Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur unterbrechungslosen Lastumschaltung zwischen

Wicklungsanzapfungen eines Stufentransformators.

Die Erfindung betrifft weiterhin einen entsprechenden Lastumschalter eines Stufenschalters.

Stufenschalter dienen zur unterbrechungslosen Lastumschaltung zwischen Wicklungsanzapfungen eines Stufentransformators. Sie bestehen regelmäßig aus einem langsam und kontinuierlich betätigbaren Wähler zur Vorwahl der neuen Wicklungsanzapfung des Stufentransformators, auf die umgeschaltet werden soll, sowie einem Lastumschalter zur nachfolgenden sprungartigen eigentlichen Lastumschaltung von der bisherigen auf neue, vorgewählte Wicklungsanzapfung.

Bei einem derartigen Stufenschalter vollzieht sich eine Umschaltung wie folgt:

Zu Beginn der Umschaltung wird ein Elektromotor eines Motorantriebes in Bewegung gesetzt. Dieser Motorantrieb ist mit dem Stufenschalter über einen Antriebszug verbunden; er bewegt sich kontinuierlich und treibt sowohl den Wähler als auch einen Kraftspeicher des Lastumschalters an. Der Wähler wird direkt kontinuierlich von der bisherigen Wicklungsanzapfung, die bisher beschaltet ist, auf die neue Wicklungsanzapfung, auf die unterbrechungslos umgeschaltet werden soll, bewegt.

Gleichzeitig wird ebenfalls kontinuierlich der Kraftspeicher des Lastumschalters aufgezogen, d. h. dessen Kraftspeicherfedern werden gespannt. Dazu besitzt der Kraftspeicher ein kontinuierlich aufziehbares Antriebsteil und ein zunächst in Ruheposition verharrendes Abtriebsteil, wobei zwischen Antriebsteil und Abtriebsteil spannbare Kraftspeicherfedern vorgesehen sind. Wenn der Kraftspeicher seine maximale Aufzugsposition erreicht hat, wird er ausgelöst. Das Abtriebsteil vollführt eine schnelle Bewegung, die Federn entspannen sich. Diese schnelle Bewegung wird auf eine Abtriebswelle übertragen, die den Lastumschalter, genauer gesagt die einzelnen Kontakte des Lastumschalters, in der vorgesehenen schalterspezifischen Kontaktreihenfolge betätigt, bis die neue Wicklungsanzapfung stationär beschaltet ist.

Zahl und Sequenz der vom Kraftspeicher nacheinander zu betätigenden Kontakte des

Lastumschalters sind dabei abhängig von der jeweiligen Schaltung und der konstruktiven Ausführung des Stufenschalters.

Die DE 195 30 776 C1 beschreibt einen Lastumschalter eines Stufenschalters in mehreren

Schaltungsvarianten. Gezeigt sind dort eine sog. Fahnen-Schaltung mit - einschließlich der

Dauerhauptkontakte - sechs Kontakten, die in festgelegter Schaltsequenz durchlaufen werden. Dabei sind die Dauerhauptkontakte A, B parallel zu den eigentlichen Schaltkontakten a, b und den Widerstandsschaltkontakten a1 , b1 angeordnet; zu Beginn jeder Lastumschaltung, ausgelöst durch den sich entspannenden Kraftspeicher, öffnet der Dauerhauptkontakt A der stromführenden Seite n des Lastumschalters als erster Kontakt, der Laststrom kommutiert auf den entsprechenden

Schaltkontakt a und die entsprechende Lastumschaltung wird vollzogen. Nach Abschluss der eigentlichen Lastumschaltung schließlich schließt der Dauerhauptkontakt B auf der den Laststrom übernehmenden Seite n+1 und entlastet damit den Schaltkontakt b dieser Seite. Eine solche bekannte Schaltung ist in Figur 1 dargestellt. Gezeigt sind dort die beschriebenen Dauerhauptkontakte DHK, Schaltkontakte SK und Widerstandskontakte WK beider Seiten n, n+1.

Gezeigt ist in dieser Veröffentlichung weiterhin eine sog. Fahnen-Wimpel-Schaltung, bei der insgesamt acht Kontakte - wiederum einschließlich der Dauerhauptkontakte - geschaltet werden. Bei dieser Schaltung sind jeweils zwei Widerstandsschaltkontakte WK, WK2 vorhanden. Alle sechs bzw. acht Kontakte des Lastumschalters werden in zeitlich genau festgelegter Reihenfolge vom ausgelösten Kraftspeicher des Lastumschalters betätigt.

Generell ist anzumerken, dass beim Stand der Technik die Terminologie nicht einheitlich ist. So werden die Dauerhauptkontakte, die im stationären Zustand den Laststrom übernehmen, in der Literatur und der einschlägigen IEC auch als Hauptkontakte bezeichnet.

Die frühere DE 16 38 463 beschreibt bereits ausführlich das Problem, dass die Bewegung der Dauerhauptkontakte ebenso wie die Bewegung der Schaltkontakte und Widerstandsschaltkontakte durch den ausgelösten Kraftspeicher vorgenommen wird, so dass dieser Kraftspeicher am Ende der Umschaltung noch eine genügende Kraftreserve verfügen muss, um auch das Aufschalten der Dauerhauptkontakte auf der den Laststrom übernehmenden Seite noch zuverlässig vornehmen zu können. Es wird bereits in dieser Veröffentlichung darauf hingewiesen, dass dies im praktischen Betrieb Schwierigkeiten bereiten kann, weswegen vorgeschlagen wird, für die Dauerhauptkontakte einen eigenen Kraftspeicher vorzusehen. Diese Ausbildung des Lastumschalters mit zwei separaten Kraftspeichern ist kompliziert, erfordert eine genaue Koordinierung der jeweiligen Auslösezeitpunkte der beiden Kraftspeicher und hat sich in der Praxis nicht durchgesetzt.

Nachteilig beim Stand der Technik ist zunächst, dass vom Kraftspeicher des Lastumschalters nach dessen Auslösung eine Vielzahl von Kontakten betätigt werden muss, und dies in genau festgelegten zeitlicher Reihenfolge. Dies erfordert einen hohen Energieaufwand; im Kraftspeicher muss demzufolge durch den Aufzug des Antriebsteils eine ganz erhebliche Federenergie gespeichert und vorgehalten werden.

Weiterhin besteht die Gefahr, dass durch die unvermeidlichen Reibungsverluste, Lagerspiele und andere Phänomene die kinetische Energie des Kraftspeichers nach seiner Auslösung nicht ausreicht, um innerhalb der vorgesehenen kurzen Zeit (die Umschaltzeit muss kurz sein, um den

unvermeidlichen und unerwünschten Kreisstrom während der Umschaltung auf ein Minimum zu reduzieren) in der vorgesehenen Reihenfolge alle Kontakte zu betätigen.

In der Praxis werden, besonders bei komplexen Schaltungen mit vielen Kontakten, daher sehr starke Kraftspeicherfedern gewählt. Dies hat allerdings aber wiederum den Nachteil, dass nach der Auslösung die Schaltung sehr schnell abläuft, was ebenfalls nachteilig sein kann.

Zwar ist es aus der DE 10 2009 034 627 B3 bereits bekannt, durch zusätzliche Kraftspeichermittel eine gezielte Anpassung des Verlaufs der sprungartigen Abtriebsbewegung an die jeweiligen konkreten Erfordernisse zu bewirken und diese Abtriebsbewegung zu vergleichmäßigen. Aber auch diese Lösung kann das Grundproblem der nach dem Stand der Technik erforderlichen Betätigung einer Vielzahl von Kontakten in sehr kurzer Zeit während der Lastumschaltung nicht ändern.

Zunächst einmal scheint es naheliegend, die Dauerhauptkontakte generell einfach wegzulassen. Dies ist bei vielen Schaltungen jedoch nicht möglich; die Dauerhauptkontakte sind notwendig für die Führung des Dauerstromes und Kurzschlussfestigkeit des gesamten Lastumschalters. Bei zahlreichen Schaltungen, besonders auch bei solchen mit Vakuumschaltern, sind die Dauerhauptkontakte erforderlich, um die Schaltkontakte zu schützen.

Zusammenfassend bleibt also das Problem, dass beim Stand der Technik die Dauerhauptkontakte integraler Bestandteil des Lastumschalters des Stufenschalters sind. Sie werden betätigt vom Kraftspeicher und stehen unter erheblicher mechanischer Belastung. Die Möglichkeiten des

Kontaktdesign sind daher beschränkt.

Als integraler Teil des Lastumschalters sind sie im selben Ölgefäß wie die übrigen Teile des

Lastumschalters angeordnet. Durch die beschränkten Einbauverhältnisse ist die Spannungsfestigkeit der Dauerhauptkontakte daher in vielen Fällen problematisch. Dies besonders dann, wenn man berücksichtigt, dass sich die dielektrische Festigkeit des Isolieröls im Lastumschaltergefäß im Laufe der Betriebsdauer noch verschlechtert.

Diese spezifischen Nachteile kommen zu den weiter oben erläuterten Nachteilen, dass der Lastumschalter nach Auslösung seines Kraftspeichers in kurzer Zeit eine Vielzahl von Kontakten betätigen muss, konstruktiv noch dazu.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Lastumschaltung anzugeben, wobei vom ausgelösten Kraftspeicher möglichst wenige Kontakte betätigt werden müssen.

Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, einen entsprechenden Lastumschalter anzugeben, der darüber hinaus eine einfache, elektrisch belastbare Anordnung der Dauerhauptkontakte ermöglicht.

Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren zur Lastumschaltung nach Patentanspruch 1 sowie einen Lastumschalter eines Stufenschalters nach Patentanspruch 2 gelöst. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen eines solchen Lastumschalters.

Der Erfindung liegt die allgemeine erfinderische Idee zugrunde, die bisher einheitliche Schaltsequenz bei einer Lastumschaltung aufzulösen und die Betätigung der Dauerhauptkontakte aus dieser Schaltsequenz herauszunehmen.

Erfindungsgemäß werden die Dauerhauptkontakte langsam direkt vom Motorantrieb betätigt, so dass nur die eigentlichen Schaltkontakte sowie die Widerstandsschaltkontakte durch den ausgelösten Kraftspeicher noch kurzfristig betätigt werden müssen.

Die Vorteile der Erfindung liegen darin, dass der Kraftspeicher des Lastumschalters nur für die Betätigung weniger Kontakte noch erforderlich ist; besonders bedeutsam ist dies für die Betätigung von Vakuumschaltröhren. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass damit der Kraftspeicher konstruktiv einfacher und platzsparender ausgeführt werden kann. Schließlich ist es auch vorteilhaft, die Dauerhauptkontakte an eine andere Stelle konstruktiv zu verlagern, so dass sie nicht mehr integraler Bestandteil des Lastumschalters sein müssen.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren können die Dauerhauptkontakte im Bereich des Wählers angeordnet werden und gemeinsam mit den (vorwählenden) Wählerkontakten kontinuierlich von der Antriebswelle betätigt werden. Auf den dadurch niedrigeren Energieverbrauch und einfacher ausführbaren Kraftspeicher wurde bereits hingewiesen.

Da die Dauerhauptkontakte erfindungsgemäß nicht mehr Bestandteil des Lastumschalters sein müssen, können sie unabhängig von diesem in weiten Grenzen konstruktiv so gestaltet werden, dass sie auch optimierte elektrische Eigenschaften aufweisen. Insgesamt vereinfacht die Erfindung den Aufbau des Lastumschalters im Allgemeinen sowie dessen Kraftspeicher im Besonderen.

Die Erfindung soll nachfolgend an Hand von Zeichnungen beispielhaft noch näher erläutert werden.

Es zeigen

Figur 1 eine bereits erläuterte bekannte Schaltung eines Lastumschalters

Figur 2 eine weitere, ebenfalls bereits erläuterte Schaltung eines Lastumschalters

Figur 3 ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Lastumschaltung für einen Stufenschalter in schematischer Darstellung

Figur 4 eine Dauerhauptkontaktanordnung eines erfindungsgemäßen Lastumschalter eines

Stufenschalters

Figur 5 eine Antriebsanordnung für die in Figur 4 gezeigte Dauerhauptkontaktanordnung

Figur 6 eine schematische Darstellung eines Stufenschalters mit einer separaten Baugruppe der Dauerhauptkontakte Figur 7 eine weitere schematische Darstellung einer anderen möglichen Anordnung einer separaten Dauerhauptkontakt-Baugruppe.

Die Figuren 1 und 2, die dem eingangs genannten Stand der Technik entnommen sind, zeigen verschiedene Schaltungen eines Lastumschalters, bei denen jeweils zwei Lastzweige n, n+1 vorgesehen sind. In jedem Lastzweig befinden sich parallel ein Dauerhauptkontakt DHK, ein

Schaltkontakt SK sowie ein Widerstandsschaltkontakt WK, letzterer in Reihenschaltung jeweils mit einem Oberschaltwiderstand Ra bzw. Rb. Bei der in Figur 2 gezeigten Schaltungsvariante sind jeweils zwei wiederum parallele Widerstandsschaltkontakte WK, WK2 vorgesehen. Es ist zu sehen, dass der ausgelöste Kraftspeicher beim Stand der Technik in den in den Figuren 1 und 2 gezeigten

Schaltungsbeispielen also sechs bzw. acht einzelne Kontakte nacheinander in einer genau festgelegten - funktionswesentlichen - Schaltsequenz beschälten muss.

In Figur 3 ist das erfindungsgemäße Verfahren dargestellt. Gezeigt wird hier der Ablauf einer

Umschaltung durch den Stufenschalter von einer ersten Position n des Stufentransformators hin zu einer benachbarten neuen Position n+1.

Soll umgeschaltet werden, erfolgt ein Stellbefehl in der entsprechenden Richtung an den Motorantrieb. Der Motorantrieb wird betätigt; die Antriebswelle des Motorantriebes beginnt sich zu drehen.

Durch die sich drehende Antriebswelle wird die Betätigung des leistungslos die neue

Wicklungsanzapfung n+1 anwählenden Wählers eingeleitet. Gleichzeitig beginnt der Aufzug des Kraftspeichers, d. h. dessen Antriebsteil wird relativ zum stillstehenden Abtriebsteil bewegt, wodurch die Kraftspeicherfedern gespannt werden. Gleichzeitig erfolgt erfindungsgemäß ebenfalls das Öffnen der im stationären Betrieb den Laststrom führenden Dauerhauptkontakte auf der bisherigen Seite n. Der Laststrom wird jetzt vom Schaltkontakt übernommen, der je nach Ausführung des

Lastumschalters unterschiedlich gestaltet sein kann.

Hat der Wähler seine neue Position, d. h. die Wicklungsanzapfung n+1 , auf die umgeschaltet werden soll, erreicht, wird der Kraftspeicher ausgelöst. Sein Abtriebsteil vollzieht eine sprungartige Bewegung; die Kraftspeicherfedern entspannen sich. Durch diese sprungartige Bewegung werden in der vorgegebenen Schaltsequenz Schaltkontakt und Widerstandskontakt zunächst auf der Seite n und anschließend auf der Seite n+1 betätigt. In der Folge kommutiert der Laststrom auf den Schaltkontakt der neuen Seite n+1.

Durch die sich unverändert weiter drehende Antriebswelle wird schließlich der Dauerhauptkontakt auf der neuen Seite n+1 , auf die umgeschaltet worden ist, geschlossen; dieser übernimmt den Laststrom. Damit ist die Umschaltung abgeschlossen. Der Stufenschalter hat die neue Position n+1 erreicht. Der Motorantrieb wird stillgesetzt. Die Antriebswelle steht damit ebenfalls still. Der Stufenschalter ist bereit für die nächste Umschaltung. Es ist zu sehen, dass beim erfindungsgemäßen Verfahren nur noch die eigentlichen Schaltkontakt bzw. Widerstandskontakte vom Kraftspeicher betätigt werden müssen, während die stationär den Dauerstrom führenden Dauerhauptkontakte zu Beginn und am Ende jeder Umschaltung durch die sich kontinuierlich bewegende Antriebswelle vom Motorantrieb betätigt werden. Die Betätigung der Dauerhauptkontakte selbst kann sowohl ebenfalls kontinuierlich erfolgen als auch durch ein schrittweises Öffnen und Schließen gekennzeichnet sein. Da die Isolierstrecke am Dauerhauptkontakt längst möglich groß bleiben soll, wenn der Schaltkontakt öffnet, kann in vielen Fällen eine zwar langsame, aber nicht kontinuierliche Kontaktbewegung, die damit von der kontinuierlichen Bewegung der Antriebswelle abweicht, vorteilhaft sein.

Der Schaltschritt der Betätigung ausschließlich der Schaltkontakte und Widerstandsschaltkontakte durch den Kraftspeicher ist in dieser Figur durch eine doppelte Umrandung hervorgehoben.

Figur 4 zeigt eine Ausführungsform einer Dauerhauptkontaktanordnung eines erfindungsgemäßen Lastumschalters. Gezeigt sind hier auf einer Kreisbahn angeordnete feste Dauerhauptkontakte, jeweils für beide Lastzweige n, n+1 sowie, in einer hier gezeigten dreiphasigen Ausführungsform des Lastumschalters, für die drei Phasen u, v, w. Im Zentrum dieser kreisförmig angeordneten

Dauerhauptkontakte befindet sich ein Kontaktträger 1 , der auf einer drehbaren Antriebswelle 2 befestigt ist. An diesem Kontaktträger 1 sind drei bewegliche Dauerhauptkontakte DHK angeordnet, die jeweils, je nach Stellung der Antriebswelle 2, einen der festen Dauerhauptkontakte jedes

Lastzweiges n oder n+1 beschälten können. Einer der beweglichen Dauerhauptkontakte DHK auf dem Kontaktträger 1 wechselt jeweils zwischen den beiden Dauerhauptkontakten der Lastzweige n oder n+1 einer Phase u, oder v, oder w.

In der schematischen Darstellung nicht gezeigt ist die jeweilige elektrische Verbindung vom jeweiligen Dauerhauptkontakt DHK hin zu einer Lastableitung.

Figur 5 zeigt in schematischer Darstellung den Antrieb der in Figur 4 gezeigten

Dauerhauptkontaktanordnung. Auf der bereits erläuterten Antriebswelle 2 befindet sich ein

Malteserrad 3. Mit diesem Malteserrad 3 korrespondiert ein dieses antreibender Maltesertreiber 5, der seinerseits direkt von der Antriebswelle 4 des Motorantriebes betätigt wird. Es ist also zu sehen, dass direkt durch die sich kontinuierlich drehende Antriebswelle 4 des Motorantriebes über das Malteserrad 3 die Antriebswelle 2 der Dauerhauptkontaktanordnung um einen bestimmten Winkel gedreht wird und damit die Dauerhauptkontakte direkt betätigt werden.

Dadurch, dass die Betätigung der Dauerhauptkontakte aus der Betätigungssequenz nach Auslösung des Kraftspeichers herausgelöst sind, ist es möglich, die Dauerhauptkontakte als separate Baugruppe vorzusehen und an einer beliebigen Stelle des Stufenschalters separat anzuordnen.

In Figur 6 ist in schematischer Darstellung ein vollständiger Stufenschalter gezeigt. Von oben führt die Antriebswelle 4 in den Wähler 6 und betätigt ihn kontinuierlich. Gleichzeitig zieht sie den Kraftspeicher 7 auf, der nach seiner Auslösung den darunter angeordneten Lastumschafter 8 betätigt. Es ist auf vorteilhafte Weise möglich, die Antriebswelle 4 bis zum unteren Bereich des Stufenschalters zu verlängern, so dass sie direkt eine Dauerhauptkontakt-Baugruppe 9 betätigt, die unten am

Stufenschalter angeordnet ist.

Figur 7 zeigt eine weitere mögliche Anordnung einer solchen Dauerhauptkontakt-Baugruppe 9 oberhalb des Wählers 6.

Im Rahmen der Erfindung sind zahlreiche andere Anordnungen der Dauerhauptkontakte im oder am Wähler möglich, da sie, wie erläutert, nicht mehr notwendiger Bestandteil des Lastumschalters sein müssen.

Die Erfindung wurde an Hand von Zeichnungen erläutert, die mechanische Kontakte zeigen. Sie ist ebenso anwendbar für Schaltungen, bei denen als Schaltkontakte SK oder Widerstandsschaitkontakte WK Vakuumschaltröhren oder auch Halbleiterschaltelemente verwendet werden. Unabhängig von der jeweiligen Ausführung dieser Kontakte bleibt es die Funktion der Dauerhauptkontakte DHK, im stationären Betrieb die entsprechenden Schaltkontakte von der Dauerstromführung zu entlasten.