Leistungsschalter

Beschreibung

Die Erfindung betrifft hydraulische Differentialzylinderanordnung für hydromechanische Antriebe für elektrische Leistungsschalter.

Hydromechanische Federspeicherantriebe weisen üblicherweise Differentialzylinder auf. Ein Kolben des Differentialzylinders ist mit einer Kolbenstange verbunden, die durch Druckbeaufschlagung eines Druckvolumens bewegbar ist. Weiterhin ist die Kolbenstange mit einem elektrischen Leistungsschalter verbunden, so dass durch Bewegen der Kolbenstange der elektrische Leistungsschalter geschaltet werden kann. Beispielsweise kann zum Öffnen des elektrischen Leistungsschalters das Druckvolumen des Differentialzylinders mit einem hydraulischen Druck beaufschlagt werden, so dass sich die Kolbenstange in eine entsprechende Position bewegt.

Der Druck in dem Druckvolumen wird üblicherweise von einem Druckzylinder bereitgestellt, der mit einem mechanischen Energiespeicher, wie beispielsweise einer Federanordnung, gekoppelt ist. Soll der Leistungsschalter geschaltet werden, wird die Federkraft auf den Druckzylinder freigegeben, so dass sich dort ein Arbeitsoder Systemdruck aufbaut, der über eine hydraulische Verbindung auch in dem Druckvolumen des Differentialzylinders vorliegt. Durch den Arbeitsdruck in dem

BESTÄTIGUNGSKOPIE Druckbereich werden der Kolben und die Kolbenstange des Differentialzylinders bewegt.

Wenn der mechanische Energiespeicher an dem Druckzylinder als Federanordnung ausgebildet ist, wird dieser üblicherweise zum Bereitstellen einer ausreichenden Kraft mit einer Vorspannung beaufschlagt. Beim Auslösen der Federanordnung baut sich der Arbeitsdruck sehr schnell auf, so dass der Druckbereich des Differentialzylinders beinahe unmittelbar mit dem Arbeitsdruck beaufschlagt wird. Dadurch wird der Kolben des Differentialzylinders mit einer hohen Beschleunigungskraft in Richtung eines Endanschlags bewegt. Zur Schonung des Differentialzylinders und der weiteren damit gekoppelten mechanischen Bauteile ist daher häufig eine Endlagendämpfung vorgesehen, bei der die Geschwindigkeit des Kolbens reduziert wird, bevor dieser oder ein weiteres Bauteil an einem Anschlag anschlägt. Die Dämpfung soll bewirken, dass die Endgeschwindigkeit des Kolbens beim Anschlagen unterhalb eines vorgegebenen Schwellwertes gebracht wird, um eine Beschädigung der Bauteile zu vermeiden.

Abhängig vom Einsatzfall und vom Typ des zu schaltenden Leistungsschalters, der Auslösegeschwindigkeit, des bereitgestellten Arbeitsdrucks und dergleichen muss für jede Anwendung individuell eine eigene geometrische Auslegung der Dämpfung erfolgen. Dadurch sind die hydromechanischen Federspeicherantriebe bereits zu Beginn der Fertigung auf eine bestimmte Anwendung festgelegt. Ein Wechsel des Anwendungsbereichs ist nach ihrer Herstellung in der Regel nicht mehr ohne Weiteres möglich. Dies macht die Herstellung der hydromechanischen Federspeicherantriebe unflexibel, da diese nur gezielt für einen bestimmten Anwendungsfall hergestellt werden können und es nicht möglich ist, sie für eine Reihe unbestimmter Anwendungen auf Vorrat zu produzieren und nach ihrer Herstellung an den gegebenen Anwendungsfall anzupassen.

Es ist daher wünschenswert, einen hydromechanischen Federspeicherantrieb zu schaffen, der eine Endlagendämpfung aufweist, die ungeachtet des von dem mechanischen Energiespeicher bereitgestellten Arbeitsdrucks und ungeachtet der mit der Kolbenstange bewegten Masse so abgebremst werden kann, dass eine Endgeschwindigkeit der Kolbenstange unter einem vorgegebenen Schwellenwert erreicht wird, bevor der Kolben, die Kolbenstange oder ein damit verbundenes Bauteil an einem Endanschlag anschlägt.

Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen hydromechanischen Antrieb zum Betätigen eines elektrischen Leistungsschalters, insbesondere eines Hochspannungsleistungsschalters zur Verfügung zu stellen, bei dem die Höhe der Endlagendämpfung reguliert wird.

Diese Aufgabe wird durch eine Differentialzylinderanordnung für einen hydromechanischen Antrieb zum Betätigen eines elektrischen Leistungsschalters gemäß Anspruch 1 sowie durch den hydromechanischen Antrieb gemäß Anspruch 9 gelöst.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Gemäß einem ersten Aspekt ist eine Differentialzylinderanordnung für einen hydromechanischen Antrieb zur Betätigung eines elektrischen Schalters, insbesondere eines Hochspannungsschalters, vorgesehen.

Die Differentialzylinderanordnung umfasst:

- einen ersten Druckbereich zum Beaufschlagen mit einem Arbeits- oder Systemdruck;

- einen zweiten Druckbereich;

- einen in einem Bewegungsbereich beweglichen Kolben, der abhängig von einer Druckdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Druckbereich bewegbar ist;

wobei eine Dämpfungseinrichtung vorgesehen ist, die bei einer Bewegung des Kolbens in Richtung des zweiten Druckbereichs eine Dämpfung, auch Endlagendämpfung genannt, gegen die Bewegung des Kolbens bereitstellt, wobei sich die Dämpfung selbsttätig einstellt, und die Dämpfungseinrichtung eine Dämpfungskammer an einem dem Kolben gegenüberliegenden Ende des zweiten Druckbereichs und einen an dem Kolben in Richtung des zweiten Druckbereichs hervorstehenden zylindrischen, insbesondere kreiszylindrischen, Dämpfungszapfen aufweist, wobei der Dämpfungszapfen und die Dämpfungskammer so ausgebildet sind, dass der Dämpfungszapfen in einem Bewegungsbereichs in die Dämpfungskammer hineinragt und damit den zweiten Druckbereich von der Dämpfungskammer trennt.

Dadurch kann erreicht werden, dass in einem ersten Abschnitt des Bewegungsbereichs des Kolbens keine nennenswerte Dämpfung hervorgerufen wird. Erst in einem zweiten Abschnitt des Bewegungsbereichs, wenn der Dämpfungszapfen durch die Bewegung des Kolbens in eine Dämpfungskammer gelangt, wird das in der Dämpfungskammer befindliche Fluid eingeschlossen, so dass dieses nur durch einen reduzierten Durchlassquerschnitt aus der Dämpfungskammer ausströmen kann. In Folge ist die Dämpfung gegenüber der Bewegung des Kolbens in dem ersten Kolbenbereich deutlich erhöht.

Die Dämpfungseinrichtung umfasst eine Dämpfungsbuchse, in deren Innenraum die Dämpfungskammer einen dritten Druckbereich bildet, der mit wenigstens einem beweglichen Verschlusselement verschließbar ist. Das bewegliche mit der Dämpfungskammer zusammenwirkende Verschlusselement ist bei einer Bewegung des Kolbens mittels einer Anpresskraft von wenigstens einer damit zusammenwirkenden Tellerfeder bewegbar. In einer vorteilhaften Ausführungsform sind als Verschlusselemente drei in axialer Richtung bewegliche Teile, insbesondere Verschlusszapfen vorgesehen.

Die Dämpfungskammer und der zweite Druckbereich sind über wenigstens eine Hydraulikleitung mit einem Hydraulikflüssigkeitsbehälter, beispielsweise mittels eines 3/2-Wegesitzventils, verbindbar.

Eine Idee der obigen Differentialzylinderanordnung für einen hydromechanischen Antrieb besteht darin, eine Dämpfung einer Bewegung des Kolbens in einem Abschnitt (Teilbereich) des Bewegungsbereichs des Kolbens vorzusehen, um die Geschwindigkeit des Kolbens vor Erreichen eines Endanschlags zu reduzieren.

Durch Vorsehen einer selbsttätig einstellbaren Dämpfung ist es möglich, die Differenzialzylinderanordnung, nachfolgend auch als Differenzialzylinder bezeichnet, unabhängig von der Kenntnis des späteren Systems, in dem diese eingesetzt wird, auszubilden.

Auf diese Weise ist eine weitestgehend anwendungsneutrale Fertigung von derartigen hydromechanischen Antrieben möglich, die ohne Kenntnis der Endanwendung erfolgen kann.

Gemäß der vorliegenden Erfindung stellt sich der Querschnitt, durch den die Hydraulikflüssigkeit aus der Dämpfungskammer ausströmen kann, selbsttätig ein, so dass der hydromechanische Antrieb auf den Anwendungsfall, d. h. auf die Ausgangsgeschwindigkeit des Kolbens, die auf den Kolben wirkende Kraft, die Maximalgeschwindigkeit des Kolbens und die Masse der mit der Kolbenstange verbundenen Elemente, ohne äußere Eingriffe eingestellt wird, um das gewünschte Schaltverhalten des mit dem hydromechanischen Antrieb betätigten Leistungsschalters zu erreichen.

Dazu sind der Dämpfungszapfen und die Dämpfungskammer so ausgebildet, dass nach dem Eindringen des Dämpfungszapfens in die Dämpfungskammer ein Restspalt verbleibt, der einen vorgegebenen Durchlassquerschnitt aufweist.

Insbesondere kann der vorgegebene Durchlassquerschnitt so gewählt werden, dass dieser eine vorgegebene maximale Dämpfung gegen die Bewegung des Kolbens bewirkt.

Nach einem Eintreten des Dämpfungszapfens in die Dämpfungskammer erfährt der dritte Druckbereich durch den Dämpfungszapfen eine Trennung vom zweiten Druckbereich. Die Hydraulikflüssigkeit fließt zunächst nur durch den Restspalt in den zweiten Druckbereich und danach in den Hydraulikflüssigkeitsbehälter zurück, wobei der durch diese Stauung entstehende Dämpfungsdruck im dritten Druckbereich den Differentialkolben abbremst.

Das Verschlusselement entfernt sich mitsamt seiner Führung vom Boden der Dämpfungsbuchse, sobald der Dämpfungsdruck im dritten Druckbereich eine größere Kraft auf das Verschlusselement ausübt, als die Anpresskraft der vorgesehenen Tellerfedern beträgt und eine zusätzliche Verbindung zwischen dem dritten Druckbereich und dem zweiten Druckbereich entsteht, durch welche die Hydraulikflüssigkeit im dritten Druckbereich abströmt.

Das Verschlusselement presst sich wieder gegen den Boden der Dämpfungsbuchse, sobald der Dämpfungsdruck im dritten Druckbereich wieder abnimmt und die Anpresskraft der Tellerfedern die auf das Verschlusselement ausgeübte Druckkraft überschreitet und die zusätzliche Verbindung zwischen dem dritten Druckbereich und dem zweiten Druckbereich sich wieder verschließt, wodurch sich die Höhe des Drucks im dritten Druckbereich regelt und damit die Bremswirkung auf den Differentialkolben.

Das bewegliche Verschlusselement regelt somit in vorteilhafter Weise den Dämpfungsdruck.

Der Druck, bei dem die hydraulische Kraft auf das Verschlusselement (Druck mal Wirkfläche) gleich der schließenden Federkraft ist und das Verschlusselement daher öffnet, wird als Öffnungsdruck bezeichnet und ist dabei durch das Verhältnis der Kraft der eingesetzten Tellerfedern zur Wirkfläche des Verschlusselements bestimmt. Die Wirkfläche ist dabei die vom Dämpfungsdruck beaufschlagte Kreisfläche des Verschlusselements innerhalb der Kontakt- und Dichtstelle zwischen Verschlusselement und Dämpfungsbuchse.

Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein hydromechanischer Antrieb mit dem obigen Differentialzylinder vorgesehen, der bevorzugt in Hochspannungsleistungsschaltern eingesetzt wird.

Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Querschnittsdarstellung durch einen hydraulischen

Differentialzylinder mit einer Endlagendämpfung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform. Fig. 1 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines hydraulischen Differentialzylinders 1 mit einem Kolben 2, der einen ersten Druckbereich 3 von einem zweiten Druckbereich 4, 5 trennt. Der Kolben 2 ist beweglich in einem Zylinderinnenraum angeordnet, wobei der Kolben 2 den ersten und den zweiten Druckbereich 3, 4, 5 hermetisch voneinander trennt. Der erste Druckbereich 3 ist durch einen Arbeits- oder Systemdruck p1 beaufschlagbar.

Der Arbeitsdruck p1 kann beispielsweise von einem separaten Druckzylinder (nicht gezeigt) bereitgestellt werden, der durch das Freigeben eines mechanischen Energiespeichers, wie beispielsweise einer vorgespannten Teller- oder Schraubenfeder, auf einen Kolben 2 des Druckzylinders bewirkt werden kann.

Der hydraulische Differentialzylinder 1 dient zum Bereitstellen einer Auslösebewegung. Dazu ist der Kolben 2 des Differentialzylinders 1 mit einer Kolbenstange 6 verbunden, die als Aktuator direkt oder indirekt ein Öffnen bzw. Schließen beispielsweise eines elektrischen Hochspannungs- oder Mittelspannungsleistungsschalters bewirkt.

Bei Einwirken des Arbeitsdrucks p1 in dem ersten Druckbereich 3 bewegt sich der Kolben 2 entsprechend der Druckdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Druckbereich 3, 4, 5 so, dass sich das Volumen des zweiten Druckbereichs 4, 5 verkleinert, wobei eine in dem zweiten Druckbereich 4, 5 befindliche Hydraulikflüssigkeit über eine vorgesehene Hydraulikleitung 7 direkt oder indirekt in einen Hydraulikflüssigkeitsbehälter (nicht gezeigt) abfließt und deshalb keinen wesentlichen Gegendruck auf den Kolben 2 ausübt. Die Hydraulikleitung 7 ist vorzugsweise über ein 3/2-Wegevewntil mit einem Hydraulikflüssigkeitsbehälter verbunden.

Beim Auslösen des hydromechanischen Antriebs wird der Kolben 2 des Differentialzylinders 1 beschleunigt, wobei der zweite Druckbereich 4, 5 nicht wesentlich zum Verringern der Geschwindigkeit des Kolbens 2 beiträgt. Auf diese Weise kann ein mithilfe des hydromechanischen Antriebs vorgenommener Schaltvorgang mit einer gewünschten Geschwindigkeit durchgeführt werden, so dass schnelle Auslösevorgänge möglich sind. Es soll vermieden werden, dass der durch den Auslösevorgang beschleunigte Kolben 2 des Differentialzylinders 1 oder ein damit verbundenes Bauteil ungebremst an einem Endanschlag anschlägt, da dieser dadurch beschädigt werden kann und zudem störende Geräusche entstehen können. Aus diesem Grund ist eine Endlagendämpfung vorgesehen. Für die Endlagendämpfung der hydraulische Differentialzylinder 1 mit einem zylindrischen, insbesondere kreiszylindrischen, Dämpfungszapfen 10 ausgestattet, der während einer Bewegung des Kolbens 2 eine Dämpfung der Bewegung des Kolbens 2 bewirkt. Dazu sind erfindungsgemäß eine Dämpfungsbuchse 12, in deren Innenraum eine Dämpfungskammer 11 bzw. ein dritter Druckbereich gebildet ist, und damit zusammenwirkende, vorzugsweise als Verschlusszapfen ausgeführte Verschlusselemente 15 und eine oder mehrere Tellerfedern 17 vorgesehen, wobei der oder die Verschlusszapfen 15 mittels einer Anpresskraft von damit zusammenwirkenden Tellerfedern 17 bewegbar sind.

Der Differentialkolben 2 bewegt sich gleichmäßig angetrieben durch den ersten Druckbereich 3 mit einem Systemdruck p1 auf die Endlagendämpfung zu. Die dabei verdrängte Hydraulikflüssigkeit im zweiten Druckbereich 4, 5 kann direkt in die Hydraulikleitung 7 abfließen, ist deshalb annähernd drucklos und trägt nicht zum Abbremsen des Differentialkolbens 2 bei. Sobald der Dämpfungszapfen 10 in einen unterhalb des Dämpfungszapfens 10 befindlichen Dämpfungsraum 11 , auch als Dämpfungskammer oder dritter Druckbereich bezeichnet, reicht, wird der dritte Druckbereich 11 von der Hydraulikleitung 7 abgeschnitten.

Die Hydraulikflüssigkeit kann nun zunächst nur durch einen Restspalt 8 in den zweiten Druckbereich 4, 5 und danach in die Hydraulikleitung 7 zurückfließen. Durch diese Stauung entsteht ein Dämpfungsdruck p3 im dritten Druckbereich 11 , der den Differentialkolben 2 abbremst. Sobald der Druck p3 im Druckbereich 3 eine größere Kraft auf die, vorzugsweise drei, Verschlusszapfen 15 ausübt, als die Anpresskraft der vorgesehenen Tellerfedern 17 beträgt, werden die Verschlusszapfen 15 mitsamt einer Führung 13 vom Boden der Dämpfungsbuchse 12 weggeschoben und es entsteht eine zusätzliche Verbindung zwischen dem dritten Druckbereich 11 und dem zweiten Druckbereich 4, 5. Durch diesen zusätzlich freigegebenen Querschnitt über den die Hydraulikflüssigkeit im dritten Druckbereich 1 abströmen kann, wird ein weiterer Anstieg des Drucks p3 verhindert. Sobald der Druck p3 im dritten Druckbereich 11 wieder abnimmt und die Anpresskraft der Tellerfedern 17 die auf die Verschlusszapfen 15 ausgeübte Druckkraft p3 überschreitet, werden die Verschlusszapfen 15 wieder gegen den Boden der Dämpfungsbuchse 12 gepresst und der zusätzlich freigegebene Querschnitt verschließt sich. Dadurch wird die Höhe des Drucks p3 im dritten Druckbereich 11 geregelt und die Bremswirkung auf den Differentialkolben 2 erhalten.

Der Öffnungsdruck wird durch das Verhältnis der Tellerfederkraft zur Wirkfläche 16 der Verschlusszapfen 15 bestimmt.

Die Dämpfungskammer 11 und der Dämpfungszapfen 10 weisen Querschnitte auf, die bei Eindringen des Dämpfungszapfens 10 in die Dämpfungskammer 11 einen Restspalt 8 lassen, durch den Hydraulikflüssigkeit aus der Dämpfungskammer 11 in den zweiten Druckbereich 4, 5 austreten kann. Auf diese Weise wird durch den Restspalt 8 eine Drosselwirkung realisiert, da die in der Dämpfungskammer 11 eingeschlossene Hydraulikflüssigkeit nur über den Restspalt 8 in den zweiten Druckbereich 4 und damit über die Hydraulikleitung 7 in den Hydraulikflüssigkeitsbehälter gelangen kann.

Die Hydraulikleitung 7 zum Ableiten der Hydraulikflüssigkeit aus dem zweiten Druckbereich 4, 5 steht somit bis auf den Restspalt 8 nicht mehr in direkter fluidischer Verbindung mit der in der Dämpfungskammer 11 eingeschlossenen Hydraulikflüssigkeit.

Um dies zu gewährleisten ist der Querschnitt des Dämpfungszapfens 10 kleiner als der Querschnitt der Dämpfungskammer 11 ausgebildet, um den Restspalt 8 für den Durchtritt von Hydraulikflüssigkeit zu gewährleisten. Der effektive Durchlassquerschnitt des Restspalts kann so gewählt sein, dass eine Dämpfung der Bewegung des Kolbens 2 mit einer maximal einstellbaren Dämpfung ermöglicht wird. Die maximal einstellbare Dämpfung kann beispielsweise bei der Auslegung des hydraulischen Antriebs vorgegeben sein. Erfindungsgemäß verändert das Verschlusselement 15 bei seiner Bewegung durch die vorgesehenen Tellerfedern 17 in vorteilhafter Weise den Querschnitt über den die Hydraulikflüssigkeit im dritten Druckbereich 1 über die Hydraulikleitung 7 abströmen kann, wodurch ein weiterer Anstieg des Drucks p3 verhindert wird.

Das bewegliche Verschlusselement 15 und der von diesem freigegebene Querschnitt wirken dabei als Rückschlagventil mit federvorspannung und bewirken, dass sich eine Dämpfung des Kolbens 2 selbsttätig einstellt, so dass die Differentialzylinder anwendungs unabhängig gefertigt werden können.

Bezugszeichenliste

Differentialzylinderanordnung, Differenziaizylinder

Kolben

erster Druckbereich, Systemdruck p1

zweiter Druckbereich, Wechseldruck p2

zweiter Druckbereich, Wechseldruck p2

Kolbenstange

Hydraulikleitung

Restspalt

Dämpfungszapfen

Dämpfungskammer, Druckbereich 3, Dämpfungsdruck p3

Dämpfungsbuchse

Führung

Verschlusszapfen, bewegliches Verschlusselement, in axialer Richtung bewegliches Teil

Wirkfläche, mit Dämpfungsdruck beaufschlagte Fläche des Verschlusszapfens

Tellerfeder