DE102015121719A1

DE102015121719A1 - Ventilanordnung zur hydraulischen Ansteuerung einer Kolben-Zylinderanordnung eines Hoch- oder Mittelspannungsleistungsschalters

Info

Publication number: DE102015121719A1
Application number: DE102015121719.8A
Authority: DE
Inventors: Thomas Brenneis; Thomas Klose; Matthias Schmidt; Niko Robens
Original assignee: ABB Schweiz AG
Current assignee: Hitachi Energy Switzerland AG
Priority date: 2015-12-14
Filing date: 2015-12-14
Publication date: 2017-06-14
Also published as: CN108603520B; WO2017102331A1; US10830256B2; CN108603520A; EP3390840B1; EP3390840A1; US20190017521A1

Abstract

Eine Ventilanordnung zur hydraulischen Ansteuerung eines Kolben-Zylinders eines Leistungsschalters (7) enthält eine Hauptstufe mit einem ersten Hauptventil (31) und einem zweiten Hauptventil (32) sowie eine Vorsteuerstufe mit mindestens einem Vorsteuerventil (3, 4). Eine Hochdruckleitung (P) ist direkt mit einem eingangsseitigen Ventilanschluss (33) des ersten Hauptventils verbunden, und eine Niederdruckleitung (T) direkt mit einem eingangsseitigen Ventilanschluss (34) des zweiten Hauptventils. Ein ausgangsseitiger Ventilanschluss (35) des ersten Hauptventils (31) und ein ausgangsseitiger Ventilanschluss (36) des zweiten Hauptventils (32) sind miteinander (Z) und mit dem Kolben-Zylinder verbunden. Die Vorsteuerstufe stellt in einer ersten Stellung des mindestens einen Vorsteuerventils (3, 4) eine Verbindung zwischen der Hochdruckleitung (P) und einer öffnend wirkenden ersten Steuerflächen (F4) des ersten Hauptventils (31) und einer schließend wirkenden ersten Steuerfläche (F8) des zweiten Hauptventils (32) her, so dass dem Raum (10) des Kolben-Zylinders Hochdruckfluid zugeführt wird. In einer zweiten Stellung der Vorsteuerstufe wird eine Verbindung zwischen den jeweils ersten Steuerflächen (F4, F8) der Hauptventile und der Niederdruckleitung (T) hergestellt, wodurch das Fluid aus dem Kolben-Zylinder abgeführt wird. Um ein sicheres Verbleiben des ersten Hauptventils (31) im geöffneten Zustand auch bei Druckschwankungen zu ermöglichen, weist das erste Hauptventil insgesamt vier Steuerflächen auf, von denen eine zweite (F5) und eine dritte (F6) Steuerfläche schließend wirken und eine vierte Steuerfläche (F7) öffnend wirkt. Dabei ist die zweite Steuerfläche (F5) an die Hochdruckleitung (P) angeschlossen, die dritte Steuerfläche (F6) an die Niederdruckleitung (T), und die vierte Steuerfläche (F7) ist mit dem ausgangsseitigen Ventilanschluss (35) des ersten Hauptventils (31) verbunden. Das Größenverhältnis der öffnend wirkenden (F4, F7) zu den schließend wirkenden (F5, F6) Steuerflächen ist so gewählt, dass im geöffneten Zustand des ersten Hauptventils (31) eine öffnend wirkende resultierende Kraft bestehen bleibt.

Description

Die Erfindung betrifft den Bereich der hydraulischen Ansteuerung einer Kolben-Zylinderanordnung mittels einer Ventilanordnung, wobei die Ventilanordnung zu einem Antrieb zur Betätigung eines Hoch- oder Mittelspannungsleistungsschalters gehört. Aufgrund des Zusammenwirkens von Hydraulik und Mechanik wird der Antrieb auch als hybrid-mechanischer Antrieb bezeichnet. Unter Hochspannung wird hierbei der Spannungsbereich oberhalb von 50 kV verstanden, während als Mittelspannung der Bereich zwischen 1 und 50 kV angesehen wird.
Aus der EP 2 234 135 B1 sowie der DE 10 2009 053 901 B3 sind jeweils zweistufige Ventilanordnungen zur Betätigung eines Kolbens eines hydraulischen Antriebs bekannt, wobei der hydraulische Antrieb zur Betätigung eines Hochspannungsleistungsschalters vorgesehen ist. Die Ventilstufen umfassen eine Vorsteuerstufe und eine Hauptstufe.
Die Ventilanordnung der EP 2 234 135 B1 besteht aus einem 3/2-Wegeventil als Vorsteuerventil sowie zwei 2/2-Wegeventilen als Hauptventile, während in der Ventilanordnung der DE 10 2009 053 901 B3 ebenfalls zwei 2/2-Wegeventile als Hauptventile vorhanden sind, jedoch die Funktion des 3/2-Wege-Vorsteuerventils durch zwei 2/2-Wegeventile als Vorsteuerventile ausgeübt wird.
In 1 ist die Ventilanordnung der EP 2 234 135 B1 gemeinsam mit der durch die Ventilanordnung angesteuerten Kolben-Zylinderanordnung sowie dem zu betätigenden Hochspannungsleistungsschalter 7 dargestellt. Ventilanordnung und Kolben-Zylinderanordnung gehören gemeinsam zu einem hydraulischen Antrieb zur Betätigung des Hochspannungsleistungsschalters.
In einer ersten Stellung des Vorsteuerventils 11 wird der Weg von einem Hochdruckspeicher 9 über ein erstes Hauptventil 1 zu einem innerhalb des Zylinders 12 und oberhalb des Kolbens 6 befindlichen Raum 10 freigemacht, d.h. das unter Hochdruck stehende Fluid wird dem Raum 10 oberhalb des Kolbens 6 zugeführt, so dass der Hochspannungsleistungsschalter 7 geschlossen wird. Das Fluid wird üblicherweise durch ein Hydrauliköl gebildet. In einer zweiten Stellung des Vorsteuerventils 11 wird der Raum 10 über ein zweites Hauptventil 2 mit einem Niederdrucktank 8 verbunden, d.h. der Raum 10 oberhalb des Kolbens 6 wird druckentlastet, wodurch sich der Kolben 6 zurückbewegt und den Hochspannungsleistungsschalter 7 öffnet.
Die alternative Ventilanordnung der DE 10 2009 053 901 B3 ist in 2 zu sehen, wieder zusammen mit der Kolben-Zylinderanordnung (6, 12) des hydraulischen Antriebs und dem zu betätigenden Schalter 7. Gleiche Elemente zu 1 tragen dieselben Bezugszeichen, und die grundsätzliche Arbeitsweise der Ventilanordnung ist dieselbe wie oben für 1 beschrieben.
Die ersten und zweiten Vorsteuerventile, 3 und 4, der 2 sind als elektrisch betätigte und federrückgestellte NC-Ventile ausgeführt. Durch die technisch bedingte Federrückstellung kommt es nach einer Schaltung stets zu der Situation, dass im Vorsteuerbereich, also im hydraulischen Bereich der Vorsteuerstufe, ein eingeschlossenes Ölvolumen entsteht, welches für die korrekte Positionierung des ersten Hauptventils 1 und des zweiten Hauptventils 2 der Hauptstufe für die Zeitdauer bis zum nächsten Schaltvorgang verantwortlich ist.
Die 2/2-Wegeventile 3 und 4 der Vorsteuerstufe sind jedoch niemals vollkommen leckagefrei. Je nach Schaltstellung kann nun die interne Leckage an den Vorsteuerventilen 3 und 4 zu einem unerwünschten Druckaufbau oder -abbau führen, was die korrekte Positionierung der Hauptventile 1 und 2 gefährden könnte. In der DE 10 2009 053 901 B3 wird das Problem dadurch gelöst, dass zwischen dem Vorsteuerbereich, also dem hydraulischen Bereich, in dem das Öl eingeschlossen ist, und dem Hauptsteuerbereich, also dem Bereich, der den Hauptkolben 6 antreibt, eine kleine Blende oder Drossel 5 eingebaut wird. Konkret befindet sich die Drossel 5 zwischen der mit den Steuereingängen der Hauptventile 1, 2 verbundenen Ausgangsseite X der Vorsteuerventile 3, 4 und der mit dem Raum 10 der Kolben-Zylinder-Anordnung (6, 12) verbundenen Ausgangsseite Z der Hauptventile 1, 2.
In der EP 2933816 A1 wird vorgeschlagen, anstelle der Drossel ein Wechselventil einzusetzen, und zwar in der Art, dass das Wechselventil bis zu einem vordefinierten Volumenstrom bzw. bis zu einer vordefinierten Druckdifferenz einen Durchgang ermöglicht und oberhalb dieses vordefinierten Volumenstroms bzw. dieser vordefinierten Druckdifferenz die beiden an das Ventil angeschlossenen Druckleitungen voneinander trennt. Dabei ist das Hydraulikventil in beiden Volumenstromrichtungen gleichartig wirksam.
Hinsichtlich der aus der DE 10 2009 053 B3 bekannten Ventilanordnung (2) wurden nun folgende Nachteile festgestellt: Das erste Hauptventil 1 besitzt drei Steuerflächen F1, F2, F3, mit dem Flächenverhältnis F1 = F2 + F3. Hierbei wirkt F1 für das erste Hauptventil 1 öffnend, und F2 und F3 wirken schließend. Wird das erste Hauptventil 1 geöffnet, wird der Hochspannungsleistungsschalter 7 geschlossen, d.h. eingeschaltet.
Nach Beendigung dieses Einschaltvorganges wirkt auf alle drei Steuerflächen F1, F2, F3 des ersten Hauptventils 1 der gleiche Druck, und zwar Hochdruck. Aufgrund der Gleichheit der Größe der ersten Steuerfläche F1 mit der Summe aus den Größen der zweiten Steuerfläche F2 und der dritten Steuerfläche F3 befinden sich dann die Kräfte in Richtung Öffnen bzw. Schließen des erstens Hauptventils 1 im Gleichgewicht. Das erste Hauptventil 1 wird in diesem Zustand, also dem stationären Einschaltzustand des Hochspannungsleistungsschalters 7, lediglich durch die, im Vergleich zu den wirkenden Druckkräften, verhältnismäßig schwache Federrastierung 13 geöffnet gehalten. Hierbei unterliegt die zweite Steuerfläche F2 einem Druck, der zu einem nennenswerten Anteil von der Strömung des Hydrauliköls abhängig ist.
Da der tatsächlich wirkende Druck abhängig von der real vorhandenen Durchströmung des ersten Hauptventils 1 ist, kommt es vor, dass das Kräfteverhältnis zwischen den Kräften der Steuerflächen F1, F2 und F3 nicht mehr ausgeglichen ist, sondern sich zeitweise so verändert, dass die durch die zweite Steuerfläche F2 erzeugte Kraft steigt. Dadurch wird die von der ersten Steuerfläche F1 erzeugte Öffnungskraft kleiner als die Summe der Schließkräfte der zweiten und dritten Steuerflächen, F2 und F3, und das erste Hauptventil 1 schließt. Die sich dadurch ändernde Strömung verringert damit zwar wieder die durch die zweite Steuerfläche F2 wirkende Schließkraft, so dass sich das erste Hauptventil 1 wieder im Gleichgewicht befindet. Das Kräftegleichgewicht bewirkt jedoch keine erneute Öffnung des ersten Hauptventils 1, sondern es verharrt im aktuellen geschlossenen Zustand. Ein derartiges Verweilen des ersten Hauptventils 1 in der Geschlossen-Stellung bei gleichzeitigem Einschaltzustand des Hochspannungsleistungsschalters 7 ist unerwünscht, da es den Leckage-Ausgleich im Steuerbereich zwischen den Hauptventilen 1 und 2 aufgrund des Abtrennens der Steuerleitungen vom Hochdruckspeicher 9 verhindert. Dies kann zur Folge haben, dass entweder ein unerwünschtes Öffnen und damit Ausschalten des Hochspannungsleistungsschalters 7 aufgrund einer Leckage im X-Bereich erfolgt, oder sogar ein unerwünschtes langsam stattfindendes Ausschalten aufgrund einer Leckage im Z-Bereich. Beides stellt eine maßgebliche Fehlfunktion des hybrid-mechanischen Antriebs dar.
Sofern die Strömungsänderung an der zweiten Steuerfläche F2 wiederum während des Einschaltvorgangs des Hochspannungsleistungsschalters 7 auftritt, wird dieser Einschaltvorgang stark verlangsamt. Eine derartige langsame Einschaltung wird ebenfalls als maßgeblicher Funktionsfehler des hybrid-mechanischen Antriebs eingestuft.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Ventilanordnung zur hydraulischen Ansteuerung einer Kolben-Zylinderanordnung eines Hoch- oder Mittelspannungsleistungsschalters anzugeben, mit der die oben beschriebenen Probleme einer ungewollten bzw. langsamen Ausschaltung oder einer langsamen Einschaltung des Hochspannungsleistungsschalters behoben werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1.
Ausgegangen wird dabei von der bekannten zweistufigen Ventilanordnung nach 1 bzw. 2 zur hydraulischen Ansteuerung eines Kolbens in einem Zylinder eines Hoch- oder Mittelspannungsleistungsschalters, umfassend

• eine Hauptstufe mit einem als 2/2-Wegeventil ausgeführten ersten Hauptventil und einem als 2/2-Wegeventil ausgeführten zweiten Hauptventil, wobei eine, ein unter Hochdruck stehendes Fluid führende, Hochdruckleitung (P) direkt mit einem eingangsseitigen Ventilanschluss des ersten Hauptventils verbunden ist, und wobei eine, ein unter Niederdruck stehendes Fluid führende, Niederdruckleitung direkt mit einem eingangsseitigen Ventilanschluss des zweiten Hauptventils verbunden ist, und
• eine Vorsteuerstufe mit mindestens einem Vorsteuerventil, welche eingangsseitig zwei Anschlüsse aufweist, wobei einer der Anschlüsse mit der Hochdruckleitung und der andere der Anschlüsse mit der Niederdruckleitung verbunden ist, wobei
• ein ausgangsseitiger Ventilanschluss des ersten Hauptventils und ein ausgangsseitiger Ventilanschluss des zweiten Hauptventils miteinander und mit einem auf einer Seite des Kolbens befindlichen Raum hydraulisch verbunden sind,
• ein hydraulischer Vorsteuerausgang der Vorsteuerstufe sowohl mit einer öffnend wirkenden ersten Steuerfläche des ersten Hauptventils als auch mit einer schließend wirkenden ersten Steuerfläche des zweiten Hauptventils verbunden ist,
• die Vorsteuerstufe in einer ersten Stellung des mindestens einen Vorsteuerventils eine Verbindung zwischen der Hochdruckleitung und dem hydraulischen Vorsteuerausgang herstellt, wodurch der auf die ersten Steuerflächen der Hauptventile wirkende Hochdruck ein Öffnen des ersten Hauptventils und ein Schließen des zweiten Hauptventils bewirkt, so dass dem auf einer Seite des Kolbens befindlichen Raum unter Hochdruck stehendes Fluid zugeführt wird, und
• die Vorsteuerstufe in einer zweiten Stellung des mindestens einen Vorsteuerventils eine Verbindung zwischen der Niederdruckleitung und dem hydraulischen Vorsteuerausgang herstellt, wodurch der auf die ersten Steuerflächen der Hauptventile wirkende Niederdruck ein Schließen des ersten Hauptventils und ein Öffnen des zweiten Hauptventils bewirkt, so dass aus dem auf einer Seite des Kolbens befindlichen Raum Fluid in Richtung Niederdruckleitung abgeführt wird.

Gemäß der Erfindung weist das erste Hauptventil insgesamt vier Steuerflächen auf, also zusätzlich zur ersten Steuerfläche des Hauptventils noch drei weitere Steuerflächen, von denen eine zweite und eine dritte Steuerfläche des ersten Hauptventils schließend wirken und eine vierte Steuerfläche des ersten Hauptventils öffnend wirkt. Dabei ist die zweite Steuerfläche des ersten Hauptventils an die Hochdruckleitung angeschlossen; die dritte Steuerfläche des ersten Hauptventils ist an die Niederdruckleitung angeschlossen; und die vierte Steuerfläche des ersten Hauptventils ist mit dem ausgangsseitigen Ventilanschluss des ersten Hauptventils verbunden.
Das Größenverhältnis der öffnend wirkenden zu den schließend wirkenden Steuerflächen des ersten Hauptventils verhält sich dabei so, dass im geöffneten Zustand des ersten Hauptventils eine öffnend wirkende resultierende Kraft bestehen bleibt. Letzteres steht im Gegensatz zur bekannten Ausgestaltung nach 2, bei der es nach Erreichen des geöffneten Zustands des ersten Hauptventils 1 zu einem Kräftegleichgewicht zwischen öffnend und schließend wirkenden Kräften am ersten Hauptventil kommt, so dass Druckschwankungen zu einem unerwünschten Schließen führen können.
Mit anderen Worten beinhaltet das erste Hauptventil der vorliegenden Erfindung nun vier anstelle der bekannten drei Steuer- oder Wirkflächen. Von den vier Steuerflächen wirken zwei schließend und zwei öffnend. Zusätzlich wird eine der schließend wirkenden Steuerflächen permanent mit der Niederdruckleitung und darüber mit dem Niederdrucktank verbunden. Die Größen der öffnend wirkenden Steuerflächen sind dabei im Verhältnis zu den Größen der schließend wirkenden Steuerflächen so gewählt, dass das erste Hauptventil auch bei Druckschwankungen sicher im geöffneten Zustand verbleibt.
In einer Ausgestaltung ist die Summe aus der Größe der ersten und der Größe der vierten Steuerfläche des ersten Hauptventils größer als die Größe der zweiten Steuerfläche des ersten Hauptventils, wobei in einer besonders bevorzugten Ausgestaltung die Summe aus der Größe der ersten und der Größe der vierten Steuerfläche des ersten Hauptventils genauso groß ist wie die Summe aus der Größe der zweiten und der Größe der dritten Steuerfläche des ersten Hauptventils. Da die dritte Steuerfläche dauerhaft mit der Niederdruckleitung verbunden ist, befinden sich im geöffneten Zustand des ersten Hauptventils nur die erste, zweite und vierte Steuerfläche auf Hochdruck. Sollte es zu unerwünschten Druckerhöhungen an der direkt mit der Hochdruckleitung verbundenen zweiten Steuerfläche kommen, so genügt die öffnende Wirkung der zusammen größeren, und dabei insbesondere der um den Betrag der Größe der dritten Steuerfläche vergrößerten, ersten und vierten Steuerflächen aus, um ein unerwünschtes Schließen des ersten Hauptventils zu vermeiden.
In einer weiteren Ausgestaltung ist die zweite Steuerfläche des ersten Hauptventils mindestens so groß wie die vierte Steuerfläche des ersten Hauptventils. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die schließende Wirkung der zweiten Steuerfläche ausreicht, um direkt nach Anlegen des Niederdrucks an die erste Steuerfläche die öffnende Wirkung der vierten Steuerfläche zu überwinden und das Schließen des ersten Hauptventils einzuleiten.
In einer weiteren Ausführung ist das zweite Hauptventil mit einer federkraftbasierten Rastierung versehen, die im geöffneten Zustand des zweiten Hauptventils einrastet. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass das zweite Hauptventil auch nach dem Ausschalten des Hochspannungsleistungsschalters, wenn das zweite Hauptventil komplett drucklos ist, in geöffnetem Zustand verbleibt. Dieses gewünschte Verhalten wird auch als Schaltstellungsgedächtnis bezeichnet. Bei nicht vorhandener Rastierung würde ansonsten das zweite Hauptventil durch die im Ventil vorhandene Rückstellfeder automatisch geschlossen werden.
In einer weiteren Ausführung sind das erste und/oder das zweite Hauptventil mit einer manuellen Rückstellmöglichkeit versehen. Auf diese Weise wird ein Nachteil der bekannten Ventilanordnungen nach 1 bzw. 2 beseitigt, welcher im Zusammenhang mit einem Transport, beispielsweise bei Auslieferung des Leistungsschalter-Antriebs, auftreten kann. Während des Transports befindet sich die gesamte zweistufige Ventilanordnung im drucklosen Zustand, weshalb die beiden Hauptventile lediglich durch ihre eigene Federrastierung bzw. Rückstellfeder in den jeweiligen Schaltstellungen gehalten werden. Sollte sich eines bzw. beide der Hauptventile in eine Zwischenstellung begeben, beispielsweise ausgelöst durch Vibration oder Schockbelastung, könnte die Situation auftreten, dass beide Hauptventile gleichzeitig durchlässig wären. In diesem Fall könnte die zweistufige Ventilanordnung und damit der Antrieb nicht mehr in Betrieb genommen werden, da kein Druck aufgebaut werden kann. Statt dessen würde eine Pumpe das Fluid, welches üblicherweise ein Hydrauliköl ist, lediglich im Kreis fördern, da die Hauptventile einen direkten Durchfluss von der Hochdruckleitung zur Niederdruckleitung, d.h. vom eigentlichen Hochdruckbereich in den Niederdrucktank, gestatten würden.
Mittels der manuellen Rückstellmöglichkeit kann nun das von vibrationsbedingtem Verstellen betroffene Hauptventil wieder in seine Ausgangslage zurückverbracht werden, so dass die Inbetriebnahme ungehindert stattfinden kann.
Anhand der in den weiteren Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele sollen die Erfindung und ihre mögliche Ausgestaltung näher beschrieben werden.
Es zeigen:
1 eine erste bekannte zweistufige Ventilanordnung zur Betätigung eines Kolbens und damit eines Hochspannungsleistungsschalters;
2 eine zweite bekannte zweistufige Ventilanordnung mit einer Blende zur Abführung eines Leckagestroms;
3 eine dritte zweistufige Ventilanordnung gemäß der Erfindung;
4 eine Ausführung des ersten Hauptventils aus 3;
5 eine Ausführung des zweiten Hauptventils aus 3.
3 zeigt eine mögliche Ausführung einer zweistufigen Ventilanordnung gemäß der Erfindung. Die zweistufige Ventilanordnung dient der hydraulischen Ansteuerung eines Kolbens 6 in einem Zylinder 12 eines Hoch- oder Mittelspannungsleistungsschalters 7. Die zweistufige Ventilanordnung umfasst dabei eine Hauptstufe mit zwei 2/2-Wegeventilen, welche als erstes Hauptventil 31 und als zweites Hauptventil 32 bezeichnet werden, sowie eine Vorsteuerstufe mit zwei 2/2-Wegeventilen, welche als erstes Vorsteuerventil 3 und als zweites Vorsteuerventil 4 bezeichnet werden. Gleiche Bezugszeichen werden dabei für die mit den 1 und 2 übereinstimmenden Elemente verwendet.
Eine Hochdruckleitung P, welche ein unter Hochdruck stehendes Fluid führt, ist direkt mit einem eingangsseitigen Ventilanschluss 33 des ersten Hauptventils 31 verbunden und wird aus einem Hochdruckspeicher 9 gespeist. Das Fluid ist bevorzugt ein Hydrauliköl, kann aber beispielsweise auch Druckluft sein. Eine Niederdruckleitung T ist direkt mit einem eingangsseitigen Ventilanschluss 34 des zweiten Hauptventils 32 verbunden, wobei die Niederdruckleitung T das unter Niederdruck stehende Fluid führt und mit einem Niederdrucktank 8 verbunden ist.
Die Vorsteuerstufe weist eingangsseitig zwei Anschlüsse auf, wobei einer der Anschlüsse, und zwar der eingangsseitige Anschluss 37 des ersten Vorsteuerventils 3, mit der Hochdruckleitung P verbunden ist, und wobei der andere der Anschlüsse, nämlich der eingangsseitige Anschluss 38 des zweiten Vorsteuerventils 4, mit der Niederdruckleitung T verbunden ist.
Ein ausgangsseitiger Ventilanschluss 35 des ersten Hauptventils 31 und ein ausgangsseitiger Ventilanschluss 36 des zweiten Hauptventils 32 sind miteinander an einem hydraulischen Verbindungsknoten Z verbunden, und darüber mit einem auf einer Seite des Kolbens 6 befindlichen Raum 10, d.h. die ausgangsseitigen Ventilanschlüsse 35, 36 der Hauptventile 31, 32 speisen direkt in den Raum 10 ein.
Die Vorsteuerstufe besitzt einen hydraulischen Vorsteuerausgang X, welcher jeweils mit dem ausgangsseitigen Anschluss des ersten und zweiten Vorsteuerventils 3, 4 verbunden ist. Der Vorsteuerausgang X wiederum ist mit einer öffnend wirkenden ersten Steuerfläche F4 des ersten Hauptventils 31 und mit einer schließend wirkenden ersten Steuerfläche F8 des zweiten Hauptventils 32 verbunden.
In einer ersten Stellung der Vorsteuerventile 3, 4 stellt die Vorsteuerstufe eine Verbindung zwischen der Hochdruckleitung P und dem hydraulischen Vorsteuerausgang X her. In dieser ersten Stellung ist das erste Vorsteuerventil 3 geöffnet und das zweite Vorsteuerventil 4 geschlossen. Der daraufhin auf die ersten Steuerflächen F4, F8 der Hauptventile 31, 32 wirkende Hochdruck bewirkt ein Öffnen des ersten Hauptventils 31 und ein Schließen des zweiten Hauptventils 32, so dass dem auf einer Seite des Kolbens 6 befindlichen Raum 10 das unter Hochdruck stehende Fluid zugeführt wird, wodurch der Hoch- oder Mittelspannungsleistungsschalter 7 eingeschaltet, also geschlossen, wird.
Die Vorsteuerstufe stellt in einer zweiten Stellung der Vorsteuerventile 3, 4 eine Verbindung zwischen der Niederdruckleitung T und dem hydraulischen Vorsteuerausgang X her. In dieser zweiten Stellung ist das erste Vorsteuerventil 3 geschlossen und das zweite Vorsteuerventil 4 geöffnet. Der daraufhin auf die ersten Steuerflächen F4, F8 der Hauptventile 31, 32 wirkende Niederdruck bewirkt ein Schließen des ersten Hauptventils 31 und ein Öffnen des zweiten Hauptventils 32, so dass aus dem auf einer Seite des Kolbens 6 befindlichen Raum 10 Fluid in Richtung Niederdruckleitung T abgeführt wird, was zum Ausschalten, also Öffnen, des Hoch- oder Mittelspannungsleistungsschalters 7 führt.
Erfindungsgemäß weist das erste Hauptventil 31 drei weitere Steuerflächen auf, wie auch der 4 zu entnehmen ist, welche eine mögliche Ausführung des ersten Hauptventils 31 zeigt. Neben der ersten Steuerfläche F4 des ersten Hauptventils, welche öffnend wirkt, gibt es eine zweite und eine dritte Steuerfläche, F5 und F6, des ersten Hauptventils, welche beide schließend wirken. Eine vierte Steuerfläche F7 des ersten Hauptventils wirkt wiederum öffnend.
Die zweite Steuerfläche F5 des ersten Hauptventils ist innerhalb der zweistufigen Ventilanordnung an die Hochdruckleitung P angeschlossen; die dritte Steuerfläche F6 des ersten Hauptventils ist an die Niederdruckleitung T angeschlossen, und die vierte Steuerfläche F7 des ersten Hauptventils ist mit dem ausgangsseitigen Ventilanschluss 35 des ersten Hauptventils 31 verbunden.
Gemäß der Erfindung verhält sich das Größenverhältnis der öffnend wirkenden Steuerflächen, F4 und F7, zu den schließend wirkenden Steuerflächen, F5 und F6, des ersten Hauptventils so, dass im geöffneten Zustand des ersten Hauptventils eine öffnend wirkende resultierende Kraft bestehen bleibt, so dass das erste Hauptventil 31 sicher im geöffneten Zustand verbleibt, selbst wenn es in der Hochdruckleitung P zu Druckschwankungen kommen sollte.
Im Folgenden soll die Flächengröße der ersten Steuerfläche F4 des ersten Hauptventils mit AF4 bezeichnet werden, und analog die Flächengrößen der übrigen Steuerflächen F5, F6, F7 des ersten Hauptventils mit AF5, AF6 und AF7. In der Ausführung nach 4 sind die Flächengrößen AF4, AF5, AF6 und AF7 so gewählt, dass die Summe aus der Größe der ersten (AF4) und der Größe der vierten (AF7) Steuerfläche des ersten Hauptventils genauso groß ist wie die Summe aus der Größe der zweiten (AF5) und der Größe der dritten (AF6) Steuerfläche des ersten Hauptventils, also AF4 + AF7 = AF5 + AF6. Damit ist auch gleichzeitig die Bedingung erfüllt, dass die Summe aus der Größe der ersten (AF4) und der Größe der vierten (AF7) Steuerfläche des ersten Hauptventils größer ist als die Größe der zweiten Steuerfläche (AF5), also AF4 + AF7 > AF5. Außerdem ist die zweite Steuerfläche des ersten Hauptventils mindestens so groß ist wie die vierte Steuerfläche des ersten Hauptventils, also AF5 ≥ AF7. Durch ersteres Größenverhältnis wird in der Ausgestaltung nach 4 sichergestellt, dass im geöffneten Zustand des ersten Hauptventils 31, wenn an der ersten (F4), zweiten (F5) und vierten (F7) Steuerfläche Hochdruck anliegt, eine unerwartete Vergrößerung des Druckes an der zweiten Steuerfläche F5 nicht zu einem unerwünschten Schließen des ersten Hauptventils führt. Das letztere Größenverhältnis sorgt dafür, dass zu Beginn eines gewünschten Schließvorgangs des ersten Hauptventils 31, wenn an der ersten Steuerfläche F4 von Hochdruck auf Niederdruck gewechselt wird, der Hochdruck an der zweiten Steuerfläche F5 ausreicht, um den Schließvorgang einzuleiten.
Wie in den 3 und 4 dargestellt, weist das erste Hauptventil 31 darüber hinaus eine federkraftbasierte Rastierung 40 auf, welche dafür sorgt, dass das erste Hauptventil 31 im geöffneten Zustand möglichst sicher verbleibt, bis eine ausreichend große Schließkraft dagegen wirkt.
Darüber hinaus ist das erste Hauptventil 31 mit einer manuellen Rückstellmöglichkeit 42 versehen, mit deren Hilfe das erste Hauptventil nach einem transportbedingten Verstellen wieder in den geschlossenen Zustand verbracht werden kann.
In 5 ist eine mögliche Ausgestaltung des zweiten Hauptventils 32 dargestellt. Dieses weist insgesamt drei Steuerflächen auf, also neben der ersten Steuerfläche F8 eine zweite Steuerfläche F9 des zweiten Hauptventils, sowie eine dritte Steuerfläche F10 des zweiten Hauptventils. In der zweistufigen Ventilanordnung nach 3 ist die zweite Steuerfläche F9 des zweiten Hauptventils an die Niederdruckleitung T angeschlossen, und die dritte Steuerfläche F10 des zweiten Hauptventils ist mit dem ausgangsseitigen Ventilanschluss 36 des zweiten Hauptventils 32 verbunden.
Auch das zweite Hauptventil 32 ist mit einer federkraftbasierten Rastierung 39 versehen ist, die im geöffneten Zustand des zweiten Hauptventils einrastet. Diese federkraftbasierte Rastierung 39 wirkt dabei insbesondere dem Krafteinfluss der Rückstellfeder 41 entgegen, so dass auf diese Weise ein Schaltstellungsgedächtnis realisiert werden kann, d.h. das zweite Hauptventil wird auch nach dem Ausschalten des Hoch- oder Mittelspannungsleistungsschalters 7, wenn das zweite Hauptventil komplett drucklos ist, in geöffnetem Zustand gehalten.
Die Rückstellfeder 41 ist beim zweiten Hauptventil 32 der 5 noch durch eine manuelle Rückstellmöglichkeit 42 ergänzt, so dass auch das zweite Hauptventil nach einem transportbedingten Verstellen und unerwünschten Einrasten der Rastierung 39 wieder in den geschlossenen Zustand verbracht werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2234135 B1 [0002, 0003, 0004]
DE 102009053901 B3 [0002, 0003, 0006, 0008]
EP 2933816 A1 [0009]
DE 102009053 B3 [0010]

Claims

Zweistufige Ventilanordnung zur hydraulischen Ansteuerung eines Kolbens (6) in einem Zylinder (12) eines Hoch- oder Mittelspannungsleistungsschalters (7), umfassend • eine Hauptstufe mit einem als 2/2-Wegeventil ausgeführten ersten Hauptventil (31) und einem als 2/2-Wegeventil ausgeführten zweiten Hauptventil (32), wobei eine ein unter Hochdruck stehendes Fluid führende Hochdruckleitung (P) direkt mit einem eingangsseitigen Ventilanschluss (33) des ersten Hauptventils (31) verbunden ist, und wobei eine ein unter Niederdruck stehendes Fluid führende Niederdruckleitung (T) direkt mit einem eingangsseitigen Ventilanschluss (34) des zweiten Hauptventils (32) verbunden ist, und • eine Vorsteuerstufe mit mindestens einem Vorsteuerventil (3, 4), welche eingangsseitig zwei Anschlüsse aufweist, wobei einer der Anschlüsse (37) mit der Hochdruckleitung (P) und der andere der Anschlüsse (38) mit der Niederdruckleitung (T) verbunden ist, wobei • ein ausgangsseitiger Ventilanschluss (35) des ersten Hauptventils (31) und ein ausgangsseitiger Ventilanschluss (36) des zweiten Hauptventils (32) miteinander (Z) und mit einem auf einer Seite des Kolbens (6) befindlichen Raum (10) hydraulisch verbunden sind, • ein hydraulischer Vorsteuerausgang (X) der Vorsteuerstufe sowohl mit einer öffnend wirkenden ersten Steuerfläche (F4) des ersten Hauptventils (31) als auch mit einer schließend wirkenden ersten Steuerfläche (F8) des zweiten Hauptventils (32) verbunden ist, • die Vorsteuerstufe in einer ersten Stellung des mindestens einen Vorsteuerventils (3, 4) eine Verbindung zwischen der Hochdruckleitung (P) und dem hydraulischen Vorsteuerausgang (X) herstellt, wodurch der auf die ersten Steuerflächen (F4, F8) der Hauptventile (31, 32) wirkende Hochdruck ein Öffnen des ersten Hauptventils (31) und ein Schließen des zweiten Hauptventils (32) bewirkt, so dass dem auf einer Seite des Kolbens (6) befindlichen Raum (10) unter Hochdruck stehendes Fluid zugeführt wird, und • die Vorsteuerstufe in einer zweiten Stellung des mindestens einen Vorsteuerventils (3, 4) eine Verbindung zwischen der Niederdruckleitung (T) und dem hydraulischen Vorsteuerausgang (X) herstellt, wodurch der auf die ersten Steuerflächen (F4, F8) der Hauptventile (31, 32) wirkende Niederdruck ein Schließen des ersten Hauptventils (31) und ein Öffnen des zweiten Hauptventils (32) bewirkt, so dass aus dem auf einer Seite des Kolbens (6) befindlichen Raum (10) Fluid in Richtung Niederdruckleitung (T) abgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass • das erste Hauptventil (31) drei weitere Steuerflächen aufweist, von denen eine zweite (F5) und eine dritte (F6) Steuerfläche des ersten Hauptventils schließend wirken und eine vierte Steuerfläche (F7) des ersten Hauptventils öffnend wirkt, wobei • die zweite Steuerfläche (F5) des ersten Hauptventils an die Hochdruckleitung (P) angeschlossen ist, • die dritte Steuerfläche (F6) des ersten Hauptventils an die Niederdruckleitung (T) angeschlossen ist, • die vierte Steuerfläche (F7) des ersten Hauptventils mit dem ausgangsseitigen Ventilanschluss (35) des ersten Hauptventils (31) verbunden ist, und • das Größenverhältnis der öffnend wirkenden (F4, F7) zu den schließend wirkenden (F5, F6) Steuerflächen des ersten Hauptventils sich so verhält, dass im geöffneten Zustand des ersten Hauptventils (31) eine öffnend wirkende resultierende Kraft bestehen bleibt.
Zweistufige Ventilanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe aus der Größe der ersten (AF4) und der Größe der vierten (AF7) Steuerfläche des ersten Hauptventils größer ist als die Größe der zweiten Steuerfläche (AF5) des ersten Hauptventils.
Zweistufige Ventilanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe aus der Größe der ersten (AF4) und der Größe der vierten (AF7) Steuerfläche des ersten Hauptventils genauso groß ist wie die Summe aus der Größe der zweiten (AF5) und der Größe der dritten (AF6) Steuerfläche des ersten Hauptventils.
Zweistufige Ventilanordnung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Steuerfläche des ersten Hauptventils mindestens so groß ist wie die vierte Steuerfläche des ersten Hauptventils (AF5 ≥ AF7).
Zweistufige Ventilanordnung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Hauptventil (32) mit einer federkraftbasierten Rastierung (39) versehen ist, die im geöffneten Zustand des zweiten Hauptventils (32) einrastet.
Zweistufige Ventilanordnung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder das zweite Hauptventil mit einer manuellen Rückstellmöglichkeit (42, 43) versehen ist. Zweistufige Ventilanordnung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Hauptventil (32) zwei weitere Steuerflächen aufweist, von denen eine zweite Steuerfläche (F9) des zweiten Hauptventils an die Niederdruckleitung (T) angeschlossen ist, und eine dritte Steuerfläche (F10) des zweiten Hauptventils mit dem ausgangsseitigen Ventilanschluss (36) des zweiten Hauptventils (32) verbunden ist.
Zweistufige Ventilanordnung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsteuerstufe zwei 2/2-Wegeventile als Vorsteuerventile (3, 4) enthält.