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Laststufen-Umschalter für Transformatoren Die Erfindung betrifft einen
Laststufen-Umschalter für Transformatoren mit stromlos schaltendem Stufenwähler
und schnell umschaltendem Leistungsschalter zur Umschaltung des Laststromes von
einer zur anderen Anzapfung.
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Bekanntlich wird beim überschalten von einer zur anderen Anzapfung
kurzzeitig der zwischen den Anzapfungen liegende Teil der Wicklung kurzgeschlossen.
Dies ist nötig, um zu vermeiden, daß der Laststrom kurzzeitig unterbrochen wird.
Durch diesen Kurzschluß entsteht ein Strom, welcher von den Lastschaltern ein- und
ausgeschaltet werden muß und sich dem Laststrom während des Überschaltens überlagert.
Zur Verringerung dieses Kurzschlußstromes hat man Impedanzen in den Kurzschlußkreis
geschaltet. Hierdurch wird der überlagerte Strom zwar verringert, es müssen aber
vom Lastschalter trotzdem verhältnismäßig hohe Ströme geschaltet werden können.
Hierbei entstehen Lichtbögen an den Kontakten. Die Lastschalter müssen so ausgelegt
sein, daß sie diese Ströme einwandfrei beherrschen und die durch sie entstehende
Abnutzung so klein wie möglich wird. Der Lichtbogen bleibt hierbei bekanntlich so
lange bestehen, bis der Strom durch Null geht. Diese Dauer kann bis zu einer Halbwelle
anwachsen, und es muß darauf geachtet werden, daß nach dem Löschen keine Wiederzündung
eintritt. Es entsteht durch den Lichtbogen eine verhältnismäßig starke Abnutzung
der Kontakte und eine Verschmutzung des Löschmittels. Es ist daher der Nachteil
vorhanden, daß der Lastschalter nicht mit dem Transformatoröl in Verbindung treten
darf. Er muß entweder aaßerhalb des Kessels angeordnet werden oder innerhalb des
Kessels ein besonders gegenüber dem Transformatoröl abgedichtetes Gehäuse besitzen.
Hierdurch werden besondere Durchführungen für die Leitungen von den Anzapfungen
vom Transformator zum Lastschalter nötig.
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Um die Wirkung des Kaarzschlußstromes auszuschalten, hat man Synchronisiereinrichtungen
vorgesehen, die erst dann den Lastschalter betätigen, wenn der Laststrom gerade
durch Null gehen würde. Erfolgt die Umschaltung sehr rasch, so kann dadurch ein
hoher Strom vermieden werden. Diese Einrichtung arbeitet wohl bei Normalbetrieb
richtig. Wenn aber zwischen dem Schaltbefehl der Synchronisiereinrichtung und der
Schaltung gerade eine Umschaltung im Netz oder ein Kurzschluß auftritt, so würde
die Phasenlage des Laststromes sich ändern und dadurch der durch den Schalter fließende
Strom einen hohen Wert annehmen. Dadurch kann der Schalter zerstört werden. Ferner
ist es für Ausschalter bekanntgeworden, mehrere Kontakte hintereinanderzuschalten
und dadurch die Summe der entstehenden Lichtbogenspannungen so groß zu machen, daß
die zu unterbrechende Spannung kleiner ist als die Summe dieser Lichtbogenspannungen.
Bei dieser Anordnung erlischt dann der Lichtbogen sehr rasch. Es handelt sich bei
diesen Schaltern aber darum, einen bereits entstandenen Strom durch Erhöhung der
Lichtbogenwiderstände zu löschen.
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Die Hintereinanderschaltung mehrerer Kontakte zur Verringerung der
Belastung der einzelnen Kontakte hat man auch bei den Lastschaltern für die Stufenumschaltung
von Transformatoren vorgesehen. Hierbei können diesen Schaltern weitere Kontakte
parallel geschaltet sein, welche nur stromlos geschaltet werden können, aber in
der Lage sind, den Belastungsstrom dauernd zu führen.
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Im Zusammenhang mit solchen synchronisierten Lastschaltern ist auch
die Konstruktion des Lastschalters weitgehend an die kurze Schaltzeit angepaßt worden.
Zu diesem Zweck sind die Kontaktstücke federnd angeordnet, so daß ein rasches Schließen
und Öffnen ermöglicht wird. Es werden dabei bei der bekannten Ausführung ein Schließ-
und ein Öffnungskontakt verwendet, wobei der Schließkontakt durch die Feder schnell
schließt und der Öffnungskontakt durch die Feder den Kontakt noch so lange aufrechterhält,
bis der Schließkontakt geschlossen hat.
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Ferner ist es bekanntgeworden, als Umschalter wirkende Lastschalter
so auszuführen, daß die an
sich festen Kontaktstücke federnd gelagert
sind, so daß sie beim Berühren mit dem beweglichen Kontaktstück noch einen Teil
der Bewegung mitmachen können. Auch hierbei wird die Geschwindigkeit des Schalters
erhöht.
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Alle diese Maßnahmen haben bei Stufenschaltern bisher noch nicht dazu
geführt, daß der Stufenschalter völlig lichtbogenfrei arbeiten kann. Schalter mit
Mehrfachunterbrechung zu dem Zweck, die Lichtbogenspannung so weit zu erhöhen, daß
ein Lichtbogen sofort wieder erlischt, sind bisher für Stufenschalter noch nicht
angewendet worden. Auch die schnell schaltenden Lastumschalter benötigen besondere
Impedanzen, um den Kurzschlußstrom, der beim Überbrücken der Transformatorwicklung
entsteht, zu dämpfen. Bei den Einrichtungen, bei denen Synchronisierungen vorgesehen
worden sind, wirkt die Synchronisiereinrichtung nicht in allen Fällen wie bereits
erwähnt wurde, so daß sie sich praktisch bisher nicht einführen ließ.
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Es stellt sich nun die Aufgabe, einen Lastumschalter zu finden, bei
dem ohne Verwendung von Kurzschlußimpedanzen kein hoher Strom entstehen kann und
bei dem eine Synchronisiereinrichtung so verwendet werden könnte, daß selbst bei
ihrem Versagen der Strom nur in kleinen Grenzen sich erhöht. Es werden hierzu Mittel
verwendet, die im einzelnen bekannt sind, für die also als Einzelmerkmale kein Anspruch
auf Patentschutz erhoben wird.
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Erfindungsgemäß wird daher für Laststufenschalter an Transformatoren
die Kombination folgender Einzelmerkmale vorgeschlagen, daß die Kontakte des Lastumschalters
aus mehreren hintereinander angeordneten und gleichzeitig umschaltenden Kontakten
nach Art einer Mehrfachunterbrechung bestehen und daß jede Unterbrechungsstelle
aus einem beweglichen und zwei federnd gelagerten Kontaktstücken besteht, die so
zusammenarbeiten, daß bei der Umschaltung der auszuschaltende Kontakt so lange bestehenbleibt,
bis das bewegliche Kontaktstück seine Höchstgeschwindigkeit erreicht hat, und der
einzuschaltende Kontakt früher geschlossen wird, als die Bewegung des beweglichen
Kontaktstückes aufhört, so daß die Zeit, in der die Lastumschalterkontakte überbrückt
sind, nur einen Bruchteil einer Halbperiode beträgt.
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Diesem Gedanken liegt folgende Überlegung zugrunde (F i g. 1): Es
sei zunächst angenommen, daß wie bei den bekannten Ausführungen erst die beiden
festen Kontaktstücke 5 und 6 durch das bewegliche Kontaktstück 4 überbrückt werden.
Hierdurch wird ein Stromkreis von dem Wicklungsteil 1, welcher zwischen den beiden
Anzapfungen 2 und 3 liegt und selbst Widerstand und Induktivität besitzt, über den
Lastschalter geschlossen. iB ist der Belastungsstrom, welcher von der Anzapfung
3 auf die Anzapfung 2 umgeschaltet werden soll. Solange die beiden Kontaktstücke
5 und 6 überbrückt sind, versucht die in dem zwischen den Anzapfungen 2 und 3 liegenden
Wicklungsteil induzierte Spannung u einen Kreisstrom iK zu erzeugen, welcher sich
dem Belastungsstrom !B überlagert. Wenn sich nun der Kontakt zwischen 4 und 5 bei
der Schaltbewegung öffnet, entsteht an dieser Stelle ein Lichtbogen. Dieser hat
einen Spannungsabfall, demzufolge der in dem Stromkreis fließende Strom verringert
wird. Dieser Spannungsabfall im Lichtbogen wird als Lichtbogenspannung bezeichnet.
Man kann sich diesen Vorgang vereinfacht vorstellen, wenn man die Lichtbogenspannung
als eine Generatorspannung ansieht, die in dem betreffenden Stromkreis einen Strom
treibt. Dieser ist dem durch die induzierte Spannung entstehenden Strom entgegengesetzt
gerichtet. Er wird mit 'K2 bezeichnet. Der tatsächlich fließende Strom ist dann
die Differenz von dem Kreisstrom iK i und dem Strom 'K2. Macht man nun durch besondere
Mittel die Lichtbogenspannung größer als die induzierte Spannung des Kreises oder
umgekehrt die induzierte Spannung im Augenblick der Umschaltung kleiner als die
Lichtbogenspannung, so kann erreicht werden, daß der gesamte über den Kontakt fließende
Strom angenähert Null wird. Damit löscht der Lichtbogen und die Kreisströme verschwinden.
Ein Wiederzünden durch die Spannung u ist nicht möglich, weil sofort wieder eine
Lichtbogenspannung auftreten würde, die wiederum den Strom auf Null zu bringen sucht.
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Wenn man erreicht, daß die Lichtbogenspannung größer als die induzierte
Spannung ist, so braucht man im Gegensatz zu den bekannten Ausführungen bei der
Umschaltung nicht darauf zu achten, daß erst beide Kontakte geschlossen werden und
dann der eine Kontakt geöffnet wird, sondern es ist auch möglich, erst den einen
vorher geschlossenen Kontakt (4, 5) zu öffnen und dann den anderen (4, 6) zu schließen.
Im ersten Augenblick entsteht dann ein Lichtbogen zwischen 4 und 5, welcher den
Laststrom iß aufrechterhält. Nach dem Schließen des bisher geöffneten Kontaktes
(4, 6) wird der Wicklungsteil l über den Lichtbogen zwischen den Kontaktstücken
4 und 5 kurzgeschlossen. Hierbei bilden sich wieder die beiden Kreisströme iKl und
'K2 aus, so daß der Lichtbogen in kürzester Zeit erlischt.
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Wichtig ist dabei, die Umschaltung rasch zu vollziehen. Man erreicht
nämlich dann, daß der durch die induzierte Spannung u entstehende Kreisstrom i,
K, nicht auf seinen vollen Wert ansteigen kann, so daß dieser Strom in kleinen Grenzen
bleibt.
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Die F i g. 2 und 4 zeigen Ausführungsformen des Erfindungsgedankens.
In F ig. 2 ist eine Anordnung dargestellt, welche die erforderliche Lichtbogenspannung
dadurch erhöht, daß der Lastschalter in mehrere hintereinanderliegende Kontakte
unterteilt ist. Es wird dabei die an sich bekannte Tatsache ausgenutzt, daß die
Lichtbogenspannung mit der Lichtbogenlänge nicht linear ansteigt, sondern schon
bei sehr kleiner Länge wegen des Anoden- und Kathodenfalles etwa 20 V beträgt. Infolge
der Unterteilung addieren sich die einzelnen Lichtbogenspannungen.
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In der F i g. 2 sind fünf solche Kontakte 7 und 8
dargestellt.
Bei der gezeichneten Stellung sollen die Kontakte 7 sich öffnen und 8 sich schließen.
Die Kommutierungskontakte 7 und 8 sind normalerweise durch einen weiteren Umschalter
9 überbrückt, welcher den Betriebsstrom dauernd führen kann. Dadurch kann man die
Masse der Kommutierungskontakte 7 und 8 klein halten und eine rasche Umschaltung
erreichen. Man kann bei Anordnungen für kleinere Leistungen den Umschalter 9 auch
weglassen.
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Zur weiteren Entlastung der Kommutierungskontakte 7 und 8 kann man
eine Impedanz 11, beispielsweise einen spannungsabhängigen Widerstand oder einen
Kondensator, parallel schalten. Sie kann entweder einfach parallel zwischen den
Wahlkontakten 2 und 3 liegen, darf dann aber vor und nach der Um-
Schaltung
nur wenig Leistung aufnehmen. Sie kann auch umschaltbar gemacht werden, wie es in
F i g. 2 durch den Umschalter 10 dargestellt ist. Dieser Schalter schaltet jeweils
erst nach Beendigung der Umschaltung durch die Kommutierungskontakte 7 und B.
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Das Umschalten von einer zur anderen Anzapfung, z. B. von Anzapfung
2 auf 3, geht nun folgendermaßen vor sich: Der Kontakt 9 öffnet zunächst die Überbrückung
13. Dann werden die Kommutierungskontakte 7 und 8 umgeschaltet. Dabei wird der Laststrom
sehr schnell durch die parallelgeschaltete Impedanz 11 übernommen und von den Kontakten
7 abgezogen. Nach der Kommutierung schließt der Kontakt 9 die Überbrückung 12. Schließlich
wird der Umschalter 10 betätigt, der die Impedanz 11 an die Anzapfung 3 umlegt.
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Die Umschaltung der Kontakte 7 und 8 muß so rasch wie möglich erfolgen;
es soll die Dauer zwischen dem Schließen des einen und dem Öffnen des anderen Kontaktes
höchstens 10-3 s dauern. Hierbei ist es möglich, daß der ganze Kommutierungsvorgang
sich abspielt, bevor der entstehende Kreisstrom iK 1 einen bestimmten Teil, beispielsweise
25 % des Maximalwertes, erreicht hat. Die hohe Geschwindigkeit wird durch geringe
Kontaktabstände etwa von 1 mm erreicht, welche gerade die Bildung des Anoden- und
Kathodenfleckes gestatten, sowie durch eine hohe Umschaltgeschwindigkeit. Die F
i g. 3 zeigt, wie diese Geschwindigkeit erreicht werden kann. Das bewegliche Kontaktstück
4 wird angetrieben. Während der Beschleunigungsdauer geht das Kontaktstück 5 infolge
des Federdruckes der Feder 14 mit dem beweglichen Kontaktstück 4 mit, so daß der
Kontakt zunächst erhalten bleibt. Erst wenn der Anschlag 15 den feststehenden Teil
16, welcher zugleich als Stromzuführung dient, erreicht, öffnet sich der Kontakt
4, 5. Zugleich hat der Kontakt 4 und 6 bereits geschlossen. Da das bewegliche Kontaktstück
4 nunmehr seine volle Geschwindigkeit besitzt, öffnet und schließt es äußerst rasch.
Zwischen 4 und 5 entsteht kurzzeitig ein Lichtbogen, welcher, wie bereits beschrieben,
äußerst rasch verschwindet. Nach dem Schließen des Kontaktes 4, 6 geht das Kontaktstück
6 gegen die Federkraft der Feder 17 noch so lange mit dem Kontaktstück 4 mit, bis
dessen Bewegung aufhört. Das gleiche kann auch erreicht werden durch Schleif- oder
Rollenkontakte.
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F i g. 4 zeigt ein weiteres Beispiel. Da bei sehr großer Kontaktzahl
der Kommutierungskontakte 7 und 8 infolge der Übergangswiderstände ein nicht mehr
zu vernachlässigender Spannungsabfall entsteht, kann beim Öffnen des überbrückungskontaktes
9 ein Lichtbogen entstehen. Um diesen zu vermeiden, sind weitere überbrückungskontakte
18 und 19 vorgesehen. Bei der Umschaltung öffnet sich zunächst der Kontakt 9, dann
die beiden Kontakte 18, dann 19 und schließlich die eigentlichen Kommutierungskontakte
7. Hierbei wird ein praktisch lichtbogenfreies Umschalten erreicht.
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Eine andere Möglichkeit, um die Lichtbogenspannung im Verhältnis zu
der induzierten Spannung groß zu halten, ist es, die Umschaltung in einem Zeitpunkt
der Periode vorzunehmen, in dem der Strom gerade durch Null geht. Ein Beispiel einer
solchen Ausführung ist schematisch in F i g. 5 dargestellt. An den Klemmen
20 wird die Transformatorspannung, beispielsweise einer Stufe zugeführt,
an den Klemmen 21 der Belastungsstrom des Transformators. Dieser Strom wird über
ein Schütz 22 geführt, das beim Strom Null den Spannungskreis schließt, und gelangt
dann an einen Impulsgeber 23, welcher beispielsweise in bekannter Weise über einen
gesättigten Eisenkreis, wenn die Spannung oder der Strom durch Null geht, einen
Impuls erzeugt. Dieser wird im Verstärker 24 verstärkt und über ein Verzögerungsglied
25 dem Umschalter 26 zugeführt, welcher mit dem Antrieb des Stufenschalters in Verbindung
steht. 27 ist ein Umschaltkontakt, welcher mit dem Auslöser 28 verbunden ist. Der
Auslöser wird durch den Impuls erregt und schaltet die Schaltwelle 29 des Stufenschalters
um.
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Die Wirkungsweise ist folgende: Der Laststrom i$ erzeugt beim Nulldurchgang
einen Impuls. Ist kein Laststrom vorhanden, also der Transformator im Leerlauf,
so ist der Kontakt 30 geschlossen, und statt des Laststromes wird die Transformatorspannung
zugeführt und erzeugt einen Impuls. Der Impuls entsteht, wenn der Strom
iß bzw. die Transformatorspannung durch Null geht. Schon bei kleinen Lastströmen
i$ spricht das Schütz 22 an und öffnet den Stromkreis für die Transformatorspannung,
so daß nur noch der Belastungsstrom in einen Impuls umgewandelt wird. Der Impuls
gelangt verstärkt in das Verzögerungsglied 25. Diese Verzögerung hat den Zweck,
die Eigenzeit des Stufenschalters zu berücksichtigen. Ihre Dauer ist gerade so groß,
daß der Impuls um die Eigenzeit des Schalters früher an den Auslöser 28 gegeben
wird als der nächste Nulldurchgang erfolgt. Der Auslöser schaltet dann von einer
Stellung auf die andere um, mit ihm der Hilfskontakt 27. Die Einrichtung wird in
Betrieb gesetzt, wenn der Umschalter 26 auf einem seiner beiden Kontakte steht,
was durch den Antrieb des Stufenschalters selbst erreicht wird. Der Stufenschalter
ist von Hand oder ferngesteuert eingeschaltet. Dann geht der Schalter 26 je nach
der Stellung der Kommutierungskontakte 7, 8 nach rechts oder links. Die Kommutierung
erfolgt erst, wenn der Auslöser 28
anspricht und die Welle 29 des Stufenschalters
dreht.
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Auf diese Weise erfolgt die Kommutierung immer im Nulldurchgang des
Laststromes oder der Transformatorspannung, so daß auch hiermit der durch die Lichtbogenspannung
erzeugte Strom größer ist als der durch die induzierte Spannung erzeugte Strom.
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Der Vorteil der beschriebenen Anordnung ist die praktisch lichtbogenfreie
Umschaltung. Man braucht keine besonderen Impedanzen in Reihe mit dem Umschalter
wie bei den bisherigen Ausführungen, die den sonst entstehenden Kurzschlußstrom
begrenzen müßten. Nur bei sehr großen Schaltern können parallel zu den Öffnungskontakten
noch Impedanzen vorgesehen -,verden, die aber nur dazu dienen, den Lichtbogen noch
weiter zu verringern. Sie können für kleinere Ströme bemessen sein. Die Folge des
geringen Abbrandes ist, daß der Stufenschalter unbedenklich im Öl des Transformators
angeordnet werden kann, ohne dieses zu verschlechtern. Hierdurch fallen wiederum
die sonst nötigen Durchführungen für die Zuleitungen weg. Die Anzahl der Schaltungen,
welche durchgeführt werden können, ohne die Kontakte auswechseln zu müssen, ist
größer als bei den bekannten Ausführungen.