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Patent Searching and Data


Title:
STEPPING SWITCH WITH VACUUM SWITCHING TUBES
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2013/075893
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a stepping switch with vacuum switching tubes (22) according to the preamble of the first claim. According to the invention, the general inventive concept consists in providing a second cam disc (3) which is rotationally fixed to the driveshaft (1) in addition to the first cam disc (2) which is rotationally fixed to the driveshaft (1) and which is known from the prior art for applying the force of the opening stroke of the contact system of the vacuum switching tubes (22). The second cam disc exerts a sufficiently high closing force onto the movable follower of the vacuum switching tubes (22) via a spring-lever system provided on the rocker arm arrangement (6) even in the event of a short-circuit stress and additionally allows a tolerance compensation of the contact system.

Inventors:
HOEPFL KLAUS (DE)
WREDE SILKE (DE)
Application Number:
PCT/EP2012/070681
Publication Date:
May 30, 2013
Filing Date:
October 18, 2012
Export Citation:
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Assignee:
REINHAUSEN MASCHF SCHEUBECK (DE)
HOEPFL KLAUS (DE)
WREDE SILKE (DE)
International Classes:
H01H3/42; H01H9/00
Foreign References:
DE4231353A11993-04-01
JPS55132018A1980-10-14
DE19821775C11999-10-14
DE19510809C11996-07-04
DE4231353A11993-04-01
DE4011019C11991-12-05
DE102009048813A12011-04-14
Attorney, Agent or Firm:
MASCHINENFABRIK REINHAUSEN GMBH (DE)
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Claims:
Patentansprüche

1. Stufenschalter mit Vakuumschaltröhren,

bestehend aus einem Wähler zur leistungslosen Anwahl der jeweiligen Wicklungsanzapfung des Stufentransformators, auf die umgeschaltet werden soll,

und einem Lastumschalter zur eigentlichen Umschaltung von der beschalteten auf die neue, vorgewählte Wicklungsanzapfung,

wobei der Lastumschalter eine drehbare Schaltwelle aufweist, an der eine erste

Kurvenscheibe drehfest angeordnet ist,

wobei eine Kipphebelanordnung mit einer ersten Rolle vorgesehen ist,

und wobei mittels der Kipphebelanordnung die Vakuumschaltröhre betätigbar ist,

dadurch gekennzeichnet,

dass an der Schaltwelle (1 ) eine zweite Kurvenscheibe (3) drehfest angeordnet ist, dass an der Kipphebelanordnung (6) zwei U-förmig ausgebildete weitere Schenkel (1 1 und 12) vorgesehen sind,

dass zwischen den weiteren Schenkel (11 und 12) ein um eine Achse (7) drehbar gelagerter Hebel (13) angeordnet ist, an dessen freien Stirnseite eine zweite Rolle (5) vorgesehen ist, die mit der zweiten Kurvenscheibe (3) korrespondiert,

und dass zwischen dem Hebel (13) und dem weiteren Schenkel (12) eine Druckfeder (14) angeordnet ist.

2. Stufenschalter mit Vakuumschaltröhren nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet,

dass an dem der Schaltwelle (1 ) abgewandten Ende der Kipphebelanordnung (6) seitlich gegenüberliegende Bolzen (15 und 16) vorgesehen sind, die in entsprechende Langlöcher (17 und 18) eines Betätigungshebels (19) eingreifen.

3. Stufenschalter mit Vakuumschaltröhren nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet,

dass an der oberen Stirnseite des Betätigungshebels (19) eine weitere Druckfeder (20) vorgesehen ist und die untere Stirnseite des Betätigungshebels (19) mit einem beweglichen Stößel (21 ) der Vakuumschaltröhre (22) in Wirkverbindung steht.

4. Stufenschalter mit Vakuumschaltröhren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,

dass die umlaufende Konturierung der ersten und zweiten Kurvenscheibe (2 bzw. 3) im Wesentlichen sternförmig ausgebildet ist.

5. Stufenschalter mit Vakuumschaltröhren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,

dass jede Vakuumschaltröhre (22) mittels einer Kipphebelanordnung (6) mit zwei separaten Kurvenscheiben (2 und 3) zusammenwirkt.

6. Stufenschalter mit Vakuumschaltröhren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,

dass die gesamte Kipphebelanordnung (6) um die Achse (7) drehbar gelagert befestigt ist.

Description:
Stufenschalter mit Vakuumschaltröhren

Die Erfindung betrifft einen Stufenschalter mit Vakuumschaltröhren gemäß dem Oberbegriff des ersten Patentanspruches.

Stufenschalter sind seit vielen Jahren zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen verschiedenen Wicklungsanzapfungen von Stufentransformatoren in großer Anzahl weltweit im Einsatz. Solche Stufenschalter 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 beschalteten auf die neue, vorgewählte Wicklungsanzapfung. Die sprungartige Umschaltung erfolgt in der Regel unter Zuhilfenahme eines Kraftspeichers, bei dessen Auslösung eine Schaltwelle schnell gedreht wird. Der Lastumschalter weist zudem 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.

Ein solcher Lastumschalter eines Stufenschalters, der Vakuumschaltröhren zur

unterbrechungslosen Umschaltung verwendet, ist aus der DE 195 10 809 C1 bekannt. Dabei sind für jedes zu betätigende Schaltelement und jede Bewegungsrichtung der Antriebswelle jeweils Kurvenscheiben vorgesehen. Die jeweiligen Stirnseiten der einzelnen

Kurvenscheiben weisen eine definierte, von der Kreisform abweichende Kontur auf, mittels der bei Drehung der Schaltwelle einzelne Vakuumschaltröhren oder auch mechanische Kontakte betätigt werden.

In der DE 42 31 353 A1 erfolgt die Betätigung der einzelnen Vakuumschaltröhren durch eine in beiden Richtungen drehbare Schaltwelle, die nach Auslösung eines Kraftspeichers schnell gedreht wird. Dabei ist zur Betätigung der Vakuumschaltröhren auf der Schaltwelle eine Kurvenscheibe fest angeordnet, die an ihrer Stirnseite für jede Vakuumschaltröhre eine Steuerkurve aufweist, in der formschlüssig eine Rolle zwangsgeführt ist, die auf den

Betätigungshebel der zugeordneten Vakuumschaltröhre einwirkt. Die Steuerkurve wird hier in Form einer horizontal von der Kreiskontur abweichenden umlaufenden Nut realisiert, in die formschlüssig die jeweilige Rolle eingreift. Des Weiteren ist aus der DE 40 1 1 019 C1 ein nach dem Reaktorprinzip arbeitender

Lastumschatter bekannt, bei dem die Kurvenscheibe zur Betätigung der Kontakte nicht an der umlaufenden Stirnseite eine von der Kreisform abweichende Kontur aufweist, sondern auf deren Ober- und Unterseite geometrisch unterschiedlich gestaltete Nuten besitzt. Es ist bei dieser bekannten Lösung eine doppelseitige Betätigung verschiedener Schaltelemente mit unterschiedlicher Schaltsequenz möglich.

Bei verschiedenen Anwendungsfällen solcher bekannter Stufenschalter mit

Vakuumschaltröhren zur Regelung von Leistungstransformatoren ist jedoch eine hohe Stoßspannungsfestigkeit, bis zu 100 kV und deutlich darüber hinaus, erforderlich. Solche unerwünschten Stoßspannungen, deren Höhe wesentlich durch den Aufbau des

St uf e n t ra n sf o rm ato rs und der Wicklungsteile zwischen den einzelnen Anzapfstufen bedingt ist, sind zum einen Blitzstoßspannungen, die sich durch das Einschlagen von Blitzen im Netz ergeben. Zum anderen können auch Schaltstoßspannungen auftreten, die durch nicht vorhersehbare Schaltstöße im zu regelnden Netz verursacht sind.

Bei nicht ausreichender Stoßspannungsfestigkeit des Stufenschalters kann es zu einem kurzzeitigem Stufenkurzschluss bzw. unerwünschtem Durchschlag an der Keramik bzw. dem Dampfschirm von Vakuumschaltröhren im nicht den Laststrom führenden Lastzweig kommen, was nicht nur deren Langzeitschädigung verursachen kann, sondern generell unerwünscht ist.

Dieses Problem wird im Stand der Technik unter anderem dadurch gelöst, für den beweglichen Stößel der schaltungstechnisch für diese Blitzstoßspannung anfälligen

Vakuumschaltröhre einen derart großen Hub, d. h. Abstand zwischen den Kontaktflächen der korrespondierenden festen und beweglichen Stößel innerhalb der Vakuumschaltröhre, vorzusehen, dass damit die dielektrischen Abstände zwischen den Kontaktflächen der korrespondierenden Stößel ausreichend groß dimensioniert sind und damit keine

unerwünschten Überschlage während eines Blitzstoßes entstehen können.

Nachteilig an der aus der DE 42 31 353 A1 bekannten Lösung ist jedoch, dass der erforderliche große Hub des beweglichen Stößels eine Steuerkurve mit entsprechend großen Kurvenausschlägen erforderlich macht. Dies wiederum setzt innerhalb des Lastumschalters einen großen Bauraum voraus, der jedoch oftmals nicht zur Verfügung steht und aus technischer Sicht konstruktiv nachteilige Lösung bedingt. Weiterhin kommt es bei jedem Umschaltvorgang zu einem Materialabtrag an den Kontaktflächen des Kontaktsystems innerhalb der Vakuumschaltröhre, hervorgerufen durch entstehende elektrische Lichtbögen beim mechanischen Trennen der Kontaktflächen der Vakuumschaltröhre unter Last. Die DE 42 31 353 A1 bietet hier keine Lösung, wie die durch den Materialabtrag an den

Kontaktflächen auf die Betätigungshebel der jeweiligen Vakuumschaltröhre hervorgerufenen Auswirkungen, die mit der Zeit Toleranzen innerhalb des Kontaktsystems bedingen, ausgeglichen werden können. Verstärkt in den Vordergrund rückt dieses Problem durch die langen versprochenen Wartungsintervalle von mehreren hundertausend Umschaltungen je Stufenschalter, die die Hersteller dem Kunden bei einem Stufenschalter mit

Vakuumschaltröhren gewährleisten.

Zwar gleicht die DE 195 10 809 C1 die durch den Materialabtrag an den Kontaktflächen entstehenden Toleranzen aus, indem hier der mit dem beweglichen Stößel der

Vakuumschaltröhre in Wirkverbindung stehende Betätigungshebel die erforderliche

Kontaktkraft rein über eine Feder aufbringt und nicht durch eine mechanische

Zwangsführung. Dabei hat die Feder neben ihrer Funktion der Bereitstellung der erforderlichen Kontaktkraft die weitere Aufgabe, die Schließkraft auf den Betätigungshebel einzuleiten. Mit anderen Worten: Die Feder fungiert hier in einer Doppelfunktion zum

Ausgleich der Toleranzen und Aufbringen der erforderlichen Kontaktkraft im geschlossenen Zustand der Vakuumschaltröhren. Soll also bei dieser aus der DE 195 10 809 C1 bekannten Lösung der Hub des beweglichen Stößels der Vakuumschaltröhre vergrößert werden, so ist dafür eine größer dimensionierte Druckfeder mit einer dem entsprechenden Federrate und größerem Federweg notwendig. Dies bedingt jedoch in Summe für die Betätigung der Vakuumschaltröhren einen deutlich erhöhten Kraftaufwand und damit eine stärkere

Dimensionierung der einzelnen Bauteile, was wiederum aus konstruktiven und

kostenmäßigen Gesichtspunkten mit erheblichen Nachteilen verbunden ist. Da, wie eben beschrieben, die Kontaktkraft der Kontaktflächen der Vakuumschaltröhre auf die Federkraft der verbauten Feder limitiert ist, kann es zudem bei einer Kurzschlussbeanspruchung zu einem kurzzeitigen Abheben der Kontaktflächen Vakuumschaltröhre und damit zu einem elektrisch Undefinierten Zustand innerhalb der Leistungstransformators kommen. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demnach, einen Stufenschalter mit Vakuumschaltröhren der eingangs genannten Art bereit zu stellen, der eine ausreichend hohe Schließkraft der Vakuumschaltröhre auch bei Kurzschlussbeanspruchung, bei gleichzeitig deutlich vergrößerten Hub, aufweist und zudem die durch den Materialabtrag mit der Zeit entstehenden Toleranzen auf das Kontaktsystem der Vakuumschaltröhre deutlich verringert.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Stufenschalter mit Vakuumschaltröhren mit den Merkmalen des ersten Patenanspruches gelöst. Die Unteransprüche betreffen besonders bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung.

Die allgemeine erfinderische Idee besteht dabei darin, neben der aus dem Stand der Technik bekannten drehfest an der Antriebswelle vorgesehenen ersten Kurvenscheibe für die Krafteinleitung des Öffnungshubes des Kontaktsystems der Vakuumschaltröhre,

erfindungsgemäß eine zweite drehfest an der Antriebswelle angeordnete Kurvenscheibe vorzusehen, die über ein an der Kipphebelanordnung vorgesehenes Feder-Hebelsystem eine ausreichend hohe Schließkraft auch bei Kurzschlussbeanspruchung auf den

beweglichen Stößel der Vakuumschaltröhre ausübt und zudem einen Toleranzausgleich des Kontaktsystems ermöglicht.

Mit anderen Worten sind an der Schaltwelle des Lastumschalters nun zwei von der

Kreiskontur abweichende, parallel beabstandete Kurvenscheiben drehfest angeordnet, an deren jeweiligen Stirnseiten sich entsprechende Rollen zumindest an einem

Kreissektorabschnitt der korrespondierenden Stirnseite kontaktschlüssig entlangwälzen, wobei die Rollen ihrerseits wiederum an einer winkelförmig ausgebildeten, um eine Achse verschwenkbaren, Kipphebelanordnung angeordnet sind. Wie aus dem Stand der Technik bekannt, weist die Kipphebelanordnung dabei einen sich länglich erstreckenden

Hauptkipphebel mit einem ersten Schenkel auf, an dem die erste Rolle angeordnet ist, die sich zumindest an einem Kreissektorabschnitt der Stirnseite der ersten Kurvenscheibe kontaktschlüssig entlangwälzt. Zudem sind an der Kipphebelanordnung erfindungsgemäß auf der dem ersten Schenkel gegenüberliegenden Seite an dem Hauptkipphebel zwei U- förmig ausgebildete weitere Schenkel vorgesehen, zwischen denen ein ebenfalls um die Achse drehbar gelagerter Hebel angeordnet ist, an dessen freien Stirnseite die zweite Rolle befestigt ist, die sich ebenfalls zumindest an einem Kreissektorabschnitt der Stirnseite der zweiten Kurvenscheibe kontaktschlüssig entlangwälzt, wobei zwischen dem Hebel und einem der weiteren Schenkeln eine Druckfeder angeordnet ist. derart, dass damit ein Feder- Hebel-System geschaffen wird, das eine ausreichend hohe Schließkraft auch bei

Kurzschlussbeanspruchung auf den beweglichen Stößel der Vakuumschaltröhre ausübt und zudem einen Toleranzausgleich des Kontaktsystems ermöglicht.

Die Erfindung soll nachstehend an Hand von einer Zeichnung beispielhaft noch näher erläutert werden. Es zeigt:

Figur 1 eine schematische Darstellung eines Teiles eines erfindungsgemäßen

Stufenschalters mit Vakuumschaltröhren. Aus Übersichtlichkeitsgründen sind nachstehend in Figur 1 nur die erfindungswesentlichen Teile eines erfindungsgemäßen Stufenschalters mit Vakuumschaltröhren gezeigt und beschrieben. Auf die Beschreibung und Darstellung an sich bekannter Merkmale und für das Wesen der Erfindung nicht relevanter Bauteile wurde verzichtet. Dem entsprechend zeigt die Figur 1 eine Schaltwelle 1 , die von einem ebenfalls nicht dargestellten Federenergiespeicher angetrieben wird und an der zwei parallel beabstandete, von der Kreisform abweichende, Kurvenscheiben 2 und 3, nämlich eine erste Kurvenscheibe 2 und eine zweite

Kurvenscheibe 3, drehfest angeordnet sind. Die umlaufenden Konturierungen der beiden Kurvenscheiben 2 und 3 sind in der abgebildeten Ausführungsform im Wesentlichen sternförmig, jedoch um 180° entgegengerichtet, an der Schaltwelle 1 angeordnet. Die Anzahl der verwendeten Kurvenscheiben und deren umlaufende Konturierung ist abhängig von der dem Stufenschalter zu Grunde liegenden Schaltsequenz und der dafür notwendigen

Vakuumschaltröhren pro Phase. Die Beschreibung dieser Figur 1 ist daher nur exemplarisch zum Verständnis der Erfindung heranzuziehen. Selbstverständlich wären nach dem Wesen der Erfindung damit auch mehrere Vakuumschaltröhren pro Phase betätigbar. Eine typische Schaltung eines Stufenschalters mit mehreren Vakuumschaltröhren pro Phase ist beispielhaft in der DE 10 2009 048 813 A1 der Anmelderin beschrieben.

Zumindest an einem definierten Kreissektorabschnitt der entsprechend korrespondierenden Stirnseiten der ersten und zweiten Kurvenscheibe 2 und 3 wälzen sich Rollen 4 bzw. 5 entlang, die ihrerseits an einer winkelförmig ausgebildeten Kipphebelanordnung 6 vorgesehenen sind. In welchen Teilbereichen der Stirnseiten die Rollen 4 und 5 mit der ersten und zweiten Kurvenscheiben 2 und 3 während eines Umschaltvorgangs im Detail zusammenwirken, ist der weiter unten stehenden Beschreibung noch näher zu entnehmen. Die Kipphebelanordnung 6 ist um eine Achse 7 verschwenkbar gelagert und innerhalb des hier nicht dargestellten Lastumschalters angeordnet. Weiterhin besteht die

Kipphebelanordnung 6 aus einem Hauptkipphebel 8, der auf der der Antriebswelle 1 zugewandten Seite eine Öffnung 9 aufweist, in die die Achse 7 drehbar aufgenommen werden kann. Von der Öffnung 9 senkrecht nach unten, also im Wesentlichen parallel zur Antriebswelle 1 , zweigt sich von dem Hauptkipphebel 8 ein erster Schenkel 10 ab, an dessen freien Stirnseite die erste Rolle 4 rotatorisch gelagert angeordnet ist.

An der dem ersten Schenkel 10 gegenüberliegenden Seite zweigen sich von dem

Hauptkipphebel 8 zudem zwei weitere Schenkel 1 1 und 12 ab, die einen im Wesentlichen IIförmigen Aufbau bilden. In senkrechter Verlängerung des ersten Schenkels 10 ist zwischen den beiden weiteren Schenkel 1 1 und 12 ein ebenfalls um die Achse 7 drehbarer Hebel 13 vorgesehen, an dessen freien Stirnseite die zweite Rolle 5 rotatorisch gelagert angeordnet ist. Zudem ist zwischen dem dritten Schenkel 12 und dem Hebel 13 eine Druckfeder 14 angeordnet. Weiterhin sind an dem der Schaltwelle 1 abgewandten Ende des Grundträgers 8, seitlich gegenüberliegend, Bolzen 15 und 16 vorgesehen, von denen in der dargestellten Perspektive jedoch nur der Bolzen 15 sichtbar ist. Die Bolzen 15 und 16 greifen dabei in entsprechende Langlöcher 17 und 18 eines senkrecht, d. h. im Wesentlichen parallel zur Antriebswelle 1 , angeordneten Betätigungshebels 19 ein, der in seiner Längsrichtung mechanisch linear geführt ist, beispielsweise durch eine nicht näher dargestellte Schiene. An der oberen Stirnseite des Betätigungshebels 19 ist eine Druckfeder 20 vorgesehen, die sich nach oben hin mechanisch abstützt, wohingegen die untere Seite des Betätigungshebels 19 mit dem beweglichen Stößel 21 einer Vakuumschaltröhre 22 in Wirkverbindung steht.

Insgesamt betrachtet ergibt sich durch die erfindungsgemäße Kipphebelanordnung 6 ein geometrischer Aufbau, bei dem durch die Einleitung einer Kraft mittels der Kurvenscheiben 2 und 3 letztendlich an dem beweglichen Stößel 21 der Vakuumschaltröhre 22 durch die Hebelwirkung ein im Vergleich zum Stand der Technik großer Hub, insbesondere ein Mehrfaches des bisher Bekannten, erzeugt werden kann. In Figur 1 ist der beschaltete Zustand der Vakuumschaltröhre 22 gezeigt. Im Inneren der Vakuumschaltröhre 22 stellen also die Kontaktstücke des beweglichen Stößels 21 sowie des festen Stößels eine elektrisch leitende Verbindung her. Die Stirnseite der herzförmigen Spitze der Kurvenscheibe 3 drückt den Hebel 13 über die Rolle 5 entgegen der Federkraft der Druckfeder 14 in Richtung des weiteren Schenkels 12, so dass damit die Druckfeder 14 unter einer gewissen Vorspannung steht und letztendlich eine Schließkraft über den

Grundträger 8 und den Betätigungshebel 19 auf den beweglichen Stößel 21 der

Vakuumschaltröhre 22 ausübt. Kommt es nun im Laufe der Betriebs der Vakuumschaltröhre 22 zu einem Materialabtrag an den Kontaktflächen, so ist über die Vorspannung der

Druckfeder 14 im Zusammenwirken mit der weiteren Druckfeder 20 ein Toleranzausgleich der Kipphebelanordnung 6 an die sich damit ändernden Wegverhältnisse der

Kipphebelanordnung 6 sichergestellt. Die Rolle 4 ist im beschalteten Zustand der

Vakuumschaltröhre 22 in einem gewissen Abstand zu der Stirnfläche der

korrespondierenden Kurvenscheibe 2. Bei einem Umschaltvorgang, d.h. einer mittels des Kraftspeichers auf die Schaltwelle 1 eingeleiteten Drehbewegung, werden die mit der

Schaltwelle 1 drehfest verbundenen Kurvenscheiben 2 und 3 rotatorisch bewegt. Sobald sich die Rolle 5 kontaktschlüssig über die Spitze der herzförmigen Kurvenscheibe 3 abgerollt hat, gelangt die Rolle 5 außer Kontakt mit der stirnseitigen Kontur der korrespondierenden Kurvenscheibe 3. Statt dessen gelangt zu diesem Zeitpunkt des Umschaltvorgangs die Rolle 4 mit der stirnseitigen Kontur der ihrerseits korrespondierenden Kurvenscheibe 2 in Kontakt, rollt sich mechanisch an dieser entlang und bewegt die Kipphebelanordnung 6 damit nach oben, d.h. öffnet die Kontakte der Vakuumschaltröhre 22.