DE2611570A1

DE2611570A1 - Lastumschalter fuer transformatoren

Info

Publication number: DE2611570A1
Application number: DE19762611570
Authority: DE
Inventors: Werner Widmann
Original assignee: Transformatoren Union AG
Current assignee: Transformatoren Union AG
Priority date: 1976-03-19
Filing date: 1976-03-19
Publication date: 1977-09-22
Also published as: FR2344942A1; DE2611570C2; SE420366B; FR2344942B1; SE7703075L

Description

TRANSFORMATOREN UNION AKTIENGESELLSCHAFT 7OOO Stuttgart-50, Deckerstraße 5

PT-S 75/53 Rg Stuttgart-50, den 3. März 1976

PT-S/Reißing/bm

Lastumschalter für Transformatoren

Die Erfindung betrifft einen Lastumschalter für Transformatoren mit durch Haupt- und Widerstandskontakte gebildeten Schaltstrecken, wobei diese Schaltstrecken in mehrere Teilschaltstrecken unterteilt sind und jede dchaltstelle aus mindestens zwei parallel oder in Reihe geschalteten einzelnen Teilschaltstrecken besteht, die so mit Dioden beschaltet sind, daß an Jeder dieser einzelnen Schaltstrecken die Lichtbogenbrenndauer höchstens eine Halbperiode der Netzfrequenz des zu schaltenden Stromes beträgt und die Dioden im Ruhezustand des Schalters spannungsmäßig nicht beansprucht sind.

Um die Schaltleistung bei Lastumschaltern zu erhöhen, ist es bereits bekannt, die durch Haupt- und Widerstandskontakte gebildeten Schaltstrecken in mehrere Teilschaltstrecken zu unterteilen und einzelnen Teilschaltstrecken Dioden parallel zu schalten.

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So kann bei den in der DT-OS 23 55 514- beschriebenen und in den Figuren 2, 3, 4- und 7-9 dargestellten Schaltanordnungen bei der Schalteröffnung der linken Schalterseite jeweils über eine der beiden Schaltstrecken 3 und und bei der öffnung der rechten Schalterseite über eine der Schalterstrecken 5 und 6, bei ungünstiger Phasenlage des Öffnungsmomentes, über 2 Halbperioden ein Lichtbogenstrom fließen und entsprechend starke Gasentwicklung sowie starken Elektrodenabbrand verursachen.

Bei den Schaltanordnungen gemäß den Figuren 5 und 6 ist dagegen jeder der Schalte trecken 3_> 4- und 5» 6 eine Diode parallelgeschaltet, wodurch hier höchstens während einer Halbwelle ein Lichtbogen an jeder Schaltstrecke anstehen kann. Diese Schaltanordnungen gemäß den Figuren 5 und 6 sind folglich hinsichtlich Lichtbogenbrenndauer günstiger als die übrigen Lösungen. Nachteilig bei den Schaltanordnungen gemäß den Figuren 5 und 6 ist jedoch, daß die Dioden auf der geöffneten Schalterseite ständig an Spannung liegen und wegen der im Betrieb möglichen Schalt- und Gewitterüberspannungen dann spannungsmäßig sehr reichlich dimensioniert werden müssen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltanordnung zu entwickeln, die bei höchster Schaltleistung eine minimale Gasentwicklung und einen möglichst geringen Elektrodenabbrand verursacht und die obengenannten Nachteile vermeidet.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jede Schaltstelle aus mindestens zwei parallel oder in Reihe geschalteten einzelnen Schaltstrecken besteht, die so mit Dioden beschaltet sind, daß an jeder dieser einzelnen Schaltstrecken die Lichtbogenbrenndauer höchstens eine Halbperiode

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der Netzfrequenz des zu schaltenden Stromes beträgt und die Dioden im Ruhezustand des Schalters spannungsmäßig nicht beansprucht sind.

Beispiele für Parallelschaltung einzelner Teilschaltstrecken zeigen die Figuren 1 und 2. In Fig. 1 besteht jeder Hauptkontakt aus je zwei parallelgeschalteten Teilkontakten 1, 2 und 3, 4- und jeder Widerstandskontakt ebenfalls aus den parallelgeschalteten Teilschaltstrecken 5, 6 und 7; 8. Jeder dieser Teilschaltstrecken ist je eine Diode vorgeschaltet, wobei jeweils für zusammengehörige Teilschaltstrecken die Dioden entgegengesetzt gepolt sind.

öffnen dann jeweils die beiden zusammengehörigen Teilschal tstrecken, also z. B. 1 und 2, gleichzeitig, dann ist bei jeder beliebigen Phasenlage des abzuschaltenden Stromes jeweils eine der beiden Teilschaltstrecken durch die vorgeschaltete Diode stromlos und öffnet folglich ohne Lichtbogen. In der zweiten, den Strom schaltenden Schaltstrecke kann der Strom höchstens während einer Halbperiode, d. h. bis zum nächsten Stromnulldurchgang fließen, da dann auch dort die Diode sperrt. Bei diesem Prinzip beträgt folglich die max. Lichtbogenbrenndauer eine Halbperiode. Nachteilig bei Fig. 1 ist allerdings die große Zahl an notwendigen Teilschaltstrecken und Dioden. Zur Verminderung des Aufwandes sind daher erfindungsgemäß entsprechend Fig. 2 nur zwei Teilschaltstreckenpaare mit vorgeschalteten Dioden eingesetzt und diese mittels zweier Hilfsschalter 9 und 10 während des Überschaltvorganges von der einen Schalterseite, z. B. also von 11, auf die andere Schalterseite, also nach 12 oder umgekehrt, umzuschalten. In Fig. 2 würde sich dann folgende Schaltfolge ergeben:

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Zunächst sind 1, 2, 3, 4· geschlossen und die Umschalter und 10 sind mit 11 verbunden. Als erstes öffnen 1 und 2 gleichzeitig. Nach der Stromunterbrechung in 1 und 2, d. h. frühestens nach einer Halbperiode, schaltet 9 und 11 nach 12 um. Daraufhin schließen 1 und 2 sofort wieder. Anschließend öffnen 3 und 4· ebenfalls frühestens eine Halbperiode später schaltet 10 von 11 nach 12 ua. Daraufhin schließen 3 und 4- wieder. Bei dieser Schaltfolge schalten die Schalter 9 und 10 stromlos.

Angesichts der hohen Preise für Hochleistungsdioden kann auch eine erfindungsgemäße Lösung nach Fig. 3 mit nur einem den Strom schaltenden Schalterpaar 1, 2 und nur zwei Dioden, die mittels stromlos schaltender Hilfeschalter nacheinander zwischen die Punkte an denen der Strom unterbrochen werden muß geschaltet werden, wirtschaftlich sein. Zur Stromabschaltung enthält der Lastumschalter nach Fig. 3 also lediglich die beiden Schaltstrecken 1 und 2 mit jeweils entgegengesetzt gepolt vorgeschalteten Dioden. Der Schaltablauf ist hier folgender:

Zunächst sind 1, 2, 13» 15» 17 und 19 geschlossen. Beim Umschaltvorgang öffnen zunächst 1 und 2, frühestens «ine Halbperiode später schaltet 13 aus und 14 schließt. Gleichzeitig oder kurz nach dem Schließen von 14 schließen 1 und 2 wieder, anschließend öffnet 15 und schließt 16. Daraufhin öffnen 1 und 2 erneut, frühestens eine Halbperiode später öffnet 19t anschließend schließt 20. Als nächstes öffnet 17 und schließt 18, worauf 1 und 2 erneut schließen. Damit ist der Umschaltvorgang beendet.

Fig. 3 stellt nur ein Beispiel für mögliche Schaltfolgen und Anordnung der Hilfsschalter dar. Es sind noch weiter· Varianten möglich, die aber alle auf dem genannten Grundprinxip beruhen.

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FB-S ?5/55 Rg - ί -

Eine weitere erfindungsgemäße Lösung für das eingangs gestellte Ziel bildet die Reihenschaltung von jeweils drei Teilschaltstrecken für jede Schaltstelle, d. h. für jeden Haupt- und Widerstandskantakt. Hierbei wird jeweils zwei dieser Schaltstellen je eine Diode parallelgeschaltet» wobei diese beiden Dioden entgegengesetzt gepolt sind. Ein Ausführungsbeispiel zeigt Pig. 4-, Der auf der Schalterseite 11 liegende Hauptkontakt wird hier z. B. aus den Schaltstrecken 1» 2 und 9» die in Reihe liegen, gebildet. Ben Schaltstrecken 1 and 2 liegen entgegengesetzt gepolte Dioden parallel. Sinngemäß ist der Hauptkontakt der anderen Seite und sind auch die Widerstandskontakte aufgebaut. Die Schaltfolge und Wirkungsweise am Hauptkontakt und sinngemäß auch an den Widerstandskontakten ist dann folgende:

1 und 2 öffnen gleichzeitig. Infolge der parallelgeechalteten aber entgegengesetzt gepolten Diode öffnet jeweils eine der beiden Schaltstrecken stromlos, während die andere unter Strom öffnet. In der unter Strom öffnenden Schaltstelle erlischt der Lichtbogen spätestens nach einer Halbperiode» da dann die dieser Schaltstelle parallel liegende Diode In Durchlaßrichtung beansprucht wird und folglich den Strom übernimmt. Von diesem Zeitpunkt ab sind die beiden Schaltstrecken 1 und 2 stromlos. Somit kann auch hier sinngemäß, wie bei der erfindungsgemäßen Lösung nach Fig. 1, längstens für eine Halbperiode ein Lichtbogen anstehen. Frühestens eine Halbperiode nach Öffnung von 1 und 2 öffnet auch 9» um die Dioden abzuschalten, damit diese in Ruhestellung des Schalters spannungsmäßig nicht beansprucht sind. Der Schalter 9 öffnet somit praktisch stromlos und kann, somit entsprechend einfach aufgebaut sein. Sinngemäß ist auch die Schaltfolge und die Funktion bei den übrigen Schaltstrecken. Für den gesamten Schaltablauf gilt bei Fig. dann folgendes:

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Zuerst sind 1, 2, 5i 6, 9 und 10 geschlossen, alle übrigen Schaltstellen sind geöffnet. Zuerst öffnen 1 und 2, frühestens eine Halbperiode später öffnet 9, darauf schließen 7» 8, 13. Jetzt öffnen 5 und 6, frühestens eine Halbperiode später öffnet 10, daraufhin schließen 3, 4 und 14. Eine Einsparung an Dioden bei aber sonst gleicher Schaltfolge und Wirkungsweise ergibt Fig. 5· Anstelle der beiden zu den Kontakten 2 und 4 in Fig. 4 parallelgeschalteten Dioden werden hier die Funkte 21 und 22 in Fig. 5 miteinander verbunden und nur über eine gemeinsame Diode an den Schalterpunkt 25 gelegt. Weiter wird anstelle der zu 6 und 3 in Fig. 4 parallelgeschalteten beiden Dioden nur eine Diode zwischen 23 und 24 eingeschaltet. Bei gleicher Schaltfolge der einzelnen Teilschaltstrecken ergibt sich dann die gleiche Wirkung wie in Fig. 4.

Eine weitere Vereinfachung und Einsparung an Dioden ergibt die Schaltung nach Fig. 6. Hier schalten nur die vier Teilschaltstrecken 1 bis 4 unter Strom und es sind nur noch vier diesen Teilschaltstrecken parallelgeschaltete Dioden notwendig. Der Lastumschalter weist hier nur noch zwei eigentliche Leistungsschalter auf, von denen einer aus den Schaltstrecken 1 und 2, der zweite aus den Schaltstrecken 3 und 4 gebildet ist. Diese beiden Lastumschalter werden mittels der Umschalter 26 und 27 nacheinander zwischen die Punkte geschaltet, an denen der Strom ab- oder zugeschaltet werden soll. Insgesamt ergibt sich dann die folgende Schaltfolge:

Zunächst sind 1, 2, 3 und 4 geschlossen und die Hilfeschalter 26 und 27 sind mit 11 verbunden. Bei der Umschaltung des Stromes von 11 nach 12 öffnen zunächst 1 und 2 gleichzeitig, frühestens eine Halbperiode später schaltet 26 um, worauf 1 und 2 wieder schließen. Daraufhin offnen 3 und 4 und frühestens eine Halbperiode später schaltet Z? um worauf 3 und 4 wieder schließen und damit der Umschaltvorgang beendet ist.

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- '!η. Auch bei dieser Lösung schalten die Hilfskontakte 26 und

27 jeweils stromlos um. Die Dioden sind dann in Ruhestellung spannungslos.

Eine weitere Variante des erfindungsgemäßen Prinzips nach Fig. 4 zeigt Fig. 7. Hier liegen auf jeder Schalterseite drei Schaltstrecken in Reihe, nämlich einmal 28, 29» 30, auf der anderen Seite 31» 32, 33· Jeweils zweien dieser Schaltetrecken ist je eine Diode parallelgeschaltet, wobei diese Dioden entgegengesetzt gepolt sind. Je einer weiteren dieser Schaltstrecken, mit parallelgeschalteter Diode liegt ein Widerstand 34 und 35 parallel. Der Schaltablauf bei Fig. 7 ist folgender:

Zunächst sind 28, 29, 30 geschlossen, 31, 32, 33 offen. Zuerst öffnet 28, frühestens eine Halbperiode später schließen 32 und 33· Damit in dieser Schalterstellung über die Dioden 36 und 37 kein Kurzschluß möglich ist, sind diese beiden Dioden entgegengesetzt zu schalten. Als nächstes öffnet 29, frühestens eine Halbperiode später schließt 31 und als letztes öffnet dann 30. Durch die parallel zur Schaltstrecke

28 geschaltete Diode 36 ist es möglich, den überschaltwiderstand 34 verhältnismäßig hochohmig zu wählen, da trotz der bei einem hochohmigen Uberschaltwiderstand an der Schaltstelle 28 auftretenden entsprechend hohen Wiederkehrspannung diese durch die Wirkung der Diode 36 zuverlässig löschen kann. Dies hat zur Folge, daß die Schaltstelle 30 bei entsprechender Bemessung des Widerstandes 34 nur einen Bruchteil des Nennstromes des Schalters schalten nuß. Bei der gewählten Schaltfolge gilt dies auch bei Umschaltungen unter Überstrom. Grundsätzlich können in Fig. 7 die jeweils hintereinander geschalteten Schaltstrecken auch in anderer schaltungemäßiger Reihenfolge angeordnet sein, z. b. oben 30, ir. der Mitte 29, unten 28 usw. Dies gilt z. B. auch für Fig. 4.

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Für die Spannungsbemessung der Dioden sind die an diesen auftretenden Spannungsspitzen maßgebend. Bei den beschriebenen Schaltungen liegen die Dioden lediglich während des Umschaltvorganges kurzzeitig an Spannung, max. also höchstens für einige Perioden der Netzspannung. Erfindungsgemäß sind daher den Dioden spannungsabhängige Widerstände direkt parallelgeschaltet (Fig. 8). Infolge der kurzen Beanspruchungszeit kann man diese Widerstände dann mit einer relativ hohen Betriebsspannung belasten, woraus sich ein günstiger Schutzfaktor ergibt. Bei dem Schaltprinzip nach Fig. 1 bis 3 kann man die beiden zu Jeweils einer Schaltstelle gehörigen Dioden auch mit einer einzigen Überspannungsschutzeinrichtung schützen, indem man diese gemäß Fig. 9 zwischen die Dioden schaltet.

Ein gewisser Nachteil der direkt parallel zu den Dioden geschalteten spannungsabhängigen Widerstände entsteht dadurch, daß in Sperrichtung der Dioden über diese Widerstände ein Strom fließen kann, der die Löschung der zugehörigen Schaltstrecke erschweren kann. Zur Vermeidung dieses Nachteiles sind in Reihe zu den spannungsabhängigen Widerständen Funkenstrecken geschaltet. Um niedrige Ansprechwerte für die Funkenstrecken zu gewährleisten, sind hierfür Funkenstrecken mit Gas als Löschmedium verwendet, wie sie z. B. in Überspannungsableitungen üblich sind. Diese Funkenstrecken müssen zum Einbau unter öl in ein öldichtee Gehäuse gebracht sein.

Die Überschaltwiderstände 34 und 35 in Lastumschaltern für Transformatoren sind verhältnismäßig niederohmig. Dies bedeutet aber, daß an diesen Widerständen selbst nur geringe Überspannungen auftreten können. Dies bedeutet aber, daß die Dioden, die in den wenigen Halbperioden, die sie während des Umschaltvorganges an Spannung liegen, ständig einem der

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Überschaltwiderstände JA oder 35 parallelliegen, durch diesen Überschaltwiderstand schon ausreichend gegen Oberspannungen geschützt sind. Zur Verbilligung sind daher spezielle Überspannungsschutzeinrichtungen nur den Dioden parallelgeschaltet, denen, so lange sie an Spannung liegen, kein Überschaltwiderstand parallel liegt.

Beispielsweise sind in Fig. 1 nur die den Schaltstrecken 5 bis 8 zugeordneten Dioden zu schützen, ebenso in Fig. 4·. In Fig. 7 sind dies die Schaltstrecken 29 und 32.

- Patentansprüche -

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Claims

TRANSFORMATOREN UNION AKTIEJiGESELLoCHAFT 7000 Stuttgart-r>0, Deckerstraße 5 PT-S 75/55 Rg Stuttgart-50, den 3. März 1976 PT-S/Reißing/bm Patentansprüche

1. j Lastumschalter für Transformatoren mit durch Haupt-

und Widerstandskontakte gebildeten Schaltstrecken, wobei diese Schaltstrecken in mehrere Teilschaltstrecken unterteilt und einzelnen Schaltstellen dieser Teilschaltstrecken Dioden parallelgeschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß jede Schaltstelle aus mindestens zwei parallel oder in Reihe geschalteten einzelnen Teilsehaltstrecken besteht, die so mit Dioden beschaltet sind, daß an jeder dieser einzelnen Teilschaltstrecken die Lichtbogenbrenndauer höchstens eine Halbperiode der Netzfrequenz des zu schaltenden Stromes beträgt und die Dioden im Ruhezustand des Schalters spannungsmäßig nicht beansprucht sind.

2. Lastumschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nur 2 Teilschaltstreckenpaare mit vorgeschalteten Dioden versehen sind und diese mittels zweier Hilfsschalter 9 und 10 während des Überschaltvorganges von

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der Anzapfung 11 auf die Anzapfung 12 oder umgekehrt umgeschaltet werden.

3. Lastumschalter nach Anspruch 1 und ?., dadurch gekennzeichnet, daß ein den Strom schaltendes Schalterpaar 1, 2 mit jeweils entgegengesetzt gepolt vorgeschalteten Dioden, mittels stromlos schaltender Hilfsschalter nacheinander zwischen die Punkte an denen der Strom unterbrochen werden muß geschaltet wird.

4. Lastumschalter naph Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Haupt- und Widerstandskontakt aus einer Reihenschaltung von jeweils 3 Teilschaltstrecken gebildet und jeweils 2 dieser Teilschaltstrecken je eine Diode parallelgeschaltet ist, wobei diese beiden Dioden entgegengesetzt gepolt sind, und die mit Dioden beschalteten Schaltstrecken mindestens eine Halbperiode vor der dritten Schaltstrecke öffnen.

5. Lastumschalter nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Haupt- und Widerstandskontakt aus einer Reihenschaltung von jeweils 3 Teilschaltstrecken gebildet und jeweils der mittleren Teilschaltstrecke eine Diode parallelgeschaltet ist, außerdem die beiden Anschlußpunkte 21 und 22 direkt miteinander und nur über eine gemeinsame Diode mit dem Anschlußpunkt 25 verbunden und zwischen den Anschlußpunkten 23 und 24-eine Diode eingeschaltet ist.

6. Lastumschalter nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Haupt- bzw. Widerstandskontakte aus 2 Schaltstrecken bestehen, welche jeweils aus einer Reihenschaltung eines Umschalters und zweier Teilschaltstrecken

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gebildet und den beiden Teilschaltstrecken ,je eine Diode parallelgeschaltet ist, wobei diese beiden Dioden entgegengesetzt gepolt sind.

7. Lastumschalter nach Anspruch 1 - ', dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Schalterseiten (11, 12) aus einer Reihenschaltung von 3 Teilschaltstrecken und jeweils 2 dieser Teilschaltstrecken .je eine Diode parallelgeschaltet ist, wobei diese beiden Dioden entgegengesetzt gepolt sind und je einer dieser Teilschaltstrecken mit parallelgeachalteter Diode zusätzlich ein Widerstand parallel liegt.

8. Lastumschalter nach Anspruch 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß den Dioden spannungsabhängige Widerstände direkt parallelgeschaltet sind.

9· Lastumschalter nach Anspruch 1-3» dadurch gekennzeichnet, daß die beiden zu jeweils einer Schaltstelle gehörenden Dioden mit einer Überspannungsschutzeinrichtung verbunden sind.

10. Lastumschalter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe zu den spannungsabhängigen Widerständen Funkenstrecken geschaltet sind.

11. Lastumschalter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß Funkenstrecken mit Gas als Löschmedium verwendet sind.

12. Lastumschalter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Funkenstrecken in einem öldichten Gehäuse untergebracht sind.

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13. Lastumschalter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß spezielle Überspannungsschutzeinrichtungen nur den Dioden parallelpeschaltet sind, denen, solange sie an Spannung liegen, kein überschaltwiderstand parallel liegt.

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