EP4226403B1 - Laststufenschalter und verfahren zur betätigung eines laststufenschalters - Google Patents

Laststufenschalter und verfahren zur betätigung eines laststufenschalters

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EP4226403B1
EP4226403B1 EP21786426.3A EP21786426A EP4226403B1 EP 4226403 B1 EP4226403 B1 EP 4226403B1 EP 21786426 A EP21786426 A EP 21786426A EP 4226403 B1 EP4226403 B1 EP 4226403B1
Authority
EP
European Patent Office
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contact
fixed contact
fixed
changer
selector arm
Prior art date
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EP21786426.3A
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French (fr)
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EP4226403A1 (de
EP4226403C0 (de
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Christian Hammer
Dominik PLITZKO
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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 of EP4226403C0 publication Critical patent/EP4226403C0/de
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    • 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 powerless pre-selection of the respective winding tap to which switching is to take place, and a load transfer switch with semiconductor switching elements as switching means for the actual uninterrupted switching from the previous to the pre-selected, new winding tap under load.
  • On-load tap-changers of this type are also commonly referred to as hybrid tap-changers because they have mechanical contacts in addition to the power electronic switching devices.
  • EP 2319058 B1 Such a hybrid tap changer is known. It has two load branches, each connecting a winding tap via a mechanical switch and a series circuit of two oppositely connected IGBTs with a common load terminal. A diode is provided in parallel with each IGBT. A varistor is provided in parallel with each individual IGBT. During steady-state operation, each of the load branches is bridged with a mechanical permanent main contact. The IGBTs on both sides are controlled by a common IGBT driver.
  • the mechanical tap selector and, if applicable, other mechanical switching elements provided in the diverter switch are actuated by means of a motor drive, whereas the power electronic switching means are operated via a separate actuating means which must be supplied with power.
  • the object of the present invention is to provide an improved concept for the power supply of the power electronic switching means of an on-load tap-changer.
  • the improved concept is based on the idea of supplementing the fixed contacts of the on-load tap-changer, each of which can be connected to a winding tap of the transformer's control winding, with an additional connection contact, which is connected to an auxiliary contact of the on-load tap-changer can be contacted.
  • an on-load tap-changer is specified for uninterrupted switching between winding taps of a tapped transformer.
  • the on-load tap-changer comprises 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 load diverter switch.
  • the on-load tap-changer comprises 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 configured to be contacted by the first and/or second selector arm.
  • each fixed contact has a first contact surface that can be contacted by the first selector arm and a second contact surface that can be contacted by the second selector arm.
  • the first or second contact surface can be contacted by the auxiliary contact.
  • the connecting contact is bridged with the second fixed contact.
  • the connecting contact does not need to be electrically connected to an additional winding tap.
  • the auxiliary contact is mechanically coupled to the first selector arm.
  • the load changeover switch for switching comprises a plurality of semiconductor switching elements which are controlled by means of a control unit can be operated.
  • the semiconductor switching elements are preferably designed as IGBT switching elements and/or as thyristors and/or as JFET switching elements and/or as MOSFET switching elements and/or as integrated gate commutated thyristors (IGCTs). Particularly preferably, the semiconductor switching elements are each designed as 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 contacts the connection contact or one of the fixed contacts and the first selector arm also contacts 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 connecting contact at any 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 equal to a step voltage is present between the first selector arm and the auxiliary contact, which supplies power to the control unit. Thus, the control unit and thus also the semiconductor switching elements are operated independently using the applied step voltage. An additional external power supply, for example, from a motor controller, is therefore not required.
  • control unit has an energy storage device that is charged when the control unit is supplied with power.
  • the energy storage device 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 connecting contact and the first fixed contact.
  • an energy storage device can be provided as a safety measure to ensure that the power supply to the power electronics is maintained at all times during the switching process is guaranteed.
  • the energy storage device is preferably made of ceramic capacitors and therefore has high temperature resistance.
  • a switching power supply with an extremely wide input voltage range, which still functions even at low step voltages, is preferably used to charge the energy storage device.
  • a method for operating an on-load tap-changer designed according to the first aspect of the improved concept is specified.
  • Figure 1 shows a schematic representation of an exemplary embodiment of an on-load tap-changer 10 for a tapped transformer 1 according to the improved concept.
  • the tapped transformer 1 has a main winding 2 and a control winding 3 with different winding taps N J , N J+1 , ..., N N , which are switched on or off by the on-load tap-changer 10.
  • the on-load tap-changer 10 comprises at least a first fixed contact 12, which is connectable to a first winding tap N J , a second fixed contact 13, which is connectable to a second winding tap N J+1 , and a third fixed contact 14, which is connectable to a third winding tap N J+2 of the control winding 3 of the tapped transformer 1.
  • the total number of fixed contacts depends on the number of winding taps.
  • the on-load tap-changer 10 has a further connection contact 11, which is connected to the second fixed contact 13 is bridged.
  • the connecting contact 11 is not directly connected to any of the winding taps N J , N J+1 , ..., N N.
  • the on-load tap-changer 10 For powerless pre-selecting of the fixed contacts 12, 13, the on-load tap-changer 10 comprises a selector 30 with a first selector arm 31 and a second selector arm 32, which can be operated independently of each other 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 further comprises a load transfer switch 20 for performing the actual load switching between the preselected fixed contacts 12, 13.
  • the load transfer switch 20 has a total of three current branches: a main branch 24 with a mechanical switching element 25, which can connect both the first selector arm 31 and the second selector arm 32 to a load terminal 15; a first auxiliary branch 26 with a first semiconductor switching element 22, which is arranged parallel to the main branch 24 and can connect the first selector arm 31 to the load terminal 15; and a second auxiliary branch 27 with a second semiconductor switching element 23, which can connect the second selector arm 32 to the load terminal 15.
  • a varistor 28 is arranged parallel to each of the first and second auxiliary branches 26, 27.
  • 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 chosen 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 second selector arms 31, 32 are both located on the first fixed contact 12.
  • the auxiliary contact 33 is connected to the additional connection contact 11, which is bridged to the second fixed contact 13.
  • a step voltage is present between the selector arm 31 and the auxiliary contact 33, and the control unit 21 is supplied with power.
  • 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 shunt 15.
  • the two semiconductor switching elements 22 and 23 are switched off.
  • FIG. 2a to 2g is an example switching sequence of the on-load tap-changer from Figure 1 shown.
  • the mechanical switching element 25 is then opened (see Figure 2c ).
  • the load current I L 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 at the zero crossing of the current.
  • the temporal variation of the current can be detected by the control unit 21, for example, using a current sensor (not shown) arranged in the current branch of the downstream line 15.
  • a current sensor not shown
  • the load current I L is transferred to the varistor 28 arranged in parallel thereto.
  • the second semiconductor switching element 23 is switched on after a specified period, for example, 5 ⁇ s.
  • the load current I L 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 shunt 15.
  • the first selector arm 31, which is now de-energized, is then switched to the second fixed contact 13 and at the same time the auxiliary contact 33 is switched from the connecting contact 11 to the first fixed contact 12 ( Figure 2f ).
  • a switchover 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 switching, but on a fixed contact, namely the first fixed contact 12.
  • a switchover in the opposite direction for example from the second fixed contact 13 to the first fixed contact 12, takes place in exactly the reverse order, that is, according to the Figures 2g to 2a .

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Description

  • 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 über ein separates Betätigungsmittel betrieben werden, welches mit Strom versorgt werden muss.
  • Aus dem Dokument WO 2020/030445 A1 ist ein Laststufenschalter gemäß der Präambel des Anspruchs 1 bekannt.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, 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.
  • Erfindungsgemäß ist der Anschlusskontakt mit dem zweiten Festkontakt gebrückt. Somit muss der Anschlusskontakt nicht elektrisch mit einer zusätzlichen Wicklungsanzapfung verbunden werden.
  • Weiterhin erfindungsgemäß 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 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+1, ..., 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+1 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+1, ..., 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 IL fließt von dem kontaktierten Festkontakt 12 über den 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 IL 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 IL 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 5µs, eingeschaltet. Der Laststrom IL 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 IL 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 IL 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.
    • BEZUGSZEICHEN
    • 1
    Stufentransformator
    2
    Stammwicklung
    3
    Regelwicklung
    10
    Laststufenschalter
    11
    Anschlusskontakt
    12
    erster Festkontakt
    13
    zweiter Festkontakt
    14
    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+1, ..., NN)
    Wicklungsanzapfungen

Claims (6)

  1. Laststufenschalter (10) zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen Wicklungsanzapfungen (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),
    dadurch gekennzeichnet, dass der Laststufenschalter (10) weiterhin umfasst: einen zusätzlich zu den Festkontakten (12, 13) angeordneten Anschlusskontakt (11), welcher mit dem zweiten Festkontakt (13) gebrückt ist, sowie einen mit dem ersten Wählerarm (31) mechanisch gekoppelten Hilfskontakt (33), der wahlweise den Anschlusskontakt (11) oder einen der Festkontakte (12, 13) kontaktieren kann.
  2. Laststufenschalter (10) nach Anspruch 1, wobei der Lastumschalter (20) für die Umschaltung eine Mehrzahl an Halbleiterschaltelementen (22) aufweist, die mittels einer Steuereinheit (21) betätigbar sind.
  3. Laststufenschalter (10) nach Anspruch 2 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.
  4. Laststufenschalter (10) nach Anspruch 3, wobei
    die Steuereinheit (21) einen Energiespeicher aufweist, der aufgeladen wird, wenn die Steuereinheit (21) mit Strom versorgt wird.
  5. Verfahren zur Betätigung eines Laststufenschalters (10), der gemäß einem der vorigen Ansprüche 2 bis 4 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 (11) auf den ersten Festkontakt (12) umgeschaltet wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, 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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