WO2002058088A1 - Thyristor-stufenschalter - Google Patents

Thyristor-stufenschalter

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WO2002058088A1
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thyristor
tap changer
tap
thyristors
switch
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Inventor
Dieter Dohnal
Hans-Henning Lessmann-Mieske
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Maschinenfabrik Reinhausen Gmbh
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    • 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
    • H01F29/025—Constructional details of transformers or reactors with tapping on coil or windings
    • H—ELECTRICITY
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    • H01H9/00—Details of switching devices, not covered by groups H01H1/00 - H01H7/00
    • H01H9/0005—Tap change devices
    • H01H9/0044—Casings; Mountings; Disposition in transformer housing
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    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H9/00—Details of switching devices, not covered by groups H01H1/00 - H01H7/00
    • H01H9/54—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the switching device and for which no provision exists elsewhere
    • H01H9/541—Contacts shunted by semiconductor devices

Definitions

  • the invention relates to a thyristor tap changer for uninterrupted switching between different winding taps of a step transformer under load, consisting of a mechanical tap selector for the powerless preselection of the respective winding tap to be switched to, and a load switch with thyristors as switching means for the actual uninterrupted switching from the previous one to the pre-selected new winding tapping under load.
  • Thyristor tap changers of the type mentioned are usually also referred to as hybrid tap changers because, in addition to the thyristors in the diverter switch, they also have mechanical contacts, in particular mechanical selector contacts, as power electronic switching means. It should only be mentioned in passing that there are also so-called full thyristor switches, such as. B. known from WO 95/27931, which completely dispense with movable mechanical switching elements, but are relatively large and complex in construction, have not become established in practice and are also not the subject of the present invention.
  • the present invention is concerned with thyristor tap changers of the type mentioned at the outset, that is to say with the hybrid tap changers.
  • This type of thyristor tap changer can in turn be divided into two different types of devices with different functional principles.
  • Such a thyristor tap changer is known from DE 32 23 892 C2, which operates on the commutation principle.
  • the load is switched by controlled commutation of the load current - hence the name - from an antiparallel pair of thyristors in one branch of the load switch to the other pair of thyristors in the other branch.
  • Step switches of this type were occasionally manufactured and used as so-called feedthrough types in the 1980s.
  • the active part of the diverter switch is arranged on a bushing support above the transformer tank in an air-filled housing, while the other part of the switch is sunk into the oil-filled transformer tank.
  • the bushing is partly filled with insulating oil and connected to the outside air via a silica gel template.
  • a thyristor tap changer with a transition resistor is known.
  • a single pair of thyristors connected in anti-parallel is provided, to which a series resistor is connected in parallel.
  • both the thyristor pair and the switching resistor can be actuated in a certain switching sequence and switched into the circuit.
  • the load current flows briefly via the switching resistor and then a circuit current which is driven by the step voltage of the control winding.
  • the object of the invention is to provide a thyristor tap changer of the type mentioned at the outset, ie a hybrid switch, which avoids the disadvantages described, in particular bypasses complex bushings and support arrangements, while being compact and is easy to maintain and, provided the thyristors are appropriately dimensioned, enables any number of circuits that can be implemented in series.
  • a particular advantage of the invention is that the thyristors are thermally decoupled in a simple manner both from the hot transformer oil and from the transition resistors, without requiring a complex structure or particularly large bushing arrangements.
  • the energy converted into heat can be dissipated in a simple manner by a natural or forced cooling circuit, in particular by air cooling, by means of a separate arrangement of the switching resistors. At the same time, it is ensured that this heat does not radiate to other parts of the device and heat them excessively or can affect the thyristors.
  • the thyristor tap changer according to the invention thus allows any number of load switches to be carried out in succession without the thermal load limits of the thyristors being a problem in the short-term operation of the thyristors.
  • the invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment.
  • the figure shows a thyristor tap changer according to the invention, here in an embodiment with a transition resistor.
  • the area highlighted in gray on the left in the figure shows the oil-filled transformer tank 1.
  • the windings 2, 3, of which the stepped control winding 3 with individual winding taps 1... N are indicated schematically on the right.
  • Each of these winding taps 1 ... n is electrically connected to a fixed contact K1 ... Kn of a tap selector 4 of the thyristor tap changer.
  • the fixed contacts K1 ... Kn are connected in a known manner by two movable selector contacts 5, 6. Outside the transformer tank 1, laterally attached to it and connected to it via a feed-through plate 7, the actual load switch 9, which works in air, is arranged in a separate housing 8.
  • the electrical connecting lines 10, 11 from the tap selector 4 to the diverter switch 9 and the load conductor 12 are routed through separate oil-tight bushings 13, 14, 15 in the bushing plate 7.
  • the diverter switch 9 can, depending on the underlying circuit, consist of different components. In the exemplary embodiment shown, the circuit known from WO 98/48432 is shown.
  • D1 and D2 denote the permanent main contacts which carry the continuous current in stationary operation, ie establish the respective connection from one of the movable selector contacts 5 or 6 to a load conductor L.
  • SR denotes one Bridging switch for load transfer L.
  • Reference numeral 16 shows a single pair of thyristors connected in anti-parallel, and CT and CR denote two changeover switches.
  • the root contact of the changeover switch CT is electrically connected to the pair of thyristors 16, the root contact of the changeover switch CR is connected to a switching resistor 17.
  • a further separate housing part 19 is provided on the side of the separate housing 8, divided by a partition 18, in which, also in air, the transition resistor 17 is arranged. Openings 20, 21 are provided at the top and bottom of this housing part 19, so that a separate air flow can be passed through the housing part 19 for cooling the switching resistor 17.
  • the figure shows the particularly simple structure according to the invention.
  • the complete tap selector 4 of the thyristor tap changer is arranged in the oil-filled transformer tank 1 and is surrounded by the transformer oil. This ensures both lubrication of the mechanical contacts and sufficient electrical strength of the entire arrangement.
  • the actual load switching, however, by means of the pair of thyristors 16 takes place outside the transformer tank 1 in air. A disruptive influence of the hot transformer oil on the thyristor pair 16 is thus definitely excluded.
  • the electrical connection between these two assemblies is also particularly simple, since only three electrical connecting lines 10, 11, 12 have to be led through the feed-through plate 7. It has already been explained that it is particularly advantageous to provide the switching resistor 17 in a further separate housing part 19, also in air. This ensures both its simple cooling and also prevents any thermal influence on the thyristor pair 16.
  • the invention is not limited to the known circuit explained in the exemplary embodiment with a pair of thyristors, only one switching resistor and the special arrangement of additional mechanical switches.
  • any other diverter switch with any kind of arrangement of one or more pairs of thyristors can be used as switching means and, regardless of the number, switching and actuation sequence, any further mechanical switches or changeover switches that may still be present.
  • the manner in which the ignition voltage is generated for the individual thyristors can also be solved in a variety of ways within the scope of the invention.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Thyristor-Stufenschalter, der aus einem mechanischen Stufenwähler und einem Lastumschalter mit thyristoren als Schaltmitteln besteht. Dabei ist nur der Stufenwähler im ölgefüllten Tranformatorkessel untergebracht, während der Lastumschalter mit den Thyristoren in einem seitlich angebauten separaten Gehaüse in Luft sich befindet.

Description

Thyristor-Stufenschalter
Die Erfindung betrifft einen Thyristor-Stufenschalter zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen verschiedenen Wicklungsanzapfungen eines Stufentransformators unter Last, bestehend aus einem mechanischen Stufenwähler zur leistungslosen Vorwahl der jeweiligen Wicklungsanzapfung, auf die umgeschaltet werden soll, und einem Lastumschalter mit Thyristoren als Schaltmittel zur eigentlichen unterbrechungslosen Umschaltung von der bisherigen auf die vorab angewählte neue Wicklungsanzapfung unter Last.
Thyristor-Stufenschalter der genannten Gattung werden üblicherweise auch als Hybrid- Stufenschalter bezeichnet, weil sie neben den Thyristoren im Lastumschalter als leistungselektronischen Schaltmitteln auch mechanische Kontakte, insbesondere mechanische Wählerkontakte, aufweisen. Nur am Rande sei erwähnt, dass es daneben auch sogenannte Vollthyristorschalter gibt, wie z. B. aus der WO 95/27931 bekannt, die auf bewegliche mechanische Schaltelemente ganz verzichten, jedoch relativ groß und aufwändig im Aufbau sind, sich in der Praxis nicht durchgesetzt haben und im Übrigen auch nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind.
Die vorliegende Erfindung befasst sich vielmehr mit Thyristor-Stufenschaltern der eingangs genannten Gattung, also mit den Hybrid-Stufenschaltern.
Diese Gattung von Thyristor-Stufenschaltern wiederum lässt sich in zwei unterschiedliche Gerätearten mit verschiedenen Funktionsprinzipien unterteilen.
Zunächst einmal ist aus der DE 32 23 892 C2 ein solcher Thyristor-Stufenschalter bekannt, der nach dem Kommuntierungsprinzip arbeitet. Hierbei erfolgt die Lastumschaltung durch eine gesteuerte Kommutierung des Laststromes - daher der Name - von einem antiparallel geschalteten Thyristorpaar in einem Zweig des Lastumschalters auf das jeweils andere Thyristorpaar im anderen Zweig. Stufenschalter dieser Art wurden in den 80er Jahren vereinzelt als sogenannter Durchführungstyp hergestellt und eingesetzt. Dabei ist der aktive Teil des Lastumschalters auf einem Durchführungsstützer oberhalb des Transformatorkessels in einem luftgefüllten Gehäuse angeordnet, während der andere Teil des Schalters in den ölgefüllten Transformatorkessel versenkt ist. Der Durchführungsstützer ist teilweise mit Isolieröl gefüllt und über eine Silikagelvorlage mit der Außenluft verbunden. Innerhalb des Gehäuses vom Aktivteil befindet sich ein Gestell, das die elektronischen Baugruppen des Lastumschalters aufnimmt. Der Durchführungsstützer selbst ist auf einem Aufbauflansch befestigt; in dem durch eine Aufbauflanschabdeckplatte nach oben abgeschlossenen Lastumschalter-Ölraum befindet sich ein Tragkäfig mit Anschlusskontakten. Ein solcher Schalter hat jedoch einen sehr großen Raumbedarf, besonders bedingt durch die große Porzellan-Durchführung zwischen dem Elektronikgehäuse oberhalb des eigentlichen Transformators und dem in den Transformator eingesenkten Teil des Gerätes mit dem Tragkäfig und den mechanischen Hilfsschaltern. Daneben ist auch die Zugängigkeit zu den einzelnen Komponenten im ölgefüllten Bereich schwierig, so dass sich Wartungen kompliziert und umständlich gestalten. Insgesamt hat sich dieser Typ bisher nicht durchsetzen können.
Weiterhin ist als die andere der beiden Gerätearten aus der WO 98/48432 ein Thyristor- Stufenschalter mit Überschaltwiderstand bekannt. Dabei ist ein einziges antiparallel geschaltetes Thyristorpaar vorgesehen, zu dem parallel ein Überschaltwiderstand liegt. Durch besondere mechanische Umschaltkontakte können sowohl Thyristorpaar als auch Überschaltwiderstand in einer bestimmten Schaltsequenz betätigt und in den Stromkreis geschaltet werden. Dabei fließt über den Überschaltwiderstand während der Lastumschaltung kurzfristig der Laststrom und anschließend ein Kreisstrom, der von der Stufenspannung der Regelwicklung getrieben wird. Der konstruktive Aufbau eines auf dieser Schaltung beruhenden praktisch ausgeführten Thyristor-Stufenschalters ist aus der Firmenschrift „OLTC Hybrid-Diverter Switch with Thyristors" der Firma ELIN OLTC GMBH, AT sowie dem Aufsatz „Hybrid-Transformatorstufenschalter TADS - ein zukunftsweisendes Konzept zur Verlängerung der Wartungsintervalle" in der Zeitschrift „e & i", Heft 11 , 1999 bekannt. Der vollständige Schalter ist dabei als kompletter, in den ölgefüllten Transformatorenkessel vollständig versenkbarer Einsatz konzipiert. Nachteilig bei dieser Ausführung ist, dass die Thyristoren dem heißen Transformatorenöl ausgesetzt sind. Dies beeinträchtigt die Langzeitbeständigkeit dieser elektronischen Bauelemente, die in der Regel nur bei Umgebungstemperaturen bis etwa 100 Grad C sicher funktionieren. Verstärkt wird das Problem noch dadurch, dass im Überschaltwiderstand - bzw. in der Praxis meistens den mehreren vorhandenen Überschaltwiderständen -, durch die Strombelastung eine ganz erhebliche Energie in zusätzliche Wärme umgesetzt wird, die die Funktion der Thyristoren gefährdet. Dies hat beim beschriebenen bekannten Stufenschalter zur Folge, dass nur eine begrenzte Zahl von Lasturhschaltungen in einem bestimmten Zeitraum erfolgen darf, damit die durch die Überschaltwiderstände verursachte Wärmeentwicklung einen Grenzwert nicht- überschreitet. Dies ist für zahlreiche industrielle Anwendungsfälle unerwünscht. In diesem Zusammenhang ist auch bereits vorgeschlagen worden, einen zusätzlichen Temperaturschalter vorzusehen, der, wenn die Umgebung der Thyristoren eine gewisse, noch unschädliche Grenztemperatur überschreitet, den Motorantrieb des Stufenschalters blockiert und so den Hybrid- Thyristorschalter vorübergehend stillsetzt. Es liegt auf der Hand, dass dies ebenfalls in zahlreichen industriellen Anwendungsfällen nicht praktikabel ist; ganz abgesehen davon, dass mit einem solchen Vorschlag nicht das Problem gelöst, sondern nur am Symptom kuriert wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Thyristor-Stufenschalter der eingangs genannten Gattung, d. h. einen Hybrid-Schalter, anzugeben, der die beschriebenen Nachteile vermeidet, insbesondere aufwändige Durchführungen und Stützeranordnungen umgeht, dabei kompakt und wartungsfreundlich aufgebaut ist und, entsprechende Dimensionierung der Thyristoren vorausgesetzt, eine beliebige Anzahl hintereinander ausführbarer Schaltungen ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch einen Thyristor-Stufenschalter mit den Merkmalen des ersten Patentanspruches gelöst. Die Unteransprüche betreffen besonders vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Thyristoren auf einfache Weise sowohl vom heißen Transformatorenöl als auch von den Überschaltwiderständen thermisch entkoppelt sind, ohne dass es hierzu eines aufwändigen Aufbaus oder besonders großer Durchführungsanordnungen bedarf. Nach einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann durch eine separate Anordnung der Überschaltwiderstände die in diesen in Wärme umgesetzte Energie auf einfache Weise durch einen natürlichen oder forcierten Kühlkreislauf, insbesondere durch Luftkühlung, abgeführt werden. Zugleich ist sichergestellt, dass diese Wärme nicht auf andere Teile des Gerätes abstrahlen und diese über Gebühr erhitzen bzw. die Thyristoren in Mitleidenschaft ziehen kann. Insgesamt gestattet es der erfindungsgemäße Thyristor- Stufenschalter damit, beliebig viele Lastumschaltungen hintereinander auszuführen, ohne dass bei dem gegebenen Kurzzeitbetrieb der Thyristoren die thermischen Belastbarkeitsgrenzen der Thyristoren ein Problem darstellen würden.
Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel noch näher erläutert werden. Die Figur zeigt einen erfindungsgemäßen Thyristor-Stufenschalter, hier in einer Ausführung mit einem Überschaltwiderstand.
Der grau unterlegte Bereich links in der Figur zeigt den ölgefüllten Transformatorkessel 1. In diesem sind schematisch die Wicklungen 2, 3, davon rechts die gestufte Regelwicklung 3 mit einzelnen Wicklungsanzapfungen 1...n angedeutet. Jede dieser Wicklungsanzapfungen 1...n ist mit jeweils einem festen Kontakt K1...Kn eines Stufenwählers 4 des Thyristor-Stufenschalters elektrisch verbunden. Die festen Kontakte K1...Kn werden auf bekannte Weise von zwei beweglichen Wählerkontakten 5, 6 beschaltet. Außerhalb des Transformatorkessels 1 , seitlich an diesem angebaut und über eine Durchführungsplatte 7 mit ihm in Verbindung stehend, ist in einem separaten Gehäuse 8 der eigentliche Lastumschalter 9, der in Luft arbeitet, angeordnet. Die elektrischen Verbindungsleitungen 10, 11 vom Stufenwähler 4 zum Lastumschalter 9 sowie die Lastableitung 12 sind durch separate öldichte Durchführungen 13, 14, 15 in der Durchführungsplatte 7 geführt. Der Lastumschalter 9 kann, abhängig von der jeweils zugrundeliegenden Schaltung, aus unterschiedlichen Bauteilen bestehen. Im dargestellten Aüsführungsbeispiel ist die aus der WO 98/48432 bekannte Schaltung gezeigt. Dabei bezeichnen D1 und D2 die Dauerhauptkontakte, die im stationären Betrieb den Dauerstrom führen, d. h. die jeweilige Verbindung von einem der beweglichen Wählerkontakte 5 oder 6 zu einer Lastableitung L herstellen. SR bezeichnet einen Überbrückungsschalter zur Lastableitung L. Das Bezugszeichen 16 zeigt ein einziges, antiparallel geschaltetes Thyristorpaar, und CT und CR bezeichnen zwei Umschalter. Dabei ist der Wurzelkontakt des Umschalters CT mit dem Thyristorpaar 16 elektrisch verbunden, der Wurzelkontakt des Umschalters CR mit einem Überschaltwiderstand 17.
Nach einer hier dargestellten besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist seitlich am separaten Gehäuse 8, abgeteilt durch eine Trennwand 18, ein weiterer separater Gehäuseteil 19 vorgesehen, in dem, ebenfalls in Luft, der Überschaltwiderstand 17 angeordnet ist. Oben und unten in diesem Gehäuseteil 19 sind Öffnungen 20, 21 vorgesehen, so dass eine separate Luftströmung zur Kühlung des Überschaltwiderstandes 17 durch das Gehäuseteil 19 geleitet werden kann.
Insgesamt ergibt sich aus der Figur der besonders einfache Aufbau gemäß der Erfindung. Der komplette Stufenwähler 4 des Thyristor-Stufenschalters ist im ölgefüllten Transformatorkessel 1 angeordnet und wird vom Transformatoröl umspült. Dadurch sind sowohl eine Schmierung der mechanischen Kontakte als auch eine ausreichende elektrische Festigkeit der gesamten Anordnung gewährleistet. Die eigentliche Lastumschaltung hingegen mittels des Thyristorpaares 16 erfolgt außerhalb des Transformatorkessels 1 in Luft. Damit ist ein störender Einfluss des heißen Transformatoröles auf das Thyristorpaar 16 mit Sicherheit ausgeschlossen. Die elektrische Verbindung zwischen diesen beiden Baugruppen ist ebenfalls besonders einfach, da nur drei elektrische Verbindungsleitungen 10, 11, 12 durch die Durchführungsplatte 7 geführt werden müssen. Es wurde bereits erläutert, dass es besonders vorteilhaft ist, den Überschaltwiderstand 17 in einem weiteren separaten Gehäuseteil 19, ebenfalls in Luft, vorzusehen. Damit ist sowohl dessen einfache Kühlung sichergestellt als auch ebenfalls jede thermische Beeinflussung des Thyristorpaares 16 ausgeschlossen.
Die Erfindung ist nicht auf die im Ausführungsbeispiel erläuterte bekannte Schaltung mit einem Thyristorpaar, nur einem Überschaltwiderstand und der speziellen Anordnung zusätzlicher mechanischer Schalter beschränkt. Im Rahmen der Erfindung ist ebenso jeder andere Lastumschalter mit einer wie auch immer gearteten Anordnung eines oder mehrerer Thyristorpaare als Schaltmittel und unabhängig von der Zahl, Schaltung und Betätigungssequenz eventuell noch vorhandener weiterer mechanischer Schalter bzw. Umschalter einsetzbar. Ebenso ist die Art und Weise der Erzeugung der Zündspannung für die einzelnen Thyristoren im Rahmen der Erfindung auf vielfältige Weise lösbar.

Claims

Patentansprüche:
1. Thyristor-Stufenschalter zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen verschiedenen Wicklungsanzapfungen eines Stufentransformators unter Last, bestehend aus einem mechanischen Stufenwähler zur leistungslosen Vorwahl der jeweiligen Wicklungsanzapfung, auf die umgeschaltet werden soll, und einem Lastumschalter mit mindestens einem antiparallelen Thyristorpaar zur unterbrechungslosen Umschaltung von der bisherigen auf die vorab angewählte neue Wicklungsanzapfung unter Last, dadurch gekennzeichnet, dass nur der Stufenwähler (4) im mit Transformatoröl gefüllten Transformatorkessel (1) des
Stufentransformators angeordnet ist, dass der Lastumschalter (9) mit dem mindestens einen antiparallelen Thyristorpaar (16) hingegen in einem separaten Gehäuse (8) in Luft untergebracht ist, welches seitlich am
Transformatorkessel (1 ) und von diesem durch eine Durchführungsplatte (7) getrennt angeordnet ist, und dass Verbindungsleitungen (10, 11 , 12) vom Stufenwähler (4) zum Lastumschalter (9) durch die Durchführungsplatte (7) geführt sind.
2. Thyristor-Stufenschalter nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Überschaltwiderstand (17) des Lastumschalters (9) in einem weiteren separaten Gehäuseteil (19) in Luft untergebracht ist, welches seinerseits durch eine Trennwand (18) vom Gehäuse (8) abgetrennt ist.
3. Thyristor-Stufenschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuseteil (19) mindestens eine Öffnung (20, 21) zur Luftzirkulation aufweist.
4. Thyristor-Stufenschalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Luftzirkulation mindestens ein separater Lüfter vorgesehen ist.
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