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Hydraulische Einrichtung Zur Steuerung der Antriebe ftlr Mittel-
und Hochspannungsschaltgeräte sind hydraulische oder pneumatische Steuerungen bekannt,
bei welchen vorwiegend magnetisch betätigte und nach dem Servoprinzip arbeitende
Sitz- oder Schieberventile verwendet werden.
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Die Energie, die zur Ansteuerung dieser Ventile aufzuwenden; ist ist
-durch die Bauart bedingt- relativ groß. Drei Schalthandlungen ein einmal angesteuerter
Zustand aufrechterhalten werden muß, müssen die Steuerungseinrichtungen bistabil,
also in zwei Schaltzuständen stabil sein, auch bei Ausfall sämtlicher Hilfsenergien.
Diese Bistabilität ist aber nur mit verhältnismäßig großem Aufwand zu erreichen.
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Ausgehend von diesen Problemen ist ein Fluid-Steuerkreis zur Gasschalterbetätigung
konzipiert worden (Dt-OS 1 960 741), welche zwischen den Versorgungsdruckbehälter
und die Antriebszylinder der Schalterantriebe geschaltet ist. Dieser Steuerkreis
besteht im wesentlichen aus Fluid-Logik-Elementen, welche keine beweglichen Teile
aufweisen und nur bei Drücken in der Größenordnung von etwa 0,1 kp/cm2 arbeiten
können. Die Ansteuert' drücke des Pneusatik-bzw. Hydrauliksystems, d. h. die zur
Ansteuerung der Antriebszylinder erreichbaren Drücke, betragen da bei maximal 26
kp/cm2. Bei Schaltgeräten, die insbesondere im Mittel- und Hochspannungsbereich
eingesetzt werden sollen, reicht ein derartig niedriger Versorgungsdruck nicht aus.
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Auch ist der Aufbau des bekannten Steuerkreises kompliziert, was sich
darin ausdrückt, daß insgesamt zwei Steuerkreise zur Ein- und Ausschaltung und zwei
weitere Steuerkreise zur Stellungsanzeige verwendet werden müssen.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, eine Einrichtung zu finden,
mittels welcher die Forderung nach geringem Energieaufwand einerseits und nach Bistabilität
andererseits erfüllt werden. Darüber hinaus soll auch noch der Aufwand an Steuerleitungen
verringert werden. Ebenialls sollen die Umsteuerverluste gering gehalten werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgeläß durch die Anwendung eines oder mehrerer durch
elektrische Schaltimpulse elektromagnetisch angesteuerter b Vierwegeventile, welche
als bewegliche Teile zum Schließen und öffnen der Öffnungen zum Anschluß des Vierwegeventils
an das Versorgungs- bzw. Verbrauchersystem Kugeln aufweisen und im wesentlichen
aus einer Vor- und Hauptsteuerstufe bestehen, wobei die Kugeln der Vorsteuerstufe
mechanisch mittels Je eines elektromagnetisch aus einer ersten Endstellung in eine
zweite Endstellung bewegbaren Stößels betätigbar sind, zur Betätigung des oder der
Antriebskolben eines Hydraulik- oder Pneumatikantriebes für elektrische Schaltgeräte
gelöst.
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Drei-oder Das hierbei zur Anwendung kommendeVVierwegeventil ist für
sich aus der Dt-OS 2 105 201 bekannt.
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Da erforderlich ist, daß der Schaltzustand eines Schaltgerätes auch
dann erhalten bleibt, wenn sämtliche Hilfsenergien ausfallen, wird das\Vierwegeventil
dadurch verbessert, daß die Stößel durch Vefiasaugsmittel in ihrer Jeweiligen Endstellung
gehalten sind.
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Die Vorteile dieser Erfindung bestehen im wesentlichen darin, Drei-oder
daß zur Ansteuerung desSVierwegeventils wenig Energie autgewandt werden muß und
daß ein Minimum an Steuerleitungen notwendig wird, um einen Antrieb für ein Hochspannungsschaltgerät
anzusteuern. Darüber hinaus wird, bedingt durch die ge-Drei-oder ringe Masse der
beweglichen Teile in dem\Vlerwegeventil, eine kurze Schaltzeit des angesteuerten
Hochspannungsschaltgerätes erreicht. Durch das Vorsehen der Verrastungsmittel,welehe
die Stößel zur Betätigung der Kugeln der Vorsteuerstufe Jeweils in ihrer Endlage
festhalten, wird erreicht, daß ein einmal gewählter Schaltzustand auch bei Ausfall
des Versorgungsdruckes einerseits und der elektrischen Hilfsenergien andererseits
aufrechterhalten bleibt. Wenn ein Druckabfall im System, d.h.
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im Versorgungssystem, auftritt, eo ist es zwar möglich, daß sich die
einzelnen Kugeln von ihren Sitzen entfernen; wegen der Verrastungsmittelwerden aber
die Kugeln der Vorsteuerstufe in ihrer Stellung gehalten; bei Widerkommen des Druckes
wird der ursprüngliche Zustand in der Hauptsteuerstufe schnell wieder hergestellt,
d. h. die Kugeln legen sich wieder an die zu schließenden Öffnungen an.
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Die Erfindung soll anhand eines in der Zeichnung dargestellten Beispieles
näher erläutert werden.
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Es zeigt Fig. 1 ein Schaltungsbeispiel in einer elektrischen Hochspannungsanlage,
Fig. 2 ein Dreiwegeventil mit elektromagnetischer Ansteuerung und Fig. 3 eine Druckausgleichsvorrichtung
für den Stößel Die Schalterpole eines dreiphasigen Schaltgerätes (nicht weiter dargestellt)
werden durch drei Arbeitszylinder 1, 2 und 3 (Fig. 1), welche nach dem Prinzip des
Differenzkolbens arbeiten, betätigt. Um die Kolben la, 2a und 3a zu bewegen, werden
die größeren Kolbenflächen wahlweise mit Druck über eine erste Hochdruckleitung
4 und die kleineren Kolbenflächen ständigtber eine zweite Hochdruckleitung 4a beaufschlagt.
Dabei steht die zweite Hochdruckleitung 4a direkt mit einem Hochdruckbehälter 5
in Verbindung, während zwischen Hochdruckbehälter 5 und der ersten Hochdruckleitung
eine Steuereinrichtung vorgesehen ist.
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Diese Steuereinrichtung besteht aus einem Dreiwegeventil mit einer
Vorsteuerstufe 6, die mittels Elektromagneten , einem ersten 6a und einem zweiten
6b elektromagnetisch angesteuert wird und durch Verrastungsmittel ein bistabiles
Verhalten aufweist und mit einer Hauptsteuerstufe 7, die die erste Hochdruckleitung
4 direkt mit dem Hochdruckbehälter verbindet. Die Betätigungsweise
und
der Aufbau der eine Einheit bildenden Vor-6- und Hauptsteuerstufe 7 wird an Hand
der Fig. 2 weiter unten näher erläutert. Durch Betätigung des Dreiwegeventiles werden
die Zylinderräume 8, 9 und 10 der Antriebszylinder 1, 2 und 3 mit Hochdruckfluid
versorgt oder mit einem Niederdruckbehälter 11 verbunden.
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Hydraulisch parallel zu den Antriebszylindern 1 - 3 ist ein weiterer
Hydraulikzylinder 12 als Antrieb für elektrische Hilfe schalter 13 vorgesehen, welcher
zur Schaltstellungsanzeige und Steuerung der Elektromagnete 6a und 6b dient. Zur
Erzeugung eines notwendigen Hochdruckes ist eine Motorpumpe 14 zusammen mit Drucküberwachungseinrichtungen
15 vorgesehen.
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Durch die Erregung eines der beiden Elektromagneten 6a oder 6b wird
die Vorsteuerstufe 6 dazu veranlaßt, die Hauptsteuerstufe 7 so umzusteuern, daß
eine Verbindung zwischen Hochdruckspeicher 5 und den Zylinderräumen 8,9 und 10 geschaffen
wird; zur Erzielung einer umgekehrten Bewegungsrichtung wird mittels des anderen
Elektromagneten über die Vorsteuerstufe 6 die Hauptsteuerstufe 7 so geschaltet,
daß die Zylinderräume 8 - 10 mit dem Niederdruckbehälter verbunden sind.
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Das Dreiwegeventil ist nun in der Fig. 2 dargestellt. Es besteht aus
den Elektromagneten 6a und b, aus der Vorsteuerstufe 6 und der Hauptsteuerstufe
7. Die Hauptsteuerstufe besitzt eine erste
und eine zweite Kammer
21 bzw. 22, in welchen sich frei bewegliche Kugeln 23 und 24 befinden. Die erste
Kammer 21 ist über einen Kanal 25 mit dem Hochdruckbehälter 5 (Fig. 1) verbunden.
Weiterhin besitzt die Kammer 21 zwei sich direkt gegenüberliegende Öffnungen 26
und 27, welche als Sitze für die Kugel 23 ausgebildet sind. Die zweite Kammer 22
besitzt eine Eingangsöffnung 28, welche mit den Zylinderräumen 8-10 (Fig. 1) verbunden
ist. Zusätzlich ist die Eingangsöffnung 28 mit der Öffnung 27 verbunden.
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Auch die zweite Kammer 22 besitzt zwei sich gegenüberliegende Öffnungen
29 und 30; beide sind ebenfalls als Sitze für die Kugel 24 ausgebildet. Zur Beaufschlagung
der Kammern bzw. zur Bewegung der beiden Kugeln 23 und 24 ist eine Vorsteuerstufe
vorgesehen, deren Nenndurchmesser wesentlich kleiner ist als der der Hauptsteuerstufe.
Ihr Aufbau ist Jedoch gleich. Sie besitzt ebenfalls eine Kammer 32 und 31, in welchen
sich Je eine Kugel 34 und 33 befinden. Auch hier sind wieder zwei sich gegenüberliegende
Öffnungen in beiden Kammern vorgesehen; die Öffnungen der Kammer 31 sind mit 35
und 36, die der Kammer 32 mit 37 und 38 bezeichnet. Diese Öffnungen sind ebenfalls
als Sitz für die Kugeln 33 bzw. 34 ausgebildet. Eine dritte Öffnung 39 der Kammer
31 ist über eine Stichleitung 40 direkt mit der Öffnung der Kammer 21 verbunden,
während einerseits die Öffnung 36 mit der Öffnung 25 und mit der Öffnung 38 und
andererseits die Öffnung 35 mit der Öffnung 37 und der Öffnung 30 verbunden ist.
Eine der Offnung 39 der Kammer 31 entsprechende Öffnung
41 der
Kammer 32 ist über eine weitere Stichleitung 42 mit der Offnung 29 der Kammer 22
verbunden.
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An der Kugel 33 greift ein Stößel 43 an, welcher selbst wieder um
an einem Ende eines Kippankers 44 anliegt. Am anderen Ende des Kippankers liegt
ein weiterer Stößel 45 an, welcher wieder mit der Kugel 34 in Verbindung steht.
Der Kippanker 44 wird durch Spulen 46 und 47 erregt und bewegt, wobei die Spulen
selbst über Eingangsleitungen 48 und 49 mit dem Stromimpuls nEinn oder "Aus" beaufschlagt
werden. Wird nun durch Erregung der Spulen der Kippanker in die Richtung, die mit
A bezeichnet ist, gekippt, dann legt sich die Kugel 33 an die Öffnung 36 an und
die Kugel 34 an die Öffnung 37, wobei damit diese õrrnungen gesperrt und die gegenüberliegenden
35 und 38 geöffnet werden. Dadurch liegt an der Öffnung 26 Niederdruck über die
Verbindungsleitungen 40 und 30 an. Die Kugel 24 legt sich an die Öffnung 30 an und
sperrt die Verbindung der Kammer 22 zu dem Niederdruckbehälter, während die Kugel
23 die Offnung 26 sperrt, da sie sich an deren Sitz anlegt. Somit ist nun der Hochdruck
über die Öffnung 25, die Kammer 21, die Öffnung 27 und die Öffnung 28 mit den Antriebskolben
der Antriebszylinder 8 - 10 verbunden.
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Soll nun umgesteuert werden, sollen also die Zylinder 8 - 10 mit dem
Niederdruckbehälter verbunden werden, so werden die
Spulen 46 und
47 so erregt, daß der Kippanker 44 in Richtung B kippt. Dadurch legen sich die Kugel
33 an die Öffnung 35 und die Kugel 34 an die Öffnung 38 an. Damit liegt an der Öffnung
26 über die Öffnungen 25, 36, 39 und 40 Hochdruck an; die Kugel 23 löst sich vom
Sitz der Öffnung 26. Gleichzeitig aber liegt an der Offnung 29 Niederdruck über
die jetzt freigegebene Öffnung 37 an; die Kugel 24 setzt sich gegen den Sitz der
Offnung 29. Der Öffnung 28, welche mit den Antriebskolben 8 - 10 in Verbindung steht,
ist der Weg freigegeben zum Niederdruckbehälter 11. Die Kolben schalten um.
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Zusätzlich sind die Enden des Kippankers über ein Kippspannwerk Jeweils
in einer stabilen Lage gehalten. Dabei besteht das Kippspannwerk aus einer Druckfeder
58, welche einerseits mit dem einen Ende des Kippankers und andererseits mit einem
ortsfesten Auflager verbunden ist. Wenn der Kippanker nun aus der in der Zeichnung
dargestellten Stellung in die entgegengesetzte Stellung kippt, dann überquert das
System Druckfeder 58 und Kippanker eine Totpunktlage und gelangt dann in die nächste
stabile Stellung. Dieses Kippspannwerk ist aus dem Grunde vorgesehen, um eine Sicherheit
gegen Ausfall Jeglicher Hilfsenergien zu gewährleisten. Bei einem solchen Ausfall,
insbesondere bei Abfall des Druckes im gesamten System, setzen sich die Kugeln infolge
der Schwerkraft auf den unteren Sitz auf. Bei Wiederaufbau des Druckes wird die
ursprüngliche Lage der Kugeln in der Vorsteuerstufe dadurch erreicht, daß immer
eine
der Kugeln durch den über Verrastungsmittel gehaltenen Kippanker
durch den dazugehörigen Stößel in der ursprünglichen Stellung festgehalten wird.
Bei Wiederkommen des Druckes legt sich die andere Kugel der Vorsteuerstufe nach
oben an ihren entsprechenden Sitz an. Durch die nun erreichte Stellung der Vorsteuerstufe
werden die Kugeln der Hauptsteuerstufe wieder in die gewünschte, ursprüngliche Lage
gesteuert.
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Bei kurzzeitigem Ausfall der elektrischen Energie bleibt die Schaltstellung
des Kippankers wegen der Verrastungsmittel erhalten.
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Selbstverständlich kann anstatt eines solchen mechanischen Verrastungsmittels
auch ein aus Permanentmagneten bestehendes Verrastungsmittel vorgesehen sein.
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Wenn nun ein mechanisches Verrastungsmittel vorgesehen ist, dann kann
es sich als sinnvoll erweisen, einen Druckausgleich gemäß der Fig. 3 vorzusehen.
Hierzu ist der Stößel 45 durch einen zylindrischen Hohlraum 51 geführt. Am Stößel
45 ist ein Kolben 52 angebracht, dessen Außendurchmesser dem Innendurchmesser des
zylindrischen Hohlraumes 51 entspricht. Die durch den Kolben gebildete Kolbenfläche
ist etwas kleiner als die Sitzfläche für die Kugel 34. Nun ist der Raum 51a oberhalb
des Kolbens über eine Leitung 53 mit der Kammer 32, in der sich in Kugel 34 befindet,
verbunden, während der Raum 51b
unterhalb des Kolbens mit der Rückleitung
50 verbunden ist.
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Die Verbindungsöffnung ist mit der Bezugsziffer 56 bezeichnet.
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Es ist dabei erforderlich, mittels Kolbenringen 54 und einer Ringdichtung
55 einen Druckausgleich einerseits nach außen und andererseits zum Niederdruck hin
zu vermeiden. Wesentlich bei dieser Anordnung ist, daß der Raum oberhalb des Kolbens
immer mit der Kammer 32 verbunden ist; dadurch wird erreicht, daß der Stößel immer
in entgegengesetzter Richtung zur Kugel belastet wird. Dadurch wird die elektromagnetische
Ansteuerkraft wesentlich verringert.