EP1352404B1 - Thyristor-stufenschalter - Google Patents
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- H01H9/541—Contacts shunted by semiconductor devices
Definitions
- the invention relates to a thyristor tap changer for uninterrupted switching between different winding taps of a tapped transformer under load, consisting of a mechanical tap selector for powerless preselection of the respective winding tap to be switched to, and a diverter switch with thyristors as the switching means for the actual uninterrupted switching from the previous to the pre-selected new winding tap under load.
- Thyristor tap changer of the type mentioned are also commonly referred to as hybrid tap changer, because they also have mechanical contacts, in particular mechanical selector contacts, in addition to the thyristors in the diverter switch as power electronic switching means. Only in passing, it should be mentioned that there are also so-called full thyristor switch, such. B. from WO 95127931 known to dispense entirely with movable mechanical switching elements, but are relatively large and complex in construction, have not enforced in practice and incidentally are not the subject of the present invention.
- the present invention is rather concerned with thyristor tap changers of the type mentioned, ie with the hybrid tap changers.
- This type of thyristor tap changers in turn can be subdivided into two different types of devices with different operating principles.
- the feedthrough support is partially filled with insulating oil and connected via a silica gel template with the outside air.
- a frame that houses the electronic components of the diverter switch.
- the feedthrough support itself is mounted on a mounting flange; in the up through a philosophicalflanschabdeckplatte completed diverter switch oil chamber is a support cage with connection contacts.
- a support cage with connection contacts.
- such a switch has a very large amount of space, especially due to the large Porcelain bushing between the electronics housing above the actual transformer and the part of the device with the support cage and the mechanical auxiliary switches, which is sunk into the transformer.
- the accessibility to the individual components in the oil-filled area is difficult, so that make maintenance complicated and cumbersome. Overall, this type has not been able to prevail.
- the other of the two types of devices concerns thyristor tap changers with a transfer resistor.
- a tap changer is known from US 5006784 A1, closest prior art.
- the load current is fed via a lower or higher winding tap of a control winding and two selector contacts and two permanent contacts of a common derivative. Switching from one to the other winding tapping takes place via a changeover switch, which switches the load current briefly to a discharge circuit.
- the relief circuit in turn consists of a thyristor, the thyristors are connected in anti-parallel and cooperate with a switching resistor.
- this known tap changer is about to keep the voltage and current load of the thyristors during the switching process by the selected circuit to a minimum.
- thyristor tap changer with a transfer resistor is known from WO 98/48432.
- a single antiparallel-connected thyristor pair is provided, to which a cross-over resistor is connected in parallel.
- both the thyristor pair and the over-resistance can be actuated in a specific switching sequence and switched into the circuit.
- the load current flows over the over-resistance during the load switching briefly and then a circular current, which is driven by the step voltage of the control winding.
- the object of the invention is to provide a thyristor tap changer of the type mentioned, ie a hybrid switch, which avoids the disadvantages described, in particular elaborate feedthroughs bypasses and Stützeran effeten, while compact and built maintenance-friendly and, assuming appropriate dimensioning of the thyristors, any number of successive executable circuits allows.
- a particular advantage of the invention is that the thyristors are thermally decoupled in a simple manner both from the hot transformer oil and from the transition resistances, without the need for a complex construction or particularly large feedthrough arrangements.
- a separate arrangement of the switching resistors in this converted into heat energy can be dissipated in a simple manner by a natural or forced cooling circuit, in particular by air cooling. At the same time it is ensured that this heat does not radiate to other parts of the device and heat them excessively or can affect the thyristors.
- the thyristor tap changer according to the invention thus makes it possible to carry out any number of load switching operations in succession, without the thermal load capacity limits of the thyristors being a problem in the given short-term operation of the thyristors.
- FIG. 1 shows a thyristor tap changer according to the invention, here in an embodiment with a switching resistance.
- the gray-shaded area on the left in the figure shows the oil-filled transformer tank 1.
- Each of these winding taps W1 ... Wn is electrically connected to one fixed contact K1 ... Kn of a tap selector 4 of the thyristor tap changer.
- the fixed contacts K1 ... Kn are connected in a known manner by two movable selector contacts 5, 6. Outside the transformer tank 1, laterally attached to this and connected via a feed-through plate 7 with him, is in a separate housing 8, the actual diverter switch 9, which operates in air, arranged.
- the electrical connection lines 10, 11 from the tap selector 4 to the diverter switch 9 and the load discharge 12 are guided by separate oil-tight passages 13, 14, 15 in the bushing plate 7.
- the diverter switch 9 can, depending on the respective underlying circuit, consist of different components.
- the known from WO 98/48432 circuit is shown.
- SR denotes one Load transfer bypass switch L.
- Reference numeral 16 indicates a single antiparallel thyristor pair, and CT and CR indicate two switches. In this case, the root contact of the switch CT is electrically connected to the thyristor pair 16, the root contact of the switch CR with a switching resistor 17th
- a separate housing part 19 is laterally provided on the separate housing 8, divided by a partition wall 18, in which, also in air, the switching resistor 17 is arranged. Above and below in this housing part 19 openings 20, 21 are provided, so that a separate air flow for cooling the transfer resistor 17 can be passed through the housing part 19.
- the figure shows the particularly simple structure according to the invention.
- the complete tap selector 4 of the thyristor tap changer is arranged in the oil-filled transformer tank 1 and is surrounded by the transformer oil.
- both a lubrication of the mechanical contacts and a sufficient electrical strength of the entire arrangement are ensured.
- the actual load switching, however, by means of the thyristor pair 16 takes place outside of the transformer tank 1 in air.
- the electrical connection between these two modules is also particularly simple, since only three electrical gleichssteltitch 10, 11, 12 must be performed by the bushing plate 7. It has already been explained that it is particularly advantageous to provide the switching resistor 17 in a further separate housing part 19, likewise in air. In order for both its simple cooling is ensured and also excluded any thermal interference of the thyristor 16.
- the invention is not limited to the explained in the exemplary embodiment known circuit with a thyristor pair, only a switching resistor and the special arrangement of additional mechanical switch.
- any other diverter switch with any kind of arrangement of one or more thyristor pairs as a switching means and regardless of the number, circuit and operating sequence possibly still existing other mechanical switch or switch is used.
- the manner of generating the ignition voltage for the individual thyristors in the invention in many ways solvable.
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Description
- Die Erfindung betrifft einen Thyristor-Stufenschalter zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen verschiedenen Wicklungsanzapfungen eines Stufentransformators unter Last, bestehend aus einem mechanischen Stufenwähler zur leistungslosen Vorwahl der jeweiligen Wicklungsanzapfung, auf die umgeschaltet werden soll, und einem Lastumschalter mit Thyristoren als Schaltmittel zur eigentlichen unterbrechungslosen Umschaltung von der bisherigen auf die vorab angewählte neue Wicklungsanzapfung unter Last.
- Thyristor-Stufenschalter der genannten Gattung werden üblicherweise auch als Hybrid-Stufenschalter bezeichnet, weil sie neben den Thyristoren im Lastumschalter als leistungselektronischen Schaltmitteln auch mechanische Kontakte, insbesondere mechanische Wählerkontakte, aufweisen. Nur am Rande sei erwähnt, dass es daneben auch sogenannte Vollthyristorschalter gibt, wie z. B. aus der WO 95127931 bekannt, die auf bewegliche mechanische Schaltelemente ganz verzichten, jedoch relativ groß und aufwändig im Aufbau sind, sich in der Praxis nicht durchgesetzt haben und im Übrigen auch nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind.
- Die vorliegende Erfindung befasst sich vielmehr mit Thyristor-Stufenschaltern der eingangs genannten Gattung, also mit den Hybrid-Stufenschaltern.
- Diese Gattung von Thyristor-Stufenschaltern wiederum lässt sich in zwei unterschiedliche Gerätearten mit verschiedenen Funktionsprinzipien unterteilen.
- Zunächst einmal ist aus der DE 32 23 892 C2 ein solcher Thyristor-Stufenschalter bekannt, der nach dem Kommuntierungsprinzip arbeitet. Hierbei erfolgt die Lastumschaltung durch eine gesteuerte Kommutierung des Laststromes - daher der Name - von einem antiparallel geschalteten Thyristorpaar in einem Zweig des Lastumschafters auf das jeweils andere Thyristorpaar im anderen Zweig. Stufenschalter dieser Art wurden in den 80er Jahren vereinzelt als sogenannter Durchführungstyp hergestellt und eingesetzt. Dabei ist der aktive Teil des Lastumschalters auf einem Durchführungsstützer oberhalb des Transformatorkessels in einem luftgefüllten Gehäuse angeordnet, während der andere Teil des Schalters in den ölgefüllten Transformatorkessel versenkt ist. Der Durchführungsstützer ist teilweise mit Isolieröl gefüllt und über eine Silikagelvorlage mit der Außenluft verbunden. Innerhalb des Gehäuses vom Aktivteil befindet sich ein Gestell, das die elektronischen Baugruppen des Lastumschalters aufnimmt. Der Durchführungsstützer selbst ist auf einem Aufbauflansch befestigt; in dem durch eine Aufbauflanschabdeckplatte nach oben abgeschlossenen Lastumschalter-Ölraum befindet sich ein Tragkäfig mit Anschlusskontakten. Ein solcher Schalter hat jedoch einen sehr großen Raumbedarf, besonders bedingt durch die große Porzellan-Durchführung zwischen dem Elektronikgehäuse oberhalb des eigentlichen Transformators und dem in den Transformator eingesenkten Teil des Gerätes mit dem Tragkäfig und den mechanischen Hilfsschaltern. Daneben ist auch die Zugängigkeit zu den einzelnen Komponenten im ölgefüllten Bereich schwierig, so dass sich Wartungen kompliziert und umständlich gestalten. Insgesamt hat sich dieser Typ bisher nicht durchsetzen können.
- Die andere der beiden Gerätearten betrifft Thyristor-Stufenschalter mit Überschaltwiderstand. Ein solcher Stufenschalter ist aus der US 5006784 A1, nächstliegender Stand der Technik, bekannt. Dabei wird der Laststrom über eine niedere oder höhere Wicklungsanzapfung einer Regelwicklung und über zwei Wählerkontakte und zwei Dauerkontakte einer gemeinsamen Ableitung zugeführt. Die Umschaltung von der einen auf die andere Wicklungsanzapfung erfolgt über einen Umschalter, der den Laststrom kurzzeitig auf einen Entlastungskreis schaltet. Der Entlastungskreis wiederum besteht aus einem Thyristorkreis, dessen Thyristoren antiparallel geschaltet sind und mit einem Überschaltwiderstand zusammenwirken. Bei diesem bekannten Stufenschalter geht es darum, durch die gewählte Schaltung die Spannungs- und Strombelastung der Thyristoren beim Umschaltvorgang auf einem Minimum zu halten.
- Ein weiterer Thyristor-Stufenschalter mit Überschaltwiderstand ist aus der WO 98/48432 bekannt. Dabei ist ein einziges antiparallel geschaltetes Thyristorpaar vorgesehen, zu dem parallel ein Überschaltwiderstand liegt. Durch besondere mechanische Umschaltkontakte können sowohl Thyristorpaar als auch Überschaltwiderstand in einer bestimmten Schaltsequenz betätigt und in den Stromkreis geschaltet werden. Dabei fließt über den Überschaltwiderstand während der Lastumschaltung kurzfristig der Laststrom und anschließend ein Kreisstrom, der von der Stufenspannung der Regelwicklung getrieben wird. Der konstruktive Aufbau eines auf dieser Schaltung beruhenden praktisch ausgeführten Thyristor-Stufenschalters ist aus der Firmenschrift "OLTC Hybrid-Diverter Switch with Thyristors" der Firma ELIN OLTC GMBH, AT sowie dem Aufsatz "Hybrid-Transformatorstufenschalter TADS - ein zukunftsweisendes Konzept zur Verlängerung der Wartungsintervalle" in der Zeitschrift "e & i", Heft 11, 1999 bekannt. Der vollständige Schalter ist dabei als kompletter, in den ölgefüllten Transformatorenkessel vollständig versenkbarer Einsatz konzipiert. Nachteilig bei dieser Ausführung ist, dass die Thyristoren dem heißen Transformatorenöl ausgesetzt sind. Dies beeinträchtigt die Langzeitbeständigkeit dieser elektronischen Bauelemente, die in der Regel nur bei Umgebungstemperaturen bis etwa 100 Grad C sicher funktionieren. Verstärkt wird das Problem noch dadurch, dass im Überschaltwiderstand - bzw. in der Praxis meistens den mehreren vorhandenen Überschaltwiderständen -, durch die Strombelastung eine ganz erhebliche Energie in zusätzliche Wärme umgesetzt wird, die die Funktion der Thyristoren gefährdet. Dies hat beim beschriebenen bekannten Stufenschalter zur Folge, dass nur eine begrenzte Zahl von Lastumschaltungen in einem bestimmten Zeitraum erfolgen darf, damit die durch die Überschaltwiderstände verursachte Wärmeentwicklung einen Grenzwert nicht überschreitet. Dies ist für zahlreiche industrielle Anwendungsfälle unerwünscht. In diesem Zusammenhang ist auch bereits vorgeschlagen worden, einen zusätzlichen Temperaturschalter vorzusehen, der, wenn die Umgebung der Thyristoren eine gewisse, noch unschädliche Grenztemperatur überschreitet, den Motorantrieb des Stufenschalters blockiert und so den Hybrid-Thyristorschalter vorübergehend stillsetzt. Es liegt auf der Hand, dass dies ebenfalls in zahlreichen industriellen Anwendungsfällen nicht praktikabel ist; ganz abgesehen davon, dass mit einem solchen Vorschlag nicht das Problem gelöst, sondern nur am Symptom kuriert wird.
- Aufgabe der Erfindung ist es, einen Thyristor-Stufenschalter der eingangs genannten Gattung, d. h. einen Hybrid-Schalter, anzugeben, der die beschriebenen Nachteile vermeidet, insbesondere aufwändige Durchführungen und Stützeranordnungen umgeht, dabei kompakt und wartungsfreundlich aufgebaut ist und, entsprechende Dimensionierung der Thyristoren vorausgesetzt, eine beliebige Anzahl hintereinander ausführbarer Schaltungen ermöglicht.
- Diese Aufgabe wird durch einen Thyristor-Stufenschalter mit den Merkmalen des ersten Patentanspruches gelöst.
- Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Thyristoren auf einfache Weise sowohl vom heißen Transformatorenöl als auch von den Überschaltwiderständen thermisch entkoppelt sind, ohne dass es hierzu eines aufwändigen Aufbaus oder besonders großer Durchführungsanordnungen bedarf. Durch eine separate Anordnung der Überschaltwiderstände kann die in diesen in Wärme umgesetzte Energie auf einfache Weise durch einen natürlichen oder forcierten Kühlkreislauf, insbesondere durch Luftkühlung, abgeführt werden. Zugleich ist sichergestellt, dass diese Wärme nicht auf andere Teile des Gerätes abstrahlen und diese über Gebühr erhitzen bzw. die Thyristoren in Mitleidenschaft ziehen kann. Insgesamt gestattet es der erfindungsgemäße Thyristor-Stufenschalter damit, beliebig viele Lastumschaltungen hintereinander auszuführen, ohne dass bei dem gegebenen Kurzzeitbetrieb der Thyristoren die thermischen Belastbarkeitsgrenzen der Thyristoren ein Problem darstellen würden.
- Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel noch näher erläutert werden. Die Figur zeigt einen erfindungsgemäßen Thyristor-Stufenschalter, hier in einer Ausführung mit einem Überschaltwiderstand.
- Der grau unterlegte Bereich links in der Figur zeigt den ölgefüllten Transformatorkessel 1. In diesem sind schematisch die Wicklungen 2, 3, davon rechts die gestufte Regelwicklung 3 mit einzelnen Wicklungsanzapfungen W1...Wn angedeutet. Jede dieser Wicklungsanzapfungen W1...Wn ist mit jeweils einem festen Kontakt K1...Kn eines Stufenwählers 4 des Thyristor-Stufenschalters elektrisch verbunden. Die festen Kontakte K1...Kn werden auf bekannte Weise von zwei beweglichen Wählerkontakten 5, 6 beschaltet. Außerhalb des Transformatorkessels 1, seitlich an diesem angebaut und über eine Durchführungsplatte 7 mit ihm in Verbindung stehend, ist in einem separaten Gehäuse 8 der eigentliche Lastumschalter 9, der in Luft arbeitet, angeordnet. Die elektrischen Verbindungsleitungen 10, 11 vom Stufenwähler 4 zum Lastumschalter 9 sowie die Lastableitung 12 sind durch separate öldichte Durchführungen 13, 14, 15 in der Durchführungsplatte 7 geführt. Der Lastumschalter 9 kann, abhängig von der jeweils zugrundeliegenden Schaltung, aus unterschiedlichen Bauteilen bestehen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die aus der WO 98/48432 bekannte Schaltung gezeigt. Dabei bezeichnen D1 und D2 die Dauerhauptkontakte, die im stationären Betrieb den Dauerstrom führen, d. h. die jeweilige Verbindung von einem der beweglichen Wählerkontakte 5 oder 6 zu einer Lastableitung L herstellen. SR bezeichnet einen Überbrückungsschalter zur Lastableitung L. Das Bezugszeichen 16 zeigt ein einziges, antiparallel geschaltetes Thyristorpaar, und CT und CR bezeichnen zwei Umschalter. Dabei ist der Wurzelkontakt des Umschalters CT mit dem Thyristorpaar 16 elektrisch verbunden, der Wurzelkontakt des Umschalters CR mit einem Überschaltwiderstand 17.
- Nach einer hier dargestellten besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist seitlich am separaten Gehäuse 8, abgeteilt durch eine Trennwand 18, ein weiterer separater Gehäuseteil 19 vorgesehen, in dem, ebenfalls in Luft, der Überschaltwiderstand 17 angeordnet ist. Oben und unten in diesem Gehäuseteil 19 sind Öffnungen 20, 21 vorgesehen, so dass eine separate Luftströmung zur Kühlung des Überschaltwiderstandes 17 durch das Gehäuseteil 19 geleitet werden kann.
- Insgesamt ergibt sich aus der Figur der besonders einfache Aufbau gemäß der Erfindung. Der komplette Stufenwähler 4 des Thyristor-Stufenschalters ist im ölgefüllten Transformatorkessel 1 angeordnet und wird vom Transformatoröl umspült. Dadurch sind sowohl eine Schmierung der mechanischen Kontakte als auch eine ausreichende elektrische Festigkeit der gesamten Anordnung gewährleistet. Die eigentliche Lastumschaltung hingegen mittels des Thyristorpaares 16 erfolgt außerhalb des Transformatorkessels 1 in Luft. Damit ist ein störender Einfluss des heißen Transformatoröles auf das Thyristorpaar 16 mit Sicherheit ausgeschlossen. Die elektrische Verbindung zwischen diesen beiden Baugruppen ist ebenfalls besonders einfach, da nur drei elektrische Verbindungsteltungen 10, 11, 12 durch die Durchführungsplatte 7 geführt werden müssen. Es wurde bereits erläutert, dass es besonders vorteilhaft ist, den Überschaltwiderstand 17 in einem weiteren separaten Gehäuseteil 19, ebenfalls in Luft, vorzusehen. Damit ist sowohl dessen einfache Kühlung sichergestellt als auch ebenfalls jede thermische Beeinflussung des Thyristorpaares 16 ausgeschlossen.
- Die Erfindung ist nicht auf die im Ausführungsbeispiel erläuterte bekannte Schaltung mit einem Thyristorpaar, nur einem Überschaltwiderstand und der speziellen Anordnung zusätzlicher mechanischer Schalter beschränkt. Im Rahmen der Erfindung ist ebenso jeder andere Lastumschalter mit einer wie auch immer gearteten Anordnung eines oder mehrerer Thyristorpaare als Schaltmittel und unabhängig von der Zahl, Schaltung und Betätigungssequenz eventuell noch vorhandener weiterer mechanischer Schalter bzw. Umschalter einsetzbar. Ebenso ist die Art und Weise der Erzeugung der Zündspannung für die einzelnen Thyristoren im Rahmen der Erfindung auf vielfältige Weise lösbar.
Claims (4)
- Thyristor-Stufenschalter zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen verschiedenen Wicklungsanzapfungen (W1...Wn) eines Stufentransformators unter Last, bestehend aus einem mechanischen Stufenwähler (4) zur leistungslosen Vorwahl der jeweiligen Wicklungsanzapfung, auf die umgeschaltet werden soll, und einem Lastumschalter (9) mit mindestens einem antiparallelen Thyristorpaar (16) zur unterbrechungslosen Umschaltung von der bisherigen auf die vorab angewählte neue Wicklungsanzapfung unter Last,
dadurch gekennzeichnet,
dass nur der Stufenwähler (4) im mit Transformatoröl gefüllten Transformatorkessel (1) des Stufentransformators angeordnet ist,
dass der Lastumschalter (9) mit dem mindestens einen antiparallelen Thyristorpaar (16) hingegen in einem separaten Gehäuse (8) in Luft untergebracht ist, welches seitlich am Transformatorkessel (1) und von diesem durch eine Durchführungsplatte (7) getrennt angeordnet ist,
und dass Verbindungsleitungen (10, 11, 12) vom Stufenwähler (4) zum Lastumschalter (9) durch die Durchführungsplatte (7) geführt sind. - Thyristor-Stufenschalter nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass mindestens ein Überschaltwiderstand (17) des Lastumschalters (9) in einem weiteren separaten Gehäuseteil (19) in Luft untergebracht ist, welches seinerseits durch eine Trennwand (18) vom Gehäuse (8) abgetrennt ist. - Thyristor-Stufenschalter nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Gehäuseteil (19) mindestens eine Öffnung (20, 21) zur Luftzirkulation aufweist. - Thyristor-Stufenschalter nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass zur Luftzirkulation mindestens ein separater Lüfter vorgesehen ist.
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