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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stufenschalter nach dem Reaktorschaltprinzip zur unterbrechungslosen Lastumschaltung mittels mindestens einer Lastschaltstrecke gemäß dem Oberbegriff des ersten Patentanspruches.
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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.
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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 Überschaltdrosselspulen, vorgesehen, die während der langsamen Umschaltung von einer Wicklungsanzapfung zur nächsten einen Stufenkurzschluss vermeiden und für die Dauerbelastung im stationären Betrieb bemessen sind.
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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 Überschaltwiderstände nur für eine sehr kurze Zeitspanne belastet.
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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
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 Überschaltreaktanzen 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
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.
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Eine weitere bekannte Ausführungsform eines Laststufenschalters, der ebenfalls nach dem Reaktorschaltprinzip arbeitet, ist in 1 dargestellt. Diese zeigt eine diesem Stufenschalter zu Grunde liegende typische Schaltung einschließlich Schaltsequenz bei der Umschaltung von einer Stufe A auf eine benachbarte Stufe B. n und n + 1 sind hier die benachbarten Anzapfungen der Stufenwicklung des Transformators. MTS1 und MTS2 sind die bei der Umschaltung zu betätigenden beweglichen Wählerkontakte, X1 und X2 sind die Überschaltreaktanzen. Die Lastableitung Y ist zwischen den Reaktanzen X1 und X2 angeordnet. Zu Beginn einer Lastumschaltung wird ein Lastschaltstrecke MSV2 geöffnet, der Wählerkontakt MTS2 kann stromlos auf die Anzapfung n + 1 bewegt werden, anschließend schließt die Laststrecke MSV2. Damit ist eine stationäre Position hergestellt und auf Stufe B umgeschaltet. Die Überschaltreaktanzen X1 und X2 begrenzen den Kreisstrom IC auf eine für die Strombahn des Transformators und den Schalter zulässigen Wert.
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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 Überbeanspruchung der Strombahnen und der Lastschaltstrecken kommen, was sich massiv auf deren Lebensdauer auswirken kann.
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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.
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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.
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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.
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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 Hilfsschaltstrecke, in Reihe zu schalten, derart, dass der Einschaltwiderstand während der Einschaltphase, d. h. Einschaltung, den Einschaltstrom in der Lastschaltstrecke reduziert und im nächsten Schaltschritt mittels einer Hilfsschaltstrecke überbrückt wird. Diese erfindungsgemäße Anordnung erlaubt es somit geringere Anforderungen an den Stufenschalter, insbesondere die Lastschaltstrecke, sowie den Reaktor zu stellen.
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Die Erfindung soll nun Anhand der Figuren genauer erläutert werden. Es zeigt
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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
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3 einen Stufenschalter mit einer zusätzlichen Ausgleichswicklung
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2 zeigt einen Stufenschalter 1 nach dem Reaktorschaltprinzip mit zwei Lastzweigen 2 und 3 zur unterbrechungslosen 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.
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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 Hilfsschaltstrecken 12, 13 über die Lastschaltstrecken 4, 5 zur Lastableitung 9 fließen.
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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 Lastschaltstrecke 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 Lastableitung 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.
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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 Lastschaltstrecke 5 vorgeschalteten Einschaltwiederstandes 7, wird der Einschaltstrom des Reaktors 8 begrenzt, so dass der in der Lastschaltstrecke 5 zu schaltende Strom erheblich reduziert wird.
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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
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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.
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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
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19743865 C1 [0005, 0005]
