Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchführung eines Umschaltvorgangs in einem Laststufenschalter zwischen Wicklungsanzapfungen eines Stufentransformators.

Laststufenschalter sind seit vielen Jahren zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen verschiedenen Wicklungsanzapfungen von Stufentransformatoren in großen Zahlen weltweit im Einsatz. Sogenannte Reaktorschalter, die besonders in Nord-Amerika verbreitet sind, besitzen eine Umschaltreaktanz, die eine langsame, kontinuierliche Umschaltung ermöglicht. Laststufenschalter nach dem Widerstandsschnellschalt-Prinzip bestehen üblicherweise aus einem Wähler zur leistungslosen Anwahl der jeweiligen Wicklungsanzapfung des Stufentransformators, auf die umgeschaltet werden soll, und einem Lastumschalter zur eigentlichen Umschaltung von der bisherigen auf die neue, vorgewählte Wicklungsanzapfung. Der Lastumschalter weist dazu üblicherweise Schaltkontakte und Widerstandskontakte auf. Die Schaltkontakte dienen dabei zur direkten Verbindung der jeweiligen Wicklungsanzapfung mit der Lastableitung, die Widerstandskontakte zur kurzzeitigen Beschaltung, d. h. Überbrückung mittels eines oder mehrerer Überschaltwiderstände. Die Entwicklungen der letzten Jahre führten jedoch weg von Lastumschaltern mit mechanischen Schaltkontakten im Isolieröl. Stattdessen werden vermehrt Vakuumschaltzellen als Schaltelemente eingesetzt.

Ein derartiger Laststufenschalter mit Vakuumschaltröhren ist beispielsweise aus der DE 10 2009 043 171 A1 bekannt. Hier trägt ein Lastumschalter eine von einem Kraftspeicher antreibbare Antriebswelle mit mindestens einer Kurvenscheibe. Die Kurvenscheibe weist mehrere Steuerkurven auf, wobei zwei an der Kurvenscheibe stirnseitig angeordnete Steuerkurven eine von einer Kreisform abweichende Kontur nach Art von Nocken aufweisen, an der kontaktschlüssig jeweils eine über einen Kipphebel mit einer Vakuumschaltröhre verbundene Rolle geführt wird, die die profilierte Kontur der jeweiligen Steuerkurve abgreift.

Auf Grund des konstruktiven Aufbaus dieses Laststufenschalters bedarf es bei diesem eines Federenergiespeichers zum sprungartigen Umschalten mittels des Kontaktsystems. Aus dem Stand der Technik bekannte Kraftspeicher werden zu Beginn jeder Betätigung des Laststufenschalters von einer Antriebswelle aufgezogen, d. h. gespannt. Die bekannten Kraftspeicher bestehen im Wesentlichen aus einem Aufzugsschlitten und einem Sprungschlitten, zwischen denen Kraftspeicherfedern als Energiespeicher angeordnet sind. Derartige Kraftspeicher sind beispielsweise der DE 198 55 860 C1 sowie der DE 28 06 282 B1 entnehmbar. Trotz dieser über Jahrzehnte genutzter Energiespeicher kommt es immer wieder zum Versagen dieser Vorrichtungen. Da die Laststufenschalter über lange Zeit genutzt werden, kommt es immer wieder vor, dass die Druck- bzw. Zugfedern brechen und damit eine Umschaltung verhindern. Weiterhin kann es vorkommen, dass ein Schlitten die Endposition nicht erreicht, die Schaltwelle somit nicht vollständig dreht und die Schaltkontakte nicht deren Endposition erreichen. Dies kann im schlimmsten Fall zur Zerstörung des gesamten Stufentransformators führen.

Neuste Laststufenschaltermodelle der Anmelderin haben im Vergleich zum Stand der Technik keine mechanischen Kraftspeicher zur Durchführung von Umschaltungen. Die Betätigung erfolgt direkt über einen Elektroantrieb. Bei einem plötzlichen Ausfall der Energieversorgung für einen solchen Antrieb während einer Umschaltung kann es jedoch zu kritischen Stellungen im Laststufenschalter kommen. Diese sind insbesondere kurz vor dem Schließen oder nach dem Öffnen eines Schaltkontaktes. Hierbei kann es z.B. zu einem Verschweißen der Kontakte im Inneren der Vakuumschaltröhre kommen.

Aufgabe der Erfindung ist es somit, ein Verfahren zur Durchführung eines Umschaltvorgangs in einem Laststufenschalter bereitzustellen, um damit die Sicherheit von Laststufenschaltern zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des ersten Patentanspruches gelöst. Die Unteransprüche betreffen besonders vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens.

Die allgemeine erfinderische Idee besteht dabei darin, in einem Verfahren zur Durchführung eines Umschaltvorgangs eines Laststufenschalters, die dem Umschaltvorgang zu Grunde liegende Schaltsequenz in mehrere Phasen zu unterteilen, die kritische und unkritische Schaltzustände der jeweils verwendeten Schaltkontakte identifiziert, jede dieser Phasen während eines Umschaltvorgangs zu überwachen und in Abhängigkeit einer in einem Kontroller parametrierten Entscheidungslogik, die den zu Beginn eines intendierten Umschaltvorgangs mittels einer Spannungsüberwachungsvorrichtung detektierten Wert der Versorgungsspannung als Entscheidungsgrundlage verarbeitet und nur dann den Umschaltvorgang startet bzw. in die nächste definierte Phase des Umschaltvorgangs eintritt, wenn eine Versorgungsspannung detektierbar ist und zudem bei einem Spannungseinbruch der Netz- bzw. Versorgungsspannung, und damit bei einem Ausfall der Energieversorgung des Elektroantriebs, während eines Umschaltvorgangs mit Hilfe der in den Kondensatoren der Steuerung vorhandenen Energie die jeweils für eine Umschaltsequenz identifizierten kritischen Schaltzustände der jeweiligen Schaltkontakte überwindet, indem in die nächstfolgende, als unkritisch identifizierte Phase der Schaltzustände weiterschaltet wird.

Erfindungsgemäß wird dabei nach der Initiierung der Umschaltung in der ersten Phase von einer Spannungsüberwachungseinrichtung überprüft, ob an einer ausgewählten Phasenleitung eine Spannung anliegt. Bei einer nicht anliegenden Spannung wird die Umschaltung abgebrochen und bei anliegender Spannung fortgesetzt.

Während der zweiten Phase des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Elektroantrieb über eine Steuerung betätigt der dabei den zweiten Schaltkontakt öffnet. Während dem Öffnen wird die Energieversorgung des Elektroantriebs von einem Kontroller überwacht. Bei einem Spannungseinbruch an der Energieversorgung des Elektroantriebs wird Energie aus den Kondensatoren der Steuerung zum vollständigen Öffnen des zweiten Schaltkontaktes verwendet. Im Anschluss, also während der dritten Phase, wird eine benachbarte Wicklungsanzapfung durch einen zweiten Wählerkontakt angefahren.

Während der vierten Phase des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Elektroantrieb über eine Steuerung betätigt und dabei der zweite Schaltkontakt geschlossen. Während dem Schließen wird die Energieversorgung des Elektroantriebs von dem Kontroller überwacht wird und bei einem Spannungseinbruch der Energieversorgung des Elektroantriebs die Energie aus Kondensatoren der Steuerung zum vollständigen Schließen des zweiten Schaltkontaktes verwendet.

Während der fünften Phase des erfindungsgemäßen Verfahrens liegen der erste Wählerkontakt an einer Wicklungsanzapfung und der zweite Wählerkontakt an der benachbarten Wicklungsanzapfung an. Der erste und der zweite Schaltkontakt sind dabei geschlossen. Während dieser Zeit entsteht ein Kreisstrom Ik.

Während der sechsten Phase des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vor der Fortsetzung der Umschaltung von der Spannungsüberwachungseinrichtung überprüft, ob an einer ausgewählten Phasenleitung eine Spannung anliegt. Bei einer nicht anliegenden Spannung wird die Umschaltung abgebrochen, bei anliegender Spannung fortgesetzt. Während der siebten, folgenden Phase wird eine benachbarte Wicklungsanzapfung durch den ersten Wählerkontakt angefahren. Während der achten Phase des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Elektroantrieb über eine Steuerung betätigt und der erste Schaltkontakt geschlossen. Während des Schließens wird die Energieversorgung des Elektroantriebs von einem Kontroller überwacht und bei einem Spannungseinbruch an der Energieversorgung des Elektroantriebs die Energie aus Kondensatoren der Steuerung zum vollständigen Schließen des ersten Schaltkontaktes verwendet. In der neunten Phase wird die Umschaltung beendet.

Das erfindungsgemäße Verfahren soll nachfolgend beispielhaft näher erläutert werden.

Figur 1 zeigt eine schematische Ansicht eines Laststufenschalters mit erforderlichen Mitteln zur Durchführung einer Umschaltvorgangs, bei der kritische Stellungen vermieden werden.

In den Figuren 2a - 2i ist ein beispielhafter Umschaltvorgang eines Laststufenschalters, der nach dem Reaktorschaltprinzip arbeitet, abgebildet.

Figur 3 zeigt einen schematischen Ablaufplan mit unterschiedlichen Phasen während eines Umschaltvorgangs.

In Figur 1 ist ein Laststufenschalter 1 , nach dem Reaktorschaltprinzip, der sich in einem Stufentransformator 2 befindet, dargestellt. Der Stufentransformator 2 weist eine Oberspannungsseite 3, wobei an dieser der Laststufenschalter 2 angeordnet ist, und eine Unterspannungsseite 4 auf. Sowohl die Oberspannungsseite 3 als auch die Unterspannungsseite 4 weisen jeweils drei Phasenleitungen L1 , L2, L3, 11 , 12, 13 auf. Der Laststufenschalter 1 wird durch einen Elektroantrieb 5 betätigt. Eine Steuerung 6 initiiert die einzelnen Schalthandlungen des Elektroantriebes 5. Die Steuerung 6 ist über einen Kontroller 7 mit dem Elektroantrieb 5 und mit einer Spannungsüberwachungsvorrichtung 8, im Weiteren als SUV 8 bezeichnet, verbunden. Die SUV 8 überwacht die Spannung der einzelnen Phasenleitungen 11 , 12 und 13 auf der Unterspannungsseite 4. Die Energieversorgung des Elektroantriebes 5 erfolgt über eine dieser Phasenleitungen 11 der Unterspannungsseite 4 über eine Leitung 9. Hierfür ist jedoch jede der sich auf der Unterspannungsseiten 4 befindenden Phasenleitung 11 , 12, oder 13 geeignet.

Im Inneren der Steuerung 6 sind Pufferkondensatoren angeordnet, die in der Lage sind eine definierte Energiemenge zu speichern. Diese sind oftmals Bestandteile der Steuerung 6, können jedoch auch nachträglich nachgerüstet werden. Bei der Initiierung eines Umschaltvorganges des Laststufenschalters 1 , von einer Anzapfung n über eine Zwischenstufe n+1/2 zu einer nächsten Anzapfung n+1 des Stufentransformators, wird die Energie aus einer Phasenleitung 11 , 12, oder 13 dazu verwendet, die sich im Inneren der Laststufenschalters 1 befindenden Schaltkontakte V1 , V2, insbesondere Vakuumschaltröhren, zu öffnen bzw. zu schließen. Die kritischen Stellungen entstehen bei diesem Umschaltvorgang insbesondere beim sogenannten harten öffnen bzw. beim harten Schließen der Schaltkontakte. Hartes Öffnen bzw. Schließen entsteht wenn die Kontakte unter Last stehen, d.h. einen Strom führen. Hierbei entstehen im Inneren der Schaltkontakte Lichtbögen, welche sich auf die Lebensdauer der Kontakte auswirken und bei zu langer Brenndauer sogar zu Zerstörungen führen können.

In den Figuren 2a - 2i ist ein beispielhafter Umschaltvorgang eines Laststufenschalters 1 , der nach dem Reaktorschaltprinzip arbeitet, dargestellt. Der Laststufenschalter 1 besteht aus einem ersten und einem zweiten Schaltkontakt V1 und V2, einem ersten und einem zweiten beweglichen Wählerkontakt W1 und W2 sowie einer ersten und einer zweiten Überschaltreaktanz X1 und X2. Zusätzlich ist eine Lastableitung Y zwischen der ersten und der zweiten Reaktanz X1 und X2 angeordnet. Der Umschaltvorgang erfolgt von einer ersten Anzapfung n einer Stufenwicklung zu einer benachbarten zweiten Wicklungsanzapfung n+1 einer Stufenwicklung eines Stufentransformators 2, wobei eine Zwischenstellung n+1/2 als stationäre Betriebsstellung zulässig ist.

Zu Beginn eines Umschaltvorganges, Figur 2b, wird der zweite Schaltkontakt V2 geöffnet, sodass der zweite Wählerkontakt W2 zunächst von der Wicklungsanzapfung n stromlos gelöst werden kann. Im Anschluss, Figur 2c, bewegt sich der Wählerkontakt W2 zur zweiten Anzapfung n+1 . Nach dem Erreichen der zweiten Wicklungsanzapfung n+1 , Figur 2d, wird der Schaltkontakt V2 geschlossen. Dabei kommt es zum sogenannten Kreisstrom Ik, Figur 2e. Die Reaktanzen X1 und X2 erlauben es, dass der Laststufenschalter 1 in diese Position stehen bleiben kann. Diese Stellung wird als Zwischenstufe n+1/2 bezeichnet. Nach dem Öffnen der ersten Vakuumschaltröhre V1 , Figur 2f, wird der Kreisstrom Ik unterbrochen und der erste Wählerkontakt W1 bewegt sich in Richtung der zweiten Wicklungsanzapfung n+1 , Figur 2g. Sobald der der erste Wählerkontakt W1 an der Wicklungsanzapfung n+1 angelangt ist, Figur h und Figur i, wird der erste Schaltkontakt V1 geschlossen.

Dieser Umschaltvorgang kann somit erfindungsgemäß in neun Phasen unterteilt werden. In der ersten Phase (I) (Figur 2a) wird die Umschaltung initiiert. In der zweiten Phase (II) wird der zweite Schaltkontakt V2 geöffnet. In der dritten Phase (III) (Figur 2c) wird die benachbarte zweite Wicklungsanzapfung n+1 von dem zweiten Wählerkontakt W2 angefahren. In Phase vier (IV) wird der zweite Schaltkontakt V2 geschlossen. In Phase fünf (V) (Figur 2d) sind beide Schaltkontakte V1 und V2 geschlossen. In Phase sechs (VI) wird der erste Schaltkontakt V1 geöffnet. In Phase sieben (VII) (Figur 2g) fährt der erste Wählerkontakt W1 die benachbarte zweite Wicklungsanzapfung n+1 an. In Phase acht (VIII) wird der der erste Schaltkontakt V1 geschlossen. In Phase neun (IX) ist der Umschaltvorgang beendet.

In Figur 3 ist das erfindungsgemäße Verfahren durch einen schematischen Ablaufplan dargestellt. Dabei wird bei Initiierung des Umschaltvorgangs in der ersten Phase (I) durch die SUV 8 zunächst überprüft, ob an der für die Energieversorgung ausgewählten Phasenleitung 11 , 12, 13 eine Spannung anliegt. Falls dies nicht der Fall ist, wird der Umschaltvorgang nicht durchgeführt und der Laststufenschalter 1 bleibt in dieser Position bzw. es wird der gesamte Stufentransformator 2 abgeschaltet. Falls eine Spannung anliegt, wird der Elektroanrieb 5 über die Steuerung 6 betätigt.

Während dieser zweiten Phase (II) wird der zweite Schaltkontakt V2 geöffnet. Diese Phase ist als kritischer Schaltzustand anzusehen, da es bei einem nicht vollständig geöffneten zweiten Schaltkontakt V2 zum Nichtverlöschen des Lichtbogens kommen kann. Der Kontroller 7 überwacht während dieser Zeit die Energieversorgung des Elektroantriebs 5. Falls es während dieser Phase (II) zu einem Spannungseinbruch, also einem Ausfall der Energieversorgung kommt, wird dies von dem Korntroller 7 detektiert und mit Hilfe der in der Steuerung 6 vorhandenen Energie, aus dem bereits vorher aufgeladenen Kondensatoren, kompensiert, d.h. der zweite Schaltkontakt V2 wird vollständig geöffnet.

Wenn das Öffnen vollständig abgeschlossen ist, wird in der dritten Phase (III) die benachbarte Anzapfung n+1 durch den zweiten Wählerkontakt W2 angefahren. Während des Schließens des zweiten Schaltkontaktes V2, also in Phase vier (IV), wird die Energieversorgung über den Kontroller 7 überwacht. Diese Phase (IV) ist ebenfalls als kritischer Schaltzustand anzusehen, da es bei einem nicht vollständig geschlossenem zweiten Schaltkontakt V2 zu Vorzündungen und anschließendem Nichtverlöschen des Lichtbogens kommen kann. Bei einem Spannungseinbruch, also einem Ausfall der Energieversorgung, wird dies von dem Korntroller 7 detektiert und mit Hilfe der in der Steuerung 6 vorhandenen Energie, aus dem bereits vorher aufgeladenen Kondensatoren, kompensiert, d.h. der zweite Schaltkontakt V2 wird vollständig geschlossen. In der fünften Phase (V), also nach dem der zweite Schaltkontakt V2 geschlossen wurde, entsteht der sog. Kreisstrom Ik. Dieser Schaltzustand ist unkritisch.

Vor dem Öffnen des ersten Schaltkontaktes V1 , also Phase sechs (VI), wird erneut überprüft, ob an der für die Energieversorgung ausgewählten Phasenleitung 11 , 12, 13 eine Spannung anliegt. Falls dies nicht der Fall ist, wird der Umschaltvorgang nicht durchgeführt und der Laststufenschalter verbleibt in dieser Position bzw. es wird der gesamte Stufentransformator abgeschaltet. In Phase sieben (VII) wird die benachbarte Anzapfung n+1 angefahren. In der achten Phase (VIII) wird der erste Schaltkontakt V1 geschlossen. Der Kontroller 7 überwacht während dieser Zeit die Energieversorgung des Elektroantriebs 5. Falls es während dieser Phase zu einem Spannungseinbruch, also einem Ausfall der Energieversorgung kommt, wird dies von dem Korntroller 7 detektiert und mit Hilfe der in der Steuerung 6 vorhandenen, bereits vorher aufgeladenen Kondensatoren kompensiert. In der letzten Phase ist der Umschaltvorgang abgeschlossen.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens wird stets sichergestellt, dass der erste und der zweite Schaltkontakt V1 und V2 nie einen kritischen Schaltzustand während eines Umschaltvorgangs eines Laststufenschalters 1 , von einer Wicklungsanzapfung n zu einer nächsten Wicklungsanzapfung n+1 , einnehmen. Damit wird verhindert, dass es zu einer Zerstörung der Schaltkontakte V1 und V2, des Laststufenschalters 1 oder gar des gesamten Stufentransformators 2 kommt. Dies hätte verheerende Auswirkungen auf ein Energieversorgungsnetz.

Phasen der Umschaltung

I Initiierung einer Umschaltung

Überprüfung der Spannung einer ausgewählten Phasenleitung mittels SUV Durchführung der Umschaltung bei anliegender Spannung

Abbruch der Umschaltung bei nicht anliegender Spannung

II Betätigung des Elektroantriebs mittels Steuerung

Öffnen des zweiten Schaltkontaktes

Überwachung der Spannung mittels Kontroller

Nutzung der Energie der Kondensatoren aus der Steuerung bei

Spannungseinbruch für vollständiges Öffnen des zweiten Schalkontaktes

III Anfahren der benachbarten Wicklungsanzapfung durch den zweiten

Wählerkontakt

IV Betätigung des Elektroantriebs mittels Steuerung

Schließen des zweiten Schaltkontaktes

Überwachung der Spannung mittels Kontroller

Nutzung der Energie der Kondensatoren aus der Steuerung bei

Spannungseinbruch für vollständiges Schließen des zweiten Schalkontaktes

V Verharren bei vollständig geschlossenen Schaltkontakten

Entstehung des Kreisstromes

Überprüfung der Spannung einer ausgewählten Phasenleitung mittels SUV Durchführung der Umschaltung bei anliegender Spannung

Abbruch der Umschaltung bei nicht anliegender Spannung

VI Betätigung des Elektroantriebs mittels Steuerung

Öffnen des ersten Schaltkontaktes

Überwachung der Spannung mittels Kontroller

Nutzung der Energie der Kondensatoren aus der Steuerung bei Spannungseinbruch für vollständiges öffnen des zweiten Schalkontaktes

VII Anfahren der benachbarten Wicklungsanzapfung durch den ersten

Wählerkontakt

VIII Betätigung des Elektroantriebs mittels Steuerung

Schließen des ersten Schaltkontaktes

Überwachung der Spannung mittels Kontroller

Nutzung der Energie der Kondensatoren aus der Steuerung bei

Spannungseinbruch für vollständiges Schließen des ersten Schalkontaktes

IX Beendigung der Umschaltung