontakt über eine Reihenschaltung aus einem zweiten Vakuumschalter, der den Ausgleichsstrom schaltet, und mindestens einen Überschaltwiderstand mit der Lastableitung verbunden ist.
  Die beiden beweglichen Wählerkontakte sind dabei auf einem gemeinsamen Wählerarm angeordnet und werden gemeinsam bewegt.
• Aus der DE-PS 42 23 439 ist auch bereits ein weiterentwickelter gattungsgemäßer Stufenschalter bekannt geworden, bei dem die beiden beweglichen Wählerkontakte nicht auf einem gemeinsamen Wählerarm gelagert sind, sondern unabhängig voneinander bewegbar sind, derart, daß der zweite bewegliche Wählerkontakt bei jeder Schaltbewegung unabhängig von der Schaltrichtung den neuen festen Kontakt erreicht, bevor der erste bewegliche Wählerkontakt den bisherigen festen Kontakt verläßt.
• Die bei den gattungsgemäßen Stufenschaltern eingesetzten Vakuumschalter sind zwar wegen ihrer Abbrandfreiheit und der daraus resultierenden Vermeidung der Verschmutzung des sie umgebenden Isoliermediums sowie wegen ihrer hohen erreichbaren Schaltzahlen vorteilhaft, bieten jedoch keine Sicherheit gegen die Neuzündung von Lichtbögen beim Abschalten des den Laststrom schaltenden Vakuumschalters, einen Vakuumverlust dieses Schalters oder andere Fehler.
  In einem solchen Fall, in dem einer der Vakuumschalter nicht zuverlässig den entsprechenden Strom abschaltet, bildet sich beim Umschaltvorgang zwischen dem jeweiligen beweglichen Wählerkontakt und dem festen Kontakt, den er dann ohne vorhergehende Stromabschaltung verläßt, ein Lichtbogen.
• Es ist also notwendig, Vorkehrungen gegen einen möglichen und statistisch nicht vorhersehbaren Ausfall eines Vakuumschalters vorzusehen.
• Dazu ist vorgeschlagen worden, zwei Vakuumschalter in Reihe zu schalten, so daß beim möglichen Ausfall einer dieser Vakuumschalter der Strom des entsprechenden Wählerkontaktes von dem anderen Vakuumschalter geschaltet wird. Eine solche Anordnung erfordert jedoch nicht nur zusätzliche Vakuumschalter, sondern auch zusätzliche Mittel zur zumindest annähernd gleichzeitigen Betätigung der jeweils in Reihe geschalteten Vakuumschalter, was insgesamt den Stufenschalter kompliziert und teuer macht.
• Aus der DE-PS 40 09 038 ist ein nach dem Reaktorprinzip arbeitender dreiphasiger Stufenschalter bekannt, bei dem zur Funktionsüberwachung einer den Laststrom schaltenden Vakuumschaltröhre Stromwandler vorgesehen sind. Dabei wird, wenn nicht zu bestimmten Überwachungszeitpunkten in allen Phasen der gleiche Status vorliegt, ein Fehlersignal erzeugt, wodurch der Stufenschalter blockiert und ein fehlerhaftes, nicht lastloses Weiterschalten verhindert wird.
• Darüberhinaus sind auch Sicherheitseinrichtungen bekannt, die das Versagen eines Vakuumschalters nur detektieren und die erforderliche Stromabschaltung über den Umweg der Transformatorabschaltung mittels Leistungsschalters realisieren; diese sind jedoch wegen der hohen Leistungsschalter-Eigenzeiten zu langsam, um die Einleitung eines Stufenkurzschlusses durch das z.B. direkte Hinüberziehen des Lichtbogens von einem festen Kontakt zum anderen zu vermeiden.
• Schließlich ist es, beispielsweise aus der JP Hei-5-84656, bereits bekannt, in Reihe zum Vakuumschalter einen mechanischen Kontakt vorzusehen, der als Notschaltstrecke arbeitet und beim Versagen eines Vakuumschalters den Schaltvorgang zumindest unter Nennlastbedingungen zu Ende führt.
  Bei den gattungsgemäßen Stufenschaltern ist diese Möglichkeit einfach realisierbar, da die beweglichen Wählerkontakte, die die festen Kontakte überstreichen, selbst die Notschaltstrecke bilden und allein deren ausreichende Dimensionierung zumindest für Umschaltungen unter Nennlastbedingungen eingehalten werden muß.
• Eine solche Beanspruchung der Notschaltstrecke führt - wie erläutert - nicht zum sofortigen Ausfall des Stufenschalters oder gar Schaden des Transformators durch Stufenkurzschluß, sie muß jedoch detektiert werden, da sie auf einen Fehler an einem Vakuumschalter hinweist, der, abhängig von der Schaltzahl des entsprechenden betroffenen Stufenschalters, zumindestens gelegentlich beseitigt werden muß.
• Aufgabe der Erfindung ist es demnach, einen gattungsgemäßen Stufenschalter anzugeben, der auf einfache Art und Weise eine Detektion der Inanspruchnahme der mechanischen Notschaltstrecke, d.h. der mechanischen Wählerkontakte, als Indiz für einen Fehler an dem im jeweiligen Wählerarm angeordneten Vakuumschalter ermöglicht.
• Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des ersten Patentanspruches gelöst.
  Die Unteransprüche beinhalten besonders vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sowie ein besonders vorteilhalt anwendbares Detektionsverfahren.
• Die Erfindung nutzt die Tatsache aus, daß bei einem gattungsgemäßen Stufenschalter der entsprechende bewegliche Wählerkontakt den festen Kontakt erst eine gewisse Zeit nach der galvanischen Trennung des entsprechenden Vakuumschalters im Wählerzweig verläßt. Infolgedessen ist ein gewisser Zeitraum gegeben, in dem nach beendetem Schaltvorgang des Vakuumschalters der zugeordnete mechanische Wählerkontakt noch auf dem festen Kontakt aufgeschaltet ist. In diesem Zustand liegt zwischen den beweglichen Wählerkontakten ein Spannungssignal an, das über den erfindungsgemäß zwischengeschalteten HF-Oszillator als Sender in ein HF-Signal umgesetzt und von dem erfindungsgemäß im Bereich des Stufenschalters angeordneten Empfänger empfangen werden kann. Besonders vorteilhaft ist es dabei, die Antenne des Empfängers im Stufenschalterkopf anzuordnen, um die vom metallischen Stufenschalterkopf verursachte elektrische Abschirmwirkung zu umgehen, und das eigentliche Empfangsteil außerhalb des Stufenschalters vorzusehen. Bei Versagen eines Vakuumschalters ist der HF-Oszillator durch die beiden Vakuumschalter kurzgeschlossen und gibt kein Signal ab.
  Besonders vorteilhaft an der erfindungsgemäßen Lösung ist dabei, daß sich trotz Anwendung einer elektrischen Detektionsmethode das Problem der Phasenabstände und des Erdabstandes im Stufenschalter elegant lösen läßt, da keine feste elektrische Verbindung nach außerhalb erforderlich ist.
• Die Erfindung erfaßt demnach nicht die vom Lichtbogen selbst erzeugten breitbandigen HF-Signale, vielmehr wird durch den in jeder Phase zwischen den Vakuumschaltern auf der ableitungsabgewandten Seite angeordneten HF-Oszillator eine eigene, gezielt wählbare HF-Frequenz erzeugt.
  Besonders vorteilhaft wird ein hochohmiger HF-Oszillator mit einer Leistung von ca. 1 W verwendet.
• Besonders vorteilhaft ist es dabei, für jede Phase eine unterschiedliche Frequenz des entsprechenden HF-Oszillators vorzusehen.
  Besonders vorteilhaft an dieser Anordnung ist, daß das detektierte Signal auf einer Festfrequenz übertragen wird und damit extrem schmalbandig mit geringen Störeinkopplungen verarbeitet werden kann.
  Es kann auch vorteilhalt sein, für jede Phase jeweils eine Mehrfrequenzkennung zu senden, die entsprechend dem Schlüssein/Schloß-Prinzip noch weniger störbar ist.
• Abhängig von der jeweiligen Stufenspannung und dem Laststrom bewegen sich die an der Detektionsstrecke erscheinenden Spannungen im einem breiten Bereich. In Anbetracht der kleinen Sendeleistung und der kurzen Sendeintervalle gibt es die verschiedensten Möglichkeiten, aus der Detektionsspannung einen für den HF-Oszillator geeigneten Versorgungsspannungsbereich zu gewinnen.
  Eine - beispielhafte - Möglichkeit ist eine Reihenschaltung eines hochohmigen Widerstandes und eines Varistors, wobei der HF-Oszillator über die am Varistor anstehende Spannung versorgt wird.
• Für jeden Stufenschalter gibt es bei jedem Schaltvorgang ein charakteristisches, schalterspezifisches Sendepattern, d.h. eine vorbestimmte Sequenz von kurzen Oszillatorsignalen. Dieses Sendepattern ist, funktionsfähige Vakuumschalter vorausgesetzt, abhängig von der Bauart des Stufenschalters, d.h. seiner zugrundeliegenden Schaltung und den Schaltablauf, der Reihenfolge, in der Schaltkontakt und Hilfskontakt bewegt werden, weiter davon, ob sie unabhängig voneinander bewegbar sind oder auf einen einzigen Wählerarm gemeinsam verschwenkt werden.
  Dieses Sendepattern läßt sich in einer Vergleichseinrichtung nichtflüchtig gespeichert ablegen.
  Beim Schaltvorgang wird in dieser Vergleichseinrichtung dieses schaltertypische Sendepattern mit dem tatsächlichen Sendepattern, das vom HF-Empfänger empfangen worden ist, verglichen. Bei Nichtübereinstimmung ist von einem Fehler an einem der Vakuumschalter, d.h. von einer Inanspruchnahme der Notschaltstrecke auszugehen. Ein solcher Störungsfall kann entweder direkt signalisiert werden, es können die Störungsfälle aber auch kumuliert und nach Erreichen eines gewissen voreingestellten Grenzwertes signalisiert werden.
  Wird dem HF-Oszillator jeder Phase eine unterschiedliche Sendefrequenz zugeordnet, kann die Vergleichseinrichtung einen entsprechenden Fehlerfall auf einfache Weise der betroffenen Phase des Stufenschalters zuordnen.
• Die Erfindung soll nachstehend an zwei Ausführungsbeispielen noch näher erläutert werden.
• Die Figuren zeigen:

Fig. 1

den Ablauf einer Umschaltung bei einem ersten erfindungsgemäß weiterentwickelten Stufenschalter und die Wirkungsweise des erfindungsgemäß angeordneten HF-Oszillators

Fig. 2

das Sendepattern des in Fig. 1 dargestellten Stufenschalters

Fig. 3

Schaltung und Schaltsequenz eines ersten bekannten gattungsgemäßen Stufenschalters

Fig. 4

Schaltung und Schaltsequenz eines zweiten gattungsgemäßen Stufenschalters

Fig. 5

den Ablauf einer Umschaltung bei einem zweiten erfindungsgemäß weiterentwickelten Stufenschalter und die Wirkungsweise des erfindungsgemäß angeordneten HF-Oszillators

Fig. 6

das Sendepattern des in Fig. 5 dargestellten Stufenschalters.

• Fig. 3 zeigt einen ersten gattungsgemäßen Stufenschalter.
  Bei diesem Stufenschalter sind beide Wählerarme unabhängig voneinander bewegbar; der Schaltkontakt SKM läuft sprungartig vor, der Hilfskontakt HKM folgt, ebenfalls sprungartig bewegt, nach. Aus der Schaltsequenz sind diese Zusammenhänge und die Bewegungsabläufe der beiden Wählerarme, nämlich des Schaltkontaktes SKM und des Hilfskontaktes HKM, sowie der beiden Vakuumschalter, nämlich des ersten Vakuumschalters SKV und des zweiten Vakuumschalters HKV, ersichtlich.
  Fig. 1 zeigt den Ablauf einer Umschaltung bei einem solchen, erfindungsgemäß weiterentwickelten Stufenschalter in drei zeitlichen Phasen. Es ist zunächst einmal ersichtlich, daß auf der ableitungsabgewandten Seite zwischen den beiden Vakuumschaltern SKV, HKV ein HF-Oszillator (Sender) S angeordnet ist. Der HF-Oszillator S erhält seine zum Betrieb notwendige Spannung über einen Varistor R_V, der in Reihe mit einem Widerstand R_S zwischen den beiden Wählerarmen angeordnet ist.
  In der Phase a der Umschaltung ist SKV bereits unterbrochen, der mechanische Kontakt SKM hat den bisherigen Festkontakt jedoch noch nicht verlassen. Im Normalfall steht zwischen den Punkten A und B die Spannung I_L x R an. Ist SKV defekt, fehlt diese Spannung.
  In der Phase b hat SKM den neuen festen Kontakt bereits erreicht, SKV ist jedoch noch unterbrochen. Zu diesem Zeitpunkt stellt zwischen A und B eine Spannung ${\text{U}}_{\text{S}}{\text{+/-I}}_{\text{L}}\text{xR}$

  

  an. Ist SKV defekt und auf Grund der anstehenden Wiederkehrspannung von ${\text{U}}_{\text{S}}{\text{+I}}_{\text{L}}\text{xR}$

  

  erfolgt ein elektrischer Durchschlag in SKV, steht keine Spannung an.
  In der Phase c ist SKV geschlossen und HKV hat geöffnet. Zwischen den Punkten A und B steht üblichenweise die Stufenspannung U_S an, ist HKV defekt, fehlt diese Spannung.
• Es ist also zu erkennen, daß bei ordnungsgemäßer Funktion der beiden Vakuumschalter SKV, HKV bei jeder Umschaltung drei Sendeintervalle entstehen, Zeitpunkte also, in denen am HF-Oszillator S eine Spannung ansteht, die ihn zum Aussenden einer HF veranlaßt.
  Die Vergleichseinheit kann demnach ermitteln, ob bei einer beliebigen Umschaltung diese drei Sendeintervalle, die als typisches Sendepattern gespeichert sind, auch tatsächlich auftreten.
  Fig. 2 zeigt diese Zusammenhänge noch einmal. Es ist ersichtlich, daß bei einem Defekt sowohl von HKV als auch von SKV jeweils nur zwei statt drei HF-Impulsintervallen auftreten.
• Fig. 4 zeigt einen zweiten gattungsgemäßen Stufenschalter, wie er beispielsweise aus der WO 94/02955 bekannt ist. Bei einem solchen Stufenschalter, bei dem beide Wählerkontakte ebenfalls unabhängig voneinander bewegbar sind, läuft der Hilfskontakt HKM langsam, den neuen festen Kontakt vorwählend, vor, der Schaltkontakt SKM springt nach. Auch hier ist die bei einer Umschaltung ablaufende Schaltsequenz dargestellt.
  Fig. 5 zeigt wiederum diesen erfindungsgemäß weiterentwickelten Stufenschalter. In diesem Fall ergeben sich nur zwei Detektionszeitpunkte.
  In der Phase a hat der Hilfskontakt HKM bereits den neuen festen Kontakt erreicht, HKV ist jedoch noch geöffnet. Bei funktionsfähigem Vakuumschalter HKV steht zwischen A und B die Stufenspannung U_S an. Ist HKV defekt und auf Grund der anstehenden Wiederkehrspannung U_S ist ein elektrischer Durchschlag in HKV erfolgt, steht diese Spannung nicht an.
  In der Phase b ist bei gleicher Stellung von HKM und SKM der Vakuumschalter HKV geschlossen und SKV geöffnet. Ist SKV in Ordnung, steht zwischen den Punkten A und B die Spannung ${\text{U}}_{\text{S}}{\text{+/-I}}_{\text{L}}\text{xR}$

  

  an. Ist SKV defekt, fehlt diese Spannung.
  Fig. 6 zeigt noch einmal das entsprechende Sendepattern. Es ist ersichtlich, daß im Fehlerfall ein verändertes Sendepattern entsteht, wobei die Veränderung hierbei sowohl in einer geringeren Zahl von Impulsintervallen als auch in deren unterschiedlichen Länge bestehen kann.
• Der erfindungsgemäße Stufenschalter ermöglicht in jedem Fall bei jeder Umschaltung eine Überprüfung der ordnungsgemäßen Funktion jeder der beiden Vakuumschalter SKV, HKV. Darüberhinaus erlaubt er durch entsprechende Ausgestaltung der Vergleichseinrichtung nicht nur das Aufspüren von Defekten an den eingesetzten Vakuumschaltern, d.h. die Inanspruchnahme der Notschaltstrecken, sondern kann folgende zusätzliche Informationen über die Schalterfunktion für jede Phase getrennt liefern.
• Für den Fall des in Fig. 2 und 3 dargestellten ersten Ausführungsbeispieles sind dies:
• Länge der Lichtbogenzeiten an SKV und HKV
• Schalterkinematik, Schaltzeiten:
     SKV_ab bis SKM_ab
     SKM_ab bis SKM_zu
     SKM_zu bis SKV_zu
     SKV_zu bis HKV_ab
     HKV_ab bis HKM_ab
Mit diesen Angaben läßt sich der kinematische Schaltablauf mit Ausnahme der funktionsmäßig weniger wichtigen Abschnitte HKM_ab bis HKM_zu und HKM_zu bis HKV_zu überwachen. Damit und wegen der bereits beschriebenen Zuordnung auftretender Fehlerfälle zu den entsprechenden Schalterphasen ist ein umfassendes Monitoring des Stufenschalters möglich.

Claims (10)

1. Stufenschalter mit festen Kontakten, die jeweils mit einer Anzapfung einer Stufenwicklung eines Stufentransformators elektrisch in Verbindung stehen,
   mit in jeder zu schaltenden Phase zwei beweglichen Wählerkontakten, wobei der erste bewegliche Wählerkontakt über einen nachgeschalteten ersten Vakuumschalter mit einer Lastableitung verbindbar ist,
   wobei der zweite bewegliche Wählerkontakt über eine Reihenschaltung aus mindestens einem Überschaltwiderstand und einem zweiten Vakuumschalter ebenfalls mit der Lastableitung verbindbar ist,
   und wobei in Ruhestellung der erste und der zweite bewegliche Wählerkontakt am gleichen festen Kontakt liegen,
   dadurch gekennzeichnet,
   daß in jeder Phase zwischen den beiden Vakuumschaltern (SKV, HKV) jeweils auf deren der Lastableitung (L) abgewandten Seite zwischen Verbindungspunkten (A, B) ein HF-Oszillator (S) als Sender elektrisch geschaltet ist,
   und daß im Bereich des Stufenschalters mindestens ein HF-Empfänger, der mit einer externen Vergleichseinheit in Verbindung steht, angeordnet ist, derart, daß von dem bzw. den HF-Oszillatoren (S) gesendete HF-Signale empfangbar sind.
2. Stufenschalter nach Anspruch 1,
   dadurch gekennzeichnet,
   daß der HF-Oszillator (S) auf einem der Wählerarme angeordnet ist.
3. Stufenschalter nach Anspruch 1 oder 2,
   dadurch gekennzeichnet,
   daß jeder der jeweils einer zu schaltenden Phase zugeordneten HF-Oszillatoren (S) eine andere spezifische Sendefrequenz aufweist.
4. Stufenschalter nach Anspruch 3,
   dadurch gekennzeichnet,
   daß jedem der HF-Oszillatoren (S) ein eigener, schmalbandiger Empfänger zugeordnet ist.
5. Stufenschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
   dadurch gekennzeichnet,
   daß der HF-Oszillator (S) parallel zu einem Varistor (R_V) und mit diesem in Reihe zu einem Widerstand (R_S) zwischen den zwei Punkten (A, B) angeordnet ist.
6. Verfahren zur Überwachung eines Stufenschalters nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
   dadurch gekennzeichnet,
   daß in einer externen Vergleichseinheit ein schalterspezifisches Schalterpattern, d.h. Zahl und Dauer der bei ordnungsgemäßer Funktion der Vakuumschalter (SKV, HKV) zu erwartenden empfangenen Impulsfolgen der jeweiligen HF-Oszillatoren (S), nichtflüchtig gespeichert wird,
   daß bei jedem Umschaltvorgang zu bestimmten Zeitpunkten, wenn an den zwei Punkten (A, B) jeder Phase, zwischen denen jeweils der HF-Oszillator (S) geschaltet ist, eine zu dessen Initialisierung ausreichende Spannung ansteht, der jeweilige HF-Oszillator eine Impulsfolge sendet,
   daß der mindestens eine Empfänger diese Impulsfolgen als Sendepattern, der jeweiligen Phase zugeordnet, empfängt,
   und daß die Vergleichseinheit das gespeicherte schalterspezifische Sendepattern mit dem aktuell empfangenen Sendepattern jeder Phase hinsichtlich Zahl und Dauer der Impulsfolgen vergleicht und bei Nichtübereinstimmung ein Signal ausgibt.
7. Verfahren nach Anspruch 6,
   dadurch gekennzeichnet,
   daß die Zuordnung der empfangenen Sendepattern zu den einzelnen Phasen dadurch erfolgt, daß jeder der HF-Oszillatoren (S) eine andere Sendefrequenz besitzt.
8. Verfahren nach Anspruch 6,
   dadurch gekennzeichnet,
   daß die Zuordnung der empfangenen Sendepattern zu den einzelnen Phasen dadurch erfolgt, daß jeder der HF-Oszillatoren (S) eine individuelle Mehrfrequenzkennung sendet.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8,
   dadurch gekennzeichnet,
   daß jedem der HF-Oszillatoren (S) ein eigener Empfänger zugeordnet ist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Erfassung der Nichtübereinstimmung von gespeicherten und aktuell empfangenen Sendepattern akkumuliert wird und erst nach einer vorbestimmten Zahl von Nichrübereinstimmungsfällen von der Vergleichseinheit ein Signal ausgegeben wird.

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