Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stufenschalter zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen wenigstens zwei Wicklungsanzapfungen eines

Stufentransformators mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs.

Aus der DE 20 21 575 ist ein Stufenschalter bekannt, der insgesamt vier Vakuumschaltröhren pro Phase aufweist. In jedem der beiden vorhandenen

Lastzweige sind jeweils eine Vakuumschaltröhre als Hauptkontakt und jeweils eine weitere Vakuum schaltröhre, 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, wonach der

Widerstandskontakt der übernehmenden Seite geschlossen wird, 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 der Hauptkontakt der übernehmenden Seite, so dass der gesamte Laststrom von der neuen Wicklungsanzapfung n+1 zur

Lastableitung führt, womit die Umschaltung beendet ist. Die bei diesem bekannten Stufenschalter und zahlreichen ähnlichen bekannten

Ausführungsformen verwendeten Vakuumschaltröhren, die anstelle von

herkömmlichen mechanischen Kontakten zur Lastumschaltung verwendet werden, besitzen eine Reihe von Vorteilen. Da die Kontakte selbst im Vakuum gekapselt sind, lassen sich hohe Schaltleistungen realisieren. Die gekapselten, hermetisch

abgeschlossenen Kontakte können außerdem nicht zur Verrußung und Verschmutzung des sie umgebenden Isolieröls im Stufenschalter durch Kontaktabbrand oder

Lichtbögen führen. Weiterhin sind Vakuumschaltröhren inzwischen als sehr kompakte Bauteile verfügbar; sie weisen einen geringen Platzbedarf auf und erfordern nur relativ geringe Betätigungskräfte. Bei verschiedenen Anwendungsfällen solcher bekannter Stufenschalter mit

Vakuumschaltröhren zur Regelung von Leistungstransformatoren ist jedoch eine hohe Stoßspannungsfestigkeit von vorzugsweise bis zu Spannungen von 100 kV und deutlicher darüber hinaus erforderlich. Solche unerwünschte 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 kurzzeitigem Stufenkurzschluss bzw. unerwünschtem Durchschlag an der Keramik bzw. dem Dampfschirm betroffener Vakuumschaltröhren im nicht den Laststrom führenden Lastzweig kommen, was nicht nur deren Langzeitschädigung verursachen kann, sondern generell unerwünscht ist.

Aus der DE 23 57 209 A und der DE 26 04 344 A ist es bereits bekannt, zur Bekämpfung zu hoher Stoßspannungsbeanspruchungen zwischen den Lastzweigen Schutzfunkenstrecken oder auch spannungsabhängige Widerstände oder auch beides vorzusehen; diese Mittel sind jedoch in verschiedenen Fällen unzureichend und können schädliche Stoßspannungsbeanspruchungen in ihrer Wirkung nicht oder nicht vollständig ausschließen.

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Stufenschalter der eingangs genannten Art mit hoher Stoßspannungsfestigkeit, auch als aO-Festigkeit bezeichnet, vorzuschlagen.

Dieses Ziel der Erfindung wird mit dem Gegenstand des unabhängigen

Patentanspruchs erreicht. Merkmale vorteilhafter Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. Zur Erreichung des Ziels der Erfindung wird ein Stufenschalter zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen wenigstens zwei Wicklungsanzapfungen eines Stufentransformators mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 vorgeschlagen. Bei diesem Stufenschalter ist ein

Lastzweig mit einem Pfad vorgesehen, der eine Serienanordnung aus wenigstens einer Vakuumschaltröhre und wenigstens einem mechanischen Schaltelement umfasst, der im vorliegenden Zusammenhang auch als variabel einstellbarer oder umschaltbarer Schaltkontakt bezeichnet werden kann. Weiterhin besitzt der

Stufenschalter zwei Widerstandszweige, die jeweils eine Serienanordnung aus wenigstens einer Vakuumschaltröhre, wenigstens einem mechanischen Schaltelement sowie einem Widerstand aufweisen. Auf diese Weise können die wenigstens zwei Wicklungsanzapfungen variabel miteinander gekoppelt und/oder mit einer

Lastableitung beaufschlagt werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung sind die insgesamt wenigstens drei Vakuumschaltröhren und wenigstens drei mechanischen Schaltelemente mit definiertem zeitlichem Versatz zueinander in jeweils

unterschiedliche Schaltrichtungen gemeinsam schaltbar. Zudem weist das

mechanische Schaltelement im Lastzweig einen Umschaltzeitpunkt zwischen den beiden Wicklungsanzapfungen des Stufentransformators auf, bei dem der Kontakt der mit dem mechanischen Schaltelement in Serie geschalteten Vakuumschaltröhre geöffnet ist. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung bildet eine sog.

Dreizellenschaltung, bei der ein weiches Ein- und Ausschalten ermöglicht ist. Diese Schaltungsanordnung eignet sich besonders für eine Kombination mit einem

Rotationskraftspeicher.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Stufenschalters liegt der Umschaltpunkt des mechanischen Schaltelements im

Lastzweig unabhängig von der Schaltrichtung jeweils innerhalb einer Phase, bei der die Vakuumschaltröhre geöffnet ist. Zudem schalten die Vakuumschaltröhren der beiden Widerstandszweige zeitversetzt zueinander, so dass sie zu keinem Zeitpunkt gleichzeitig geöffnet sind. Weiterhin kann eine bevorzugte Ausführungsvariante Dauerhauptkontakte vorsehen, die in geschlossener Schaltstellung eine direkte Leitungsverbindung zwischen der jeweiligen Wicklungsanzapfung des Stufentransformators und der Lastableitung herstellen. Der Kontakt eines solchen Dauerhauptkontaktschalters öffnet vorzugsweise auf der abschaltenden Seite vor allen übrigen Schaltelementen (MSV, TTV, MTF, TTF), während der Kontakt auf der aufschaltenden Seite nach allen übrigen Schaltelementen schließt.

Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Stufenschalters sieht eine drehbare Schaltwelle vor, der Betätigungselemente für jede

Betätigungsphase für die mechanischen Schaltelemente bzw. Vakuumschaltröhren zugeordnet sind, wobei die Betätigungselemente jeweils von der Schaltwelle drehbaren, konzentrischen Kurvenscheiben mit stirn- oder umfangsseitigen Konturen zugeordnet sind. Diese stirn- oder umfangsseitigen Konturen können insbesondere durch Vorsprünge, Nocken o. dgl. gebildet sein, die zur Betätigung der Schaltelemente und/oder Vakuumschaltröhren geeignet sind. Zudem sind die von den Kurvenscheiben ausgelösten Schaltzeitpunkte unabhängig von ihrer Drehrichtung bzw. von der

Drehrichtung der Schaltwelle.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Verwendung der nachfolgend beschriebenen Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt ein Ablaufdiagramm zur Verdeutlichung der Schaltabläufe eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Stufenschalters während eines Schaltzyklus in jeweils unterschiedliche Schaltrichtungen.

Fig. 2 zeigt ein Schaltbild zur Verdeutlichung der Verschaltung der

Widerstands- und Lastzweige des erfindungsgemäßen Stufenschalters.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Ablaufdiagramm zur Verdeutlichung der Schaltabläufe eines alternativen Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Stufenschalters während eines Schaltzyklus in jeweils unterschiedliche Schaltrichtungen.

Fig. 4 zeigt anhand eines weiteren Schaltbildes eine vereinfachte Variante eines Stufenschalters ohne die in Fig. 2 gezeigten Dauerhauptkontakte.

Die nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele der Schaltungen und der aufeinander abgestimmten Schaltvorgänge und -reihenfolgen der mechanischen Schaltelemente und Vakuumschaltröhren sind nicht einschränkend zu verstehen, sondern dienen zur Erläuterung der Funktionen und der Schaltmöglichkeiten eines erfindungsgemäßen Stufenschalters. Die Darstellung der Fig. 1 soll in einem

Ablaufdiagramm die Schaltabläufe eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Stufenschalters 10 (vgl. Fig. 2) während eines Schaltzyklus in jeweils unterschiedlichen Schaltrichtungen verdeutlichen. Das obere Diagramm verdeutlicht die Schaltfolge eines aus insgesamt sechs einzelnen Schalteinheiten bestehenden Stufenschalters 10 in eine erste Schaltrichtung, gekennzeichnet durch eine Antriebsrichtung im Diagramm von links nach rechts, während das untere

Diagramm die Schaltfolge in entgegen gesetzte Schaltrichtung zeigt, gekennzeichnet durch eine Antriebsrichtung im Diagramm von rechts nach links.

Die schematische Darstellung der Fig. 2 zeigt ein Schaltbild mit den

verschiedenen Komponenten des Stufenschalters 10, der in beide Schaltrichtungen gedreht und geschaltet werden kann, was in Fig. 2 gekennzeichnet ist durch die optional zu verstehenden Schaltrichtungen n n+1 und n <r n+1. Der in Fig. 2 anhand eines Prinzipschaltbildes dargestellte Stufenschalter 10 dient zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen zwei Wicklungsanzapfungen 12 und 14 eines

Stufentransformators 16. Der Stufenschalter 10 bildet einen Lastzweig bzw. Lastpfad 18, der im Schaltbild mittig zwischen zwei Widerstandszweigen 20 und 22 verläuft. Der Lastpfad 8 umfasst eine Serienanordnung aus einer Vakuumschaltröhre MSV und einem mechanischen Schaltelement MTF, die im vorliegenden Zusammenhang auch als variabel einstellbarer oder umschaltbarer Schaltkontakt bezeichnet werden kann. Das mechanische Schaltelement MTF fungiert als Umschalter, der die

Vakuumschaltröhre MSV wahlweise elektrisch leitend mit der ersten 12 oder der zweiten Wicklungsanzapfung 14 verbindet.

Ein zweiter Pfad 20, der dem erstem Widerstandszweig entspricht, ist durch eine Serienschaltung aus einer weiteren Vakuumschaltröhre TTVi und einem mechanischen Schaltelement TTFi sowie einem Widerstand R _n gebildet. Ein dritter Pfad 22, der dem zweiten Widerstandszweig entspricht, ist durch eine Serienschaltung aus einer weiteren Vakuumschaltröhre TTV ₂ und einem mechanischen Schaltelement TTF ₂ sowie einem Widerstand R ₂ gebildet. Durch Umschalten der beiden

mechanischen Schaltelemente TTF _! und TTF ₂ und durch Öffnen und Schließen der beiden Vakuumschaltröhren ΤΤΛ und TTV ₂ sowie durch Umschalten des

mechanischen Schaltelements MTF im Lastzweig und durch Öffnen und Schließen der entsprechenden Vakuumschaltröhre MSV können die beiden Wicklungsanzapfungen 12 und 14 des Stufentransformators 16 variabel miteinander gekoppelt und/oder mit einer Lastableitung LA beaufschlagt werden.

Die Darstellung der Fig. 2 zeigt weiterhin zwei zusätzliche Schalter bzw.

Dauerhauptkontakte MC (MC _! und MC ₂ ), die zusätzlich auf der ab- und aufschaltenden Seite vorgesehen sind. Diese sog. Dauerhauptkontakte MC bzw. zusätzlichen Schalter führen jeweils einen Dauerstrom. Zudem sind sie vorzugsweise so geschaltet, dass der Kontakt MC _! auf der abschaltenden Seite vor allen übrigen Schaltelementen (MSV, TTV, MTF, TTF) öffnet und der Kontakt MC ₂ auf der aufschaltenden Seite nach allen übrigen Schaltelementen schließt. Wie anhand der Fig. 2 gezeigt, ist der erste Kontakt MCiZwischen der ersten Wicklungsanzapfung 12 und der Lastableitung angeordnet, während der zweite Kontakt MC ₂ zwischen der zweiten Wicklungsanzapfung 14 und der Lastableitung angeordnet ist. Die drei Vakuumschaltröhren MSV, ΤΤΛΛ und TTV ₂ und die drei mechanischen Schaltelemente MSV, TTF _! und TTF ₂ sind gemäß Fig. 1 mit definiertem zeitlichem Versatz zueinander in jeweils unterschiedliche Schaltrichtungen (n - n+1 oder n+1 - n) gemeinsam schaltbar. Wie anhand der Fig. 1 (oben; n -> n+1) zu erkennen ist, öffnet zunächst die im dritten Pfad 22 bzw. im zweiten Widerstandszweig angeordnete Vakuumschaltröhre TTV ₂ , bevor mit kurzem zeitlichen Versatz das zugehörige mechanische Schaltelement TTF ₂ im selben Pfad 22 von der ersten

Wicklungsanzapfung 12 zur zweiten Wickelungsanzapfung 14 des

Stufentransformators 16 umschaltet. Anschließend öffnet die im Lastzweig 18 befindliche Vakuumschaltröhre MSV, bevor der im selben Pfad 18 befindliche

Umschalter MTF während der Öffnungsphase der Röhre MSV von einer zur anderen Wicklungsanzapfung 12 bzw. 14 umschaltet. Anschließend öffnet die im zweiten Pfad 20 bzw. im ersten Widerstandszweig befindliche Vakuumschaltröhre TTV|, bevor die im Lastzweig 18 befindliche Vakuumschaltröhre MSV schließt. Während der geöffneten Phase der Röhre ΤΤΛ schaltet das entsprechende Schaltelement TTF _! in diesem Zweig 20 um. Nach abgeschlossenem Umschaltvorgang des mechanischen

Schaltelements TTF _! im zweiten Pfad 20 schließt auch die entsprechende

Vakuumschaltröhre ΤΠ wieder, womit der Schaltzyklus entsprechend Fig. 1 abgeschlossen ist. Da sich die in Fig. 1 oben und unten dargestellten Zyklen in beide

Schaltrichtungen nicht oder nur marginal unterscheiden, kann auf eine detaillierte Beschreibung des Schaltvorgangs in die andere Schaltrichtung (n <- n+1) an dieser Stelle verzichtet werden. Aufgrund der im Stufenschalter 10 befindlichen mechanisch starren Koppelung der jeweils drei Schaltelemente und Vakuumschaltröhren in den drei Zweigen erfolgt der Schaltvorgang in Rückschaltrichtung in umgekehrter Reihenfolge wie zuvor anhand der oberen Darstellung der Fig. 1 beschrieben.

Die Darstellung der Fig. 3 soll in einem weiteren Ablaufdiagramm die

Schaltabläufe eines alternativen Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Stufenschalters 10 (vgl. Fig. 2) während eines Schaltzyklus in jeweils unterschiedlichen Schaltrichtungen verdeutlichen. Das obere Diagramm verdeutlicht wiederum die Schaltfolge des aus insgesamt sechs einzelnen Schalteinheiten bestehenden

Stufenschalters 10 in eine erste Schaltrichtung, gekennzeichnet durch eine

Antriebsrichtung im Diagramm von links nach rechts, während das untere Diagramm die Schaltfolge in entgegen gesetzte Schaltrichtung zeigt, gekennzeichnet durch eine Antriebsrichtung im Diagramm von rechts nach links.

Die drei Vakuumschaltröhren MSV, ΓΛ und TTV ₂ und die drei mechanischen Schaltelemente MSV, TTF _! und TTF ₂ sind gemäß Fig. 3 mit definiertem zeitlichem Versatz zueinander in jeweils unterschiedliche Schaltrichtungen (n -> n+1 oder n+1 -> n) gemeinsam schaltbar. Wie anhand der Fig. 3 (oben; n -> n+1 ) zu erkennen ist, öffnet zunächst die im dritten Pfad 22 bzw. im zweiten Widerstandszweig angeordnete Vakuumschaltröhre TTV ₂ , bevor mit kurzem zeitlichen Versatz das zugehörige mechanische Schaltelement TTF ₂ im selben Pfad 22 von der ersten

Wicklungsanzapfung 12 zur zweiten Wickelungsanzapfung 14 des

Stufentransformators 16 umschaltet. Anschließend öffnet die im Lastzweig 18 befindliche Vakuumschaltröhre MSV, bevor zunächst die Vakuumschaltröhre TTV ₂ schließt und anschließend der im Lastpfad 18 befindliche Umschalter MTF während der Öffnungsphase der Röhre MSV von einer zur anderen Wicklungsanzapfung 12 bzw. 14 umschaltet. Anschließend öffnet die im zweiten Pfad 20 bzw. im ersten Widerstandszweig befindliche Vakuumschaltröhre TTVi, so dass während der geöffneten Phase dieser Röhre TV _t das entsprechende Schaltelement TTF^ in diesem Zweig 20 umschaltet. Nach dem Öffnen der Röhre TTVi schließt die im

Lastpfad 18 befindliche Röhre MSV. Nach abgeschlossenem Umschaltvorgang des mechanischen Schaltelements ^" Π τ im zweiten Pfad 20 schließt auch die

entsprechende Vakuumschaltröhre TTV, wieder, womit der Schaltzyklus entsprechend Fig. 3 (oben; n -> n+1) abgeschlossen ist.

Da sich die in Fig. 3 oben und unten dargestellten Zyklen in beide

Schaltrichtungen nur an einer Stelle unterscheiden, kann auf eine detaillierte

Beschreibung des Schaltvorgangs in die andere Schaltrichtung (n n+1 ) an dieser Stelle verzichtet werden. Lediglich der Schaltzeitpunkt des im Lastpfad 18 befindlichen mechanischen Schaltelements MTF unterscheidet sich in beiden Schaltrichtungen. So öffnet das Schaltelement MTF in der oben gezeigten Schaltrichtung (n -> n+1 ) unmittelbar nach dem Schließen der Vakuumschaltröhre TTV ₂ im dritten Pfad 22 und beendet den Umschaltvorgang erst, nachdem die Vakuumschaltröhre ΓΛ im zweiten Pfad 20 geöffnet wurde. Beim Rückschaltvorgang (n+1 - n) beginnt dagegen die Betätigung des Schaltelements MTF bei noch geschlossener Röhre TTV ₂ und endet zu einem Zeitpunkt, bei dem die Vakuumschaltröhre TTV ₂ geöffnet ist. Diese

Schaltverzögerung in Rückschaltrichtung für das Schaltelement MTF kann bspw. durch ein geeignetes Freilaufelement o. dgl. ausgelöst werden, das für die gewünschte Hysterese bei den Schaltvorgängen in unterschiedliche Schaltrichtungen sorgen kann. Aufgrund der im Stufenschalter 10 befindlichen mechanisch starren Koppelung der übrigen beiden Schaltelemente und den insgesamt drei Vakuumschaltröhren in den drei Zweigen erfolgt der Schaltvorgang in Rückschaltrichtung in umgekehrter

Reihenfolge im Übrigen wie zuvor anhand der oberen Darstellung der Fig. 3 beschrieben.

Die Darstellung der Fig. 4 zeigt anhand eines weiteren Schaltbildes eine vereinfachte Variante des Stufenschalters 10, bei dem die Dauerhauptkontakte bzw. mechanischen Kontakte MC (vgl. Fig. 2) fehlen. Bei dieser alternativen bzw. optional zu verstehenden Variante des Stufenschalters 10 sind lediglich die bereits zur Fig. 2 beschriebenen drei Zweige 18, 20 und 22 vorhanden.