EP4500567A1 - Verfahren zur betätigung eines laststufenschalters sowie laststufenschaltervorrichtung - Google Patents

Verfahren zur betätigung eines laststufenschalters sowie laststufenschaltervorrichtung

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EP4500567A1
EP4500567A1 EP23735972.4A EP23735972A EP4500567A1 EP 4500567 A1 EP4500567 A1 EP 4500567A1 EP 23735972 A EP23735972 A EP 23735972A EP 4500567 A1 EP4500567 A1 EP 4500567A1
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EP
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time
load tap
tap changer
actuation
current
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Sebastian Rehkopf
Andreas Sachsenhauser
Konrad RÄDLINGER
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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
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Definitions

  • the invention relates to a method for operating an on-load tap changer and an on-load tap changer device.
  • switches there are a variety of switches in substations for different tasks and with different requirements. In order to operate the respective switches, they must be driven via a drive system. These switches include on-load tap changers, diverter switches, selectors, double turners, turners, preselectors, circuit breakers, load switches or disconnectors.
  • on-load tap changers are used for uninterrupted switching between different winding taps of an electrical equipment, such as a power transformer. This allows, for example, the transformation ratio of the transformer or the inductance of the choke to be changed.
  • On-load tap changers are usually operated using a combination of motor drive and spring energy storage. Actuation takes place immediately after the switching command, i.e. at any time.
  • the invention proposes a method for operating an on-load tap changer with a drive, a sensor and a control device, wherein a control device receives a switching command for actuating the on-load tap changer; a current curve is recorded via the sensor; a starting time is determined in the current curve at which the switching command to actuate the on-load tap changer was received; a time offset to the starting time is added and from this a time at which the actuation would potentially begin is determined; a time of the next current zero crossing after the time at which the actuation would potentially begin is determined; a time difference between the time at which the actuation would potentially begin and the time of the next current zero crossing is determined; the time difference is added to the starting time in order to determine a new starting time for the actuation; The actuation of the on-load tap changer by the drive begins at the new starting time.
  • the method is based on the idea of monitoring the current flow within the on-load tap changer, more precisely within a vacuum interrupter, starting with the actuation of the on-load tap changer or with the opening of the vacuum interrupter exactly at or shortly before the zero crossing of the current. This shortens the burning time of the arc within the vacuum interrupter as much as possible when it is opened. This ensures maximum protection of the vacuum interrupter and in particular the contacts within the vacuum interrupter.
  • the precise opening or switching or actuation is made possible by, among other things, predicting future current zero crossings and thus the opening or switching or actuation of the on-load tap changer is based on this.
  • a control unit is connected to the drive and at least one sensor.
  • the control unit controls the drive, which in turn operates the on-load tap changer. Furthermore, the control unit records the current curve via at least one sensor.
  • the sensor detects a current curve and can be arranged at different locations, for example on a vacuum interrupter and/or on the on-load tap changer and/or on the low-voltage side and/or high-voltage side of a tap transformer.
  • the current curve before the switching command to actuate the on-load tap changer can be recorded in different ways; in particular, the frequency and the past current zero crossings can be determined and recorded.
  • the evaluation of the Current flow preferably takes place in the control device.
  • the time of the next current zero crossing is a future current zero crossing and is based on the past current zero crossings of the current curve.
  • a future current zero crossing or all future current zero crossings are determined by one or more mathematical methods, in particular fast Furier transformation. Furthermore, a future current zero crossing or all future current zero crossings can be determined using analog electronics.
  • the current curve can be detected, for example, by means of a sensor on a vacuum interrupter and/or on-load tap changer and/or on the low-voltage side and/or high-voltage side of a tap transformer.
  • the time offset is a value that is caused by or dependent on the mechanics of the drive train.
  • the value of the time offset can be adjusted automatically and/or manually. Furthermore, the value of the time offset can be adjusted based on an arc burning time in the vacuum interrupter of the on-load tap changer. Furthermore, the value of the time offset can be adjusted based on an arc burning time of the past switching operations of the on-load tap changer in the vacuum interrupter of the on-load tap changer.
  • a further time offset can be subtracted in order to postpone the new start time.
  • the actuation of the on-load tap changer does not begin before the zero crossing, but at an earlier time, which is not the time of the next current zero crossing.
  • the control device can be designed in any way and in particular include means that control a drive in order to operate the on-load tap changer and carry out the method according to the invention.
  • an on-load tap changer device comprising: an on-load tap changer; a sensor; a drive; a control device; wherein the control device is set up for this purpose to receive a switching command to operate the on-load tap changer; to record a current curve via the sensor; to determine a starting time in the current curve at which the switching command to actuate the on-load tap changer was received; to add a time offset to the start time and from this to determine a time at which the actuation would potentially begin; determine a time of a next current zero crossing after the time at which actuation would potentially begin; determine a time difference between the time at which actuation would potentially begin and the time of the next current zero crossing; to add the time difference to the start time and to use this to determine a new start time for the actuation; to begin at the new starting time by activating the on-load tap changer using the drive.
  • the on-load tap changer device consisting of an on-load tap changer with a vacuum interrupter, a drive, a sensor and a control device, makes it possible to take into account the time offset of the mechanics during a load changeover and thus open a vacuum interrupter at zero current crossing.
  • the on-load tap changer device can have a further sensor for measuring the arc burning time.
  • Figure 1 shows a step transformer with an on-load tap changer
  • Figure 2 shows a process flow
  • FIG. 3 is a diagram to explain the method
  • FIG. 4 shows another diagram to explain the method.
  • FIG. 1 shows an on-load tap changer device 1 for carrying out load switching.
  • the on-load tap changer device 1 comprises a control device 2, at least one sensor 5 and an on-load tap changer 4.
  • the control device 2 is connected to a drive of the on-load tap changer 4.
  • the control device 2 is set up and designed to control the drive 3 so that it operates the on-load tap changer 4.
  • the control device 2 is connected to a sensor 5 or several sensors 5, which measures a current that flows through a vacuum interrupter 6 and thus through the on-load tap changer 4 and a tap transformer 7.
  • the control device 2 is designed and set up to measure and evaluate the current detected by the sensor 5 or the sensors 5. In particular, the control device 2 determines the current curve, i.e.
  • the sensor 5 can be arranged, for example, on the step transformer 7, in particular on the high-voltage side 8 or the low-voltage side 9. Furthermore, a sensor 5 can be arranged in the on-load tap changer 4, directly on the vacuum interrupter 6 or at any other position that is suitable for detecting the course of the current.
  • the control device 2 is further designed and set up to predict or calculate future current zero crossing times.
  • the control unit 2 therefore accordingly has a computing unit and/or a processor and/or a memory.
  • the drive 3 is mechanically connected to the on-load tap changer 4 and thus also to the vacuum interrupter 6 via a drive train 10.
  • the drive train 10 is understood to be the sum of the mechanical elements or mechanics between the motor drive 3 and the vacuum interrupter 6, such as shafts, toggle levers, rollers, etc.
  • the control device 2 can be arranged as an independent device on the step transformer 7 or in a control room. Furthermore, the control device 2 can be designed as part of a drive control of the on-load tap changer 4 or as part of a voltage regulator. The control device 2 is designed and set up to control the drive 3.
  • Another sensor 15 is provided, which is connected to the control device 2.
  • the further sensor 15 is set up and designed to detect an arc burning time in the vacuum interrupter 6.
  • the control device 2 evaluates the detected arc burning time. Ideally, the vacuum interrupter 6 is opened at zero current crossing, so that no arc occurs inside the vacuum interrupter 6 and the arc burning time is zero. If the vacuum interrupter 6 is actuated while a current is still flowing through the vacuum interrupter 6, an arc is created until it breaks off and goes out.
  • This arc burning time also depends on the time offset TV. This also includes the arc burning time from past circuits used to adjust the time offset TV. The evaluation and adjustment takes place in the control device 2.
  • the step transformer 7 has a main winding 11 and a control winding 12.
  • the on-load tap changer 4 is connected to the control winding 12 via the winding taps 13.
  • the main winding 11 and the control winding 12 are arranged on the high-voltage side 8 (in rare cases also on the low-voltage side).
  • the step transformer 10 has an undervoltage winding 14, which is inductively coupled to the main winding 11 and the control winding 12.
  • Figure 2 shows a flow chart of a method for carrying out a load changeover using an on-load tap changer 4.
  • the control device 2 receives a signal or a switching command to carry out a load changeover using an on-load tap changer or a switching command to start actuating the on-load tap changer 4.
  • the signal or switching command is generated, for example, manually or by a voltage regulator.
  • a current curve is recorded with the aid of a sensor 4, in particular it is determined when the current that flows through the vacuum interrupter 5 of the on-load tap changer 4 has or assumes the value zero and at what frequency F this happens.
  • the past current zero crossing times and their distances from each other are determined. This takes place permanently during operation of the tap transformer, in particular before the switching command and before the on-load tap changer begins to be actuated.
  • the current has a sinusoidal curve, which results in regular current zero crossings. Based on the times from the past or on the past current zero crossings, the future current zero crossings or the times in the current course are then predicted. This can be done in a variety of ways, for example by calculating using mathematical methods such as fast Furier transformation.
  • the control unit 2 which is designed and set up for this purpose.
  • the control unit 2 therefore accordingly has a computing unit and/or a processor and/or a memory.
  • the current and future current zero crossing times are determined via a signal from the sensor, which, depending on its design, only samples or outputs current zero crossings or the entire sinusoidal curve.
  • the current starting time TO is determined.
  • This starting time TO corresponds to the time at which the signal to actuate the on-load tap changer 4 generated in the control device 2 or received by the control device 2. This is drawn in the course of the stream. Since the drive train 10 has a time offset TV caused by the mechanics, this must be taken into account when actuating the on-load tap changer 4 or opening the vacuum interrupter 6.
  • the offset TV caused by the mechanics is determined by the design implementation of the drive train 10. This includes, for example, the rotary movement of a cam or a lever, which must first cover a distance until, for example, a force or movement can be transmitted to the vacuum interrupter 6.
  • the actuation or opening of the vacuum interrupter 6 does not take place immediately after the signal for actuation or at the beginning, but with the corresponding time offset TV.
  • the aim of every actuation of the on-load tap changer 4 is to open the vacuum interrupter 6 at the current zero crossing or approximately, i.e. shortly before the current zero crossing. Since the information about the future current zero crossing times or current zero crossings, the starting time TO and the offset TV, are known in the control device 2, a corresponding starting time T1 is calculated for the start of the circuit. In other words, actuation only begins when there is a current zero crossing in the vacuum interrupter 6 at the end of the time offset TV of the drive train 10. In the next step 33, the time offset TV is added to the starting time TO and thus the time TB is determined at which the vacuum interrupter 6 would actually be opened.
  • a next step 34 the time TG is determined at which the next current zero crossing - a future current zero crossing - would occur after the time TB of the potential start of the actuation. Based on the times TB and TG, a time difference TD between these times is determined in the next step 35. This difference TD is in turn used to shift the starting time TO to a new starting time T1 in the next step 36.
  • the circuit is started or carried out at the newly determined starting time T1.
  • the drive 3 is controlled by the control unit 2.
  • the time offset TV has a value of a few milliseconds adapted to the drive train 10. This value can either be fixed or adjusted. The adjustment can be done automatically or manually. An adjustment can be useful, for example, if wear occurs in the drive train or parts are replaced. Furthermore, the arc burning time can also be used to adjust the time offset.
  • Figure 3 serves to illustrate the method according to the invention.
  • the current curve over time (in ms) within a closed vacuum interrupter 6 or the on-load tap changer 4 is plotted on the X axis.
  • the Y-axis shows the level of current in A.
  • the course of the current or the course of the current is sinusoidal or approximately sinusoidal.
  • the curve of the current curve intersects the X-axis at the zero crossings (zero current crossings).
  • the time TB at which actuation would potentially begin is not at a current zero crossing. Therefore, a suitable time TG at which no current would flow through the vacuum interrupter 6 when opened is determined. This time TG is the next current zero crossing after time TB. The next current zero crossing is determined based on past current zero crossings.
  • the time period TD between these two points is calculated, for example as a difference. This time period TD is then added to the starting time TO and then forms the new starting time T1 at which the actual actuation or opening then begins. This ensures that the opening or actuation of the vacuum interrupter 6 begins at zero current crossing.
  • a further offset TD1 is subtracted.
  • This offset TD1 ensures that the opening of the vacuum interrupter does not begin immediately at the current zero crossing, but a few milliseconds at an earlier time (TF), i.e. shortly before.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Control Of Electrical Variables (AREA)
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Abstract

Verfahren zur Betätigung eines Laststufenschalters (4) mit einem Antrieb (3), einem Sensor (5) und einer Steuervorrichtung (2), wobei - eine Steuervorrichtung (2) einen Schaltbefehl zur Betätigung des Laststufenschalters (4) empfängt; - ein Stromverlauf über den Sensor (5) erfasst wird; - ein Startzeitpunkt (T0) im Stromverlauf bestimmt wird, an dem die Betätigung des Laststufenschalters (4) beginnen würde; - ein zeitlicher Versatz (TV) zum Startzeitpunkt (T0) addiert wird und daraus ein Zeitpunkt (TB) an dem die Betätigung potenziell beginnen würde bestimmt wird; - ein Zeitpunkt (TG) eines nächsten Stromnulldurchgangs nach dem Zeitpunkt (TB) an dem die Betätigung potenziell beginnen würde bestimmt wird; - eine zeitliche Differenz (TD) zwischen dem Zeitpunkt (TB) an dem die Betätigung potenziell beginnen würde und dem Zeitpunkt (TG) des nächsten Stromnulldurchgangs bestimmt wird; - die zeitliche Differenz (TD) zum Startzeitpinkt (T0) addiert wird, um daraus einen neuen Startzeitpunkt (T1) für die Betätigung zu bestimmen; - am neuen Startzeitpunkt (T1) mit der Betätigung des Laststufenschalters (4) durch den Antrieb (3) begonnen wird.

Description

Verfahren zur Betätigung eines Laststufenschalters sowie Laststufenschaltervorrichtung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Betätigung eines Laststufenschalters sowie eine Laststufenschaltervorrichtung.
In Umspannwerken existiert eine Vielzahl an Schaltern für unterschiedliche Aufgaben und mit unterschiedlichen Anforderungen. Für die Betätigung der jeweiligen Schalter müssen diese über ein Antriebssystem angetrieben werden. Bei diesen Schaltern handelt es sich unter anderem um Laststufenschalter, Lastumschalter, Wähler, Doppelwender, Wender, Vorwähler, Leistungsschalter, Lastschalter oder Trennschalter.
So dienen Laststufenschalter beispielsweise zum unterbrechungsfreien Umschalten zwischen verschiedenen Wicklungsanzapfungen eines elektrischen Betriebsmittels, wie etwa eines Leistungstransformators. Dadurch können beispielsweise das Übersetzungsverhältnis des Transformators oder die Induktivität der Drossel verändert werden.
Laststufenschalter werden üblicherweise mittels einer Kombination aus Motorantrieb und Federenergiespeicher betätigt. Die Betätigung erfolgt unmittelbar nach dem Schaltbefehl, also zu einem beliebigen Zeitpunkt.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Betätigung eines Laststufenschalters anzugeben, welches genauer ist, den Zustand des Laststufenschalters vor der Umschaltung überprüft und die Vakuumschaltröhren schont.
Diese Aufgabe wird durch den jeweiligen Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung schlägt ein Verfahren zur Betätigung eines Laststufenschalters mit einem Antrieb, einem Sensor und einer Steuervorrichtung vor, wobei eine Steuervorrichtung einen Schaltbefehl zur Betätigung des Laststufenschalters empfängt; ein Stromverlauf über den Sensor erfasst wird; ein Startzeitpunkt im Stromverlauf bestimmt wird, an dem der Schaltbefehl zur Betätigung des Laststufenschalters empfangen wurde; ein zeitlicher Versatz zum Startzeitpunkt addiert wird und daraus ein Zeitpunkt, an dem die Betätigung potenziell beginnen würde, bestimmt wird; ein Zeitpunkt eines nächsten Stromnulldurchgangs nach dem Zeitpunkt, an dem die Betätigung potenziell beginnen würde, bestimmt wird; eine zeitliche Differenz zwischen dem Zeitpunkt, an dem die Betätigung potenziell beginnen würde und dem Zeitpunkt des nächsten Stromnulldurchgangs bestimmt wird; die zeitliche Differenz zum Startzeitpunkt addiert wird, um daraus einen neuen Startzeitpunkt für die Betätigung zu bestimmen; am neuen Startzeitpunkt mit der Betätigung des Laststufenschalters durch den Antrieb begonnen wird.
Das Verfahren beruht auf der Idee, den Stromverlauf innerhalb des Laststufenschalters, genauer innerhalb einer Vakuumschaltröhre, zu überwachen mit der Betätigung des Laststufenschalters bzw. mit dem Öffnen der Vakuumschaltröhre genau im oder kurz vor dem Nulldurchgang des Stromes zu beginnen. Hierdurch wird die Brenndauer des Lichtbogens innerhalb der Vakuumschaltröhre beim Öffnen weitestgehend verkürzt. Damit wird die Vakuumschaltröhre und insbesondere die Kontakte innerhalb der Vakuumschaltröhre maximal geschont. Das genaue Öffnen bzw. Schalten bzw. Betätigen wird dadurch ermöglicht, dass unter anderem zukünftige Stromnulldurchgänge vorhergesagt werden und sich dadurch das Öffnen bzw. Schalten bzw. das Betätigen des Laststufenschalters danach richtet. Da die T rägheit des Antriebsstrangs und damit der zeitliche Versatz zwischen Schaltbefehl und tatsächlicher Betätigung bekannt sind, werden diese auf einen zukünftigen und passenden Stromnulldurchgang abgestimmt. Somit beginnt die tatsächliche Betätigung nicht unmittelbar nach dem Schaltbefehl, sondern entsprechend zeitlich versetzt unter Berücksichtigung des zeitlichen Versatzes im Antriebsstrang. Damit wird die Trägheit (Mechanik) des Antriebsstranges beim Betätigen berücksichtigt, sodass die Betätigung der Vakuumschaltröhre stets im Stromnulldurchgang oder kurz vor dem Stromnulldurchgang erfolgt. Als Betätigung des Laststufenschalters ist auch das Öffnen einer Vakuumschaltröhre, die Teil des Laststufenschalters ist, zu verstehen.
Eine Steuereinheit ist mit dem Antrieb und mindestens einem Sensor verbunden. Die Steuereinheit steuert den Antrieb, der wiederum den Laststufenschalter betätigt. Weiterhin erfasst die Steuereinheit den Stromverlauf über mindestens einen Sensor. Der Sensor erfasst einen Stromverlauf und kann dabei an unterschiedlichen Stellen angeordnet sein, beispielsweise an einer Vakuumschaltröhre und/oder am Laststufenschalter und/oder auf der Unterspannungsseite und/oder Oberspannungsseite eines Stufentransformators.
Der Stromverlauf vor dem Schaltbefehl zur Betätigung des Laststufenschalters kann auf unterschiedliche Art und Weise erfasst werden, insbesondere können die Frequenz und die vergangenen Stromnulldurchgänge bestimmt und erfasst werden. Die Auswertung des Stromverlaufs findet vorzugsweise in der Steuervorrichtung statt.
Der Zeitpunkt des nächsten Stromnulldurchgangs ist ein zukünftiger Stromnulldurchgang und basiert auf den vergangenen Stromnulldurchgängen des Stromverlaufs.
Ein zukünftiger Stromnulldurchgang bzw. alle zukünftigen Stromnulldurchgänge werden durch eines oder mehrere mathematische Verfahren, insbesondere Fast-Furier-Transfor- mation, bestimmt. Weiterhin kann ein zukünftiger Stromnulldurchgang bzw. alle zukünftigen Stromnulldurchgänge mittels Analogelektronik bestimmt werden.
Der Stromverlauf kann beispielsweise mittels eines Sensors an einer Vakuumschaltröhre und/oder Laststufenschalter und/oder auf der Unterspannungsseite und/oder Oberspannungsseite eines Stufentransformators erfasst werden.
Der zeitliche Versatz ist ein Wert, der durch die Mechanik des Antriebsstranges bedingt wird oder von diesem abhängig ist. Der Wert des zeitlichen Versatzes kann automatisch und/oder manuell angepasst werden. Weiterhin kann der Wert des zeitlichen Versatzes anhand einer Lichtbogenbrenndauer in der Vakuumschaltröhre des Laststufenschalters angepasst werden. Weiterhin kann der Wert des zeitlichen Versatzes anhand einer Lichtbogenbrenndauer der vergangenen Schaltungen des Laststufenschalters in der Vakuumschaltröhre des Laststufenschalters angepasst werden.
Nach der Bestimmung des zeitlichen Versatzes kann ein weiterer zeitlicher Versatz subtrahiert werden um dadurch den neuen Startzeitpunkt zu verschieben. Dadurch wird mit der Betätigung des Laststufenschalters nicht vor dem Nulldurchgang, sondern zu einem früheren Zeitpunkt, der nicht der Zeitpunkt eines nächsten Stromnulldurchgangs ist, begonnen.
Die Steuervorrichtung kann auf beliebige Art und Weise ausgebildet sein und insbesondere Mittel umfassen, die einen Antrieb ansteuern, um den Laststufenschalter zu betätigen und das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.
Weiterhin schlägt die Erfindung eine Laststufenschaltervorrichtung vor, umfassend: einen Laststufenschalter; einen Sensor; einen Antrieb; eine Steuervorrichtung; wobei die Steuervorrichtung dazu eingerichtet ist einen Schaltbefehl zum Betätigen des Laststufenschalters zu empfangen; ein Stromverlauf über den Sensor zu erfassen; einen Startzeitpunkt im Stromverlauf, an dem der Schaltbefehl zur Betätigung des Laststufenschalters empfangen wurde zu bestimmen; einen zeitlichen Versatz zum Startzeitpunkt zu addieren und daraus einen Zeitpunkt, an dem die Betätigung potenziell beginnen würde zu bestimmen; einen Zeitpunkt eines nächsten Stromnulldurchgangs nach dem Zeitpunkt, an dem die Betätigung potenziell beginnen würde zu bestimmen; eine zeitliche Differenz zwischen dem Zeitpunkt, an dem die Betätigung potenziell beginnen würde und dem Zeitpunkt des nächsten Stromnulldurchgangs zu bestimmen; die zeitliche Differenz zum Startzeitpunkt zu addieren und um daraus einen neuen Startzeitpunkt für die Betätigung zu bestimmen; am neuen Startzeitpunkt mit der Betätigung des Laststufenschalters, mittels des Antriebs zu beginnen.
Die Laststufenschaltervorrichtung, bestehend aus einem Laststufenschalter mit einer Vakuumschaltröhre, einem Antrieb, einem Sensor und einer Steuervorrichtung ermöglicht es den zeitlichen Versatz der Mechanik bei einer Lastumschaltung zu berücksichtigen und damit eine Vakuumschaltröhre im Stromnulldurchgang zu öffnen.
Weiterhin kann die Laststufenschaltervorrichtung einen weiteren Sensor zur Messung der Lichtbogenbrenndauer aufweisen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand beispielhafter Ausführungsformen unter Bezug auf die Zeichnungen im Detail erklärt. Es zeigen
Figur 1 einen Stufentransformator mit einem Laststufenschalter;
Figur 2 einen Verfahrensablauf;
Figur 3 ein Diagramm zur Erläuterung des Verfahrens;
Figur 4 ein weiteres Diagramm zur Erläuterung des Verfahrens.
Figur 1 zeigt eine Laststufenschaltervorrichtung 1 zum Durchführen einer Lastumschaltung. Die Laststufenschaltervorrichtung 1 umfasst eine Steuervorrichtung 2, mindestens einen Sensor 5 und einen Laststufenschalter 4. Die Steuervorrichtung 2 ist mit einem Antrieb des Laststufenschalters 4 verbunden. Die Steuervorrichtung 2 ist dazu eingerichtet und ausgebildet den Antrieb 3 zu steuern, damit dieser den Laststufenschalter 4 betätigt. Wei- terhin ist die Steuervorrichtung 2 mit einem Sensor 5 bzw. mehreren Sensoren 5 verbunden, der einen Strom misst, der durch eine Vakuumschaltröhre 6 und damit durch den Laststufenschalter 4 und eines Stufentransformator 7 fließt. Die Steuervorrichtung 2 ist dazu ausgebildet und eingerichtet den durch den Sensor 5 bzw. die Sensoren 5 erfassten Strom zu messen und auszuwerten. Insbesondere wird durch die Steuervorrichtung 2 der Stromverlauf bestimmt, also wann der Strom den Wert Null hat bzw. annimmt und in welcher Frequenz dies passiert. Der Sensor 5 kann beispielsweise am Stufentransformator 7, insbesondere auf der Oberspannungsseite 8 oder der Unterspannungsseite 9 angeordnet sein. Weiterhin kann ein Sensor 5 im Laststufenschalter 4, direkt an der Vakuumschaltröhre 6 oder an einer weiteren beliebigen Position, die dafür geeignet ist den Verlauf des Stromes zu erfassen, angeordnet sein.
Die Steuervorrichtung 2 ist weiterhin dazu ausgebildet und eingerichtet zukünftige Stromnulldurchgangszeitpunkte vorherzusagen bzw. zu berechnen. Die Steuereinheit 2 weist deshalb entsprechend eine Recheneinheit und/oder einen Prozessor und/oder einen Speicher auf.
Der Antrieb 3 ist über einen Antriebsstrang 10 mit dem Laststufenschalter 4 und damit auch mit der Vakuumschaltröhre 6 mechanisch verbunden. Als Antriebsstrang 10 wird die Summe der mechanischen Elemente bzw. Mechanik zwischen Motorantrieb 3 und Vakuumschaltröhre 6, wie z.B. Wellen, Kniehebel, Rollen, etc. verstanden.
Die Steuervorrichtung 2 kann als eigenständiges Gerät am Stufentransformator 7 oder in einer Leitwarte angeordnet sein. Weiterhin kann die Steuervorrichtung 2 ein Teil einer Antriebssteuerung des Laststufenschalters 4 oder als Teil eines Spannungsreglers ausgebildet sein. Die Steuervorrichtung 2 ist dazu ausgebildet und eingerichtet den Antrieb 3 zu steuern.
Weiterhin ist ein weiterer Sensor 15 vorgesehen, der mit der Steuervorrichtung 2 verbunden ist. Der weitere Sensor 15 ist dazu eingerichtet und ausgebildet eine Lichtbogenbrenndauer in der Vakuumschaltröhre 6 zu erfassen. Die Steuervorrichtung 2 wertet dann die erfasste Lichtbogenbrenndauer aus. Im Idealfall wird die Vakuumschaltröhre 6 im Stromnulldurchgang geöffnet, sodass kein Lichtbogen im Inneren der Vakuumschaltröhre 6 entsteht und die Lichtbogenbrenndauer gleich Null ist. Wird die Vakuumschaltröhre 6 betätigt, während noch ein Strom durch die Vakuumschaltröhre 6 fließt, entsteht ein Lichtbogen, bis dieser abreißt und erlischt. Diese Lichtbogenbrenndauer hängt also auch von dem zeitlichen Versatz TV ab. Damit wird auch die Lichtbogenbrenndauer aus vergangenen Schaltungen dazu verwendet den zeitlichen Versatz TV anzupassen. Die Auswertung und Anpassung erfolgt in der Steuervorrichtung 2.
Der Stufentransformator 7 weist eine Stammwicklung 11 und eine Regelwicklung 12 auf. Der Laststufenschalter 4 ist dabei über die Wicklungsanzapfungen 13 mit der Regelwicklung 12 verbunden. Die Stammwicklung 11 und die Regelwicklung 12 sind auf der Oberspannungsseite 8 (in seltenen Fällen auch an der Unterspannungsseite) angeordnet. Weiterhin weist der Stufentransformator 10 eine Unterspannungswicklung 14 auf, die induktiv mit der Stammwicklung 11 und der Regelwicklung 12 gekoppelt ist.
Figur 2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Durchführung einer Lastumschaltung mittels eines Laststufenschalters 4. In einem ersten Schritt 30 erhält die Steuervorrichtung 2 ein Signal bzw. einen Schaltbefehl zur Durchführung einer Lastumschaltung mittels eines Laststufenschalters bzw. einen Schaltbefehlt zum Beginnen der Betätigung des Laststufenschalters 4. Das Signal oder der Schaltbefehl wird beispielsweise manuell oder durch einen Spannungsregler erzeugt.
Im nächsten Schritt 31 wird mit Hilfe eines Sensors 4 ein Stromverlauf erfasst, insbesondere wird bestimmt wann der Strom, der durch die Vakuumschaltröhre 5 des Laststufenschalters 4 fließt, den Wert Null hat bzw. annimmt und mit welcher Frequenz F dies passiert. Dabei werden die vergangenen Stromnulldurchgangszeitpunkte sowie deren Abstände zueinander ermittelt. Dies erfolgt dauerhaft während des Betriebs des Stufentransformators, insbesondere bereits vor dem Schaltbefehl und vor dem Beginn der Betätigung des Laststufenschalters. Idealerweise weist der Strom einen sinusförmigen Verlauf auf, wodurch es zu regelmäßigen Stromnulldurchgängen kommt. Basierend auf den Zeitpunkten aus der Vergangenheit bzw. auf den vergangenen Stromnulldurchgängen werden dann die zukünftigen Stromnulldurchgänge bzw. die Zeitpunkte im Stromverlauf vorhergesagt. Dies kann auf unterschiedlichste Art und Weise erfolgen, beispielsweise durch Berechnung mit mathematischen Verfahren wie Fast-Furier-Transformation. Diese Berechnungen erfolgen in der Steuereinheit 2, die dafür ausgebildet und eingerichtet ist. Die Steuereinheit 2 weist deshalb entsprechend eine Recheneinheit und/oder einen Prozessor und/oder einen Speicher auf. Die Bestimmung der aktuellen und der zukünftigen Stromnulldurchgangszeiten erfolgt über ein Signal des Sensors, der entsprechend seiner Ausgestaltung nur Stromnulldurchgänge oder den gesamten sinusförmigen Verlauf abtastet bzw. ausgibt.
Im nächsten Schritt 32 wird der aktuelle Startzeitpunkt TO bestimmt. Dieser Startzeitpunkt TO entspricht dem Zeitpunkt, an dem das Signal zur Betätigung des Laststufenschalters 4 in der Steuervorrichtung 2 erzeugt oder durch die Steuervorrichtung 2 erhalten wurde. Dieser wird im Verlauf des Stromes eingezeichnet. Da der Antriebsstrang 10 einen durch die Mechanik bedingten zeitlichen Versatz TV aufweist, muss dieser beim Betätigen des Laststufenschalters 4 bzw. Öffnen der Vakuumschaltröhre 6 berücksichtigt werden. Der durch die Mechanik bedingte Versatz TV wird durch die konstruktive Umsetzung des Antriebsstrangs 10 vorgegeben. Hierrunter fällt beispielsweise die Drehbewegung einer Nocke oder eines Hebels, der zunächst beispielsweise eine Strecke zurücklegen muss, bis beispielsweise eine Kraft oder Bewegungsübertagung auf die Vakuumschaltröhre 6 erfolgen kann. Durch diese mechanischen Gegebenheiten erfolgt die Betätigung bzw. das Öffnen der Vakuumschaltröhre 6 nicht unmittelbar nach dem Signal zur Betätigung bzw. am Beginn, sondern mit dem entsprechenden zeitlichen Versatz TV. Das Ziel einer jeden Betätigung des Laststufenschalters 4 ist es jedoch, die Vakuumschaltröhre 6 im Stromnulldurchgang bzw. annähernd, also kurz vor dem Stromnulldurchgang zu öffnen. Da in der Steuervorrichtung 2 die Informationen zu den zukünftigen Stromnulldurchgangszeiten bzw. Stromnulldurchgängen, der Startzeitpunkt TO und der Versatz TV, bekannt sind, wird ein entsprechender Startzeitpunkt T1 für den Beginn der Schaltung errechnet. Mit anderen Worten wird mit der Betätigung erst dann begonnen, wenn am Ende des zeitlichen Versatzes TV des Antriebsstrangs 10 ein Stromnulldurchgang in der Vakuumschaltröhre 6 vorliegt. So wird im nächsten Schritt 33 zur Startzeitpunkt TO der zeitliche Versatz TV addiert und damit der Zeitpunkt TB bestimmt, an dem das tatsächliche Öffnen der Vakuumschaltröhre 6 erfolgen würde.
In einem nächsten Schritt 34 wird der Zeitpunkt TG bestimmt, an dem der nächste Stromnulldurchgang - ein zukünftiger Stromnulldurchgang - nach dem Zeitpunkt TB des potenziellen Beginns der Betätigung erfolgen würde. Basierend auf den Zeitpunkten TB und TG wird im nächsten Schritt 35 eine zeitliche Differenz TD zwischen diesen Zeitpunkten bestimmt. Diese Differenz TD wird wiederum dafür verwendet, um im nächsten Schritt 36 den Startzeitpunkt TO auf einen neuen Startzeitpunkt T1 zu verschieben.
Im letzten Schritt 37 wird die Schaltung im neu bestimmten Startzeitpunkt T1 begonnen bzw. ausgeführt. Hier wird der Antrieb 3 durch die Steuereinheit 2 angesteuert.
Der zeitliche Versatz TV weist einen dem Antriebsstrang 10 angepassten Wert von wenigen Millisekunden auf. Dieser Wert kann entweder fest vorgegeben sein oder aber auch angepasst werden. Die Anpassung kann automatisch oder manuell erfolgen. Eine Anpassung kann z.B. dann sinnvoll sein, wenn im Antriebsstrang Verschleiß auftritt oder Teile ausgetauscht werden. Weiterhin kann auch die Lichtbogenbrenndauer zur Anpassung des zeitlichen Versatzes verwendet werden. Figur 3 dient der Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Auf der X-Achse ist der zeitliche Stromverlauf (in ms) innerhalb einer geschlossenen Vakuumschaltröhre 6 bzw. des Laststufenschalters 4 aufgetragen. Die Y-Achse zeigt die Höhe des Stroms in A an. Der Verlauf des Stroms bzw. der Stromverlauf ist hier sinusförmig bzw. annähernd sinusförmig. Die Kurve des Stromverlaufs schneidet die X-Achse in den Nulldurchgängen (Stromnulldurchgänge). Damit fließt zu diesen Zeitpunkten kein Strom durch die Vakuumschaltröhre 6 bzw. den Laststufenschalter 4. Zu einem beliebigen Zeitpunkt TO geht ein Schaltbefehl zur Betätigung bzw. zum Beginn der Betätigung des Laststufenschalters 4 in der Steuereinheit 2 ein. Dieser Zeitpunkt wird als möglicher Startzeitpunkt TO einer Lastumschaltung angenommen. Ausgehend von diesem Startzeitpunkt TO wird der zeitliche Versatz TV zu diesem Startzeitpunkt TO addiert. Dieser zeitliche Versatz TV weist grundsätzlich einen festen Wert auf. Nach der Addition des zeitlichen Versatzes TV zum Startzeitpunkt TO erhält man einen Zeitpunkt TB, an dem die Betätigung bzw. das Öffnen der Vakuumschaltröhre 6 potenziell beginnen würde. Da hier jedoch noch ein Strom fließt, der Strom also nicht Null ist, würden beim Betätigen der Vakuumschaltröhre 6, insbesondere beim Öffnen der Vakuumschaltröhre 6 Lichtbögen entstehen. Doch gerade dies soll vermieden werden.
Wie im Diagramm dargestellt ist der Zeitpunkt TB, an dem die Betätigung potenziell beginnen würde, nicht in einem Stromnulldurchgang. Deshalb wird ein geeigneter Zeitpunkt TG, an dem beim Öffnen kein Strom durch die Vakuumschaltröhre 6 fließen würde, bestimmt. Bei diesem Zeitpunkt TG handelt es sich um den nächsten nach dem Zeitpunkt TB kommenden Stromnulldurchgang. Der nächstkommende Stromnulldurchgang wird auf Basis vergangener Stromnulldurchgänge ermittelt.
Basierend auf den Zeitpunkt TB des potenziellen Beginns des Öffnens bzw. der Betätigung und dem geeigneten Zeitpunkts TG wird die Zeitdauer TD zwischen diesen beiden Punkten, beispielsweise als Differenz berechnet. Diese Zeitdauer TD wird dann zum Startzeitpunkt TO addiert und bildet dann den neuen Startzeitpunkt T1 an dem dann die tatsächliche Betätigung bzw. Öffnen begonnen wird. Damit wird erreicht, dass das Öffnen bzw. Betätigen der Vakuumschaltröhre 6 im Stromnulldurchgang beginnt.
Nach einer weiteren Ausführungsform in Figur 4 wird nach der Bestimmung des zeitlichen Versatzes TV ein weiterer Versatz TD1 subtrahiert. Dieser Versatz TD1 stellt sicher, dass das Öffnen der Vakuumschaltröhre nicht unmittelbar im Stromnulldurchgang, sondern wenige Millisekunden zu einem früheren Zeitpunkt (TF), also kurz davor, beginnt. Bezugszeichen
1 Laststufenschaltervorrichtung
2 Steuervorrichtung
3 Antrieb
4 Laststufenschalter
5 Sensor
6 Vakuumschaltröhre
7 Stufentransformator
8 Oberspannungsseite
9 Unterspannungsseite
10 Antriebsstrang
11 Stammwicklung
12 Regelwicklung
13 Wicklungsanzapfungen
14 Unterspannungswicklung
15 weiterer Sensor
TO Startzeitpunkt
T1 neuer Startzeitpunkt
TV zeitliche Versatz
TD1 weiterer Versatz
TB Zeitpunkt an dem die Betätigung potenziell beginnen würde
TG Zeitpunkt des nächsten Stromnulldurchgangs
TD zeitliche Differenz
TF Früherer Zeitpunkt F Frequenz

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Betätigung eines Laststufenschalters (4) mit einem Antrieb (3), einem Sensor (5) und einer Steuervorrichtung (2), wobei eine Steuervorrichtung (2) einen Schaltbefehl zur Betätigung des Laststufenschalters (4) empfängt; ein Stromverlauf über den Sensor (5) erfasst wird; ein Startzeitpunkt (TO) im Stromverlauf bestimmt wird, an dem der Schaltbefehl zur Betätigung des Laststufenschalters (4) empfangen wurde; ein zeitlicher Versatz (TV) zum Startzeitpunkt (TO) addiert wird und daraus ein Zeitpunkt (TB) an dem die Betätigung potenziell beginnen würde bestimmt wird; ein Zeitpunkt (TG) eines nächsten Stromnulldurchgangs nach dem Zeitpunkt (TB) an dem die Betätigung potenziell beginnen würde bestimmt wird; eine zeitliche Differenz (TD) zwischen dem Zeitpunkt (TB) an dem die Betätigung potenziell beginnen würde und dem Zeitpunkt (TG) des nächsten Stromnulldurchgangs bestimmt wird; die zeitliche Differenz (TD) zum Startzeitpunkt (TO) addiert wird, um daraus einen neuen Startzeitpunkt (T1 ) für die Betätigung zu bestimmen; am neuen Startzeitpunkt (T1 ) mit der Betätigung des Laststufenschalters (4) durch den Antrieb (3) begonnen wird.
2. Verfahren zur Betätigung eines Laststufenschalters (4) nach Anspruch 1 , wobei der Stromverlauf vor dem Schaltbefehl zur Betätigung des Laststufenschalters (4) erfasst wird; beim Erfassen des Stromverlaufs die Frequenz und die vergangenen Stromnulldurchgänge bestimmt werden.
3. Verfahren zur Betätigung eines Laststufenschalters (4) nach Anspruch 1 , wobei der Zeitpunkt (TG) des nächsten Stromnulldurchgangs ein zukünftiger Stromnulldurchgang ist, der auf den vergangenen Stromnulldurchgängen des Stromverlaufs beruht.
4. Verfahren zur Betätigung eines Laststufenschalters (4) nach Anspruch 3, wobei ein zukünftiger Stromnulldurchgang durch ein mathematisches Verfahren, insbesondere Fast-Furier-Transformation oder mittels Analogelekronik bestimmt wird.
. Verfahren zur Betätigung eines Laststufenschalters (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Stromverlauf an einer Vakuumschaltröhre (6) und/oder Laststufenschalter (4) und/oder auf der Unterspannungsseite (9) und/oder Oberspannungsseite eines Stufentransformators (7) durch einen oder mehrere Sensoren (5) erfasst wird. . Verfahren zur Betätigung eines Laststufenschalters (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der zeitliche Versatz (TV) ein Wert ist, der durch die Mechanik des Antriebsstranges (10) bedingt oder von diesem abhängig ist. . Verfahren zur Betätigung eines Laststufenschalters (4) nach Anspruch 6, wobei der Wert des zeitlichen Versatzes (TV) automatisch und/oder manuell angepasst werden kann. . Verfahren zur Betätigung eines Laststufenschalters (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Wert des zeitlichen Versatzes (TV) anhand einer Lichtbogenbrenndauer in der Vakuumschaltröhre (6) des Laststufenschalters (4) anpassbar ist. . Verfahren zur Betätigung eines Laststufenschalters (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei nach der Bestimmung des zeitlichen Versatzes (TV) ein weiterer zeitlicher Versatz (TD1 ) subtrahiert wird und sich dadurch der neue Startzeitpunkt (T1 ) verschiebt und mit der Betätigung des Laststufenschalters (4) vor dem Nulldurchgang zu einem früheren Zeitpunkt (TF) der nicht der Zeitpunkt (TG) eines nächsten Stromnulldurchgangs ist begonnen wird. 0. Verfahren zur Betätigung eines Laststufenschalters (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Steuervorrichtung (2) einen Antrieb (3) ansteuert, der den Laststufenschalter (4) betätigt. 1 . Laststufenschaltervorrichtung (1 ), umfassend: einen Laststufenschalter (4); einen Sensor (5); einen Antrieb (3); eine Steuervorrichtung (2); wobei die Steuervorrichtung (2) dazu eingerichtet ist einen Schalbefehl zum Betätigen des Laststufenschalters (4) zu empfangen; einen Stromverlauf über den Sensor (5) zu erfassen; einen Startzeitpunkt (TO) im Stromverlauf an dem der Schaltbefehl zur Betätigung des Laststufenschalters (4) eingegangen ist zu bestimmen; einen zeitlichen Versatz (TV) zum Startzeitpunkt (TO) zu addieren und daraus einen Zeitpunkt (TB) an dem die Betätigung potenziell beginnen würde zu bestimmen; einen Zeitpunkt (TG) eines nächsten Stromnulldurchgangs nach dem Zeitpunkt (TB) an dem die Betätigung potenziell beginnen würde zu bestimmen; eine zeitliche Differenz (TD) zwischen dem Zeitpunkt (TB) an dem die Betätigung potenziell beginnen würde und dem Zeitpunkt (TG) des nächsten Stromnulldurchgangs zu bestimmen; die zeitliche Differenz (TD) zum Startzeitpunkt (TO) zu addieren und daraus einen neuen Startzeitpunkt (T1 ) für die Betätigung zu bestimmen; am neuen Startzeitpunkt (T1 ) mit der Betätigung des Laststufenschalters (4) mittels des Antriebs (3) zu beginnen.
12. Laststufenschaltervorrichtung (1 ) nach Anspruch 11 , umfassend einen weiteren Sensor (15) zur Messung der Lichtbogenbrenndauer.
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