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Title:
STEP SWITCH
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2014/019858
Kind Code:
A1
Abstract:
The present invention relates to a step switch (1) according to the reactor switching principle for interruption-free load transfer by means of at least one load interrupter (4, 5). For a step switch (1) according to the reactor switching principle for interruption-free load transfer by means of load interrupters (4, 5), the general inventive idea is to connect a protection circuit (6, 7) according to the invention, comprising a parallel circuit of a closing resistor (10, 11) and an auxiliary load interrupter (12, 13), in series with the at least one load interrupter (4, 5) in such a manner that the closing resistor (10, 11) during the closing phase, i.e. the circuitry, reduces the making current in the load interrupter (4, 5) and is bypassed in the next switching step by means of an auxiliary load interrupter (12, 13).

Inventors:
HAMMER CHRISTIAN (DE)
SHEIKO STANISLAV (DE)
PANKOFER MARTIN (DE)
PIRCHER CHRISTIAN (DE)
SACHSENHAUSER ANDREAS (DE)
Application Number:
PCT/EP2013/065137
Publication Date:
February 06, 2014
Filing Date:
July 18, 2013
Export Citation:
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Assignee:
REINHAUSEN MASCHF SCHEUBECK (DE)
International Classes:
H01H9/00; H01F29/04
Domestic Patent References:
WO2010022750A12010-03-04
WO1988010502A11988-12-29
Foreign References:
US2374974A1945-05-01
DE3146970A11982-06-09
DE19743865C11999-04-15
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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.

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 MTS 2 sind die bei der Umschaltung zu betätigenden beweglichen Wählerkontakte, X, und X 2 sind die Oberschaltreaktanzen. Die Lastableitung Y ist zwischen den Reaktanzen X t und X 2 angeordnet. Zu Beginn einer Lastumschaltung wird ein Lastschaltstrecke MSV 2 geöffnet, der Wählerkontakt MTS 2 kann stromlos auf die Anzapfung n+1 bewegt werden, anschließend schließt die Laststrecke MSV 2 . Damit ist eine stationäre Position hergestellt und auf Stufe B umgeschaltet. Die Oberschaltreaktanzen X-, und X 2 begrenzen den Kreisstrom I c 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