STUFENSCHALTER UND VAKUUMSCHALTRÖHRE FÜR EINEN SOLCHEN STUFENSCHALTER

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Stufenschalter mit Vakuumschaltröhren zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen Wicklungsanzapfungen eines Stufentransformators.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine für einen solchen Stufenschalter besonders geeignete neuartige Vakuumschaltröhre.

[0002] Aus der DE 20 21 575 ist ein Stufenschalter bekannt, der insgesamt vier Vakuumschaltröhren pro Phase aufweist. In jedem der beiden Lastzweige sind jeweils eine Vakuumschaltröhre als Hauptkontakt und jeweils eine weitere Vakuumschaltröhre, in Reihenschaltung mit einem Überschaltwiderstand, als Widerstandskontakt vorgesehen.
Bei einer unterbrechungslosen Lastumschaltung von der bisherigen Wicklungsanzapfung n auf eine neue, vorgewählte Wicklungsanzapfung n+1 wird zunächst der Hauptkontakt der abschaltenden Seite geöffnet, darauf schließt der Widerstandskontakt der übernehmenden Seite, so dass zwischen den beiden Stufen n und n+1 ein durch die Überschaltwiderstände begrenzter Ausgleichsstrom fließt. Nachdem der bisher geschlossene Widerstandskontakt der abschaltenden Seite geöffnet hat, schließt dann der Hauptkontakt der übernehmenden Seite, so dass der gesamte Laststrom von der neuen Wicklungsanzapfung n+1 zur Lastableitung führt; die Umschaltung ist beendet.
In der DE 10 2009 048 813 ist ein weiterer Stufenschalter beschrieben, bei dem zusätzlich zwischen der elektrischen Verbindung der beiden Vakuumschaltröhren jedes Lastzweiges und der Lastableitung noch mechanische Schaltelemente vorgesehen sind.

[0003] Die bekannten Stufenschalter benötigen vier separate Vakuumschaltröhren pro Phase.
Nachteilig ist zunächst einmal der hohe Platzbedarf für diese Vakuumschaltröhren selbst sowie die dazugehörige Betätigungsmechanik. Zudem sind, bedingt durch den hohen Bauteileaufwand, solche bekannte Konstruktionen relativ teuer.

[0004] Aufgabe der Erfindung ist es, einen Stufenschalter anzugeben, der bei gleicher Funktionalität einfacher aufgebaut ist, bei dem die Schaltelemente weniger Platz benötigen, weiterhin preiswerter sind.
Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vakuumschaltröhre anzugeben, die besonders vorteilhaft für einen solchen weiter entwickelten Stufenschalter verwendbar ist.

[0005] Dem erfindungsgemäßen Stufenschalter liegt die allgemeine Idee zugrunde, die beiden Vakuumschaltröhren in jedem Lastzweig zu einer einzigen Vakuumschaltröhre zu vereinigen.

[0006] Der erfindungsgemäßen Vakuumschaltröhre liegt darüber hinaus die allgemeine Idee zugrunde, durch die Kombination einer Bauform einer Röhre mit zwei beweglichen Kontaktsystemen die Funktionalität von zwei baugleichen Röhren bei einem Stufenschalter zu kombinieren. Dabei ist die neuartige Vakuumschaltröhre einfach aufgebaut; sie besitzt insbesondere keine innenliegenden Kontaktdruckfedern oder Gleitkontakte.

[0007] Vakuumschaltröhren mit zwei Kontaktstellen sind an sich bereits bekannt.
Die DE 3344367 betrifft eine Vakuumschaltröhre mit zwei elektrisch in Reihe geschalteten Kontaktpaaren in einem einzigen Vakuumraum, die gleichzeitig betätigbar sind.
Die DE 197 56 308 C1 betrifft eine ähnliche Vakuumschaltröhre mit zwei auf einer gemeinsamen Achse angeordneten Schaltstrecken, wobei innenliegende Kontaktdruckfedern vorgesehen sind.
Die EP 0 258 614 B1 beschreibt die Kombination einer Vakuumschaltröhre und einer spezifischen Beschaltung an einem Stufenschalter. Hierbei sind mehrere Schaltstrecken in einem Vakuumraum angeordnet, was einen komplizierten Aufbau der Vakuumschaltröhre mit ringförmigen Festkontakten bedingt.
Die DE 10 2006 033 422 B3 schließlich beschreibt eine weitere Vakuumschaltröhre mit mehrfacher Funktionalität, wobei auch hier sowohl ringförmige Festkontakte als auch innenliegende Kontaktdruckfedern erforderlich sind.
Keine dieser bekannten Lösungen ist für einen erfindungsgemäßen Stufenschalter geeignet.

[0008] Nach einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vakuumschaltröhre werden die geometrischen Dimensionierungen der beiden separaten Kontaktsysteme an die elektrischen Gegebenheiten der dem Stufenschalter zu Grunde liegenden Schaltung angepasst, insbesondere, ob das separate Kontaktsystem als Haupt- oder Hilfskontakt verwendet wird. Hierfür wird beispielweise der Durchmessers des Gehäuses oder auch der Hub des Stößels des jeweiligen separaten Kontaktsystems geometrisch gezielt variiert. Mit anderen Worten: Es werden die beiden separaten Kontaktsysteme der einen gemeinesamen Vakuumschaltröhre nicht identisch ausgeführt, sondern durch eine unterschiedliche geometrische Dimensionierung an die elektrischen Gegebenheiten des Stufenschalters angepasst. Die allgemeine erfindungsgemäße Idee der vorliegenden Vakuumschaltröhre ist es, wie erläutert, durch die Kombination einer Bauform einer Röhre mit zwei beweglichen Kontaktsystemen die Funktionalität von zwei baugleichen Röhren bei einem Stufenschalter zu kombinieren. Wie weiter oben auch beschrieben, benötigt dabei jedoch nicht jedes der beweglichen Kontaktsysteme dieselben elektrischen Eigenschaften, da die Kontaktsysteme unterschiedliche Schaltungsaufgabe innerhalb der Schaltsequenz des Stufenschalters erfüllen. Ganz allgemein bedeutet dabei eine geometrisch größere Dimensionierung eines Kontaktsystems, größere dielektrische Abstände im Inneren der Vakuumschaltröhre. Diesen Zusammenhang nutz dabei die vorliegende Ausführungsform auf besonders einfache Weise, indem es die separaten Kontaktsysteme in ihrer geometrischen Gestaltung an die jeweiligen elektrischen Randbedingungen der dem Stufenschalter zu Grunde liegenden Schaltung anpasst.

[0009] Die Erfindung soll nachfolgend beispielhaft an Hand von Zeichnungen noch näher erläutert werden.

[0010] Es zeigen:

Figur 1

einen Stufenschalter nach dem Stand der Technik

Figur 2

eine Umschaltsequenz eines solchen bekannten Stufenschalters

Figur 3

einen erfindungsgemäßen Stufenschalter mit kombinierter, einziger Vakuumschaltröhre in jedem Lastzweig

Figur 4

einen weiteren erfindungsgemäßen Stufenschalter mit kombinierter, einziger Vakuumschaltröhre in jedem Lastzweig, der zusätzliche mechanische Kontakte aufweist

Figur 5

eine erfindungsgemäße Vakuumschaltröhre

Figur 6

eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vakuumschaltröhre.

[0011] In Figur 1 ist ein bekannter Stufenschalter gezeigt. Er weist einen ersten Lastzweig auf, in dem sich eine als Hauptkontakt wirkende Vakuumschaltröhre MSV_a sowie parallel dazu ein Überschaltwiderstand R_a sowie eine als Widerstandskontakt wirkende Vakuumschaltröhre TTV_a befinden. Der zweite Lastzweig besitzt ganz analog eine Vakuumschaltröhre MSV_b sowie parallel dazu einen weiteren Überschaltwiderstand R_b und eine Vakuumschaltröhre TTV_b. Der bekannte Stufenschalter besitzt also zwei Vakuumschaltzellen pro Lastzweig, mithin vier Vakuumschaltzellen pro Phase insgesamt.

[0012] Figur 2 zeigt die Schaltsequenz eines solchen bekannten Stufenschalters bei der Umschaltung von der Wicklungsanzapfung n auf die Wicklungsanzapfung n+1. Die Ausgangslage, bei der die Anzapfung n beschaltet ist, entspricht der in Figur 1 dargestellten Stellung der einzelnen Schaltelemente. Die Umschaltung erfolgt in folgenden Schritten:

• MSV_a öffnet
• TTV_b schließt
• TTV_a öffnet
• MSV_b schließt; die Umschaltung ist abgeschlossen.

[0013] Figur 3 zeigt eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stufenschalters. Hier ist - durch eine doppelte Umrahmung - schematisch dargestellt, dass die bisher separaten, parallel angeordneten Vakuumschaltzellen des einen Lastzweiges zu einer ersten Vakuumschaltröhre Va und die bisher separaten, parallel angeordneten Vakuumschaltzellen des anderen Lastzweiges zu einer zweiten Vakuumschaltröhre Vb zusammengefasst sind.
Die erfindungsgemäß zusammengefassten Vakuumschaltröhren werden weiter unten noch näher erläutert.
Anzumerken ist hier, dass diese erfindungsgemäße Zusammenfassung der Funktionalität bisher separater Vakuumschaltröhren nicht an eine spezielle Schaltung gebunden ist; sie ist immer dann möglich, wenn zwei oder mehr Vakuumschaltröhren in einem Lastzweig vorgesehen sind.

[0014] Figur 4 zeigt daher eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stufenschalters mit einer weiterentwickelten Schaltung.
Dabei ist zusätzlich zwischen der elektrischen Verbindung der erfindungsgemäßen ersten Vakuumschaltröhre Va (als Ersatz für die separaten Röhren MSV_a und TTV_a nach dem Stand der Technik) und der Lastableitung LA ein erster mechanischer Schalter MDC_a vorgesehen. Ganz analog ist zwischen der elektrischen Verbindung der erfindungsgemäßen zweiten Vakuumschaltröhre Vb (als Ersatz für die separaten Röhren TTV_b und MSV_b nach dem Stand der Technik) des anderen Lastzweiges und der Lastableitung ein weiteres mechanisches Schaltelement MDC_b vorgesehen. Beide mechanischen Schaltelemente MDC_a, MDC_b sind hier beispielhaft als Trennschalter ausgebildet; sie dienen nicht der Kommutierung, sondern zur Freischaltung, d. h. der galvanischen Trennung des nicht den Laststrom führenden Lastzweiges.

[0015] Es ist im Rahmen der Erfindung beispielsweise bei einem Stufenschalter mit vier separaten Vakuumschaltzellen pro Phase - solche Schaltungen existieren im Stand der Technik - auch möglich, jeweils zwei davon durch eine erfindungsgemäß zusammengefasste Vakuumschaltröhre zu ersetzen.

[0016] Figur 5 zeigt eine erfindungsgemäß zusammengefasste Vakuumschaltröhre.
Sie weist zwei separate Kontaktsysteme I und II auf, die beidseitig einer Symmetrieachse s2 in Querrichtung der Vakuumschaltröhre angeordnet sind.
Dabei ist ein gemeinsames, die gesamte Vakuumschaltröhre umschließendes Gehäuse 1 vorgesehen. Zentrisch in der rotationssymmetrischen Längsachse s1 sind ein oberer Stößel 2 und am entgegengesetzten Ende ein unterer Stößel 3 vorgesehen, die im Inneren des Gehäuses 1 auf an sich bekannte Weise bewegliche Kontaktstücke 4, 5 tragen. Beide Kontaktstücke 4, 5 können separat und unabhängig voneinander durch Betätigung des Stößels 2 oder 3 mit einem gemeinsamen feststehenden Kontakt 6 in Verbindung gebracht werden. Die bekannten Kontaktfedern, die mit den Stößeln zusammenwirken, sind hier aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt.
Dargestellt sind jedoch oberer Balg 7 und unterer Balg 8, die gleich oder auch unterschiedlich ausgebildet sein können. Dargestellt sind hier noch obere und untere Keramik 9, 10 sowie im Inneren oberer und unterer Dampfschirm 11, 12.

[0017] Figur 6 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vakuumschaltröhre, bei der die Kontaktsysteme I und II durch ihre unterschiedlich geometrische Dimensionierung an die stufenschalterspezifischen elektrischen Gegebenheiten angepasst sind. Es werden in der Darstellung der Figur 6 gleiche Bezugszeichen für identische Bauteile wie in Figur 5 verwendet. Da deren Funktionalitäten bereits in der Beschreibung zu Figur 5 näher erläutert wurden, wird in den Ausführungen zu Figur 6 nur mehr auf die Unterschiede beider Ausführungsformen eingegangen. Im Gegensatz zu Figur 5 sind die Kontaktsysteme I und II und die in dem entsprechenden Kontaktsystem I oder II befindlichen Bauteile unterschiedlich groß dimensioniert und dabei das Gehäuse 1 an diese geometrische Dimensionierung angepasst, indem die Vakuumschaltröhre einen ersten, größeren Gehäuseteil 13 und einen zweiten, kleineren, Gehäuseteil 14 aufweist.

[0018] Insgesamt werden beim erfindungsgemäßen Stufenschalter mehrere Vorteile erreicht: Die Zahl der notwendigen Vakuumschaltröhren wird de facto halbiert; entsprechend geringer ist der notwendige Platzbedarf für diese Schaltelemente. Die Kosten sinken ebenfalls. Dies wird durch die erfindungsgemäße verwendete Vakuumschaltröhre erreicht, die als "Tandemröhre" ausgebildet ist und zwei separate Kontaktsysteme enthält.
Dabei ist die erfindungsgemäße Vakuumschaltröhre einfach aufgebaut; im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen benötigt sie weder innerliegende Kontaktdruckfedern noch komplizierte Betätigungsmechanismen oder spezielle, filigrane Kontaktausbildungen z.B. in Ringform.

Ansprüche

1. Stufenschalter zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen Wicklungsanzapfungen eines Stufentransformators,
wobei für jede zu schaltende Phase zwei Lastzweige vorgesehen sind,
wobei jeder Lastzweig einen als Hauptkontakt (MSVa, MSVb) wirkenden Vakuumschaltkontakt und parallel
dazu mindestens eine Reihenschaltung aus einem Überschaltwiderstand (Ra, Rb) und jeweils einem
weiteren Vakuumschaltkontakt (TTVa, TTVb) aufweist und wobei beide Lastzweige mit einer gemeinsamen Lastableitung (LA) verbunden sind oder
mittels mechanischer Schaltelemente (MDCa, MDCb) verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet,
dass jeweils mindestens zwei Vakuumschaltkontakte jedes Lastzweiges baulich zu einer einzigen Vakuumschaltröhre (Va, Vb) mit zwei separaten, unabhängig voneinander betätigbaren beweglichen Kontakten (4, 5) und einem gemeinsamen festen Kontakt (6) vereinigt sind
und dass der gemeinsame feste Kontakt (6) mit der gemeinsamen Lastableitung (LA) verbunden ist oder mittels mechanischer Schaltelemente (MDC_a, MDC_b) verbindbar ist.

2. Stufenschalter nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass in jedem Lastzweig genau eine Reihenschaltung aus einem Überschaltwiderstand und einem weiteren Vakuumschaltkontakt vorgesehen ist
und dass der eine Vakuumschaltkontakt und der eine weitere Vakuumschaltkontakt jedes Lastzweiges in jeweils einer Vakuumschaltröhre (Va, Vb) vereinigt sind.

3. Vakuumschaltröhre für einen Stufenschalter nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass in einem gemeinsamen Gehäuse (1) spiegelsymmetrisch zwei separate, getrennt betätigbare bewegliche Kontakte (4, 5) vorhanden sind,
dass die beweglichen Kontakte (4, 5) durch an entgegengesetzten Seiten der Längsachse (s1) der Vakuumschaltröhre angeordnete Stößel (2, 3) betätigbar sind,
und dass beide bewegliche Kontakte (4, 5) mit einem einzigen festen Kontakt (6) beschaltbar sind.

4. Vakuumschaltröhre nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass jeweils einer der beweglichen Kontakte (4 oder 5) gemeinsam mit einem ihn umschließenden Dampfschirm (11 oder 12) ein Kontaktsystem (I, II) in einer separaten Schaltkammer bildet
und dass die beiden Kontaktsysteme (I, II) und damit die beiden Schaltkammern sich spiegelsymmetrisch, um eine Symmetrieachse (s2) senkrecht zur rotationssymmetrischen Längsachse (s1) der Vakuumschaltröhre gespiegelt, gegenüberliegen.

5. Vakuumschaltröhre nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass jeder der beiden Stößel (2, 3) von einem abdichtenden Balg (7, 8) umgeben ist.

6. Vakuumschaltröhre nach einem der Ansprüche 3 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass die beiden Kontaktsysteme I und II geometrisch unterschiedlich groß dimensioniert sind, derart, dass diese jeweils an die elektrischen Randbedingungen des Stufenschalters angepasst sind, in dem die Vakuumschaltröhre verbaut ist.

Claims

1. Tap changer for uninterrupted switching over between winding taps of a tapped transformer,
wherein two load branches are provided for each phase to be switched,
wherein each load branch comprises a vacuum switching contact acting as main contact and parallel thereto at least one series connection of a switch-over resistance and a respective further vacuum switching contact and
wherein the two load branches are connected with a common load shunt or connectible by means of mechanical switching elements,
characterised in that
in each instance at least two vacuum switching contacts of each load branch are constructionally combined to form a single vacuum switching tube (Va, Vb) with two separate movable contacts (4, 5), which are actuable independently of one another, and a common fixed contact (6) and
the common fixed contact (6) is connected with the common load shunt (LA) or connectible by means of mechanical switching contacts (MDC_a, MDC_b).

2. Tap changer according to claim 1, characterised in that exactly one series connection of a switch-over resistance and a further vacuum switching contact is provided in each load branch and that the one vacuum switching contact and the one further vacuum switching contact of each load branch are combined to form a respective vacuum switching tube (Va, Vb).

3. Vacuum switching tube for a tap changer according to claim 1 or 2, characterised in that two separate and independently actuable movable contacts (4, 5) are present in mirror symmetry in a common housing (1),
that the movable contacts (4, 5) are actuable by plungers (2, 3) at opposite sides of the longitudinal axis (s1) of the vacuum switching tube and
that the two movable contacts (4, 5) are electrically connectible with a single fixed contact (6).

4. Vacuum switching tube according to claim 3, characterised in that in each instance one of the movable contacts (4 or 5) forms in common with an attenuating screen (11 or 12), which encloses it, a contact system (I, II) in a separate switching chamber and
that the two contact systems (I, II) and therewith the two switching chambers are disposed opposed opposite one another mirrored in mirror symmetry about an axis of symmetry (s2) perpendicularly to the rotationally symmetrical longitudinal axis (s1) of the vacuum switching tube.

5. Vacuum switching tube according to claim 3 or 4, characterised in that each of the two plungers (2, 3) is surrounded by a sealing bellows (7, 8).

6. Vacuum switching tube according to any one of claims 3 to 6, characterised in that the two contact systems (I and II) are dimensioned to be of geometrically different size in such a manner that these are respectively adapted to the electrical boundary conditions of the tap changer in which the vacuum switching tube is installed.

Revendications

1. Commutateur à gradins pour effectuer une commutation sans interruption entre des prises d'enroulement d'un transformateur à gradins, dans lequel
pour chacune des phases à commuter il est prévu deux branches de charge,
chaque branche de charge comporte un contact de commutation à vide agissant en tant que contact principal (MSVa, MSVb), et parallèlement à celui-ci au moins un montage en série d'une résistance de passage (Ra, Rb) et d'un autre contact de commutation à vide respectif (TTVa, TTVb), et
les deux branches de charge sont reliées à une dérivation de charge commune (LA), ou peuvent être reliées au moyen d'éléments de commutation mécanique (MDCa, MDCb),
caractérisé en ce qu'
au moins deux contacts de commutation à vide respectifs de chaque branche de charge sont rassemblés du point de vue de la construction en un seul tube de commutation à vide (Va, Vb) avec deux contacts (4, 5) mobiles séparés pouvant être actionnés indépendamment l'un de l'autre et un contact fixe commun (6), et
le contact fixe commun (6) est relié à la dérivation de charge commune (LA) ou peut être relié au moyen d'éléments de commutation mécaniques (MDCa, MDCb).

2. Commutateur à gradins conforme à la revendication 1,
caractérisé en ce que
dans chaque branche de charge il est prévu exactement un montage en série d'une résistance de passage et d'un autre contact de commutation à vide, et
l'un des contact de commutation à vide et l'un des autres contacts de commutation à vide de chaque branche de charge sont rassemblés en un tube de commutation à vide (Va, Vb) respectif.

3. Tube de commutation à vide destiné à un commutateur à gradins conforme à la revendication 1 ou 2,
caractérisé en ce que
dans un boitier commun (1) sont montés symétriquement à un plan deux contacts mobiles (4, 5) séparés pouvant être actionnés séparément,
les contacts mobiles (4, 5) peuvent être actionnés par des coulisseaux (2, 3) situés sur des côtés opposés de l'axe longitudinal (s1) du tube de commutation à vide, et
les deux contacts mobiles (4, 5) peuvent être commutés par un seul contact fixe (6).

4. Tube de commutation à vide conforme à la revendication 3,
caractérisé en ce que
l'un des contacts mobiles respectifs (4 ou 5) forme en commun avec un écran d'amortissement (11 ou 12) qui l'entoure un système de contact (I, II) dans une chambre de commutation séparée, et
les deux systèmes de contact (I, II) et par suite les deux chambres de contact sont situés à l'opposé symétriquement par rapport à un plan en étant réfléchis autour d'un axe de symétrie (s2) perpendiculairement à l'axe longitudinal (s1) présentant une symétrie de rotation, du tube de commutation à vide.

5. Tube de commutation à vide conforme à la revendication 3 ou 4,
caractérisé en ce que
chacun des deux coulisseaux (2, 3) est entouré par un soufflet d'étanchéité (7, 8).

6. Tube de commutation à vide conforme à l'une des revendications 3 à 6,
caractérisé en ce que
les deux systèmes de contact I et II sont géométriquement dimensionnés à des dimensions différentes de sorte que ceux-ci soient respectivement adaptés aux conditions électriques aux limites du commutateur à gradins dans lequel est monté le tube de commutation à vide.

Zeichnung