DE10102310C1 - Thyristor-Stufenschalter - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Thyristor-Stufenschalter, der aus einem mechanischen Stufenwähler und einem Lastumschalter mit Thyristoren als Schaltmitteln besteht. Dabei ist nur der Stufenwähler im ölgefüllten Transformatorkessel untergebracht, während der Lastumschalter mit den Thyristoren in einem seitlich angebauten separaten Gehäuse in Luft sich befindet.

Description

Die Erfindung betrifft einen Thyristor-Stufenschalter zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen verschiedenen Wicklungsanzapfungen eines Stufentransformators unter Last, bestehend aus einem mechanischen Stufenwähler zur leistungslosen Vorwahl der jeweiligen Wicklungsanzapfung, auf die umgeschaltet werden soll, und einem Lastumschalter mit Thyristoren als Schaltmittel zur eigentlichen unterbrechungslosen Umschaltung von der bisherigen auf die vorab angewählte neue Wicklungsanzapfung unter Last.

Thyristor-Stufenschalter der genannten Gattung werden üblicherweise auch als Hybrid- Stufenschalter bezeichnet, weil sie neben den Thyristoren im Lastumschalter als leistungselektronischen Schaltmitteln auch mechanische Kontakte, insbesondere mechanische Wählerkontakte, aufweisen. Nur am Rande sei erwähnt, dass es daneben auch sogenannte Vollthyristorschalter gibt, wie z. B. aus der WO 95/27931 bekannt, die auf bewegliche mechanische Schaltelemente ganz verzichten, jedoch relativ groß und aufwändig im Aufbau sind, sich in der Praxis nicht durchgesetzt haben und im Übrigen auch nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind.

Die vorliegende Erfindung befasst sich vielmehr mit Thyristor-Stufenschaltern der eingangs genannten Gattung, also mit den Hybrid-Stufenschaltern.

Diese Gattung von Thyristor-Stufenschaltern wiederum lässt sich in zwei unterschiedliche Gerätearten mit verschiedenen Funktionsprinzipien unterteilen.

Zunächst einmal ist aus der DE 32 23 892 C2 ein solcher Thyristor-Stufenschalter bekannt, der nach dem Kommuntierungsprinzip arbeitet. Hierbei erfolgt die Lastumschaltung durch eine gesteuerte Kommutierung des Laststromes - daher der Name - von einem antiparallel geschalteten Thyristorpaar in einem Zweig des Lastumschalters auf das jeweils andere Thyristorpaar im anderen Zweig. Stufenschalter dieser Art wurden in den 80er Jahren vereinzelt als sogenannter Durchführungstyp hergestellt und eingesetzt. Dabei ist der aktive Teil des Lastumschalters auf einem Durchführungsstützer oberhalb des Transformatorkessels in einem luftgefüllten Gehäuse angeordnet, während der andere Teil des Schalters in den ölgefüllten Transformatorkessel versenkt ist. Der Durchführungsstützer ist teilweise mit Isolieröl gefüllt und über eine Silikagelvorlage mit der Außenluft verbunden. Innerhalb des Gehäuses vom Aktivteil befindet sich ein Gestell, das die elektronischen Baugruppen des Lastumschalters aufnimmt. Der Durchführungsstützer selbst ist auf einem Aufbauflansch befestigt; in dem durch eine Aufbauflanschabdeckplatte nach oben abgeschlossenen Lastumschalter-Ölraum befindet sich ein Tragkäfig mit Anschlusskontakten. Ein solcher Schalter hat jedoch einen sehr großen Raumbedarf, besonders bedingt durch die große Porzellan-Durchführung zwischen dem Elektronikgehäuse oberhalb des eigentlichen Transformators und dem in den Transformator eingesenkten Teil des Gerätes mit dem Tragkäfig und den mechanischen Hilfsschaltern. Daneben ist auch die Zugängigkeit zu den einzelnen Komponenten im ölgefüllten Bereich schwierig, so dass sich Wartungen kompliziert und umständlich gestalten. Insgesamt hat sich dieser Typ bisher nicht durchsetzen können.

Weiterhin ist als die andere der beiden Gerätearten aus der WO 98/48432 ein Thyristor- Stufenschalter mit Überschaltwiderstand bekannt. Dabei ist ein einziges antiparallel geschaltetes Thyristorpaar vorgesehen, zu dem parallel ein Überschaltwiderstand liegt. Durch besondere mechanische Umschaltkontakte können sowohl Thyristorpaar als auch Überschaltwiderstand in einer bestimmten Schaltsequenz betätigt und in den Stromkreis geschaltet werden. Dabei fließt über den Überschaltwiderstand während der Lastumschaltung kurzfristig der Laststrom und anschließend ein Kreisstrom, der von der Stufenspannung der Regelwicklung getrieben wird. Der konstruktive Aufbau eines auf dieser Schaltung beruhenden praktisch ausgeführten Thyristor-Stufenschalters ist aus der Firmenschrift "OLTC Hybrid-Diverter Switch with Thyristors" der Firma ELIN OLTC GMBH, AT sowie dem Aufsatz "Hybrid-Transformatorstufenschalter TADS - ein zukunftsweisendes Konzept zur Verlängerung der Wartungsintervalle" in der Zeitschrift "e & i", Heft 11, 1999 bekannt. Der vollständige Schalter ist dabei als kompletter, in den ölgefüllten Transformatorenkessel vollständig versenkbarer Einsatz konzipiert. Nachteilig bei dieser Ausführung ist, dass die Thyristoren dem heißen Transformatorenöl ausgesetzt sind. Dies beeinträchtigt die Langzeitbeständigkeit dieser elektronischen Bauelemente, die in der Regel nur bei Umgebungstemperaturen bis etwa 100 Grad C sicher funktionieren. Verstärkt wird das Problem noch dadurch, dass im Überschaltwiderstand - bzw. in der Praxis meistens den mehreren vorhandenen Überschaltwiderständen -, durch die Strombelastung eine ganz erhebliche Energie in zusätzliche Wärme umgesetzt wird, die die Funktion der Thyristoren gefährdet. Dies hat beim beschriebenen bekannten Stufenschalter zur Folge, dass nur eine begrenzte Zahl von Lastumschaltungen in einem bestimmten Zeitraum erfolgen darf, damit die durch die Überschaltwiderstände verursachte Wärmeentwicklung einen Grenzwert nicht überschreitet. Dies ist für zahlreiche industrielle Anwendungsfälle unerwünscht. In diesem Zusammenhang ist auch bereits vorgeschlagen worden, einen zusätzlichen Temperaturschalter vorzusehen, der, wenn die Umgebung der Thyristoren eine gewisse, noch unschädliche Grenztemperatur überschreitet, den Motorantrieb des Stufenschalters blockiert und so den Hybrid- Thyristorschalter vorübergehend stillsetzt. Es liegt auf der Hand, dass dies ebenfalls in zahlreichen industriellen Anwendungsfällen nicht praktikabel ist; ganz abgesehen davon, dass mit einem solchen Vorschlag nicht das Problem gelöst, sondern nur am Symptom kuriert wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Thyristor-Stufenschalter der eingangs genannten Gattung, d. h. einen Hybrid-Schalter, anzugeben, der die beschriebenen Nachteile vermeidet, insbesondere aufwändige Durchführungen und Stützeranordnungen umgeht, dabei kompakt und wartungsfreundlich aufgebaut ist und, entsprechende Dimensionierung der Thyristoren vorausgesetzt, eine beliebige Anzahl hintereinander ausführbarer Schaltungen ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch einen Thyristor-Stufenschalter mit den Merkmalen des ersten Patentanspruches gelöst.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Thyristoren auf einfache Weise sowohl vom heißen Transformatorenöl als auch von den Überschaltwiderständen thermisch entkoppelt sind, ohne dass es hierzu eines aufwändigen Aufbaus oder besonders großer Durchführungsanordnungen bedarf. Durch eine separate Anordnung der Überschaltwiderstände kann die in diesen in Wärme umgesetzte Energie auf einfache Weise durch einen natürlichen oder forcierten Kühlkreislauf, insbesondere durch Luftkühlung, abgeführt werden. Zugleich ist sichergestellt, dass diese Wärme nicht auf andere Teile des Gerätes abstrahlen und diese über Gebühr erhitzen bzw. die Thyristoren in Mitleidenschaft ziehen kann. Insgesamt gestattet es der erfindungsgemäße Thyristor-Stufenschalter damit, beliebig viele Lastumschaltungen hintereinander auszuführen, ohne dass bei dem gegebenen Kurzzeitbetrieb der Thyristoren die thermischen Belastbarkeitsgrenzen der Thyristoren ein Problem darstellen würden.

Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel noch näher erläutert werden. Die Figur zeigt einen erfindungsgemäßen Thyristor-Stufenschalter, hier in einer Ausführung mit einem Überschaltwiderstand.

Der grau unterlegte Bereich links in der Figur zeigt den ölgefüllten Transformatorkessel 1. In diesem sind schematisch die Wicklungen 2, 3, davon rechts die gestufte Regelwicklung 3 mit einzelnen Wicklungsanzapfungen 1. . .n angedeutet. Jede dieser Wicklungsanzapfungen 1. . .n ist mit jeweils einem festen Kontakt K1. . .Kn eines Stufenwählers 4 des Thyristor-Stufenschalters elektrisch verbunden. Die festen Kontakte K1. . .Kn werden auf bekannte Weise von zwei beweglichen Wählerkontakten 5, 6 beschaltet. Außerhalb des Transformatorkessels 1, seitlich an diesem angebaut und über eine Durchführungsplatte 7 mit ihm in Verbindung stehend, ist in einem separaten Gehäuse 8 der eigentliche Lastumschalter 9, der in Luft arbeitet, angeordnet. Die elektrischen Verbindungsleitungen 10, 11 vom Stufenwähler 4 zum Lastumschalter 9 sowie die Lastableitung 12 sind durch separate öldichte Durchführungen 13, 14, 15 in der Durchführungsplatte 7 geführt. Der Lastumschalter 9 kann, abhängig von der jeweils zugrundeliegenden Schaltung, aus unterschiedlichen Bauteilen bestehen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die aus der WO 98/48432 bekannte Schaltung gezeigt. Dabei bezeichnen D1 und D2 die Dauerhauptkontakte, die im stationären Betrieb den Dauerstrom führen, d. h. die jeweilige Verbindung von einem der beweglichen Wählerkontakte 5 oder 6 zu einer Lastableitung L herstellen. SR bezeichnet einen Überbrückungsschalter zur Lastableitung L. Das Bezugszeichen 16 zeigt ein einziges, antiparallel geschaltetes Thyristorpaar, und CT und CR bezeichnen zwei Umschalter. Dabei ist der Wurzelkontakt des Umschalters CT mit dem Thyristorpaar 16 elektrisch verbunden, der Wurzelkontakt des Umschalters CR mit einem Überschaltwiderstand 17.

Seitlich am separaten Gehäuse 8, abgeteilt durch eine Trennwand 18, ist ein weiterer separater Gehäuseteil 19 vorgesehen, in dem, ebenfalls in Luft, der Überschaltwiderstand 17 angeordnet ist. Oben und unten in diesem Gehäuseteil 19 sind Öffnungen 20, 21 vorgesehen, so dass eine separate Luftströmung zur Kühlung des Überschaltwiderstandes 17 durch das Gehäuseteil 19 geleitet werden kann.

Insgesamt ergibt sich aus der Figur der besonders einfache Aufbau gemäß der Erfindung. Der komplette Stufenwähler 4 des Thyristor-Stufenschalters ist im ölgefüllten Transformatorkessel 1 angeordnet und wird vom Transformatoröl umspült. Dadurch sind sowohl eine Schmierung der mechanischen Kontakte als auch eine ausreichende elektrische Festigkeit der gesamten Anordnung gewährleistet. Die eigentliche Lastumschaltung hingegen mittels des Thyristorpaares 16 erfolgt außerhalb des Transformatorkessels 1 in Luft. Damit ist ein störender Einfluss des heißen Transformatoröles auf das Thyristorpaar 16 mit Sicherheit ausgeschlossen. Die elektrische Verbindung zwischen diesen beiden Baugruppen ist ebenfalls besonders einfach, da nur drei elektrische Verbindungsleitungen 10, 11, 12 durch die Durchführungsplatte 7 geführt werden müssen. Es wurde bereits erläutert, dass der Überschaltwiderstand 17 in einem weiteren separaten Gehäuseteil 19, ebenfalls in Luft, angeordnet ist. Damit ist sowohl dessen einfache Kühlung sichergestellt als auch ebenfalls jede thermische Beeinflussung des Thyristorpaares 16 ausgeschlossen.

Die Erfindung ist nicht auf die im Ausführungsbeispiel erläuterte bekannte Schaltung mit einem Thyristorpaar, nur einem Überschaltwiderstand und der speziellen Anordnung zusätzlicher mechanischer Schalter beschränkt. Im Rahmen der Erfindung ist ebenso jeder andere Lastumschalter mit einer wie auch immer gearteten Anordnung eines oder mehrerer Thyristorpaare als Schaltmittel und unabhängig von der Zahl, Schaltung und Betätigungssequenz eventuell noch vorhandener weiterer mechanischer Schalter bzw. Umschalter einsetzbar. Ebenso ist die Art und Weise der Erzeugung der Zündspannung für die einzelnen Thyristoren im Rahmen der Erfindung auf vielfältige Weise lösbar.

Claims (1)

1. Thyristor-Stufenschalter zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen verschiedenen Wicklungsanzapfungen eines Stufentransformators unter Last, bestehend aus einem mechanischen Stufenwähler zur leistungslosen Vorwahl der jeweiligen Wicklungsanzapfung, auf die umgeschaltet werden soll, und einem Lastumschalter mit mindestens einem antiparallelen Thyristorpaar zur unterbrechungslosen Umschaltung von der bisherigen auf die vorab angewählte neue Wicklungsanzapfung unter Last, dadurch gekennzeichnet,
   dass nur der Stufenwähler (4) im mit Transformatoröl gefüllten Transformatorkessel (1) des Stufentransformators angeordnet ist,
   dass der Lastumschalter (9) mit dem mindestens einen antiparallelen Thyristorpaar (16) hingegen in einem separaten Gehäuse (8) in Luft untergebracht ist, welches seitlich am Transformatorkessel (1) und von diesem durch eine Durchführungsplatte (7) getrennt angeordnet ist,
   dass Verbindungsleitungen (10, 11, 12) vom Stufenwähler (4) zum Lastumschalter (9) durch die Durchführungsplatte (7) geführt sind
   und dass mindestens ein Überschaltwiderstand (17) des Lastumschalters (9) in einem weiteren separaten Gehäuseteil (19) in Luft untergebracht ist, welches seinerseits durch eine Trennwand (18) vom Gehäuse (8) abgetrennt ist.