EP4226403A1 - Laststufenschalter und verfahren zur betätigung eines laststufenschalters - Google Patents

Laststufenschalter und verfahren zur betätigung eines laststufenschalters

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Publication number
EP4226403A1
EP4226403A1 EP21786426.3A EP21786426A EP4226403A1 EP 4226403 A1 EP4226403 A1 EP 4226403A1 EP 21786426 A EP21786426 A EP 21786426A EP 4226403 A1 EP4226403 A1 EP 4226403A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
contact
fixed contact
fixed
tap changer
selector arm
Prior art date
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Pending
Application number
EP21786426.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christian Hammer
Dominik PLITZKO
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Maschinenfabrik Reinhausen GmbH
Scheubeck GmbH and Co
Original Assignee
Maschinenfabrik Reinhausen GmbH
Maschinenfabrik Reinhausen Gebrueder Scheubeck GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Maschinenfabrik Reinhausen GmbH, Maschinenfabrik Reinhausen Gebrueder Scheubeck GmbH and Co KG filed Critical Maschinenfabrik Reinhausen GmbH
Publication of EP4226403A1 publication Critical patent/EP4226403A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F29/00—Variable transformers or inductances not covered by group H01F21/00
    • H01F29/02—Variable transformers or inductances not covered by group H01F21/00 with tappings on coil or winding; with provision for rearrangement or interconnection of windings
    • H01F29/04—Variable transformers or inductances not covered by group H01F21/00 with tappings on coil or winding; with provision for rearrangement or interconnection of windings having provision for tap-changing without interrupting the load current
    • 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

Definitions

  • the invention relates to an on-load tap changer for uninterrupted switching between winding taps of a tapped transformer under load.
  • the on-load tap changer consists of a mechanical tap selector for power-free preselection of the respective winding tap to which switching is to take place, and a diverter switch with semiconductor switching elements as switching means for the actual uninterrupted switching from the previous winding tap to the previously selected new winding tap under load.
  • On-load tap changers of this type are usually also referred to as hybrid tap changers because they also have mechanical contacts in addition to the electronic power switching means.
  • Such a hybrid tap changer is known from EP 2319058 B1.
  • This has two load branches, each of which connects a winding tap via a mechanical switch and a series connection of two oppositely connected IGBTs with a common load shunt.
  • a diode is provided in parallel with each IGBT.
  • a varistor is in turn provided in parallel with each individual IGBT.
  • each of the load branches is bridged with a permanent mechanical main contact.
  • the IGBTs on both sides are controlled by a common IGBT driver.
  • the mechanical tap selector and possibly other mechanical switching elements provided in the diverter switch are actuated by means of a motor drive, whereas the electronic power switching means are operated via a separate actuating means, which must be supplied with power.
  • the improved concept is based on the idea of supplementing the fixed contacts of the on-load tap changer, which can each be connected to a winding tap of the control winding of the transformer, with an additional connection contact, which is an auxiliary contact of the on-load tap-changer can be contacted.
  • an on-load tap changer for uninterrupted switching between winding taps of a tapped transformer.
  • the on-load tap changer includes a first fixed contact, which can be connected to a first winding tap of the tapped transformer, and a second fixed contact, which can be connected to a second winding tap of the tapped transformer.
  • the total number of fixed contacts depends on the number of winding taps.
  • a first selector arm of the on-load tap changer can contact each of the fixed contacts and a second selector arm can also contact each of the fixed contacts.
  • the on-load tap changer has a diverter switch.
  • the on-load tap changer includes an additional connection contact, which is arranged analogously to the fixed contacts, and an auxiliary contact, which can optionally contact the connection contact or one of the fixed contacts.
  • connection contact is designed in such a way that it can be contacted by the auxiliary contact.
  • Each fixed contact is designed in such a way that it can be contacted by the first and/or the second selector arm.
  • Each fixed contact preferably has a first contact area which can be contacted by the first selector arm and a second contact area which can be contacted by the second selector arm.
  • the first or the second contact area can be contacted by the auxiliary contact.
  • connection contact is bridged to the second fixed contact.
  • connection contact does not have to be electrically connected to an additional winding tap.
  • the auxiliary contact is designed to be mechanically coupled to the first selector arm.
  • the diverter switch for switching has a plurality of semiconductor switching elements which are controlled by a control unit are operable.
  • the semiconductor switching elements are preferably in the form of IGBT switching elements and/or thyristors and/or JFET switching elements and/or MOSFET switching elements and/or integrated gate commutated thyristors (IGCT).
  • the semiconductor switching elements are particularly preferably in the form of an IGBT with diodes in a bridge circuit.
  • control unit is designed as a microcontroller.
  • control unit and thus also the semiconductor switching elements are supplied with power while the auxiliary contact makes contact with the connection contact or one of the fixed contacts and the first selector arm also makes contact with one of the fixed contacts.
  • the first selector arm and the auxiliary contact Due to the mechanical coupling of the first selector arm and the auxiliary contact, the first selector arm and the auxiliary contact cannot be on the same fixed contact or on the connection contact at the same time during the switching process. This in turn means that at any time during the switching process in which the first selector arm contacts a fixed contact, a voltage of a step voltage is present between the first selector arm and the auxiliary contact, through which the control unit is supplied with power.
  • the control unit and thus also the semiconductor switching elements are operated independently by means of the applied step voltage.
  • An additional energy supply from the outside, for example through a motor controller, is therefore not required.
  • control unit has an energy store which is charged when the control unit is supplied with power.
  • the energy store is charged via the voltage difference that exists between the first selector arm and the auxiliary contact due to the mechanical coupling and the contacting of different fixed contacts or the connection contact and the first fixed contact.
  • the energy store is preferably formed from ceramic capacitors and accordingly has a high temperature resistance.
  • a switched-mode power supply with an extremely wide input voltage range is preferably used to charge the energy store, and it still works even at low step voltages.
  • 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 includes the following steps for switching from a first fixed contact to a second fixed contact:
  • switching over from the second fixed contact to a third fixed contact which is designed according to the second fixed contact and is connected to a third winding tap of the stepped transformer, comprises the following steps:
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an exemplary embodiment of an on-load tap changer according to the improved concept
  • Figure 2a to 2g an exemplary switching sequence of the on-load tap changer from Figure 1.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an exemplary embodiment of an on-load tap changer 10 for a tapped transformer 1 based on the improved concept.
  • the tapped transformer 1 has a main winding 2 and a control winding 3 with different winding taps Nj, Nj+i, ..., NN, which are switched on and off by the on-load tap changer 10.
  • the on-load tap changer 10 comprises at least a first fixed contact 12, which can be connected to a first winding tap Nj, a second fixed contact 13, which can be connected to a second winding tap Nj+i, and a third fixed contact 14, which can be connected to a third winding tap NJ+2 of the control winding 3 of the tapped transformer 1 can be connected.
  • the total number of fixed contacts depends on the number of winding taps.
  • the on-load tap changer 10 has another connection contact 11 that is connected to the second fixed contact 13 is bridged. The connection contact 11 is not directly connected to any of the winding taps Nj, Nj+i, NN.
  • the on-load tap changer 10 For power-free preselection of the fixed contacts 12, 13, 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 operated independently and can contact each of the fixed contacts. In addition to the selector arms 31, 32, the on-load tap changer 10 has an auxiliary contact 33 which is mechanically coupled to the first selector arm 31.
  • the on-load tap changer 10 also includes a diverter switch 20 for performing the actual diverter switch between the preselected fixed contacts 12, 13.
  • the diverter switch 20 has a total of three current branches.
  • a varistor 28 is arranged in parallel with the first and the second auxiliary branch 26, 27 in each case.
  • the semiconductor switching elements 22 and 23 are actuated by a control unit 21 .
  • the described, specific circuit arrangement of the diverter switch 20 was selected as an example.
  • the improved concept can be implemented in any on-load tap changer that has a diverter switch with semiconductor switching elements as switching means for uninterrupted switching.
  • 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 12.
  • the auxiliary contact 33 is on the additional connection contact 11, which is bridged to the second fixed contact 13.
  • the load current I L flows from the contacted fixed contact 12 via the first selector arm 31, the main branch 24 and the closed mechanical switching element 25 to the load dissipation 15.
  • the two semiconductor switching elements 22 and 23 are switched off.
  • FIGS. 2a to 2g An exemplary switching sequence of the on-load tap changer from FIG. 1 is shown in FIGS. 2a to 2g.
  • the first semiconductor switching element 22 is switched on by means of the control unit 21 in a first step (FIG. 2a).
  • the second selector arm 32 which is de-energized, is moved from the first fixed contact 12 to the second fixed contact 13.
  • the mechanical switching element 25 is then opened (cf. FIG. 2c).
  • the load current II now flows via the first auxiliary branch 26 and the activated first semiconductor switching element 22.
  • the first semiconductor switching element 22 is preferably switched off when the current passes through zero.
  • the course of the current over time can, for example, be detected by the control unit 21 by means of a current sensor (not shown), which is arranged in the current branch of the lead 15 .
  • a current sensor not shown
  • the load current II is transferred to the varistor 28 arranged parallel thereto.
  • the second semiconductor switching element 23 is switched on after a specified period, for example 5 ps.
  • the load current II is thus switched to the second fixed contact 13 and flows from the second selector arm 32 via the second auxiliary branch 27 and the activated second semiconductor switching element 23 to the load dissipation 15.
  • the first selector arm 31, which is now de-energized, is then switched over to the second fixed contact 13 and, at the same time, the auxiliary contact 33 is switched over from the connection contact 11 to the first fixed contact 12 (FIG. 2f).
  • the mechanical switching element 25 is closed again and then the second semiconductor switching element 23 is switched off by the control unit 21.
  • the on-load tap changer 10 has now reached the second stationary position.
  • the load current I L goes back to the main branch 24 .
  • the first and the second selector arm 31, 32 are both located on the second fixed contact 13 and the auxiliary contact 33 on the first fixed contact 12.
  • the load current II now flows from the second fixed contact 13 via the first selector arm 31 and the main branch 24 with the closed mechanical Switching element 25 for load dissipation 15. The load switching to the second fixed contact 13 is thus completed.
  • a changeover from the second fixed contact 13 to the third fixed contact 14 takes place analogous to steps 2a-2g, with the only difference that the auxiliary contact 33 is not on the connection contact 11 at the beginning of the switchover, but on a fixed contact, namely the first fixed contact 12.
  • Switching in the opposite direction for example from the second fixed contact 13 to the first fixed contact 12, takes place exactly in the reverse order, that is, according to FIGS. 2g to 2a.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Housings And Mounting Of Transformers (AREA)
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  • Driving Mechanisms And Operating Circuits Of Arc-Extinguishing High-Tension Switches (AREA)

Abstract

Laststufenschalter (10) zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen Wicklungsanzap-fungen (NJ, NJ+1,..., NN) eines Stufentransformators (1), umfassend: einen ersten Festkontakt (12), der mit einer ersten Wicklungsanzapfung NJ des Stufentransformators (1) verbindbar ist, einen zweiten Festkontakt (13), der mit einer zweiten Wicklungsanzapfung NJ+1 des Stufentransformators (1) verbindbar ist, einen ersten Wählerarm (31), der jeden der Festkontakte (12, 13) kontaktieren kann, einen zweiten Wählerarm (32), der jeden der Festkontakte (12, 13) kontaktieren kann, einen Lastumschalter (20) zur Durchführung einer Umschaltung von einem ersten Festkontakt (12) auf einen zweiten Festkontakt (13) des Laststufenschalters (10). Der Laststufenschalter (10) umfasst weiterhin einen zusätzlich zu den Festkontakten (12, 13) angeordneten Anschlusskontakt (11) und einen Hilfskontakt (33), der wahlweise den Anschlusskontakt (11) oder einen der Fest-kontakte (12, 13) kontaktieren kann.

Description

LASTSTUFENSCHALTER UND VERFAHREN ZUR BETÄTIGUNG EINES LASTSTUFENSCHALTERS
Die Erfindung betrifft einen Laststufenschalter zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen Wicklungsanzapfungen eines Stufentransformators unter Last.
Der Laststufenschalter besteht aus einem mechanischen Stufenwähler zur leistungslosen Vorwahl der jeweiligen Wicklungsanzapfung, auf die umgeschaltet werden soll, und einem Lastumschalter mit Halbleiterschaltelementen als Schaltmittel zur eigentlichen unterbrechungslosen Umschaltung von der bisherigen auf die vorab angewählte, neue Wicklungsanzapfung unter Last.
Laststufenschalter dieser Art werden üblicherweise auch als Hybrid-Stufenschalter bezeichnet, weil sie neben den leistungselektronischen Schaltmitteln auch mechanische Kontakte aufweisen. Aus der EP 2319058 B1 ist ein solcher Hybrid-Stufenschalter bekannt. Dieser weist zwei Lastzweige auf, die jeweils eine Wicklungsanzapfung über einen mechanischen Schalter und eine in Reihe dazu angeordnete Reihenschaltung aus zwei entgegengesetzt geschalteten IGBT’s mit einer gemeinsamen Lastableitung verbinden. Parallel zu jedem IGBT ist eine Diode vorgesehen. Parallel zu jedem einzelnen IGBT ist wiederum jeweils ein Varistor vorgesehen. Im stationären Betrieb wird jeder der Lastzweige mit einem mechanischen Dauerhauptkontakt überbrückt. Die IGBT's beider Seiten werden durch einen gemeinsamen IGBT-Treiber angesteuert.
Der mechanische Stufenwähler und gegebenenfalls weitere, im Lastumschalter vorgesehene mechanische Schaltelemente werden mittels eines Motorantriebes betätigt, wohingegen die leistungselektronischen Schaltmittel überein separates Betätigungsmittel betrieben werden, welches mit Strom versorgt werden muss.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Konzept für die Stromversorgung der leistungselektronischen Schaltmittel eines Laststufenschalters anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch den jeweiligen Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Das verbesserte Konzept beruht auf der Idee, die Festkontakte des Laststufenschalters, die jeweils mit einer Wicklungsanzapfung der Regelwicklung des Transformators verbindbar sind, um einen zusätzlichen Anschlusskontakt zu ergänzen, der von einem Hilfskontakt des Laststufenschalters kontaktiert werden kann.
Gemäß einem ersten Aspekt des verbesserten Konzeptes wird ein Laststufenschalter zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen Wicklungsanzapfungen eines Stufentransformators angegeben. Der Laststufenschalter umfasst einen ersten Festkontakt, der mit einer ersten Wicklungsanzapfung des Stufentransformators verbindbar ist, und einen zweiten Festkontakt, der mit einer zweiten Wicklungsanzapfung des Stufentransformators verbindbar ist. Die gesamte Anzahl der Festkontakte ist von der Anzahl der Wicklungsanzapfungen abhängig. Ein erster Wählerarm des Laststufenschalters kann jeden der Festkontakte kontaktieren und ein zweiter Wählerarm kann ebenfalls jeden der Festkontakte kontaktieren. Zur Durchführung einer Umschaltung von einem ersten Festkontakt auf einen zweiten Festkontakt weist der Laststufenschalter einen Lastumschalter auf. Des Weiteren umfasst der Laststufenschalter einen zusätzlichen Anschlusskontakt, der analog zu den Festkontakten angeordnet ist, und einen Hilfskontakt, der wahlweise den Anschlusskontakt oder einen der Festkontakte kontaktieren kann.
Der Anschlusskontakt ist derart ausgebildet, dass er von dem Hilfskontakt kontaktiert werden kann.
Jeder Festkontakt ist derart ausgebildet, dass er von dem ersten und/oder dem zweiten Wählerarm kontaktiert werden kann. Bevorzugt weist jeder Festkontakt eine erste Kontaktfläche auf, welche von dem ersten Wählerarm kontaktiert werden kann, und eine zweite Kontaktfläche, welche von dem zweiten Wählerarm kontaktiert werden kann. Zudem kann die erste oder die zweite Kontaktfläche von dem Hilfskontakt kontaktiert werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Anschlusskontakt mit dem zweiten Festkontakt gebrückt. Somit muss der Anschlusskontakt nicht elektrisch mit einer zusätzlichen Wicklungsanzapfung verbunden werden.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform ist der Hilfskontakt mit dem ersten Wählerarm mechanisch gekoppelt ausgebildet.
Das bedeutet konkret, dass sich der Hilfskontakt und der erste Wählerkontakt im aufgeschalteten Zustand, also wenn sie nicht bewegt werden, auf benachbarten Kontakten befinden. Folglich befinden sich der Hilfskontakt und der erste Wählerarm niemals auf demselben Festkontakt oder gleichzeitig auf dem Anschlusskontakt.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform weist der Lastumschalter für die Umschaltung eine Mehrzahl an Halbleiterschaltelementen auf, die mittels einer Steuereinheit betätigbar sind.
Die Halbleiterschaltelemente sind bevorzugt als IGBT-Schaltelemente und/oder als Thyristoren und/oder als JFET-Schaltelemente und/oder als MOSFET-Schaltelemente und/oder als Integrated Gate Commutated Thyristoren (IGCT) ausgebildet. Besonders bevorzugt sind die Halbleiterschaltelemente als jeweils ein IGBT mit Dioden in Brückenschaltung ausgebildet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Steuereinheit als Mikrocontroller ausgebildet.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform werden die Steuereinheit und damit auch die Halbleiterschaltelemente mit Strom versorgt, während der Hilfskontakt den Anschlusskontakt oder einen der Festkontakte kontaktiert und der erste Wählerarm ebenfalls einen der Festkontakte kontaktiert.
Bedingt durch die mechanische Kopplung des ersten Wählerarmes und des Hilfskontaktes können der erste Wählerarm und der Hilfskontakt zu keinem Zeitpunkt während des Umschaltvorganges auf demselben Festkontakt oder gleichzeitig auf dem Anschlusskontakt stehen. Dies wiederum bewirkt, dass zu jedem Zeitpunkt während des Umschaltvorganges, in dem der erste Wählerarm einen Festkontakt kontaktiert, eine Spannung in Höhe einer Stufenspannung zwischen dem ersten Wählerarm und dem Hilfskontakt anliegt, durch welche die Steuereinheit mit Strom versorgt wird. Somit werden die Steuereinheit und damit auch die Halbleiterschaltelemente eigenständig mittels der anliegenden Stufenspannung betrieben. Eine zusätzliche Energieversorgung von außen, beispielsweise durch eine Motorsteuerung, ist demnach nicht erforderlich.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform weist die Steuereinheit einen Energiespeicher auf, der aufgeladen wird, wenn die Steuereinheit mit Strom versorgt wird.
Die Aufladung des Energiespeichers erfolgt über die Spannungsdifferenz, die zwischen dem ersten Wählerarm und dem Hilfskontakt aufgrund der mechanischen Koppelung und der Kontaktierung unterschiedlicher Festkontakte bzw. des Anschlusskontaktes und des ersten Festkontaktes besteht.
Während der Betätigung des ersten Wählerarmes und des Hilfskontaktes liegt keine Stufenspannung an. In dieser Zeit wird die Steuereinheit folglich nicht mit Strom versorgt. Aus diesem Grund kann ein Energiespeicher als Sicherheitsmaßnahme vorgesehen sein, der sicherstellt, dass die Stromversorgung der Leistungselektronik zu jedem Zeitpunkt während des Umschaltvorganges gewährleistet ist.
Der Energiespeicher ist bevorzugt aus Kondensatoren aus Keramik ausgebildet und weist demnach eine hohe Temperaturbeständigkeit auf. Zum Laden des Energiespeichers wird bevorzugt ein Schaltnetzteil mit extrem weitem Eingangsspannungsbereich verwendet, das auch bei niedrigen Stufenspannungen noch funktioniert.
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 die folgenden Schritte:
- Betätigen wenigstens eines der Halbleiterschaltelemente des Lastumschalters,
- Umschalten eines zweiten Wählerarmes von dem ersten Festkontakt auf den zweiten Festkontakt,
- Betätigen wenigstens eines der Halbleiterschaltelemente des Lastumschalters,
- Umschalten eines ersten Wählerarmes von dem ersten Festkontakt auf den zweiten Festkontakt, wobei zeitgleich mit der Umschaltung des ersten Wählerarmes auf den zweiten Festkontakt ein Hilfskontakt von einem Anschlusskontakt auf den ersten Festkontakt umgeschaltet wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst eine Umschaltung von dem zweiten Festkontakt auf einen dritten Festkontakt, der gemäß dem zweiten Festkontakt ausgebildet und mit einer dritten Wicklungsanzapfung des Stufentransformators verbunden ist, die folgenden Schritte:
- Betätigen wenigstens eines der Halbleiterschaltelemente des Lastumschalters,
- Umschalten des zweiten Wählerarmes von dem zweiten Festkontakt auf den dritten Festkontakt,
- Betätigen wenigstens eines der Halbleiterschaltelemente des Lastumschalters,
- Umschalten des ersten Wählerarmes von dem zweiten Festkontakt auf den dritten Festkontakt, wobei zeitgleich mit der Umschaltung des ersten Wählerarmes auf den dritten Festkontakt der Hilfskontakt von dem ersten Festkontakt auf den zweiten Festkontakt umgeschaltet wird.
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 schematische Darstellung einer bespielhaften Ausführungsform eines Laststufenschalters nach dem verbesserten Konzept;
Figur 2a bis 2g ein beispielhafter Schaltablauf des Laststufenschalters aus Figur 1.
Die Figuren stellen lediglich Ausführungsbeispiele der Erfindung dar, ohne jedoch die Erfindung auf die dargestellten Ausführungsbeispiele zu beschränken.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform eines Laststufenschalters 10 für einen Stufentransformator 1 nach dem verbesserten Konzept. Der Stufentransformator 1 weist eine Stammwicklung 2 und eine Regelwicklung 3 mit unterschiedlichen Wicklungsanzapfungen Nj, Nj+i, ..., NN auf, die durch den Laststufenschalter 10 zu- bzw. abgeschaltet werden.
Gemäß dem verbesserten Konzept umfasst der Laststufenschalter 10 wenigstens einen ersten Festkontakt 12, der mit einer ersten Wicklungsanzapfung Nj verbindbar ist, einen zweiten Festkontakt 13, der mit einer zweiten Wicklungsanzapfung Nj+i verbindbar ist, und einen dritten Festkontakt 14, der mit einer dritten Wicklungsanzapfung NJ+2 der Regelwicklung 3 des Stufentransformators 1 verbindbar ist. Die gesamte Anzahl der Festkontakte ist von der Anzahl der Wicklungsanzapfungen abhängig. Zusätzlich zu den Festkontakten weist der Laststufenschalter 10 einen weiteren Anschlusskontakt 11 auf, der mit dem zweiten Festkontakt 13 gebrückt ist. Der Anschlusskontakt 11 steht mit keiner der Wicklungsanzapfungen Nj, Nj+i, NN in direkter Verbindung.
Für das leistungslose Vorwählen der Festkontakte 12, 13 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. Zusätzlich zu den Wählerarmen 31, 32 weist der Laststufenschalter 10 einen Hilfskontakt 33 auf, der mit dem ersten Wählerarm 31 mechanisch gekoppelt ist.
Der Laststufenschalter 10 umfasst weiterhin einen Lastumschalter 20 zur Durchführung der eigentlichen Lastumschaltung zwischen den vorgewählten Festkontakten 12, 13. Der Lastumschalter 20 weist insgesamt drei Stromzweige auf. Einen Hauptzweig 24 mit einem mechanischen Schaltelement 25, der sowohl den ersten Wählerarm 31 als auch den zweiten Wählerarm 32 mit einer Lastableitung 15 verbinden kann, einen ersten Hilfszweig 26 mit einem ersten Halbleiterschaltelement 22, der parallel zum Hauptzweig 24 angeordnet ist und den ersten Wählerarm 31 mit der Lastableitung 15 verbinden kann, und einen zweiten Hilfszweig 27 mit einem zweiten Halbleiterschaltelement 23, der den zweiten Wählerarm 32 mit der Lastableitung 15 verbinden kann. Parallel zu dem ersten und dem zweiten Hilfszweig 26, 27 ist jeweils ein Varistor 28 angeordnet. Die Halbleiterschaltelemente 22 und 23 werden mittels einer Steuereinheit 21 betätigt.
Die beschriebene, konkrete Schaltungsanordnung des Lastumschalters 20 wurde beispielhaft gewählt. Grundsätzlich ist das verbesserte Konzept in jedem Laststufenschalter ausführbar, der einen Lastumschalter mit Halbleiterschaltelementen als Schaltmittel zur unterbrechungslosen Umschaltung aufweist.
In der Darstellung in Figur 1 befindet sich der Laststufenschalter 10 in einer stationären Stellung. Der erste und der zweite Wählerarm 31 , 32 befinden sich beide auf dem ersten Festkontakt 12. Der Hilfskontakt 33 steht auf dem zusätzlichen Anschlusskontakt 11, der mit dem zweiten Festkontakt 13 gebrückt ist. Dadurch liegt eine Stufenspannung zwischen dem Wählerarm 31 und dem Hilfskontakt 33 an und die Steuereinheit 21 wird mit Strom versorgt. Der Laststrom lL fließt von dem kontaktierten Festkontakt 12 überden ersten Wählerarm 31, den Hauptzweig 24 und das geschlossene mechanische Schaltelement 25 zur Lastableitung 15. Die beiden Halbleiterschaltelemente 22 und 23 sind abgeschaltet.
In den Figuren 2a bis 2g ist ein beispielhafter Schaltablauf des Laststufenschalters aus Figur 1 dargestellt. Bei einem Umschaltvorgang von dem ersten Festkontakt 12 auf den zweiten Festkontakt 13 wird in einem ersten Schritt (Figur 2a) das erste Halbleiterschaltelement 22 mittels der Steuereinheit 21 eingeschaltet.
Im nächsten Schritt (Figur 2b) wird der zweite Wählerarm 32, der stromlos ist, von dem ersten Festkontakt 12 auf den zweiten Festkontakt 13 bewegt.
Daraufhin wird das mechanische Schaltelement 25 geöffnet (vgl. Figur 2c). Der Laststrom II fließt nun über den ersten Hilfszweig 26 und das aktivierte erste Halbleiterschaltelement 22.
Im nächsten Schritt (Figur 2d) wird das erste Halbleiterschaltelement 22 bevorzugt im Nulldurchgang des Stromes abgeschaltet. Der zeitliche Verlauf des Stromes kann beispielsweise mittels eines Stromsensors (nicht dargestellt), der im Stromzweig der Ableitung 15 angeordnet ist, von der Steuereinheit 21 erfasst werden. Mit der Abschaltung des ersten Halbleiterschaltelementes 22 geht der Laststrom II auf den parallel dazu angeordneten Varistor 28 über.
Im nächsten Schritt, dargestellt in Figur 2e, wird das zweite Halbleiterschaltelement 23 nach einer festgelegten Dauer, beispielsweise 5ps, eingeschaltet. Der Laststrom II wird damit auf den zweiten Festkontakt 13 umgeschaltet und fließt von dem zweiten Wählerarm 32 über den zweiten Hilfszweig 27 und das aktivierte zweite Halbleiterschaltelement 23 zur Lastableitung 15.
Daraufhin wird der erste Wählerarm 31, der nun stromlos ist, auf den zweiten Festkontakt 13 umgeschaltet und zeitgleich der Hilfskontakt 33 von dem Anschlusskontakt 11 auf den ersten Festkontakt 12 umgeschaltet (Figur 2f).
Im nächsten Schritt (Figur 2g) wird das mechanische Schaltelement 25 wieder geschlossen und danach das zweite Halbleiterschaltelement 23 von der Steuereinheit 21 abgeschaltet. Der Laststufenschalter 10 hat nun die zweite stationäre Stellung erreicht. Mit der Schließung des mechanischen Schaltelementes 25 geht der Laststrom lL wieder auf den Hauptzweig 24 über. Der erste und der zweite Wählerarm 31, 32 befinden sich beide auf dem zweiten Festkontakt 13 und der Hilfskontakt 33 auf dem ersten Festkontakt 12. Der Laststrom II fließt nun von dem zweiten Festkontakt 13 über den ersten Wählerarm 31 und den Hauptzweig 24 mit dem geschlossenen mechanischen Schaltelement 25 zur Lastableitung 15. Die Lastumschaltung auf den zweiten Festkontakt 13 ist damit abgeschlossen.
Eine Umschaltung von dem zweiten Festkontakt 13 auf den dritten Festkontakt 14 erfolgt analog den Schritten 2a - 2g, lediglich mit dem Unterschied, dass der Hilfskontakt 33 zu Beginn der Umschaltung nicht auf dem Anschlusskontakt 11, sondern auf einem Festkontakt, nämlich dem ersten Festkontakt 12 steht.
Eine Umschaltung in der entgegengesetzten Richtung, beispielsweise von dem zweiten Festkontakt 13 auf den ersten Festkontakt 12, erfolgt genau in umgekehrter Reihenfolge, das heißt, gemäß der Figuren 2g bis 2a.
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 Komponen- ten 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
Stufentransformator
2 Stammwicklung
3 Regelwicklung
10 Laststufenschalter
11 Anschlusskontakt erster Festkontakt zweiter Festkontakt dritter Festkontakt
15 Lastableitung
20 Lastumschalter
21 Steuereinheit
22 erstes Halbleiterschaltelement
23 zweites Halbleiterschaltelement
24 Hauptzweig
25 mechanisches Schaltelement
26 erster Hilfszweig
27 zweiter Hilfszweig
28 Varistor
30 Wähler
31 erster Wählerarm
32 zweiter Wählerarm
33 Hilfskontakt
(Nj, Nj+i . NN) Wicklungsanzapfungen

Claims

ANSPRÜCHE Laststufenschalter (10) zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen Wicklungsanzapfungen (Nj, Nj+i , NN) eines Stufentransformators (1 ), umfassend: einen ersten Festkontakt (12), der mit einer ersten Wicklungsanzapfung Nj des Stufentransformators (1 ) verbindbar ist, einen zweiten Festkontakt (13), der mit einer zweiten Wicklungsanzapfung Nj+i des Stufentransformators (1 ) verbindbar ist, einen ersten Wählerarm (31 ), der jeden der Festkontakte (12, 13) kontaktieren kann, einen zweiten Wählerarm (32), der jeden der Festkontakte (12, 13) kontaktieren kann, einen Lastumschalter (20) zur Durchführung einer Umschaltung von einem ersten Festkontakt (12) auf einen zweiten Festkontakt (13) des Laststufenschalters
(10), wobei der Laststufenschalter (10) weiterhin umfasst einen zusätzlich zu den Festkontakten (12, 13) angeordneten Anschlusskontakt
(1 1 ), einen Hilfskontakt (33), der wahlweise den Anschlusskontakt (11 ) oder einen der Festkontakte (12, 13) kontaktieren kann. Laststufenschalter (10) nach dem vorigen Anspruch, wobei der Anschlusskontakt (11 ) mit dem zweiten Festkontakt (13) gebrückt ist. Laststufenschalter (10) nach einem der vorigen Ansprüche 1 bis 2, wobei der Hilfskontakt (33) mit dem ersten Wählerarm (31 ) mechanisch gekoppelt ist. Laststufenschalter (10) nach einem der vorigen Ansprüche 1 bis 3, wobei der Lastumschalter (20) für die Umschaltung eine Mehrzahl an Halbleiterschaltelementen (22) aufweist, die mittels einer Steuereinheit (21 ) betätigbar sind. Laststufenschalter (10) nach Anspruch 4, wobei die Steuereinheit (21 ) mit Strom versorgt wird, während der Hilfskontakt (33) den Anschlusskontakt (11 ) oder einen der Festkontakte (12, 13) kontaktiert und der erste Wählerarm (31 ) einen der Festkontakte (12, 13) kontaktiert. Laststufenschalter (10) nach Anspruch 5, wobei die Steuereinheit (21 ) einen Energiespeicher aufweist, der aufgeladen wird, wenn die Steuereinheit (21 ) mit Strom versorgt wird. Verfahren zur Betätigung eines Laststufenschalters (10), der insbesondere gemäß einem der vorigen Ansprüche 1 bis 6 ausgebildet ist, wobei eine Umschaltung von einem ersten Festkontakt (12) auf einen zweiten Festkontakt (13) folgende Schritte umfasst:
Betätigen wenigstens eines der Halbleiterschaltelemente (22) des Lastumschalters (20),
Umschalten eines zweiten Wählerarmes (32) von dem ersten Festkontakt (12) auf den zweiten Festkontakt (13),
Betätigen wenigstens eines der Halbleiterschaltelemente (22) des Lastumschalters (20),
Umschalten eines ersten Wählerarmes (31 ) von dem ersten Festkontakt (12) auf den zweiten Festkontakt (13), wobei zeitgleich mit der Umschaltung des ersten Wählerarmes (31 ) auf den zweiten Festkontakt (13) ein Hilfskontakt (33) von einem Anschlusskontakt (1 1 ) auf den ersten Festkontakt (12) umgeschaltet wird. Verfahren nach dem vorigen Anspruch, wobei eine Umschaltung von dem zweiten Festkontakt (13) auf einen dritten Festkontakt (14) folgende Schritte umfasst:
Betätigen wenigstens eines der Halbleiterschaltelemente (22) des Lastumschalters (20),
Umschalten des zweiten Wählerarmes (32) von dem zweiten Festkontakt (13) auf den dritten Festkontakt (14),
Betätigen wenigstens eines der Halbleiterschaltelemente (22) des Lastumschalters (20),
Umschalten des ersten Wählerarmes (31 ) von dem zweiten Festkontakt (13) auf den dritten Festkontakt (14), wobei zeitgleich mit der Umschaltung des ersten Wählerarmes (31 ) auf den dritten Festkontakt (14) der Hilfskontakt (33) von dem ersten Festkontakt (12) auf den zweiten Festkontakt (13) umgeschaltet wird.
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