EP2501942B1

EP2501942B1 - Hochspannungsschalter

Info

Publication number: EP2501942B1
Application number: EP10779819.1A
Authority: EP
Inventors: Matthias Schmidt; Franz-Josef Körber
Original assignee: ABB Schweiz AG
Current assignee: ABB Schweiz AG
Priority date: 2009-11-20
Filing date: 2010-11-22
Publication date: 2017-01-04
Anticipated expiration: 2030-11-22
Also published as: KR20120092130A; US8701706B2; WO2011061323A1; JP5738306B2; US20120273700A1; EP2501942A1; JP2013511677A; CN102639880B; CN201696385U; CN102639880A

Description

Die Erfindung betrifft einen Hochspannungsschalter mit einer Ventilanordnung.
In der DE 10 2009 014 421.8 ist eine Ventilanordnung vorgeschlagen worden, bei der als Vorsteuerventil ein 3/2-Wegeventil und als Hauptsteuerventilanordnung zwei 2/2-Wegeventile vorgesehen worden sind.
Aus der US 5 476 030 A ist eine Ventilanordnung bekannt geworden, die mehrere Ventile unterschiedlicher Bauart mit mehreren 2/2-Wegeventilen und einem 3/2-Wegeventil aufweisen, so dass der Aufbau der Ventilanordnung recht kompliziert ist.
Aus der DE 199 32 139 B4 ist eine Ventilanordnung bekannt geworden, bei der zwei Schieberventile vorgesehen sind, die auf die eingangs erwähnte Weise miteinander verschaltet sind und die für die stufenlose Regelung eines Druckes gedacht sind. Beide Ventile besitzen eine Federrückstellung, wobei das Vorsteuerventil ein Erregersystem aufweist. Aufgrund der konstruktiven Ausgestaltung der Schieberventile im sogenannten Folgekolbenprinzip ist eine mechanische Kopplung beider Ventile gegeben insoweit, als das Vorsteuerventil durch einen Ventilkörper gebildet ist, der innerhalb des eigentlichen Ventilschiebers angeordnet ist.
In der DE 28 50 590 A1 ist ein Elektromagnetventil für eine Hydrauliksteuerung beschrieben, welches im Ventilgehäuse eine elektromagnetische Betätigungsvorrichtung und eine durch diese betätigte Ventilvorrichtung aufweist.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Hochspannungsschalter zu schaffen, dessen Aufbau erheblich vereinfacht ist, wobei erreicht werden soll, dass eine einmal initiierte Position auch ohne anliegendes Steuersignal und auch bei Druckverlust beibehalten wird.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Anspruches 1.
Damit sind die Drücke px (=Steuerdruck) und pz (Druck zur Kolbenzylinderanordnung) der beiden 3/2-Wegeventile im statischen Fall stets zueinander invertiert. Wenn sich der Steuerdruck px auf Hochdruck befindet, befindet sich der Druck pz auf Niederdruck und umgekehrt. Durch die Verwendung der beiden 3/2-Wegeventile bleibt die Anordnung langzeitstabil in der jeweiligen geschalteten Position auch im Falle von Leckagen.
Erfindungsgemäß ist dem Vorsteuerventil je ein Magnetsystem für die Schaltrichtungen zugeordnet. Damit besitzt das Vorsteuerventil zwei Magnetsysteme, und zwar für jede Schaltrichtung eine.
Erfindungsgemäß umfaßt das Hauptsteuerventil drei Steuerflächen, von denen zwei, eine zweite und eine dritte, Steuerflächen in die gleiche Richtung und die erste Steuerfläche in die entgegen gesetzte Richtung mit Hydraulikfluid beaufschlagbar sind, wobei die Abmessungen der Steuerflächen der Formel F1 > F2 + F3 folgen. Das heißt, dass der Flächeninhalt der ersten Steuerfläche F1 größer ist als die Summe der Flächeninhalte der zweiten und dritten Steuerfläche F2, F3.
Das Vorsteuerventil mit dem Magnetsystem ist so ansteuerbar, dass die erste Steuerfläche des Hauptsteuerventils in einer ersten Stellung des Vorsteuerventils mit Niederdruck verbunden ist, wodurch das Hauptsteuerventil durch die jeweils mit Hochdruckfluid beaufschlagte zweite und dritte Steuerfläche umgeschaltet wird und der Kolben der Kolbenzylinder-Anordnung in Richtung Ausfahren der Kolbenstange bewegbar ist, und in einer zweiten Stellung des Vorsteuerventils mit Hochdruckfluid beaufschlagt wird, so dass das Hauptsteuerventil den Raum oberhalb des Kolbens mit Niederdruck verbindet, wodurch der Kolben in Richtung Einfahren der Kolbenstange beaufschlagt wird.
Weiterhin ist ein besonderer Vorteil darin zu sehen, dass der Aufbau des Hauptventils sehr vereinfacht ist. Der als bewegliches Teil dienende Kolben kann zwischen den beiden Dichtsitzen hin- und her schalten, wobei der Kolben durch den Druck am Hochdruckanschluss in die eine Richtung und durch den Steuerdruck in die andere Richtung bewegt wird. Das Ventil benötigt daher lediglich eine dynamische Weichdichtung und kann daher deutlich kostengünstiger hergestellt werden. Auch kann das Vorsteuerventil einen deutlich kleineren Hub ausführen als z.B. bei der Ventilanordnung nach der DE 19 932 139 B4 , weil die Kopplung beider Ventile hydraulisch erfolgt.
Die erfindungsgemäße Ventilanordnung ist bistabil, so dass eine einmal initiierte Position auch bei Druckverlust beibehalten wird.
An Hand der folgenden Figuren, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, sollen die Erfindung, weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen sowie weitere Vorteile der Erfindung näher erläutert und beschrieben werden.
Es zeigen:

Fig. 1 und 2: je eine Schaltungsanordnung einer erfindungsgemäßen Ventilanordnung in zwei unterschiedlichen Stellungen, wobei die Fig. 1 die Ausschaltstellung des Leistungsschalters, also wenn die Kolbenstange der Kolben-Zylinderanordnung eingefahren ist, und die Fig. 2 die Einschaltstellung des Leistungsschalters, wenn die Kolbenstange ausgefahren ist, zeigen, und
Fig. 3 und 4: ein Hauptventil in schematischer Darstellung, ebenfalls in zwei unterschiedlichen Stellungen.

Es sei Bezug genommen auf Fig. 1.
Die Schaltungsanordnung 10, auch Ventilanordnung 10 genannt, dient zur Ansteuerung des beweglichen Kontaktstückes 11 eines Hochspannungsleistungsschalters 12 über eine Kolben-Zylinderanordnung 13, in deren Zylinder 14 ein Kolben 15 beweglich angeordnet ist, an dessen einen Seite, die den Raum 16 unterhalb des Kolbens 15 begrenzt, eine Kolbenstange 17 angeschlossen ist, die mit dem beweglichen Kontaktstück 11 des Schalters 12 gekoppelt ist. Auf der entgegengesetzt liegenden Seite des Kolbens 15 befindet sich ein Raum 18 oberhalb des Kolbens 15, wobei die diesen Raum 18 begrenzende Kolbenfläche größer ist als diejenige, die den Raum 16 begrenzt, weil dort die Kolbenfläche um die Querschnittsfläche der Kolbenstange 17 verringert ist. Wenn nun sowohl in die Räume 16 und 18 unter- und oberhalb des Kolbens 15 Hydraulikfluid gepumpt wird, wird der Kolben 15 in Richtung P1 und die Kolbenstange 17 in Richtung Schließen des beweglichen Kontaktstückes 11 bewegt. Wenn der Raum 18 oberhalb des Kolbens 15 entlastet wird, also mit einem Niederdruckbehälter 26 (s. unten) verbunden wird, bewegt der Druck innerhalb des Raumes 16 unterhalb des Kolbens 15 diesen in eine der Pfeilrichtung P1 entgegengesetzte Richtung.
Die Fig. 1 zeigt die Ventilanordnung 10 in der Stellung, in der die Kolbenstange 17 eingezogen ist, also in der Stellung, in welcher der Leistungsschalter 12 ausgeschaltet ist, wogegen die Fig. 2 die Ventilanordnung in der Stellung zeigt, in der die Kolbenstange 17 ausgefahren und der Leistungsschalter 12 eingeschaltet ist.
Die Ventilanordnung 10 umfasst ein Hauptsteuerventil 20 oder Hauptventil 20 und ein Vorsteuerventil 21.
Das Vorsteuerventil 21 ist ein in zwei Richtungen mittels je eines Magnetsystems 22 und 23 betätigbares 3/2-Wegeventil, wobei das eine Magnetsystem 22 das Vorsteuerventil 21 in Richtung "Aus" und das andere Magnetsystem 23 das Vorsteuerventil 21 in Richtung "Ein" betätigen, wie weiter unten näher erläutert wird. "Aus" bedeutet Ausschalten des Leistungsschalters und Einfahren der Kolbenstange 17 in den Zylinder 14 und "EIN" bedeutet Einschalten des Leistungsschalters 12 und Ausfahren der Kolbenstange 17. Das Vorsteuerventil 21 besitzt eine erste Anschlussöffnung 24, die über eine erste Leitung 25 mit einem Niederdruckbehälter 26 verbunden ist. Das Vorsteuerventil 21 besitzt eine zweite Anschlussöffnung 27, die über eine zweite Leitung 28 mit einem Hochdruckbehälter 29 oder einem Hochdrucktank, einer Hochdruckpumpe oder dergleichen verbunden ist. An einer dritten Anschlussöffnung 30 schließt eine dritte Leitung 31 an, die mit einer ersten Steuerfläche F1 des ebenfalls als 3/2-Wegeventil ausgebildeten Hauptventils 20 verbunden ist.
Das Hauptventil 20 besitzt ähnlich wie das Vorsteuerventil 21 eine erste Anschlussöffnung 32, die über eine vierte Leitung 33 ebenfalls mit dem Niederdrucktank 26 verbunden ist. An einer zweiten Anschlussöffnung 34 des Hauptsteuerventils 20 ist eine fünfte Leitung 35 angeschlossen, die mit dem Hochdrucktank oder -behälter 29 verbunden ist. An einer dritten Anschlussöffnung 36 des Hauptsteuerventils 20 ist eine sechste Leitung 37 angeschlossen, die diese Anschlussöffnung mit dem Raum 18 oberhalb des Kolbens 15 verbindet. Eine siebte Leitung 38 verbindet den Raum 16 unterhalb des Kolbens 15 mit dem Hochdruckbehälter 29. Dabei sind die Leitungen 28, 35 und 38 miteinander, was hier in der Fig. 1 symbolisch durch die Knotenpunkte 40 und 41 dargestellt ist, und mit dem Hochdruckbehälter 29 verbunden. Sie befinden sich damit auf Hochdruck. Über je eine Rückführleitung 39 und 40a sind die Anschlussöffnungen 36 und 34 mit je einer zweiten und dritten Steuerfläche F2 und F3 verbunden, wobei die Steuerflächen F1, F2 und F3 entsprechend der Formel $F 1 > F 2 + F 3$
zu bemessen sind. Das bedeutet, dass der Flächeninhalt der ersten Steuerfläche F1 größer ist als die Summe der Flächeninhalte der zweiten und dritten Steuerfläche F2, F3.
Die Arbeitsweise der Ventilanordnung ist nun wie folgt:
In der in der Fig. 1 dargestellten Stellung ist das Vorsteuerventil 21 mittels des einen Magnetsystems 22 in die "Aus"-Stellung gebracht worden, in der der Raum 18 oberhalb des Kolbens 15 über die Leitungen 33 und 37 mit dem Niederdruckbehälter 26 verbunden und damit entlastet ist. An der ersten Steuerfläche F1 steht als Steuerdruck px = Hochdruck an, weil das Vorsteuerventil 21 die Anschlussöffnungen 27 und 30 auf Durchlass gestellt hat. Der Zustelldruck pz, der den Fluiddruck des Raumes 18 oberhalb des Kolbens 15 bildet, befindet sich auf Niederdruck. An der dritten Steuerfläche F3 steht Hochdruck an, wogegen an der zweiten Steuerfläche F2 über die Rückführleitung 39 Niederdruck herrscht.
Wenn nun der Leistungsschalter 12 eingeschaltet werden soll, sind der Kolben 15 und die Kolbenstange 17 in Pfeilrichtung P1 zu bewegen, siehe Fig. 2. Hierzu wird das Vorsteuerventil 21 mittels des anderen Magnetsystems 23 auf "Ein"-Stellung gebracht, so dass die Anschlussöffnungen 30 und 24 auf Durchlass umgeschaltet werden, so dass sich der Steuerdruck px auf Niederdruck befindet. Dadurch wird das Hauptsteuerventil 20 umgesteuert, wodurch die Anschlussöffnung 36 mit der Anschlussöffnung 34 verbunden wird, so dass hierüber Hochdruckfluid mit Hochdruck als Zustelldruck pz = Hochdruck dem Raum 18 oberhalb des Kolbens 15 zugeführt wird. Der Raum unterhalb des Kolbens 15 steht dauernd unter Hochdruck und ist mit den Hochdrucktank 29 verbunden. Aufgrund der Querschnittsdifferenz zwischen der Kolbenfläche oberhalb und unterhalb des Kolbens 15 werden der Kolben 15 und die Kolbenstange 17 in Pfeilrichtung P1 bewegt, so dass der Leistungsschalter 12 eingeschaltet wird. Der Steuerdruck px befindet sich auf Niederdruck und der Zustelldruck pz ist auf Hochdruck. Die Drücke px und pz sind jeweils statisch invertiert. Wenn an der Anschlussöffnung 30 des Vorsteuerventils 21 der Druck px = Hochdruck herrscht, dann ist der Druck an der ersten Steuerfläche F₁ ebenfalls auf Hochdruck; der Druck pz an der Anschlussöffnung 36 des Hauptsteuerventils 20 befindet sich dann auf Niederdruck, und umgekehrt in der Stellung, die in der Fig. 2 dargestellt ist.
Es sei nun Bezug genommen auf die Figuren 3 und 4, in der eine schematische Darstellung einer konstruktiven Ausgestaltung des Hauptsteuerventils 20 gezeigt ist.
Die Fig. 3 zeigt das Hauptsteuerventil, das hier in den Fig. 3 und 4 die Bezugsziffer 50 trägt, in der Stellung des Hauptsteuerventils 20 gemäß Fig. 1 und 2.
Das Hauptsteuerventil gemäß Fig. 4 ist in der Stellung gezeichnet, die das Hauptsteuerventil 20 gemäß Fig. 2 einnimmt.
Rein schematisch besitzt das Hauptsteuerventil 50 der Figuren 3 und 4 einen Zylinderkörper 51, in dem ein Kolben 52 aufgenommen und hin- und herbewegbar ist. Der Kolben 52 besitzt einen ersten Kolbenabschnitt 53 mit zwei an seinen entgegengesetzt liegenden Enden angeordneten Anfasungen 54 und 55. An dem ersten Kolbenabschnitt 53 schließt sich ein axial verlaufender Steg 56 an, an dem ein zweiter Kolbenabschnitt 57 angeformt ist.
Der Zylinderkörper 51 besitzt einen ersten Zylinderabschnitt 58, der über eine radiale Stufung 59 in einen zweiten Zylinderabschnitt 60 mit größerem Innendurchmesser übergeht, wobei die Kante zwischen der Innenfläche des ersten Zylinderabschnittes 58 und der Anfasung oder Schrägfläche 54 eine erste Dichtstelle 61 bildet. Der Innendurchmesser des zweiten Zylinderabschnittes 60 ist größer als der Innendurchmesser des ersten Zylinderabschnittes 58.
An den zweiten Zylinderabschnitt 60 schließt sich eine zweite radiale Stufung 62 an, die in einen dritten Zylinderabschnitt 63 übergeht, wobei zwischen der Innenfläche des dritten Zylinderabschnittes 63 und der Stufung 62 eine Kante 64 vorgesehen ist, die zusammen mit der Schrägfläche oder Anfasung 55 in der Stellung, in welcher der Kolben gemäß Fig. 4 steht, eine Dichtstelle 65 bildet. Der Innendurchmesser des dritten Zylinderabschnittes 63 ist größer als der Innendurchmesser des ersten Zylinderabschnittes 58 und auch kleiner als der Innendurchmesser des zweiten Zylinderabschnittes 60.
An den dritten Zylinderabschnitt 63 schließt sich ein vierter Zylinderabschnitt 66 an. Der Zylinderkörper 51 besitzt anschließend an den vierten Zylinderabschnitt einen Boden 67, der eine Durchgangsöffnung 68 aufweist. Der Außendurchmesser des zweiten Kolbenabschnittes 57 entspricht dem Innendurchmesser des vierten Zylinderabschnittes 66.
Der Zylinderkörper besitzt weiterhin Radialbohrungen 69 und 70. Die erste Radialbohrung 69 befindet sich zwischen den Dichtstellen 61 und 65 und die zweite Radialbohrung 70 mündet in den Bereich zwischen der Dichtstelle 65 und dem zweiten Kolbenabschnitt 57 ein.
Die freie Fläche 52a des ersten Kolbenabschnittes 53 befindet sich innerhalb der Dichtstelle 61 und ist über die Anschlussöffnung 34 dauerhaft mit Hochdruck verbunden, wie durch den Buchstaben P dargestellt. Die Dichtstellen 61 und 65 sind kreisförmig.
Die erste Radialbohrung 69 entspricht der Anschlussöffnung 36 (siehe Fig. 1 und 2) und ist mit dem Raum 18 oberhalb des Kolbens verbunden. Die zweite Radialbohrung 70 entspricht dabei der Anschlussöffnung 32 (siehe Fig. 1 und 2) und ist dauernd mit dem Niederdrucktank verbunden, was durch den Buchstaben T gekennzeichnet ist. Die Verbindung der ersten Radialbohrung 69 mit dem Raum 18 oberhalb des Kolbens wird durch den Buchstaben Z symbolisiert. Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte zweite Steuerfläche F2 ist z.B. in der Stellung gemäß Fig. 3 gebildet durch die Differenz der Flächen innerhalb der Dichtstellen 65 und 61, wohingegen die in der Fig. 1 und Fig. 2 dargestellte dritte Steuerfläche F3 durch die Fläche innerhalb der Dichtstelle 61 gebildet wird. Die Rückführleitungen 39 und 40a sind im Hauptsteuerventil 50 integriert und bilden keine eigenen Leitungsführungen. In den Fig. 1 und 2 sind diese Rückführleitungen 39 und 40a zur Verdeutlichung der Wirkungsweise der Schaltungsanordnung dargestellt.
Die Fig. 3 zeigt das erste Hauptsteuerventil in der Stellung gemäß Fig. 1. Dabei steht an der der Durchgangsöffnung 68 zugewandten Fläche des Kolbenabschnitts 57 Hochdruck an, so dass diese Fläche der ersten Steuerfläche F1 entspricht. Zwar steht an der Fläche 52a des ersten Kolbenabschnitts 53 ebenfalls Hochdruck an; da jedoch die der Durchgangsöffnung 68 zugewandte Fläche des Kolbenabschnittes 57 größer ist als die dem Hochdruck ausgesetzte Fläche 52a, wird der Kolben 52 dauerhaft in Pfeilrichtung P2 gedrückt, wodurch die Dichtstelle 61 geschlossen ist. Über die erste und zweite Radialbohrung 69 und 70 befindet sich der Raum 18 oberhalb des Kolbens 15 auf Niederdruck.
Nach Umsteuerung, wenn also an der ersten Steuerfläche F1, die der der Durchgangsöffnung 68 zugewandten Fläche des Kolbens 52 beziehungsweise des zweiten Kolbenabschnittes 57 entspricht, Niederdruck ansteht, wie aus Fig. 2 ersichtlich, dann wird über die Fläche 52a der Kolben 52 entgegen der Pfeilrichtung P2 gedrückt, so dass die Dichtstelle 65 geschlossen ist; der Weg über die jetzt geöffnete Dichtstelle 61 ist für Hochdruck frei, so dass dem Raum 18 oberhalb des Kolbens 52 Hochdruck zugeführt werden kann, was dazu führt, dass die Kolbenstange 17 aus dem Zylinder 14 herausgefahren und der Leistungsschalter 12 geschlossen wird, siehe Fig. 2.
Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung können die Hauptventilstufe und die Vorventilstufe jeweils selbstständig Druck halten, so dass Leckagen bei dem einen oder anderen der Ventile nicht zu unerwünschten Schalthandlungen führen.

Claims

Hochspannungsschalter mit einer Kolben-Zylinderanordnung (13) zur Betätigung eines beweglichen Kontaktstückes und mit einer Ventilanordnung zur Betätigung der Kolben-Zylinderanordnung (13), wobei die Ventilanordnung eine Vorsteuerventilanordnung und eine Hauptsteuerventilanordnung aufweist,
wobei die Vorsteuer-und Hauptsteuerventilanordnung jeweils ein 3/2-Wegeventil als Vorsteuerventil (21) und Hauptsteuerventil (20) umfasst mit jeweils einem Steuerdruck-, einem Hochdruck- und einem Niederdruckanschluss, die miteinander derart verschaltet sind, dass über den Steuerdruckanschluss (30) des Vorsteuerventils (21) das Hauptsteuerventil (20) angesteuert wird und dass der Druck (px) an dem Steuerdruckanschluss (30) des Vorsteuerventils (20) und der Druck (pz) zum Kolben-Zylinderanordnung statisch gegeneinander invertiert sind, wobei die 3/2-Wegeventile (20, 21) als Sitzventile ausgebildet sind und lediglich hydraulisch miteinander gekoppelt sind, wobei dem Vorsteuerventil (21) je ein Magnetsystem (22, 23) für die Schaltrichtungen zugeordnet ist, und wobei das Hauptsteuerventil (20) drei Steuerflächen (F1, F2, F3) aufweist, von denen zwei, eine zweite und eine dritte, Steuerflächen (F2 und F3) in die gleiche Richtung und die erste Steuerfläche (F1) in die entgegen gesetzte Richtung mit Hydraulikfluid beaufschlagbar sind, wobei die Abmessungen der Flächeninhalte der Steuerflächen der Formel F1 > F2 + F3 folgen.
Hochspannungsschalter nach Anspruch 1 wobei die Kolbenzylinderanordnung (13) mit einem in einem Zylinderkörper (14) bewegbaren Kolben (15) und einer damit verbundenen Kolbenstange (17) versehen ist, wobei das Vorsteuerventil (21) mit dem Magnetsystem so ansteuerbar ist, dass die erste Steuerfläche (F1) in einer ersten Stellung des Vorsteuerventils (21) mit Niederdruck verbunden ist, wodurch das Hauptsteuerventil (20) durch die jeweils mit Hochdruckfluid beaufschlagte zweite und dritte Steuerfläche (F2, F3) umgeschaltet wird und der Kolben (15) der Kolbenzylinder-Anardnung (13) in Richtung Ausfahren der Kolbenstange (17) bewegbar ist, und in einer zweiten Stellung des Vorsteuerventils (21) mit Hochdruckfluid beaufschlagt wird, so dass das Hauptsteuerventil (20) den Raum oberhalb des Kolbens (15) mit Niederdruck verbindet, wodurch der Kolben (15) in Richtung Einfahren der Kolbenstange (17) beaufschlagt wird.
Hochspannungsschalter Anspruchs 2, wobei das Hauptsteuerventil (20) eine mit zwei Kolbenabschnitten (53, 57) versehene Kolbenanordnung aufweist, deren erster Kolbenabschnitt (53) vorzugsweise über Anfasungen (54, 55) an dessen entgegengesetzten Kolbenflächen mit je einer Dichtkante in zwei unterschiedlichen Stellungen zusammenwirkt, wobei der Innendurchmesser der dem Hochdruckanschluss zugewandten Fläche des ersten Kolbenabschnittes (53) kleiner ist als der Innendurchmesser dem Niederdruckanschluss zugewandten Dichtkante des ersten Kolbenabschnittes (53), deren zweiter Kolbenabschnitt (57) in einem mit einer Durchgangsöffnung (68) versehenen Zylinderkörper (51) angeordnet ist, wobei der zweite Kolbenabschnitt (57) die erste Steuerfläche (F1) aufweist, wobei die Flächen des ersten Kolbenabschnitts (53), die den Dichtkanten (61, 65) zugeordnet sind, die zweite und die dritte Steuerfläche (F2, F3) bilden.