WO2012072181A1 - Stufenschalter und vakuumschaltröhre für einen solchen stufenschalter - Google Patents

Stufenschalter und vakuumschaltröhre für einen solchen stufenschalter Download PDF

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vacuum
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vacuum interrupter
switching
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Christian Hammer
Werner Hartmann
Silvio Kosse
Andreas Lawall
Roman Renz
Andreas Stelzer
Jörg Teichmann
Norbert Wenzel
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Maschinenfabrik Reinhausen Gmbh
Siemens Ag
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01H33/666—Operating arrangements
    • H01H2033/6668—Operating arrangements with a plurality of interruptible circuit paths in single vacuum chamber

Definitions

  • the invention relates to a tap changer with vacuum interrupters for uninterrupted
  • the invention further relates to a particularly suitable for such a tap changer novel vacuum interrupter.
  • a tap changer which has a total of four vacuum interrupters per phase.
  • each of the two load branches are each a vacuum interrupter as
  • Overload resistor designed as a resistance contact.
  • the main contact of the disconnecting side is first opened, then closes the resistor contact the receiving side, so that between the two stages n and n + 1 through the switching resistors limited compensating current flows. After the previously closed resistance contact has opened the disconnecting side, then closes the main contact of the receiving side, so that the entire load current from the new winding tapping n + 1 leads to the load dissipation; the switching is completed.
  • Load branch and the load dissipation nor mechanical switching elements are provided.
  • the known tap changers require four separate vacuum interrupters per phase.
  • the disadvantage is first of all the high space requirement for these vacuum interrupters themselves and the associated actuating mechanism.
  • the high component cost due to the high component cost, such known constructions are relatively expensive.
  • the object of the invention is to provide a tap changer, which is constructed simpler with the same functionality, in which the switching elements require less space, continue to be cheaper.
  • the tap changer according to the invention is based on the general idea, in each case the main contact in a load branch and the resistance contact in the other load branch to a single
  • the vacuum interrupter according to the invention is also based on the general idea, by combining a design of a tube with only one movable contact system and two Alternatively, in the manner of a switch, contactable fixed contacts to combine the functionality of two tubes in a tap changer.
  • the novel vacuum interrupter tube is simple; In particular, it has no internal contact pressure springs or sliding contacts.
  • Particularly advantageous in the case of the vacuum interrupter according to the invention is only a movable contact system, which occupies little space and requires only simple actuation mechanism.
  • Vacuum interrupters with two contact points are already known per se.
  • DE 3344376 relates to a vacuum interrupter with two electrically connected in series
  • DE 197 56 308 C1 relates to a similar vacuum interrupter with two arranged on a common axis switching sections, wherein internal contact pressure springs are provided.
  • EP 0 258 614 B1 describes the combination of a vacuum interrupter and a specific circuit on a tap changer. Here, several switching paths are arranged in a vacuum space, which causes a complicated structure of the vacuum interrupter with annular fixed contacts.
  • DE 10 2006 033 422 B3 describes a further vacuum interrupter with multiple functionality, in which case also both annular fixed contacts and internal ones
  • FIG. 1 shows a tap changer according to the prior art
  • Figure 2 shows a switching sequence of such a known tap changer
  • FIG 4 shows a tap changer according to the invention with two inventive
  • Vacuum interrupters in a schematic representation
  • FIG. 5 shows another tap changer according to the invention
  • FIG. 1 shows a known tap changer. It has a first load branch, in which acting as a main contact vacuum interrupter MSV a and in parallel thereto
  • Overload resistor R a and acting as a resistance contact vacuum interrupter TTV a are.
  • the second load branch quite analogously has a vacuum interrupter MSV b and, in parallel with this, another overvoltage resistor R b and a vacuum interrupter TTV b .
  • the known tap changer thus has two vacuum switching cells per load branch, thus four vacuum switching cells per phase in total.
  • Figure 2 shows the switching sequence of such a known tap changer when switching from the winding tap n to the winding tapping n + 1. The starting position at which the
  • Switching elements Switching takes place in the following steps:
  • FIG. 3 shows a vacuum interrupter combined according to the invention.
  • an upper movable plunger 2 Centrally in the rotationally symmetrical longitudinal axis s1 is an upper movable plunger 2 and at the opposite end a lower fixed contact terminal 3 is provided.
  • the movable plunger 2 carries at its inner free end a movable contact piece 4.
  • the fixed lower contact terminal 3 in turn carries a fixed contact piece 5.
  • Contact piece 4 is a circumferential annular fixed contact arrangement 6 is provided, which is perpendicular to the rotationally symmetrical longitudinal axis s1 in the plane shown here horizontally s2.
  • a fixed contact 8 is fixed, which is soldered, for example. This fixed contact 8 is in an end position of the movable plunger 2 of the
  • Contact piece 4 can be connected. In the other end position of this contact piece 4 connects the fixed contact piece 5 of the lower contact terminal 3.
  • the movable contact piece 4 can thus beschaltten in the manner of a switch either both the fixed contact 8 and the fixed contact piece 5.
  • Vacuum interrupters achieves several advantages: the number of necessary vacuum interrupters is de facto halved; correspondingly lower is the space required for these switching elements. The costs are also falling. This is achieved by the vacuum interrupter used in the invention, which is designed as a "tandem tube" namely two separate switching contacts, but contains only a single movable contact system.
  • the vacuum interrupter according to the invention is simple; In contrast to the solutions known from the prior art, it requires neither internal contact pressure springs nor complicated operating mechanisms or special filigree contact formations.
  • FIG 4 shows a schematic representation of a tap changer with two load branches, as has already been explained in Figure 1 and 2. It can be seen that according to the invention, the vacuum contact tube MSVa of the first load branch acting as the main contact and the vacuum interrupter TTVb of the second load branch acting as a resistance contact of the first load branch in a first invention
  • Vacuum interrupter V2 united.
  • Contact piece 4 assumes the function of TTVb.
  • the contact path between fixed contact piece 5 and movable contact piece 4 assumes the function of MSVb, while the contact distance between fixed contact 8 and movable contact piece 4 takes over the function of TTVa.
  • other circuits of the contact sections of the two vacuum interrupters V1, V2 are possible within the scope of the invention.
  • FIG. 5 shows a further tap changer according to the invention, in which mechanical switching elements (MDC a , MDC b ) are additionally provided, which serve for galvanic isolation of the load branch not leading to the load current.
  • MDC a , MDC b mechanical switching elements
  • Vacuum interrupters are each required with only one movable, driven contact piece to replace a total of four separate contacts in the two load branches.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • High-Tension Arc-Extinguishing Switches Without Spraying Means (AREA)
  • Housings And Mounting Of Transformers (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Stufenschalter zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen Wicklungsanzapfungen eines Stufentransformators, wobei für jede zu schaltende Phase zwei Lastzweige vorgesehen sind und jeder Lastzweig einen als Hauptkontakt wirkenden Vakuumschaltkontakt und parallel dazu mindestens eine Reihenschaltung aus einem Überschaltwiderstand und jeweils einem weiteren Vakuumschaltkontakt aufweist. Dabei sind jeweils ein Vakuumschaltkontakt jedes Lastzweiges baulich zu einer einzigen Vakuumschaltröhre mit zwei separaten festen, wahlweise beschaltbaren festen Kontakten (5, 8) und einem einzigen beweglichen Kontakt (4) vereinigt.

Description

Stufenschalter und Vakuumschaltröhre für einen solchen Stufenschalter
Die Erfindung betrifft einen Stufenschalter mit Vakuumschaltröhren zur unterbrechungslosen
Umschaltung zwischen Wicklungsanzapfungen eines Stufentransformators.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine für einen solchen Stufenschalter besonders geeignete neuartige Vakuumschaltröhre.
Aus der DE 20 21 575 ist ein Stufenschalter bekannt, der insgesamt vier Vakuumschaltröhren pro Phase aufweist. In jedem der beiden Lastzweige sind jeweils eine Vakuumschaltröhre als
Hauptkontakt und jeweils eine weitere Vakuumschaltröhre, in Reihenschaltung mit einem
Überschaltwiderstand, als Widerstandskontakt vorgesehen.
Bei einer unterbrechungslosen Lastumschaltung von der bisherigen Wicklungsanzapfung n auf eine neue, vorgewählte Wicklungsanzapfung n+1 wird zunächst der Hauptkontakt der abschaltenden Seite geöffnet, darauf schließt der Widerstandskontakt der übernehmenden Seite, so dass zwischen den beiden Stufen n und n+1 ein durch die Überschaltwiderstände begrenzter Ausgleichsstrom fließt. Nachdem der bisher geschlossene Widerstandskontakt der abschaltenden Seite geöffnet hat, schließt dann der Hauptkontakt der übernehmenden Seite, so dass der gesamte Laststrom von der neuen Wicklungsanzapfung n+1 zur Lastableitung führt; die Umschaltung ist beendet.
In der nicht vorveröffentlichten DE 10 2009 048 813 ist ein weiterer Stufenschalter beschrieben, bei dem zusätzlich zwischen der elektrischen Verbindung der beiden Vakuumschaltröhren jedes
Lastzweiges und der Lastableitung noch mechanische Schaltelemente vorgesehen sind. Die bekannten Stufenschalter benötigen vier separate Vakuumschaltröhren pro Phase.
Nachteilig ist zunächst einmal der hohe Platzbedarf für diese Vakuumschaltröhren selbst sowie die dazugehörige Betätigungsmechanik. Zudem sind, bedingt durch den hohen Bauteileaufwand, solche bekannte Konstruktionen relativ teuer. Aufgabe der Erfindung ist es, einen Stufenschalter anzugeben, der bei gleicher Funktionalität einfacher aufgebaut ist, bei dem die Schaltelemente weniger Platz benötigen, weiterhin preiswerter sind.
Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vakuumschaltröhre anzugeben, die besonders vorteilhaft für einen solchen weiter entwickelten Stufenschalter verwendbar ist.
Dem erfindungsgemäßen Stufenschalter liegt die allgemeine Idee zugrunde, jeweils den Hauptkontakt in einem Lastzweig und den Widerstandskontakt im anderen Lastzweig zu einer einzigen
Vakuumschaltröhre zu vereinigen.
Der erfindungsgemäßen Vakuumschaltröhre liegt darüber hinaus die allgemeine Idee zugrunde, durch die Kombination einer Bauform einer Röhre mit nur einem beweglichen Kontaktsystem und zwei alternativ, nach Art eines Umschalters, kontaktierbaren festen Kontakten die Funktionalität von zwei Röhren bei einem Stufenschalter zu kombinieren. Dabei ist die neuartige Vakuumschaltröhre einfach aufgebaut; sie besitzt insbesondere keine innenliegenden Kontaktdruckfedern oder Gleitkontakte. Besonders vorteilhaft bei der erfindungsgemäßen Vakuumschaltröhre ist das nur eine bewegliche Kontaktsystem, das wenig Platz einnimmt und eine nur einfache Betätigungsmechanik erfordert.
Vakuumschaltröhren mit zwei Kontaktstellen sind an sich bereits bekannt.
Die DE 3344376 betrifft eine Vakuumschaltröhre mit zwei elektrisch in Reihe geschalteten
Kontaktpaaren in einem einzigen Vakuumraum, die gleichzeitig betätigbar sind.
Die DE 197 56 308 C1 betrifft eine ähnliche Vakuumschaltröhre mit zwei auf einer gemeinsamen Achse angeordneten Schaltstrecken, wobei innenliegende Kontaktdruckfedern vorgesehen sind. Die EP 0 258 614 B1 beschreibt die Kombination einer Vakuumschaltröhre und einer spezifischen Beschaltung an einem Stufenschalter. Hierbei sind mehrere Schaltstrecken in einem Vakuumraum angeordnet, was einen komplizierten Aufbau der Vakuumschaltröhre mit ringförmigen Festkontakten bedingt.
Die DE 10 2006 033 422 B3 schließlich beschreibt eine weitere Vakuumschaltröhre mit mehrfacher Funktionalität, wobei auch hier sowohl ringförmige Festkontakte als auch innenliegende
Kontaktdruckfedern erforderlich sind.
Keine dieser bekannten Lösungen ist für einen erfindungsgemäßen Stufenschalter geeignet.
Die Erfindung soll nachfolgend beispielhaft an Hand von Zeichnungen noch näher erläutert werden.
Es zeigen: Figur 1 einen Stufenschalter nach dem Stand der Technik
Figur 2 eine Umschaltsequenz eines solchen bekannten Stufenschalters
Figur 3 eine erfindungsgemäße Vakuumschaltröhre
Figur 4 einen erfindungsgemäßen Stufenschalter mit zwei erfindungsgemäßen
Vakuumschaltröhren in schematischer Darstellung
Figur 5 einen weiteren erfindungsgemäßen Stufenschalter
In Figur 1 ist ein bekannter Stufenschalter gezeigt. Er weist einen ersten Lastzweig auf, in dem sich eine als Hauptkontakt wirkende Vakuumschaltröhre MSVa sowie parallel dazu ein
Überschaltwiderstand Ra sowie eine als Widerstandskontakt wirkende Vakuumschaltröhre TTVa befinden. Der zweite Lastzweig besitzt ganz analog eine Vakuumschaltröhre MSVb sowie parallel dazu einen weiteren Überschaltwiderstand Rb und eine Vakuumschaltröhre TTVb. Der bekannte Stufenschalter besitzt also zwei Vakuumschaltzellen pro Lastzweig, mithin vier Vakuumschaltzellen pro Phase insgesamt. Figur 2 zeigt die Schaltsequenz eines solchen bekannten Stufenschalters bei der Umschaltung von der Wicklungsanzapfung n auf die Wicklungsanzapfung n+1. Die Ausgangslage, bei der die
Anzapfung n beschaltet ist, entspricht der in Figur 1 dargestellten Stellung der einzelnen
Schaltelemente. Die Umschaltung erfolgt in folgenden Schritten:
- MSVa öffnet
- TTVb schließt
- TTVa öffnet
MSVb schließt; die Umschaltung ist abgeschlossen. Figur 3 zeigt eine erfindungsgemäß zusammengefasste Vakuumschaltröhre.
Dabei ist ein gemeinsames, die gesamte Vakuumschaltröhre umschließendes Gehäuse 1
vorgesehen. Zentrisch in der rotationssymmetrischen Längsachse s1 ist ein oberer beweglicher Stößel 2 und am entgegengesetzten Ende ist ein unterer fester Kontaktanschluss 3 vorgesehen. Der bewegliche Stößel 2 trägt an seinem inneren freien Ende ein bewegliches Kontaktstück 4. Der feste untere Kontaktanschluss 3 trägt seinerseits ein festes Kontaktstück 5. Oberhalb des beweglichen
Kontaktstückes 4 ist eine umlaufende ringförmige feststehende Kontaktanordnung 6 vorgesehen, die sich senkrecht zur rotationssymmetrischen Längsachse s1 in der hier waagerecht dargestellten Ebene s2 befindet. An der Kontaktanordnung 6 ist ein fester Kontakt 8 befestigt, der beispielsweise angelötet ist. Dieser feste Kontakt 8 ist in einer Endstellung des beweglichen Stößels 2 von dessen
Kontaktstück 4 beschaltbar. In der anderen Endstellung beschaltet dieses Kontaktstück 4 das feststehende Kontaktstück 5 des unteren Kontaktanschlusses 3. Das bewegliche Kontaktstück 4 kann also nach Art eines Umschalters wahlweise sowohl den feststehenden Kontakt 8 als auch das feststehende Kontaktstück 5 beschälten. Dargestellt sind Balg 7 sowie obere und untere Keramik 9, 10 sowie im Inneren des Gehäuses 1 ein oberer Dampfschirm 11 und ein unterer Dampfschirm 12.
Insgesamt werden beim erfindungsgemäßen Stufenschalter mit erfindungsgemäßen
Vakuumschaltröhren mehrere Vorteile erreicht: Die Zahl der notwendigen Vakuumschaltröhren wird de facto halbiert; entsprechend geringer ist der notwendige Platzbedarf für diese Schaltelemente. Die Kosten sinken ebenfalls. Dies wird durch die erfindungsgemäße verwendete Vakuumschaltröhre erreicht, die als„Tandemröhre" ausgebildet ist und zwar zwei separate schaltende Kontakte, aber nur ein einziges bewegliches Kontaktsystem enthält.
Dabei ist die erfindungsgemäße Vakuumschaltröhre einfach aufgebaut; im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen benötigt sie weder innerliegende Kontaktdruckfedern noch komplizierte Betätigungsmechanismen oder spezielle, filigrane Kontaktausbildungen.
Figur 4 zeigt in schematischer Darstellung einen Stufenschalter mit zwei Lastzweigen, wie er in Figur 1 und 2 bereits erläutert worden ist. Es ist zu sehen, dass hier erfindungsgemäß die als Hauptkontakt wirkende Vakuumschaltröhre MSVa des ersten Lastzweiges und die als Widerstandskontakt wirkende Vakuumschaltröhre TTVb des zweiten Lastzweiges in einer ersten erfindungsgemäßen
Vakuumschaltrfthrfi V1 vfirpinint sind Fh<=>nsn cinH orfinHi mncnomäfi. Hi<=> als Hanntknntakt wirkpndo Vakuumschaltröhre MSVb des zweiten Lastzweiges und die als Widerstandskontakt wirkende Vakuumschaltröhre TTVb des ersten Lastzweiges in einer zweiten erfindungsgemäßen
Vakuumschaltröhre V2 vereinigt.
Dies geschieht derart, dass bei der ersten erfindungsgemäßen Vakuumschaltröhre V1 beispielsweise die Kontaktstrecke zwischen festem Kontaktstück 5 und beweglichem Kontaktstück 4 die Funktion der MSVa übernimmt, während die Kontaktstrecke zwischen festem Kontakt 8 und beweglichem
Kontaktstück 4 die Funktion der TTVb übernimmt. Ganz analog übernimmt bei der zweiten erfindungsgemäßen Vakuumschaltröhre V2 beispielsweise die Kontaktstrecke zwischen festem Kontaktstück 5 und beweglichem Kontaktstück 4 die Funktion der MSVb übernimmt, während die Kontaktstrecke zwischen festem Kontakt 8 und beweglichem Kontaktstück 4 die Funktion der TTVa übernimmt. Natürlich sind im Rahmen der Erfindung auch andere Beschaltungen der Kontaktstrecken der beiden Vakuumschaltröhren V1 , V2 möglich.
Figur 5 zeigt einen weiteren erfindungsgemäßen Stufenschalter, bei dem zusätzlich mechanische Schaltelemente (MDCa, MDCb) vorgesehen sind, die zur galvanischen Trennung des nicht den Laststrom führenden Lastzweiges dienen.
Der Vorteil der Erfindung besteht bei allen Ausführungsformen darin, dass nur zwei
Vakuumschaltröhren mit jeweils nur einem beweglichen, anzutreibenden Kontaktstück erforderlich sind, um insgesamt vier separate Kontakte in den beiden Lastzweigen zu ersetzen.

Claims

Patentansprüche
1. Stufenschalter zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen Wicklungsanzapfungen eines Stufentransformators,
wobei für jede zu schaltende Phase zwei Lastzweige vorgesehen sind,
wobei jeder Lastzweig einen als Hauptkontakt wirkenden Vakuumschaltkontakt und parallel dazu eine Reihenschaltung aus einem Überschaltwiderstand und jeweils einem weiteren als Widerstandskontakt wirkenden Vakuumschaltkontakt aufweist
und wobei beide Lastzweige mit einer gemeinsamen Lastableitung verbunden sind oder mittels mechanischer Schaltelemente verbindbar ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass der als Hauptschaltkontakt wirkende Vakuumschaltkontakt des ersten Lastzweiges und der als Widerstandskontakt wirkende Vakuumschaltkontakt des zweiten Lastzweiges baulich zu einer einzigen ersten Vakuumschaltröhre (V1 ) mit einem beweglichen Kontakt (4) und von diesem wahlweise beschaltbaren zwei festen Kontakten (5, 8) vereinigt sind,
dass der als Hauptschaltkontakt wirkende Vakuumschaltkontakt des zweiten Lastzweiges und der als Widerstandskontakt wirkende Vakuumschaltkontakt des ersten Lastzweiges baulich zu einer einzigen zweiten Vakuumschaltröhre (V1 ) mit einem beweglichen Kontakt (4) und von diesem wahlweise beschaltbaren zwei festen Kontakten (5, 8) vereinigt sind
und dass die beweglichen Kontakte (4) beider Vakuumschaltröhren (V1 , V2) mit der gemeinsamen Lastableitung (LA) verbunden sind oder mittels mechanischer Schaltelemente
(MDCa, MDCb) verbindbar sind.
2. Vakuumschaltröhre für einen Stufenschalter nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein gemeinsames, die gesamte Vakuumschaltröhre umschließendes Gehäuse (1) vorgesehen ist,
dass zentrisch in einer rotationssymmetrischen Längsachse (s1 ) ein oberer beweglicher Stößel (2) und am entgegengesetzten Ende ein unterer fester Kontaktanschluss (3) vorgesehen sind,
dass der bewegliche Stößel (2) an seinem inneren freien Ende ein bewegliches Kontaktstück (4) und der feste untere Kontaktanschluss (3) an seinem inneren freien Ende ein festes Kontaktstück (5) trägt,
und dass an der dem festen Kontaktstück (5) abgewandten Seite des beweglichen
Kontaktstückes (4) eine feststehende Kontaktanordnung (6) mit einem weiteren festen Kontakt (8) vorgesehen ist, derart, dass durch das bewegliche Kontaktstück (4) wahlweise festes Kontaktstück (5) oder fester Kontakt (8) beschaltbar sind.
3. Vakuumschaltröhre nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, die sich die feststehende Kontaktanordnung (6) mit dem weiteren festen Kontakt senkrecht zur rotationssymmetrischen Längsachse (s1 ) in einer weiteren Ebene (s2) befindet,
4. Vakuumschaltröhre nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die feststehende Kontaktanordnung (6) als zumindest teilweise umlaufende ringförmige Kontaktanordnung ausgebildet ist.
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