DE102012007680B4

DE102012007680B4 - Hydromechanisches Speichermodul für einen Federspeicherantrieb eines Hochspannungsschalters

Info

Publication number: DE102012007680B4
Application number: DE102012007680.0A
Authority: DE
Inventors: Matthias Schmidt; Christian Osterloh; Niko Robens
Original assignee: ABB Power Grids Switzerland AG
Current assignee: Hitachi Energy Ltd Ch
Priority date: 2012-03-09
Filing date: 2012-04-17
Publication date: 2021-10-07
Anticipated expiration: 2032-04-18
Also published as: WO2013131610A1; CN103311040B; DE102012007680A1; CN103311040A

Abstract

Speichermodul für einen hydromechanischen Federspeicherantrieb zur Betätigung eines Schalters umfassend:zwei Trägerplatten (3, 4) zwischen denen ein Getriebemodul (1) und eine Schraubenfederanordnung angeordnet sind, deren Federkraft auf einen mit der Schraubenfederanordnung und dem Getriebemodul (1) zusammenwirkenden in einem Hydraulikzylinder (10) geführten Speicherkolben (12) zur Betätigung des Schalters wirkt, wobei- die Schraubenfederanordnung aus mehreren Schraubendruckfedern oder Schraubenzugfedern (6) aufgebaut ist, welche an ihren Enden zwischen den Trägerplatten (3, 4) gehalten sind, wobei die Trägerplatten (3, 4) zur Aufnahme der Enden der Schraubendruckfedern oder Schraubenzugfedern (6) Auflageflächen (11) aufweisen,- die Schraubendruckfedern oder Schraubenzugfedern (6) um das Getriebemodul (1) angeordnet sind und so einen Innenraum begrenzen, in dem sich das Getriebemodul (1) befindet,- das Getriebemodul (1) so ausgeführt ist, dass die mit dem Federweg linear ansteigende Federkraft der Schraubendruckfedern (6) die auf den Speicherkolben (12) wirkende Kraft über den gesamten Hub des Speicherkolbens (12) nahezu konstant hält, und- das Getriebemodul (1) als Hebelgetriebe ausgeführt ist, welches zwischen den Auflageflächen (11) der Federn angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein hydromechanisches Speichermodul für einen hydraulischen Federspeicherantrieb zur Betätigung eines Schalters, insbesondere eines Leistungsschalters einer Hochspannungs- oder Mittelspannungsschaltanlage, mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen.
Hydraulische Federspeicherantriebe zum Betätigen von Hochspannungsleistungsschaltern sind beispielsweise aus der DE 3408909 A1 und ABB Druckschrift Hydromechanical Spring Drive Type HMB-2, ABB Calor Emag Hochspannung GmbH, Hanau-Großauheim bekannt und umfassen unter anderem ein Speichermodul zur Betätigung eines Hochspannungsschalters mit einem als Energiespeicher wirkendem Federelement. Das Federelement wirkt mit einem in einem Hydraulikblock geführten, bewegbaren Speicherkolben zusammen. Das Speichermodul ist dafür vorgesehen dem hydraulischen Antrieb des Hochspannungsleistungsschalters ohne eine weitere Zufuhr von Fremdenergie Druckenergie bereitzustellen und den Antrieb und darüber den Leistungsschalter auch bei Störung oder Unterbrechung der Energiezufuhr bestimmungsgemäß zu betätigen.
In dem als hydromechanischer Federspeicher ausgeführtem Speichermodul ist der bereitgestellte Druck von der Kennlinie der eingesetzten Federn bzw. Federpakete abhängig. Für die Anwendung der Federspeicherantriebe in Leistungsschalterantrieben ist ein konstanter Druck über den gesamten Speicherkolbenhub des Speicherkolbens von großer Bedeutung, um konstante Schaltzeiten des Leistungsschalters zu gewährleisten. Dieses ist - zumindest näherungsweise - ohne Weiteres nur durch den Einsatz von Tellerfedern zu realisieren.
Für hydromechanische Federspeicherantriebe ist es wünschenswert, dass die auf den Speicherkolben des Speicherzylinders wirkende Kraft möglichst konstant ist oder sich nur gemäß einer sehr geringen Federkonstante ändert, wobei hierzu eine relativ hohe Vorspannung erforderlich ist.
Dies kann bei herkömmlichen Schrauben- oder Tellerfedern nur durch Auswahl eines sehr kleinen Bereichs der Federkennlinie realisiert werden, so dass ein Großteil der gespeicherten Energie im Auslösefall nicht abgerufen werden kann.
Die in den bekannten hydromechanischen Speichermodulen für den Einsatz in Leistungsschalterantrieben eingesetzten Tellerfedern sind aufgrund ihrer degressiven Federkennlinie bei ausreichender Vorspannung ohne Weiteres in der Lage einen nahezu konstanten Druck über den gesamten Kolbenhub des Speicherkolbens bereitzustellen. Um den erforderlichen flachen Teil der Federkennlinie zu erreichen, müssen die Federn weit vorgespannt werden. Somit wird zum einen nur ein kleiner Teil der in den Federn gespeicherten Energie ausgeschöpft. Zum anderen sind Tellerfedern in der für den Einsatz als Speichermodul für Leistungsschalterantriebe notwendigen Größe im Vergleich zu Schraubendruckfedern sehr teuer. Da die Federn in den gegenwärtig eingesetzten Speichermodulen einen Großteil der Kosten ausmachen, ist eine signifikante Kostenreduzierung des Speichermoduls bei Beibehaltung des vorab beschriebenen Funktionsprinzips nicht möglich.
Aus der DE 10 2010 049 137 A1 ist eine Federspeicheranordnung bekannt, bei der eine mechanische Federeinrichtung und ein zur Betätigung eines Hochspannungsleistungsschalters vorgesehener, hydraulischer Kolben über ein zwischen Federeinrichtung und Kolben angeordnetes Getriebe mit variabler Übersetzung gekoppelt sind, um einen Federhub der Federeinrichtung in einen Kolbenhub umzusetzen, wobei die variable Übersetzung so variiert, dass die auf den Kolben wirkende Kolbenkraft zumindest abschnittsweise über den Federhub konstant ist.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Speichermodul für einen hydromechanischen Federspeicherantrieb, vorgesehen für den Einsatz in Leistungsschalterantrieben, zur Verfügung zu stellen, welches vorgenannte Nachteile vermeidet und insbesondere die Kosten des Federspeicherantriebes durch eine optimale Ausnutzung der im Speichermodul vorhandenen speicherbaren Energie reduziert.
Diese Aufgabe wird durch ein Speichermodul für einen hydromechanischen für einen Federspeicherantrieb, vorgesehen zur Betätigung eines Schalters, gemäß Anspruch 1 sowie durch den Leistungsschalter gemäß dem nebengeordneten Anspruch 7 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße Speichermodul für einen hydromechanischen Federspeicherantrieb zur Betätigung eines Schalters, insbesondere eines Leistungsschalters, umfasst zwei Trägerplatten zwischen denen ein Getriebemodul und eine Schraubenfederanordnung angeordnet sind, deren Federkraft auf einen mit der Schraubenfederanordnung und dem Getriebemodul zusammenwirkenden in einem Hydraulikzylinder geführten Speicherkolben zur Betätigung des Schalters wirkt. Die Schraubenfederanordnung ist aus wenigstens mehreren Schraubendruckfedern oder Schraubenzugfedern aufgebaut, welche an ihren Enden zwischen den Trägerplatten gehalten sind. Die Federn sind erfindungsgemäß um das Getriebemodul angeordnet und begrenzen so einen Innenraum, in dem sich das Getriebemodul befindet.
Das Getriebemodul ist so ausgeführt, dass es in der Lage ist, die mit dem Federweg linear ansteigende Federkraft der Schraubendruckfedern derart zu übersetzen, dass der Druck, den das Speichermodul bereitstellt, und somit die auf den Speicherkolben wirkende Kraft, über den gesamten Hub des Speicherkolbens nahezu konstant gehalten wird.
Erfindungsgemäß ist das Getriebemodul dazu als Hebelgetriebe ausgeführt und wie vorab beschrieben, zwischen den Auflageflächen der Federn angeordnet.
Das Hebelgetriebe ist aus Hebeln und Hebelaufnahmen aufgebaut, wobei die Hebelaufnahmen die Hebel untereinander und mit den umliegenden Bauteilen verbinden. Das Hebelgetriebe verfügt vorzugsweise über vier Hebelaufnahmen. Zwei Hebelaufnahmen sind indirekt an die Federn angebunden, eine dritte Hebelaufnahme ist mit dem Speicherkolben und eine vierte Hebelaufnahme ist mit einer Ankerplatte verbunden, die wiederum mit dem Hydraulik- oder Speicherzylinder verbunden ist. In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Speichermoduls wurde aufgrund der großen auftretenden Kräfte ein paralleler Aufbau von zwei identischen Getrieben mit jeweils vier Hebeln gewählt. Zwischen den Wellen der Hebelaufnahmen und den Hebeln werden Gleitlager eingesetzt und diese axial mit Sicherungsringen gesichert.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Speichermoduls sind zwischen den Trägerplatten vorzugsweise sechs Schraubendruckfedern angeordnet, die an Ihren Enden jeweils von den Trägerplatten aufgenommen sind.
Die Trägerplatten sind in einer bevorzugten Ausführungsform mit wenigstens einer Öffnung versehen, die als Öffnung für die dahinterliegenden Adapterplatten zur Bewegungsumkehr dienen. Die Adapterplatten sind zum einen mit der Hebelaufnahme das Getriebemoduls und zum anderen über Zugankern mit den Trägerplatten verbunden, wodurch die Nutzung von Druckfedern ermöglicht wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist das erfindungsgemäße Speichermodul für einen Federspeicherantrieb zur Betätigung eines Schalters, insbesondere eines Hochspannungs- oder Mittelspannungsleistungsschalters vorgesehen.
Mit dem erfindungsgemäßen Speichermodul wird in vorteilhafter Weise bei einer Optimierung der Platzverhältnisse durch die Verwendung von Schraubendruckfedern die von der Schraubendruckfeder bereitgestellte nicht konstante Federkraft mithilfe des eingesetzten Hebelgetriebes linearisiert und so über den gesamten Kolbenhub des Speicherkolbens hydraulische Energie bei nahezu konstantem Druck bereitgestellt, um dabei eine möglichst konstante Kraft auf den Speicherkolben des Federspeicherantriebes auszuüben.
Das im Speichermodul eingesetzte Hebelgetriebe erlaubt bei gleichem Betriebsverhalten, die im Vergleich zu Tellerfedern deutlich günstigeren Schraubendruckfedern einzusetzen. Das Getriebe kann außerdem so eingestellt werden, dass die Federn nur eine geringe Vorspannung benötigen, um zwischen den Trägerplatten eingespannt zu werden. Somit ist im Betrieb des Speichermoduls annähernd die gesamte in den Federn gespeicherte Energie nutzbar.
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 eine beispielhafte Darstellung des erfindungsgemäßen Speichermoduls eines hydraulischen Federspeicherantriebs,
2 eine detaillierte Darstellung des Getriebemoduls im teilweise zusammengebauten erfindungsgemäßen Speichermodul,
3 eine beispielhafte schematische Darstellung der Einzelkomponenten des in 1 dargestellten Speichermoduls, und
4 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Übertragungsfunktionen eines Schraubenfedern oder Tellerfedern aufweisenden Speichermoduls.

1 zeigt eine beispielhafte schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Speichermoduls für einen hydraulischen Federspeicherantrieb zur Betätigung eines Hochspannungsleistungsschalter mit zwei Trägerplatten 3, 4, zwischen denen ein Getriebemodul 1 und eine Schraubenfederanordnung angeordnet sind, deren Federkraft über das Getriebemodul 1, welches die in der Schraubenfederanordnung gespeicherten Energie auf einen in einem Hydraulikzylinder 10 geführten und in axialer Richtung beweglichen Speicherkolben 12 zur Betätigung des Schalters überträgt.
Die Schraubendruckfederanordnung umschließt zwei sich gegenüberliegende Federpakete, welche jeweils aus drei in einer Reihe angeordneten zylinderförmigen Schraubendruckfedern 6 aufgebaut sind, wobei die Schraubendruckfedern 6 an ihren Enden zwischen den zwei Trägerplatten 3, 4 gehalten sind.
Die Schraubenfederanordnung und der Kolben 12 sind durch das Getriebemodul 1 indirekt gekoppelt, um den Federhub der Schraubenfederanordnung in den Kolbenhub des Kolbens 12 umzusetzen. Die Kopplung wird durch die Adapterplatten 2, die Zuganker der vier Adapterplatten 5 und die Trägerplatten 3, 4 realisiert.
Das Getriebemodul 1 stützt sich auf der Ankerplatte 7 ab, die über die zwei Zuganker 8 und Anschlüsse 9 mit dem Hydraulikzylinder verbunden ist.
Das Getriebemodul 1 ist als Hebelgetriebe ausgeführt und zwischen den auf den Trägerplatten 3, 4 befindlichen Auflageflächen 11 der Federn 6 innerhalb der beiden Federpakete angeordnet.
Das Hebelgetriebe 1, welches 2 detailliert zeigt, ist aus exzentrisch gelagerten Hebeln 14 und Hebelaufnahmen 15 aufgebaut, wobei die Hebelaufnahmen 15 die Hebel 14 untereinander und mit den umliegenden Bauteilen verbinden. Das Hebelgetriebe 1 verfügt über vier Hebelaufnahmen 15. Zwei der vier Hebelaufnahmen 14 sind indirekt an die Federn 6 (in 2 sind lediglich vier der vorgesehenen sechs Federn montiert) angebunden, eine dritte Hebelaufnahme ist mit dem Speicherkolben 12 und eine vierte Hebelaufnahme ist mit der Ankerplatte 7 verbunden, die wiederum mit dem Hydraulik- oder Speicherzylinder 10 verbunden ist. Aufgrund der großen auftretenden Kräfte besteht das Getriebemodul aus zwei identischen parallel zueinander angeordneten Getriebeteilen mit jeweils vier Hebeln 14. Zwischen den Wellen der Hebelaufnahmen 15 und den Hebeln 14 sind Gleitlager eingesetzt und diese axial mit Sicherungsringen gesichert.
Das Hebelgetriebe 1 ist so ausgestaltet, dass es in der Lage ist, die mit dem Federweg linear ansteigende Federkraft der Schraubendruckfedern 6 derart zu übersetzen, dass der Druck, den das Speichermodul bereitstellt, über den gesamten Hub des Speicherkolbens 12 nahezu konstant ist. Damit erfolgt eine Linearisierung der Federkennlinie der Schraubenfedern 6.
Das Getriebemodul 1, die Adapterplatten 2 mit den Zugankern 5 und die Ankerplatte 7 mit den weiteren Zugankern 8 sind somit in vorteilhafter Weise mit den jeweils rechts und links am Getriebemodul 1 angeordneten Schraubendruckfedern 6 zwischen den beiden Trägerplatten 3, 4 montiert, so dass ein minimaler Platzbedarf für die Baugruppe Speichermodul des Federspeicherantriebes notwendig ist.
Die Trägerplatten 4, 5 sind in einer bevorzugten Ausführungsform jeweils mit wenigstens einer Öffnung oder Ausnehmung 13 versehen, in welche die dahinterliegenden Adapterplatten 2, deren Zugankern 5 und das Getriebemodul 1 beim Komprimieren der Schraubendruckfedern 6 durchgeführt werden.
3 zeigt eine beispielhafte schematische Darstellung der Einzelkomponenten des in 1 dargestellten Speichermoduls vor der Montage mit dem Hydraulikzylinder 10, in welchem der Speicherkolben 12 bewegbar geführt ist, dem Getriebemodul 1, den beiden Trägerplatten 3, 4 mit ihren Ausnehmungen 13 und Auflageflächen 11 für die Schraubendruckfedern 6, die als zwei separate Federpakete bestehend aus jeweils drei Schraubendruckfedern 6 aufgebaut sind, den zwei Adapterplatten 2 mit darauf angeordneten vier Zugankern 5 und der Ankerplatte 7 mit den zwei darauf befestigten weiteren Zugankern 8, die dafür vorgesehen sind, durch die am Hydraulikzylinder 10 vorhandenen Anschlüsse 9 geführt werden.
4 zeigt eine schematische Darstellung der ausgeübten Kolbenkraft des Speicherkolbens 12 des Speichermoduls mit Tellerfedern (K1) gegenüber des erfindungsgemäßen Speichermoduls 12 mit einer Schraubendruckfederanordnung (K2), wobei bei der Schraubenfederanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung nur eine relativ geringe Vorspannung erforderlich ist.
Bezugszeichenliste

1: Getriebemodul
2: Adapterplatte
3, 4: Trägerplatte
5: Zuganker der Adapterplatte
6: Schraubendruckfeder
7: Ankerplatte
8: Zuganker der Ankerplatte
9: Anschluss an den Hydraulikzylinder
10: Hydraulikzylinder
11: Auflagefläche der Schraubendruckfedern
12: Speicherkolben
13: Öffnung, Ausnehmung
14: Hebel
15: Hebelaufnahme

Claims

Speichermodul für einen hydromechanischen Federspeicherantrieb zur Betätigung eines Schalters umfassend: zwei Trägerplatten (3, 4) zwischen denen ein Getriebemodul (1) und eine Schraubenfederanordnung angeordnet sind, deren Federkraft auf einen mit der Schraubenfederanordnung und dem Getriebemodul (1) zusammenwirkenden in einem Hydraulikzylinder (10) geführten Speicherkolben (12) zur Betätigung des Schalters wirkt, wobei - die Schraubenfederanordnung aus mehreren Schraubendruckfedern oder Schraubenzugfedern (6) aufgebaut ist, welche an ihren Enden zwischen den Trägerplatten (3, 4) gehalten sind, wobei die Trägerplatten (3, 4) zur Aufnahme der Enden der Schraubendruckfedern oder Schraubenzugfedern (6) Auflageflächen (11) aufweisen, - die Schraubendruckfedern oder Schraubenzugfedern (6) um das Getriebemodul (1) angeordnet sind und so einen Innenraum begrenzen, in dem sich das Getriebemodul (1) befindet, - das Getriebemodul (1) so ausgeführt ist, dass die mit dem Federweg linear ansteigende Federkraft der Schraubendruckfedern (6) die auf den Speicherkolben (12) wirkende Kraft über den gesamten Hub des Speicherkolbens (12) nahezu konstant hält, und - das Getriebemodul (1) als Hebelgetriebe ausgeführt ist, welches zwischen den Auflageflächen (11) der Federn angeordnet ist.
Speichermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Trägerplatten (3, 4) wenigstens sechs Schraubendruckfedern oder Schraubenzugfedern (6) angeordnet sind.
Speichermodul nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebemodul (1) über Adapterplatten (2) und Zuganker (5) der Adapterplatten (2) mit den Trägerplatten (3, 4) gekoppelt ist.
Speichermodul nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebemodul (1) sich auf einer Ankerplatte (7) abstützt, die über Zuganker (8) mit dem Hydraulikzylinder verbunden ist.
Speichermodul nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebemodul (1) inklusive seiner Kraftleitung im Inneren des Schraubenfederpaktes angeordnet ist und das Getriebemodul (1) während eines Schaltvorganges die Trägerplatten (3, 4) durchdringt.
Speichermodul nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebemodul (1) exzentrisch gelagerte Hebel aufweist.
Hochspannungsleistungsschalter mit einem hydromechanischen Federspeicherantrieb, der mit dem Speichermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 6 versehen ist.