Die Erfindung betrifft ein Sensorsystem zur Bestimmung der Lichtbogenbrenndauer und Laststufenschaltervorrichtung.

Laststufenschalter dienen zum unterbrechungsfreien Umschalten zwischen verschiedenen Wicklungsanzapfungen eines elektrischen Betriebsmittels, wie etwa eines Leistungstransformators oder einer regelbaren Drossel. Auf Grund der Tatsache, dass die schaltenden Elemente wie Vakuumschaltröhren und Wählerarme stets auf dem Hochspannungspotenzial liegen, findet generell eine Überwachung dieser Teile nicht statt. Mittel und Verfahren für die Überwachung dieser Teile sind jedoch gewünscht.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Sensorsystem bereitzustellen, welches eine genaue und kostengünstige Überwachung von Vakuumschaltröhren ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch den jeweiligen Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Die Erfindung schlägt ein Sensorsystem zur Bestimmung der Lichtbogenbrenndauer in einer Vakuumschaltröhre vor, umfassend eine Messvorrichtung mit einem Empfänger und einer Messeinrichtung; eine Sensoreinheit mit einem Spannungsteiler, einem Energieerzeuger, einer Energieumwandlungseinheit, eine Auswerteeinheit und einem Sender; wobei die Sensoreinheit an einen ersten Kontakt und einen zweiten Kontakt einer Vakuumschaltröhre anschließbar ist; die Sensoreinheit über einen Signalüberträger mit der Messvorrichtung verbunden ist.

Durch das Anschließen der Sensoreinheit direkt an eine Vakuumschaltröhre ist es möglich, die Lichtbogenbrenndauer zu bestimmen. Der Spannungsteiler der Sensoreinheit erfasst dabei die an der Vakuumschaltröhre anliegende Spannung, wenn ein Lichtbogen in der Vakuumschaltröhre entsteht, bzw. greift die an der Vakuumschaltröhre anliegende Spannung ab. Über die Auswerteeinheit und den Sender wird ein detektierter Lichtbogen als Ausgangssignal an die Messvorrichtung übertragen und durch die Messeinrichtung ausgewertet. Je nach Dauer des Ausgangssignals kann auf die Dauer der Lichtbogenbrenndauer geschlossen werden. Durch den Energieerzeuger wird die Sensoreinheit autonom mit Energie versorgt. Dies ist besonders vorteilhaft, da die Sensoreinheit auf dem Hochspannungspotential liegt. Eine aufwendige Verkabelung für eine Energieversorgung ist nicht notwendig.

Der Sender und der Empfänger können auf beliebiger Art und Weise ausgestaltet sein, beispielsweise kann der Sender als Diode und der Empfänger als Fotodiode ausgebildet sein. Bei einer solchen Ausführungsform ist der Signalüberträger dann als Lichtwellenleiter ausgestaltet. Weiterhin kann die Signalübertragung je nach Ausgestaltung von Sender, Empfänger und Signalüberträger, auf beliebige Art und Weise erfolgen, beispielsweise per Funk, Bluetooth, WLAN, etc.

Der Energieerzeuger kann beispielsweise als Stromwandler oder Spannungswandler oder ein Wandler nach dem Energyharvesting-Prinzip sein. Dieser ist vorzugsweise innerhalb des Stufentransformators, vorzugsweise auf dem Hochspannungspotenzial, angeordnet.

Die Auswerteeinheit kann weiterhin als Gleichrichternetzwerk ausgebildet sein. Die Auswerteeinheit ist vorzugsweise über die Energieumwandlungseinheit mit dem Energieerzeuger verbunden, um die Sensoreinheit mit Energie zu versorgen. Der Spannungsteiler der Sensoreinheit ist zum Erfassen der Lichtbogenbrenndauer an dem ersten Kontakt und dem zweiten Kontakt der Vakuumschaltröhre angeschlossen.

Die Sensoreinheit ist dazu ausgebildet und eingerichtet an eine Vakuumschaltröhre eines Laststufenschalters angeschlossen zu werden, insbesondere ist die Sensoreinheit dazu ausgebildet und eingerichtet an einen ersten und einen zweiten Kontakt der Vakuumschaltröhre angeschlossen zu werden.

Die Vakuumschaltröhre kann auf beliebige Art und Weise ausgestaltet sein und einen ersten Kontakt und einen zweiten Kontakt aufweisen. Die Kontakte erstrecken sich aus dem Inneren der Vakuumschaltröhre nach außen. Die Sensoreinheit kann dabei direkt an die Kontakte der Vakuumschaltröhre angeschlossen sein oder mit leitenden Elementen wie Kabel, die mit den Kontakten verbunden sind.

Die Erfindung schlägt weiterhin eine Laststufenschaltervorrichtung vor, umfassend einen Laststufenschalter mit einer Vakuumschaltröhre; ein Sensorsystem mit einer Messvorrichtung und einer Sensoreinheit zur Bestimmung der Lichtbogenbrenndauer in der Vakuumschaltröhre; wobei die Sensoreinheit an einen ersten Kontakt und an einen zweiten Kontakt der Vakuumschaltröhre angeschlossen ist; die Messvorrichtung mit der Sensoreinheit über einen Signalüberträger verbunden ist. Die Laststufenschaltervorrichtung ermöglicht es die Lichtbogenbrenndauer innerhalb einer Vakuumschaltröhre des Laststufenschalters zu bestimmen. So kann sichergestellt werden das Lichtbögen innerhalb des Laststufenschalters während der Betätigung erlöschen. Weiterhin kann basierend auf dieser Information die Laststufenschalterbetätigung über den Antrieb abgepasst werden, sodass die Lichtbogenbrenndauer so kurz wie möglich ist. Durch die Anordnung der Sensoreinheit in unmittelbarer Nähe zur Vakuumschaltröhre ist die Laststufenschaltervorrichtung besonders kompakt aufgebaut. Weiterhin erfolgt die Energieversorgung der Sensoreinheit autark durch einen eigenen Energieerzeuger.

Die Laststufenschaltervorrichtung weist weiterhin einen Antrieb zum Betätigen des Laststufenschalters auf, wobei der Antrieb über die Messvorrichtung des Sensorsystems gesteuert wird. Der Antrieb ist außen am Stufentransformator angeordnet. Die Messvorrichtung kann außen am Stufentransformator oder innerhalb des Stufentransformators angeordnet sein. Weiterhin kann die Messvorrichtung im Laststufenschalterkopf angeordnet sein. Die Messvorrichtung und der Antrieb liegen jedoch stehts am Erdpotenzial an. Die Sensoreinheit ist innerhalb des Stufentransformators oder innerhalb des Laststufenschalters in unmittelbarer Nähe zur Vakuumschaltröhre angeordnet. Innerhalb des Stufentransformators oder innerhalb des Laststufenschalters heißt im Gehäuse des Stufentransformator oder im oder am Gehäuse des Laststufenschalters. Insbesondere ist die Sensoreinheit im Ölgefäß des Lastumschalters angeordnet. Der Lastumschalter ist Teil des Laststufenschalters und ist ebenfalls im Inneren eine Stufentransformators also in dessen Gehäuse angeordnet. Die Sensoreinheit sowie die Vakuumschaltröhre liegen stets am Hochspannungspotenzial an. Dies gilt auch für den Lastumschalter.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand beispielhafter Ausführungsformen unter Bezug auf die Zeichnungen im Detail erklärt.

Es zeigen

Figur 1 einen Stufentransformator mit einer Laststufenschaltervorrichtung;

Figur 2 eine Sensoreinheit. Figur 1 zeigt einen Stufentransformator 1 mit einer Laststufenschaltervorrichtung 30. Die Laststufenschaltvorrichtung 30 weist einen Laststufenschalter 2 und ein Sensorsystem 20 auf. Der Laststufenschalter 2 ist mit einem Antrieb 3 verbunden und wird durch diesen betätigt. Der Laststufenschalter 2 weist - nicht dargestellt - einen Lastumschalter und einen Wähler auf. Weiterhin weist der Lastumschalter und damit auch der Laststufenschalter 2 mindestens eine Vakuumschaltröhre 4 auf, die für die Umschaltung unter Last verwendet wird. An die Vakuumschaltröhre 4 ist eine Sensoreinheit 10 angeschlossen. Die Sensoreinheit dient der Erfassung bzw. der Bestimmung der Lichtbogenbrenndauer beim Betätigen, insbesondere beim Öffnen der Vakuumschaltröhre 4. Die Sensoreinheit 10 ist vorzugsweise im Laststufenschalter 4 insbesondere im Lastumschalter oder in unmittelbarer Nähe der Vakuumschaltröhre 4 angeordnet. Weiterhin ist die Sensoreinheit 10 mit einer Messvorrichtung 5 verbunden. Die Sensoreinheit 10 und die Messvorrichtung 5 bilden ein Sensorsystem 20 zur Erfassung bzw. Bestimmung der Lichtbogenbrenndauer.

Figur 2 zeigt eine detaillierte Ansicht der Sensoreinheit 10. Die Sensoreinheit 10 ist an einem ersten Kontakt 4.1 und an einem zweiten Kontakt 4.2 der Vakuumschaltröhre 4 an die Vakuumschaltröhre 4 des Laststufenschalters 2 angeschlossen. Sie Sensoreinheit 10 weist einen Spannungsteiler 1 1 auf, der dazu eingerichtet und ausgebildet ist, die über der Vakuumschaltröhre 10 anliegende hohe Spannung auf eine niedrigere Spannung herunterzusetzen. Insbesondere ist der Spannungsteiler 1 1 der Sensoreinheit an den ersten Kontakt 4.1 und an den zweiten Kontakt 4.2 der Vakuumschaltröhre 4 angeschlossen.

Weiterhin ist ein Energieerzeuger 12 vorgesehen. Dieser stellt die für den Betrieb der Sensoreinheit 10 notwendige Energie zur Verfügung. Der Energieerzeuger 12 kann beispielsweise als Stromwandler, Spannungswandler oder weiterer Wandler, der nach dem Ener- gyharvesting-Prinzip (mittels Abgriff von Temperatur, mechanischen Schwingungen, elektrischen oder magnetischen Feldern) funktioniert, ausgebildet sein. Der Energieerzeuger 12 ist entweder fester Bestandteil der Sensoreinheit 10, d.h. integriert, oder ist mit dieser elektrisch leitend verbunden.

Weithin ist eine Energieumwandlungseinheit 13 vorgesehen. Diese passt die vom Energieerzeuger 12 erhaltene Energie entsprechend den Vorgaben der anderen Bauelemente, d.h. Spannung und Strom, an die Bedürfnisse und Anforderungen der Auswerteeinheit 14 und des Senders 15 an. Weiterhin erzeugt die Energieumwandlungseinheit 13 eine Referenzspannung. Die Energieumwandlungseinheit 13 kann beispielsweise als Gleichrichternetzwerk ausgebildet sein und beispielsweise auch Kondensatoren oder Spulen zur Energiezwischenspeicherung umfassen. Die Auswerteeinheit 14, die beispielsweise als Komparatornetzwerk ausgebildet ist, ist mit dem Spannungsteiler 11 und der Energieumwandlungseinheit 13 verbunden. Die Auswerteeinheit 14 ist dazu ausgebildet und eingerichtet die vom Spannungsteiler 11 erfasste bzw. abgegriffene Spannung auszuwerten. Hier wird anhand der von Spannungsteiler 11 abgegriffenen Spannung bestimmt, ob ein Lichtbogen in der Vakuumschaltröhre 4 während einer Umschaltung vorhanden ist. So ist beispielsweise bei einer abgegriffenen Spannung von 15 mV bis 25mV ein Lichtbogen in der Vakuumschaltröhre vorhanden. Dieser Spannungsbereich ist hier als Beispiel angegeben. Der abgegriffene Spannungsbereich ist unter anderem von der Beschaffenheit der einzelnen Teile der Vakuumschaltröhre 4 abhängig. Die Auswerteeinheit 14 ist dazu eingerichtet und ausgebildet einen bestimmten Spannungswert oder einen Spannungsbereich zu erfassen, mit einer Referenzspannung zu verarbeiten bzw. zu vergleichen und daraus ein Ausgangssignal zu erzeugen.

Weiterhin ist die Auswerteeinheit 14 mit einem Sender 15 verbunden. Dieser überträgt, die von der Auswerteeinheit 14 erzeugten Ausgangssignale an die Messvorrichtung 5. Der Sender 15 ist vorzugsweise als Diode ausgebildet. Die sich auf Erdpotential befindende Messvorrichtung 5 weist einen Empfänger 16 auf, der als Diode bzw. Fotodiode ausgebildet ist. Der Sender 15 und der Empfänger 16 sind in dem hier gezeigten Beispiel über einen Lichtwellenleiter miteinander verbunden, der als Signalüberträger 17 dient. Je nach Ausgestaltung von Sender 15, Empfänger 16 und Signalüberträger 17, kann die Signalübertragung auf beliebige Art und Weise erfolgen, beispielsweise per Funk, Bluetooth, WLAN, etc. Die Messvorrichtung 5 kann innerhalb des Stufentransformators 1 unterhalb des Laststufenschalterdeckels oder auch außen am Stufentransformator 1 , bspw. im Motorantrieb oder Spannungsregler angeordnet sein.

Die Messvorrichtung 5 weist außerdem eine Messeinrichtung 18 auf mit der das empfangene Ausgangssignal ausgewertet werden kann. Die Messvorrichtung 18 ist dazu ausgebildet und eingerichtet das Ausgangssignal zu verarbeiten und auszuwerten und kann beispielsweise einen entsprechenden Prozessor und einen Speicher aufweisen.

Beim Betätigen des Laststufenschalters 2 wird mittels des Antriebs 3 eine Vakuumschaltröhre 4 des Laststufenschalters 2 geöffnet. Da durch den Laststufenschalter 2 und damit durch die Vakuumschaltröhre 4 in der Regel ein sinusförmiger Strom fließt, können beim Öffnen der Vakuumschaltröhre 4 Lichtbögen zwischen den Kontakten entstehen. Diese erlöschen in der Regel bei einem nächsten Stromnulldurchgang oder wenn die Kontakte der Vakuumschaltröhre weit genug voneinander entfernt sind. Sollte beim Öffnen der Strom gerade in seinem Nullpunkt sein, so entsteht kein Lichtbogen. Die Sensoreinheit 10 dient dazu die Lichtbogenbrenndauer zu erfassen. Hierbei wird ein Spannungswert oder ein Spannungsbereich aus dem Spannungsteiler 11 in der Auswerteeinheit 14 in ein Ausgangssignal umgewandelt und über den Sender 15 an die Messvorrichtung 5 übermittelt. Die Messeinrichtung 18 in der Steuervorrichtung 5 misst die Dauer des Ausgangssignals und bestimmt daraus die Lichtbogenbrenndauer. Die Dauer des Ausgangssignals häng von Lichtbogenbrenndauer ab bzw. wird durch diese vorgegeben. Die Messeinrichtung 18 ist dazu ausgebildet und eingerichtet aus dem Ausgangssignal der Sensoreinheit 10 die Lichtbogenbrenndauer zu bestimmen.

Bezugszeichen

1 Stufentransformator

2 Laststufenschalter

3 Antrieb

4 Vakuumschaltröhre

4.1 erster Kontakt

4.2 zweiter Kontakt

5 Messvorrichtung

10 Sensoreinheit

11 Spannungsteiler

12 Energieerzeuger

13 Energieumwandlungseinheit

14 Auswerteeinheit

15 Sender

16 Empfänger

17 Signalüberträger

18 Messeinrichtung

20 Sensorsystem

30 Laststufenschaltervorrichtung