DE102017123021A1 - Elektrisches Unterbrechungsschaltglied mit passiver Unterbrechungsauslösung, insbesondere zur Unterbrechung von hohen Strömen bei hohen Spannungen - Google Patents

Elektrisches Unterbrechungsschaltglied mit passiver Unterbrechungsauslösung, insbesondere zur Unterbrechung von hohen Strömen bei hohen Spannungen Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Unterbrechungsschaltglied, insbesondere zum Unterbrechen von hohen Strömen bei hohen Spannungen, (a) mit einem Gehäuse, das eine den Strompfad durch das Unterbrechungsschaltglied definierende Kontakteinheit umgreift, und (b) wobei die Kontakteinheit einen ersten und zweiten Anschlusskontakt, einen Trennbereich und einen Treibspiegel aufweist, (c) wobei die Kontakteinheit so ausgebildet ist, dass ihr über den ersten Anschlusskontakt ein zu unterbrechender Strom zuführbar und von ihr über den zweiten Anschlusskontakt abführbar ist, oder umgekehrt, (d) wobei mindestens eine Kammer im Unterbrechungsschaltglied, die zumindest teilweise von dem Trennbereich begrenzt wird, im Wesentlichen vollständig mit einem verdampfbaren Medium bzw. Löschmedium gefüllt ist, so dass der Trennbereich mit dem Löschmedium in Kontakt steht, dadurch gekennzeichnet, (e) dass der Trennbereich, der Treibspiegel und das verdampfbare Medium so ausgebildet sind, dass der Trennbereich durch den zugeführten Strom bei Überschreiten einer Schwellstromstärke in mindestens zwei Teile auftrennbar ist, wobei ein zwischen den zwei Teilen des Trennbereichs entstehender Lichtbogen das Löschmedium zumindest teilweise verdampft, sodass ein den Treibspiegel beaufschlagender Gasdruck entsteht, wobei der Treibspiegel im Gehäuse in einer Bewegungsrichtung aus einer Ausgangsposition in eine Endposition bewegt wird, wobei in der Endposition des Treibspiegels ein Isolationsabstand zwischen dem ersten und dem zweiten Anschlusskontakt erreicht ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein elektrisches Unterbrechungsschaltglied, insbesondere zum Unterbrechen von hohen Strömen bei hohen Spannungen, mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
  • Derartige Schaltglieder finden beispielsweise in der Kraftwerks- und KFZ-Technik, wie auch im allgemeinen Maschinen- und Elektrobau in Schaltschränken von Maschinen und Anlagen, sowie im Rahmen der Elektromobilität in Elektro- und Hybridfahrzeugen, aber auch in elektrisch betriebenen Hubschraubern und Flugzeugen zum definierten und schnellen Trennen von elektrischen Starkstromkreisen im Notfall Verwendung. Dabei besteht die Anforderung an ein derartiges Schaltglied, dass dessen Auslösung und Unterbrechungsfunktion selbst ohne Wartung noch nach bis zu 20 Jahren zuverlässig gewährleistet sein muss. Des Weiteren darf von einem solchen Schaltglied kein zusätzliches Gefahrenpotential durch Heißgas, Partikel, Wurfstücke oder austretendes Plasma ausgehen.
  • Ein mögliches Einsatzgebiet in der KFZ-Technik ist das definierte irreversible Trennen der Bordverkabelung von der Autobatterie oder Antriebsbatterie kurz nach einem Unfall oder allgemein nach einem auch anderweitig, beispielsweise durch ein defektes Aggregat oder einen defekten E-Motor, verursachten Kurzschlussvorgang in der Bordverkabelung, um Zündquellen durch Funken und Plasma zu vermeiden, die entstehen, wenn beispielsweise Kabelisolationen durch während des Unfalls eindringendes Karosserieblech aufgescheuert wurden oder lose Kabelenden gegeneinander oder gegen Blechteile drücken und aufscheuern. Läuft bei einem Unfall gleichzeitig Benzin aus, so können solche Zündquellen zündfähige Benzin-Luft-Gemische entzünden, die sich beispielsweise unter der Motorhaube sammeln.
  • Weitere Einsatzgebiete sind die elektrische Abtrennung einer Baugruppe vom Bordnetz für den Fall eines Kurzschlusses in der betreffenden Baugruppe, beispielsweise in einer elektrischen Standheizung oder in einer elektrischen Bremse, sowie die Notabschaltung einer Lithiumbatterie, wie sie heute in Elektro- und Hybridfahrzeugen, sowie in Flugzeugen zur Anwendung kommen. Diese Batterien haben bei kleinem Bauvolumen eine hohe Klemmenspannung von bis zu 1200V bei extrem kleinem Innenwiderstand. Aus beiden resultiert ein möglicher Kurzschlussstrom von bis zu 5000A, teilweise und kurzzeitig sogar bis zu 30kA, ohne dass hierbei die Quellspannung stark einbrechen würde, was schon nach wenigen Sekunden zur Entzündung der Batterie bzw. zu deren Explosion führen kann. Auch zur Notabschaltung von einzelnen Solarzellenmodulen oder ganzen Solarzellenfeldern im Notfall ist das hier vorgestellte Unterbrechungsschaltglied sehr gut geeignet, weil es ansteuerbar bzw. fernsteuerbar ausgebildet sein kann. Darüber hinaus kann es auch zusätzlich oder stattdessen so ausgebildet sein, dass es passiv auslöst, also die Funktion einer herkömmlichen Schmelzsicherung gleich mit übernehmen kann.
  • Bei allen hier aufgeführten Einsatzfällen handelt es sich in der Regel um das Abschalten von Gleichstrom, der anders als Wechselstrom keinen Nulldurchgang aufweist. Das bedeutet, dass ein Lichtbogen, einmal im oder am Schalter entstanden, nicht von alleine erlischt, sondern stabil stehen bleibt und hierbei durch seine extrem hohe Temperatur von mehreren 1000°C alle Materialien in seinem Wirkungsbereich verdampft und neben seiner extremen thermischen Wirkung und emittierten Strahlungsenergie dabei auch noch hochgiftige gasförmige Stoffe erzeugt.
  • Hochgespannte Gleichströme zu trennen ist daher ungleich schwieriger als das Trennen bzw. Abschalten hochgespannter Wechselströme, und auch schwieriger, umso höher die Leitungsinduktivität und umso kleiner der effektive Leitungswiderstand im Augenblick des Trennvorgangs des Stromkreises ist.
  • Im Stand der Technik sind pyrotechnische Sicherungen bekannt, die zur Auslösung aktiv angesteuert werden. Beispielsweise ist ein Stromunterbrecher bekannt, der ein metallisches Gehäuse umfasst, das an zwei voneinander abstehenden Anschlussbereichen mit jeweils einem Leiterende eines abzusichernden Leiters verbunden wird. Der Strompfad verläuft dabei über das Gehäuse. Im Gehäuse ist ein pyrotechnisches Element vorgesehen, das durch eine Sprengladung gebildet ist. Die Sprengladung ist durch einen elektrischen Zünder aktivierbar, welcher ein Zündelement umfasst, das durch einen Speisestrom verdampft wird. Das Gehäuse ist mit einer Isolierflüssigkeit gefüllt. Das axial ausgedehnte Gehäuse weist eine umlaufende Nut auf, entlang derer das Gehäuse bei einem Zünden der Sprengladung aufreißt. Das Gehäuse wird dabei in zwei elektrisch voneinander getrennte Teile aufgebrochen, so dass der betreffende Stromkreis aufgetrennt wird. Das beim Auftrennen eines Stromkreises mit sehr hoher Stromstärke entstehende Plasma wird bei diesem Stromunterbrecher durch die zerstäubte Isolierflüssigkeit gelöscht. Das Auslösen kann bei einem KFZ beispielsweise durch das Signal eines Schocksensors erfolgen.
  • Eine Selbstauslösung zur Auftrennung des Stromkreises bei einer Überlastung des abzusichernden Leiters ist bei dieser bekannten Vorrichtung nicht vorgesehen, weil die ganze Hülse bis zur Auslösetemperatur erhitzt werden müsste und dann eine detonative Umsetzung nicht sicher erreicht würde. Denn ein Sprengstoff kann kaum durch eine einfache Erhitzung der Hülse gezündet werden, d.h. zur detonativen Umsetzung gebracht werden.
  • Ein weiterer Nachteil dieser bekannten Vorrichtung ist die Problematik der Zulassung für Vorrichtungen, die mit Sprengstoffen oder gar Detonatoren gefüllte Baugruppen aufweisen und Wirkungen nach außen haben. Aus diesem Grund finden derartige Vorrichtungen bisher keine kommerzielle Verwendung. Sie werden nur sehr vereinzelt in Forschungsinstituten für Sonderexperimente eingesetzt. Die Ursachen hierfür sind zusätzlich die sehr geringe Handhabungssicherheit und das extrem hohe, nur sehr schwer eingrenzbare Gefahrenpotential.
  • Des Weiteren besteht in vielen Fällen die Forderung nach einer Selbstauslösefunktion eines derartigen Schalters bzw. einer Sicherungsvorrichtung, beispielsweise, um ohne zusätzlichen Aufwand für Überlastungssensoren ein Kabel vor Überlast zu schützen, oder bei Ausfall der Auslösesensorik oder Auslöseschaltung. Es wäre also vorteilhaft, wenn ein entsprechendes Schaltglied auch die Funktion einer herkömmlichen Hochstromsicherung in Form einer Schmelzsicherung aufweist, die von jedermann gefahrlos handhabbar ist, wie dies bei herkömmlichen Schmelzsicherungen der Fall ist.
  • Derartige Hochstrom-Schmelzsicherungen weisen den Nachteil einer innerhalb einer großen Bandbreite schwankenden Abschaltzeit nach dem Erreichen der Schwellstromstärke der Sicherung auf. Ein damit abgesichertes Kabel kann daher hinsichtlich seiner Stromführungskapazität nur zu einem sehr geringen Teil, z.B. 30%, ausgelastet werden, da im Überlastfall anderenfalls beispielsweise ein Kabelbrand auftreten kann.
  • Der gravierendste Nachteil von Schmelzsicherungen aber ist der Umstand, dass diese beim Abschalten von sehr kleinen Überströmen intern um den Schmelzleiter einen leitfähigen Kanal bilden mit der Folge, dass zwar der Schmelzleiter schmilzt, aber danach der Strom dennoch nicht abgeschaltet ist, weil jetzt hier der Strom über den leitfähigen Kanal fließt.
  • Weiterhin sind Notabschalter für elektrische Stromkreise bekannt, die sowohl eine Selbstauslösung als auch eine ansteuerbare Auslösung ermöglichen. Hierzu wird bspw. ein elektrischer Leiter verwendet, der eine pyrotechnische Seele aufweist. Diese kann z.B. aus einem pyrotechnischen Material bestehen. Die pyrotechnische Seele kann einerseits durch die Erwärmung des elektrischen Leiters bei Überschreiten einer zulässigen Stromstärke (Schwellstromstärke) gezündet werden. Andererseits ist vorgesehen, die pyrotechnische Seele durch eine ansteuerbare Zündeinrichtung, beispielsweise in Form eines Glühdrahts, zu zünden. Das Herstellen eines Leiters mit einer derartigen pyrotechnischen Seele erfordert jedoch einen beträchtlichen Aufwand. Zudem kann auch bei derartigen Notabschaltern ein sicheres, schnelles Auftrennen des Leiters nur bei Einsatz eines detonativen Explosivstoffs gewährleistet werden. Bei deflagrierenden, d.h. nicht detonativ umsetzenden Stoffen, wie Thermit oder Nitrozellulosepulver, erfolgt nur ein Aufplatzen des Leiters und ein Entweichen des restlichen Gases, ohne dass der Leiter vollständig getrennt würde. Die vollständige Trennung wird dann allenfalls durch das Durchschmelzen des Leiters infolge des über die Sicherung fließenden Stroms erreicht. Dies würde jedoch bei höheren Spannungen, insbesondere bereits bei Schaltspannungen von mehr als 100V, zwangsweise zur Ionenerzeugung und damit Plasmabildung in der Sicherung führen und damit das Unterbrechen des Stromkreises mit großer Wahrscheinlichkeit verhindern.
  • Weiterhin sind elektrische Schaltglieder, insbesondere zum Schalten hoher Ströme, bekannt, welche sowohl aktiv, d.h. mittels einer ansteuerbaren Zündvorrichtung, als auch passiv, d.h. über die Stromstärke des abzuschaltenden Stroms, aktivierbar ausgebildet sind. Ein derartiges Schaltglied weist in der Regel ein Gehäuse auf, das eine Kontakteinheit umfassen kann, wobei die Kontakteinheit bspw. zwei ortsfest mit dem Gehäuse verbundene oder damit einstückig ausgebildete Anschlusskontakte für das Zuführen und Abführen eines zu schaltenden elektrischen Stroms aufweist, und wobei die beiden Anschlusskontakte bspw. im Ausgangszustand des Schaltglieds innerhalb des Gehäuses elektrisch leitend verbunden sind. Im Gehäuse ist ein aktivierbares Material vorgesehen, welches nach dem Aktivieren einen Gasdruck zur Beaufschlagung der Kontakteinheit erzeugt, wobei die elektrisch leitende Verbindung durch die Beaufschlagung mit dem Gasdruck aufgetrennt wird. Die Kontakteinheit kann ein relativ zu den ortsfesten Anschlusskontakten unter der Beaufschlagung des erzeugten Gasdrucks bewegbares Kontaktelement umfassen, das durch die Beaufschlagung mit dem erzeugten Gasdruck in Richtung der Achse der Kontakteinheit aus seiner Ausgangsposition in eine Endposition bewegt wird, in der die elektrische Verbindung über die Kontakteinheit unterbrochen ist. Diese Schalteinheiten sind so ausgestaltet, dass nach außen keinerlei Bewegung von Teilen auftritt. Zudem treten bei einer Aktivierung keinerlei gefährdende Gase oder Bruchteile nach außen.
  • Es hat sich jedoch herausgestellt, dass derartige Schalteinheiten nur begrenzt zum Abschalten von sehr hohen Gleichströmen bei höheren Spannungen geeignet sind, da durch die Unterbrechung des Trennbereichs infolge des Auftrennens des Stromkreises hier stets ein Lichtbogen gezogen wird, der infolge der in der Leitungsinduktivität im Augenblick des Auftrennens in deren magnetischem Feld gespeicherten und im Augenblick des Trennens im Stromkreis frei werdenden Energie nicht verhindert werden kann. Versuche, ein Löschmittel einzusetzen, welches den Trennbereich im Ausgangszustand vor dem Aktivieren umgibt, haben gezeigt, dass hierdurch allein nicht der gewünschte Erfolg erreicht wird, nämlich das Entstehen eines Lichtbogens zu vermeiden oder einen bereits bestehenden Lichtbogen sicher zu löschen.
  • Bei bekannten pyrotechnischen Antrieben, ob integriert in eine beliebige Vorrichtung oder als eigenständige Vorrichtung, wird das aktivierbare Material, welches zur Erzeugung des Drucks oder des Druckstoßes (im Folgenden auch als Stoßwelle bezeichnet) vorgesehen ist, in eine Brennkammer eingebracht. Das Volumen der Brennkammer ist dabei meist auch das Volumen der Pulverkammer und schließt dabei üblicherweise das Volumen ein, welches das pyrotechnische Material für die Lagerung in der Baugruppe vor dessen Auslösung benötigt. Wird jedoch, abhängig von der Lebhaftigkeit bzw. Abbrandgeschwindigkeit des pyrotechnischen Materials, nur eine geringe Menge des aktivierbaren Materials benötigt oder soll aus Gründen möglichst hoher Sicherheit im Störfall möglichst wenig aktivierbares Material in der Baugruppe enthalten sein, so besteht häufig das Problem, dass die Brennkammer nicht klein genug ausgebildet werden kann, oder dass das aktivierbare Material, welches häufig in fester, beispielsweise gepresster Form vorliegt, nicht mit der erforderlichen Toleranz hergestellt werden kann, um die gesamte Brennkammer auszufüllen. Das Restvolumen der Brennkammer, welches nicht von dem aktivierbaren Material beansprucht wird, und die darin vorhandene Luft bzw. das darin vorhandene Gas begrenzen insbesondere die Steilheit des Druckanstiegs, welcher nach dem Aktivieren des aktivierbaren Materials erzeugt wird, benötigen zusätzlich Energie, die dem eigentlichen Aufbrechvorgang des sogenannten Trennbereichs und danach dem Beschleunigungsvorgang der Membran oder des Kolbens verloren geht und dämpfen zudem jegliche Arten von Stoßwellen, die für das Aufbrechen des Trennbereichs bei minimalem Einsatz von pyrotechnischer Masse hätten verwendet werden können. Damit verringert das mit Luft oder einem Gas gefüllte Restvolumen die Übertragung eines schnellen mechanischen Impulses auf das Antriebselement der pyrotechnischen Antriebseinrichtung (im Folgenden auch als Treibspiegel bezeichnet).
  • Auch im Hinblick auf Sicherheitsaspekte ist sowohl eine möglichst geringe Masse an pyrotechnischem Material und zugleich ein möglichst kleines Leervolumen in der Baugruppe wünschenswert: Jedes Leervolumen kann durch die pyrotechnische Reaktion durch die hierbei entstehenden gasförmigen Reaktionsprodukte bedrückt werden, also ein Energiereservoir nach der Zündung geschaffen werden, das sich entlädt, wenn beispielsweise die Baugruppe doch einmal überlastet wurde und bricht. Danach würde sich der so geschaffene "Hochdruckgasspeicher" mit entsprechendem Knall und herumgeschleuderten Teilen entladen – was nicht geschehen kann, wenn es in der Baugruppe keine Leervolumina bzw. nach der Auslösung der Baugruppe gasgefüllten Volumina gibt.
  • Gleichzeitig ist es wünschenswert, der im Augenblick der Stromkreistrennung stets frei werdenden, in der Leitungsinduktivität im Augenblick des Trennvorgangs gespeicherten Energie eine Möglichkeit zu geben, zu wirken, d.h. sich in andere Energieformen umwandeln zu können, um so aus dem Stromkreis "verschwinden" zu können.
  • Hierfür eignet sich das Aufheizen und auch teilweise Verdampfen des verdampfbaren Mediums/Löschmittels im Bereich des entstandenen Lichtbogens, das chemische Zersetzen des Mediums durch den Lichtbogen – das ist in der Regel unerwünscht, weil hier meist wieder elektrisch leitfähige Stoffe bzw. elektrisch leitfähige Elemente entstehen, die den Isolationswiderstand zwischen den Anschlusskontakten nach der Trennung nicht hoch genug ansteigen lassen – und die rein mechanische Verformung von Bereichen der Baugruppe, z.B. die Verformung des Leitungselements im sogenannten Stauchbereich.
  • Weiterhin ist es wünschenswert, möglichst kein pyrotechnisches Material in derartigen Unterbrechungsschaltgliedern zu verwenden, und dennoch eine Abschaltung des Stromflusses zu ermöglichen.
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein pyrotechnisches Unterbrechungsschaltglied, insbesondere zum Unterbrechen von hohen Strömen bei hohen Spannungen, zu schaffen, bei dem auch das Abschalten von hohen Strömen bei hohen Spannungen durch das Vermeiden oder zumindest das effektive Dämpfen eines durch die im Augenblick der Trennung im Magnetfeld der Leitungsinduktivität enthaltene Energie und durch Zusammenbrechen des Feldes nach dem Trennen aufrechterhaltenen Stroms möglichst sicher gewährleistet ist. Darüber hinaus soll ein Schaltglied geschaffen werden, das sicherheitstechnisch weitgehend unbedenklich und auf einfache und kostengünstige Weise herstellbar ist.
  • Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
  • Das erfindungsgemäße Unterbrechungsschaltglied, insbesondere zum Unterbrechen von hohen Strömen bei hohen Spannungen, weist ein Gehäuse auf, das eine den Strompfad durch das Unterbrechungsschaltglied definierende Kontakteinheit umgreift. Die Kontakteinheit weist einen ersten und zweiten Anschlusskontakt, einen Trennbereich und einen Treibspiegel auf. Dabei ist die Kontakteinheit so ausgebildet, dass ihr über den ersten Anschlusskontakt ein zu unterbrechender Strom zuführbar und von ihr über den zweiten Anschlusskontakt abführbar ist, oder umgekehrt. Mindestens eine Kammer im Unterbrechungsschaltglied, die zumindest teilweise von dem Trennbereich bzw. der Kontakteinheit begrenzt wird, ist mit einem verdampfbaren Medium/Löschmittel gefüllt, so dass der Trennbereich mit dem verdampfbaren Medium/Löschmittel in Kontakt steht. Das erfindungsgemäße Unterbrechungsschaltglied ist dadurch gekennzeichnet, dass der Trennbereich, der Treibspiegel und das verdampfbare Medium/Löschmittel so ausgebildet sind, dass der Trennbereich (der sogenannten Kontakteinheit) durch den zugeführten Strom bei Überschreiten einer Schwellstromstärke in mindestens zwei Teile auftrennbar ist, wobei ein zwischen den zwei Teilen des Trennbereichs entstehender Lichtbogen das verdampfbare Medium/Löschmittel (aufheizt und dann) verdampft, sodass ein den Treibspiegel beaufschlagender Gasdruck entsteht, wobei der Treibspiegel im Gehäuse in einer Bewegungsrichtung aus einer Ausgangsposition in eine Endposition bewegt wird, wobei in der Endposition des Treibspiegels ein Isolationsabstand zwischen dem ersten und dem zweiten Anschlusskontakt erreicht ist.
  • Nach einer Ausgestaltung der Erfindung weist das erfindungsgemäße Unterbrechungsschaltglied vorzugsweise kein aktivierbares Mittel zur Bewegung des Treibspiegels auf, d.h. das Auftrennen des Trennbereichs erfolgt hier dann rein passiv, ohne ein aktives Mittel, wie bspw. ein detonatives oder deflagierendes Material. Das ist deshalb möglich, weil ein entstehender Lichtbogen das verdampfbare Medium/Löschmittel verdampfen und damit den Druck auf den Treibspiegel erhöhen kann, so, wie es auch ein pyrotechnisches Material tun würde nach dessen Aktivierung. Dadurch wird der Treibspiegel in eine Richtung bewegt, bei der die beiden getrennten Teile des Trennbereichs weiter voneinander entfernt werden, indem gleichzeitig das Material im sogenannten Stauchbereich der Kontakteinheit ausgepresst wird. Auf diese Weise wird gleichzeitig der eigentlich unerwünschte Lichtbogen gekühlt, gestört und letztlich durch das Aufzehren der magnetischen Energie der Leitungsinduktivität gelöscht bzw. kann er nicht aufrechterhalten bleiben. Bisher war eine Vermeidung der Entstehung des Lichtbogens in solchen Unterbrechungsschaltgliedern immer unerwünscht. Deshalb wurde zum initialen Aufbrechen der Kontakteinheit und zur schnellen Entfernung der getrennten Teile des Trennbereichs voneinander immer ein aktivierbares Material eingesetzt. Überraschenderweise wurde jedoch bei der vorliegenden Erfindung festgestellt, dass bei Verwendung eines verdampfbaren Mediums bzw. eines verdampfbaren Löschmittels und entsprechender Ausgestaltung des Trennbereichs auf ein aktivierbares Medium sogar gänzlich verzichtet werden kann, und dennoch eine Auslösung des Unterbrechungsschaltgliedes stattfindet. Das heißt, das Entstehen eines Lichtbogens wird letztlich zum Schalten des Unterbrechungsschaltgliedes verwendet, um anschließend – quasi nach getaner Arbeit – den dann deutlich bereits schwächeren Lichtbogen wieder zu löschen.
  • Nach einer Ausgestaltung der Erfindung kann der Trennbereich aus einem Metall gebildet sein, das mit einem Weichlotmaterial eine Legierung bilden kann. Hierbei wird der Effekt ausgenützt, dass eine Legierung im Vergleich zu dem Metall im Nichtlegierungszustand einen bei weitem niedrigeren Schmelzpunkt aufweist. Auf diese Weise kann ab einer bestimmten Schwellstromstärke eine Temperatur erreicht werden, bei der in Kombination mit der Einwirkdauer dieser Temperatur die Legierungsbildung einsetzt, mit der Wirkung, dass die Schmelztemperatur des Trennbereichs an dieser Stelle drastisch herabgesetzt wird. Durch die Herabsetzung der Schmelztemperatur kommt es deutlich früher zum Auftrennen des Trennbereichs und zur Bildung des Lichtbogens zwischen den beiden Enden des Trennbereichs, die Baugruppe kann damit bereits bei niedrigeren Strömen passiv schalten oder auch einfach nur früher/schneller nach dem Einwirken eines Überstroms den Stromkreis auftrennen. Das Weichlotmaterial ist vorzugsweise auf der Oberfläche des Metalls des Trennbereichs angeordnet. Hierbei kann im Fall einer hohlzylindrischen oder hohlprismatischen Ausgestaltung des Trennbereichs das Weichlotmaterial umlaufend aufgebracht sein. Weiterhin kann – unabhängig von der Ausgestaltung des Trennbereichs – das Weichlotmaterial auch auf einer oder mehreren begrenzten Fläche(n) aufgebracht sein. Das Weichlotmaterial kann den Trennbereich aber auch ganz benetzen. Das Aufbringen des Weichlotmaterials kann thermisch, durch Aufpressen oder andere geeignete Verfahren stattfinden. Das Basismaterial des Trennbereichs kann beispielsweise aus Kupfer bestehen. In diesem Fall kann beispielsweise Zinn als Weichlotmaterial eingesetzt werden. Es sind für das Basismaterial und das Weichlotmaterial aber auch alle Kombinationen von Materialien denkbar, aus denen eine Legierung gebildet werden kann. Es können auch zwei oder mehrere verschiedene Weichlotmaterialien in Kombination verwendet werden. Bei Erreichen der Schwellstromstärke können die Lotatome in das Basismaterial eindringen und dort einen interkristallinen Bereich erzeugen, bei dem die Schmelztemperatur herabgesetzt wird.
  • Beispielsweise kann hiermit während des Aufheizens der Kontakteinheit durch den durch sie fließenden Strom die Schmelztemperatur eines für die Kontakteinheit verwendeten Kupfers von 1075°C auf nurmehr 175°C gesenkt werden. Dieser Effekt ist bekannt, er wird so bereits in einigen Schmelzsicherungen eingebracht – und kann auch bei dem hier beschriebenen Schutzelement mit Erfolg eingesetzt werden.
  • Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist das verdampfbare Medium/Löschmittel ein flüssiges Medium, das bei Erreichen der Siede- oder Verdampfungstemperatur ganz oder teilweise in einen gasförmigen Zustand übergeht. Gleichzeitig ist es bevorzugt, dass das verdampfbare Medium auch isolierende Eigenschaften hat, damit der Lichtbogen nach ausreichender Entfernung der beiden aufgetrennten Teile des Trennbereichs gelöscht werden kann und danach zwischen den getrennten Kontakten eine ausreichende Isolation gegen einen hier dann unerwünschten Stromfluss besteht. Vorzugsweise ist das verdampfbare Medium ein Öl, beispielsweise Silikonöl, oder ein Silan, beispielsweise Hexasilan, mit möglichst wenig Kohlenstoffatomanteil.
  • Insbesondere um die Isolationsfestigkeit bzw. Isolationseigenschaften zwischen den beiden Anschlusskontakten nach der Trennung zu verbessern, kann in einer Ausgestaltung der Erfindung ein Stoff zum Einfangen oder Aufoxidieren von elementarem Kohlenstoff oder von anderen Verbindungen, die evtl. durch den direkten Kontakt des Lichtbogens mit dem Löschmittel oder mit umgebenden Materialien entstehen – auch ein Teil des Materials des Treibspiegels, der Innenisolation, des Gehäuses und auch der Kontakteinheit selbst verdampfen hier –, beigefügt bzw. beigemischt werden. Dies hat den Vorteil, dass die durch den Lichtbogenkontakt in elektrisch leitfähige Stoffe oder Elemente zersetzten Materialien, wie beispielsweise der elementare Kohlenstoff aus der Zersetzung eines als Löschmittel eingesetzten Silikonöls selbst (= elektrisch leitfähig) eingefangen bzw. zu elektrisch nicht oder nur extrem schwach leitenden Stoffen aufoxidiert werden, um zu verhindern, dass die elektrische Leitfähigkeit des Löschmittels erhöht wird. Zum Einfangen von elementarem Kohlenstoff kann beispielsweise hochdisperse Kieselsäure (HDK) zugesetzt werden. Als Stoffe zum Oxidieren von elementarem Kohlenstoff können beispielsweise Perchlorate oder besser Permanganate, wie KMnO4, KClO4, KClO3 oder Zirkonium-Kaliumperchlorat (ZPP) eingesetzt werden. Gleichzeitig haben alle genannten Stoffe die Eigenschaft, dass sie bei der Oxidation exotherm reagieren. Auf diese Weise kann der Abstand zwischen den beiden aufgetrennten Teilen des Trennbereichs schneller erhöht werden, was zur schnelleren Löschung des Lichtbogens führt. In anderen Worten kann in einer Ausgestaltung der Erfindung dem verdampfbaren Medium/Löschmittel ein Stoff beigefügt werden, der bei der Entstehung des Lichtbogens exotherm reagiert bzw. zusätzliche Energie zum zusätzlichen Erhitzen und Verdampfen des verdampfbaren Mediums/Löschmittels freisetzt. Hier können dem verdampfbaren Medium beispielsweise auch Thermite beigesetzt werden.
  • Die Begriffe „verdampfbares Medium“, „Löschmittel“ und „Löschmedium“ werden in der vorliegenden Anmeldung synonym verwendet.
  • In einer Ausgestaltung der Erfindung kann dem verdampfbaren Medium ein Stoff beigefügt werden, der die Kapazität zur Aufnahme von mechanischer Energie des verdampfbaren Mediums erhöht. Da die magnetische Energie der Kreisinduktivität dissipativ umgewandelt werden muss, kann auf diese Weise die in die Flüssigkeit eindringbare Energie effektiv dissipativ umgewandelt werden.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann/können dem verdampfbaren Medium auch ein oder mehrere Stoffe zugesetzt werden, die die Isolationsfestigkeit zwischen den beiden aufgetrennten Teilen des Trennbereichs erhöhen, indem sie durch ihr Erhitzen, Aufschmelzen und Verdampfen sehr hohe Energiemengen dissipativ aufnehmen können, ohne gleichzeitig – wie im Fall des Silikonöls – elektrisch leitfähige Stoffe freizusetzen. Hier können beispielsweise alle denkbaren Gesteinsarten, Zemente, Tonerden, Schamotte, gemahlene oder gesinterte Silikate oder Korunde, vorzugsweise dispergiert in Pulverform (Gesteinsmehl) in dem Löschmedium, eingesetzt bzw. eingemischt werden.
  • In einer Ausgestaltung der Erfindung ist der Trennbereich vorzugsweise so ausgestaltet, dass er Sollbruchstellen, beispielsweise in Form von Verengungen, Kerben, Bohrungen oder Querschnittssprüngen, aufweist. Auf diese Weise kann der Trennbereich so ausgestaltet werden, dass er bei einer gewünschten Schwellstromstärke an den Sollbruchstellen schneller aufheizt, zugleich das Freisetzen von Partikeln bzw. Bruchstücken minimiert wird und danach in mindestens zwei Teile aufgetrennt wird, so dass der zumindest intermediär gewünschte Lichtbogen entstehen kann und in der Folge das Unterbrechungsschaltglied schneller und sauberer, d.h. unter Freisetzung möglichst weniger, und wenn schon nicht vermeidbar, dann zumindest möglichst kleiner Partikel den Stromkreis auftrennt und abschaltet.
  • In einer Ausgestaltung der Erfindung ist es bevorzugt, dass der Trennbereich hohlzylindrisch oder hohlprismatisch ausgebildet ist, so dass er eine Kammer (im Folgenden „die eine Kammer“) zumindest teilweise umgibt, d.h. die Wand des Trennbereichs begrenzt die eine Kammer zumindest teilweise.
  • Nach einer Ausgestaltung der Erfindung kann der Trennbereich die eine Kammer von einer weiteren Kammer abtrennen. Diese weitere Kammer umgibt den Trennbereich vorzugsweise ringförmig. Wird nicht nur die eine Kammer mit dem verdampfbaren Medium gefüllt, sondern auch der Raum der weiteren Kammer, so findet der Auftrennvorgang des Trennbereichs vollständig im verdampfbaren Medium statt, so dass ein sich beim ersten Aufbrechen bildender Lichtbogen direkt in Verbindung mit dem verdampfbaren Medium steht. Weiterhin hat dies den Vorteil, dass der Lichtbogen anschließend relativ schnell gelöscht kann, und weitere Entladungserscheinungen gut verhindert werden können. Nach dieser Ausgestaltung der Erfindung kann also bei der Auftrennung des Trennbereichs die eine Kammer mit der weiteren Kammer verbunden werden. Hierbei ist es bevorzugt, dass sowohl die eine Kammer, als auch die weitere Kammer mit dem verdampfbaren Medium, bzw. einem Löschmedium, gefüllt ist. Die weitere Kammer kann jedoch auch ein Medium enthalten, das pulverförmig ist oder in Form eines ölfeuchten Pulvers vorliegt. Hier kann das Pulver aus allen denkbaren Gesteinsarten (vorzugsweise als Gesteinsmehl), Zementen, Schamotten, Tonerden, gemahlenen oder gesinterten Silikaten oder Korunden sein. Handelt es sich um ein ölfeuchtes Pulver, so wird hier vorzugsweise Silikonöl als befeuchtendes Mittel eingesetzt.
  • Die Länge des Hohlzylinders im Trennbereich / die Länge des Schaltstegs liegt vorzugsweise im Bereich von 3 mm bis 15 mm, stärker bevorzugt im Bereich von 5 mm bis 10 mm und noch stärker bevorzugt im Bereich von 6 mm bis 8 mm. Für Sonderfälle sind jedoch auch Stegbreiten von 1 mm von Vorteil, insbesondere, wenn besonders schnell oder erst bei extrem hohen Überlastströmen geschaltet werden soll. Die Wanddicke des hohlzylindrischen Trennbereichs/die Materialdicke des Schaltstegs kann bis zu 1500 µm betragen, bevorzugt ist hier der Bereich von 400 µm bis 700 µm, wobei hier stets ein Teilbereich dünner oder/und mit einer umlaufenden Nut versehen werden kann, um das Erhitzen des anliegenden Löschmediums und das Aufbrechen des Trennbereichsmaterials schneller geschehen zu lassen.
  • Nach einer Ausgestaltung der Erfindung kann der hohlzylindrische Trennbereich also eine oder mehrere Nuten aufweisen, die vorzugsweise umlaufende Nuten sind. Der Trennbereich kann beispielsweise außen mittig bzgl. seiner Breite eine umlaufende Nut aufweisen, um bei Durchtrennen des Trennbereichs und Bildung des Lichtbogens sicherzustellen, dass die beiden aufgetrennten Enden quasi gut aufrollen/aufbördeln. Damit wird sichergestellt, dass keine größeren Materialfetzen entstehen. Gleichzeitig werden beide entstandenen Kontaktenden durch das Aufbördeln verstärkt und so verhindert, dass der hier auch entstehende Lichtbogen zu viel Material des relativ dünnen Stegs des Trennbereichs verdampft und so weiter genährt wird.
  • Der hohlzylindrische Trennbereich kann aber auch zwei umlaufende Nuten aufweisen, vorzugsweise eine in der Nähe des geometrischen Beginns des Trennbereichs (z.B. am Ende des Radius des Querschnittsprungs) und eine in der Nähe des Endes des Trennbereichs (z.B. am Ende des Radius des Querschnittsprungs). Dadurch wird erreicht, dass sich zwei kleinere Lichtbögen ausbilden, die aufgrund ihrer geringeren Größe leichter gekühlt werden können. Dadurch wird bedeutend weniger leitfähiges Material im Inneren des Unterbrechungsschaltglieds durch den Lichtbogen erzeugt, damit das Isolationsverhalten nach Funktion bzw. Trennvorgang drastisch verbessert und der Lichtbogen zusätzlich geschwächt, diesem also quasi Brennmaterial entzogen.
  • Weiterhin kann der hohlzylindrische Trennbereich auch weitere umlaufende Nuten aufweisen. Wird die Breite der Nuten ausreichend schmal bezogen auf die Länge des hohlzylindrischen Trennbereichs in der Erstreckungsrichtung des Hohlzylinders gewählt, dann wird durch diese Nuten nicht der Einschleifwiderstand erhöht, sondern sie wirken sich nur wie gewünscht mechanisch aus.
  • Nach einer Ausgestaltung der Erfindung kann der hohlzylindrische Trennbereich auch eine umlaufende Verdickung, bspw. in Form eines Knuddels aufweisen. Ein solcher Knuddel wirkt als Wärmesenke und als Versteifung. Vorzugsweise weist der hohlzylindrische Trennbereich an beiden Seiten des Knuddels zwei umlaufende Nuten auf. Bei einer solchen Anordnung wird sichergestellt, dass der Trennbereich an den Nuten aufgetrennt wird, und sich zwei kleinere Lichtbögen bilden, die leichter gekühlt bzw. gelöscht werden können.
  • Nach einer Ausgestaltung der Erfindung kann die Kontakteinheit einen Stauchbereich aufweisen. Der Stauchbereich kann derart gestaltet sein, dass er eine noch weitere Kammer umgibt. Der Stauchbereich kann so ausgestaltet sein, dass er während des Auftrennvorgangs des Trennbereichs gestaucht wird. Es ist bevorzugt, dass das Material des Stauchbereichs ein gut verformbares, evtl. auch weichgeglühtes Material ist, um das Faltverhalten des Stauchbereichs zu verbessern.
  • Nach einer Ausgestaltung der Erfindung kann auch die noch weitere Kammer des Stauchbereichs vollständig mit dem verdampfbaren Medium gefüllt werden. Durch die Bewegung des Treibspiegels und/oder den Stauchvorgang des Stauchbereichs wird das Volumen der noch weiteren Kammer derart verringert, dass das verdampfbare Medium durch wenigstens einen Kanal zwischen die mindestens zwei Teile des Trennbereichs eingespritzt wird. In diesem Fall ist es bevorzugt, dass die noch weitere Kammer über wenigstens eine Bohrung (Kanal) mit der einen Kammer verbunden ist. Dadurch kann das verdampfbare Medium aus der noch weiteren Kammer über den Kanal während des Stauchvorgangs in die eine Kammer gedrückt werden und unterbindet bzw. kühlt damit weiter effektiv den evtl. an dem Trennbereich noch stehenden Lichtbogen. Gleichzeitig wird das in der einen Kammer evtl. schon teilweise zersetzte Löschmittel durch das neu zuströmende Medium verdünnt und so ebenfalls die Isoliereigenschaften des "gestressten" Löschmittels verbessert. In einer Ausgestaltung der Erfindung können dem Löschmittel in der weiteren Kammer Thermite beigesetzt werden. In einer Ausgestaltung der Erfindung werden nur dem Löschmittel in der weiteren Kammer Thermite beigesetzt. Alternativ dazu kann die weitere Kammer auch mit Thermiten in Pulverform befüllt sein.
  • Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann der Stauchbereich hinsichtlich des Materials und der Geometrie so ausgelegt sein, dass die Wandung des Stauchbereichs infolge der Stauchbewegung gefaltet, vorzugsweise mäanderförmig gefaltet wird.
  • Der wenigstens eine Kanal kann düsenartig ausgebildet sein. Insbesondere kann der Kanal so ausgerichtet sein, dass er in seiner Erstreckungsrichtung auf das ortsfeste aufgetrennte Ende des Trennbereichs gerichtet ist.
  • Ebenso wie der Trennbereich kann auch der Stauchbereich hohlzylindrisch und im Querschnitt vorzugsweise ringförmig ausgebildet sein. Im Inneren des Hohlzylinders kann so das verdampfbare Medium eingebracht werden. Ein ringförmiger Querschnitt begünstigt ein, über den Umfang gesehen, gleichmäßiges Falten der Hohlzylinderwandung während des Stauchvorgangs.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung kann der Stauchbereich mindestens eine Lochung aufweisen, die eine Verbindung zwischen der noch weiteren Kammer mit einem die noch weitere Kammer umgebenden Volumen ermöglicht. Auf diese Weise kann zusätzliches verdampfbares Medium bzw. Löschmittel während des Stauchvorgangs zur Verfügung gestellt, und das durch Bewegen des Treibspiegels größer werdende Volumen der einen und der weiteren Kammer mit verdampfbarem Medium/Löschmittel nachgefüllt werden. Dadurch steht mehr Löschmittel für den Schaltlichtbogen und zusätzliche Arbeitsmöglichkeit für die in der Kreisinduktivität im Augenblick des Auftrennens des Trennbereichs gespeicherte magnetische Energie zur Verfügung, so dass das Material des Stauchbereichs besser umgeformt werden kann. Durch mehr zur Verfügung stehende Löschmittel kann der im Trennbereich entstehende Lichtbogen besser gekühlt bzw. gestört werden. Weiterhin kann auch verhindert werden, dass in dem Kammervolumen um den Trennbereich ein Gasraum entsteht. Dabei kann auch die Gasmenge des bedrückten Raums nach der Auslösung so gering wie möglich gehalten werden, und somit die mit einem hoch bedrückten Gasraum einhergehende Explosionsgefahr minimiert werden. Weiterhin kann auf diese Weise das durch den Lichtbogen teilweise umgesetzte verdampfbare Medium durch das neu eingespritze verdampfbare Medium/Löschmittel verdünnt werden. Dadurch werden bessere Isolationswerte erzielt. Auch wird durch die Befüllung der noch weiteren Kammer die Löschzeit durch Verzögerung des Stauchvorgangs verlängert. Dadurch wird erreicht, dass die Stromabschaltung auch noch bei größeren Zeitkonstanten aus Kreisinduktivität und Stromkreiswiderstand funktioniert: Die Stauchzeit bestimmt die Zeit, in der das verdampfbare Medium/Löschmittel in die eine Kammer und weitere Kammer eingespritzt wird und so den dort stehenden Lichtbogen besonders effektiv kühlt, stört und durch Stoffumwandlung bzw. Verdampfen arbeiten lässt. Wenn die Zeitkonstante aus dem Lastwiderstand und der Kreisinduktivität größer ist als die Zeit, die während des bzw. durch das Stauchen zur Verfügung steht, kann das Unterbrechungsschaltglied den dann nach Ende des Trennvorgangs immer noch fließenden Strom und damit den dann immer noch stehenden Lichtbogen nicht mehr kühlen. Dadurch steigt der Innendruck durch das verdampfende Medium an, und es kann zur unerwünschten Zerstörung bzw. Explosion des Unterbrechungsschaltglieds kommen. Die durch die in der Kreisinduktivität gespeicherte magnetische Energie zum Zeitpunkt der Abschaltung bzw. der Auslösung des Unterbrechungsschaltglieds muss in andere Energieformen umgewandelt werden. Für diese Umwandlung stehen erfindungsgemäß folgende Möglichkeiten zur Verfügung:
    Erwärmung und letztlich die Verdampfung des Löschmediums bzw. dessen zumindest teilweise chemische Umwandlung bei dessen Lichtbogenkontakt, Stauchen des Materials des Kontaktelements im Stauchbereich, Erwärmung des Löschmediums durch Strömungswiderstände während des Stauchens des Stauchbereichs (durch die richtige Auslegung der Überströmflächen kann hier die Stauchzeit an die maximale bzw. real vorhandene Zeitkonstante aus Kreisinduktivität und Lastwiderstand nach der Gleichung tau = L·R angepasst werden).
  • Das Einbringen einer Lochung im Stauchbereich hat den Vorteil, dass über deren Größe der Strömungswiderstand der hier beim Zusammenpressen des Stauchbereichs überströmenden Flüssigkeit groß genug ist bzw. optimal für den Schaltvorgang eingestellt werden kann. Dadurch kann das verdampfbare Medium / Löschmittel die zum Zeitpunkt des Trennens in der Kreisinduktiviät gespeicherte magnetische Energie besser aufnehmen bzw. in andere Energieformen umwandeln.
  • In einer Ausgestaltung der Erfindung können auf der Innenisolation, d.h. der inneren isolierten Seite des Gehäuses, konzentrische Kupferbänder, oder im Treibspiegel Kupferlamellen oder Kupferscheiben eingelassen sein. Auf diese Weise kann der Lichtbogen an diese gut und schnell Energie über Wärmeleitung abgeben und hier Wärme-/ Energie zwischenspeichern. Dadurch wird der entstehende Lichtbogen bei Kontakt extrem stark abgekühlt bzw. dem Lichtbogen oder der Kreisinduktivität schnell Energie entzogen. Dieser Effekt kann verstärkt werden, wenn der Lichtbogen durch ein äußeres magnetisches Feld in Richtung dieser Kupferbänder oder Kupferlamellen gedrückt wird. Für die Erzeugung der hier notwendigen starken Magnetfelder eignen sich die heute verfügbaren starken Dauermagnete genauso wie Spulen, die in Serie vo dem zu schaltenden Strom selbst durchflossen werden – allerdings hier wieder mit dem Nachteil, dass diese die Leitungsinduktivität erhöhen, was eigentlich unerwünscht ist.
  • In einer Ausgestaltung der Erfindung ist es bevorzugt, dass die eine Kammer, die weitere Kammer und die noch weitere Kammer mit einem verdampfbaren Medium/Löschmittel gefüllt sind, wobei das verdampfbare Medium/Löschmittel in den verschiedenen Kammern gleich oder verschieden sein kann. Dabei ist es bevorzugt, dass das verdampfbare Medium/Löschmittel in der weiteren Kammer verschieden von dem verdampfbaren Medium in der einen Kammer und der noch weiteren Kammer ist. Unter „verschieden“ sollen auch verdampfbare Medien/Löschmittel verstanden werden, deren Basismaterial das gleiche ist, jedoch einen oder mehrere gleiche oder verschiedene Stoffe in unterschiedlichen Konzentrationen enthalten kann. Vorzugsweise wird in der weiteren Kammer ein Medium mit einer höheren Viskosität verwendet als in den beiden anderen Kammern. Wird als Basismaterial Silikonöl verwendet, dem ein Stoff zum Einfangen bzw. Oxidieren von elementarem Kohlenstoff beigemischt ist, so ist es bevorzugt, dass das Silikonöl in der weiteren Kammer eine höhere Konzentration an genanntem Stoff aufweist als das Silikonöl in der einen und der noch weiteren Kammer. Hierbei ist es bevorzugt, dass die Konzentration um mindestens das 5-fache höher, stärker bevorzugt um mindestens das 10-fache höher ist. Vorzugsweise wird als solcher Stoff hochdisperse Kieselsäure (HDK) verwendet. In einer stark bevorzugten Ausführungsform liegt die Konzentration an HDK in der weiteren Kammer in einem Bereich 30 g/L bis 70 g/L Kieselsäure, stärker 45 g/L bis 55 g/L Kieselsäure.
  • In einer Ausgestaltung der Erfindung können dem verdampfbaren Medium in der einen und der noch weiteren Kammer sowie dem diese Kammern verbindenden Kanal Thermite beigesetzt werden. In einer Ausgestaltung der Erfindung werden Thermite nur in den zuvor genannten Kammern (inkl. Kanal) und nicht in der weiteren Kammer eingesetzt.
  • In einer Ausgestaltung der Erfindung kann es auch bevorzugt sein, dass nur die eine Kammer und die noch weitere Kammer sowie der verbindende Kanal mit dem verdampfbaren Medium gefüllt sind. Hier kann es bevorzugt sein, dass die weitere Kammer kein verdampfbares Medium/Löschmittel enthält.
  • Die Kontakteinheit kann eine gerade Längsachse aufweisen, entlang derer der Treibspiegel verschiebbar ist. Der Trennbereich kann dann angrenzend an den Treibspiegel und in der Längsachse liegend vorgesehen sein. Trennbereich und Stauchbereich sind hierbei vorzugsweise auf jeweils gegenüberliegenden Seiten des Treibspiegels an diesen angrenzend angeordnet. Ebenso kann der wenigstens eine Kanal – sofern vorhanden – in der Längsachse liegen. Die Kontakteinheit ist vorzugsweise so aufgebaut, dass sie einen Flansch zwischen dem Stauchbereich und dem Trennbereich aufweist, in den der Treibspiegel eingreifen und durch dessen Bewegung der Stauchbereich gestaucht werden kann.
  • Die Kontakteinheit kann aus einem elektrisch leitenden Material, vorzugsweise Kupfer oder Aluminium oder Messing, bestehen, wobei Kupfer oder Aluminium bevorzugt ist.
  • Es sind jedoch auch Schaltglieder denkbar, bei denen sich der Treibspiegel der Kontakteinheit in einem mehr oder weniger gekrümmten Gehäuse bewegen kann, so dass Schaltglieder fertigbar sind, bei denen beide Stromanschlüsse sich unter einem Winkel zwischen 1° und 300° befinden, vorzugsweise unter 30°, 45°, 90°, 120° oder 180°. Der Treibspiegel würde sich also bei einem um 180° gebogenen Gehäuse nach der Auslösung und dem Aufbrechen des Trennbereichs im Halbkreis im Gehäuse bewegen, so dass beide Stromanschlüsse auf derselben Seite zu liegen kommen.
  • In einer Ausgestaltung der Erfindung kann das Unterbrechungsschaltglied eine oder mehrere Wärmesenken aufweisen. Wärmesenken können in der weiteren Kammer, beispielsweise auf dem Treibspiegel, und/oder auf der Innenisolation des Gehäuses aufgebracht sein. Als Material für Wärmesenken kommen Cu, Ag, Messing oder Stahl in Frage. Dabei ist es bevorzugt, dass die Wärmesenken mit Ni beschichtet sind, um eine Korrosion und damit schlechteren Wärmeübergang zu verhindern. Wärmesenken können Energie aufnehmen und dabei das Unterbrechungsschaltglied bzw. den Lichtbogen abkühlen.
  • In einer Ausgestaltung der Erfindung kann das Kontaktelement einen ersten Anschlusskontaktbereich mit dem ersten Anschlusskontakt und einen zweiten Anschlusskontaktbereich mit dem zweiten Anschlusskontakt aufweisen, die auf jeweils gegenüberliegenden Seiten des Trennbereichs angeordnet sind. Dabei kann der erste Anschlusskontaktbereich in der Längsachse liegend angrenzend an den Stauchbereich und der zweite Anschlusskontaktbereich in der Längsachse liegend angrenzend an den Trennbereich angeordnet sein. Hierdurch wird erreicht, dass bei der Auslösung zwei Trennstellen in der Baugruppe entstehen und sich so zwei Lichtbögen bilden, die sich quasi die Aufgabe teilen: An jedem Lichtbogen steht damit nur die halbe Quellspannung des zu trennenden Stromkreises an, die hier pro Trennstelle dissipativ umzuwandelnde Energie entspricht daher auch nur hälftig der Energie, die bei nur einer Trennstelle umgewandelt werden müsste.
  • In einer Ausgestaltung der Erfindung kann der erste Anschlusskontaktbereich hohlzylindrisch und im Querschnitt vorzugsweise ringförmig ausgestaltet sein. Auf diese Weise kann bei dem elektrischen Unterbrechungsschaltglied der Erfindung ein dritter Anschlusskontakt oder ein Sensor vorhanden sein, der, während der Treibspiegel in Richtung der Endposition bewegt wird, mechanisch und/oder elektrisch betätigt wird. Auf diese Weise kann der dritte Anschlusskontakt oder Sensor als Detektionsmittel für eine erfolgte Auslösung des Unterbrechungsschaltglieds dienen. Der dritte Anschlusskontakt kann dabei mit dem ersten Anschlusskontakt elektrisch in Verbindung gebracht werden. Auf diese Weise können auch Spannungen über den dritten Anschlusskontakt abgebaut werden.
  • Der dritte Anschlusskontakt (auch Mittelelektrode genannt) ist vorzugsweise als Draht, Stab oder Feder, vorzugsweise als Kupfer- oder Messingdraht/stab oder Kupferfeder, ausgebildet, der/die sich vorzugsweise in dem vom ersten Anschlusskontaktbereich gebildeten Innenraum entlang der Längsrichtung der Kontakteinheit erstreckt, und vorzugsweise vom Außenbereich des Unterbrechungsschaltglieds bis in die vom Stauchbereich umgebene Kammer reicht. Auf diese Weise kann gewährleistet werden, dass bei dem Stauchvorgang des Stauchbereichs der gestauchte Stauchbereich mit dem Stab, Draht oder der Feder des dritten Anschlusskontakts in Verbindung kommt, wodurch der erste und der dritte Anschlusskontakt miteinander leitend verbunden werden können. Die Verwendung einer Feder hat den Vorteil, dass diese dem Stauchvorgang weniger entgegenwirkt als ein steifer Draht oder Stab. Ist der dritte Anschlusskontakt als Stab oder Draht ausgebildet, so ist es deshalb bevorzugt, dass sein in das Unterbrechungsschaltglied ragendes Ende in mindestens zwei Teile aufgesplittet ist.
  • Diese sogenannte Mittelelektrode kann dazu dienen, die nach dem Auftrennen des Verbindungselements in der Induktivität des Lastkreises im Augenblick des Schaltens gespeicherte magnetische Energie außerhalb der Trennstelle kurzzuschließen und damit die Trennstelle energiemäßig zu entlasten.
  • Diese Mittelektrode kann jedoch auch nur dazu dienen, dem übergeordneten System eine Rückmeldung über eine einmal ausgelöste Baugruppe bzw. ein einmal geöffnetes Verbindungselement zu geben.
  • Alle Ausgestaltungen des Unterbrechungsschaltglieds der Erfindung, die einen dritten Anschlusskontakt aufweisen, können von im Verbraucher (bspw. Elektromotor) gespeicherter Energie gegen Masse verwendet werden. Dabei ist das Unterbrechungsschaltglied über den ersten und den zweiten Anschlusskontakt in einen Stromkreis eingebaut, der eine Stromquelle und einen beliebigen Verbraucher aufweist. Dabei sind vorzugsweise der erste Anschlusskontakt mit dem beliebigen Verbraucher und der zweite Anschlusskontakt mit der Stromquelle verbunden. Wird der Stromkreis durch das Schalten des Unterbrechungsschaltglieds unterbrochen, so kann es durch die gespeicherte Energie im Verbraucher zur Ausbildung eines Lichtbogens zwischen den getrennten Teilen des Trennbereichs des Unterbrechungsschaltglieds kommen. Ist der dritte Anschlusskontakt mit der anderen Seite des beliebigen Verbrauchers als dem ersten Anschlusskontakt verbunden, so kann bei Schalten des erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltglieds durch die entstehende Verbindung des ersten und des dritten Anschlusskontaktes die im Verbraucher gespeicherte Energie gegen Masse abgeführt werden. Auf diese Weise kann der entstehende Lichtbogen quasi "ausgehungert" werden, weil hiernach die Energie außerhalb der Trennstelle kurzgeschlossen wird. Das heißt, der dritte Anschlusskontakt bzw. die so genannte Mittelelektrode wird in diesem Fall als Kurzschlusselektrode verwendet.
  • Alternativ dazu kann das erfindungsgemäße Unterbrechungsschaltglied mit drittem Anschlusskontakt auch als Sensor für ein bereits ausgelöstes Unterbrechungsschaltglied verwendet werden. Dazu braucht nur der Widerstand zwischen dem zweiten Anschlusskontakt und dem dritten Anschlusskontakt gemessen werden. Ist der Widerstand gegen Null Ohm, dann wurde das Unterbrechungsschaltglied bereits ausgelöst. Jedoch können hier auch andere Tasterausführungen (Sensoren) verwendet werden, um z.B. potentialgetrennt eine Rückmeldung zu ermöglichen.
  • Zur Schaffung eines Unterbrechungsschaltgliedes, welches eine serielle Mehrfachunterbrechung realisiert, kann die Kontakteinheit wenigstens zwei Teil-Kontakteinheiten aufweisen, die jeweils einen Stauchbereich, einen Trennbereich und einen Treibspiegel aufweisen. Die Teil-Kontakteinheiten können dann jeweils so ausgebildet sein, dass bei Bildung eines Lichtbogens jeder Treibspiegel derart mit dem durch Verdampfen des verdampfbaren Mediums erzeugten Gasdruck beaufschlagt wird, dass der betreffende Treibspiegel im Gehäuse in einer Bewegungsrichtung aus einer Ausgangsposition in eine Endposition bewegt und dabei der zugehörige Stauchbereich plastisch verformt wird, wobei der betreffende Trennbereich vollständig aufgetrennt wird und in der Endposition des betreffenden Treibspiegels ein Isolationsabstand zwischen den aufgetrennten Enden des betreffenden Trennbereichs erreicht ist.
  • Eine solche serielle Mehrfachunterbrechung hat den Vorteil, dass während eines gleichzeitig erfolgenden Unterbrechungsvorgangs nur jeweils eine anteilige Spannung zwischen den aufzutrennenden Enden der Trennbereiche anliegt und so die in einem Teillichtbogen umgesetzte Energie jeweils entsprechend reduziert wird und so die Teillichtbögen effektiver und schneller gelöscht werden können.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform sind zwei Teil-Kontakteinheiten vorgesehen und die Kontakteinheit und das Gehäuse sind in Bezug auf eine Mittelebene spiegelsymmetrisch ausgebildet, wobei die Trennbereiche und die Treibspiegel vorzugsweise außerhalb der dazwischen angeordneten Stauchbereiche vorgesehen sind. Zusätzlich zur seriellen Trennung ergibt sich hier der Vorteil, dass die mechanischen Bewegungen in entgegengesetzten Richtungen verlaufen und sich so nach außen zumindest weitgehend kompensieren.
  • Nach außen ist das Unterbrechungsschaltglied nach der Erfindung rückwirkungsfrei. Es treten keine Abgase, kein Licht und kein Plasma aus, das Auslösegeräusch ist nur als leiser Klick zu vernehmen und die beiden elektrischen Anschlüsse des Unterbrechungsschaltglieds können fest eingespannt werden, da für die Funktion des Schaltglieds keine Bewegung des einen oder anderen Anschlusses notwendig ist.
  • Das Gehäuse selbst kann als Rohr mit beidseitig eingeschraubten oder eingebördelten Deckeln versehen sein, vorzugsweise aus einem topfartigen Teil, in das ein Deckel zusammen mit der gesamten Kontakteinheit eingeschraubt wird. Das Gehäuse kann auch einstückig ausgebildet sein, sofern dessen Material gut umformbar ist, beispielsweise durch Bördeln oder Biegen. Das Gehäuse kann auch aus mehreren Teilen zu einem einstückigen Gehäuse zusammengesetzt werden, beispielsweise durch Kleben oder Verschweißen der einzelnen Teile.
  • Auch eine integrale Anordnung eines oder mehrerer Kontakteinheiten in einem übergeordneten Sammelgehäuse oder in einer übergeordneten Nutzbaugruppe ist möglich.
  • Die erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltglieder können mit einem so genannten Schrumpfschlauch überzogen werden, der nach außen hin isoliert und über dem Gehäuse des Unterbrechungsschaltglieds sitzt. Der Schrumpfschlauch kann vorzugsweise aus einem gut isolierenden, vorzugsweise transparenten, Material, beispielsweise Polyolefin bestehen. Damit wird das Gehäuse/die Baugruppe vor Korrosion geschützt und gleichzeitig verhindert, dass das hier in den Beispielen metallene Gehäuse naheliegende, Spannung führende Teile kurzschließt. Auch können damit Etiketten bzw. Beschriftungen dauerhaft und auch gegen aggressive Medien dauerhaft geschützt werden.
  • Selbstverständlich kann das Gehäuse auch aus einem elektrisch nicht leitenden Material bestehen, beispielsweise aus Keramik, POM, PA6 oder ABS.
  • In einer Ausgestaltung der Erfindung kann das Unterbrechungsschaltglied auch einen Magneten aufweisen. Ein solcher Magnet soll so ausgestaltet sein, dass der Lichtbogen abgelenkt wird. Durch die Ablenkung des Lichtbogens kann der unerwünschte Stromfluss zwischen den beiden aufgetrennten Enden des Trennbereichs zumindest vermindert werden. Ein solcher Magnet kann außerhalb oder innerhalb des Gehäuses des Unterbrechungsschaltglieds angeordnet sein. Hierzu können entweder Dauermagneten oder Spulen verwendet werden. Bei der Anordnung eines Magneten außerhalb des Gehäuses wird ein Dauermagnet bevorzugt. Ist der Magnet eine Spule, so wird diese vorzugsweise in Reihe mit dem Stromfluss durch das Unterbrechungsschaltglied angeordnet. Letzteres hätte den Vorteil, dass mit steigendem Überstrom auch das Magnetfeld größer werden und den Lichtbogen stärker ablenken würde. Ein solcher Magnet hat aber auch den Vorteil, dass der Effekt einer U-förmigen Leiterschleife beim Anschluss des Unterbrechungsschaltglieds kompensiert werden könnte. Ist das Unterbrechungsschaltglied Teil einer solchen U-förmigen Leiterschleife, dann würde der im Unterbrechungsschaltglied entstehende Lichtbogen durch das Eigenfeld der Stromschleife von dieser weggedrückt werden. Um dabei nicht die Innenisolation des Unterbrechungsschaltglieds zu zerstören, kann ein solcher Magnet gegen dieses Wegdrücken eingesetzt werden. Allerdings würde eine solche Spule bzw. Spulenanordnung auch die Kreisinduktivität erhöhen, was prinzipiell unerwünscht ist.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann das erfindungsgemäße Unterbrechungsschaltglied in einer Anordnung parallel zu einer Schmelzsicherung geschaltet sein. Mit anderen Worten betrifft die vorliegende Erfindung auch eine Vorrichtung, in der ein erfindungsgemäßes Unterbrechungsschaltglied in einer Anordnung parallel zu einer oder mehreren Schmelzsicherungen geschaltet ist. In einem solchen Schaltkreis hat das Unterbrechungsschaltglied nur die Aufgabe, den Teilstrom durch sich selbst bei den dann hier nur sehr geringen Schaltspannungen abzuschalten (an dem Unterbrechungsschaltglied liegt hier nur die Spannung an, die durch den Stromfluss über die parallel zu ihm geschalteten Sicherung(en) durch deren Innenwiderstand abfällt), damit dann ein entsprechender Überstrom durch die Schmelzsicherung fließt und diese abschaltet. Das Unterbrechungsschaltglied muss dann nach dem Schalten der Schmelzsicherung(en) nur die anliegende Quellspannung halten, was aber kein Problem ist, weil hier ja nicht unter Stromfluss geschaltet werden muss. Mit einer derartigen Anordnung kann das Schaltvermögen der Anordnung drastisch gesteigert werden, insbesondere auch Richtung Mittelspannungsanwendungen bis 10kV und Strömen bis 50kADC und darüber und ist dann insbesondere auch für den Leitungsschutz mit sehr hohen Kreisinduktivitäten einsetzbar.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann das erfindungsgemäße Unterbrechungsschaltglied in einer Anordnung in Serie zu einer oder zwei Schmelzsicherungen geschaltet sein. Mit anderen Worten betrifft die vorliegende Erfindung auch eine Vorrichtung, in der ein erfindungsgemäßes Unterbrechungsschaltglied in einer Anordnung in Serie zu einer oder zwei Schmelzsicherungen geschaltet ist. Vorzugsweise werden in diesen Ausführungsformen zwei Schmelzsicherungen verwendet. Die beiden Schmelzsicherungen sind hierbei vorzugsweise vor und nach dem Unterbrechungsschaltglied, d.h. angeschlossen an den Minus- und Plusanschluss des Unterbrechungsschaltglieds, geschaltet, um beide Anschlusspole absichern zu können, da ein Kurzschluss sowohl in der Minus- als auch in der Plus-Stromkreisschlaufe auftreten kann. In einer solchen Anordnung haben die Schmelzsicherungen die Aufgabe, einen Vorwiderstand bei starker Überlastung für das Unterbrechungsschaltglied zu bilden und damit vor allem die am Trennbereich anliegende Spannung durch die in den Sicherungen bis auf die Lichtbogenspannung abfallende Spannung zu begrenzen. Auf diese Weise kann das Abschalten des Unterbrechungsschaltglieds sicherer gewährleistet werden.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann das erfindungsgemäße Unterbrechungsschaltglied in einer Anordnung in Serie zu einem oder zwei Relais geschaltet sein. Mit anderen Worten betrifft die vorliegende Erfindung auch eine Vorrichtung, in der ein erfindungsgemäßes Unterbrechungsschaltglied in einer Anordnung in Serie zu einem oder zwei Relais geschaltet ist. Vorzugsweise werden in diesen Ausführungsformen zwei Relais verwendet. Auf diese Weise kann die Schaltleistung des Unterbrechungsschaltglieds vergrößert werden. Die Relais haben die Aufgabe, neben ihrer Funktion als gewöhnliche Betriebsschalter, im Überlastbereich den Überstrom so weit zu begrenzen, dass der Strom von dem Unterbrechungsschaltglied sicher abgeschaltet werden kann. Die Relais haben vorzugsweise bei Überlast elektrodynamisch abhebende Kontakte (levitierende Kontakte). Durch das Abheben der Kontakte bei Überlast wird der im Augenblick der Trennung des Trennbereichs gemessene Anstieg der Spannung bis knapp über der Betriebsspannung gesenkt und damit ähnlich wie die beschriebenen Schmelzsicherungen in Reihe mit dem Unterbrechungsschaltglied die im Augenblick des Trennvorgangs an der Baugruppe anliegende bzw. wirksame Spannung verringert. Ohne solche Kontakte stiege die Spannung durch das Entladen der Induktivität auf der Lastseite auf bis das Dreifache der Betriebsspannung an. Dadurch würde ein kräftiger Lichtbogen gezündet werden, der deutlich schwieriger zu löschen wäre.
  • In einer weiteren Ausgestaltung werden auf einen oder beide Kontakte des Unterbrechungsschaltglieds Leitungsbügel bzw. Leitungswinkel elektrisch und mechanisch so verbunden, dass das Unterbrechungsschaltglied damit einfach auf eine ebene Platte geschraubt bzw. aufgesetzt werden kann und keine bis dahin zu verwendende Kontaktböcke mehr verwendet werden müssen. Dies ist besonders in der Luftfahrt und im Automotive-Bereich wichtig, weil damit stark Gewicht eingespart werden kann.
  • In einer weiteren Ausgestaltung des Unterbrechungsschaltglieds ist dieses als Teil eines Schiebers mit oder ohne Handgriff ausgebildet, der so einfach in einen bestehenden Stromkreis eingeführt oder wieder herausgezogen werden kann. Integriert werden können hier auch einfache sicherheitstechnische Maßnahmen, beispielsweise zum Abschalten des Stromkreises beim Ziehen des Schiebers durch einen Ruhestromkreis, der beim Ziehen vor der endgültigen Trennung des Schaltglieds vom Stromkreis bei dessen Herausziehen beispielsweise ein Schütz abfallen lässt, um so beim Herausziehen der Baugruppe sicher dessen stromlosen Zustand zu erzwingen.
  • So kann die Innenisolation als Harteloxalschicht bei einem Gehäuse aus Aluminium gebildet werden oder als Keramik- oder AVC-Beschichtung eines Stahlgehäuses. Die meisten O-Ringe sind in die Kunststoffteile ein- oder anspritzbar, müssen dann hier auch nicht mehr einzeln aufgezogen werden und können dann auch nicht mehr vergessen werden. Alle nicht beweglichen elektrisch isolierenden Teile, d.h. alle bis auf Gehäuse und den Treibspiegel, können zudem der Kontakteinheit umspritzt werden. So können die Anzahl der Einzelteile und der Montageschritte, sowie daraus folgend die Herstellungskosten der Baugruppe drastisch reduziert werden.
  • Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen näher erläutert. Alle Merkmale, die in Bezug auf eine bestimmte Figur beschreiben werden, können auch auf die Unterbrechungsschaltglieder der anderen Figuren übertragen werden, sofern technisch realisierbar:
  • 1 zeigt einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Unterbrechungsschaltglied im Ausgangszustand (Treibspiegel in Ausgangsposition),
  • 2 zeigt einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Unterbrechungsschaltglied im Endzustand (Treibspiegel in Endposition).
  • 3 zeigt eine Anordnung, in der ein erfindungsgemäßes Unterbrechungsschaltglied parallel zu einer Schmelzsicherung geschaltet ist.
  • 4 zeigt eine Anordnung, in der ein erfindungsgemäßes Unterbrechungsschaltglied in Serie mit zwei Schmelzsicherungen geschaltet ist.
  • 5A zeigt einen Trennbereich eines erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltglieds mit zwei umlaufenden Nuten.
  • 5B zeigt ein erfindungsgemäßes Unterbrechungsschaltglied mit einem Trennbereich gemäß 5A.
  • 6A zeigt einen Trennbereich eines erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltglieds mit einer umlaufenden Verdickung (Knuddel).
  • 6B zeigt ein erfindungsgemäßes Unterbrechungsschaltglied mit einem Trennbereich gemäß 6A.
  • Die in 1 dargestellte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltglieds 1 umfasst ein Gehäuse 3, in welchem eine Kontakteinheit 5, auch Verbindungselement genannt, angeordnet ist. Das Gehäuse 3 ist so ausgebildet, dass es einem innerhalb des Gehäuses erzeugten Gasdruck, der durch Verdampfen eines verdampfbaren Mediums unter Lichtbogeneinfluss erzeugt wird, standhält, ohne dass die Gefahr einer Beschädigung oder gar eines Aufplatzens besteht. Das Gehäuse 3 kann insbesondere aus einem geeigneten Metall, vorzugsweise Stahl, bestehen. In diesem Fall kann an der Innenwandung des Gehäuses 3 eine Isolierschicht 7 vorgesehen sein, die aus einem geeigneten Isolierstoff, beispielsweise einem Kunststoff, besteht. Als Kunststoff hierfür kann beispielsweise Polyoxymethylen (POM) verwendet werden. Hierdurch werden bei höheren Spannungen Überschläge bzw. ein elektrischer Kontakt zwischen der Kontakteinheit 5, die selbstverständlich aus einem leitenden Metall, beispielsweise aus Kupfer, besteht, und dem Gehäuse 3 vermieden, insbesondere während und nach dem Auslösen des Unterbrechungsschaltglieds 1. Als Gehäusematerial sind jedoch hier auch elektrisch nicht leitende Materialien wie Keramik, POM, PA6 oder ABS möglich, die jedoch in der Regel geeignet durch beispielsweise Rippen versteift werden müssen. Auch wird in diesen Fällen die Wandstärke des Gehäuses 3 üblicherweise dicker ausfallen als im Fall eines metallischen Gehäuses.
  • Die in 1 gezeichnete Schutzkappe 85 ist nur vorhanden, wenn das Gehäuse 3 durch eine Verschlussmutter (nicht gezeigt) verschlossen wird. Bei Bedrückung des Gehäuses 3 nach Auslösung würde hier das Gehäuserohr im Durchmesser aufgehen (der Kraftfluss ist hier unterbrochen) und dabei das Gewinde hier außer Eingriff geraten, die Baugruppe damit aufplatzen. Die Schutzkappe 85 verhindert dieses Aufgehen und entfällt, wenn das Gehäuse 3 einstückig ist oder beidseitig an der hier dann vorhandenen Ringscheibe (nicht gezeigt) verschweißt wird.
  • Die Kontakteinheit 5 erstreckt sich im dargestellten Ausführungsbeispiel über beide Enden des Unterbrechungsschaltglieds 1, ist überwiegend als Rohr ausgebildet und umfasst einen ersten und einen zweiten Anschlusskontakt 11/13, einen Trennbereich 27, einen Bereich eines Kanals 49, einen Stauchbereich 23 und zwei Flansche 15/25a, durch die der Stauchbereich von dem Treibspiegel 25b bedrückt werden kann. Die Kontakteinheit 5 besitzt im dargestellten Ausführungsbeispiel den ersten Anschlusskontakt 11 mit einem größeren Durchmesser und den zweiten Anschlusskontakt 13 mit einem geringeren Durchmesser. An den ersten Anschlusskontakt 11 schließt sich der sich radial nach außen erstreckende Flansch 15 an, der sich an einem ringförmigen Isolatorelement 17, das aus einem isolierenden Material, beispielsweise einem Kunststoff, besteht, derart abstützt, dass die Kontakteinheit nicht in axialer Richtung aus dem Gehäuse 3 herausbewegt werden kann. Der hierfür eingesetzte Kunststoff kann Polyoxymethylen, ABS oder Nylon sein, jedoch sind auch Keramiken möglich und in Sonderfällen sinnvoll. Das Isolatorelement 17 weist hierzu eine ringförmige Schulter auf, an welcher sich der Flansch 15 abstützt. Zusätzlich isoliert das Isolatorelement 17 das Gehäuse 3 gegenüber der Kontakteinheit 5. Das ringförmige Isolatorelement 17 weist in einem axial äußeren Bereich einen Innendurchmesser auf, der im Wesentlichen dem Außendurchmesser der Kontakteinheit 5 im Bereich des ersten Anschlusskontakts 11 entspricht. Hierdurch wird eine Dichtwirkung erzielt, die durch ein zusätzliches, ringförmiges Dichtelement 19, beispielsweise einen O-Ring, verstärkt wird. Das Isolatorelement 17 kann auch mit der Kontakteinheit 5 über eine Presspassung verbunden oder auf diese aufgespritzt sein.
  • Das Gehäuse 3 wird an der in 1 links dargestellten Stirnseite bei der Montage des Unterbrechungsschaltglieds 1 derart ausgestaltet, dass ein sich radial einwärts erstreckender Teil des Gehäuses das Isolatorelement 17 fixiert. Besteht das Gehäuse aus Kunststoff, so kann auch das Isolatorelement 17 entfallen.
  • Die Kontakteinheit 5 weist den sich an den Flansch 15 in der Achse der Kontakteinheit 5 anschließenden Stauchbereich 23 auf. Die Wandstärke der Kontakteinheit 5 ist im Stauchbereich 23, der eine vorbestimmte axiale Ausdehnung aufweist, so gewählt und auf das Material abgestimmt, dass sich bei einem Auslösen des Unterbrechungsschaltglieds 1 infolge einer plastischen Deformation der Kontakteinheit 5 im Stauchbereich 23 eine Verkürzung des Stauchbereichs 23 in axialer Richtung um eine vorbestimmte Wegstrecke ergibt.
  • An den Stauchbereich 23 schließt sich in axialer Richtung der Kontakteinheit 5 der Flansch 25a an, auf dem im dargestellten Ausführungsbeispiel ein Treibspiegel 25b sitzt. Der Treibspiegel 25b, der im dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem Isoliermaterial, beispielsweise einem geeigneten Kunststoff, besteht, umgreift die Kontakteinheit 5 mit seinem Teil 25b derart, dass zwischen dem Außenumfang des Flanschs 25a und der Innenwandung des Gehäuses 3 ein isolierender Bereich des Treibspiegels 25b eingreift. Wirkt ein Druck auf die Fläche des Treibspiegels 25b ein, wird eine Kraft erzeugt, die über den Flansch 25a den Stauchbereich 23 der Kontakteinheit 5 zusammenpresst. Diese Kraft wird so gewählt, dass sich während des Auslösevorgangs des Unterbrechungsschaltglieds 1 ein Stauchen des Stauchbereichs 23 ergibt, wobei der Treibspiegel 25b aus seiner Ausgangslage (Status vor der Auslösung des Unterbrechungsschaltglieds 1) in eine Endposition (nach Beendigung des Schaltvorgangs) bewegt wird.
  • Wie aus 1 ersichtlich, kann der Treibspiegelteil 25b so gewählt werden, dass dessen Außendurchmesser im Wesentlichen dem Innendurchmesser des Gehäuses 3 entspricht, so dass eine axiale Führung des Flanschs 25a und damit auch eine axial geführte Stauchbewegung während des Schaltvorgangs erreicht wird.
  • Nach dem Pressvorgang greifen die nahe dem Gehäuse 3 liegenden Nasen des Isolatorelements 17 und des Treibspiegels 25b voll übereinander, so dass der nach der Auslösung und dem Stauchvorgang mäanderförmig zusammengeschobene Stauchbereich 23 voll von elektrisch isolierenden Materialien umschlossen ist.
  • An den Treibspiegel 25b bzw. den Flansch 25a der Kontakteinheit 5 schließt sich der Trennbereich 27 an, der in axialer Richtung vorzugsweise wiederum zu einem Flansch 29 der Kontakteinheit 5 benachbart ist. An den Flansch 29 schließt sich dann der zweite Anschlusskontakt 13 an. Der Flansch 29 dient wiederum dazu, die Kontakteinheit 5 in axialer Richtung sicher im Gehäuse 3 zu fixieren. Hierzu dient ein sich radial nach innen erstreckender Ringbereich des Gehäuses 3 (nicht mit Bezugszeichen versehen) und ein Verschluss 31, der zwischen einer entsprechenden Anschlagsfläche des Flanschs 29, der Innenwandung des stirnseitigen Ringbereichs des Gehäuses 3 und der axialen Innenwandung des Gehäuses 3 vorgesehen ist und welcher den zweiten Anschlusskontakt 13 der Kontakteinheit 5 ringförmig umgreift. Der Flansch 29 kann in axialer Richtung in den Verschluss 31 eingreifen. Alternativ dazu kann er auch in axialer Richtung auf den Verschluss 31 aufgesetzt sein. Der Verschluss 31 kann aus Metall, insbesondere Stahl bestehen.
  • Wenn der Verschluss 31 nicht aus einem Metall oder einer Keramik besteht, sondern aus einem Kunststoff, muss nach dem Flansch 29 eine Metallscheibe mit einem Durchmesser, der größer ist als die rechte Öffnung des Gehäuses, eingebracht sein, um im Brandfall zu verhindern – im Brandfall sind ja die Kunststoffteile nicht mehr da –, dass Teile aus dem Gehäuse 3 austreten.
  • Sind das Gehäuse 3 und der Verschluss 3 aus Stahl, so ist es möglich, diese Teile per Elektronenstrahl- oder Ultraschallschweißen miteinander zu verbinden. Auch ein Verbinden per Laserstrahl ist möglich.
  • Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Treibspiegel 25b bei der Montage des Unterbrechungsschaltglieds 1 von der Seite des Anschlusskontakts 13 her auf die Kontakteinheit 5 aufgeschoben und muss daher so dimensioniert sein, dass sein Innendurchmesser größer oder gleich dem Außendurchmesser des Flanschs 29 ist.
  • Der Verschluss 31 ist als ein ringförmiges Bauteil gestaltet, welches einen Außendurchmesser besitzt, der im Wesentlichen dem Innendurchmesser des Gehäuses 3 entspricht, und einen Innendurchmesser, der im Wesentlichen dem Außendurchmesser des Flanschs 29 bzw. dem zweiten Anschlusskontakt 13 entspricht.
  • Zur vollständigen Abdichtung und Fixierung der Kontakteinheit 5 kann der Innenraum des Verschlusselements 39 vergossen sein, insbesondere mit einem geeigneten Epoxidharz. Das Verschlusselement 39 kann mit einem Gewinde versehen sein, um es in den zweiten Anschlusskontakt 13 der Kontakteinheit 5 einschrauben zu können, jedoch wird es später bei einer Serienausführung der Baugruppe aus Kostengründen nur in den vorzugsweise als Rohrteil ausgebildeten zweiten Anschlusskontakt 13 eingeschoben und dann eingebördelt, geclincht oder eingerollt.
  • Der Verschluss 31 kann aus einem Metall, insbesondere Stahl, bestehen. Dies hat den Vorteil der Potentialanbindung des Gehäuses 3 an den zweiten Anschlusskontakt 13. Auf diese Weise „weiß das Gehäuse, wo es hinsichtlich des Potentials hingehört“. Letzteres ist wichtig in Hochspannungsschaltkreisen, um keine unerwünschten Lichtbögen mit nicht potentialangebundenen Teilen zu erhalten. Außerdem schirmt das Gehäuse 3 den inneren Bereich des Unterbrechungsschaltglieds 1 gegen elektromagnetische Strahlung, z.B. einen Radarstrahl ab.
  • Der Trennbereich 27 ist so dimensioniert, dass er durch den erzeugten Gasdruck vollständig aufreißt, so dass sich der Druck in die als umgebenden Ringraum ausgestaltete weitere Kammer 63 ausbreiten kann. Zur Erleichterung des Aufreißens kann die Wandung der Kontakteinheit im Trennbereich 27 auch einen oder mehrere Durchbrüche bzw. Bohrungen (nicht gezeigt) aufweisen.
  • Der elektrische Widerstand und damit auch das thermische Verhalten des Trennbereichs 27 kann durch das Vorsehen von Durchbrüchen in der Wandung des Trennbereichs 27 (selbstverständlich in Verbindung mit der Wandstärke des Trennbereichs und der Dimensionierung der Radien an den Übergängen des Trennbereichs, die wesentlich den Wärmeabfluss aus dem Trennbereich und dessen Aufreißverhalten bestimmen) beeinflusst werden. Hierdurch kann das Strom-Zeit-Integral definiert bzw. eingestellt werden, bei dem das Unterbrechungsschaltglied 1 passiv auslöst. Auch die Trägheit kann durch eine derartige Dimensionierung beeinflusst werden.
  • Bei einer Aktivierung des Unterbrechungsschaltglieds 1 mittels der passiven Aktivierung wird also ein Gasdruck an der dem Stauchbereich 23 abgewandten Seite des Treibspiegels 25b erzeugt, wodurch der Treibspiegel 25b mit einer entsprechenden Axialkraft beaufschlagt wird. Diese Kraft deformiert die Kontakteinheit 5 im Stauchbereich 23 plastisch, während der Treibspiegel in Richtung auf den ersten Anschlusskontakt 11 bewegt wird.
  • In der in 1 gezeigten Ausführungsform befindet sich in der Kammer 61 und in der weiteren Kammer 63 ein verdampfbares Medium (nicht gezeigt), das durch den sich bildenden Lichtbogen bei Aufreißen des Trennbereichs 27 verdampft wird, und der dabei entstehende Dampfdruck beaufschlagt den Treibspiegel mit Druck. Das verdampfbare Medium ist vorzugsweise gleichzeitig ein Löschmaterial, so dass dieses nach dem Schalten des Unterbrechungsschaltgliedes den Lichtbogen zwischen den getrennten Enden des Trennbereichs 27 dämpft und abkühlt bzw. zum Erlöschen bringt.
  • Auf der Seite des ersten Anschlusskontaktes 11 weist das Unterbrechungsschaltglied 1 ein Verschlusselement 53 auf, das eine noch weitere Kammer 65 der Kontakteinheit 5 nach außen begrenzt.
  • Der Kanal 49 der Kontakteinheit 5, der sich unterhalb des Treibspiegels 25b, insbesondere im Flansch 25a, vorzugsweise mittig in axialer Richtung erstreckt, verbindet die Kammer 61 mit einer noch weiteren Kammer 65, die von dem Stauchbereich 23 und dem Verschlusselement 53 begrenzt wird. Somit ist die Kontakteinheit 5 im dargestellten Ausführungsbeispiel weiter als durchgängiges Schaltrohr ausgebildet. Obwohl nicht in 1 gezeigt, ist es bevorzugt, dass die Kammer 61, der Kanal 49, die noch weitere Kammer 65 und die weitere Kammer 63 mit einem verdampfbaren Medium/Löschmittel gefüllt sind. Der Kanal 49 stellt sicher, dass bei der Auslösung des Unterbrechungsschaltglieds 1 und der damit verbundenen Bewegung des Treibspiegels 25b von der Ausgangsposition in die Endposition das sich vergrößernde Volumen im Bereich der Brennkammer 61 und der weiteren Kammer 63 auch mit verdampfbarem Medium/Löschmittel nachgefüllt wird. Durch die Bewegung des Treibspiegels 25b von der Ausgangsposition in die Endposition wird verdampfbares Medium/Löschmittel in der noch weiteren Kammer 65 zusammengepresst und durch den Kanal 49 in Richtung des Bereichs der Kammer 61 und hier direkt auf die Trennstelle 27 gespritzt. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass der Lichtbogen zwischen den getrennten Teilen des Trennbereichs 27 kontrolliert gelöscht wird.
  • 2 zeigt ein erfindungsgemäßes Unterbrechungsschaltglied 1 gemäß 1 im Endzustand, d.h. im ausgelösten Zustand, bei dem der Trennbereich 27 aufgetrennt wurde, der Treibspiegel 25b sich in der Endposition befindet und der Stauchbereich 23 gestaucht vorliegt. Rein exemplarisch unterscheidet sich das Unterbrechungsschaltglied 1 in der 2 von dem der 1 nur dadurch, dass es einen dritten Anschlusskontakt 81 aufweist, wie er weiter oben beschrieben ist.
  • 3 zeigt eine Anordnung, in der ein erfindungsgemäßes Unterbrechungsschaltglied 1 parallel zu einer Schmelzsicherung 87 geschaltet ist, wie weiter oben beschrieben. Der Strom I teilt sich durch die Parallelschaltung in die Teilströme I1 und I2, wobei I1 der Strom der Schmelzsicherung 87 und I2 der Strom des Unterbrechungsschaltglieds 1 ist.
  • 4 zeigt exemplarisch eine Anordnung, in der ein erfindungsgemäßes Unterbrechungsschaltglied 1 in Serie zu zwei Schmelzsicherungen 87 geschaltet ist, an die der Strom I angelegt ist. Die beiden Schmelzsicherungen 87 sind hierbei vor und nach dem Unterbrechungsschaltglied 1, d.h. angeschlossen an den Minus- und Plusanschluss des Unterbrechungsschaltglieds 1, geschaltet. In einer solchen Anordnung haben die Schmelzsicherungen die weiter oben genannte Aufgabe.
  • 5A zeigt einen hohlzylindrischen Trennbereich 27 mit zwei umlaufenden Nuten 91 – wie weiter oben allgemein beschrieben. 5B zeigt ein erfindungsgemäßes Unterbrechungsschaltglied 1 mit einem Trennbereich 27 – wie in 5A gezeigt.
  • 6A zeigt einen hohlzylindrischen Trennbereich 27 mit einer umlaufenden Verdickung (Knuddel) 93 – wie weiter oben allgemein beschrieben. Weiterhin weist der in 6A gezeigte Trennbereich 27 links und rechts von der umlaufenden Verdickung 93 jeweils eine umlaufende Nut 91 auf. 6B zeigt ein erfindungsgemäßes Unterbrechungsschaltglied 1 mit einem Trennbereich 27 – wie in 6A gezeigt.
  • Das Unterbrechungsschaltglied 1 in den 5B und 6B weist zudem eine Wärmesenke 1 95 und und eine Wärmesenke 2 97 auf – wie sie weiter oben allgemein beschrieben sind. Die Wärmesenken sind in diesen Figuren nur beispielhaft dargestellt und können mit jeder weiteren Ausführungsform der Erfindung kombiniert werden. Die Wärmesenke 1 95 ist dabei vorzugsweise in der weiteren Kammer auf dem Treibspiegel, und die Wärmesenke 2 97 auf der Innenisolation des Gehäuses 3 angebracht. Dabei kann die Wärmesenke 1 95 umlaufend, d.h. rohrförmig, oder lamellenartig ausgebildet sein. Die Wärmesenke 2 97 verläuft vorzugsweise an der Innenseite des Gehäuses bzw. dessen Innenisolation umlaufend, d.h. ist rohrförmig ausgebildet.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Unterbrechungsschaltglied
    3
    Gehäuse
    5
    Kontakteinheit (Schaltrohr)
    7
    Isolierschicht (Innenisolation)
    11
    erster Anschlusskontakt
    13
    zweiter Anschlusskontakt
    15
    Flansch des Schalt- bzw. Kontaktrohres
    17
    Isolatorelement (Isolator 1)
    19
    Dichtelement (O-Ring)
    23
    Stauchbereich
    25a
    Flansch
    25b
    Treibspiegel
    27
    Trennbereich
    29
    Flansch
    31
    Verschluss
    39
    Verschlusselement
    49
    Kanal
    53
    Verschlusselement
    61
    Kammer
    63
    weitere Kammer
    65
    noch weitere Kammer
    81
    dritter Anschlusskontakt
    85
    Schutzkappe
    87
    Schmelzsicherung
    91
    umlaufende Nut(en)
    93
    umlaufende Verdickung (Knuddel)
    95
    Wärmesenke 1
    97
    Wärmesenke 2
    I
    Strom
    I1
    Teilstrom
    I2
    Teilstrom

Claims (14)

  1. Unterbrechungsschaltglied (1), insbesondere zum Unterbrechen von hohen Strömen bei hohen Spannungen, (a) mit einem Gehäuse (3), das eine den Strompfad durch das Unterbrechungsschaltglied (1) definierende Kontakteinheit (5) umgreift und (b) wobei die Kontakteinheit (5) einen ersten und zweiten Anschlusskontakt (11, 13), einen Trennbereich (27) und einen Treibspiegel (25b) aufweist, (c) wobei die Kontakteinheit (5) so ausgebildet ist, dass ihr über den ersten Anschlusskontakt (11) ein zu unterbrechender Strom zuführbar und von ihr über den zweiten Anschlusskontakt (13) abführbar ist, oder umgekehrt, (d) wobei mindestens eine Kammer (61) im Unterbrechungsschaltglied (1), die zumindest teilweise von dem Trennbereich (27) begrenzt wird, mit einem verdampfbaren Medium gefüllt ist, so dass der Trennbereich (27) mit dem verdampfbaren Medium in Kontakt steht, dadurch gekennzeichnet, (e) dass der Trennbereich (27), der Treibspiegel (25b) und das verdampfbare Medium so ausgebildet sind, dass der Trennbereich (27) durch den zugeführten Strom bei Überschreiten einer Schwellstromstärke in mindestens zwei Teile auftrennbar ist, wobei ein zwischen den zwei Teilen des Trennbereichs (27) entstehender Lichtbogen das verdampfbare Medium verdampft, sodass ein den Treibspiegel (25b) beaufschlagender Gasdruck entsteht, wobei der Treibspiegel (25b) im Gehäuse (3) in einer Bewegungsrichtung aus einer Ausgangsposition in eine Endposition bewegt wird, wobei in der Endposition des Treibspiegels (25b) ein Isolationsabstand zwischen dem ersten und dem zweiten Anschlusskontakt (11, 13) erreicht ist.
  2. Unterbrechungsschaltglied (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es kein aktivierbares Mittel zur Bewegung des Treibspiegels (25b) aufweist.
  3. Unterbrechungsschaltglied (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Trennbereich (27) aus einem Metall gebildet ist, das mit einem Weichlotmaterial eine Legierung bilden kann.
  4. Unterbrechungsschaltglied (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass dem verdampfbaren Medium ein Stoff zum Einfangen oder Oxidieren von elementarem Kohlenstoff beigefügt wird.
  5. Unterbrechungsschaltglied (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass dem verdampfbaren Medium ein Stoff beigefügt wird, der bei der Entstehung des Lichtbogens exotherm reagiert.
  6. Unterbrechungsschaltglied (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass dem verdampfbaren Medium ein Stoff beigefügt wird, der die Kapazität zur Aufnahme von mechanischer Energie des verdampfbaren Mediums erhöht.
  7. Unterbrechungsschaltglied (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Trennbereich (27) so ausgestaltet ist, dass er Sollbruchstellen, beispielsweise in Form von Verengungen, Kerben, Bohrungen oder Querschnittssprüngen, aufweist.
  8. Unterbrechungsschaltglied (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Trennbereich (27) die eine Kammer (61) von einer weiteren Kammer (63) abtrennt, die den Trennbereich (27) vorzugsweise hohlförmig umgibt.
  9. Unterbrechungsschaltglied (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die eine Kammer (61), als auch die weitere Kammer (63) mit einem verdampfbaren Medium gefüllt sind.
  10. Unterbrechungsschaltglied (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontakteinheit (5) einen Stauchbereich (23) aufweist.
  11. Unterbrechungsschaltglied (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Stauchbereich (23) hinsichtlich des Materials und der Geometrie so ausgelegt ist, dass seine Wandung bei der Bewegung des Treibspiegels (25b) aus der Ausgangsposition in die Endposition gefaltet, vorzugsweise mäanderförmig gefaltet wird.
  12. Unterbrechungsschaltglied (1) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Stauchbereich (23) hohlzylindrisch oder hohlprismatisch ausgebildet ist, so dass er eine noch weitere Kammer (65) umgibt.
  13. Unterbrechungsschaltglied (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Stauchbereich (23) eine Lochung aufweist, die eine Verbindung zwischen der noch weiteren Kammer (65) mit dem die noch weitere Kammer (65) umgebenden Volumen ermöglicht.
  14. Unterbrechungsschaltglied (1) nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Kammer (61), die weitere Kammer (63) und die noch weitere Kammer (65) mit einem verdampfbaren Medium gefüllt sind, wobei das verdampfbare Medium in den verschiedenen Kammern (61, 63, 65) gleich oder verschieden sein kann.
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