Die Erfindung betrifft einen Stufenschalter zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen Wicklungsanzapfungen eines Stufentransformators.

Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin eine für einen solchen Stufenschalter besonders geeignete neuartige Vakuumschaltröhre.

Aus der DE 20 21 575 ist ein Stufenschalter bekannt, der insgesamt vier Vakuumschaltröhren pro Phase aufweist. In jedem der beiden Lastzweige sind jeweils eine Vakuumschaltröhre als

Hauptkontakt und jeweils eine weitere Vakuumschaltröhre, in Reihenschaltung mit einem

Überschaltwiderstand, als Widerstandskontakt vorgesehen.

Bei einer unterbrechungslosen Lastumschaltung von der bisherigen Wicklungsanzapfung n auf eine neue, vorgewählte Wicklungsanzapfung n+1 wird zunächst der Hauptkontakt der

abschaltenden Seite geöffnet, darauf schließt der Widerstandskontakt der übernehmenden Seite, so dass zwischen den beiden Stufen n und n+1 ein durch die Überschaltwiderstände begrenzter Ausgleichsstrom fließt. Nachdem der bisher geschlossene Widerstandskontakt der abschaltenden Seite geöffnet hat, schließt dann der Hauptkontakt der übernehmenden Seite, so dass der gesamte Laststrom von der neuen Wicklungsanzapfung n+1 zur Lastableitung führt; die Umschaltung ist beendet.

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 Stufentransformators 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 kommen, falls die Vakuumschaltröhre im nicht den Laststrom führenden Lastzweig durchschlägt.

Dies führt in vielen Fällen bei der Auslegung der Schaltstrecken und damit insbesondere auch der Vakuumschaltröhren zu einer Überdimensionierung, damit diese mit Sicherheit der beschriebenen Spannungsbeanspruchung standhalten. Sowohl der heute bei modernen Geräten zur Verfügung stehende geringe Bauraum, als auch die Wirtschaftlichkeit sowie Verfügbarkeit solcher

Vakuumschaltröhren lassen eine solche Überdimensionierung nachteilig erscheinen.

In der nicht vorveröffentlichten DE 10 2010 024 255 wird daher ein Stufenschalter vorgeschlagen, bei dem eine erste Wicklungsanzapfung eines ersten Hauptstromzweiges über eine

Reihenschaltung, bestehend aus einem ersten mechanischen Umschalter und einem ersten Schaltmittel, d. h. einer Vakuumschaltröhre oder alternativ einem Halbleiterbauelement, mit einer Lastableitung verbunden ist. In analog symmetrischer Bauweise dazu wird eine zweite

Wicklungsanzapfung eines zweiten Hauptstromzweiges über eine Reihenschaltung, bestehend aus einem zweiten mechanischen Umschalter und einem zweiten Schaltmittel, d. h. einer zweiten Vakuumschaltröhre oder alternativ einem zweiten Halbleiterbauelement, ebenfalls mit der Lastableitung verbunden. Weiterhin ist zwischen der ersten Wicklungsanzapfung und dem ersten mechanischen Umschalter ein erster Hilfsstromzweig mit einem eingeschleiften Widerstand abgezweigt, mittels dem eine elektrische Verbindung mit dem zweiten mechanischen Umschalter des zweiten Hauptstromzweiges herstellbar ist und zwischen der zweiten Wicklungsanzapfung und dem zweiten mechanischen Umschalter ein zweiter Hilfsstromzweig mit einem weiteren eingeschleiften Widerstand abgezweigt ist, mittels dem eine elektrische Verbindung mit dem ersten mechanischen Umschalter des ersten Hauptstromzweiges herstellbar ist. Mit anderen Worten: Es befindet sich also bei dem bekannten Stufenschalter in jedem Haupt- und Hilfsstromzweig ein mit der jeweiligen Vakuumschaltröhre in Reihe geschalteter mechanischer Umschalter, der eine vollständig galvanische Trennung der jeweils nicht beschalteten

Wicklungsanzapfung, und damit eine hohe Stoßspannungsfestigkeit, sicherstellt. Alle aus dem Stand der Technik bekannten Stufenschalter benötigen mehrere Vakuumschaltröhren und zusätzliche mechanische Schaltmittel pro Phase, was auf Grund des hohen Platzbedarfs der einzelnen Schaltmittel und des damit einhergehenden konstruktiven und mechanischen Aufwandes nachteilig und vor allem teuer ist. Nicht zuletzt auch deshalb, weil für einen Umschaltvorgang eine Vielzahl von erforderlichen Einzelbauteilen in den Stufenschaltern zur Schaltsequenzrealisierung notwendig sind, die dann innerhalb nur weniger zehntel Sekunden in einem zeitlich exakt definierten Umschaltvorgang ineinandergreifen müssen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Stufenschalter zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen Wicklungsanzapfungen eines Stufentransformators anzugeben, der eine Reduzierung der Komplexität und der erforderlichen Einzelbauteile ermöglicht, dabei insbesondere mechanische Schaltmittel entbehrlich macht und zudem eine hohe Stoßspannungsfestigkeit aufweist. Weiterhin ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vakuumschaltröhre anzugeben, die besonders vorteilhaft für einen solchen weiter entwickelten Stufenschalter verwendbar ist. Diese Aufgaben werden durch einen Stufenschalter mit den Merkmalen des ersten

Patentanspruches sowie einer für einen solchen Stufenschalter besonders geeigneten

Vakuumschaltröhre mit den Merkmalen des sechsten Patentanspruches gelöst. Die jeweiligen Unteransprüche betreffen dabei besonders bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.

Dem erfindungsgemäßen Stufenschalter liegt die aligemeine Idee zugrunde, jeweils einen

Hauptkontakt und ein seriell dazu geschaltetes mechanisches Schaltmittel eines ersten

Lastzweiges und einen zusätzlichen Widerstandskontakt eines zweiten Lastzweiges in nur einer einzigen Vakuumschaltröhre mit einem gemeinsamen Gehäuse zu vereinen.

Der erfindungsgemäßen Vakuumschaltröhre liegt darüber hinaus die allgemeine erfinderische Idee zugrunde, durch die Kombination der Bauform einer Vakuumschaltröhre mit mehreren beweglichen Kontaktsystemen, die in separaten und gegenseitig abgedichteten Vakuumschaltkammern angeordnet sind, die Funktionalitäten von nach dem Stand der Technik zwei erforderlichen Vakuumschaltröhren und einem zusätzlichen mechanischen Schaltmittel durch eine einzige erfindungsgemäße Vakuumschaltröhre zu ersetzen. Mit andern Worten: Es werden bei der erfindungsgemäßen Vakuumschaltröhre die bisher separat erforderlichen Schaltmittel, nämlich die zwei unter Last schaltenden Vakuumschaltröhren und das eine weitere mechanische Schaltmittel, nicht mehr, wie nach dem Stand der Technik, als einzelne Baugruppen ausgeführt und in dem Stufenschalter verbaut, sondern in nun einer einzigen Vakuumschaltröhre mit in mehreren separaten Vakuumschaltkammern angeordneten Vakuumschaltstrecken zusammengefasst. Die Vakuumschaltröhre vermag es dabei sowohl das mechanische Schaltmittel eines Umschalters als auch eines mechanischen Ein-, Ausschalters nun funktional durch eine Vakuumschaltstrecke zu ersetzen.

Die dielektrische Festigkeit der neuartigen Vakuumschaltröhre wird dadurch erhöht, dass die einzelnen Vakuumschaltstrecken der mehreren Kontaktsysteme in getrennten, d. h. gegenseitig abgedichteten, Vakuumschaltkammern, jedoch in einem gemeinsamen Gehäuse, angeordnet sind. Mit anderen Worten: Die Gefahr vorhandener Potenzialunterschiede zwischen den verschiedenen Kontaktsystemen, die zu einem übergreifenden Lichtbogen führen könnten, werden

erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mehrere separate Vakuumschaltkammern vorgesehen sind, in denen die Kontaktsysteme jeweils elektrisch voneinander getrennt angeordnet sind.

Vakuumschaltröhren mit zwei Kontaktstellen sind an sich bereits bekannt.

Die DE 3344367 betrifft eine Vakuumschaltröhre mit zwei elektrisch in Reihe geschalteten Kontaktpaaren in einem einzigen Vakuumraum, die gleichzeitig betätigbar sind. Die DE 197 56 308 C1 betrifft eine ähnliche Vakuumschaltröhre mit zwei auf einer gemeinsamen Achse angeordneten Schaltstrecken, wobei innenliegende Kontaktdruckfedern vorgesehen sind.

Die EP 0 258 614 B1 beschreibt die Kombination einer Vakuumschaltröhre und einer spezifischen Beschaltung an einem Stufenschaiter. Hierbei sind mehrere Schaltstrecken in einem Vakuumraum angeordnet, was einen komplizierten Aufbau der Vakuumschaltröhre mit ringförmigen

Festkontakten bedingt.

Die DE 10 2006 033 422 B3 schließlich beschreibt eine weitere Vakuumschaltröhre mit mehrfacher Funktionalität, wobei auch hier sowohl ringförmige Festkontakte als auch innenliegende

Kontaktdruckfedern erforderlich sind.

Die Erfindung soll nachstehend an Hand von Figuren noch beispielhaft näher erläutert werden. Es zeigen:

Figur 1 einen Stufenschalter nach dem Stand der Technik

Figur 2 eine erfindungsgemäße Vakuumschaltröhre für einen Stufenschalter in einer schematischen Darstellung.

In Figur 1 ist ein aus dem Stand der Technik bekannter Stufenschalter gezeigt. Er weist einen ersten Lastzweig auf, in dem sich eine als Hauptkontakt wirkende Vakuumschaltröhre V-ι und ein in Reihe dazu geschalteter mechanischer Umschalter Ui sowie parallel dazu ein

Überschaltwiderstand R-) und eine als Widerstandskontakt wirkende Vakuumschaltröhre V ₂ befinden. Der zweite Lastzweig besitzt ganz analog eine Vakuumschaltröhre V ₄ und einen in Reihe dazu geschalteten mechanischen Umschalter U ₂ sowie parallel dazu einen weiteren

Überschaltwiderstand R ₂ und eine als Widerstandkontakt wirkende Vakuumschaitröhre V ₃ . Der bekannte Stufenschalter besitzt also zwei Vakuumschaltröhren pro Lastzweig, mithin vier

Vakuumschaltröhren pro Phase. Die Ausgangslage, bei der die Anzapfung n beschaltet ist, entspricht der in Figur 1 dargestellten Stellung der einzelnen Schaltelemente. Die Umschaltung erfolgt in folgenden Schritten:

Vakuumschaltröhre Vi

Vakuumschaltröhre V ₃ schließt

Vakuumschaltröhre V ₂ öffnet

- Vakuumschaltröhre V ₄ schließt; die Umschaltung ist abgeschlossen.

Figur 2 zeigt eine erfindungsgemäße Vakuumschaltröhre 1 mit einem ersten Kontaktsystem I, einem zweiten Kontaktsystem II und einem dritten Kontaktsystem III, die alle als

Vakuumschaltstrecken ausgebildet sind. Zudem sind die Kontaktsysteme I, II und III jeweils räumlich getrennt in einer separaten Vakuumschaltkammer 2, 3 und 4, jedoch in einem gemeinsamen, alle Kontaktsysteme I, II und III umschließenden Gehäuse 5 angeordnet. Im seitlichen Wandungsbereich der einzelnen Vakuumschaltkammern 2, 3 und 4 sind jeweils mehrere Isolierkeramiken 6 vorgesehen. Zentrisch in Verlängerung der rotationssymmetrischen Längsachse s1 ist ein oberer, fester Stößel 7 und am entgegengesetzten Ende ein unterer, beweglicher Stößel 8 vorgesehen, die im Inneren des Gehäuses 5 auf an sich bekannte Weise jeweils Kontaktstücke 9 und 10 tragen. Das Kontaktstück 9 kann separat und unabhängig durch eine Betätigung des beweglichen Stößels 8 mit einem festen Kontakt 11 elektrisch in Verbindung gebracht werden. Der feste Kontakt 11 ist dabei an einem im Inneren des Gehäuses 5 vorgesehenen festen, elektrisch leitenden Stößel 12 angeordnet, der die Abtrennung zwischen der Vakuumschaltkammer 3 und 4 in Verlängerung der Längsachse s1 durchdringt und an seinem, dem festen Kontakt 11 , gegenüberliegenden Ende einen weiteren festen Kontakt 13 aufweist. Die dichte Abtrennung zwischen den Vakuumschaltkammern 2 und 3 wird durch eine in Längsrichtung der Achse s1 verschiebbar ausgebildete, elektrisch leitende Platte 14 sichergestellt, an der zu beiden Seiten hin ein weiteres festes Kontaktstück 15 und 16 über jeweils einen elektrisch leitenden Steg 17 und 18 befestigt ist. Damit kann durch vertikales Verschieben der Platte 14 der feste Kontakte 16 mit dem festen Kontakt 10 beschaltet werden oder der feste Kontakt 15 mit dem festen Kontakt 13. Im Bereich der Wandung des Gehäuses 5 sind hier nach dem Stand der Technik bekannte

Faltenbalge 19 vorgesehen, die der Platte 14 eine vertikale Bewegungsfreiheit einräumen. Die bekannten Kontaktfedern, die mit dem Stößel 8 zusammenwirken, sind hier aus

Übersichtlichkeitsgründen nicht dargestellt.

Spiegelt man die in Figur 2 beschriebene Vakuumschaltröhre 1 auf einen Stufenschalter der Figur 1 , so werden erfindungsgemäß die beiden bisher separaten Schaltelemente V1 , V3 und U1 bzw. V2, V4 und U2 in nun einer einzigen Vakuumschaltröhre 1 mit den getrennt steuerbaren

Kontaktsystemen I, II und III zusammengefasst. Wird der Stößel 7 der in Figur 2 abgebildeten Vakuumschaltröhre 1 über einen Widerstand R2 mit der Wicklungsanzapfung n+1 , die elektrisch leitende Platte 14 mit der Lastableitung LA und der untere Stößel 8 mit der Wicklungsanzapfung n elektrisch leitend verbunden, so lässt sich dadurch der in Figur 1 beschriebene Stufenschalter besonders einfach mechanisch realisieren.