WO2010072622A1 - Stufenschalter für mittel-niederspannungstransformatoren - Google Patents

Stufenschalter für mittel-niederspannungstransformatoren Download PDF

Info

Publication number
WO2010072622A1
WO2010072622A1 PCT/EP2009/067198 EP2009067198W WO2010072622A1 WO 2010072622 A1 WO2010072622 A1 WO 2010072622A1 EP 2009067198 W EP2009067198 W EP 2009067198W WO 2010072622 A1 WO2010072622 A1 WO 2010072622A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
switching
switching element
tap changer
semiconductor switch
changer according
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2009/067198
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Gerd Griepentrog
Reinhard Maier
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Publication of WO2010072622A1 publication Critical patent/WO2010072622A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H9/00—Details of switching devices, not covered by groups H01H1/00 - H01H7/00
    • H01H9/0005—Tap change devices
    • H01H9/0016—Contact arrangements for tap changers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H9/00—Details of switching devices, not covered by groups H01H1/00 - H01H7/00
    • H01H9/54—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
    • H01H9/542—Contacts shunted by static switch means

Definitions

  • the invention relates to a tap changer for medium-low voltage transformers.
  • Transformers use high-voltage and medium-voltage tap changers.
  • the tap changer compensates for the voltage fluctuations that occur during load changes by changing the transmission ratio.
  • at least one of the windings of the transformer is provided with a series of taps, which can be electrically connected by a selector mechanism.
  • a diverter switch is provided, which makes the switching between two selector positions without interruption even under load.
  • Winding short circuit is avoided by briefly forcing current flow through resistors.
  • Object of the present invention is to provide a tap changer for medium-low voltage transformers, which is particularly simple.
  • the tap changer for medium-low-voltage transformers has a first partial winding and at least one second partial winding. Furthermore, it comprises at least one switching element for switching the electrical connection of a middle terminal to one of at least two terminals, wherein the terminals are at least partially connected to the first or second partial winding. Finally, it has at least one semiconductor switch, which is electrically connected on the input side to the middle connection of the switching element and on the output side to one of the connections.
  • the tap changer contains a control device that automatically performs a control of the load switching.
  • the control device expediently means that allow detection when a switch should occur.
  • these may be means for determining voltage and / or current on the input or output side. This determines whether a changeover is necessary, for example by detecting the corresponding slight decrease in the output voltage when the load on the output side is higher.
  • the control of the load switching can be made from outside the tap changer.
  • the tap changer expedient means on which allow external control. This can be an indirect, for example, digital remote control, which is implemented in the tap changer by a control device in the actual control of the switch. It may also be a direct, analog control from the outside, which if necessary. Even without an internal control device can be done, for example, by directly applying an actuator of the switching element from the outside with electricity.
  • first and second partial windings may also be separate windings which are arranged in proximity to each other such that they form the transformer with another winding.
  • a different electrical connection is necessary than with a single continuous winding. In this case, preferably two switching elements are used.
  • means are provided for determining a value representing the switching state of the switching element. This means that it is preferably possible to determine via the means whether the switch is currently closed, that is to say it connects its middle connection to one of the connections or whether it is currently open. Such means are in a preferred embodiment means for determining the voltage between the center terminal and one of the terminals, in particular with each of the terminals. If it is possible to determine the voltage between the center connection and each of the connections, it can be determined, for example, with which of the connections the switching element is currently establishing a connection or whether it is currently open. Thus, it can be completely determined when and how the switching element switches. Alternatively, a current measurement or a mechanical or optical measurement could be used.
  • the switching element can be selected taltet be even to provide an example representing electrical value over its switching state. It is particularly advantageous here that a contact bouncing does not cause a light arc with corresponding wear of the switching element, as in the case of known step switches, since the semiconductor switches, for example, carry the current as voltage-controlled until no voltage drops across the switching element, ie, certainly no more arc burns.
  • the switching element is preferably a mechanical switch. This has a very low on resistance, thus resulting in low losses during operation.
  • the shell element has an open switch position.
  • the semiconductor switch carries the power.
  • This operating mode can be very advantageous if the switching operations are frequent and would lead to a large wear on the formwork element. Thus, part of the switching operations can be avoided in this embodiment.
  • the semiconductor switch it is expedient for the semiconductor switch to have devices for cooling, for example heat sinks.
  • a thyristor circuit is provided as a semiconductor switch. It is advantageous that this issabumbled and thus allows easy control.
  • the thyristor circuit preferably consists of two anti-parallel connected thyristor elements, wherein each of the thyristor elements consists of a thyristor or a parallel and / or series connection of thyristors. Other electrical components can be used together with the thyristors.
  • thyristors can be used as a semiconductor switch and turn-off semiconductor switches, in particular special transistors, GTOs (Gate Turn-off Thyristor) or IGCTs (Integrated Gate Commutated Transistor).
  • GTOs Gate Turn-off Thyristor
  • IGCTs Integrated Gate Commutated Transistor
  • the control of the semiconductor switch is realized independently of the control of the switching element by switching on and off of the semiconductor switch is effected based on the switching state of the switching element.
  • the switching on of the semiconductor switch can be effected, for example an ignition of a thyristor pair, when the voltage between the input and output of the switching element becomes non-zero. Since semiconductor switches switch very quickly, such a control, which responds only to the behavior of the switching element, to be described as interruption-free.
  • the switching off can also take place by considering the voltage between the middle terminal of the switching element and its other terminals. If a voltage is zero, the switching element has made a connection and the semiconductor switch can be turned off.
  • Semiconductor switches thus act completely separate from each other. An uninterrupted power diversion via the semiconductor switch is still guaranteed. This is how it is For example, possible that the switching element is controlled from outside the transformer and an internal control of the switching element is no longer given. The transformer then only has one controller for the semiconductor switch, which is not visible from the outside, that is
  • control of the semiconductor switches is reactive, that is, changes in the switching element are detected by a measurement and responded to.
  • the control of the semiconductor switch together with the control of the switching element.
  • the common control can coordinate the switching of the semiconductor switch and the switching element.
  • Semiconductor switches are switched shortly before switching the switching element. Another possibility is to make the actuation of the switching element dependent on current characteristics of current or voltage, for example the phase position. This can be achieved, for example, that the time in which a short-circuiting of the winding through the closed switching element and the conductive semiconductor switch is minimized. In this alternative, the transformer is completely self-controlling and external intervention is not necessary.
  • control of the semiconductor switch is configured to drive the semiconductor as a soft starter. This allows a softer coupling.
  • means for determining the current in the region of the switching element or semiconductor switch are provided. This allows a particularly advantageous operating method for the tap changer. It is exploited that after turning on the semiconductor switch results in a short-circuit winding, which under the influence of the partial winding a corresponding Kurz- circuit current in the circuit via the semiconductor switch and the switching element can flow. At the same time, the load current continues to flow via the switching element, the current direction being opposite to one another via the switching element for short-circuit current and load current.
  • a throttle is provided in series with the semiconductor switch, which limits the short-circuit current.
  • the winding tap i. the connection to the secondary winding, to which the semiconductor switch is connected, attaches to the end of the secondary winding.
  • the switching element in each switching operation in which the switching element is initially not directly parallel to the semiconductor switch, i. E. in which the switching element is initially not also connected to the end of the secondary winding, ensures that after turning on the semiconductor switch, a time is reached at which the current through the switching element zero or at least in terms of amount is very small.
  • Switching element and semiconductor switch without a portion of the secondary winding is formed. Since the semiconductor switch usually has a higher resistance than the switching element or has no threshold voltage, the load current will flow unchanged through the switching element. Only the switching of the
  • Switching element leads to a diversion of the load current through the semiconductor switch.
  • Another particularly advantageous method of operation which can be used in combination with the above, results if the switching of the switching element happens exactly so that the voltage that is output on the secondary side of the transformer and applied to this after closing the switching element, exactly the voltage across the semiconductor switch corresponds. As a result, a voltage jump is avoided, which would otherwise occur when closing the switching element.
  • a known switching duration of the switching element can be combined with a voltage measurement in order to determine the correct switching time.
  • the tap changer can be used in a medium-low voltage transformer.
  • COTS components off the shelf
  • FIG. 1 shows a first transformer with continuous secondary winding with tap changer
  • FIG. 2 shows a flowchart for the tap-changer with the first transformer
  • FIG. 3 shows a second transformer with continuous secondary winding with tap changer
  • FIG. 4 shows a flow chart for the tap changer with the second transformer.
  • the figures refer to embodiments for medium-low voltage transformers. These are expediently designed in three phases. For a better clarity, the figures but only a single-phase design. For the same reason, the tap changer in the embodiments, only three setting options for the gear ratio, while actually tap changer can often set more than three ratios. The invention is equally applicable with more than three translation ratios.
  • the voltage on the side of the primary windings should be about 10 kV, while a voltage 400 V (three-phase) is output on the side of the secondary winding.
  • FIG. 1 shows a transformer 1 with a tap changer.
  • the transformer 1 has, in addition to a primary winding which is not significant in this exemplary embodiment, a continuous secondary winding.
  • the continuous secondary development consists of a first to third part
  • the first part 17 comprises approximately 80% of the winding length of the secondary winding, while the second and third parts each comprise approximately 10% of the winding length. From the relative proportions of the secondary winding arise the adjustable ratios and it is clear that even very different divisions of the secondary winding are possible.
  • the parts 17, 18, 19 are defined by a first, second and third tap 2, 3, 4, wherein the first tap 2 is about 80% of the winding length of the secondary winding, the second tap 3 at about 90% of the winding length of the secondary winding is located and the third tap 4 at the end of the secondary winding.
  • the first output line 11 of the transformer 1 is connected.
  • the second output line 12 of the transformer 1 is connected in a more complex manner with the taps 2, 3, 4 to realize the tap-changer.
  • a first connection 16 is realized between the second output line 12 and the second tap 3.
  • the first connection 16 leads via a thyristor circuit 5, which consists of two anti-parallel connected thyristors.
  • the structure of two thyristors is exemplary in this case.
  • one of the thyristors can represent one series connection and / or parallel connection of a plurality of actual thyristor elements.
  • other elements such as IGBTs, GTOs o.a. be used.
  • a mechanical switch 20 is provided, whose central terminal is connected to the second output line 12.
  • the switch 20 can establish a connection between its middle connection and a second, third or fourth connection 13, 14, 15.
  • the second connection 13 connects the first tap 2 and one of the connections of the mechanical switch 20.
  • the third connection 14 connects the second tap 3 to a further connection of the switch and the third connection 15 connects the third tap 4 to a last connection of the switch mechanical switch 20.
  • a controller 6 is further provided. The controller 6 can the
  • a changeover is performed.
  • the mechanical switch 20 switches between its terminals so that instead of the first tap 2, the second tap 3 is connected to the second output line 12.
  • the thyristor circuit 5 takes over the power. This happens without interruption, the exact circuit is shown below, for example.
  • the current path thus leads during the switching from the first output line 11 via the first part 17 of the secondary winding and the second part 18 of the secondary winding. It also leads via the first connection 16 and thus the thyristor circuit 5 to the second output line 12.
  • approximately 90% of the secondary winding is used. Since the thyristor circuit 5 is arranged in this example fixed parallel to the third connection 14, always about 90% of the secondary winding are used when switching.
  • At least one further, for example, mechanical switch must be provided, which switches the assignment between thyristor circuit 5 and tap 2, 3, 4 allowed. As soon as the mechanical switch 20 has switched over, the ignition of the thyristor circuit 5 is ended.
  • the state used in the third step 23 results. In this case, about 90% of the secondary winding are used and the current path leads from the first output line 11 via the first and second parts 17, 18 of the secondary winding and the third connection 14 to the second output line 12.
  • a changeover is performed again.
  • the mechanical switch 20 switches between its terminals so that instead of the second tap 3, the third tap 4 is connected to the second output line 12.
  • the thyristor circuit 5 takes over the power.
  • the current path thus leads during the switching from the first output line 11 via the first part 17 of the secondary winding and the second part 18 of the secondary winding. It also leads via the first connection 16 and thus the thyristor circuit 5 to the second output line 12. In this case, about 90% of the secondary winding is used again.
  • the state used in the fifth step 23 results.
  • the entire length of the secondary winding is used and the current path leads from the first output line 11 via the first, second and third parts 17, 18, 19 of the secondary winding and the fourth connection 15 to the second output line 12.
  • the mechanical switch 20 does not have to switch between adjoining taps 2, 3, 4, but the switching can take place between any of the taps, ie, for example, directly from the first tapping 2 to the third tapping 4 or vice versa.
  • the tap changer has a control device, which determines from a voltage measurement that a switch is necessary and causes the mechanical switch 20 to switch. It is very advantageous if the controller 6 for the thyristor circuit 5 operates independently thereof, that is, the control device for the mechanical switch 20 is not around the thyristor circuit 5 must take care of. For this purpose, the controller 6 measures the voltages between the measuring point 10 on the second output line 12 and the measuring points 7... 9 on the connections 13. In a longer-term operating state, ie in the first, third or fifth step 21, 23, 25 is one of the voltages zero, since the switch 20 is closed to one of the compounds 13 ... 15.
  • the mechanical switch 20 When switching according to the second or fourth step 22, 24, the mechanical switch 20 is opened, so that all measured voltages are not equal to zero.
  • the controller 6 then ignites the thyristors of the thyristor circuit 5, so that they can take over the flowing current.
  • the controller 6 keeps the thyristors ignited until the mechanical switch 20 is closed again, so a connection to one of the taps is restored. In this case, one of the voltages becomes zero again, which is detected by the controller 6 and leads to the termination of the ignition.
  • the controller 6 for the semiconductor switches thus operates only based on the voltage measurement and the control device for the mechanical switch controls only the mechanical switch without regard to the semiconductor switches. The two controllers thus work completely independently of each other.
  • controller 6 can get along partly or completely without the voltage measurement for the circuit of the semiconductor switches, since the times for the switching of the mechanical switch 20 of the controller 6 are known. That's it, for example possible to perform the ignition of the thyristors, for example, a short time before the actual switching operation. In other alternatives, for example, the voltage measurement could only be used for switching off the ignition or only for switching on.
  • a second embodiment of the invention will now be explained with reference to FIG.
  • a secondary winding in the transformer 50 is used, which is no longer designed as a continuous winding. Rather, there is the
  • Secondary winding in this case from a first and second, each separate winding part 33, 34.
  • the second winding part 34 comprises about 10% of the winding length of the first winding part 33. Again, it is clear that even very different divisions of the secondary winding are possible.
  • Provided on the winding parts 33, 34 are first, second and third winding taps 38... 40, the first winding tapping 38 being at the end of the first winding part 33, the second winding tapping 39 at the beginning of the second winding part 34 and the third winding tapping 40 at the end of the second winding part 34.
  • the first output line 31 of the transformer 1 is connected.
  • the second output line 32 of the transformer 50 is connected in a more complex manner to the taps of winding taps 38... 40 in order to implement the tap-change circuit.
  • a first connection 51 is realized between the second output line 32 and the first winding tap 38.
  • the first connection 51 leads via a thyristor circuit 37, which consists of two anti-parallel connected thyristors.
  • the construction of two thyristors is also exemplary here.
  • a first switch 35 is provided whose middle connection is connected to the second output line 32.
  • the first switch 35 may connect between its center terminal and a first or second terminal point 35a, b manufacture.
  • the first connection point 35a of the first switch 35 is directly connected to a first connection point 36a of a second switch 36.
  • the second connection point 35b of the first switch 35 is directly connected to a second connection point 36b of the second switch 36.
  • the middle connection of the second switch 26 is connected
  • the first connection point 35a, 336a of both switches 35, 36 is connected to the second winding tap 39 and thus to the beginning of the second winding part 34, while the end of the second winding part 34, ie the third winding tap 40 to the second Connection point 35b, 36b of the two switches 35, 36 is connected.
  • FIG. 4 shows, on the basis of a first to ninth step 41... 49, the load changeover circuit with the structure according to FIG. 3.
  • Output line 32 and its first connection point 35a produces, while the second switch 36 connects between the first winding tap 38 and its second connection point 36b manufactures.
  • the switch positions ultimately establish a connection between the second output line 32 and the second winding tap 39 and between the third winding tap 40 and the first winding tap 38.
  • the current path 52 in the first step 41 thus leads from the first output line 31 via the first winding part 33 of the secondary winding, via the second switch 36 and the third winding tap 40 through the second winding part 34 and from there via the second winding tap 39 and first switch 35 to the second output line
  • the interconnection is such that the second winding part 34 is operated “backwards", that is, in the opposite sense to the first winding part 33.
  • this means that the transmission ratio of the transformer 50 is as if only about 90% of the secondary winding used.
  • a changeover is performed.
  • the first switch 35 switches between its terminals 35a, b, so that now instead of the second winding tap 39, the first winding tap 38 is connected to the second output line 32.
  • the thyristor circuit 37 takes over the power. This in turn happens to be useful uninterruptible, with respect to the control of the thyristors, the same procedures are possible as in the example of FIG 1.
  • the current path thus leads during the switching from the first output line 11 via the winding part 33 and the thyristor 37 to the second output line 32nd
  • the first winding part 33 is used 100%.
  • the state used in the third step 43 results.
  • 100% of the first winding part 33 is used, and the current path leads from the first output line 11 via the first winding part 33 and the direct connection between the second connection points 35b, 36b of the two switches 35, 36 to the second output line 32.
  • the second winding part 34 is connected in this case only one-sided and is not used.
  • a further switching is performed.
  • the second switch 36 switches between its terminals 36a, b, so that instead of the direct connection between the second connection points 35b, 36b of the two switches 35, 36 a connection between the first and second winding taps 38, 39 is produced becomes.
  • the thyristor circuit 37 again takes over the power.
  • the current path again leads from the first output line 11 via the winding part 33 and the thyristor circuit 37 to the second output line 32.
  • the first winding part 33 is used to 100%.
  • the state used in the fifth step 45 is obtained.
  • the current path leads from the first output line 11 via the first winding part 33 and the direct connection between the first and second winding taps 38, 39 through the second switch 36 via the second winding part 34 and from there to the second output line 32 In this case, therefore, used in series and concurrently with the first winding part 33, so that in this step 45 effectively about 110% of the winding length of the first winding part 33 is used.
  • a further changeover is performed.
  • the first switch 35 switches between its terminals 35a, b, so that now instead of the second winding tap 39, the first winding tap 38 is connected to the second output line 32.
  • the thyristor circuit 37 takes over the power. The current path thus leads during the switchover from the first output line 11 via the winding part 33 and the thyristor circuit 37 to the second output line 32.
  • the first winding part 33 is used to 100%.
  • the state used in the seventh step 47 results.
  • 100% of the first winding part 33 is used and the current path leads from the first output line 11 via the first winding part 33 and the direct connection between the first connection points 35a, 36a of the two switches 35, 36 to the second output part. line 32.
  • the second winding part 34 is connected in this case only on one side and is not used.

Landscapes

  • Control Of Electrical Variables (AREA)

Abstract

Es wird ein Stufenschalter für Mittel-Niederspannungstransformatoren angegeben, der auf einem oder mehreren mechanischen Schaltern basiert. Beim Umschalten wird der Strom über Halbleiterschalter geführt, um die Unterbrechungsfreiheit zu sichern.

Description

Beschreibung
Stufenschalter für Mittel-Niederspannungstransformatoren
Die Erfindung betrifft einen Stufenschalter für Mittel- Niederspannungstransformatoren .
Energieverteilnetze sind insbesondere durch die Impedanzen der Netzkomponenten und durch wechselnde Lasten Spannungs- Schwankungen unterworfen. Es ist erstrebenswert, die Schwankungen so gering wie möglich zu halten. Dafür werden bei Transformatoren zwischen Hoch- und Mittelspannung Stufenschalter verwendet. Der Stufenschalter gleicht die bei Belastungsänderungen auftretenden Spannungsschwankungen aus, indem er das Übersetzungsverhältnis ändert. Zu diesem Zweck ist zumindest eine der Wicklungen des Transformators mit einer Reihe von Anzapfungen versehen, die von einem Wählermechanismus elektrisch angebunden werden können. Weiterhin ist ein Lastumschalter vorgesehen, der die Umschaltung zwischen zwei Wäh- lerpositionen unterbrechungsfrei auch unter Last vornimmt.
Ein Windungskurzschluss wird vermieden, indem der Stromfluss kurzzeitig über Widerstände gezwungen wird.
Es ist möglich, dass in der Zukunft die Energieversorgung im Vergleich mit der heutigen Situation dezentraler erfolgt. Das heißt, die Stromerzeugung findet näher zum Verbraucher als heute in einer größeren Zahl von jeweils kleineren Anlagen statt. Solche Anlagen sind beispielsweise Photovoltaikanla- gen, Windkraftwerke und Biomasse-Kraftwerken oder auch klei- nere Blockheizkraftwerke. Kleinere Kraftwerke sind wegen der eher umsetzbaren Kraft-Wärme-Kopplung zumindest prinzipiell sehr vorteilhaft. Wenn der erzeugte Strom nicht direkt abgenommen werden kann, ist eine Einspeisung vom Niederspannungsnetz in das Mittelspannungsnetz erforderlich, um eine ver- lustarme Übertragung über weite Strecken zu ermöglichen.
Hierzu ist es erforderlich, im Verteilungstransformator ein variables Übersetzungsverhältnis zur Verfügung zu stellen. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Stufenschalter für Mittel-Niederspannungstransformatoren anzugeben, der besonders einfach aufgebaut ist.
Diese Aufgabe wird durch einen Stufenschalter für Mittel- Niederspannungstransformatoren mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Der erfindungsgemäße Stufenschalter für Mittel- Niederspannungstrafos weist eine erste Teilwicklung und wenigstens eine zweite Teilwicklung auf. Weiterhin umfasst er wenigstens ein Schaltelement zur Schaltung der elektrischen Verbindung eines Mittelanschlusses mit einem von wenigstens zwei Anschlüssen, wobei die Anschlüsse wenigstens teilweise mit der ersten oder zweiten Teilwicklung verbunden sind. Schließlich weist er wenigstens einen Halbleiterschalter auf, der elektrisch eingangsseitig mit dem Mittelanschluss des Schaltelements und ausgangsseitig mit einem der Anschlüsse verbunden ist.
Zweckmäßig, aber nicht zwangsläufig, enthält der Stufenschalter eine Steuerungseinrichtung, die selbsttätig eine Steuerung der Lastumschaltung vornimmt. Dazu weist die Steuerungs- einrichtung zweckmäßig Mittel auf, die eine Erkennung ermöglichen, wann eine Umschaltung erfolgen sollte. Beispielsweise kann es sich dabei um Mittel zur Bestimmung von Spannung und/oder Strom auf der Eingangs- oder Abgangsseite handeln. Durch diese wird ermittelt, ob eine Umschaltung nötig ist, indem beispielsweise bei erhöhter abgangsseitiger Last die entsprechende leichte Senkung der Ausgangsspannung detektiert wird. Alternativ kann die Steuerung der Lastumschaltung auch von außerhalb des Stufenschalters vorgenommen werden. In diesem Fall weist der Stufenschalter zweckmäßig Mittel auf, die eine Steuerung von außen ermöglichen. Dabei kann es sich um eine indirekte, beispielsweise digitale Fernsteuerung handeln, die im Stufenschalter durch eine Steuereinrichtung umgesetzt wird in die tatsächliche Ansteuerung des Schalters. Es kann sich auch um eine direkte, analoge Steuerung von außen handeln, die ggfs. sogar ohne interne Steuereinrichtung erfolgen kann, beispielsweise durch direkte Beaufschlagung eines Aktors des Schaltelements von außen mit Strom.
Bei der ersten und zweiten Teilwicklung handelt es sich bevorzugt um Teile einer der beiden Transformatorwicklungen. Diese liegen dabei zweckmäßig nicht separat vor, sondern bilden eine einzige durchgehende Wicklung. Die Aufteilung in die erste und die ein oder mehreren zweiten Teilwicklungen ergibt sich anhand der Platzierung der Anschlüsse, die zweckmäßig elektrisch mit Abgriffen an den Wicklungen verbunden sind.
Alternativ kann es sich bei der ersten und zweiten Teilwick- lung auch um getrennte Wicklungen handeln, die so in Nähe zueinander angeordnet sind, dass sie mit einer weiteren Wicklung den Transformator bilden. In dieser Alternative ist eine andere elektrische Verschaltung nötig als bei einer einzigen durchgehenden Wicklung. Hierbei kommen bevorzugt zwei Schalt- elemente zum Einsatz.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind Mittel zur Bestimmung eines den Schaltzustand des Schaltelements repräsentierenden Werts vorgesehen. Das heißt, über die Mit- tel ist bevorzugt ermittelbar, ob der Schalter gerade geschlossen ist, also seinen Mittelanschluss mit einem der Anschlüsse verbindet oder ob er momentan geöffnet ist. Solche Mittel sind in einer bevorzugten Ausgestaltung Mittel zur Bestimmung der Spannung zwischen dem Mittelanschluss und einem der Anschlüsse, insbesondere mit jedem der Anschlüsse. Besteht die Möglichkeit, die Spannung zwischen dem Mittelanschluss und jedem der Anschlüsse zu bestimmen, so kann beispielsweise ermittelt werden, mit welchem der Anschlüsse das Schaltelement gerade eine Verbindung herstellt bzw. ob er ge- rade geöffnet ist. Somit kann vollständig bestimmt werden, wann und wie das Schaltelement schaltet. Alternativ könnte auch eine Strommessung oder eine mechanische oder optische Messung verwendet werden. Auch kann das Schaltelement ausges- taltet sein, selbst einen beispielsweise elektrischen repräsentierenden Wert über seinen Schaltzustand zur Verfügung zu stellen. Besonders vorteilhaft ist hierbei, dass ein Kontaktprellen nicht wie bei bekannten Stufenschaltern einen Licht- bogen mit entsprechendem Verschleiß des Schaltelements bewirkt, da die Halbleiterschalter beispielsweise spannungsgesteuert so lange den Strom tragen, bis über das Schaltelement keine Spannung mehr abfällt, d.h. auch sicher kein Lichtbogen mehr brennt .
Bevorzugt handelt es sich bei dem Schalelement um einen mechanischen Schalter. Dieser weist einen besonders geringen Durchlasswiderstand auf, führt also zu geringen Verlusten im Betrieb .
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist das Schalelement eine offene Schalterstellung auf. In dieser wird dann zweckmäßig keine Verbindung hergestellt. In diesem Fall trägt der Halbleiterschalter den Strom. Dieser Betriebsmodus kann sehr vorteilhaft sein, wenn die Schaltvorgänge häufig sind und zu einem großen Verschleiß beim Schalelement führen würden. So kann in dieser Ausgestaltung ein Teil der Schaltvorgänge vermieden werden. In diesem Fall ist es zweckmäßig, wenn der Halbleiterschalter Einrichtungen zur Kühlung, bei- spielsweise Kühlkörper aufweist.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist als Halbleiterschalter ein Thyristorkreis vorgesehen. Vorteilhaft ist, dass dieser selbstabschaltend ist und so eine einfache Ansteuerung ermöglicht. Der Thyristorkreis besteht bevorzugt aus zwei antiparallel geschalteten Thyristorelementen, wobei jedes der Thyristorelemente aus einem Thyristor oder einer parallel und/oder Serienschaltung von Thyristoren besteht. Auch andere elektrische Bauelemente können gemeinsam mit den Thyristoren verwendet werden.
Alternativ zu den Thyristoren können als Halbleiterschalter auch abschaltbare Halbleiterschalter verwendet werden, insbe- sondere Transistoren, GTOs (Gate Turn-off Thyristor) oder IGCTs (Integrated Gate Commutated Transistor) . Hierdurch wird eine aktive Abschaltung der Leitung durch den Halbleiterschalter ermöglicht, was wiederum die Zeit des Windungskurz- Schlusses durch das geschlossene Schaltelement und den leitenden Halbleiterschalter verkürzt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die Steuerung des Halbleiterschalters unabhängig von der Steue- rung des Schaltelements realisiert, indem ein Einschalten und Ausschalten des Halbleiterschalters anhand des Schaltzustandes des Schaltelements bewirkt wird. Beispielsweise kann das Einschalten des Halbleiterschalters bewirkt werden, beispielsweise eine Zündung eines Thyristorpaars, wenn die Span- nung zwischen Ein- und Ausgang des Schaltelements ungleich Null wird. Da Halbleiterschalter sehr schnell schalten, ist auch eine solche Ansteuerung, die nur auf das Verhalten des Schaltelements reagiert, als unterbrechungsfrei zu bezeichnen. Auch das Ausschalten kann erfolgen, indem die Spannung zwischen dem Mittelanschluss des Schaltelements und seinen weiteren Anschlüssen betrachtet wird. Wird eine Spannung Null, so hat das Schaltelement eine Verbindung hergestellt und der Halbleiterschalter kann abgeschaltet werden. Im Falle von Thyristoren kann dabei natürlich nur die Zündung beendet werden. Andere Halbleiterschalter erlauben auch ein sofortiges Abschalten. In einer bevorzugten Ausgestaltung wird hierbei ausschließlich die Spannung überwacht, d.h. für die Steuerung des Halbleiterschalters wird kein Vorwissen über das Schalten des Schaltelements oder den Zielanschluss, zu dem das Schaltelement schalten wird, verwendet. Besonders vorteilhaft ist dabei, dass die Steuerung für das Schaltelement keine Rücksicht auf den Halbleiterschalter nehmen muss oder überhaupt von diesem wissen muss. Umgekehrt muss die Steuerung des Halbleiterschalters keine Steuerbefehle von der Steuerung des Schaltelements bekommen. Schaltelement und
Halbleiterschalter agieren also vollkommen getrennt voneinander. Eine unterbrechungsfreie Stromumleitung über den Halbleiterschalter ist dennoch gewährleistet. So ist es bei- spielsweise möglich, dass das Schaltelement von außerhalb des Transformators gesteuert wird und eine interne Steuerung des Schaltelements gar nicht mehr gegeben ist. Im Transformator befindet sich dann lediglich eine Steuerung für den Halblei- terschalter, die von außen nicht ersichtlich ist, also
„transparent" oder selbststeuernd ist. In diesem Fall erfolgt die Steuerung der Halbleiterschalter reaktiv, d.h. Veränderungen des Schaltelements werden anhand einer Messung ermittelt und es wird darauf reagiert.
Alternativ ist es auch möglich, die Steuerung des Halbleiterschalters gemeinsam mit der Steuerung des Schaltelements vorzunehmen. In diesem Fall kann beispielsweise die gemeinsame Steuerung das Schalten des Halbleiterschalters und des Schaltelements koordinieren. So könnte beispielsweise der
Halbleiterschalter kurz vor dem Umschalten des Schaltelements eingeschaltet werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Ansteuerung des Schaltelements abhängig zu machen von momentanen Eigenschaften von Strom oder Spannung, beispielswei- se von der Phasenlage. Hiermit kann beispielsweise erreicht werden, dass die Zeit, in der ein Windungskurzschluss durch das geschlossene Schaltelement und den leitenden Halbleiterschalter besteht, minimiert wird. Bei dieser Alternative ist der Transformator völlig selbststeuernd und ein Eingriff von außen ist nicht nötig.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuerung des Halbleiterschalters ausgestaltet, den Halbleiter wie ein Sanftstarter anzusteuern. Hierdurch wird eine weichere Kopplung ermöglicht.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind Mittel zur Bestimmung des Stroms im Bereich des Schaltelements oder Halbleiterschalters vorgesehen. Hierdurch wird ein besonders vorteilhaftes Betriebsverfahren für den Stufenschalter ermöglicht. Dabei wird ausgenutzt, dass sich nach dem Einschalten des Halbleiterschalters ein Windungskurzschluss ergibt, der unter Einfluss der Teilwicklung einen entsprechenden Kurz- schlussstrom im Kreis über den Halbleiterschalter und das Schaltelement fließen lässt. Gleichzeitig fließt der Laststrom weiter über das Schaltelement, wobei die Stromrichtung über das Schaltelement für Kurzschlussstrom und Laststrom ge- genläufig zueinander ist. Bevorzugt ist in Serie zum Halbleiterschalter eine Drossel vorgesehen, die den Kurzschlussstrom begrenzt. In dem Moment, in dem Kurzschlussstrom und Laststrom betragsmäßig gleich sind, d.h. in dem der Gesamtstrom über das Schaltelement gerade Null ist, wird das Schaltele- ment für die eigentliche Umschaltung betätigt. Dadurch wird eine stromlose Umschaltung erreicht. Kontaktprellen, Lichtbögen und andere Probleme des Schaltens, insbesondere mechanischen Schaltens, unter Strom, werden dadurch vermieden.
Hierbei ist es vorteilhaft, wenn der Wicklungsabgriff, d.h. der Anschluss an die Sekundärwicklung, an den der Halbleiterschalter angeschlossen ist, am Ende der Sekundärwicklung ansetzt. In diesem Fall ist bei jedem Schaltvorgang, bei dem das Schaltelement anfangs nicht direkt parallel zum Halblei- terschalter liegt, d.h. bei dem das Schaltelement anfangs nicht ebenfalls auf das Ende der Sekundärwicklung geschaltet ist, gewährleistet, dass nach dem Einschalten des Halbleiterschalters ein Zeitpunkt erreicht wird, zu dem der Strom über das Schaltelement Null oder wenigstens betragsmäßig sehr klein wird.
Wenn das Schaltelement anfangs parallel mit dem Halbleiterschalter geschaltete ist, wird beim Einschalten des Halbleiterschalters kein Windungskurzschluss erzeugt. In diesem Fall wird kein Kurzschlussstrom fließen, da nur ein Kreis vom
Schaltelement und Halbleiterschalter ohne einen Teil der Sekundärwicklung gebildet wird. Da der Halbleiterschalter üblicherweise einen höheren Widerstand als das Schaltelement hat bzw. keine Einsatzspannung hat, wird de Laststrom unverändert über das Schaltelement fließen. Erst der Schaltvorgang des
Schaltelements führt zu einer Umleitung des Laststroms durch den Halbleiterschalter. Eine weiteres besonders vorteilhaftes Betriebsverfahren, das in Kombination mit dem vorgenannten verwendet werden kann, ergibt sich, wenn die Umschaltung des Schaltelements genau so passiert, dass die Spannung, die sekundärseitig vom Transfor- mator ausgegeben wird und nach Schließen des Schaltelements über dieses anliegt, genau der Spannung über den Halbleiterschalter entspricht. Dadurch wird ein Spannungssprung vermieden, der ansonsten beim Schließen des Schaltelements auftreten würde. Hierzu kann beispielsweise eine bekannte Umschalt- dauer des Schaltelements mit einer Spannungsmessung kombiniert werden, um den richtigen Schaltzeitpunkt zu ermitteln.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich, wenn das Einschalten des Halbleiterschalters genau dann passiert, wenn die vom Trans- formator ausgegebene Spannung einen Nulldurchgang zeigt. Dies lässt sich ebenfalls durch eine Spannungsmessung ermitteln. Dadurch wird ebenfalls ein Spannungssprung beim Einschalten des Halbleiterschalters vermieden.
Besonders bevorzugt kann der Stufenschalter in einem Mittel- Niederspannungstransformator verwendet werden. Bei diesen ist es am ehesten möglich, einen besonders einfachen Aufbau mit vorhandenen Komponenten (COTS, components off the shelf) zu realisieren. Besonders vorteilhaft wirkt sich hierbei aus, dass die Halbleiterschalter den Strom immer nur kurzzeitig tragen müssen. Eine aufwändige Kühlung ist daher unnötig.
Bevorzugte, jedoch keinesfalls einschränkende Ausführungsbeispiele für die Erfindung werden nunmehr anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei sind die Merkmale schematisiert dargestellt und sich entsprechende Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen markiert. Die Figuren zeigen dabei im Einzelnen
Figur 1 einen ersten Transformator mit durchgehender Sekun- där-Wicklung mit Stufenschalter,
Figur 2 ein Ablaufdiagramm für die Stufenschaltung mit dem ersten Transformator, Figur 3 einen zweiten Transformator mit durchgehender Sekun- där-Wicklung mit Stufenschalter und Figur 4 ein Ablaufdiagramm für die Stufenschaltung mit dem zweiten Transformator.
Die Figuren nehmen Bezug auf Ausführungsbeispiele für Mittel- Niederspannungstransformatoren. Diese sind zweckmäßig dreiphasig ausgeführt. Für eine bessere Übersichtlichkeit stellen die Figuren aber nur eine einphasige Ausführung dar. Aus dem gleichen Grund weisen die Stufenschalter in den Ausführungsbeispielen lediglich drei Einstellungsmöglichkeiten für das Übersetzungsverhältnis auf, während tatsächlich Stufenschalter oft mehr als drei Übersetzungsverhältnisse einstellen können. Die Erfindung ist ebenso gut mit mehr als drei Über- Setzungsverhältnissen anwendbar.
Die Spannung auf Seite der Primärwicklungen soll beispielhaft etwa 10 kV betragen, während auf der Seite der Sekundärwicklung eine Spannung 400 V (dreiphasig) ausgegeben wird.
Die Figur 1 zeigt dabei einen Transformator 1 mit einem Stufenschalter. Der Transformator 1 weist neben einer in diesem Ausführungsbeispiel nicht weiter beachtlichen Primärwicklung eine durchgehende Sekundärwicklung auf. Die durchgehende Se- kundärwicklung besteht aus einem ersten bis dritten Teil
17...19. Der erste Teil 17 umfasst dabei etwa 80% der Wicklungslänge der Sekundärwicklung, während der zweite und dritte Teil jeweils ca. 10% der Wicklungslänge umfassen. Aus den relativen Anteilen an der Sekundärwicklung ergeben sich die einstellbaren Übersetzungsverhältnisse und es ist klar, dass auch ganz andere Aufteilungen der Sekundärwicklung möglich sind. Die Teile 17, 18, 19 werden definiert durch einen ersten, zweiten und dritten Abgriff 2, 3, 4, wobei der erste Abgriff 2 bei etwa 80% der Wicklungslänge der Sekundärwicklung liegt, der zweite Abgriff 3 bei etwa 90% der Wicklungslänge der Sekundärwicklung liegt und der dritte Abgriff 4 am Ende der Sekundärwicklung. Mit dem Anfang der Sekundärwicklung ist die erste Ausgangsleitung 11 des Transformators 1 verbunden. Die zweite Ausgangsleitung 12 des Transformators 1 ist auf komplexere Weise mit den Abgriffen 2, 3, 4 verbunden, um die Stufenschaltung zu realisieren.
Eine erste Verbindung 16 ist zwischen der zweiten Ausgangsleitung 12 und dem zweiten Abgriff 3 realisiert. Die erste Verbindung 16 führt dabei über einen Thyristorkreis 5, der aus zwei antiparallel geschalteten Thyristoren besteht. Der Aufbau aus zwei Thyristoren ist hierbei beispielhaft. Je nach erwarteter Belastung kann hier einer der Thyristoren repräsentierend stehen für jeweils eine Reihenschaltung und/oder Parallelschaltung aus mehreren tatsächlichen Thyristorelementen. Auch können hier statt der Thyristoren andere Elemente wie IGBTs, GTOs o.a. verwendet werden.
Weiterhin ist ein mechanischer Schalter 20 vorgesehen, dessen Mittelanschluss mit der zweiten Ausgangsleitung 12 verbunden ist. Der Schalter 20 kann eine Verbindung zwischen seinem Mittelanschluss und einer zweiten, dritten oder vierten Ver- bindung 13, 14, 15 herstellen. Die zweite Verbindung 13 verbindet den ersten Abgriff 2 und einen der Anschlüsse des mechanischen Schalters 20. Die dritte Verbindung 14 verbindet den zweiten Abgriff 3 mit einem weiteren Anschluss des Schalters und die dritte Verbindung 15 verbindet den dritten Ab- griff 4 mit einem letzten Anschluss des mechanischen Schalters 20.
An jeder der Verbindungen 14, 15, 16 sowie an der Ausgangsleitung 12 ist ein Messpunkt 7...10 vorgesehen. Eine Steue- rung 6 ist weiterhin vorgesehen. Die Steuerung 6 kann die
Spannung an den Messpunkten 7...10 ermitteln und anhand der ermittelten Werte den Thyristorkreis 5 steuern.
Der Ablauf einer beispielhaften Lastumschaltung mit dem Auf- bau gemäß Figur 1 wird nun anhand von Figur 2 erläutert. Es wird in einem ersten Schritt 21 davon ausgegangen, dass der mechanische Schalter 20 eine Verbindung zwischen der zweiten Ausgangsleitung 12 und der zweiten Verbindung 13 herstellt. Der Stromweg 26 führt also von der ersten Ausgangsleitung 11 über den ersten Teil 17 der Sekundärwicklung und die zweite Verbindung 13 zur zweiten Ausgangsleitung 12. Es werden dabei also ca. 80% der Sekundärwicklung verwendet. Die Thyristoren sind nicht gezündet.
In einem zweiten Schritt 22 wird eine Umschaltung durchgeführt. Dabei schaltet der mechanische Schalter 20 zwischen seinen Anschlüssen so um, dass anstelle des ersten Abgriffs 2 der zweite Abgriff 3 mit der zweiten Ausgangsleitung 12 verbunden wird. Während der Umschaltung übernimmt der Thyristorkreis 5 den Strom. Dies passiert unterbrechungsfrei, wobei die genaue Schaltung beispielhaft weiter unten dargestellt wird. Der Stromweg führt also während der Umschaltung von der ersten Ausgangsleitung 11 über den ersten Teil 17 der Sekundärwicklung und den zweiten Teil 18 der Sekundärwicklung. Weiter führt er über die erste Verbindung 16 und damit den Thyristorkreis 5 zur zweiten Ausgangsleitung 12. Es werden dabei also ca. 90% der Sekundärwicklung verwendet. Da der Thyristorkreis 5 in diesem Beispiel fest parallel zur dritten Verbindung 14 angeordnet ist, werden beim Umschalten immer ca. 90% der Sekundärwicklung verwendet. Sollte in einer alternativen Ausführungsmöglichkeit immer während des Umschal- tens schon so viel von der Sekundärwicklung verwendet werden, wie nach dem Umschalten geplant ist, so muss mindestens ein weiterer beispielsweise mechanischer Schalter vorgesehen werden, der ein Umschalten der Zuordnung zwischen Thyristorkreis 5 und Abgriff 2, 3, 4 erlaubt. Sobald der mechanische Schalter 20 umgeschaltet hat, wird die Zündung des Thyristorkrei- ses 5 beendet.
Nach dem Umschalten ergibt sich der Zustand, der im dritten Schritt 23 verwendet wird. Hierbei werden ca. 90% der Sekundärwicklung verwendet und der Stromweg führt von der ersten Ausgangsleitung 11 über den ersten und zweiten Teil 17, 18 der Sekundärwicklung und die dritte Verbindung 14 zur zweiten Ausgangsleitung 12. In einem vierten Schritt 24 wird wieder eine Umschaltung durchgeführt. Dabei schaltet der mechanische Schalter 20 zwischen seinen Anschlüssen so um, dass anstelle des zweiten Abgriffs 3 der dritte Abgriff 4 mit der zweiten Ausgangsleitung 12 verbunden wird. Während der Umschaltung übernimmt wiederum der Thyristorkreis 5 den Strom. Der Stromweg führt also während der Umschaltung von der ersten Ausgangsleitung 11 über den ersten Teil 17 der Sekundärwicklung und den zweiten Teil 18 der Sekundärwicklung. Weiter führt er über die erste Ver- bindung 16 und damit den Thyristorkreis 5 zur zweiten Ausgangsleitung 12. Es werden dabei also wiederum ca. 90% der Sekundärwicklung verwendet. Sobald der mechanische Schalter 20 umgeschaltet hat, wird die Zündung des Thyristorkreises 5 beendet .
Nach dem Umschalten ergibt sich der Zustand, der im fünften Schritt 23 verwendet wird. Hierbei wird die ganze Länge der Sekundärwicklung verwendet und der Stromweg führt von der ersten Ausgangsleitung 11 über den ersten, zweiten und drit- ten Teil 17, 18, 19 der Sekundärwicklung und die vierte Verbindung 15 zur zweiten Ausgangsleitung 12.
Weitere Umschaltungen werden analog ausgeführt. Dabei muss der mechanische Schalter 20 nicht zwischen benachbart liegen- den Abgriffen 2, 3, 4 umschalten, sondern die Umschaltung kann zwischen beliebigen der Abgriffe erfolgen, also beispielsweise direkt vom ersten Abgriff 2 zum dritten Abgriff 4 oder umgekehrt.
Für die Ansteuerung des Stufenschalters gibt es eine Mehrzahl von verschiedenen Möglichkeiten. Eine bevorzugte Möglichkeit für die Ansteuerung besteht darin, dass der Stufenschalter eine Steuereinrichtung besitzt, die anhand einer Spannungsmessung feststellt, dass eine Umschaltung nötig ist und den mechanischen Schalter 20 veranlasst, umzuschalten. Sehr vorteilhaft ist es, wenn die Steuerung 6 für den Thyristorkreis 5 unabhängig davon arbeitet, also sich die Steuereinrichtung für den mechanischen Schalte 20 nicht um den Thyristorkreis 5 kümmern muss. Dazu misst die Steuerung 6 die Spannungen zwischen dem Messpunkt 10 auf der zweiten Ausgangsleitung 12 und den Messpunkten 7...9 auf den Verbindungen 13...15. In einem längerfristigen Betriebszustand, d.h. im ersten, dritten oder fünften Schritt 21, 23, 25 ist eine der Spannungen Null, da der Schalter 20 zu einer der Verbindungen 13...15 geschlossen ist. Bei einer Umschaltung entsprechend dem zweiten oder vierten Schritt 22, 24 wird der mechanische Schalter 20 geöffnet, so dass alle gemessenen Spannungen ungleich 0 werden. Die Steuerung 6 zündet dann die Thyristoren des Thyristorkreises 5, so dass diese den fließenden Strom übernehmen können. Die Steuerung 6 hält die Thyristoren solange gezündet, bis der mechanische Schalter 20 wieder geschlossen ist, also eine Verbindung zu einem der Abgriffe wieder hergestellt ist. In diesem Fall wird eine der Spannungen wieder Null, was von der Steuerung 6 festgestellt wird und zur Beendigung der Zündung führt. Die Steuerung 6 für die Halbleiterschalter arbeitet also nur basierend auf der Spannungsmessung und die Steuereinrichtung für den mechanischen Schalter steuert auch nur den mechanischen Schalter ohne Rücksicht auf die Halbleiterschalter. Die beiden Steuerungen funktionieren also völlig unabhängig voneinander. Dies kann beispielsweise vorteilhaft sein, wenn eine Ansteuerung des Stufenschalters von außen, d.h. von außerhalb des Transformators erfolgen soll. Ein Be- fehl zum Umschalten kann dann nämlich von außen entgegengenommen und vom mechanischen Schalter durchgeführt werden, wobei die Schaltung der Halbleiterschalter durch die Steuerung 6 automatisch richtig durchgeführt wird. Ein Wissen über die Halbleiterschalter oder deren Steuerung von außen ist nicht erforderlich.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Steuerung 6 sowohl für die Steuerung der Halbleiterschalter als auch des mechanischen Schalters 20 auszulegen. In diesem Fall kann die Steuerung 6 auch teilweise oder ganz ohne die Spannungsmessung für die Schaltung der Halbleiterschalter auskommen, da die Zeitpunkte für das Schalten des mechanischen Schalters 20 der Steuerung 6 bekannt sind. Damit ist es beispielsweise möglich, die Zündung der Thyristoren beispielsweise eine kurze Zeit vor dem eigentlichen Schaltvorgang durchzuführen. In weiteren Alternativen könnte beispielsweise die Spannungsmessung nur für das Ausschalten der Zündung verwendet werden oder nur für das Einschalten.
Ein zweites Ausführungsbeispiel für die Erfindung wird nun anhand von Figur 3 erläutert. Dabei kommt eine Sekundärwicklung beim Transformator 50 zum Einsatz, die nicht mehr als durchgehende Wicklung ausgeführt ist. Vielmehr besteht die
Sekundärwicklung in diesem Fall aus einem ersten und zweiten, jeweils separaten Wicklungsteil 33, 34. Der zweite Wicklungsteil 34 umfasst dabei etwa 10% der Wicklungslänge des ersten Wicklungsteils 33. Auch hier ist klar, dass auch ganz andere Aufteilungen der Sekundärwicklung möglich sind. An den Wicklungsteilen 33, 34 sind ein erster, zweiter und dritter Wicklungsabgriff 38...40 vorgesehen, wobei der erste Wicklungsabgriff 38 am Ende des ersten Wicklungsteils 33 liegt, der zweite Wicklungsabgriff 39 am Beginn des zweiten Wicklungs- teils 34 und der dritte Wicklungsabgriff 40 am Ende des zweiten Wicklungsteils 34. Mit dem Anfang des ersten Wicklungsteils 33 ist die erste Ausgangsleitung 31 des Transformators 1 verbunden. Die zweite Ausgangsleitung 32 des Transformators 50 ist auf komplexere Weise mit den Abgriffen Wicklungsab- griffen 38...40 verbunden, um die Stufenschaltung zu realisieren .
Eine erste Verbindung 51 ist zwischen der zweiten Ausgangsleitung 32 und dem ersten Wicklungsabgriff 38 realisiert. Die erste Verbindung 51 führt dabei über einen Thyristorkreis 37, der aus zwei antiparallel geschalteten Thyristoren besteht. Der Aufbau aus zwei Thyristoren ist auch hier hierbei beispielhaft .
Weiterhin ist ein erster Schalter 35 vorgesehen, dessen Mit- telanschluss mit der zweiten Ausgangsleitung 32 verbunden ist. Der erste Schalter 35 kann eine Verbindung zwischen seinem Mittelanschluss und einem ersten oder zweiten Anschluss- punkt 35a, b herstellen. Der erste Anschlusspunkt 35a des ersten Schalters 35 ist direkt verbunden mit einem ersten Anschlusspunkt 36a eines zweiten Schalters 36. Der zweite Anschlusspunkt 35b des ersten Schalters 35 ist direkt verbunden mit einem zweiten Anschlusspunkt 36b des zweiten Schalters 36. Der Mittelanschluss des zweiten Schalters 26 ist verbunden mit dem ersten Wicklungsabgriff 38. Der erste Anschlusspunkt 35a, 336a beider Schalter 35, 36 ist verbunden mit dem zweiten Wicklungsabgriff 39 und somit mit dem Anfang des zweiten Wicklungsteils 34, während das Ende des zweiten Wicklungsteils 34, d.h. der dritte Wicklungsabgriff 40 mit dem zweiten Anschlusspunkt 35b, 36b der beiden Schalter 35, 36 verbunden ist.
Mit dem Aufbau gemäß der Figur lässt sich beispielhaft ein relatives Übersetzungsverhältnis von ca. 0,9, 1 und 1,1 erreichen, wobei nur ein separater zweiter Wicklungsteil 34 nötig ist. Dabei wird wie im Folgenden beschrieben anhand von Figur 4 der zweite Wicklungsteil 34 zu bestimmten Zeiten in umgekehrter Anschlusspolarität verwendet. Figur 4 zeigt anhand von einem ersten bis neunten Schritt 41...49 die Lastum- schaltung mit dem Aufbau gemäß der Figur 3.
Es wird in einem ersten Schritt 41 davon ausgegangen, dass der erste Schalter 35 eine Verbindung zwischen der zweiten
Ausgangsleitung 32 und seinem ersten Anschlusspunkt 35a herstellt, während der zweite Schalter 36 eine Verbindung zwischen dem ersten Wicklungsabgriff 38 und seinem zweiten Anschlusspunkt 36b herstellt. Die Schalterstellungen stellen letztlich eine Verbindung zwischen der zweiten Ausgangsleitung 32 und dem zweiten Wicklungsabgriff 39 sowie zwischen dem dritten Wicklungsabgriff 40 und dem ersten Wicklungsabgriff 38 her. Der Stromweg 52 im ersten Schritt 41 führt also von der ersten Ausgangsleitung 31 über den ersten Wicklungs- teil 33 der Sekundärwicklung, über den zweiten Schalter 36 und den dritten Wicklungsabgriff 40 durch den zweiten Wicklungsteil 34 und von dort aus über den zweiten Wicklungsabgriff 39 und den ersten Schalter 35 zur zweiten Ausgangslei- tung 32. In diesem Fall ist die Verschaltung so, dass der zweite Wicklungsteil 34 „rückwärts" betrieben wird, also in gegenläufigem Sinne zum ersten Wicklungsteil 33. Im Ergebnis bedeutet das, dass das Übersetzungsverhältnis des Transforma- tors 50 so ist, als würde nur etwa 90% der Sekundärwicklung verwendet .
In einem zweiten Schritt 42 wird eine Umschaltung durchgeführt. Dabei schaltet der erste Schalter 35 zwischen seinen Anschlüssen 35a, b um, so dass nun anstelle des zweiten Wicklungsabgriffs 39 der erste Wicklungsabgriff 38 mit der zweiten Ausgangsleitung 32 verbunden wird. Während der Umschaltung übernimmt der Thyristorkreis 37 den Strom. Dies passiert wiederum zweckmäßig unterbrechungsfrei, wobei bezüglich der Ansteuerung der Thyristoren die gleichen Vorgehensweisen möglich sind wie beim Beispiel gemäß der Figur 1. Der Stromweg führt also während der Umschaltung von der ersten Ausgangsleitung 11 über den Wicklungsteil 33 und den Thyristorkreis 37 zur zweiten Ausgangsleitung 32. Es wird dabei also der erste Wicklungsteil 33 zu 100% verwendet. Sobald der erste Schalter 35 umgeschaltet hat, wird die Zündung des Thyristorkreises 37 beendet.
Nach dem Umschalten ergibt sich der Zustand, der im dritten Schritt 43 verwendet wird. Hierbei werden 100% des ersten Wicklungsteils 33 verwendet und der Stromweg führt von der ersten Ausgangsleitung 11 über den ersten Wicklungsteil 33 und die direkte Verbindung zwischen den zweiten Anschlusspunkten 35b, 36b der beiden Schalter 35, 36 zur zweiten Aus- gangsleitung 32. Der zweite Wicklungsteil 34 ist in diesem Fall nur einseitig verbunden und wird nicht verwendet.
In einem vierten Schritt 44 wird eine weitere Umschaltung durchgeführt. Dabei schaltet diesmal der zweite Schalter 36 zwischen seinen Anschlüssen 36a, b um, so dass nun anstelle der direkten Verbindung zwischen den zweiten Anschlusspunkten 35b, 36b der beiden Schalter 35, 36 eine Verbindung zwischen dem ersten und zweiten Wicklungsabgriff 38, 39 hergestellt wird. Während der Umschaltung übernimmt der Thyristorkreis 37 wieder den Strom. Der Stromweg führt während der Umschaltung wieder von der ersten Ausgangsleitung 11 über den Wicklungsteil 33 und den Thyristorkreis 37 zur zweiten Ausgangsleitung 32. Es wird dabei also der erste Wicklungsteil 33 zu 100% verwendet. Sobald der zweite Schalter 36 umgeschaltet hat, wird die Zündung des Thyristorkreises 37 beendet.
Nach dem Umschalten ergibt sich der Zustand, der im fünften Schritt 45 verwendet wird. Der Stromweg führt von der ersten Ausgangsleitung 11 über den ersten Wicklungsteil 33 und die direkte Verbindung zwischen dem ersten und zweiten Wicklungsabgriff 38, 39 durch den zweiten Schalter 36 über den zweiten Wicklungsteil 34 und von dort zur zweiten Ausgangsleitung 32. Der zweite Wicklungsteil 34 wird in diesem Fall also in Reihe und gleichlaufend zum ersten Wicklungsteil 33 verwendet, so dass in diesem Schritt 45 effektiv etwa 110% der Wicklungslänge des ersten Wicklungsteils 33 verwendet wird.
In einem sechsten Schritt 46 wird eine weitere Umschaltung durchgeführt. Diesmal schaltet der erste Schalter 35 zwischen seinen Anschlüssen 35a, b um, so dass nun anstelle des zweiten Wicklungsabgriffs 39 der erste Wicklungsabgriff 38 mit der zweiten Ausgangsleitung 32 verbunden wird. Während der Umschaltung übernimmt der Thyristorkreis 37 den Strom. Der Stromweg führt also während der Umschaltung von der ersten Ausgangsleitung 11 über den Wicklungsteil 33 und den Thyristorkreis 37 zur zweiten Ausgangsleitung 32. Es wird dabei also der erste Wicklungsteil 33 zu 100% verwendet. Sobald der erste Schalter 35 umgeschaltet hat, wird die Zündung des Thyristorkreises 37 beendet.
Nach dem Umschalten ergibt sich der Zustand, der im siebten Schritt 47 verwendet wird. Hierbei werden 100% des ersten Wicklungsteils 33 verwendet und der Stromweg führt von der ersten Ausgangsleitung 11 über den ersten Wicklungsteil 33 und die direkte Verbindung zwischen den ersten Anschlusspunkten 35a, 36a der beiden Schalter 35, 36 zur zweiten Ausgangs- leitung 32. Der zweite Wicklungsteil 34 ist in diesem Fall nur einseitig verbunden und wird nicht verwendet.
In einem achten Schritt 48 wird eine weitere Umschaltung durchgeführt. Dabei schaltet diesmal der zweite Schalter 36 zwischen seinen Anschlüssen 36a, b um, so dass nun anstelle der direkten Verbindung zwischen den ersten Anschlusspunkten 35a, 36a der beiden Schalter 35, 36 eine Verbindung zwischen dem ersten und dritten Wicklungsabgriff 38, 40 hergestellt wird. Während der Umschaltung übernimmt der Thyristorkreis 37 wieder den Strom. Der Stromweg führt während der Umschaltung wieder von der ersten Ausgangsleitung 11 über den Wicklungsteil 33 und den Thyristorkreis 37 zur zweiten Ausgangsleitung 32. Es wird dabei also der erste Wicklungsteil 33 zu 100% verwendet. Sobald der zweite Schalter 36 umgeschaltet hat, wird die Zündung des Thyristorkreises 37 beendet. Nach dem Umschalten ergibt sich im neunten Schritt 49 wieder der Ausgangszustand, der also auch im ersten Schritt 41 verwendet wurde .

Claims

Patentansprüche
1. Stufenschalter für Mittel-Niederspannungstrafos (1, 50) mit - einer ersten Teilwicklung (17, 33),
- wenigstens einer zweiten Teilwicklung (18, 19, 34),
- wenigstens einem Schaltelement (20, 35, 36) zur Schaltung der elektrischen Verbindung eines Mittelanschlusses mit einem von wenigstens zwei Anschlüssen (35a, b, 36a, b) , wobei die Anschlüsse (35a, b, 36a, b) wenigstens teilweise mit der ersten oder zweiten Teilwicklung (17...19, 33, 34) verbunden sind, und
- wenigstens einem Halbleiterschalter (5, 37), der elektrisch eingangsseitig mit dem Mittelanschluss des Schaltelements (20, 35, 36) und ausgangsseitig mit einem der Anschlüsse (35a, b, 36a, b) verbunden ist.
2. Stufenschalter gemäß Anspruch 1, bei dem weiterhin Mittel zur Bestimmung eines den Schaltzustand des Schaltelements (20, 35, 36) repräsentierenden Werts vorgesehen sind.
3. Stufenschalter gemäß Anspruch 2, bei dem die Mittel zur Bestimmung eines den Schaltzustand des Schaltelements (20, 35, 36) repräsentierenden Werts Mittel zur Bestimmung der Spannung zwischen dem Mittelanschluss und einem der Anschlüsse (35a, b, 36a, b) umfassen.
4. Stufenschalter gemäß Anspruch einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Schalelement (20, 35, 36) ein mechani- scher Schalter (20, 35, 36) ist.
5. Stufenschalter gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Schaltelement (20, 35, 36) eine offene Schalterstellung aufweist, in der keine Verbindung hergestellt wird.
6. Stufenschalter gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Halbleiterschalter (5, 37) zwei antiparallel geschaltete Halbleiterschaltelemente umfasst.
7. Stufenschalter gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Teilwicklungen (17...19) Teile einer zusammenhängenden Transformatorwicklung sind, die wenigstens zwei Ab- griffe (2...4) aufweist.
8. Stufenschalter gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Teilwicklungen (33, 34) getrennte Wicklungen sind.
9. Stufenschalter gemäß Anspruch 8 mit zwei Schaltelementen (35, 36) .
10. Stufenschalter gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Halbleiterschalter (5, 37) abschaltbare Halbleiter- schaltelemente aufweist, insbesondere Transistoren, GTOs oder IGCTs.
11. Stufenschalter gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem als Halbleiterschalter (5, 37) ein Thyristorkreis (5, 37) vorgesehen ist.
12. Stufenschalter gemäß einem der Ansprüche 2 bis 11, bei dem die Steuerung des Halbleiterschalters (5, 37) unabhängig von der Steuerung des Schaltelements (20, 35, 36) realisiert wird, indem ein Einschalten und Ausschalten des Halbleiterschalters (5, 37) anhand des Schaltzustandes des Schaltelements (20, 35, 36) bewirkt wird.
13. Stufenschalter gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Steuerung des Halbleiterschalters (5, 37) ausgestaltet ist, den Halbleiterschalter (5, 37) wie ein Sanftstarter anzusteuern.
14. Stufenschalter gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, derart ausgestaltet, dass das Einschalten des Halbleiterschalters (5, 37) phasengesteuert erfolgt, so dass eine Kurzschlussdauer der Teilwicklungen (17...19, 33, 34) minimiert wird.
15. Stufenschalter gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem Mittel zur Bestimmung des Stroms im Bereich des Schaltelements (20, 35, 36) oder Halbleiterschalters (5, 37) vorgesehen sind.
16. Stufenschalter gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem in Serie zum Schaltelement (20, 35, 36) und/oder Halbleiterschalter (5, 37) eine Induktivität oder ein Wider- stand vorgesehen ist.
17. Mittel-Niederspannungstransformator (1, 50) mit einem Stufenschalter gemäß einem der vorangehenden Ansprüche.
18. Verfahren zum Betrieb eines Stufenschalters für Mittel- Niederspannungstrafos (1, 50) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Laststrom über ein Schaltelement (20, 35, 36) für eine Lastumschaltung geführt wird und ermittelt wird, wann eine Lastumschaltung erforderlich ist, und für die Lastumschaltung:
- ein Halbleiterschalter (5, 37) eingeschaltet wird, um den Laststrom während des Umschaltens des Schaltelements (20, 35, 36) zu übernehmen,
- wenn der Strom durch das Schaltelement (20, 35, 36) Null wird, die Umschaltung des Schaltelements (20, 35, 36) vorgenommen wird.
19. Verfahren gemäß Anspruch 18, bei dem der Strom durch das Schaltelement (20, 35, 36) gemessen wird.
20. Verfahren gemäß Anspruch 18 oder 19, bei dem das Einschalten des Halbleiterschalters (5, 37) vorgenommen wird, wenn die Spannung über den Halbleiterschalter (5, 37) gerade Null ist.
21. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 18 bis 20, bei dem die Umschaltung des Schaltelements (20, 35, 36) derart vorgenommen wird, dass das Schließen des Schaltelements (20, 35, 36) zu einem Zeitpunkt passiert, an dem die Spannung über das Schaltelement (20, 35, 36) der Spannung über den eingeschalteten Halbleiterschalter (5, 37) entspricht.
PCT/EP2009/067198 2008-12-22 2009-12-15 Stufenschalter für mittel-niederspannungstransformatoren Ceased WO2010072622A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102008064485.4 2008-12-22
DE200810064485 DE102008064485A1 (de) 2008-12-22 2008-12-22 Stufenschalter für Mittel-Niederspannungstransformatoren

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2010072622A1 true WO2010072622A1 (de) 2010-07-01

Family

ID=41559612

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2009/067198 Ceased WO2010072622A1 (de) 2008-12-22 2009-12-15 Stufenschalter für mittel-niederspannungstransformatoren

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102008064485A1 (de)
WO (1) WO2010072622A1 (de)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2669920A1 (de) 2012-05-30 2013-12-04 Siemens Aktiengesellschaft Schaltanlage
CN110853901A (zh) * 2019-11-25 2020-02-28 常熟理工学院 多级电压输出自耦变压器的防短路装置
CN115443514A (zh) * 2020-04-22 2022-12-06 赖茵豪森机械制造公司 用于限制有载分接开关中的短路电流的设备以及具有所述设备的有载分接开关

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2850624B1 (de) 2012-05-14 2016-04-13 Siemens Aktiengesellschaft Transformator mit buchsenfach

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR1414373A (fr) * 1964-11-16 1965-10-15 Liebknecht Transformat Commutateur de charge pour transformateurs et bobines de reaction
US4622513A (en) * 1984-09-28 1986-11-11 Siemens Energy & Automation, Inc. Gating of the thyristors in an arcless tap changing regulator
DE19518272C1 (de) * 1995-05-18 1996-10-24 Reinhausen Maschf Scheubeck Stufenschalter

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AT400496B (de) * 1987-06-25 1996-01-25 Elin Oltc Gmbh Stufenschalter Thyristor-lastumschalter
DE102004046926B3 (de) * 2004-09-28 2006-01-19 Maschinenfabrik Reinhausen Gmbh Einrichtung zur Regelung der elektrischen Spannung

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR1414373A (fr) * 1964-11-16 1965-10-15 Liebknecht Transformat Commutateur de charge pour transformateurs et bobines de reaction
US4622513A (en) * 1984-09-28 1986-11-11 Siemens Energy & Automation, Inc. Gating of the thyristors in an arcless tap changing regulator
DE19518272C1 (de) * 1995-05-18 1996-10-24 Reinhausen Maschf Scheubeck Stufenschalter

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
AINETTER J ET AL: "HYBRIDER TRANSFORMATORSTUFENSCHALTER TADS - EIN ZUKUNFTWEISENDES KONCEPT ZUR VERLAENGERUNG DER WARTUNGSINTERVALLE", ELEKTROTECHNIK UND INFORMATIONSTECHNIK, SPRINGER VERLAG, WIEN, AT, vol. 116, no. 11, 1 January 1999 (1999-01-01), pages 636 - 641, XP000947192, ISSN: 0932-383X *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2669920A1 (de) 2012-05-30 2013-12-04 Siemens Aktiengesellschaft Schaltanlage
WO2013178413A1 (de) 2012-05-30 2013-12-05 Siemens Aktiengesellschaft Schaltanlage
US9837224B2 (en) 2012-05-30 2017-12-05 Siemens Aktiengesellschaft Switchgear assembly
CN110853901A (zh) * 2019-11-25 2020-02-28 常熟理工学院 多级电压输出自耦变压器的防短路装置
CN115443514A (zh) * 2020-04-22 2022-12-06 赖茵豪森机械制造公司 用于限制有载分接开关中的短路电流的设备以及具有所述设备的有载分接开关

Also Published As

Publication number Publication date
DE102008064485A1 (de) 2010-06-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2361435B1 (de) Transformator zur transformation zwischen mittel- und niederspannung mit stufenschaltung und verfahren zu dessem betrieb
DE102010008973B4 (de) Stufenschalter des Hybridtyps mit Halbleiterschaltelementen
EP2319058B1 (de) Verfahren zur unterbrechungslosen umschaltung zwischen wicklungsanzapfungen eines stufentransformators
EP3510618B1 (de) Schutzschaltgerät
DE102012107446B4 (de) Lastumschalter, Laststufenschalter und Verfahren zum Umschalten eines Laststufenschalters
EP1638196B1 (de) Anordnung zur Versorgung von veränderlichen Lasten
EP3050066B1 (de) Schaltanordnung mit vorwähler
WO2010072622A1 (de) Stufenschalter für mittel-niederspannungstransformatoren
WO2012062408A1 (de) Stufenschalter
DE102012107080B3 (de) Stufenschalter
EP3050067B1 (de) Stufenschalter
WO2014056694A1 (de) Laststufenschalter mit ticklerwindung und verfahren zum betrieb eines laststufenschalters
WO2020078599A1 (de) Laststufenschalter, stufentransformator zur spannungsregelung und verfahren zur durchführung einer umschaltung im stufentransformator
EP3365906B1 (de) Regelbarer ortsnetztransformator
AT501582B1 (de) Verfahren zur regelung der elektrischen spannung in elektrischen versorgungsnetzen sowie einrichtung zur durchführung des verfahrens
EP2831894B1 (de) Ortsnetz-transformator
DE102014117810A1 (de) Laststufenschalter
EP3262664A1 (de) Verfahren zum ändern der aktiven windungszahl einer regelwicklung in einer elektrischen anlage und elektrische anlage mit einer regelwicklung
WO2008049680A1 (de) Reaktanzvorschalteinrichtung
EP2989646B1 (de) Regelbarer ortsnetztransformator
DE2847391A1 (de) Kontaktloser netzstabilisator
WO2023072494A1 (de) Wandler und verfahren zum angleichen eines ist-übersetzungsverhältnisses an ein soll-übersetzungsverhältnis
DE2221830C3 (de) Steuerung für in Reihe zu den beiden Wählerarmen von Stufenschalteinrichtungen in Transformatoren vorgesehenen Thyristor-Lastumschaltern
WO1999053602A9 (de) Stromrichter mit aktiv beeinflussbarer kommutierung
DE2003638B2 (de) Schaltungsanordnung zur bildung einer steuerbaren wechselspannung

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 09795401

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 09795401

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1