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Hydraulische Betätigungseinrichtung für elektrische Schaltgeräte, insbesondere Hochspannungsschalter
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung verwendet man also als Kraftquelle für die Steuerung des Schalters wenigstens für einen der beiden Wege des beweglichen Kontaktes einen ölpneumatischen Speicher, der zweckmässigerweise die in den oben angeführten Patentschriften beschriebene Bauart haben kann, wobei die Steuerung der Bewegung der Flüssigkeit durch eine oder mehrere kalibrierte Lochblenden in den Steuerleitungen bewirkt wird.
Hiedurch wird die Fördermenge bei niedrigen Geschwindigkeiten praktisch nicht gehemmt und man verfügt annähernd über die volleBeschleunigung, die die Steuervorrich- tung dem beweglichen Kontakt zu geben vermag, während die Bremswirkung bei hohen Geschwindigkeiten an jedem Punkt des Weges annähernd proportional dem Quadrat der Geschwindigkeit des beweglichen Kontaktes ist und den Kontakt leicht zwischen den vorgeschriebenen Geschwindigkeitsgrenzen hält. Diese Steuereinrichtung für die Geschwindigkeit des beweglichen Kontaktes hat ausserdem den wesentlichen Vorzug, dass sie praktisch unabhängig von Temperaturschwankungen ist, da die Fördermenge einer Flüssigkeit durch eine Lochblende nur wenig von den Viskositätsschwankungen der Flüssigkeit abhängt.
In einer andern Ausführungsform wird wenigstens für einen der beiden Wege des beweglichen Kontaktes die diese Bewegung verursachende federnde Kraft über eine Flüssigkeit und über einen mit dieser Flüssigkeit unter der Steuerung eines hydraulischen Ventils'gespeisten Druckbehälter auf den beweglichen Kontakt übertragen.
Eine Schwierigkeit bei der Steuerung von Schaltern ist deren Verriegelung in eingeschalteter Stellung. In einer erfindungsgemässen Ausführungsform werden die beiden Wege des beweglichen Kontaktes unter Ausschluss aller mechanischen Verriegelungsvorrichtungen durch Ventile gesteuert.
Nach einer zweckmässigen Ausführungsart ist zur Lösung dieses Problems die Steuerung des Schalters in der in der franz. Patentschrift Nr. 1. 098. 565 beschriebenen Weise ausgeführt, d. h. man erzielt das Einschalten und das Halten in eingeschalteter Stellung mittels einer einfach wirkenden Druckvorrichtung, die aus einem hydraulischen Speicher gespeist wird, und das Ausschalten mittels einer durch das Einschalten gespannten Feder, die beim Ablassen des Druckes aus dem Druckbehälter freigegeben wird.
Diese letzte Anordnung gestattet ausserdem die Steuerung der Geschwindigkeit des beweglichen Kontaktes auf seinen beiden Wegen, indem erfindungsgemäss eine oder mehrere kalibrierte Lochblenden in der Speiseleitung und in der Druckablassleitung der Druckvorrichtung angebracht sind.
Die erfindungsgemässe Steuerung mit der hydraulischen Übertragung hat ausserdem eine sehr geringe Eigenträgheit, ist leicht und wirtschaftlich herzustellen und liefert eine ausreichende Kraft, die durch geeichte Öffnungen gesteuert wird und ihr eine grosse Anfangsbeschleunigung gestattet. Die Steuerung kann also ihrerseits dem beweglichen Kontakt eine grosse Geschwindigkeit vermitteln, gleichgültig, welche Widerstände sich seiner Bewegung entgegenstellen. Dadurch erlaubt sie die Verwirklichung von Schaltern, die die eingangs erwähnten Aufgaben in vollkommen zufriedenstellender Weise erfüllen.
Die Erfindung wird durch die nachstehende Beschreibung einiger in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen : Fig. 1 sehr schematisch eine erste Ausführungsform der erfindungsgemässen hydraulischen Steuervorrichtung mit einer einfach wirkenden, aus Kolben und Zylinder bestehenden Druckvorrichtung mit Ausschaltfeder, Fig. 2 und 3 Einzelansichten zweier Ausführungsformen einer erfindungsgemässen kalibrierten Lochblende, Fig. 4 eine abgeänderte Ausführungsform nach Fig. 1 mit einer andern Lage der kalibrierten Lochblenden, Fig. 5 eine doppelt wirkende, aus Kolben und Zylinder bestehende Druckvorrichtung auf dem Aus'schaltwege, Fig. 6 die gleiche Vorrichtung auf dem Einschalt- wege, Fig. 7, 8 und 9 abgeänderte Ausführungsformen der Vorrichtung nach Fig. 5 und 6, Fig.
10 eine nicht differentiale, von zwei verschiedenen Druckquellen gespeiste, doppelt wirkende und aus Kolben und Zylinder bestehende Druckvorrichtung, Fig. 11 eine differentiale, doppelt wirkende und aus Kolben und Zylinder bestehende Druckvorrichtung, deren eine Kammer ständig mit einer Druckquelle in Verbindung steht, Fig. 12 eine abgeänderte Ausführungsform nach Fig. 2, bei der nur der Einschaltweg des beweglichen Kontaktes gesteuert wird, und Fig. 13 eine abgeänderte Ausführungsform nach Fig. 8, bei der nur der Ausschaltweg des beweglichen Kontaktes gesteuert wird.
Bei allen in den Fig. l, 4und 5 - 13 dargestellten Ausführungsformen ist der Einfachheit halber angenommen, dass die Betätigungsstange 6 direkt mit dem Kolben einer Steuerdruckvorrichtung verbunden ist, weshalb diese Stange in den verschiedenen Figuren mit dem gleichen Bezugszeichen 6 bezeichnet ist.
Selbstverständlich ist die Erfindung in keiner Weise auf diese Verbindungsart abgegrenzt ; es kann jede kinematische übersetzende oder nicht übersetzende Vorrichtung zwischen der Steuerdruckvorrichtung und der Stange 6 eingesetzt werden, wobei sich das Übersetzungsverhältnis auch auf dem Weg des beweglichen Kontaktes verändern kann. Darüber hinaus könnten mehrere, z. B. einfach wirkende, mit der Stange 6 über eine kinematische Vorrichtung verbundene Druckvorrichtungen vorgesehen sein.
Ferner ist der Einfachheit halber angenommen, dass der Aufwärtshub der in Fig. l, 4 und 5 - 13 dar-
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gestellten Druckvorrichtungen das Einschalten und der Abwärtshub das Ausschalten bewirkt. Diese Anordnung kann selbstverständlich ohne Änderung der dargestellten hydraulischen Kreise umgekehrt werden.
In der Ausführungsform nach Fig.1 wird die Steuerung der Stange 6 durch eine einfach wirkende Druckvorrichtung bewirkt, deren Zylinder mit 7 und delen Kolben mit 8 bezeichnet sind, wobei der Kolben 8 mit seiner Stange 9 mit der Stange 6 verbunden ist. Eine Feder 10 bewirkt beim Druckablass aus der Druckvorrichtung 7 den Ausschalthub, während das Unterdrucksetzen des Zylinders das Einschalten be-
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til 17 eines Ventilblockes 18 den Zylinder 7. Entleert wird der Zylinder 7 über die Kanäle 16. 19 und 20 auf Grund der Steuerung des Ventiles 21 des Ventilblockes 18. Zwecks Vereinfachung ist angenommen, dass die Ventile 17 und 21 mittels einfacher Druckknöpfe 22 bzw. 23 betätigt werden können.
Erfindungsgemäss ist in diesem Beispiel eine kalibrierte Düse 24 in die unter Druck stehende, den Zylinder 7 speisende Flüssigkeitsbahn und eine zweite kalibrierte Düse 25 in die Druckablassbahn für die aus dem Zylinder 7 kommende Flüssigkeit eingesetzt. Die Düsen 24 und 25 haben in Fig. 1 die Form von einfachen, in die Leitungen 15 und 19 eingesetzten Lochblenden. In Fig. l und 4 und 5 - 13 sind die kalibrierten Lochblenden symbolisch durch einen einfachen, unterbrochenen Strich dargestellt. Praktisch kann jede Öffnung aus einem Kanal, beispielsweise dem Kanal 26 in Fig. 2, bestehen, der in einen in die zu steuernde Flüssigkeitsbahn eingesetzten Teil 27 gebohrt ist.
Je kurzer dieser Kanal im Verhältnis zu seimen Querschnitt ist, um so näher liegt der Exponent der Geschwindigkeit des beweglichen Kontaktes, mit dem die Bremswirkung der Öffnung automatisch zunimmt, bei zwei. In einer andern zweckmässigen Ausführungsform kann jede Öffnung, beispielsweise die Öffnung 28 in Fig. 3, in eine herausnehmbare Blende gebohrt sein, die beispielsweise durch Bolzen mit Muttern 32 zwischen Flanschen 30 und 31 zweier durch diese Flansche miteinander verbundener Rohrleitungsabschnitte festgeschraubt ist. Diese Anordnung ist besonders vorteilhaft, weil die Lochblende eine Bremswirkung hervorruft, die praktisch proportional dem Quadrat der Geschwindigkeit des beweglichen Kontaktes ist.
Wenn man die vom beweglichen Kontakt vom Beginn seiner Bewegung an durchlaufene Strecke mit x bezeichnet und die vom Beginn seiner Bewegung an von der Druckvorrichtung bewegte Ölmenge u nennt, so entspricht für einen gegebenen Wert x einer Elementarbewegung dx eine Elementarmenge du. Es besteht zwischen dx und du ein Verhältnis k, das konstant ist, wenn die Bewegungsuntersetzung zwischen dem beweglichen Kontakt und dem Kolben der Druckvorrichtung konstant ist. Es ändert sich mit dem Wert von x, wenn die Untersetzung nicht konstant ist, wobei dieses Verhältnis sich ausdrückt durch : dx = kdu (1)
Wenn die Geschwindigkeit des beweglichen Kontaktes mit v und die Flüssigkeitsförderleistung des Druckzylinders mit e bezeichnet wird, so besteht die folgende Beziehung :
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wobei dt die Elementarzeit ist.
Wenn man die Fördermenge der Flüssigkeit bremst, indem man die Flüssigkeit durch eine bis ins Unendliche gehende Leitung schickt, so würde der Druckverlust p gegen den Grenzwert p = c1 me (3) gehen, wo c ein konstanter und m ein von der Viskosität der Flüssigkeit abhängiger Koeffizient ist. Für eine sehr lange Leitung würde die tatsächliche Abhängigkeitsregel in der Nähe der theoretischen Regel liegen. Falls die Öffnungen in einer dünnen Blende liegen, ergibt sich der Druckverlust p aus : p = C 2et, (4) wo c ein von der Viskosität unabhängiger Koeffizient ist.
Da die Viskosität einer Flüssigkeit von ihrer Temperatur abhängt, hat man so die Möglichkeit, einen von der Temperatur praktisch unabhängigen Druckverlust zu erzielen, wobei die Erfahrung bestätigt, dass unter diesen Bedingungen, die für einen gegebenen Druckverlust erzielte Flüssigkeitsdurchflussmenge fast streng dem Gesetz der theoretischen dynamischen Durchflussmenge einer Flüssigkeit durch eine in einer dünnen Blende liegende Öffnung gehorcht.
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Durch Kombination der Formeln (3) und (4) einerseits und (2) anderseits erhält man :
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Diese Formeln geben in beiden Fällen den Druckverlust als Funktion der Geschwindigkeit des beweglichen Kontaktes des Trennschalters an.
Die in einer dünnen Blende liegende Öffnung entsprechend der Formel (6) ist besonders vorteilhaft, da sie eine grössere Anfangsbeschleunigung als im Falle eines langen Kanals gestattet. Wenn Po der der stabilisierten Geschwindigkeit entsprechende Druckverlust und die Momentangeschwindigkeit gleich 1/3 der stabilisierten Geschwindigkeit ist, so ergibt die Formel (5) einen Druckverlust gleich 1/3 von p :
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während die Formel (6) für die dünne Lochblende einen Druckverlust ergibt, der gleich 1/9 von Po ist :
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Als spezifisches Beispiel werden nachstehend die Daten eines Trennschalters für eine Hochspannungsleitung mit 70000 V angegeben, der mit einer Steuervorrichtung mit einer erfindungsgemässen hydraulischen Übertragung nach Fig. l ausgestattet ist, die eine direkt auf die bewegliche Kontaktstange einwirkende Druckvorrichtung hat, der bei einer dauernden Arbeitsstromstärke von 1200 A und mit einer Trennstromstärke von 20000 A zufriedenstellend arbeitet.
Die Steuervorrichtung ist mit einem ölpneumatischen Speicher der in den früher aufgeführten Patentschriften beschriebenen Bauart für einen Maximaldruck von 300 kg/cm2 und einen Minimaldruck von 200 kg/cm2 ausgestattet. Die Kraft der Ausschaltfeder beträgt bei Beginn des Ausschaltvorganges 500 kp.
Der einfach wirkende Kolben der Druckvorrichtung hat einen Querschnitt von 6 cm2 und einen Hub (der gleich dem Weg des beweglichen Kontaktes ist) von 420 mm.
Der Durchflussquerschnitt desRohrleitungssystems der Anlage ist an keinem Punkt der Flüssigkeitsbahn kleiner als der doppelte Querschnitt der kalibrierten Öffnungen. Die die Speisung der Druckvorrichtung und folglich die Einschaltgeschwindigkeit steuernde kalibrierte Öffnung hat einen Durchmesser von 5,5 mm. Die kalibrierte, das Entleeren des Druckzylinders und folglich die Ausschaltgeschwindigkeit steuernde Öffnung hat einen Durchmesser von 7, 5 mm. Die Länge der kalibrierten Öffnungen beträgt 2mm.
Der bewegliche Kontakt hat einen Durchmesser von 30 mm und ein Gewicht von etwa 3 kp. Der Kolben der Druckvorrichtung und die dazugehörenden Verbindungsteile wiegen etwa 5 kp, während die Feder einem Gewicht von 2 kp entspricht, was ein Gesamtgewicht der beweglichen Einrichtung von etwa 10 kp ergibt.
Mit dieser Ausrüstung der Steuervorrichtung, verfügt man bei Beginn des Ausschaltens über die Anfangskraft der Feder, also über 500 kp. Wenn man die nach dem Bewegungsbeginn (des beweglichen Kontaktes) auftretenden Reibungen zu etwa 50 kp annimmt, so wird der bewegliche Kontakt mit einer resulresultierenden Kraft von 500 - 50 = 450 kp betätigt, so dass der bewegliche Kontakt eine Anfangsbeschleunigung von
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erfährt, wo g die Schwerebeschleunigung ist.
Im übrigen hat man feststellen können, dass der bewegliche Kontakt sich unter diesen Bedingungen während der letzten zwei Drittel seines Einschaltweges mit einer durchschnittlichen Geschwindigkeit von 5 i 1 m/sec und nach dem ersten Fünftel seines Ausschaltweges, das etwa den erwähnten Anfangsbe-
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wegt.
In der Ausführungsform nach Fig. 4 ist die Bauart der Steuerdruckvorrichtung identisch mit der Aus-
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führungsform nach Fig. l ; jedoch hat man für den hydraulischen Kreis eine etwas andere Anordnung ge- wählt, bei der man die kalibrierten Öffnungen in unmittelbarer Nähe desDruckzylindeIs 7 einsetzen kann.
Zu diesem Zweck und zur Speisung und Entleerung der Flüssigkeit über eine einzige Leitung 33 sind zwei
Rückschlagventile 34 und 35 vorgesehen, die in zwei von der einzigen Leitung 33 abgehende Abzwei- gungen 36 und 37 eingesetzt sind, in welchen sich die kalibrierten Öffnungen 38 und 39 befinden. Im dar- gestellten Beispiel ist der Druckzylinder 7 ebenfalls über einen einzigen Kanal 33a mit den beiden Ab- zweigungen 36 und 37 verbunden.
Infolge der Rückschlagventile 34 und 35 steuert die kalibrierte Öff- nung 38 ausschliesslich die Entleerungsmenge, während die kalibrierte Öffnung 39 ausschliesslich die Zu- fuhrmenge steuert.
In Fig. 5 und 6 ist eine Ausführungsform dargestellt, in der die hydraulische Steuervorrichtung eine doppelt wirkende Druckvorrichtung 40 hat, deren Kolben 41 unmittelbar mit der zu steuernden, an dem beweglichen Kontakt festen Stange 6 verbunden ist. In dieser Ausführungsform kann jede Kammer 42 und
43 des Druckzylinders 40 entweder mit einer nicht dargestellten, unter Druck stehenden Flüssigkeitsquelle verbunden oder entleert werden, wobei Speisung und Druckablass beider Kammern über eine einzige Rohr- leitung vor sich gehen ;
über 44a, 44b für die Kammer 43 und über 45a, 45b für die Kammer 42 ; zur
Steuerung ist ein Ventilblock 46 vorgesehen, der wahlweise entweder die Verbindung eines mit der Quel- le verbundenen Kanals 47 mit dem Kanal44a und eines mit der Entleerung verbundenen Kana1s48 mit dem
Kanal 45a (Fig. 3) oder umgekehrt gleichzeitig die Verbindungen zwischen den Kanälen 47 und 45a einer- seits und den Kanälen 48 und 44a anderseits (Fig. 6) herstellt.
Die Betätigung des Ventilblockes 46 ist der Einfachheit halber in Form von zwei Druckknöpfen 49 bzw. 50 dargestellt ; das Eindrücken des Druckknopfes 49 stellt die oben beschriebenen, iii Fig. 5 darge- stellten Verbindungen her, die das Ausschalten des Schalters bestimmen, während das Eindrücken des Druckknopfes 50 die beschriebenen, in Fig. 6 dargestellten und das Einschalten des Schalters bestimmenden Verbindungen herstellt.
In der Ausführungsform nach Fig. 5 und 6 sind die kalibrierten Öffnungen 51 und 52 in den einseitig wirkenden Drosselventilen 53 bzw. 54 angeordnet, wobei die Arbeitsrichtung der Ventile so gewählt ist, dass die kalibrierten Öffnungen 51 und 52 nur die Entleerung der Kammern 43 bzw. 42 steuern.
In Fig. 7 ist eine abgeänderte Bauart der Vorrichtung nach Fig. 5 und Fig. 6 dargestellt, die von dieser nur durch die Arbeitsrichtung der Ventile 53 und 54 abweicht ; diese ist hier so gewählt, dass die kalibrierten Öffnungen 51 und 52 nur die Zufuhr zu den Kammern 43 bzw. 42 steuern.
In Fig. 8 ist noch eine andere Ausführungsform in Abwandlung der Vorrichtung nach Fig. 5 und 7 dargestellt ; bei dieser wird nur die Kammer 42 der doppelt wirkendenDruckvorrichtung gesteuert. Im dargestellten Beispiel regelt diese Steuerung die Zufuhr zu der Kammer 42 mittels einer kalibrierten Öffnung 55 und die Entleerung aus dieser Kammer mittels einer kalibrierten Öffnung 56. Damit die Zufuhrmenge nicht durch die Öffnung 56 und die Entleerungsmenge nicht durch die Öffnung 55 fliessen, sind Rückschlagventile 57 bzw. 58 vorgesehen.
In Fig. 9 ist eine gegenüber Fig. 8 umgekehrte Anordnung dargestellt, in der nur die Kammer 43 des Druckzylinders gesteuert wird, wobei sich in diesem Beispiel die Steuerung ebenfalls sowohl auf die Speisung als auch auf die Entleerung erstreckt.
In Fig. 10 besteht die Vorrichtung aus einer nicht differentialen und doppelt wirkenden Druckvorrichtung 59. Ihr Kolben 60 ist mit zwei entgegengesetzt liegenden zylindrischen Stangen 61, 62 gleichen Querschnittes ausgestattet, wobei angenommen ist, dass die Stange 61 beispielsweise mit der Kontaktstange 6 des Trennschalters verbunden ist. Eine der Kammern, u. zw. die Kammer 63, der Druckvorrichtung ist ständig mit einer ersten, unter Druck stehenden, im dargestellten Beispiel aus einem hydraulischen Speicher 64 bestehenden Flüssigkeitsquelle verbunden. Die andere Kammer 65 des Druckzylinders 59 wird ähnlich wie in Fig. 8 durch zwei kalibrierte Öffnungen 55 und 56 gesteuert, deren wahlweise Arbeiten durch Rückschlagventile 57bzw. 58 bewirkt wird.
Speisung oder Entleerung der Kammer 65 erfolgen durch Steuerung eines Ventilblockes 66, der von einer zweiten, unter Druck stehenden Flüssigkeitsquelle gespeist wird, die beispielsweise aus einem durch eine Pumpe 68 von einem Behälter 69 aus gespeisten hydraulischen Speicher 67 besteht. In Fig. 11 hat eine Differential-Steuerdruckvorrichtung 70 eine zylindrische Kammer 71 und eine ringförmige Kammer 72, von denen die letztere ständig über die Kanäle 73,74 und 75 mit einer unter Druck stehenden Flüssigkeitsquelle in Verbindung steht, die aus einem durch eine Pumpe 77 von einem Behälter 78 aus gespeisten hydraulischen Speicher 76 besteht.
Die zylindrische Kammer 71 der Druckvorrichtung 70 kann durch Steuerung mit Hilfe eines Ventilblockes 79 entweder mit dem Speicher 76 oder mit dem Behälter 78 in Verbindung gebracht werden. Bei dieser Ausführungsform steuern mit Hilfe zweier Rückschlagventile 82 bzw. 83 die kalibrierte Öffnung 80
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die Entleerung und die kalibrierte Öffnung 81 die Speisung der Kammer 71.
In Fig. 12 ist eine Steuervorrichtung dargestellt, die mit der Vorrichtung nach Fig. l übereinstimmt, ausgenommen dass sie nur eine einzige kalibrierte Öffnung 24 hat, die die Speisung der Kammer 87 des Druckzylinders 7 steuert.
In Fig. 13 ist in ähnlicher Weise eine Vorrichtung dargestellt, die mit der Vorrichtung nach Fig. 8 übereinstimmt, wobei aber nur die Entleerung der Kammer 42 durch eine kalibrierte Öffnung 56 gesteuert wird und ein Rückschlagventil 58 diese Entleerung durch die kalibrierte Öffnung 56 erzwingt, wogegen die Speisung durch eine eine Umgehung der kalibrierten Öffnung 56 bildende Abzweigung 84 erfolgt.
Obwohl, wie bereits erwähnt, die Steuerung sowohl auf den einen als auch auf den andern Weg des beweglichen Kontaktes eines Trennschalters, entweder auf die Speisung oder auf die Entleerung einer Druckvorrichtung angewendet werden kann, ist es in gewissen Fällen vorteilhafter, den Ausschaltweg zu steuern, indem man die erfindungsgemässen kalibrierten Öffnungen in das Entleerungssystem der Druckvorrichtung einsetzt, damit die kalibrierten Öffnungen ihre stabilisierende Aufgabe auch dann erfüllen können, wenn in Ausschaltrichtung wirkende parasitäre Kräfte vorhanden sind.
Ausserdem könnte die Steuerung von Speisung und Entleerung auch über die Kammern 63 (Fig. 10) bzw. 72 (Fig. 11) statt, wie dargestellt, über die Kammern 65 (Fig. 10) bzw. 71 (Fig. 11) erfolgen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Hydraulische Betätigungseinrichtung für elektrische Schaltgeräte, insbesondere Hochspannung- schalter, bei welcher zur Betätigung des beweglichen Schaltkontaktes wenigstens ein durch einen Kraft- speicher, wie ein hydropneumatischer Akkumulator, oder eine Feder u.
dgl. belastetes, ventilgesteuertes Hydraulikgestänge vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der auf dem Hydraulikgestänge lastende, durch den Kraftspeicher hervorgerufene Druck eine Grösse aufweist, durch die eine Beschleunigung der An- fangsbewegung des Schaltkontaktes (1) auf eine den Sicherheitshöchstwert übersteigende Geschwindigkeit erzielbar ist, und dass im Hydraulikgestänge wenigstens eine kurze Verengung vorgesehen ist, die ein Überschreiten der vom Schaltkontakt erreichbaren Geschwindigkeit über diesen Höchstwert verhindert.