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Hydraulikeinrichtung
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Die Erfindung betrifft eine Hydraulikeinrichtung gemäß dem Oberbegriff
des Anspruches 1.
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Derartige Hydraulikeinrichtungen dienen zum Betåtigen der elektrischen
Leistungsschalter, insbesondere d>-r.
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Leistungsschalter, die mit Schwefelhexafluorid als-Isoliergas oder
Löschgas oder mit Öl arbeiten. Die BetAtigung des beweglichen Schaltstiftes erfolgt
bei diesen Hochspannungsschaltern im allgemeinen mit einer Hydraulikeinrichtung,
die eine Kolben-Zylinderanordnung hfn-und herbewegt, um so den bewegbaren Schaltstift,
den mit dem Kolben der Kolben-Zylivnderanordnung verbunden ist, in die Ein- Ausschaltstellung
zu verbringen.
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Eine wichtige Forderung der VDE-Vorschriften besteht darin, daß der
Leistungsschalter nach einer ersten Ausschaltung innerhalb von 300 msec. wieder
in die Einschaltstellung verbracht werden muß; eine weitere
Forderung
besteht darin, daM dann der Schalter unmittelbar wieder ausschaltbereit sein muß.
Der Grund hierfür liegt darin, daß unter Umständen Fehlschaltungen vorkommen können;
sollte aufgrund einer Fehlschaltung und nicht aufgrund eines Kurzschlusses ein Schalter
ausschalten und ausgeschaltet bleiben, dann ist damit das gesamte nachfolgende Netz
vom Strom abgeschaltet, was erheblich Probleme und Schäden mit sich bringen kann.
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Damit dies verhindert wird, muß der Schalter nach einem ersten Ausschaltvorgang
wieder einschalten; sollte ein Kurzschluß nicht vorhanden sein, dann würde der Schalter
eingeschaltet bleiben; ist ein Kurzschluß tatsächlich vorhanden, dann wird der Schalter
sofort wieder in Ausschaltstellung gehen.
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Damit der Schalter bzw. die Hydraulikeinrichtung diese geforderten
Schaltzyklen mit der notwendigen und auch gleichen Schaltgeschwindigkeit durchfahren
kann, sind spezielle Hydraulik-Speicher vorzusehen. Bekannte Hydraulik-Speicher
besitzen in einemZylinder einen bewegbaren Kolben, auf dessen einer Seite sich eine
Feder, beispielsweise eine Gasdruckfeder, und auf dessen anderer Seite sich das
Druckfluid, insbesondere Hydrauliköl befindet. Die Druckfeder, die zur Aufrechterhaltung
des Fluiddruckes erforderlich ist, ist so auszulegen, daß sie auch nach einer ersten
Entnahme von Drucköl- bzw.
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fluid den im wesentlichen gleichen Druck aufrecht erhalten kann. Zu
diesem Zweck müssen Kompensationseinrichtungen vorgesehen werden, die den Einfluß
der Kennlinie der Druckfeder eliminieren. Eine derartige Kompensationseinrichtung
ist beispielswei-se aus der DE-OS 32 32 074 bekannt geworden. Diese Konstruktion
ist wegen der relativ aufwendigen Kipphebelkinematik recht kompliziert, hat aber
den besonderen Vorteil, daX sie die
Veränderung der Federkraft der
in dem Speicher verwendeten Druckfedern kompensiert.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine mechanisch unkompliziertere
Hydraulikeinrichtung zu schaffen, bei der die Energie für die beiden Ausschaltvorgänge
bei einem O-CO-Zyklus völlig gleich ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die kennzeichnenden
Merkmale des Anspruches 1.
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Es werden also insgesamt zwei Hydraulik-Druckspeicher vorgesehen,
von denen der (Arbeits-)Druckbereich des einen Speichers über dem des anderen liegt
und dessen Volumen auch größer ist als das des anderen. Der erste Hydraulik-Speicher
muß nämlich soviel Fluid auf entsprechend hohem Druck enthalten, daß er sowohl einen
Einschaltvorgang als auch einen Ausschaltvorgang steuern kann. Der andere, zweite
Druckspeicher hingegen muß nur den Ausschaltvorgang bewältigen, dieses allerdings
zweimal hintereinander. Dennoch benötigt er nur eine Fluidmenge für einen Ausschaltvorgang,
denn er wird während des Einschaltvorganges durch Einwirkung des ersten Druckspeichers
wieder aufgefüllt. Dieses kann dadurch erreicht werden, daß während des Einschaltvorganges
Fluid aus dem ersten Speicher gleichzeitig in den zweiten Speicher umgefördert wird,
welcher nach Beendigung des Einschaltvorganges wieder "aufgeladen" und bereit für
den zweiten Ausschaltvorgang ist. Dadurch wird die Ausschaltung grundsätzlich immer
von dem zweiten Hydraulik-Speicher durchgeführt beziehungsweise realisiert, der
speziell auf den Ausschaltvorgang ausgerichtet ist.
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Die erfindungsgemäßen Vorteile bestehen nun darin, daM die Ausschaltgeschwindigkeit
bei allen Schaltungen
gleieh ist und daß beim ersten Ausschaltvorgang
keine Uberschußenergie beim zweiten Speicher vorhanden ist, wodurch insgesamt Speicherenergie
eingespart wird.
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Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung des Erfindungsgedankens
ist in dem Vorschlag zu sehen, die Auffüllung des zweiten Hochdruckspeichers nach
dem ersten Ausschaltvorgang durch eine Rückführung des Fluids aus der Kolben-Zylinder-Anordnung
in den zweiten Speicher zu erreichen, währenddessen der ersten Hochdruckspeicher
die Kolben-Zylinder-Anordnung in die Einschaltstellung des Leistungsschalters führt.
Hierdurch kann die Gesamtmenge des benötigten Fluids verringert werden, wodurch
das Volumen sowohl des ersten Speichers als auch eines Niederdruckspeichers verringert
werden kann.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den weiteren
Unteransprüchen zu entnehmen.
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Anhand der Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Hydraulik-Einrichtung in einigen unterschiedlichen Stellungen dargestellt ist, soll
die Erfindung näher erläutert und nocheinmal verdeutlicht werden.
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Es zeigt: Fig. 1 den schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen
Hydraulik-Einrichtung, Fig. 2 die Einrichtung gemäß Fig. 1 in der Stellung "Aus"
nach Pumpenlauf, Fig. 3 die erfindungsgemäße Einrichtung gemäß Figuren 1 und 2 in
der Stellung "Ein" vor Pumpenlauf,
Fig. 4 die gleiche Einrichtung
in Stellung "Ein" nach Pumpenlauf, Fig. 5 die gleiche Einrichtung in der Stellung
"Aus" nach einer (richtigen oder falschen) Kurzschlußmeldung, Fig. 6 die gleiche
Einrichtung in der Stellung wie der ein" nach der Kurzschlußmeldung und Fig. 7 die
gleiche Einrichtung in der Stellung "Aus" nach Bestätigung des Kurzschlusses.
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Die in F i g u r 1 gezeigte Hydraulik-Einrichtung dient zur Betätigung
eines elektrischen Hochspannungsleistungsschalters, beispielsweise eines SF-Gas-Schalters
mit einem Festkontaktstück 10 und einem damit zusammenwirkenden bewegbaren Schaltstift
11. Selbstverstündlich ist jede Art eines Schalters durch diese Hydraulik-Einrichtung
betätigbar, ein Vakuumschalter in gleicher Weise wie ein ölarmer Leistungsschalter
und dergleichen. Wichtig ist lediglich, daß mit der Hydraulik-Einrichtung eine Bewegung
eines bewegbaren Schaltstiftes erzeugt wird, und zwar entsprechend den Vorschriften
eine Bewegung mit sehr hohen Beschleunigungswerten, so daß die Ausschaltung sehr
schnell erfolgen kann.
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Dem bewegbaren Schaltstift 11 ist eine Kolben-Zylinder-Anordnung 12
zugeordnet, die einen Zylinder 13 aufweist, in dem ein Kolben 14 hin- und herbewegbar
angeordnet ist. Die mit dem Kolben 14 verbundene Kolbenstange 15 ist über eine nicht
näher dargestellte, an sich bekannte
Kupplung 16 mit dem beweglichen
Schaltstift 11 verbunden. Daß die Kolbenstange bei der Durchführung aus dem Zylinder
13 heraus gasdicht beziehungsweise flüssigkeitsdicht geführt ist, bedarf keinerlei
weiteren Erläuterung. Der Raum oberhalb des Kolbens 14, der Raum also, in dem sich
die Kolbenstange 15 befindet und am Kolben 14 befestigt ist, besitzt die Bezugsziffer
17, wogegen der andere Raum, also der Raum unterhalb des Kolbens 14, mit der Bezugsziffer
18 bezeichnt ist. Die Ortsbestimmungen "oberhalb" und "unterhalb" beziehen sich
hierbei und auch bei den nachfolgenden Erläuterungen auf die Darstellung in Figur
1.
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An der Anschlußwand beziehungsweise Abschlußwand für den Raum 18 unterhalb
des Kolbens 14 ist eine Hydraulik-Leitung 19 angeschlossen, die mit einem Steuerventil
20 verbunden ist, dessen Wirkungsweise weiter unten noch näher erläutert werden
soll.
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Die Hydraulik-Einrichtung besitzt einen ersten Hochdruckspeicher 21
und einen zweiten Hochdruckspeicher 22.
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Mit dem ersten Hochdruckspeicher 21 räumlich verbunden ist ein Niedererdrucktank
23. Im Prinzip ist der erste Hochdruckspeicher 21 so aufgebaut, daß er einen Zylinder
24 aufweist, in dem ein Kolben 25 hin- und herbewegbar geführt ist; der Kolben ist
von einer Kolbenstange.25 durchdrungen, welche aus dem ersten Hochdruckspeicher
21 ebenfalls druck-, gas- und flüssigkeitsdicht herausgeführt ist, und in einer
Kulisse 27 endet, mittels welcher ein Steuerschalter 28 betätigt werden kann. Dieser
Steuerschalter 28 dient zur Stromversorgung einer Druck-Speisepumpe 29. Wenn der
Schalter 28, wie in Figur 1 gezeigt, geschlossen ist, dann läuft die Pumpe 29 und
fördert Fluid; ist der Schalter offen, wie beispielsweise in der Stellung gemäß
Figur 2, dann ist die Pumpe 29 stillgesetzt.
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Das nach unten gerichtete Ende der Kolbenstange 26 ist ebenfalls druckdicht
aus dem ersten Hochdruckspeicher 21 herausgeführt und ragt in den Niederdrucktank
23; an ihrem Ende befindet sich ein kolbenartiger Federanschlag 30, der als Wiederlager
für eine Schraubendruckfeder 31 dient. Es ist selbstverständlich, daß anstatt des
kombinierten Hochdruck-Niederdruck-Speichers der Hochdruck-Speicher 21 von dem Niederdruck-Speicher
23 auch getrennt sein kann; dann wäre der Hochdruck-Speicher mit einer eigenen Druckfeder,
beispielsweise einer Gasdruckfeder oder mit einer anders ausgebildeten Feder zu
versehen. Es ist lediglich notwendig, daß auf den Kolben 25 eine Federkraft ausgeübt
wird, die den Raum 32 unterhalb des Kolbens 25 zu verkleinern trachtet, indem sie
den Kolben gegen die untere Abschlußwand des Raumes 32 zu drücken sucht. In der
Figur 1 ist dieser Raum 32 derjenige Raum, der unmittelbar an den Niederdrucktank
23 anschließt.
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Der Raum 32 ist über eine Förder- beziehungsweise Speiseleitung 33
unter Zwischenfügung eines Rückschlagventiles 34 mit dem Ausgang der Pumpe 29 verbunden.
Dabei ist das Rückschlagventil 34 so gewählt, daß vom Ausgang der PUmpe 29 in den
Raum 32 immer gefördert werden kann, daß eine umgekehrte Strömung jedoch nicht möglich
ist. Der Raum 32 ist mit einer weiteren Druckleitung 35 mit dem Raum 17 oberhalb
des Kolbens 14 der Kolben-Zylinder-Anordnung 12 unter Zwischenfügung einer Drossel
36 verbunden. Zwischen dem Ausgang der Leitung 35 aus dem Raum 32 und der Drossel
36 ist eine Steuerleitung 37 angeschlossen, die mit dem Ventil 20 in Verbindung
steht. Parallel zur Drossel 36 befindet sich ein Rückschlagventil 38, welches eine
Umgehung in Richtung vom Raum 32 hin zu dem Raum 17 sperrt, in umgekehrter Richtung
jedoch zuläßt.
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Der Raum 17 ist weiterhin über eine Druckleitung 39 mit dem zweiten
Hochdruck-Speicher 22 verbunden und zwar mit dessen Raum 40 unterhalb eines Kolbens
41. Dieser Raum 40 entspricht im Prinzip dem Raum 32 im ersten Druckspeicher 21.
Mittels einer Druckfeder 42 ist der in dem Hochdruckspeicher 22 befindliche Kolben
41 so beaufschlagt, daß er den Raum 40 unterhalb des Kolbens 41 ebenfalls zu verkleinern
trachtet. An der Druckleitung 39 zwischen dem Raum 17 und dem Raum 40 ist eine weitere
Druckleitung 43 angeschlossen, die mit dem Ausgang der Pumpe 29 unter Zwischenschaltung
eines Rückschlagventiles 44 verbunden ist, welch letzteres eine Fluid-Strömung von
der Pumpe 29 hin zu dem Raum 40 gestattet, nicht aber in umgekehrter Richtung.
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Nun zum Steuerventil 20: dieses weist nach oben hin Ausgänge Z1 und
Z2 auf, welche beide mit der Leitung 19 verbindbar sind, d.h. in jeder von zwei
möglichen Schaltstellungen ist das Steuerventil 20 zur Leitung 19 hin offen. Weitere
Ausgänge des -Steuerventils 20 sind nach unten gerichtet und mit den Indices "P"
und "T" gekennzeichnet. In der einen Schaltstellung ist das Steuerventil - über
den Ausgang P - zur Steuerleitung 37 hin offen, in der zweiten, dargesellten Stellung
ist es zu einer Niederdruck-Leitung 45 hin offen, welche zur Druck-Speise-Pumpe
29 führt und über eine Abzweigleitung 46 auch mit dem Niederdrucktank 23 verbunden
ist.
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Die Figur 1 zeigt die Stellung der Hydraulik-Einrichtung kurz nach
dem Pumpenanlauf, d.h. aufgrund des geschlossenen Schalters 28 wird die Pumpe 29
angesteuert, so daß sie Fluid in Pfeilrichtung A und B hin zu den Räumen 32 und
40 beziehungsweise 17 fördert; hierdurch werden die
Kolben 25 und
41 nach oben bis zu ihrem oberen Anschlag bewegt und der Raum 17 oberhalb des Kolbens
14 mit Fluid gefüllt (falls nicht schon welches darin enthalten ist).
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Nachdem dies beendet ist, schaltet die Pumpe 29 ab; die Hydraulik-Einrichtung
hat nun die Stellung, wie sie der F i g u r 2 zu entnehmen ist. Angemerkt sei, daß
der Raum 32 des Hydraulik-Speichers 21 in seinem Volumen deutlich größer ist als
der Raum 40 des Speichers 22 und darüberhinaus ist auch der Arbeits-Druckbereich
des Speichers 21 oberhalb desjenigen des Speichers 22, was durch entsprechende Bemessung
der Federkraftspeicher beziehungsweise der Druckfedern 31 und 42 erzielbar ist.
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Um den Schalter 10/11 einzuschalten, wird das Ventil 20 umgeschaltet,
so daß dem Fluid der Weg von dem Raum 32 unterhalb des Kolbens 25 freigegeben wird
in den Raum 18 unterhalb des Kolbens 14; durch die unterschiedlich bemessenen Federkräfte
31, 42 und die Flächendifferenz von Unterseite und Oberseite des Kolbens 14 wird
dieser nach oben in Pfeilrichtung C bewegt, wodurch der Schalter 10/11 eingeschaltet
wird. Diese Schaltsituation veranschaulicht die F i g u r 3. Hier ist auch erkennbar,
daß sich das Volumen des Raumes 32 im ersten Hochdruckspeicher verringert hat, und
zwar um den Betrag, um den sich das Gesamtfluidvolumen im Zylinder 13 vergröttrt
hat, was durch das Ausfahren der vergleichsweise grob im Außendurchmesser bemessenen
Kolbenstange 15 bewirkt wird. Inzwischen ist nun auch - infolge der Stellung der
Kulisse 27 - der Schalter 28 geschlossen, wodurch die Pumpe 29 anläuft und Fluid
in Pfeilrichtung A fördert,
d.h. den Raum 32 unterhalb des Kolbens
25 wieder mit Fluid anfüllt. Im Niederdruck-Speicher verbleibt damit nur noch vergleichsweise
wenig Fluid.
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Nachdem der Raum 32, d.h. also der erste Speicher 21 gefüllt ist,
schaltet die Pumpe 29 wieder ab. Die Hydraulik-Einrichtung und der Schalter 10/11
befinden sich in der Einschaltstellung, d.h. eine Ausschaltung beispielsweise aufgrund
eines Kurzschlusses erwartend. Diese Situation ist in der F i g u r -4 dargestellt.
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Wenn eine Ausschaltung nun vorgenommen werden soll, dann wird das
Steuerventil 20 angesteuert und so umgeschaltet, daß die Leitung 19 über die Anschlüsse
Z1 und T mit dem Leitungssystem 45/46 und somit mit dem Niederdruck-Speicher 23
verbunden wird. Dadurch wird der Raum 18 unterhalb des Kolbens 14 entlastet und
der gesamte Inhalt des Speichers 22 kann sich zur Ausführung der Ausschaltbewegung
in den Raum 17 oberhalb des Kolbens 14 entleeren. Der Kolben 14 bewegt sich in Pfeilrichtung
D, also in Ausschaltrichtung. Diese Situation zeigt die F i g u r 5.
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Entsprechend den bereits angesprochenen VDE-Vorschriften muß der Schalter
aber innerhalb einer bestimmten Zeit wieder eingeschaltet werden, es ist dies die
Schaltfolge C-O, und zwar damit bei einem Schaltfehler nicht die gesamte, hinter
dem Leistungsschalter befindliche Anlage abgeschaltet wird. Wäre nämlich in diesem
Netzbereich kein KurzschluM vorhanden, dann wäre der Ausschaltvorgang unsinnig,
die Folgen eines stets unerwünschten Netzausfalles aber wären sehr weitreichend.
Aus diesem Grunde soll der Schalter innerhalb von 300msec wieder eingeschaltet werden;
sollte ein Kurzschluß dann
tatsächlich beziehungsweise nach wie
vor anstehen, muß der Schalter ein zweites mal und nun endgültig ausschalten.
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Zur Wiedereinschaltung des Schalters wird nun wieder der erste Hochdruck-Speicher
21 herangezogen. Das in ihm gespeicherte Druckfluid wird nach einer erneuten Umschaltung
des Steuerventiles 20 vollständig in den Raum 18 unterhalb des Kolbens 14 der Kolben-Zylinder-Anordnung
geleitet. Hierdurch wird der Kolben 14 in Pfeilrichtung C nach oben bewegt, der
Raum 17 oberhalb des Kolbens 14 verkleinert und das in diesem Raum befindliche Fluid
über die Leitung 39 in den zweiten Hochdruck-Speicher 22 gefördert. Dieser zweite
Hochdruckspeicher 22 nimmt somit wieder eine funktionsbereite Stellung ein. Diese
Schaltstellung veranschaulicht die F i g u r 6.
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Wenn nun der Kurzschluß nach wie vor ansteht, wird das Steuerventil
wieder umgeschaltet, sö daM der Raum 18 wieder mit dem Niederdrucktank 23 verbunden
ist, was also über die Leitungen 45/46 erfolgt. Das in dem Druckspeicher 22 in dessen
Raum 40 befindliche Fluid gelangt nun wiederum in den Raum 17 oberhalb dès Kolbens
14'und drückt den Kolben nach unten in Pfetrichtung D, wodurch . .
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eine endgültige Ausschaltung bewirkt wird. Diese letztgeschilderte
Schaltstellung ist der F i g u r 7 zuentnehmen.
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Da in der Stellung gemäß Figur 6, wenn also der Hochdruckspeicher
21 vollständig entleert ist, auch der Schalter 28 eingeschaltet ist, wird die Pumpe
29 schon vor Beendigung des endgültigen Ausschaltvorganges in Betrieb gesetzt, so
daß das im Niederdrucktank 23
befindliche Fluid wieder in die Räume
32 und 40 gefördert wird. Der Zyklus beginnt nunmehr wieder von vorne, wobei der
Einschaltvorgang aber gesondert ausgelöst werden muß, beispielsweise erst nach dem
Beheben der Kurzschlußursache.
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