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Anordnung zum schnellen Schließen von elektrischen Schaltern, insbesondere
für Hochspannung, durch Druckluft o. dgl. Druckmittel Bei der Betätigung von Schaltern
in elektrischen Kraftanlagen mittels eines durch Druckluft oder anderer Druckmittel
betätigten Schaltzylinders ist es von wesentlicher Bedeutung, daß der Schaltvorgang
jeweils mit voller Sicherheit zu Ende geführt wird, auch wenn der zur Einleitung
desselben etwa durch Druckknopf oder sonstige Tastschaltung gegebene Impuls von
kürzerer Dauer ist als der Schaltvorgang selbst, und daß die Möglichkeit ausgeschlossen
ist, daß dieser etwa infolge Absinkens des Druckes in der Druckluftleitung unterwegs
steckenbleibt. Im letzteren Falle könnten Dauerlichtbogen auftreten, die zur Zerstörung
der Schalter und Maschinen oder sonstiger Teile der Anlagen führen. Dieser Zweck
wird nach der Erfindung erreicht, indem die Anordnung so getroffen wird, daß ein
Vorsteuerv entil den Druckmittelzutritt zum Schaltzylinder über ein in Nebenschaltung
zu ihm an die Druckmittelzuleitung angeschlossenes Zwischenventil steuert, das einerseits
durch eine Rückstellfeder o. dgl. abgestützt und auf der anderen Seite vom Druckmittel
im Zusammenwirken mit einer Federschnappschaltvorrichtung beaufschlagt ist, wobei
zwei gleiche Stützen der Schnappvorrichtung symmetrisch am Kolben des Zwischenventils
angreifen, welcher so angeordnet ist, daß er den Druckmitteldurchgang zum Schaltzylinder@erst
dann öffnet, wenn diese beiden Stützen ihre Totlage überschritten haben.
Es
war schon bekannt, bei solchen Schaltanordnungen zwischen dem Druckzylinder, welcher
den Schaltvorgang ausführt, und einem nur vorübergehend erregten Vorsteuerventil
ein von letzterem gesteuertes Zwischenventil einzuschalten, das in beiden Richtungen
durch das Druckventil verstellt wird und in seiner Ruhelage den Arbeitsraum des
Schaltzylinders mit dem Freien, in der entgegengesetzten Endlage dagegen mit der
Druckmittelzuleitung verbindet. Diese Vorrichtung hat allerdings den Nachteil, daß
Zwischenventil und Schaltzylinder dauernd unter dein vollen Betriebsdruck stehen
und darum auf die Dauer schwer dicht zu halten sind, und daß bei plötzlichem Absinken
dieses Druckes keine Gewähr dafür gegeben ist, daß ein begonnener Schaltvorgang
auch zu Ende geführt wird. Ferner wird der oben angegebene Zweck durch sie auch
darum nicht ganz erfüllt, weil das V orsteuerventil immerhin so lange erregt bleiben,
also der Schaltwärter den Gang der Schaltung so lange beobachten muß, bis der Schaltkolben
seinen Steuerweg vollständig zurückgelegt hat.
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Zur Sicherung gegen die Gefahr, daß der begonnene Schaltvorgang wegen
zu niedriger Spannung des Druckmittels nicht zu Ende geführt wird und dadurch ein
Dauerlichtbogen entsteht, ist schon vorgeschlagen, einen federbelasteten Nebenkolben
vorzusehen, welcher der Arbeitsdruckluft einen Nebenweg an die Außenluft freigibt.
wenn der Druck nicht hoch genug ist, um den Schaltvorgang zu Ende zu führen. Diese
Vorrichtung hat allerdings den Nachteil, daß die Sicherung für den Nebenkolben erst
nach Beginn des Schalthubes in Tätigkeit tritt, und daß es schwierig sein wird,
für eine so spät einsetzende Entlüftung einen derart weiten Austrittskanal zu schaffen,
daß der Arbeitszylinder schnell genug entlüftet und der Schalthub vor Erreichung
der Lichtbogengrenze sicher unterbrochen wird.
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Es ist auch schon eine Schaltvorrichtung zum selbsttätigen Ein- und
Ausschalten eines Motor-Stromunterbrechers in Abhängigkeit vom Druck eines Flußinittels
bekannt, bei welcher die Steuerung eines den Stromunterbrecher bedienenden Schaltzylinders
mit Hilfe einer Membrane erfolgt, welche unmittelbar auf dessen von der anderen
Seite durch Feder gestützten, das Steuerventil bestätigenden Kolben einwirkt, wobei
an diesem Kolben eine Schnappschaltvorrichtung angreift, um beim Umstellen eine
zusätzliche Schubkraft auf ihn auszuüben. Diese Schnapp--#chaltvorrichtung ist mit
einer einzelnen Zugfeder versehen, die die Grundlinie eines t.7elenkhebeldrei-eclcs
bildet. Der eine Hebel dieses Dreiecks ist mit seinem freien Ende an einem festen
Gelenkpunkt am Gehäuse und in gewissem Abstand davon am Kolben selbst befestigt,
und der andere ist mit einem Kulissenstein o. dgl. in einer Kulisse verschiebbar
geführt. Die so angeordnete Schnappschaltvorrichtung konnte nicht den mit der Erfindung
verfolgten Zweck erfüllen, Wächter der Vorrichtung zu sein, der jede Schaltung verhütet,
wenn der Schaltdruck nicht hoch genug ist, um eine solche sicher bis zum Ende durchzuführen.
Sie war lediglich eine willkürlich angesetzte Beschleunigungskraft. die aber das
Ende des Schaltwegs nicht beschleunigen, sondern nur verla'ngsainen, also die erfindungsgemäße
Sicherung des Schaltvorganges nicht herbeiführen konnte.
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Diese Sicherung ist nach der Erfindung gegeben in dem zielsicheren
Ansetzen der an sich bekannten Schnappschaltvorrichtung in solcher Weise, daß das
Zwischenventil erst dann den Druckmitteldurchgang zum Schaltzylinder zu öffnen beginnt,
wenn die Stützen der Schnappschaltv orrichtung ihre Totlage bereits überschritten
haben, also bereits zur Beschleunigüng und schlagartigen Beendigung des Schaltweges
mithelfen. Die Federn der Schnappschaltvorrichtung sind dementsprechend im Verhältnis
zu Kolben- und Gegenfederdruck so abgestimmt, daß die Schnappstützen nur dann die
Totlage erreichen und überschreiten, wenn der Schaltdruck hoch genug ist, um dann
auch den Weg des Schaltkolbens mit Sicherheit zu Ende zu führen.
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Erfindungsgemäß wird die Schnappschaltvorrichtung auf der druckmittelbeaufschlagten
Seite des Zwischenventilkolbens so angeordnet, daß die Schneidstützen in der Ruhestellung
mit der Kolbenachse einen beiderseits gleichen spitzen Winkel einschließen und an
ihren hinteren Enden Führungswülste tragen, mit denen sie in senkrecht zur Kolbenachse
.im Zwischenventilgehäuse angeordneten Führungsschlitzen laufen, und zwischen denen
beiderseits des Kolbens je eine Hilfsfeder eingehängt ist.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Gestaltung des Zwischenventilkolbens
als Stufenkolben, dessen engere Stufe mit einem Kegelansatz den Druckmitteleintritt
abschließt und dessen weiterer Teil unterhalb dieser Stelle einen Druckinittelvorraum
abschließt. der in der Ruhelage drucklos ist und nur über das danebenliegende Vorsteuerventil
Druck erhalten kann, durch den <sann der Schaltvorgang eingeleitet wird.
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Am Ende seines Einschaltwege: gibt der Arbeitskolben Luftschlitze
in der Wandinig seines Zylinders frei, der dadurch drucklos wird, so daß das Ausschalten
jederzeit völlig ungehemmt unter der Wirkung der Rückstellfedern
des
Schalters durch Nullspannungs-oder Überstromauslösung o. dgl. erfolgen kann. Damit
ist der Vorteil verbunden, daß Federgehäuse und Arbeitskolben in den Schaltpausen
gut durchlüftet und Schwitzwasseransätze vermieden werden.
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Insbesondere sind mit der Vorrichtung nach der Erfindung, abgesehen
davon, daß jeder Einschaltvorgang ohne Rücksicht auf die Dauer des vom Wärter gegebenen
Impulses, wenn nur der erforderliche Luftdruck vorhanden ist, auf alle Fälle zu
Ende geführt wird, auch noch die Vorteile verbunden, daß die Schaltzeit äußerst
kurz ist, was beim Synchronisieren bzw. Parallelschalten von Generatoren bzw. Netzen
besonders wichtig ist, und daß im übrigen die Schaltgeschwindigkeit auch noch durch
Einbau von Drosselscheiben vor dem Kolben des Zwischenventils geregelt werden kann.
_ Die Vorrichtung nach der Erfindung läßt sich insbesondere auch mit Vorteil zum
Schalten von sog. Trennschaltern zur Unterbrechung bzw. zum Wiederverbinden von
Leitungen unter Spannung, aber ohne Leistung verwenden.
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In. der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung
dargestellt. Abb. i zeigt im Aufrißschnitt eine Vorrichtung zum Einschalten von
Leistungsschaltern in Ausschalt- bzw. Schaltbereitschaftsstellung.
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Abb.2 denselben Schnitt wie vor, jedoch im Augenblick der Erreichung,der
Einschalt---ndstellung.
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Abb. 3 einen Aufrißschnitt durch eine besondere Ausführung zum Schalten
in beiderlei Richtung, z. B. für Trennschalter.
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Im Arbeitszylinder a sitzt der Arbeitskolben b mit der Schaltstange
c, die in irgendeiner geeigneten Weise mit den nicht gezeichneten Schaltkontakten
oder Messern verbunden ist. Im Deckel des Arbeitszylinders befindet sich die Drucklufteintrittsöffnung
et. durch die die Druckluft beim Schalten des Zwischenventiles e über den
Kalben b tritt. Im unteren Teil des Arbeitszylinders a sind Öffnungen f angebracht,
durch die die Arbeitsluft ins Freie entweicht, wenn der Kolben b in die Endschaltstellung
nach Abb. geht.
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Das Zwischenventil e besteht aus dem Tastschalter ä und dem von diesem
gesteuerten Sicherheitsschnappschalter h, beide für Betrieb mit Druckluft. Diese
tritt durch einen Anschluß il im Deckel i ein und steht in einem Kanal k
und den durch ihn verbundenen Vorkammern l des Tastschalters g und m des Sicherheitsschalters
lt.
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Der Tastschalter g besteht aus den Schaltzylinder zt, der Tastwelle
o mit Hauptkolben p und X ebenkolben q und dem Tastventil r, welches unter dem Druck
im Vorraum L
dessen Verbindung mit dem Schaltzylinder n und dem Umleitungskanal
s absperrt.
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Das Sicherheitsventil h besteht aus dein Schaltzylinder
t, in dem der Stufenkolben 2i geführt ist, dessen oberer verjüngter Teil
v einen Ventiltellerkranz w trägt, der in der Ruhestellung mit dem Ventilsitz w1
den Druckvörraum nt. absperrt. Außerdem ist der Kolbenteil v mit einer ringförmigen
Aussparung x - oder auch mehreren einzelnen -versehen, in die zwei mit Scha.rnierteilen
y in Führungen z senkrecht zur Kolbenachse bewegliche Schneidstützen io eingreifen.
Die Scharnierteile y stehen unter dem Zug der Federn y1, die zwischen ihnen aufgehängt
sind. Dieser Teil des Kolbens liegt in einem Vorraum ii des Zylinders t, der mit
ihn auch noch durch den Umleitungskanal s verbunden ist. Der Kolben it besitzt einen
nach unten offenen gleichachsigen, zylindrischen Hohlraum 12, in den eine Gegenfeder
13 greift, deren unteres Ende mittels Druckscheibe 14 und Regelschraube 15 in einer
den Zylinder t abschließenden Kappe 16 ruht.
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Am oberen Teil des Schaltzylinders t schließt an eine ringförmige
Erweiterung 17 desselben der Verbindungkanal 18 zum Arbeitszylinder a an. Derselbe
ist in der Ruhelage durch den Kolbenteil v abgesperrt.
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Die Wirkungsweise der Vorrichtung ist folgende: In der Ruhestellung
sind die Ventile r und zo des Zwischenventils e geschlossen. Druck besteht nur im
Verbindungskanal k und den Vorräumen l und ist. Die Zylinderräume it und
t sind über den Kanals durch die Entlüftungsöffnung i9 in der Zylinderabschlußkappe
16 entlastet. Der Kolben b des Arbeitszylinders a befindet sich, wie in Abb. i gezeichnet,
in seiner oberen Bereitstellung zum Einschalten.
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Zum Einschalten wird das freistehende Ende der Tastschalterwelle o
durch irgendeine elektrische oder mechanische oder auch Handbetätigung nach oben
gedrückt. Dabei hebt deren oberer Kolben p das Ventil r von seinem Sitz, und gleichzeitig
unterbricht der untere Kolben q den Verbindungskanal s zwischen Zylindervorraum
i i und Zylinder t. Die Druckluft tritt durch die Düse des Ventils r in den Zylindervorraum
i i und beaufschlagt die obere Fläche ttl des Kolbens zt, der nunmehr dem Druck
der Hauptfeder 13 und der von der Spannung des Federpaares 1'1 herrührenden Stützkraft
der Schneidstützen io entgegenwirkt und unter Zusammendrückung der Hauptfeder die
Federn y1 auseinanderzieht, bis die Stützen io senkrecht zur Kolbenachse stehen.
In diesem Augenblick kehrt
sich die Wirkung des Hilfsfederpaares
y' um und unterstützt den Luftdruck auf die Kolbenfläche it' gegen die Hauptfeder
13. Dadurch schnappt jetzt der Kolben it schlagartig in seine Tiefstellung und gibt
den Durchgang 17, 18 zur Eintrittsöffnung d des Arbeitszylinders a frei. Der Kolben
b wird schlagartig in seine unterste Stellung (Einschaltstellung) gebracht, wie
in Abb. 2 dargestellt. Dabei wirkt die zwischen den Öffnungen f und dem Zylinderboden
eingeschlossene Luft als Polster. Sie zieht durch die engen Kanäle f' im Zylinderboden
langsam ab. Kurz vor Erreichung dieser Stellung hat der Kolben b die Öffnungen f
der Wandung des Arbeitszylinders a freigegeben, wodurch dieser und der Zylinderv
orrautn i i plötzlich entlastet werden. Die Federn 13, y' stellen den Kolben it,
v zurück, wobei das Ventil w, w' wieder geschlossen und der Kolbeninnenraum
12 durch enge Bohrungen 12a mit dem Abzug 17, 18 in Verbindung gebracht wird. Das
Ventil r ist durch seine Rückstellfeder schon vorher geschlossen worden und hat
die Tastwelle o zurückgestoßen. Der Teil des Kanals s, der zwischen den Kolben
q und v eingeschlossen war, wird über den Zylinder t durch die Entlüftungsöffnung
i9 entlüftet. Dabei ist die Vorrichtung für einen neuen Einschaltvorgang bereit.
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Bei der Vorrichtung nach Abb. 3 für zweiseitige Schaltvorrichtung,
wie für Trennschalter u. dgl. Zwecke, ist zwischen das Steuerventil e und den Arbeitszylinder
a eine L msteuervorrichtung 2o eingeschaltet. Diese besitzt einen über einen oberen
Zugangskanal 2 1 und einen unteren 2 2 und einen @erbindungskana123 mit dem Abgangsstutzen
18, d des Steuerventils e verbundenen Zylinder 24, in dein sich ein oberer Kolben
z5 und ein unterer 26 bewegen, die durch eine gemeinsame Steuerstange 27 verbunden
sind. Das obere Ende dieser Steuerstange trägt einen Federteller 28, auf den eine
Feder 29 drückt, um die Kolben 25 und 26 in ihre Tiefstlage zu bringen. In dieser
Tiefstlage versperrt der untere Kolben 26 den Druckluftzugang 30 zum unteren Ende
des Arbeitszylinders a, läßt aber die darüberliegende Entlüftungsöffnung 31 frei,
während der obere Kolben 25 den Durchgang vom Drucklufteintritt 2 1 zum oberen Druckluftkana132
des Arbeitszylinders offen läßt und die obere Entlüftungsöffnung 33 versperrt. Durch
die Öffnung 34 tritt die durch die Entlüftungslöcher 31 bzw. 33 tretende Luft ins
Freie.
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Die einander zugeordneten Öffnungen 30 und 31 bzw. 32 und 33 in der
Wandung zwischen den Zylindern a. und 24 sind durch enge Kanäle 35 bzw. 36 je miteinander
verbunden, die in den Ruhestellungen einen langsamen Druckausgleich auch aus den
abgesperrten Teilen ermöglichen.
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Das Zwischenventil e besitzt bei der Ausführung für Trennschalter
noch einen zweiten Tastschalter 37. Derselbe besteht aus dein Schaltzylinder 38,
der Tastwelle 39 mit den Kolben .4o, 41 und .I2 und dein Tastventil .43, «-elches
unter dem Druck im Vorraum 44 dessen Verbindung .mit dein Schaltzylinder 38 und
dem Umleitungskanal s absperrt. Der Zylinder 38 besitzt zwei Öffnungen 4,5 und 46,
von denen die erstere über die Leitung :I7 mit dein unteren Ende des Zylinders 2.4
der LTmsteuervorrichtung 2o verbunden ist. Die Öffnung .I6 führt ins Freie und dient
zur Entlüftung der L eitung d7 und des Zylinderraumes 38.
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Die Wirkungsweise der Vorrichtung nach Abb. 3 ist folgende: Zum Schließen
des Trennschalters wird das frei stehende Ende der Tastschalterwelle o durch irgendeine
geeignete Betätigungsvorrichtung vom Wärter nach oben gedrückt. Dabei hebt deren
oberer Kolben p in bekannter Weise den Ventilkegel r von seinem Sitz, während der
untere Kolben q den Verbindungskanal s zwischen Zylindervorraum i i und Zylinder
t unterbricht. Die Druckluft tritt dabei in den Zylindervorraum i i und drückt den
Kolben it unter Cberwindung der Feder 13 und der Hilfsfedern y', wie bereits oben
beschrieben, langsam nach unten, bis der Kolben schlagartig in seine Tiefststellung
schnappt und den Durchgang 17, 18 freigibt. Nun tritt die Luft durch den Kanal -23
und den über dem Kolben 25 liegenden Teil des Zylinderraumes 2,4 und den Verbindungskanal
32 über den Kolben b des Arbeitszylinders a und wirft ihn in die untere Lage. In
dieser Stellung gibt er die Entlüftungsöffnung 31 frei, und die Arbeitsluft entweicht
über den Zylinder 24. durch die Öffnung 3:1 ins Freie. Hierdurch werden die Kanäle
23, 32 sowie die Zylinder a:, 24 entlastet. Der Trennschalter ist geschlossen.
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Soll er nun wieder geöffnet werden, dann wird das frei stehende Ende
der Tastwelle 39 des zweiten Tastschalters 37 vom Wärter mittels irgendeiner geeigneten
Betätiguiigsv orrichtung nach oben gedrückt. Der Nebenkolben .I2 unterbricht dabei
den Verbindungskanal s zwischen dem Zylindervorraum i i und dein Zylinder t des
Zylindervorraum e. Gleichzeitig hebt der niedrige obere Kolben .jo den Ventilkegel
43 von seinem Sitz. Die Druckluft tritt durch die Düse dieses Ventils und den Verbindungskanals
in den voti dem Kolben 4o freigegebenen oberen Teil des Zylinderraumes 38. Der untere
Kolben .I1 hat beim Hochgehen die ins Freie führende Entlüftungsöffnung 46 verschlossen.
Die Druck-
Luft tritt nun durch die Öffnung 45 über die Leitung
47 unter den verjüngten Ansatz -.8 des Kolbens 26 der Umsteuervorrichtung
ao und drückt die Steuerwelle 27 mit den Kolben z5, 26 nach oben gegen den Druck
der Feder 29. Dabei schließt der obere Kolben 25 die Kanäle 2 i und 32 ab und öffnet
die Entlüftungsöffnung 33. Der untere Kolben 26 dagegen gibt den Kanal 22 und die
Verbindungsöffnung 30 zwischen Arbeitszylinder a und Steuerzylinder 24 frei
und verschließt die Entlüftungsöffnung 31. Gleichzeitig ist die Druckluft vom Ventil
43 des Tastschalters 37 auch in den Vorraum i i des Zwischenventils e gelangt. Sie
drückt dort den Kolben zt in der schon bekannten Weise schlagartig nach unten, so
daß die Druckluft durch den Zylinder t und die Auslaßöffnung 17, 18 über
den Verbindungskanal 23 und die Verbindungsöffnung 30 unter den in der unteren
Endlage befindlichen Arbeitskolben b tritt und diesen nach oben wirft. In seiner
oberen Endlage gibt er die Entlüftungsöffnung 33 frei, und die Arbeitsluft tritt
über den Zylinderraum 24 durch die Öffnung 34 ins Freie, die Kanäle 23, 22, 33 und
den Arbeitszylinder a entlastend. Nun schiebt die Druckfeder 29 die Steuerwelle
27 mit den Kolben 25 und 26 wieder in die untere Endlage. Der Trennschalter
ist geöffnet. Die Leitung 47 und Zylinder 38 werden nach dem Zurückgehen der Tastwelle
39 in die untere Lage über die Entlüftungsöffnung 46 entlastet. Da die Kolbenstange
c in diesem Falle mit dem Kontakthebel des Trennschalters verbunden ist, bleibt
der Kolben b bis zum nächsten Impuls zum Schließen des Schalters in der oberen Stellung
hängen.