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Sicherungseinrichtung gegen Überlastung von Spannungsteilern beiStufentransformatoren, insbesondere für elektrische Triebfahrzeuge
Stufentransformatoren zur Erzeugung regelbarer Spannungen, beispielsweise für den Betrieb elektrischer Triebfahrzeuge, werden in Verbindung mit sogenannten Spannungsteiler-oder Stromteilerdrosselspulen verwendet, die einerseits für das möglichst stetige Überschalten von einer Spannungsstufe zur anderen notwendig sind, anderseits auch die Parallelschaltung mehrerer Schaltorgane und damit deren strommässige Entlastung gestatten. Die eigentliche technische Funktion der Spannungsteiler bei derartigen Anordnungen besteht darin, bei der gleichzeitigen Anschaltung mehrerer Schaltorgane an Trafoanzapfungen verschiedenen Potentials direkte Kurzschlüsse zwischen diesen Anzapfungen zu verhindern.
Im allgemeinen sind die Spannungsteiler als einphasige Drosselspulen so geschaltet, dass an ihren Aussenklemmen bei den betriebsmässigen Schalterstellungen höchstens eine
Spannungsdifferenz gleich der Potentialdifferenz zweier benachbarter Trafoanzapfungen auftritt, wodurch ihr verhältnismässig geringer Magneti- sierungsstrom und ihre kleine Typenleistung bedingt ist. Die Betriebsströme fliessen von den
Aussenklemmen zu einer in der Mitte der Drossel- wicklung gelegenen Abführungsklemme durch, derart, dass bei gleicher Grösse der Teilströme eine magnetisierende Wirkung nicht auftritt. Bei gleichzeitiger Einschaltung von mehr als zwei Schaltorganen werden mehr als eine Teilerdrossel in geeigneten Kombinationen angewendet.
Erfolgt die Betätigung der Schaltorgane des Stufentrafos nicht in mechanisch zwangläufiger Abhängigkeit voneinander, was beispielsweise bei Einzelschützensteuerungen zutrifft, dann müssen zur Verhütung von Fehlschaltungen gewisse Verriegelungen an den Betätigungen dieser Schütze vorgesehen werden, die zwangläufig diese Fehlschaltungen ganz oder teilweise bis zu einem relativ unschädlichen Mass verhindern. Unter Fehlschaltungen hat man dabei alle Gruppierungen der Schaltorgane zu verstehen, die von den konstruktiv vorgesehenen aus irgend welchen Gründen abweichen. Solche Fehlschaltüngen entstehen dann, wenn Schaltorgans im Verlaufe der Schaltungsänderungen nicht ausschalten, z.
B. mecha- nisch hängen bleiben, oder aber nicht einschalten, obzwar das Schaltkommando dazu erfolgt ist. Wenn Verriegelungen auf elektrischem Wege durch Hilfskontakte am Gestänge der Schaltorgane bewirkt werden, erhalten ie bei einer grösseren Anzahl von Schaltstufen und damit von Schaltorganen einen bedeutenden Umfang, wenn sie wirklich alle möglichen Fehlschaltungen verhüten sollen, also sogenannte vollständige Verriegelungen sind. Mechanische Verriegelungen können zwar alle Fehlschaltungen ausschliessen, verlangen jedoch bestimmte räumliche Lagen der
Schaltorgane zueinander, was ihren Anwendungsbereich stark einschränkt.
Zur Verhinderung der bösesten Folge von Fehlschaltungen, nämlich von unmittelbaren Kurzschlüssen zwischen Transformatoranzapfungen verschiedenen Potentials genügt es aber, nur solche Einzelschaltorgane elektrisch gegenseitig zu verriegeln, welche bei gleichzeitiger Einschaltung diese Kurzschli sse herstellen würden.
Bei dieser häufig verwendeten Anordnung, die nur wenig Hilfskontakte erfordert, besteht aber immer noch die Möglichkeit des Auftretens höherer Potentialdifferenzen an den Spannungs- teilerdrosseln dann, wenn in der Schaltfolge ein oder mehrere Schaltorgane nicht ordnungsgemäss
Kontakt geben. Die Folge solcher Schalt- störungen sind thermische Schäden an den Spannungsteilerdrosseln, wenn sie längere Zeit unbemerkt bleiben. Anzeigeeinrichtungen für derartige Störungen sind bekannt und ausgeführt worden. Sie haben aber den Nachteil, dass sie mit oder ohne Absicht übersehen oder nicht beachtet werden können.
Es ist in der deutschen Patentschrift Nr. 561053 auch schon eine Verriegelungseinrichtung beschrieben worden, die mit dem Fahrschalter mechanisch gekoppelt ist, und entweder so ausgebildet ist, dass sie ein hängengebliebenes Schütz gewaltsam öffnet oder so, dass der Fahrschalter durch ein solches hängengebliebenes Schütz an der Weiterdrehung verhindert wird.
Eine solche mechanische Verriegelung beschränkt einerseits, wie oben erwähnt, die Freizügigkeit in der räumlichen Anordnung der Schütze und bewirkt anderseits keine Sperrung, wenn der Fehler darin besteht, dass Schütze, trotzdem sie vom
Fahrschalter den Einschaltbefehl erhalten, ausgeschaltet bleiben.
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steuerung zu verbessern, die mit einer an sich bekannten elektrischen Grundverriegelung versehen ist, welche das gleichzeitige Einschalten feindlicher Schütze oder Einzelleistungsschalter erhindert.
Der Schutz dagegen, dass ein oder mehrere Leistungsschalter nicht ordnungsgemäss einschalten, wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass der Steuerschalter für die fernbetätigten Leistungsschalter mit einer Sperrvorrichtung versehen ist, die nur bei Eingeschaltetsein sämtlicher der jeweils eingestellten Schaltstufe angehörenden Einzelschalter auf elektrischem Wege ausser Wirkung gebracht wird, sonst aber die Weiterbewegung des Steuerschalters in Richtung einer Spannungserhöhung verhindert oder diesen in seiner jeweiligen Stellung blockiert.
Es erfolgt also die Überwachung des Einschaltens mittels einer elektrisch gesteuerten Sperreinrichtung, die aber zusammen mit der an sich bekannten, durch Hilfskontakte bewirkten Grundverriegelung feindlicher Schütze mittelbar auch eine Überwachung des Ausschaltens ergibt, da ja diese Verriegelung bei fehlerhaftem Nichtausschalten eines Schützes die Einschaltung eines bestimmten anderen Schützes verhindert. Der durch die Erfindung erzielbare Schutz ist also sehr weitgehend. Dabei wird eine Sperreinrichtung verwendet, die im Gegensatz zu der bekannten mit den einzelnen Schützen nicht mechanisch zusammenarbeitet und daher auch in konstruktiver Hinsicht weit vorteilhafter ist.
Eine beispielsweise Ausführung der Erfindung ist in Fig. l schematisch dargestellt, u. zw. hier angewendet auf eine aus 16 Schaltschützen L bis L16 bestehende Anordnung etwa zur Speisung der Fahrmotoren eines Elektrofahrzeuges mit variabler Spannung aus einem Stufentransformator T, welche mit Steuerhilfsströmen über einen
Steuerschalter a elektromagnetisch betätigt werden. Fig. 2 stellt das Schema der Haupt- stromkreise über die Schützen mit dem Stufen-
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trohydraulisch geschlossen.
Ausgehend von dem Zustand, dass aufeine Schaltstufe vier bzw. allgemeiner 2n im Weiterschaltsinn aufeinanderfolgende Schützen bei erregten Schützspulen ordnungsgemäss eingeschaltet sind, können beim Weiterschalten zwei Störungsfälle auftreten. Es bleibt nämlich entweder das Schütz, welches ausschalten soll, eingeschaltet, oder, s schaltet jenes Schütz, welches dazugeschaltet werden soll, aus irgend einem Grund nicht ein.
Erfindungsgemäss werden in beiden Fällen die daraus insbesondere beim Fortsetzen des Weiter-
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mittels einer nachstehend beschriebenen elektromagnetisch betätigten Einrichtung gesperrt wird. Vorbedingung dieser erfindungsmässigen Anordnung ist das Vorhandensein einer Verriegelung jedes Schützes zumindest mit dem nach oben und dem nach unten zunächstliegenden feindlichen Schütz, d. h. der Stromkreis jeder Schützspule ist über Ruhehilfskontakte zumindest jener beiden nächstliegenden Schützen, welche einen direkten Kurzschluss zweier Trafoanzapfungen verschiedenen Potentials durch gleichzeitiges Eingeschaltetsein herbeiführen können, geführt. Solche feindliche Schützen sind im Beispiel der Fig. 1 solche mit den Ordnungsnummem 1-5- 9-13, oder 2-6-10-14 usw.
Allgemein lassen sich sämtliche Schützen in so viel Gruppen ordnen als Schützen regelmässig zugleich eingeschaltet sind, wenn eine Drosselanordnung ähnlich der Fig. 2 angewendet wird ; im vorliegenden Fall bestehen also vier solcher Gruppen, innerhalb welcher alle Schützen einander feindlich sind.
Ausser den beiden vorstehend genannten Gruppen I mit den Schützen 1-5-9-13 und
II mit den Schützen 2-6-10-14 können daher noch
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quelle zu führen sondern erst über alle in Reihe geschalteten Hilfskontakte p sämtlicher Schütze mit höherer Ordnungsnummer als der nächste feindliche Schütz. Spulenstromkreis von n9 geht also ausser über pI3 noch über p14, pI5
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anziehen kann, wenn ausser dem nächst höheren feindlichen auch sämtliche diesem nachgeordneten Schützen sich in der ausgeschalteten Stellung befinden.
Während diese eben beschriebene einfache Verriegelungsweise an sich bekannt ist, tritt als eigentlicher neuer Erfindungsgedanke die Anordnung einer Sperre für den Steuerschalter hinzu, welche elektromagnetisch jedesmal dann zur Wirkung gelangt, wenn der tatsächliche Schaltzustand der Schützen nicht demjenigen entspricht, welcher planmässig vorhanden sein sollte. Erfindungsgemäss sind am Steuerschalter so viele mechanisch parallel geschaltete Sperreinrichtungen vorgesehen, als jeweils Schütze zugleich eingeschaltet sein sollen, bzw. als nach dem oben Dargelegten Gruppen feindlicher
Schütze gebildet werden können. Im Ausführungsbeispiel, von demFig. 1 eine schematische Darstellung gibt, sind z.
B. programmgemäss auf den Dauerstufen immer vier Schütze zugleich eingeschaltet ; dementsprechend besitzt die Fahr-
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Sperrkränze nach links über die entsprechend ausgebildete Verzahnung d übergleiten können.
Es ist aber im Rahmen des Erfindungsgedankens auch möglich, die Fahrschaltersperre beidseitig wirkend auszubilden. Die vier, allgemein 2n Sperrmagnetwicklungen h erhalten Spannung vom Eingang der Schützenspulen n aus, also über die Fahrschalterkontakte e zugleich und von derselben Spannungsquelle wie die Schützspulen n, jedoch über Arbeitshilfskontakte q derselben Schütze von deren Spuleneingängen die Anspeisung der Magnetwicklung stattfindet. Erfindungsgemäss si"'l nun die Abgänge der Hilfskontakte q ebenso m Gruppen zusammengefasst ;, wie die möglichen Gruppen feindlicher Schütze, also die Kon-
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qll, qI5 zu Gruppe III und die Kontakteq4, q8, q12, q16 zu Gruppe IV.
Jede dieser vier, allgemein 2n, Gruppenleitungen I, II, III und IV ist zu der Wicklung h eines Sperrmagneten geführt. Da in den ordnungsmässigen Dauerschaltstellungen aus jeder dieser Gruppen ein und nur ein einziges Schütz eingeschaltet ist, werden so alle vier bzw.
2n Sperrmagnete erregt und dadurch der Steuerschalter freigegeben. Ist umgekehrt nur eine einzige der Gruppenleitungen nach den Kontakten q spannungslos, so bleibt der zugeordnete Sperrmagnet unerregt und der Steuerschalter wird gesperrt.
Das Schema des Stromlaufes einer beliebigen ordnungsmässigen Schaltstellung Fig. 4 verdeutlicht die Anordnung und deren Wirkungsweise am besten. In diesem Schema sind die Sperrmagnete weiter vereinfacht dargestellt und nur jene Verbindungen durchgezogen, über welche wirkliche Stromläufe zustande kommen. Bei der eingeschaltet dargestellten Fahrstufe 8 erhalten vom +Pol der Steuerstromquelle über b und e7, e8, e9, e10 die Schützspulen n7, n8, n9, nl0
Spannung ; die Spulenstromkreise sind weiter über die Ruhehilfskontakte pll, p12, p13, p14 und alle in Serie geschalteten Hilfskontakte p der Schütze mit höherer Ordnungsnummer zum - Pol der Steuerstromquelle geschlossen ; die
Schütze 7, 8, 9, 10 haben ordnungsgemäss an- gezogen.
In weiterer Folge entstehen über die Arbeitshilfskontakte q je ein zweiter Stromkreis, nämlich von n7 über q7 zur Wicklung h"des Sperrmagneten g", von n8 über q8 zur Wicklung h"' des Magneten"', von n9 über q9 zu h und schliesslich von n10 über q10 zu h'. Alle vier Sperrmagnete g, g', g", g'"sind erregt und heben die zugeordneten Sperrklinken f, f', f", '"aus. Dem Weiterschalten des Steuerschalters in der einen oder der anderen Richtung steht kein Hindernis entgegen. Schaltet man von der Schaltlage der Fig. 4 weiter auf die nächst höhere Fahrstufe 9, dann fällt bei richtigem Verlauf das Schütz 7
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kontakt o7 geschlossen hat.
Dann sind die Schütze 8, 9, 10. 11 eingeschaltet und man über-
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zeugt sich leicht, dass nun wieder alle vier Sperrmagnete Spannung bekommen und die Fahrschaltersperre unwirksam machen.
Tritt eine Störung der normalen Schaltfolge dadurch ein, dass beispielsweise beim Aufschalten vcn Stufe 8 auf Stufe 9 das Schütz 7, welches abzufallen hätte, hängen bleibt, so ergibt sich die in Fig. 5 schematisch dargestellte Situation.
Auf Fahrstufe 9 verbinden die Fahrschalterkontakte e8, e9, elO, e11 die Spuleneingänge n8,
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dem +Pol der Steuerstromquelle. Die Schütze 8, 9, 10 bleiben wie in Fig. 4 angezogen, weil ihre Spulenstromkreise über o4, oJ, oss und p12, p13, p14 sowie alle in Serie geschalteten Kontakte p mit höherer Ordnungsnummer zum - Pol der Steuerstromquelle geschlossen sind. Weil jedoch Schütz 7 nicht abgefallen ist und demgemäss sein Hilfskontakt o7 nicht geschlossen hat, ist der Spulenstromkreis von nll dort unterbrochen und Schütz 11 kann nicht anziehen. Soweit ist dies ein Vorgang der bekannten und gebräuchlichen Verriegelung der feindlichen
Schütze 7 und 11, welche beide der Gruppe III angehören (s. Fig. 4).
Darüber hinaus ergibt die erfindungsgemässe Anordnung im Ausführungsbeispiel noch folgende Wirkung. Von den mit dem +Pol der Steuerstromquelle in Verbindung stehenden Eingangswicklungen n8, n9, nl0 kann Strom über die bei angezogenen Schützen geschlossenen Hilfskontakte q8, q9, q 10 zu den Gruppenleitungen IV, I und II und damit über die Sperrmagnet- wicklungen h"', h, A'zum-Pol der Spannungs- quelle fliessen, die Sperr klinken 1''', f und I'sind somit angehoben. Die Gruppenleitung III hin- gegen wird nicht angespeist, da, der Spulen- eingang n11 wohl vom Fahrschalter her unter
Spannung steht, aber der Stromweg beim Hilfs- kontakt qll unterbrochen ist, denn Schütz 11 hat wegen des Hängens von Schütz 7 nicht an- ziehen können.
Der Sperrmagnet h", g"ist daher nicht erregt, die Sperrklinke f"eingefallen und
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bzw. jedem Zustand, bei dem nicht alle Sperrmagnete angezogen haben, ist also zugleich eine Signalgabe verbunden, wodurch auf das Vorhandensein einer Störung aufmerksam gemacht wird. Bei der hier beispielsweise gewählten und in den Fig. 1 und 3 dargestellten Schaltfolge ist die erste Stufe eine Vorstufe, auf welcher nur die drei ersten Schütze 1, 2, 3 eingeschaltet sind. Als Folge aavon sind auf der Stufe 1 auch nur die drei Sperrmagnete h, h', h"angezogen, so dass die Sperrklinke 1'" eingefallen ist und über i'" auch ein Signal gegeben wird. Das Signal t zweckmässig, weil der Bedienungsmann darauf aufmerksam wird, dass er auf einer Stufe steht, die nicht Dauerstufe ist.
Sofern eine Signalgabe dort aber nicht gewünscht wird, kann man den die Signalstromkreise speisenden und mit dem festen Kontakt t zusammenarbeWenden Belagteil von b erst bei der ersten Dauerstufe, also hier der Stufe 2 beginnen lassen. Damit von Stufe 1 auf Stufe 2 überhaupt aufgeschaltet werden kann, beginnt im Ausführungsbeispiel die Sperrverzahnung d... erst bei der Schaltstellung 2 des Fahrschalters und allgemein bei der ersten Dauerschaltstufe bzw. bei den anderen Sperrkränzen bei jener Stufe, in der der erste der betreffenden Sperreinrichtung zugeordnete Schütz erstmalig einzuschalten hat.
Es können aber auch, wenn es etwa aus konstruktiven oder auch aus funktionellen Gründen zweckmässiger erscheint, alle Sperrverzahnungen gleich ausgeführt werden, nämlich derart, dass eine Sperrung nicht vor Erreichen der arien Dauerstufe eintreten kann.
Im Ausführungsbei-plel würden dann alle vier Verzahnungen d, also nicht nur d"', erst bei der Schaltstellung 2 beginnen.
Wie schon erwähnt, wäre es auch denkbar und fällt auch unter den Erfindungsgedanken, den Fahrschalter im Störungsfall nach beiden Richtungen zu blockieren, so dass etwa eine mit einem
Generalausschalter für den Steuerstrom ver- bundene Hilfsentklinkungsvorrichtung betätigt werden müsste, um nach dem in der Folge auf- tretenden Zusammenfallen der gesamten Steuerung mit dem Steuerschalter in die Nullstellung gehen zu können. Die Sperre des Abwärtsschaltens ist aber z. B. im Bahnbetrieb nicht erwünscht, da die Ausschaltstellung des Fahrschalters jederzeit und unter allen Umständen rasch erreichbar sein soll. Wenn das Abwärtsschalten wie bei der beispielsweise dargestellten Anordnung nicht gesperrt wird, dann stellen sich beim Hängenbleiben von Schützen und versuchtem Abwärtsschalten folgende Verhältnisse ein.
Angenommen, dass bei Aufschalten von Stufe 8 auf Stufe 9 wie oben das Schütz 7 hängengeblieben ist, dann wurde dabei ein Warnsignal ausgelöst und die Weiterschaltmöglichkeit auf Stufe 10 gesperrt.
Schaltet man von Stufe 9 auf Stufe 8 zurück, so sind wieder die normalen Verhältnisse her-
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an wie die drei übrigen Magneten und das Warn- signal verschwindet. Beim Weiterabwärtsschalten funktionieren unter der Annahme, dass
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nur das Schütz 7 hängt, alle Fahrstufen bis einschliesslich Stufe 5 mit den Schützen 4, 5, 6, 7, richtig. Erst beim Abwärtsschalten auf Stufe 4, wo die Schütze 3, 4, 5, 6 eingeschaltet sein sollten, äussert sich der Umstand, dass Schütz 7 nicht abfällt so, dass Schütz 3 als erstes feindliches zu Schütz 7, aber auch wegen der Reihenschaltung der Kontakte p alle Schütze mit niedrigeren Ordnungsnummem nicht ansprechen können.
Auf Stufe 4 bekommt zunächst die Sperrmagnetleitung der Gruppe III keine Spannung, denn 3 kann nur anziehen, wenn 7 abgefallen ist, weshalb auch q3 offen bleibt ; es kommt aber auch keine Spannung über q7 an die Gruppenleitung III, denn n7 ist vom Fahrschalter her abgeschaltet.
So ergibt sich wieder die Lage, dass nur drei Sperrmagnete angezogen sind, die Sperrklinke S" daher abfällt und eine Signalgabe erfolgt. Das Wiederaufschalten auf Stufe 5 ist jedenfalls gesperrt, nicht aber infolge der einseitig wirkenden
Sperre das Weiterabschalten auf Stufe 3. Man überzeugt sich leicht, dass auf Stufe 3 nur mehr die Schütze 4, 5 und 7 angezogen sind, daher nur die Sperrmagnete h"', h anziehen. Das Warn- signal bleibt bestehen, ebenso wie beim Weiter- zurückschalten auf die Stufen 2 und 1, wo der
Reihe nach nur mehr 1 und gar kein Sperrmagnet angezogen sind. Die Aufwärtsschaltung von jeder Stufe ist dabei aber gesperrt. Aus allem ergibt sich für den Bedienungsmann eine ziemlich eindeutige Nötigung, bis in die Nullstellung zurückzuschalten.
Erwähnenswert ist ferner, dass ein Aufschalten über die erste Stufe hinaus gesperrt bleibt, wenn irgend ein oder mehrere
Schütze, die nicht der ersten Dauerstellung angehören, hängt, wobei das Warnsignal auf die bestehende Störung aufmerksam macht.
Der zweite Störungsfall entsteht dann, wenn beim Aufschalten etwa von Stufe 8 auf Stufe 9 das zum Zuschalten kommende Schütz, hier mit der Ordnungsnummer 11, aus irgend einem Grund nicht anzieht. Dieser Fall ist für das Ausführungsbeispiel der Fig. 1 in Fig. 6 schematisch dargestellt. Es erhalten auf Fahrstufe 9 die Spuleneingänge n8, n9, nl0, nll Spannung über den Fahrschalter. Diese gelangt über
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Spannung, da die Zuleitung vom Spuleneingang nll des nicht angesprungenen Schützes 11 bei dessen offen gebliebenem Kontakt qll unterbrochen ist, Sperrmagnet g"bleibt daher unerregt und die Sperrklinke J" fällt ein, wodurch das Weiterschalten auf die nächste Stufe 10 gesperrt wird und zugleich das Warnsignal ertönt.
Falls das Nichtanziehen eines Schützes beim Abwärtsschalten vorkommt, ergeben sich analoge Verhältnisse mit dem Unterschied, dass bei einseitiger Sperrung des Fahrschalters nur das Warnsignal ertönt, solange eine Abweichung vom ordnungsmässigen Schaltzustand besteht.
Die gleiche Sperrung und Warnsignalgabe tritt ferner auch dann ein, wenn auf einer beliebigen Fahrstufe eine Unterbrechung in den Steuerstromkreisen bei einem oder mehreren Schützen oder ein Versagen des Steuerstromes stattfindet.
Bemerkenswert ist, dass die erfindungsgemässe beschriebene Anordnung bei beliebig viel Schützen und Schützgruppierungen einen vollkommenen Schutz gegen die Folgen von Schaltstörungen mit nur drei Hilfskontakten je Schütz erreicht.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Sicherungseinrichtung gegen Überlastung von Spannungsteiler bei Stufentransformatoren, insbesondere für elektrische Triebfahrzeuge, in Verbindung mit elektrisch ferngesteuerten und elektrisch verriegelten Einzelschaltf.'11, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerschalter für die fembetätigten Leistungsschalter mit einer Sperrvorrichtung versehen ist, die nur bei Eingeschaltetsein sämtlicher der jeweils eingestellten Schaltstufe angehörenden Einzelschalter auf elektrischem Wege ausser Wirkung gebracht wird, sonst aber die Weiterbewegung des Steuerschalters in Rich- tung einer Spannungserhöhung verhindert oder diesen in seiner jeweiligen Stellung blockiert.