EP4200886A1 - Laststufenschalter und verfahren zur betätigung eines laststufenschalters - Google Patents

Laststufenschalter und verfahren zur betätigung eines laststufenschalters

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EP4200886A1
EP4200886A1 EP21755981.4A EP21755981A EP4200886A1 EP 4200886 A1 EP4200886 A1 EP 4200886A1 EP 21755981 A EP21755981 A EP 21755981A EP 4200886 A1 EP4200886 A1 EP 4200886A1
Authority
EP
European Patent Office
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switching element
semiconductor switching
load
fixed contact
selector arm
Prior art date
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EP21755981.4A
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English (en)
French (fr)
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EP4200886B1 (de
EP4200886C0 (de
Inventor
Christian Hammer
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Maschinenfabrik Reinhausen GmbH
Scheubeck GmbH and Co
Original Assignee
Maschinenfabrik Reinhausen GmbH
Maschinenfabrik Reinhausen Gebrueder Scheubeck GmbH and Co KG
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Publication date
Application filed by Maschinenfabrik Reinhausen GmbH, Maschinenfabrik Reinhausen Gebrueder Scheubeck GmbH and Co KG filed Critical Maschinenfabrik Reinhausen GmbH
Publication of EP4200886A1 publication Critical patent/EP4200886A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP4200886B1 publication Critical patent/EP4200886B1/de
Publication of EP4200886C0 publication Critical patent/EP4200886C0/de
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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H9/00—Details of switching devices, not covered by groups H01H1/00 - H01H7/00
    • H01H9/0005—Tap change devices
    • H01H9/0016—Contact arrangements for tap changers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H9/00—Details of switching devices, not covered by groups H01H1/00 - H01H7/00
    • H01H9/0005—Tap change devices
    • H01H9/0027—Operating mechanisms

Definitions

  • the invention relates to an on-load tap changer for uninterrupted switching between winding taps of a tapped transformer under load and a method for actuating such an on-load tap changer.
  • On-load tap changers are used for uninterrupted switching between winding taps of a transformer.
  • the circulating current that flows during switching during the simultaneous contacting of the currently wired tap contact and the preselected new tap contact is limited by ohmic resistors, thereby ensuring an uninterrupted change in the transformation ratio of the transformer.
  • the ohmic resistance must be designed according to the specific circuit topology, the individual operating conditions and the load current and the step voltage, i.e. in particular the respective application of the on-load tap changer.
  • the voltage that is present between the currently switched and the preselected tap contact of the on-load tap changer is referred to as the tap voltage.
  • this resistance design is complex and, on the other hand, it also affects the overall structural design of the tap changer. Depending on the application, a different number and dimensioning of resistors is required here. The dimensioning of the resistance value therefore has an effect on the installation space required for the resistors and thus on the design dimensioning of the other on-load tap-changer components.
  • the object of the invention is therefore to specify an improved concept for a tap changer that can be adapted more easily to different applications.
  • the improved concept is based on the idea of using semiconductor switching elements for load switching and completely dispensing with ohmic resistances. This also eliminates the complex design of the resistors and the on-load tap changer can thus be used in one and the same design in a selected power range up to a maximum load current and a maximum step voltage.
  • an on-load tap changer is used specified uninterrupted switching between winding taps of a step transformer.
  • the on-load tap changer includes a load changeover switch for switching from a first fixed contact to a second fixed contact of the on-load tap changer and a selector for powerless preselection of the fixed contacts.
  • the selector comprises a first selector arm and a second selector arm, which can each be actuated independently of one another and can contact each of the fixed contacts.
  • Each fixed contact is electrically connected to a winding tap of the tapped transformer. The total number of fixed contacts depends on the number of winding taps.
  • the diverter switch has a total of three branches with switching elements for carrying out the switching.
  • a main branch with a mechanical switching element that can connect the first selector arm to a load derivative via the mechanical switching element, a first auxiliary branch with a first semiconductor switching element that is formed parallel to the first main branch and can connect the first selector arm to the load derivative, and a second auxiliary branch with a second semiconductor switching element which can connect the second selector arm to the load derivative.
  • the proposed on-load tap changer does not contain an ohmic resistance as a switching resistance, which requires a complex design and can therefore be used in one and the same design in a selected power range up to a maximum load current and a maximum step voltage.
  • the first and the second semiconductor switching element are preferably in the form of IGBT switching elements.
  • a varistor is arranged in parallel with the first and the second auxiliary branch.
  • the on-load tap changer can assume two stationary positions in which both selector arms are on the same fixed contact. A first stationary position in which the first and second selector arms contact the first fixed contact and the first selector arm is connected to the load dissipation via the main branch, and a second stationary position in which the first and second selector arms contact the second fixed contact and the first selector arm is connected to the load transfer via the main branch.
  • Each fixed contact preferably has a first contact surface, which of the first Selector arm can be contacted, and a second contact surface, which can be contacted by the second selector arm.
  • the mechanical switching element in the main branch is designed as a permanent main contact or as a circuit breaker.
  • a method for actuating an on-load tap changer that is designed according to the first aspect of the improved concept is specified.
  • the method For switching from a first fixed contact to a second fixed contact, i.e. in a first switching direction of the on-load tap changer, the method comprises the steps of switching on a first semiconductor switching element,
  • the first semiconductor switching element and the second semiconductor switching element are actuated in what is known as “intermittent” operation.
  • the second semiconductor switching element is then switched on and the load current is thus switched over to the second fixed contact.
  • the second semiconductor switching element is switched on after a specified period in a range of, for example, 2 ps to 10 ps, preferably after 5 ps.
  • the first semiconductor switching element and the second semiconductor switching element are actuated in what is known as “overlapping” operation.
  • the increase in the circulating current is limited by the inductance of the stage, i.e. the part of the control winding of the staged transformer that is located between the first and the second fixed contact.
  • the second semiconductor switching element is preferably switched on at the zero crossing of the step voltage.
  • the first semiconductor switching element is then switched off and the load current is thus switched over to the second fixed contact.
  • the first semiconductor switching element is switched off after a specified period in a range of, for example, 2 ps to 10 ps, preferably after 5 ps.
  • the method for switching from the second fixed contact to the first fixed contact, ie in a second switching direction of the on-load tap changer comprises the steps
  • the first semiconductor switching element and the second semiconductor switching element are actuated in what is known as “intermittent” operation.
  • the first semiconductor switching element is then switched on and the load current is thus switched over to the first fixed contact.
  • the first semiconductor switching element is switched on after a specified period in a range of, for example, 2 ps to 10 ps, preferably after 5 ps.
  • the first semiconductor switching element and the second semiconductor switching element are actuated in what is known as “overlapping” operation.
  • the increase in the circulating current is also limited here by the inductance of the stage.
  • the first semiconductor switching element is also preferably switched on at the zero crossing of the step voltage.
  • the second semiconductor switching element is then switched off and the load current is thus switched over to the first fixed contact.
  • the second semiconductor switching element is switched off after a specified period in a range of, for example, 2 ps to 10 ps, preferably after 5 ps.
  • it can be provided that the second semiconductor switching element is switched off as soon as it has been detected that the first semiconductor switching element has been switched on successfully.
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of an on-load tap changer in a schematic representation
  • FIG. 2 shows a schematic representation of an exemplary embodiment of an on-load tap changer according to the improved concept
  • FIGS. 3a to 3j show an exemplary switching sequence of the on-load tap changer from FIG. 2; Figure 3d 'to 3f' another exemplary switching sequence of the on-load tap changer from Figure 2.
  • an exemplary embodiment of an on-load tap changer 10 for a tapped transformer 1 is shown schematically.
  • the tapped transformer 1 has a main winding 2 and a control winding 3 with different winding taps Ni, ..., Nj, ..., N N , which are switched on and off by the on-load tap changer 10.
  • the on-load tap changer 10 includes a selector 30, which can contact the different winding taps Ni, ..., Nj, ..., NN of the control winding 3 by means of two movable selector contacts, and a diverter switch 20, which switches the actual load from the currently connected to performs the new, preselected winding tap.
  • the load current flows from the currently connected winding tap Nj or Nj +i via the respective selector contact and the diverter switch 20 to a load dissipation 13.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of an exemplary embodiment of an on-load tap changer according to the improved concept.
  • the on-load tap changer 10 comprises at least a first fixed contact 11 and a second fixed contact 12, each of which can be connected to a winding tap of the control winding 3 of the tapped transformer 1.
  • the total number of fixed contacts depends on the number of winding taps.
  • Each fixed contact 11, 12 has a first contact surface and a second contact surface.
  • the on-load tap changer 10 includes a selector 30 with a first selector arm 31 and a second selector arm 32, which can be actuated independently of one another and can contact each of the fixed contacts.
  • the first movable selector arm 31 can contact the first contact surfaces of the fixed contacts 11, 12, but not the second contact surfaces.
  • FIG. 2 shows a schematic sketch of an exemplary embodiment of the on-load tap changer; in particular, the arrangement of the contact surfaces opposite one another is not absolutely necessary.
  • the on-load tap changer 10 further includes a diverter switch 20 for carrying out actual load changeover between the preselected fixed contacts 11, 12.
  • the load changeover switch 20 has a total of three current branches.
  • the on-load tap changer 10 is in a stationary position.
  • the first and the second selector arm 31, 32 are both located on the first fixed contact 11.
  • the load current I flows from the contacted fixed contact 11 via the first selector arm 31, the main branch 21 and the closed mechanical switching element 22 to the load dissipation 13.
  • the two semiconductor switching elements 24 and 26 are switched off.
  • FIGS. 3a to 3j An exemplary switching sequence of the on-load tap changer from FIG. 2 is shown in FIGS. 3a to 3j.
  • the first semiconductor switching element After a switching command for switching from the first fixed contact 11 to the second fixed contact 12, the first semiconductor switching element is switched on in a first step (FIG. 3a).
  • the second selector arm 32 which is de-energized, is moved from the first fixed contact 11 to the second fixed contact 12, and the mechanical switching element 22 is opened.
  • the state shown in FIG. 3c is reached, in which the load current I L flows via the first auxiliary branch 23 and the activated first semiconductor switching element 24.
  • the first semiconductor switching element 24 is then switched off, preferably when the current passes through zero (FIG. 3d).
  • the course of the current over time can be detected by means of a current sensor (not shown), which is arranged in the current branch of the lead 13 .
  • the second semiconductor switching element 26 is switched on after a specified period of 5 ps, for example.
  • the second semiconductor switching element can be switched on as soon as it has been detected that the first semiconductor switching element has been successfully switched off.
  • the load current I L is thus switched over to the second fixed contact 12 and flows via the second auxiliary branch 25 and the activated second semiconductor switching element 26 (FIG. 3g).
  • the first selector arm 31, which is now de-energized, is then switched over to the second fixed contact 12, as indicated by an arrow in FIG. 3g.
  • the on-load tap changer 10 has now reached the second stationary position, which is shown in FIG. 3j.
  • the load current II goes back to the main branch 21 .
  • the first and the second selector arm 31, 32 are both on the second fixed contact 12 and the load current l now flows from the second fixed contact 12 via the first selector arm 31 and the main branch 21 with the closed mechanical switching element 22 to the load dissipation 13.
  • the load switching on the second fixed contact 12 is complete.
  • the second semiconductor switching element 26 is switched on after the step shown in Figure 3c, so that both semiconductor switching elements 24 and 26 are now switched on ( Figure 3d ').
  • a circulating current lc then flows from the first selector arm 31, which is still in contact with the first fixed contact 11, via the first auxiliary branch 23 and the second auxiliary branch 25 to the second selector arm 32, which is already on the second fixed contact 12, and from there via the lying between the first fixed contact 1 1 and the second fixed contact 12 part of the control winding 3 back to the first selector arm 31 ( Figure 3e ').
  • the increase in the circulating current is thereby limited via the inductance of the stage, that is to say the part of the control winding 3 of the staged transformer 1 which is located between the first fixed contact 11 and the second fixed contact 12 .
  • the first semiconductor switching element 24 is then switched off.
  • the load current I L is thus switched over to the second fixed contact 12 and flows via the second auxiliary branch 25 and the still activated second semiconductor switching element 26 (FIG. 3g). From here, the "overlapping" operation takes place again in the same way as the “intermittent" operation of the on-load tap changer (according to FIGS. 3g to 3j).

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  • Keying Circuit Devices (AREA)
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  • Protection Of Transformers (AREA)

Abstract

Laststufenschalter (10) zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen Wicklungsanzapfungen (N1, …, NJ, …, NN) eines Stufentransformators (1), umfassend: einen Lastumschalter (20) zur Durchführung einer Umschaltung von einem ersten Festkontakt (11) auf einen zweiten Festkontakt (12) des Laststufenschalters (10), einen Wähler (30) zum leistungslosen Vorwählen der Festkontakte (11, 12) umfassend einen ersten Wählerarm (31) und einen zweiten Wählerarm (32), die unabhängig voneinander betätigbar sind und jeden der Festkontakte (11, 12) kontaktieren können, wobei der Lastumschalter (20) zur Durchführung der Umschaltung aufweist einen Hauptzweig (21) mit einem mechanischen Schaltelement (22), der den ersten Wählerarm (31) über das mechanische Schaltelement (22) mit einer Lastableitung (13) verbinden kann, einen ersten Hilfszweig (23) mit einem ersten Halbleiterschaltelement (24), der parallel zu dem Hauptzweig (21) ausgebildet ist und den ersten Wählerarm (31) mit der Lastableitung (13) verbinden kann, einen zweiten Hilfszweig (25) mit einem zweiten Halbleiterschaltelement (26), der den zweiten Wählerarm (32) mit der Lastableitung (13) verbinden kann.

Description

LASTSTUFENSCHALTER UND VERFAHREN ZUR BETÄTIGUNG EINES LASTSTUFENSCHALTERS
Die Erfindung betrifft einen Laststufenschalter zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen Wicklungsanzapfungen eines Stufentransformators unter Last und ein Verfahren zur Betätigung eines solchen Laststufenschalters.
Laststufenschalter werden zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen Wicklungsanzapfungen eines Transformators eingesetzt. Bei bekannten Laststufenschaltern nach dem Widerstandsschnellschaltprinzip wird der Kreisstrom, welcher beim Umschalten während der zwischenzeitlich gleichzeitigen Kontaktierung des aktuell beschalteten und des vorgewählten, neuen Stufenkontakts fließt, durch ohmsche Widerstände begrenzt und dadurch eine unterbrechungsfreie Änderung des Übersetzungsverhältnisses des Transformators gewährleistet. Der ohmsche Widerstand muss abhängig von der konkreten Schaltungstopologie, den individuellen Betriebsbedingungen sowie dem Laststrom und der Stufenspannung, also insbesondere dem jeweiligen Anwendungsfall des Laststufenschalters entsprechend ausgelegt werden. Als Stufenspannung wird dabei jene Spannung bezeichnet, die zwischen dem aktuell beschalteten und dem vorgewählten Stufenkontakt des Laststufenschalters ansteht. Diese Widerstandsauslegung ist einerseits aufwendig und wirkt sich andererseits auch auf den gesamten, konstruktiven Aufbau des Stufenschalters aus. Je nach Anwendungsfall ist hier eine unterschiedliche Anzahl und Dimensionierung von Widerständen erforderlich. Daher wirkt sich die Auslegung des Widerstandswertes auf den für die Widerstände erforderlichen Bauraum und damit auf die konstruktive Auslegung der übrigen Stufenschalterkomponenten aus.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein verbessertes Konzept für einen Stufenschalter anzugeben, der einfacher an unterschiedliche Anwendungsfälle anpassbar ist.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Das verbesserte Konzept beruht auf der Idee, Halbleiterschaltelemente für die Lastumschaltung zu verwenden und dabei gänzlich auf ohmsche Widerstände zu verzichten. Dadurch entfällt auch die aufwändige Auslegung der Widerstände und der Laststufenschalter kann somit in einem ausgewählten Leistungsbereich bis zu einem maximalen Laststrom und einer maximalen Stufenspannung in ein und derselben Ausführung verwendet werden.
Gemäß einem ersten Aspekt des verbesserten Konzeptes wird ein Laststufenschalter zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen Wicklungsanzapfungen eines Stufentransformators angegeben. Der Laststufenschalter umfasst einen Lastumschalter zur Durchführung einer Umschaltung von einem ersten Festkontakt auf einen zweiten Festkontakt des Laststufenschalters und einen Wähler zum leistungslosen Vorwählen der Festkontakte. Der Wähler umfasst zum Vorwählen einen ersten Wählerarm und einen zweiten Wählerarm, die jeweils unabhängig voneinander betätigbar sind und jeden der Festkontakte kontaktieren können. Jeder Festkontakt steht elektrisch mit einer Wicklungsanzapfung des Stufentransformators in Verbindung. Die gesamte Anzahl der Festkontakte ist von der Anzahl der Wicklungsanzapfungen abhängig.
Der Lastumschalter weist für die Durchführung der Umschaltung insgesamt drei Zweige mit Schaltelementen auf. Einen Hauptzweig mit einem mechanischen Schaltelement, der den ersten Wählerarm über das mechanische Schaltelement mit einer Lastableitung verbinden kann, einen ersten Hilfszweig mit einem ersten Halbleiterschaltelement, der parallel zum ersten Hauptzweig ausgebildet ist und den ersten Wählerarm mit der Lastableitung verbinden kann, und einen zweiten Hilfszweig mit einem zweiten Halbleiterschaltelement, der den zweiten Wählerarm mit der Lastableitung verbinden kann.
Der vorgeschlagene Laststufenschalter enthält keinen ohmschen Widerstand als Überschaltwiderstand, der einer aufwendigen Auslegung bedarf und kann somit in einem ausgewählten Leistungsbereich bis zu einem maximalen Laststrom und einer maximalen Stufenspannung in ein und derselben Ausführung verwendet werden.
Das erste und das zweite Halbleiterschaltelement sind bevorzugt als IGBT-Schaltelemente ausgebildet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist parallel zu dem ersten und dem zweiten Hilfszweig jeweils ein Varistor angeordnet.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform kann der Laststufenschalter zwei stationäre Stellungen einnehmen, in welcher beide Wählerarme auf demselben Festkontakt stehen. Eine erste stationäre Stellung, in welcher der erste und der zweite Wählerarm den ersten Festkontakt kontaktieren und der erste Wählerarm über den Hauptzweig mit der Lastableitung verbunden ist, und eine zweite stationäre Stellung, in welcher der erste und der zweite Wählerarm den zweiten Festkontakt kontaktieren und der erste Wählerarm über den Hauptzweig mit der Lastableitung verbunden ist.
Jeder Festkontakt weist bevorzugt eine erste Kontaktfläche auf, welche von dem ersten Wählerarm kontaktiert werden kann, und eine zweite Kontaktfläche, welche von dem zweiten Wählerarm kontaktiert werden kann.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das mechanische Schaltelement im Hauptzweig als Dauerhauptkontakt oder als Ausschalter ausgebildet.
Gemäß einem zweiten Aspekt des verbesserten Konzeptes wird ein Verfahren zur Betätigung eines Laststufenschalters, der gemäß dem ersten Aspekt des verbesserten Konzeptes ausgebildet ist, angegeben.
Bezüglich dem Verfahren wird auf die vorangegangenen Erläuterungen, bevorzugten Merkmale und/oder Vorteile in analoger Weise Bezug genommen, wie sie bereits zu dem ersten Aspekt des verbesserten Konzeptes oder einer der zugehörigen, vorteilhaften Ausführungsformen erläutert worden ist.
Das Verfahren umfasst für eine Umschaltung von einem ersten Festkontakt auf einen zweiten Festkontakt, also in einer ersten Schaltrichtung des Laststufenschalters, die Schritte Einschalten eines ersten Halbleiterschaltelementes,
Umschalten eines zweiten Wählerarmes auf den zweiten Festkontakt und Öffnen eines mechanischen Schaltelementes,
Betätigen des ersten Halbleiterschaltelementes und des zweiten Halbleiter-schaltele- ments derart, dass ein Laststrom von dem ersten Festkontakt auf den zweiten Festkontakt umgeschaltet wird,
Umschalten eines ersten Wählerarmes auf den zweiten Festkontakt,
Schließen des mechanischen Schaltelementes,
Abschalten des zweiten Halbleiterschaltelementes.
Gemäß einer Ausführungsform erfolgt das Betätigen des ersten Halbleiterschaltelementes und des zweiten Halbleiterschaltelements in einem sogenannten „lückenden“ Betrieb. Das bedeutet konkret, dass zunächst das erste Halbleiterschaltelement abgeschaltet wird und daraufhin der Laststrom über einen parallel zu dem ersten Halbleiterschaltelement angeordneten Varistor fließt. Danach wird das zweite Halbleiterschaltelement eingeschaltet und der Laststrom damit auf den zweiten Festkontakt umgeschaltet. Das Einschalten des zweiten Halbleiterschaltelementes erfolgt nach einer festgelegten Dauer in einem Bereich von beispielsweise 2ps bis 10ps, bevorzugt nach 5ps. Alternativ kann vorgesehen sein, dass das Einschalten des zweiten Halbleiterschaltelementes erfolgt, sobald detektiert wurde, dass das Abschalten des ersten Halbleiterschaltelementes erfolgreich abgeschlossen wurde. Gemäß einer weiteren Ausführungsform erfolgt das Betätigen des ersten Halbleiterschaltelementes und des zweiten Halbleiterschaltelementes in einem sogenannten „überlappenden“ Betrieb. Das bedeutet konkret, dass zunächst das zweite Halbleiterschaltelement eingeschaltet wird und daraufhin ein Kreisstrom fließt. Der Anstieg des Kreisstroms wird dabei begrenzt über die Induktivität der Stufe, also den Teil der Regelwicklung des Stufentransformators, der sich zwischen dem ersten und dem zweiten Festkontakt befindet. Das Einschalten des zweiten Halbleiterschaltelementes erfolgt bevorzugt im Nulldurchgang der Stufenspannung. Danach wird das erste Halbleiterschaltelement abgeschaltet und der Laststrom damit auf den zweiten Festkontakt umgeschaltet. Das Abschalten des ersten Halbleiterschaltelementes erfolgt nach einer festgelegten Dauer in einem Bereich von beispielsweise 2ps bis 10ps, bevorzugt nach 5ps. Alternativ kann vorgesehen sein, dass das Abschalten des ersten Halbleiterschaltelementes erfolgt, sobald detektiert wurde, dass die Einschaltung des zweiten Halbleiterschaltelementes erfolgreich abgeschlossen wurde.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren für eine Umschaltung von dem zweiten Festkontakt auf den ersten Festkontakt, also in einer zweiten Schaltrichtung des Laststufenschalters, die Schritte
Einschalten des zweiten Halbleiterschaltelementes,
Öffnen des mechanischen Schaltelementes,
Umschalten des ersten Wählerarmes auf den ersten Festkontakt,
Betätigen des ersten Halbleiterschaltelementes und des zweiten Halbleiterschaltelementes derart, dass der Laststrom von dem zweiten Festkontakt auf den ersten Festkontakt umgeschaltet wird,
Schließen des mechanischen Schaltelementes,
Abschalten des ersten Halbleiterschaltelementes und Umschalten des zweiten Wählerarmes auf den ersten Festkontakt.
Gemäß einer Ausführungsform erfolgt das Betätigen des ersten Halbleiterschaltelementes und des zweiten Halbleiterschaltelementes in einem sogenannten „lückenden“ Betrieb. Das bedeutet konkret, dass zunächst das zweite Halbleiterschaltelement abgeschaltet wird und daraufhin der Laststrom über einen parallel zu dem zweiten Halbleiterschaltelement angeordneten Varistor fließt. Danach wird das erste Halbleiterschaltelement eingeschaltet und der Laststrom damit auf den ersten Festkontakt umgeschaltet. Das Einschalten des ersten Halbleiterschaltelementes erfolgt nach einer festgelegten Dauer in einem Bereich von beispielsweise 2ps bis 10ps, bevorzugt nach 5ps. Alternativ kann vorgesehen sein, dass das Einschalten des ersten Halbleiterschaltelementes erfolgt, sobald detektiert wurde, dass das Abschalten des zweiten Halbleiterschaltelementes erfolgreich abgeschlossen wurde. Gemäß einer weiteren Ausführungsform erfolgt das Betätigen des ersten Halbleiterschaltelementes und des zweiten Halbleiterschaltelementes in einem sogenannten „überlappenden“ Betrieb. Das bedeutet konkret, dass zunächst das erste Halbleiterschaltelement eingeschaltet wird und daraufhin ein Kreisstrom fließt. Der Anstieg des Kreisstroms wird auch hierbei begrenzt über die Induktivität der Stufe. Das Einschalten des ersten Halbleiterschaltelementes erfolgt ebenfalls bevorzugt im Nulldurchgang der Stufenspannung. Danach wird das zweite Halbleiterschaltelement abgeschaltet und der Laststrom damit auf den ersten Festkontakt umgeschaltet. Das Abschalten des zweiten Halbleiterschaltelementes erfolgt nach einer festgelegten Dauer in einem Bereich von beispielsweise 2ps bis 10ps, bevorzugt nach 5ps. Alternativ kann vorgesehen sein, dass das Abschalten des zweiten Halbleiterschaltelementes erfolgt, sobald detektiert wurde, dass die Einschaltung des ersten Halbleiterschaltelementes erfolgreich abgeschlossen wurde.
Demnach erfolgt eine Umschaltung zwischen zwei benachbarten Festkontakten, also die Betätigung der einzelnen Schaltelemente, in der zweiten Schaltrichtung in genau umgekehrter Reihenfolge wie in der ersten Schaltrichtung.
Weitere Ausgestaltungsformen und Implementierungen des Verfahrens ergeben sich unmittelbar aus den verschiedenen Ausgestaltungsformen des Stufenschalters und umgekehrt. Insbesondere können einzelne oder mehrere der bezüglich des Stufenschalters beschriebenen Komponenten und/oder Anordnungen zur Durchführung des Verfahrens entsprechend implementiert sein.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand beispielhafter Ausführungsformen unter Bezug auf die Zeichnungen im Detail erklärt. Komponenten, die identisch oder funktionell identisch sind oder einen identischen Effekt haben, können mit identischen Bezugszeichen versehen sein. Identische Komponenten oder Komponenten mit identischer Funktion sind unter Umständen nur bezüglich der Figur erklärt, in der sie zuerst erscheinen. Die Erklärung wird nicht notwendigerweise in den darauffolgenden Figuren wiederholt.
Es zeigen
Figur 1 eine beispielhafte Ausführungsform eines Laststufenschalters in einer schematischen Darstellung;
Figur 2 eine schematische Darstellung einer bespielhaften Ausführungsform eines Laststufenschalters nach dem verbesserten Konzept;
Figur 3a bis 3j ein beispielhafter Schaltablauf des Laststufenschalters aus Figur 2; Figur 3d‘ bis 3f‘ ein weiterer beispielhafter Schaltablauf des Laststufenschalters aus Figur 2.
Die Figuren stellen lediglich Ausführungsbeispiele der Erfindung dar, ohne jedoch die Erfindung auf die dargestellten Ausführungsbeispiele zu beschränken.
In Figur 1 ist eine beispielhafte Ausführungsform eines Laststufenschalters 10 für einen Stufentransformator 1 schematisch dargestellt. Der Stufentransformator 1 weist eine Stammwicklung 2 und eine Regelwicklung 3 mit unterschiedlichen Wicklungsanzapfungen Ni, ..., Nj, ..., NN auf, die durch den Laststufenschalter 10 zu- bzw. abgeschaltet werden. Dafür umfasst der Laststufenschalter 10 einen Wähler 30, der mittels zwei beweglicher Wählerkontakte die unterschiedlichen Wicklungsanzapfungen Ni, ..., Nj, ..., NN der Regelwicklung 3 kontaktieren kann, und einen Lastumschalter 20, der die eigentliche Lastumschaltung von der aktuell beschalteten auf die neue, vorgewählte Wicklungsanzapfung durchführt. Der Laststrom fließt von der aktuell beschalteten Wicklungsanzapfung Nj oder Nj+i über den jeweiligen Wählerkontakt und den Lastumschalter 20 zu einer Lastableitung 13.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform eines Laststufenschalters nach dem verbesserten Konzept.
Gemäß dem verbesserten Konzept umfasst der Laststufenschalter 10 wenigstens einen ersten Festkontakt 11 und einen zweiten Festkontakt 12, die jeweils mit einer Wicklungsanzapfung der Regelwicklung 3 des Stufentransformators 1 verbunden werden können. Die gesamte Anzahl der Festkontakte ist von der Anzahl der Wicklungsanzapfungen abhängig. Jeder Festkontakt 11 , 12 weist eine erste Kontaktfläche und eine zweite Kontaktfläche auf. Weiterhin umfasst der Laststufenschalter 10 einen Wähler 30 mit einem ersten Wählerarm 31 und einem zweiten Wählerarm 32, die unabhängig voneinander betätigbar sind und jeden der Festkontakte kontaktieren können. Dabei kann der erste bewegliche Wählerarm 31 die ersten Kontaktflächen der Festkontakte 11 , 12 kontaktieren, nicht aber die zweiten Kontaktflächen. Entsprechend kann der zweite bewegliche Wählerarm 32 die zweiten Kontaktflächen der Festkontakte 1 1 , 12 kontaktieren, nicht aber die ersten Kontaktflächen. Figur 2 stellt eine schematische Skizze einer beispielhaften Ausführungsform des Laststufenschalters dar, insbesondere ist die Anordnung der Kontaktflächen gegenübereinander nicht zwingend erforderlich.
Der Laststufenschalter 10 umfasst weiterhin einen Lastumschalter 20 zur Durchführung der eigentlichen Lastumschaltung zwischen den vorgewählten Festkontakten 11 , 12. Der Lastumschalter 20 weist insgesamt drei Stromzweige auf. Einen Hauptzweig 21 mit einem mechanischen Schaltelement 22, der den ersten Wählerarm 31 mit der Lastableitung 13 verbinden kann, einen ersten Hilfszweig 23 mit einem ersten Halbleiterschaltelement 24, der parallel zum Hauptzweig 21 angeordnet ist und den ersten Wählerarm 31 mit der Lastableitung 13 verbinden kann, und einen zweiten Hilfszweig 25 mit einem zweiten Halbleiterschaltelement 26, der den zweiten Wählerarm 32 mit der Lastableitung 13 verbinden kann.
In der Darstellung in Figur 2 befindet sich der Laststufenschalter 10 in einer stationären Stellung. Der erste und der zweite Wählerarm 31 , 32 befinden sich beide auf dem ersten Festkontakt 1 1 . Der Laststrom l fließt von dem kontaktierten Festkontakt 11 über den ersten Wählerarm 31 , den Hauptzweig 21 und das geschlossene mechanische Schaltelement 22 zur Lastableitung 13. Die beiden Halbleiterschaltelemente 24 und 26 sind abgeschaltet.
In den Figuren 3a bis 3j ist ein beispielhafter Schaltablauf des Laststufenschalters aus Figur 2 dargestellt.
Nach einem Schaltbefehl für eine Umschaltung von dem ersten Festkontakt 1 1 auf den zweiten Festkontakt 12 wird in einem ersten Schritt (Figur 3a) das erste Halbleiterschaltelement eingeschaltet.
Im nächsten Schritt (Figur 3b) wird der zweite Wählerarm 32, der stromlos ist, von dem ersten Festkontakt 11 auf den zweiten Festkontakt 12 bewegt, und das mechanische Schaltelement 22 geöffnet. Der in Figur 3c abgebildete Zustand wird erreicht, bei dem der Laststrom lL über den ersten Hilfszweig 23 und das aktivierte erste Halbleiterschaltelement 24 fließt.
Gemäß der sogenannten „lückenden“ Betriebsweise wird daraufhin das erste Halbleiterschaltelement 24 bevorzugt im Nulldurchgang des Stromes abgeschaltet (Figur 3d). Der zeitliche Verlauf des Stromes kann mittels eines Stromsensors (nicht dargestellt), der im Stromzweig der Ableitung 13 angeordnet ist, erfasst werden.
Mit der Abschaltung des ersten Halbleiterschaltelementes 24 geht der Laststrom lL auf den parallel dazu angeordneten Varistor 27 über (Figur 3e).
Im nächsten Schritt, dargestellt in Figur 3f, wird das zweite Halbleiterschaltelement 26 nach einer festgelegten Dauer von beispielsweise 5ps eingeschaltet. Alternativ kann das Einschalten des zweiten Halbleiterschaltelementes erfolgen, sobald detektiert wurde, dass das Abschalten des ersten Halbleiterschaltelementes erfolgreich abgeschlossen wurde. Der Laststrom lL wird damit auf den zweiten Festkontakt 12 umgeschaltet und fließt über den zweiten Hilfszweig 25 und das aktivierte zweite Halbleiterschaltelement 26 (Figur 3g).
Daraufhin wird der erste Wählerarm 31 , der nun stromlos ist, auf den zweiten Festkontakt 12 umgeschaltet, wie in Figur 3g mit einem Pfeil angedeutet.
Im nächsten Schritt (Figur 3h) wird das mechanische Schaltelement 22 wieder geschlossen und danach das zweite Halbleiterschaltelement 26 abgeschaltet.
Der Laststufenschalter 10 hat nun die zweite stationäre Stellung erreicht, welche in Figur 3j gezeigt ist. Mit der Schließung des mechanischen Schaltelementes 22 geht der Laststrom II wieder auf den Hauptzweig 21 über. Der erste und der zweite Wählerarm 31 , 32 befinden sich beide auf dem zweiten Festkontakt 12 und der Laststrom l fließt nun von dem zweiten Festkontakt 12 über den ersten Wählerarm 31 und den Hauptzweig 21 mit dem geschlossenen mechanischen Schaltelement 22 zur Lastableitung 13. Die Lastumschaltung auf den zweiten Festkontakt 12 ist damit abgeschlossen.
Wird der Stufenschalter 10 anstatt in der „lückenden“ Betriebsweise in der „überlappenden“ Betriebsweise betätigt, so wird nach dem Schritt, der in Figur 3c gezeigt ist, das zweite Halbleiterschaltelement 26 eingeschaltet, sodass nun beide Halbleiterschaltelemente 24 und 26 eingeschaltet sind (Figur 3d‘).
Daraufhin fließt ein Kreisstrom lc von dem ersten Wählerarm 31 , der noch den ersten Festkontakt 1 1 kontaktiert, über den ersten Hilfszweig 23 und den zweiten Hilfszweig 25 zu dem zweiten Wählerarm 32, der schon auf dem zweiten Festkontakt 12 steht, und von dort über den zwischen dem ersten Festkontakt 1 1 und dem zweiten Festkontakt 12 liegenden Teil der Regelwicklung 3 zurück zum ersten Wählerarm 31 (Figur 3e‘). Der Anstieg des Kreisstroms wird dabei begrenzt über die Induktivität der Stufe, also den Teil der Regelwicklung 3 des Stufentransformators 1 , der sich zwischen dem ersten Festkontakt 1 1 und dem zweiten Festkontakt 12 befindet.
Im nächsten Schritt (3f‘) wird dann das erste Halbleiterschaltelement 24 abgeschaltet. Der Laststrom lL wird damit auf den zweiten Festkontakt 12 umgeschaltet und fließt über den zweiten Hilfszweig 25 und das noch aktivierte zweite Halbleiterschaltelement 26 (Figur 3g). Ab hier erfolgt der „überlappende“ Betrieb wieder gleichermaßen dem „lückenden“ Betrieb des Laststufenschalters (gemäß Figuren 3g bis 3j).
Eine Umschaltung von dem zweiten Festkontakt 12 auf den ersten Festkontakt 11 erfolgt genau in umgekehrter Reihenfolge, das heißt, gemäß der Figuren 3j bis 3a. Es wird angenommen, dass die vorliegende Offenbarung und viele ihrer begleitenden Vorteile durch die vorstehende Beschreibung verstanden werden. Ferner ist es offensichtlich, dass verschiedene Änderungen an der Form, Konstruktion und Anordnung der Komponenten vorgenommen werden können, ohne vom offenbarten Gegenstand abzuweichen oder ohne auf alle materiellen Vorteile zu verzichten. Die beschriebene Ausführungsform ist lediglich erläuternd und solche Änderungen werden durch die nachstehenden Ansprüche mit umfasst. Weiterhin versteht es sich, dass die Erfindung durch die nachstehenden Ansprüche definiert ist.
BEZUGSZEICHEN
1 Stufentransformator
2 Stammwicklung
3 Regelwicklung
10 Laststufenschalter
11 erster Festkontakt
12 zweiter Festkontakt
13 Lastableitung
20 Lastumschalter
21 Hauptzweig
22 mechanisches Schaltelement
23 erster Hilfszweig
24 erstes Halbleiterschaltelement
25 zweiter Hilfszweig
26 zweites Halbleiterschaltelement
27 Varistor
30 Wähler
31 erster Wählerarm
32 zweiter Wählerarm
(Ni, Nj, NN) Wicklungsanzapfungen

Claims

ANSPRÜCHE Laststufenschalter (10) zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen Wicklungsanzapfungen (Ni, Nj, NN) eines Stufentransformators (1 ), umfassend: einen Lastumschalter (20) zur Durchführung einer Umschaltung von einem ersten Festkontakt (1 1 ) auf einen zweiten Festkontakt (12) des Laststufenschalters (10), einen Wähler (30) zum leistungslosen Vorwählen der Festkontakte (11 , 12) umfassend einen ersten Wählerarm (31 ) und einen zweiten Wählerarm (32), die unabhängig voneinander betätigbar sind und jeden der Festkontakte (11 , 12) kontaktieren können, wobei der Lastumschalter (20) zur Durchführung der Umschaltung aufweist einen Hauptzweig (21 ) mit einem mechanischen Schaltelement (22), der den ersten Wählerarm (31 ) über das mechanische Schaltelement (22) mit einer Lastableitung (13) verbinden kann, einen ersten Hilfszweig (23) mit einem ersten Halbleiterschaltelement (24), der parallel zu dem Hauptzweig (21 ) ausgebildet ist und den ersten Wählerarm (31 ) mit der Lastableitung (13) verbinden kann, einen zweiten Hilfszweig (25) mit einem zweiten Halbleiterschaltelement (26), der den zweiten Wählerarm (32) mit der Lastableitung (13) verbinden kann. Laststufenschalter (10) nach dem vorigen Anspruch, wobei parallel zu dem ersten Hilfszweig (23) und dem zweiten Hilfszweig (24) jeweils ein Varistor (27) angeordnet ist. Laststufenschalter (10) nach einem der vorigen Ansprüche, wobei der Laststufenschalter (10) eine erste stationäre Stellung, in welcher der erste Wählerarm (31 ) und der zweite Wählerarm (32) den ersten Festkontakt (11 ) kontaktieren und der erste Wählerarm (31 ) über den Hauptzweig (21 ) mit der Lastableitung (13) verbunden ist, und eine zweite stationäre Stellung, in welcher der erste Wählerarm (31 ) und der zweite Wählerarm (32) den zweiten Festkontakt (12) kontaktieren und der erste Wählerarm (32) über den Hauptzweig (21 ) mit der Lastableitung (13) verbunden ist, einnehmen kann. 4. Laststufenschalter (10) nach einem der vorigen Ansprüche, wobei das mechanische Schaltelement (22) als Dauerhauptkontakt oder als Ausschalter ausgebildet ist.
5. Verfahren zur Betätigung eines Laststufenschalters (10), der insbesondere gemäß einem der vorigen Ansprüche 1 bis 4 ausgebildet ist, wobei eine Umschaltung von einem ersten Festkontakt (11 ) auf einen zweiten Festkontakt (12) folgende Schritte umfasst:
Einschalten eines ersten Halbleiterschaltelementes (24),
Umschalten eines zweiten Wählerarmes (32) auf den zweiten Festkontakt (12) und Öffnen eines mechanischen Schaltelementes (22),
Betätigen des ersten Halbleiterschaltelementes (24) und des zweiten Halbleiterschaltelements (26) derart, dass ein Laststrom von dem ersten Festkontakt (11 ) auf den zweiten Festkontakt (12) umgeschaltet wird,
Umschalten eines ersten Wählerarmes (31 ) auf den zweiten Festkontakt (12), Schließen des mechanischen Schaltelementes (22),
Abschalten des zweiten Halbleiterschaltelementes (26).
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Betätigen des ersten Halbleiterschaltelementes (24) und des zweiten Halbleiterschaltelements (26) derart erfolgt, dass zunächst das erste Halbleiterschaltelement (24) abgeschaltet wird und daraufhin der Laststrom über einen parallel zu dem ersten Halbleiterschaltelement (24) angeordneten Varistor (27) fließt, danach das zweite Halbleiterschaltelement (26) eingeschaltet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Betätigen des ersten Halbleiterschaltelementes (24) und des zweiten Halbleiterschaltelements (26) derart erfolgt, dass zunächst das zweite Halbleiterschaltelement (26) eingeschaltet wird und daraufhin ein Kreisstrom fließt, danach das erste Halbleiterschaltelement (24) abgeschaltet wird.
8. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche 5 bis 7, wobei das Abschalten der Halbleiterschaltelemente (24, 26) im Nulldurchgang des Stromes erfolgt. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche 5 bis 7, wobei das Einschalten der Halbleiterschaltelemente (24, 26) im Nulldurchgang der Stufenspannung erfolgt. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche 5 bis 9, wobei bei einer Umschaltung von dem zweiten Festkontakt (12) auf den ersten Festkontakt (11 ) die Betätigung der Wählerarme (31 , 32), der Halbleiterschaltelemente (24, 26) und des mechanischen Schaltelementes (22) in genau umgekehrter Reihenfolge erfolgt.
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