WO2014019858A1 - Stufenschalter - Google Patents

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WO2014019858A1
WO2014019858A1 PCT/EP2013/065137 EP2013065137W WO2014019858A1 WO 2014019858 A1 WO2014019858 A1 WO 2014019858A1 EP 2013065137 W EP2013065137 W EP 2013065137W WO 2014019858 A1 WO2014019858 A1 WO 2014019858A1
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reactor
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Christian Hammer
Stanislav SHEIKO
Martin PANKOFER
Christian Pircher
Andreas Sachsenhauser
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Maschinenfabrik Reinhausen Gmbh
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    • 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
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F29/00—Variable transformers or inductances not covered by group H01F21/00
    • H01F29/02—Variable transformers or inductances not covered by group H01F21/00 with tappings on coil or winding; with provision for rearrangement or interconnection of windings
    • H01F29/04—Variable transformers or inductances not covered by group H01F21/00 with tappings on coil or winding; with provision for rearrangement or interconnection of windings having provision for tap-changing without interrupting the load current
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    • H01H9/00—Details of switching devices, not covered by groups H01H1/00 - H01H7/00
    • H01H9/0005—Tap change devices
    • H01H9/0038—Tap change devices making use of vacuum switches

Definitions

  • the present invention relates to a tap changer according to the reactor switching principle for uninterrupted load switching by means of at least one load switching path according to the preamble of the first claim.
  • a tap changer is used in conjunction with a power transformer
  • Oberschaltdrosseispulen provided that avoid during the slow switching from one winding tap to the next a stage short circuit and for the
  • Switching resistors are provided which prevent a step short circuit during the changeover. In this principle of switching these Oberschaltwiderand be charged only for a very short period of time.
  • DE 197 43 865 C1 The this circuit breaker underlying circuit including the switching sequence in the switching from a level A to an adjacent level B is shown for a phase in Figure 3 of DE 197 43 865 C1.
  • N and n + 1 are adjacent taps of the tap winding of the transformer.
  • P1 and P2 are the ones to switch to
  • the bypass switch B can connect each of the two movable selector contacts P1, P2 both individually and together with the load transfer line L. It has two fixed bypass contacts and two movable bypass contacts. The movable bypass contacts are hinged together and connected to the load lead L. Each of the two fixed bypass contacts is electrically connected to one of the movable selector contacts P1, P2 at their respective side facing the vacuum switch cell. In the stationary state, the bypass switch bypasses the two fixed bypass contacts and connects them together with the load derivation L. At the beginning of a load switching this connection between the two fixed bypass contacts and thus the
  • the bypass switch connects only the remaining on the original winding tap n movable selector contact P1 with the load lead L. Thereafter, the vacuum switch cell V opens, then the movable selector contact P2 reaches the new winding tapping n + 1, the vacuum switch cell V closes again. Finally, the bypass switch B resumes its initial position, d. H. his stationary position, a.
  • FIG. 1 Another known embodiment of an on-load tap changer, which also operates according to the reactor switching principle, is shown in FIG. This shows a this
  • n and n + 1 are here the adjacent taps of the tap winding of the transformer.
  • TS, and MTS 2 are the movable selector contacts to be operated at the changeover, X, and X 2 are the upper switching reactances.
  • the load derivative Y is arranged between the reactances X t and X 2 .
  • the selector contact MTS 2 can be moved to the tap n + 1 without current, then closes the load path MSV 2 .
  • a stationary position is established and switched to level B.
  • the Oberschaltreaktanzen X- and X 2 limit the circulating current I c to a permissible for the current path of the transformer and the switch value.
  • a switching step takes place in which the vacuum cell, hereinafter referred to as load switching path, is closed and turns on the so-called circular current.
  • load switching path the vacuum cell
  • the when turning on a Inductance of the reactor flowing currents may not exceed a value that can safely lead and switch the current path of the on-load tap-changer.
  • These inrush currents depend mainly on the impedance of the reactor.
  • the reactor is designed by a transformer manufacturer and together with the primary and
  • Object of the present invention is thus a tap changer after the
  • the general inventive idea is, in a tap changer after the
  • a protection circuit comprising a parallel connection of a switch-on and a Hitfsschaltumble to connect in series, such that the on-resistance during the switch-on, ie switching, reduces the inrush in the Lastschaitumble and bridged in the next switching step by means of an auxiliary switching path.
  • This arrangement according to the invention thus allows lower demands on the tap changer, in particular the load shunting path, as well as to provide the reactor.
  • FIG. 2 shows a tap changer according to the reactor switching principle for uninterruptible
  • Load switching by means of load switching sections with a protection circuit according to the invention consisting of an on-resistance and an auxiliary switching path connected in parallel thereto
  • Figure 3 shows a tap changer with an additional balancing winding
  • FIG 2 shows a tap changer 1 according to the reactor switching principle with two load branches 2 and 3 for interruption load switching by means of two load switching sections 4, 5 with two protection circuits 6, 7 according to the invention, which are connected in front of a reactor 8.
  • the reactor 8 is divided into two equal sections 8.1 and 8.2. Thus, each load branches 2 and 3 has a reactor.
  • the reactor 8 is additionally connected to a load discharge line 9.
  • the described reactor 8 is a coil with a ferromagnetic core.
  • the load switching sections 4, 5 can, for example, by
  • Vacuum interrupters mechanical switches (oil circuit) or electronic
  • Switching elements such as thyristors or IGBT ' s can be realized.
  • the protective circuits 6, 7 each consist of a starting resistor 10 and 11 and an auxiliary switching path 12 and 13.
  • the auxiliary switching paths 12, 13 prevent that in steady-state operation no power is lost by the switching-on resistors 10, 11.
  • These auxiliary switching sections 12, 13 can be realized for example by vacuum interrupters.
  • this extremely safe embodiment of the auxiliary switching path is not absolutely necessary, since the currents to be switched are relatively low and pose no danger; also simple mechanical switches (oil switching sections) or
  • Figure 3 shows a further embodiment of the tap changer 1. This differs in that in addition to the reactor 8 with the sections 8.1 and 8.2 a
  • load switching sections 4, 5 to use.
  • the starting resistors 10, 11 reduce the current to be switched by the load switching sections 4, 5 in considerable
  • the entire tap changer 1 can be made less expensive.
  • the invention offers the advantage that they can build the reactors 8 easier and cheaper. Since the minimum requirements for the saturation of the iron core, so effective inductance of the reactor is reduced, the amount of material and thus the space can be reduced

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stufenschalter (1) nach dem Reaktorschaltprinzip zur unterbrechungslosen Lastumschaltung mittels mindestens einer Lastschaltstrecke (4, 5). Die allgemeine erfinderische Idee besteht darin, bei einem Stufenschalter (1) nach dem Reaktorschaltprinzip zur unterbrechungslosen Lastumschaltung mittels Lastschaltstrecken (4, 5) zu der mindestens einen Lastschaltstrecke ( 4, 5) eine erfindungsgemäße Schutzschaltung (6, 7), umfassend eine Parallelschaltung eines Einschaltwiderstandes (10, 11) und einer Hilfsschaltstrecke (12, 13), in Reihe zu schalten, derart, dass der Einschaltwiderstand (10, 11) während der Einschaltphase, d.h. Beschaltung, den Einschaltstrom in der Lastschaltstrecke (4, 5) reduziert und im nächsten Schaltschritt mittels einer Hilfsschaltstrecke (12, 13) überbrückt wird.

Description

Stufenschalter
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stufenschalter nach dem Reaktorschaltprinzip zur unterbrechungslosen Lastumschaltung mittels mindestens einer Lastschaltstrecke gemäß dem Oberbegriff des ersten Patentanspruches.
Ein Stufenschalter wird in Verbindung mit einem Leistungstransformator zur
unterbrechungslosen Umschaltung zwischen verschiedenen Wicklungsanzapfungen der Regelwicklung dieses Leistungstransformators benutzt und dient damit zur
unterbrechungslosen Spannungsregelung,
Für Stufenschalter existieren weltweit zwei unterschiedliche grundsätzliche Schaltprinzipien: Zum einen der verhältnismäßig langsam umschaltende Reaktorschalter, der bis heute in den USA dominierend ist Dabei sind Umschaltimpedanzen, beispielsweise in Form von
Oberschaltdrosseispulen, vorgesehen, die während der langsamen Umschaltung von einer Wicklungsanzapfung zur nächsten einen Stufenkurzschluss vermeiden und für die
Dauerbelastung im stationären Betrieb bemessen sind.
Zum anderen der im Vergleich zum Reaktorschalter schnell umschaltende
Widerstandsschalter, nach seinem Erfinder auch oft als„Jansen-Schalter" bezeichnet, der sich im Rest der Welt durchgesetzt hat. Hierbei erfolgt die Umschaltung von einer
Wicklungsanzapfung auf die nächste schnell, d. h. sprungartig, und es sind
Überschaltwiderstände vorgesehen, die einen Stufenkurzschluss während der Umschaltung verhindern. Bei diesem Prinzip der Umschaltung werden diese Oberschaltwiderstände nur für eine sehr kurze Zeitspanne belastet.
Ein nach dem Reaktorschaltprinzip arbeitender Stufenschalter, der ebenfalls auf die
Anmelderin zurückgeht, ist aus der DE 197 43 865 C1 bekannt geworden. Die diesem Stufenschalter zu Grunde liegende Schaltung einschließlich der Schaltsequenz bei der Umschaltung von einer Stufe A auf eine benachbarte Stufe B ist für eine Phase in Figur 3 der DE 197 43 865 C1 dargestellt. N und n + 1 sind dabei benachbarte Anzapfungen der Stufenwicklung des Transformators. P1 und P2 sind die bei der Umschaltung zu
betätigenden beweglichen Wählerkontakte, R1 und R2 sind die bereits erläuterten
Umschaltimpedanzen, oder auch Oberschaltreaktanzen genannt. Zwischen die beiden Zweige ist eine Vakuumschaltzelle V geschaltet, wobei die entsprechende Verbindung zur Lastableitung L durch einen Bypass-Schalter B hergestellt wird. Der Bypass-Schalter B kann dabei - je nach Stellung - jeden der beiden beweglichen Wählerkontakte P1 , P2 sowohl einzeln als auch gemeinsam mit der Lastableitung L verbinden. Er verfügt dazu über zwei feste Bypass-Kontakte und zwei bewegliche Bypass- Kontakte. Die beweglichen Bypass- Kontakte sind gelenkig miteinander sowie mit der Lastableitung L verbunden. Jeder der beiden festen Bypass-Kontakte steht mit einem der beweglichen Wählerkontakte P1 , P2 an jeweils deren der Vakuumschaltzelle zugewandten Seite elektrisch in Verbindung. Im stationären Zustand überbrückt der Bypass-Schalter die beiden festen Bypass- Kontakte und verbindet sie gemeinsam mit der Lastableitung L. Zu Beginn einer Lastumschaltung wird diese Verbindung zwischen den beiden festen Bypass-Kontakten und damit den
beweglichen Wählerkontakten unterbrochen; bei der in Fig. 3 dargestellten Schaltsequenz verbindet der Bypass-Schalter lediglich den auf der ursprünglichen Wicklungsanzapfung n verbleibenden beweglichen Wählerkontakt P1 mit der Lastableitung L. Danach öffnet die Vakuumschaltzelle V, anschließend erreicht der bewegliche Wählerkontakt P2 die neue Wicklungsanzapfung n + 1 , die Vakuumschaltzelle V schließt wieder. Schließlich nimmt der Bypass-Schalter B wieder seine Ausgangsstellung, d. h. seine stationäre Stellung, ein.
Eine weitere bekannte Ausführungsform eines Laststufenschalters, der ebenfalls nach dem Reaktorschaltprinzip arbeitet, ist in Figur 1 dargestellt. Diese zeigt eine diesem
Stufenschalter zu Grunde liegende typische Schaltung einschließlich Schaltsequenz bei der Umscha!tung von einer Stufe A auf eine benachbarte Stufe B. n und n+1 sind hier die benachbarten Anzapfungen der Stufenwicklung des Transformators. TS-, und MTS2 sind die bei der Umschaltung zu betätigenden beweglichen Wählerkontakte, X, und X2 sind die Oberschaltreaktanzen. Die Lastableitung Y ist zwischen den Reaktanzen Xt und X2 angeordnet. Zu Beginn einer Lastumschaltung wird ein Lastschaltstrecke MSV2 geöffnet, der Wählerkontakt MTS2 kann stromlos auf die Anzapfung n+1 bewegt werden, anschließend schließt die Laststrecke MSV2. Damit ist eine stationäre Position hergestellt und auf Stufe B umgeschaltet. Die Oberschaltreaktanzen X-, und X2 begrenzen den Kreisstrom Ic auf eine für die Strombahn des Transformators und den Schalter zulässigen Wert.
In beiden Ausführungen ist zu beachten, dass bei einer Umschaltsequenz ein Schaltschritt stattfindet, bei dem die Vakuumzelle, nachfolgend als Lastschaltstrecke bezeichnet, geschlossen wird und den sogenannten Kreisstrom einschaltet. Die beim Einschalten einer Induktivität des Reaktors fließenden Ströme dürfen einen Wert nicht überschreiten, den die Strombahn des Laststufenschalters sicher führen und schalten kann. Diese Einschaltströme hängen hauptsächlich von der Impedanz des Reaktors ab. Üblicherweise wird der Reaktor von einem Transformatorhersteller ausgelegt und zusammen mit den Primär- und
Sekundärwicklungen des Stufentransformators ausgeliefert. Wenn dieser Reaktor relativ kompakt dimensioniert ist, d.h. einen kleinen Eisenkern aufweist, kann es beim Schließen der Lastschaltstrecken zu einer Sättigung im Reaktor kommen, d.h. die wirksame Induktivität wird reduziert. Dies kann den vorher erwähnten erhöhten Einschaltstrom in allen
stromführenden Teilen und insbesondere in den schaltenden Kontakten verursachen. Unter anderem kann es bei zu klein ausgelegten Kontaktsystemen zu einer mechanischen und thermischen Oberbeanspruchung der Strombahnen und der Lastschaltstrecken kommen, was sich massiv auf deren Lebensdauer auswirken kann.
Sowohl seitens der Stufenschalterhersteller als auch seitens der Transformatorhersteller liegt jedoch das Bestreben darin, die einzelnen Baugruppen so kostengünstig wie möglich zu fertigen. Transformatorhersteller versuchen dieses Ziel durch die Einsparung von Material, d.h. Menge des Kupfers für die Leitungen, Größe des Eisenkerns und Bauraum den der Reaktor benötigt, zu erreichen. Stufenschalterhersteller hingegen versuchen die Kosten durch die konstruktive Gestaltung und durch die kleinere Dimensionierung aller
stromführenden Teile, insbesondere der Lastschaltstrecken, zu erreichen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, einen Stufenschalter nach dem
Reaktorschaltprinzip bereitzustellen, der trotz hoher Einschaltströme kleiner dimensionierte Lastschaltstrecken sowie einen kompakteren Reaktor nutzt, dabei günstig in der Herstellung ist und sichere und zuverlässige Funktion bei Umschaltungen gewährleistet.
Diese Aufgabe wird durch einen Stufenschalter nach dem Reaktorschaltprinzip zur unterbrechungslosen Lastumschaltung mittels Lastschaltstrecken mit den Merkmalen des ersten Patentanspruches gelöst. Die Unteransprüche betreffen besonders vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Die allgemeine erfinderische Idee besteht darin, bei einem Stufenschalter nach dem
Reaktorschaltprinzip zur unterbrechungslosen Lastumschaltung mittels Lastschaltstrecken zu der mindestens einen Lastschaltstrecke eine erfindungsgemäße Schutzschaltung, umfassend eine Parallelschaltung eines Einschaltwiderstandes und einer Hitfsschaltstrecke, in Reihe zu schalten, derart, dass der Einschaltwiderstand während der Einschaltphase, d.h. Einschaltung, den Einschaltstrom in der Lastschaitstrecke reduziert und im nächsten Schaltschritt mittels einer Hilfsschaltstrecke überbrückt wird. Diese erfindungsgemäße Anordnung erlaubt es somit geringere Anforderungen an den Stufenschalter, insbesondere die Lastschaitstrecke, sowie den Reaktor zu stellen.
Die Erfindung soll nun Anhand der Figuren genauer erläutert werden. Es zeigt Figur 2 einen Stufenschalter nach dem Reaktorschaltprinzip zur unterbrechungslosen
Lastumschaltung mittels Lastschaltstrecken mit einer erfindungsgemäßen Schutzschaltung bestehend aus einem Einschaltwiderstand und einer parallel dazu geschalteten Hilfsschaltstrecke
Figur 3 einen Stufenschalter mit einer zusätzlichen Ausgleichswicklung
Figur 2 zeigt einen Stufenschalter 1 nach dem Reaktorschaltprinzip mit zwei Lastzweigen 2 und 3 zur unterbrechungsiosen Lastumschaltung mittels zweier Lastschaltstrecken 4, 5 mit zwei erfindungsgemäßen Schutzschaltungen 6, 7, die vor einem Reaktor 8 geschaltet sind. Der Reaktor 8 ist in zwei gleich große Abschnitte 8.1 und 8.2 unterteilt. Somit weist jeder Lastzweige 2 und 3 einen Reaktor auf. Der Reaktor 8 ist zusätzlich mit einer Lastableitung 9 verbunden. Bei dem beschrieben Reaktor 8 handelt es sich um eine Spule mit einem ferromagnetischen Kern. Die Lastschaltstrecken 4, 5 könne beispielweise durch
Vakuumschaltröhren, mechanische Schalter (Ölschaltstrecke) oder elektronische
Schaltelemente wie z.B. Thyristoren oder IGBT's realisiert werden.
Die Schutzschaltungen 6, 7 besteh jeweils aus einem Einschaltwiderstand 10 und 11 sowie je einer Hilfsschaltstrecke 12 und 13. Die Hilfsschaltstrecken 12, 13 verhindern, dass im stationären Betrieb keine Leistung durch die Einschaltwiderstände 10, 11 verloren geht. Diese Hilfsschaltstrecken 12, 13 können beispielsweise durch Vakuumschaltröhren realisiert werden. Diese extrem sichere Ausführungsform der Hilfsschaltstrecke ist jedoch nicht zwingend erforderlich, da die zu schaltenden Ströme verhältnismäßig niedrig sind und keine Gefahr darstellen; auch einfache mechanische Schalter (ölschaltstrecken) oder
elektronische Schaltelemente wie z.B. Thyristoren oder IGBT's können deshalb eingesetzt werden. Im geschlossenen Zustand kann der Strom ungehindert von einer Stufentransformatoranzapfung n durch die Hiifsschaitstrecken 12, 13 über die Lastschaltstrecken 4, 5 zur Lastableitung 9 fließen.
Die bei einem üblichen Schaltablauf, d.h. bei einer Umschaltung von einer
Stufentransformatoranzapfung n zur nächsten n+1 , entstehenden hohen Einschaltströme während des kritischen Schaltschrittes werde durch den erfindungsgemäße Stufenschalter deutlich reduziert. Beim vorherigen Schaltschnitt sind die Lastschaitstrecke 4 und der Hilfsschaltstrecke 12 des Lastzweigs 2, der an der Stufentransformatoranzapfung n anliegt, geschlossen. Somit fließt der Strom dieses Lastzweiges 2 über Abschnitt 8.1 des Reaktors 8 zur Lastabieitung 9. Bei dem gegenüber, an der Stufentransformatoranzapfung n+1 , liegende Lastzweig 3 sind sowohl die Lastschaltstrecke 5 als auch der Hilfsschaltstrecke 13 offen. Dieser Lastzweig 3 führt zu diesem Zeitpunkt keinen Strom.
Beim anschließenden, im Stand der Technik kritischen, Schaltschnitt des Schaltablaufs wird die Lastschaltstrecke 5 geschlossen und es wird der vorher erwähnte Kreisstrom
eingeschaltet. Jedoch auf Grund des vor der Lastschaitstrecke 5 vorgeschalteten
Einschaltwiederstandes 7, wird der Einschaltstrom des Reaktors 8 begrenzt, so dass der in der Lastschaitstrecke 5 zu schaltende Strom erheblich reduziert wird. Figur 3 zeigt eine weiter Ausführungsform des Stufenschalters 1. Dieser unterscheidet sich dadurch, dass zusätzlich zum Reaktor 8 mit den Abschnitten 8.1 und 8.2 eine
Ausgleichswicklung 14 zugeschaltet ist
Durch das Vorschaltalten der Einschaltwiderstände 10, 11 ist es möglich kleiner
dimensionierte Lastschaltstrecken 4, 5 zu nutzen. Die Einschaltwiderstände 10, 11 reduzieren die von den Lastschaltstrecken 4, 5 zu schaltenden Strom in erheblichem
Umfang. Auf Grund dieser Änderung kann der gesamte Stufenschalter 1 weniger aufwendig gestaltet werden. Für Transformatorhersteller bietet die Erfindung den Vorteil, dass diese die Reaktoren 8 einfacher und günstiger aufbauen können. Da die Mindestanforderungen an die Sättigung des Eisenkerns, also wirksame Induktivität des Reaktors herabgesetzt wird, können die Menge des Materials und damit der Bauraum reduziert werden

Claims

Patentansprüche
1. Stufenschalter nach dem Reaktorschaltprinzip zur unterbrechungslosen
Lastumschaltung mittels mindestens einer Lastschaltstrecke,
wobei zwei Lastzweige vorgesehen sind
und wobei jeder Lastzweig mit mindestens einem Abschnitt eines Reaktors verbunden ist, dadurch gekennzeichnet,
dass vor der mindestens einen Lastschaltstrecke (4, 5) eine Schutzschaltung (8, 7) angeordnet ist und
dass die Schutzschaltung (6, 7) aus einem Einschaltwiderstand (10, 11 ) und einer parallel dazu angeordneten Hilfsschaitstrecke (12, 13) besteht.
2. Stufenschalter nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass jeder der Lastzweige (2, 3) mindestens eine Lastschaltstrecke (4, 5) und mindestens eine Schutzschaltung (8, 7) aufweist.
3. Stufenschalter nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Schutzschaltung (6, 7) parallel zu einer Lastschaltstrecke (4, 5) geschaltet ist
4. Stufenschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3
dadurch gekennzeichnet,
dass die Lastschaltstrecke (4, 5) als mechanischer Schalter ausgebildet ist.
5. Stufenschalter nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
der mechanische Schalter als Vakuumschaltröhre oder als Ölschaltstrecke ausgebildet ist.
6. Stufenschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Lastschaltstrecke (4, 5) als elektronisches Schaltelement ausgebildet ist.
7. Stufenschalter nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass das elektronische Schaltelement insbesondere als Thyristor oder IG BT ausgebildet ist.
8. Stufenschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Hilfsschaltstrecke (12, 13) als mechanischer Schalter ausgebildet ist
9. Stufenschalter nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass der mechanische Schalter als Vakuumschaltröhre oder als Ölschaltstrecke ausgebildet ist.
10. Stufenschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Hilfsschaltstrecke (12, 13) als elektronisches Schaltelement ausgebildet ist
11. Stufenschalter nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass das elektronische Schaltelement als Thyristor oder IGBT ausgebildet ist.
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