Die Erfindung betrifft einen Stufenschalter mit Halbleiter-Schaltelementen zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen Wicklungsanzapfungen eines Stufentransformators. Dabei geht die Erfindung aus von einem Stufenschalter nach dem Prinzip eines Lastwählers.

Stufenschalter sind in verschiedenen Ausführungsformen bekannt; sie werden prinzipiell unterschieden in Lastwähler und Geräte mit getrenntem Wähler zur leistungslosen Anwahl der neuen Wicklungsanzapfung, auf die umgeschaltet werden soll und separatem Lastumschalter zur darauffolgenden eigentlichen Umschaltung. Einen guten Überblick über die verschiedenen Bauformen bietet die Publikation "Axel Krämer: On-Load Tap-Changers for Power Transformers", MR-Publikation 2000. Auf der dortigen Seite 7f sind die Besonderheiten erläutert.

Unabhängig von der Bauform verfügen alle Stufenschalter über eine gemeinsame Lastableitung, die unabhängig von der aktuellen Stellung des Stufenschalters eine Verbindung zum Transformator, in der Regel der Stammwicklung, herstellt.

Beispielsweise ist aus der WO 99/60588 ein Stufenschalter bekannt, der, wie nach dem Stand der Technik allgemein üblich, eine solche einzige Lastableitung enthält. Bei der bekannten Lösung ist diese Lastableitung als elektrisch leitender Ableitring ausgebildet, der eine Schaltsäule konzentrisch umfasst. Auf dem Ableitring schleift ein Teil einer Kontaktbrücke, deren anderer Teil den jeweiligen festen Stufenkontakt elektrisch kontaktiert.

Eine ganz ähnliche Anordnung eines Stufenschalters ist bereits aus der DE 38 33 126 A1 bekannt. Besonders die dortige Figur 4 zeigt eine durchgehende Ableitung, hier in schematischer linearer Darstellung.

Für Stufenschalter mit mechanischen Kontakten oder auch mit Vakuumschaltzellen als Schaltmittel sind diese durchgehenden Ableitringe oder, bei linearer Betätigung des Stufenschalters, auch Ableitschienen unproblematisch; sie ermöglichen einen konstruktiv einfachen Aufbau.

Für Stufenschalter mit Halbleiter-Schaltelementen hingegen ergeben sich verschiedene Nachteile. Durch das dauerhafte Anliegen der Betriebsspannung und die Beanspruchung der Leistungselektronik durch Blitzstoßspannung sind hohe isolationsabstände erforderlich, was unerwünscht ist. Weiterhin sind aufwändige Hochspannungsdurchführungen durch die Transformatorenwand notwendig. Insgesamt führen die bekannten Lastableitungen zu einer dauerhaften Belastung der leistungselektronischen Bauelemente.

EP 0 124 904 offenbart einen Stufenschaltes mit den Merkmalen des Oberbegriffs des ersten Patentanspruchs.

Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu beseitigen und einen Stufenschalter mit Halbleiter-Schaltelementen anzugeben, der die hohe Belastung dieser Schaltelemente vermeidet und im stationären Betrieb eine galvanische Trennung des Stufenschalters von der Transformatorenwicklung gewährleistet.

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

Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.

Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass im stationären Betrieb alle Verbindungsleitungen der leistungselektronischen Bauteile von der Transformatorenwicklung galvanisch getrennt sind. Die leistungselektronischen Bauteile sind somit zuverlässig von der Blitzstoßspannung als auch von der dauerhaften Beanspruchung mit der Betriebsspannung getrennt. Nur während der Umschaltphase, der eigentlichen Lastumschaltung also, besteht eine galvanische Verbindung mit der Transformatorenwicklung.

Die Erfindung soll nachstehend an Hand von Ausführungsbeispielen noch näher erläutert werden. Es zeigen:

Figur 1

einen erfindungsgemäßen Stufenschalter in schematischer Darstellung

Figur 2

eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stufenschatters

Figur 3

einen erfindungsgemäßen Stufenschalter in abweichender Beschaltung am Transformator

In Figur 1 ist ein Stufenschalter gezeigt, der einen leistungselektronischen Lastumschalter 1 aufweist. Dabei sind zwei Halbleiter-Schalter 2 und 3 vorgesehen, die jeweils einen elektrischen Eingang 4 bzw. 5 sowie einen gemeinsamen elektrischen Ausgang 6 aufweisen. Der Lastumschalter 1 besteht damit aus zwei Pfaden: Einem für die abschaltende Seite, einem für die übernehmende Seite, realisiert jeweils durch einen Halbleiter-Schalter 2 oder 3. Die elektrischen Eingänge 4, 5 sowie der elektrische Ausgang 6 sind mittels Durchführungen 7 in ein mechanisches Kontaktsystem 8 geführt.

Das mechanische Kontaktsystem 8 weist einen Kontaktschlitten 9 auf, der in der Figur lediglich durch eine Strichlinie angedeutet ist. Der Kontaktschlitten 9 weist Kontaktbrücken 10, 11, 12, 13 auf, die fest auf ihm angeordnet sind. Die Kontaktbrücken 10...13 sind elektrisch leitend, jedoch gegeneinander isoliert; sie besitzen an ihren Enden in der Figur nur angedeutete, an sich bekannte Kontaktrollen, Schleifanordnungen oder vergleichbare Mittel. Auf die Kontaktbrücken 10 bis 13 sowie eine zusätzlich angelenkte weitere Kontaktrolle 14 wird später detailliert noch eingegangen. Jeder der in der Figur 1 dargestellten Stufenkontakte 15 entspricht einer Wicklungsanzapfung n, n+1,...der Regelwicklung des Stufentransformators.

Weiterhin sind im mechanischen Kontaktsystem drei Kontaktschienen 16, 17, 18 vorgesehen, die jeweils elektrisch leitend sind und von denen jeweils eine mit dem elektrischen Eingang 4 bzw. dem elektrischen Eingang 5 bzw. dem elektrischen Ausgang 6 der Halbleiterschalter 2, 3 elektrisch in Verbindung stehen.

Erfindungsgemäß ist die Lastableitung geteilt, d. h. es ist keine aus dem Stand der Technik bekannte durchgehende Ableitschiene oder dergleichen vorgesehen. Statt dessen sind hier einzelne Ableitkontakte 19.1, 19.2, 19.3, 19.4, 19.5 angeordnet, die, in Bewegungsrichtung des Kontaktschlittens 9 gesehen, in ihrer Ausdehnung den festen Stufenkontakten 15 entsprechen. Mit anderen Worten: Lage und Dimensionierung der Ableitkontakte 19.1 bis 19.5 entspricht - in anderer horizontaler Ebene - Lage und Dimensionierung der festen Stufenschalterkontakte 15.

Bei der hier gezeigten Ausführungsform sind die Kontaktschienen 16 bis 18 und die einzelnen Ableitkontakte 19.1 bis 19.5 parallel zueinander geführt; der Kontaktschlitten 9 vollführt hierbei eine lineare, translatorische Bewegung zur Kontaktierung. Die einzelnen Ableitkontakte 19.1 bis 19.5 sind über eine elektrische Verbindung, eine Ableitung 20 miteinander verbunden und zur Stammwicklung 21 geführt. Die Ableitverbindung 20 kann sowohl innerhalb als auch außerhalb des Stufenschalters vorgenommen werden.

Die erste Kontaktbrücke 10 kann an ihrem einen freien Ende die Stufenschalterkontakte 15 beschalten, an ihrem anderen freien Ende läuft sie auf der Kontaktschiene 16, die mit dem Eingang 4 des ersten Halbleiterschalters 2 elektrisch verbunden ist. Die zweite Kontaktbrücke 11 kann an ihrem einen freien Ende ebenfalls die festen Stufenschalterkontakte 15 beschalten, an ihrem anderen freien Ende läuft sie auf der weiteren Kontaktschiene 17, die elektrisch mit dem Eingang 5 des zweiten Halbleiterschalters in Verbindung steht. Die dritte Kontaktbrücke 12 läuft mit ihrem einen freien Ende auf der Kontaktschiene 18, die mit dem gemeinsamen elektrischen Ausgang 6 des leistungselektronischen Leistungsschalters elektrisch verbunden ist. Ihr anderes freies Ende korrespondiert mit den Ableitkontakten 19.1 bis 19.5. Räumlich zwischen den beiden erläuterten Kontaktbrücken 10 und 11 ist die weitere Kontaktbrücke 13 vorgesehen, die Ableitkontaktbrücke, die an einem freien Ende mit den festen Stufenschalterkontakten 15 kontaktiert werden kann und mit ihrem anderen Ende mit den Ableitkontakten 19.1 bis 19.5 kontaktiert werden kann. Symmetrisch zur beschriebenen Kontaktbrücke 12 ist noch die Kontaktbrücke 14 angeordnet, die elektrisch mit der Kontaktbrücke 12 verbunden ist und ebenfalls die Ableitkontakte 19.1 bis 19.5 beschalten kann.

Es ist zu sehen, dass sowohl die Kontaktbrücke 12 und damit der gemeinsame Ausgang 6 des leistungselektronischen Lastumschalters als auch die Kontaktbrücke 13 mit einem der Ableitkontakte 19.1 bis 19.5 je nach Stellung des Schaltschlittens 9 elektrisch in Verbindung gebracht werden können. Im stationären Betrieb übernimmt die Kontaktbrücke 13 die direkte elektrische Verbindung zwischen dem jeweils beschalteten Stufenschalterkontakt 15 und dem jeweiligen Ableitkontakt; je nach Schaltstellung ist dieser einer der Ableitkontakte 19.1 bis 19.5. Die Kontaktbrücken 10 und 11, die zu den Eingängen des leistungselektronischen Lastumschalters 1 führen, sind hingegen nicht beschaltet; die Halbleiterschalter 2 und 3 sind freigeschaltet.

Bei einer Lastumschaltung wird der Kontaktschlitten 9 nach links oder rechts bewegt - je nach dem, ob in Richtung "höher" oder "tiefer" geschaltet werden soll. In der Folge läuft einer der beiden Kontaktbrücken 10 oder 11 auf den neu zu beschaltenden Stufenschalterkontakt 15 auf und stellt damit eine elektrische Verbindung zum entsprechenden Eingang 4 oder 5 des jeweiligen Halbleiterschalters 2 oder 3 her. Gleichzeitig gerät die Kontaktbrücke 13 außer Kontakt mit einem der festen Stufenschalterkontakte 15.

Die Umschaltung ist abgeschlossen, wenn der Kontaktschlitten 9 soweit weiter bewegt worden ist, dass die Kontaktbrücken 10 und 11 beider wieder außer Eingriff gelangt sind und die Kontaktbrücke 13 wieder die Dauerstromführung übernommen hat.

Figur 2 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung mit einer kreisförmigen Anordnung. Auch hier sind Halbleiter-Schalter 2 und 3 vorgesehen, die jeweils einen separaten elektrischen Eingang 4 bzw. 5 und einen gemeinsamen elektrischen Ausgang 6 aufweisen. Hierbei sind Kontaktrollen 22, 23, 24 vorgesehen, die jeweils auf einem Kontaktring 25, 26, 27 laufen. Diese Kontaktringe 25 bis 27 entsprechen von ihrer Funktion her den Kontaktschienen 16 bis 18 aus Figur 1. Auf einem konzentrischen Kreis sind hier die festen Stufenschalterkontakte 15 vorgesehen. Dargestellt ist die zentrische Schaltwelle 28. Weiterhin sind hier Ableitkontakte 19.1 bis 19.3 gezeigt. Diese Ableitkontakte 19.1 bis 19.3 sind in einer anderen horizontalen Ebene als die festen Stufenschalterkontakte 14 angeordnet. Sie weisen jedoch die gleiche Kontaktgeometrie wie auch vertikale Anordnung auf wie die festen Stufenschalterkontakte 15.

Weiterhin ist ein nur durch eine Strichlinie angedeutetes Schaltsegment 29 aus isolierendem Material vorgesehen, das zur Lastumschaltung durch die Schaltwelle 28 um einen Winkel drehbar ist, der dem Abstand zwischen zwei festen Stufenschalterkontakten 14 bzw. zwei Ableitkontakten 19.1...19.3 entspricht. Auf dem Schaltsegment 29 sind in einer ersten horizontalen Ebene Kontaktrollen 30, 31, 32 vorgesehen, die mit den festen Stufenschalterkontakten 15 kontaktierbar sind. Weiterhin sind in einer zweiten horizontalen Ebene weitere Kontaktrollen 33, 34, 35 vorgesehen, die je nach Stellung des Schaltsegmentes mit einem der Ableitkontakte 19.1 bis 19.3 kontaktierbar sind. Die Kontaktrolle 30 steht über den Kontaktring 25 mit dem Eingang 4 des ersten Halbleiter-Schalters 2 elektrisch in Verbindung. Die Kontaktrolle 32 steht über den Kontaktring 26 mit dem Eingang 5 des zweiten Halbleiter-Schalters 3 elektrisch in Verbindung. Die unteren Kontaktrollen 33 und 35 stehen beide über den Kontaktring 27 mit dem gemeinsamen Ausgang 6 der beiden Halbleiter-Schalter 2 und 3 in Verbindung. Obere Kontaktrolle 31 und untere Kontaktrolle 34 schließlich besitzen eine elektrisch leitende Verbindung 36, derart, dass die Kontaktrolle 31, die räumlich zwischen den Kontaktrollen 30 und 32 angeordnet ist, direkt über die untere Kontaktrolle 34 - stellungsabhängig - mit einem der Ableitkontakte 19.1 bis 19.3 verbunden werden kann.

Wie erläutert, vollzieht bei dieser Ausführungsform der Erfindung das Schaltsegment 29 und mit ihm die Kontaktrollen 30 bis 35 bei jeder Lastumschaltung eine Drehbewegung.

Das Funktionsprinzip ist jedoch dasselbe: Im stationären Betrieb ist der jeweils geschaltete feste Stufenschalterkontakt 15 direkt mit einem der Ableitkontakte 19.1 bis 19.3 über die Kontaktrolle 34 elektrisch verbunden, während die Halbleiter-Schalter 2 und 3 nicht nur freigeschaltet, sondern auch galvanisch von der Transformatorenwicklung getrennt sind. Nur bei einer Umschaltung wird, drehrichtungsabhängig, jeweils einer der beiden Eingänge 4 oder 5 des leistungselektronischen Lastumschalters mittels der zugeordneten Kontaktrolle 30 bzw. 32 kurz mit dem jeweiligen festen Stufenschalterkontakt 15, auf den umgeschaltet werden soll, verbunden. Gleichzeitig übernimmt dann, d. h. nur während der Umschaltung, drehrichtungsabhängig eine der Kontaktrollen 33 oder 35 die elektrische Verbindung zu einem der Ableitkontakte 19.1 bis 19.3.

Figur 3 zeigt eine veränderte Beschaltung des erfindungsgemäßen Stufenschalters an den Transformator. Hier ist im Transformator noch ein an sich bekannter leistungslos schaltender Umsteller 37 vorgesehen. Mittels dieses Umstellers 37 können Wicklungsteile 38 und 39 des Transformators zur Erhöhung der insgesamt verfügbaren Zahl von Spannungsstufen unterschiedlich geschaltet werden.

In allen Ausführungsformen weist der beschriebene erfindungsgemäße Stufenschalter gegenüber dem Stand der Technik den großen Vorteil auf, dass alle Verbindungsleitungen zu und vom leistungselektronischen Lastumschalter von der Transformatorenwicklung galvanisch getrennt sind. Die Ölstrecken zwischen den einzelnen Kontaktbrücken und den einzelnen Kontaktstücken übernehmen dabei die Isolation zwischen diesen Bauteilen. Der leistungselektronische Lastumschalter ist bei der Erfindung somit sowohl der Blitzstoßspannung als auch von der dauerhaften Beanspruchung mit der Betriebsspannung getrennt. Nur während der eigentlichen Lastumschaltung, einer Umschaltphase im Zeitbereich von etwa 100 ms, besteht eine galvanische Verbindung mit der Transformatorenwicklung und liegt somit die Betriebsspannung an. Die Isolation der Durchführungen 7 sowie die Isolationsabstände in Luft können gegenüber dem Stand der Technik entsprechend geringer ausgeführt werden.