DE102018103018A1 - Unterbrechungsschaltglied mit Haupt- und Nebenschlussstrompfad - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Unterbrechungsschaltglied, insbesondere zum Unterbrechen von hohen Gleichströmen bei hohen Spannungen, das von einer Leitstellung in eine Trennstellung überführt werden kann. Das Unterbrechungsschaltglied weist ein Gehäuse, eine innerhalb des Gehäuses angeordnete Reaktionskammer und eine den Hauptstrompfad durch das Unterbrechungsschaltglied definierende Kontakteinheit auf. Das Gehäuse umgreift die Kontakteinheit, d.h. die Kontakteinheit wird von dem Gehäuse umgeben. Die Kontakteinheit weist einen ersten und einen zweiten Anschlusskontakt und einen Trennbereich auf. Der Trennbereich stellt in der Leitstellung des Unterbrechungsschaltglieds eine elektrische Verbindung zwischen dem ersten Anschlusskontakt und dem zweiten Anschlusskontakt her. Der Trennbereich ist innerhalb der Reaktionskammer, die mit einem Löschmittel gefüllt ist, angeordnet. Der Trennbereich ist so ausgebildet, dass, wenn das Unterbrechungsschaltglied von der Leitstellung in die Trennstellung überführt wird, der Hauptstrompfad zwischen dem ersten Anschlusskontakt und dem zweiten Anschlusskontakt derart unterbrochen ist, dass zwei aufgetrennte Enden des Trennbereichs eine Trennstrecke t1 voneinander entfernt sind, die sich innerhalb des Löschmittels befindet. Das Unterbrechungsschaltglied ist dadurch gekennzeichnet, dass das Unterbrechungsschaltglied einen Nebenschlussstrompfad parallel zu dem Hauptstrompfad aufweist, der bei Auftreten einer Überspannung beim Übergang von der Leitstellung in die Trennstellung in der Lage ist, einen Nebenschlussstromfluss zwischen dem ersten und dem zweiten Anschlusskontakt zu erzeugen, der in einem Nebenschlusswiderstand einen Teil der elektrischen Energie in thermische Energie umwandelt, wobei der Nebenschlusswiderstand durch einen Bereich des Gehäuses gebildet wird, durch das der Nebenschlussstrom fließt.

Description

• Die Erfindung betrifft ein elektrisches Unterbrechungsschaltglied, insbesondere zum Unterbrechen von hohen Gleichströmen 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. Eine weitere Anforderung an solche Schaltglieder besteht darin, nach der Trennung den Isolationswiderstand sicherzustellen.
• 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 1200 V bei extrem kleinem Innenwiderstand. Aus beiden resultiert ein möglicher Kurzschlussstrom von bis zu 5000 A, teilweise und kurzzeitig sogar bis zu 30 kA, 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.
• Bei allen hier aufgeführten Einsatzfällen handelt es sich in der Regel um das Abschalten von Gleichstrom, der anders als Wechselstrom keinen Nulldurchgang aufweist. Normalerweise liegt in einem Unterbrechungsschaltglied nur die Betriebsspannung an. Im Moment der Trennung eines Gleichstromkreises in einem Unterbrechungsschaltglied steigt durch den Zusammenbruch des Magnetfelds des äußeren Stromkreises jedoch die Spannung derart stark an, dass zwischen den getrennten Enden eines Trennelements eines Unterbrechungsschaltglieds in der Regel ein Lichtbogen entsteht. Zur Erzeugung eines Lichtbogens wird in der Regel eine relativ hohe Spannung benötigt. Zum Aufrechterhalten reichen jedoch schon wesentlich niedrigere Spannungen aus, was in der Regel bei üblichen Betriebsspannungen von etwa 450 V der Fall ist. Damit auch nach einem Abfall der Spannungsspitze auf die Betriebsspannung der Lichtbogen gelöscht wird, ist in der Lichtbogenkammer solcher Unterbrechungsschaltglieder oft ein Löschmittel vorgesehen. Das Löschmittel soll verhindern, dass selbst bei relativ hohen Betriebsspannungen von etwa 450 V oder mehr der Lichtbogen aufrechterhalten bleibt. Durch die hohen Temperaturen eines Lichtbogens von mehreren 1000 °C wird das Löschmittel jedoch durch den Lichtbogen verbraucht und in leitende Stoffe umgewandelt, die den Lichtbogen unterstützen und seine Unterdrückung erschweren. D.h. das Löschmittel wird verbraucht und steht nicht mehr in ausreichendem Maße für die Löschung des erstmals entstandenen Lichtbogens, aber auch nicht für die Löschung eines möglicherweise danach erneut gebildeten Lichtbogens zur Verfügung. Deshalb ist es schwer, nach der Trennung der Kontakte eines Unterbrechungsschaltglieds, den Isolationswiderstand dauerhaft sicherzustellen.
• Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Unterbrechungsschaltglied, insbesondere zum Unterbrechen von hohen Gleichströmen bei hohen Spannungen, bereitzustellen, bei dem das Abschalten von hohen Gleichströmen bei hohen Spannungen schnell und effektiv erreicht werden und auch dauerhaft sichergestellt werden kann.
• Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
• Das erfindungsgemäße Unterbrechungsschaltglied kann von einer Leitstellung in eine Trennstellung überführt werden. Ist das erfindungsgemäße Unterbrechungsschaltglied in einen Stromkreis integriert, so ist der Stromkreis in der Leitstellung geschlossen. In der Trennstellung ist der Stromkreis unterbrochen. Das erfindungsgemäße Unterbrechungsschaltglied weist ein Gehäuse, eine innerhalb des Gehäuses angeordnete Reaktionskammer und eine den Hauptstrompfad durch das Unterbrechungsschaltglied definierende Kontakteinheit auf. Das Gehäuse umgreift die Kontakteinheit, d.h. die Kontakteinheit wird von dem Gehäuse umgeben. Die Kontakteinheit weist einen ersten und einen zweiten Anschlusskontakt und einen Trennbereich auf. Der Trennbereich stellt in der Leitstellung des Unterbrechungsschaltglieds eine, vorzugsweise sehr niederohmige, elektrische Verbindung zwischen dem ersten Anschlusskontakt und dem zweiten Anschlusskontakt her, Werte von 40 bis 60 µH sind hier gut erreichbar. Der Trennbereich ist innerhalb der so genannten Reaktionskammer, die mit einem Löschmittel gefüllt ist, angeordnet. Der Trennbereich ist so ausgebildet, dass, wenn das Unterbrechungsschaltglied von der Leitstellung in die Trennstellung überführt wird, der Hauptstrompfad zwischen dem ersten Anschlusskontakt und dem zweiten Anschlusskontakt derart unterbrochen ist, dass zwei aufgetrennte Enden des Trennbereichs eine Trennstrecke t₁ voneinander entfernt sind, die sich innerhalb des Löschmittels befindet. Das erfindungsgemäße Unterbrechungsschaltglied ist dadurch gekennzeichnet, dass das Unterbrechungsschaltglied einen Nebenschlussstrompfad parallel zu dem Hauptstrompfad aufweist, der bei Auftreten einer Überspannung beim Übergang von der Leitstellung in die Trennstellung in der Lage ist, einen Nebenschlussstromfluss zwischen dem ersten und dem zweiten Anschlusskontakt zu erzeugen, der in einem Nebenschlusswiderstand einen Teil der elektrischen Energie in thermische Energie umwandelt, wobei der Nebenschlusswiderstand durch einen Bereich des Gehäuses gebildet wird, durch das der Nebenschlussstrom fließt.
• Im Moment des Übergangs von der Leitstellung in die Trennstellung des erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltglieds wird der äußere Stromkreis, in den das Unterbrechungsschaltglied integriert ist, unterbrochen. Die im äußeren Stromkreis gespeicherte Induktivität führt im Moment der Unterbrechung des äußeren Stromkreises zu einer immensen Spannungserhöhung über die normale Betriebsspannung hinaus. Durch diese erhöhte Spannung entsteht in der Regel ein Lichtbogen an mindestens einer Stelle des Unterbrechungsschaltglieds, vorzugsweise zunächst zwischen den beiden getrennten Enden des Trennbereichs. Da die Trennstrecke t₁ zwischen diesen beiden getrennten Enden durch ein Löschmittel verläuft, kann der Lichtbogen das Löschmittel verdampfen, dessen Moleküle zerreissen und mit den hier entstehenden elektrisch leitfähigen Stoffen reagieren. Auf diese Weise entstehen aus dem üblicherweise aus Kohlenstoffmolekülen aufgebauten oder mit kohlenstoffhaltigen Stoffen vermengtes Löschmittel leitende Stoffe, die unerwünscht sind, da sie zu keiner dauerhaften Sicherstellung des Isolationswiderstands führen. Würde keine Energie anderweitig verbraucht werden, so kann die gesamte Energie von dem Lichtbogen in die Umwandlung von Löschmittel in unerwünschte leitende Stoffe fließen.
• Diese Vorgänge bzw. Verhältnisse sind evtl. nicht relevant, wenn man Löschmittel verwendet, die nicht auf Kohlenstoffbasis aufgebaut sind. Gedacht ist an die Verwendung von Hexasilan oder Pentasilan. Das Problem hierbei ist, dass diese Stoffe bisher weltweit nur in wenigen Versuchslabors und auch nur in extrem kleinen Mengen hergestellt wurden und deren Eignung für die Löschung eines Lichtbogens bisher nicht getestet werden konnte. Voruntersuchungen zeigten zudem, dass 1 kg dieser Flüssigkeiten z.Z. ca. 60.000 Euro kosten würden, bei einer Herstellzeit von ca. 6 Monaten. Diese hohen Kosten und lange Herstellungszeit schließen diese Materialien zumindest z.Z. für eine Serienanwendung zur Lichtbogendämpfung in Notabschaltern aus. Auch ist heute damit noch völlig unbekannt, welche Nachteile mit einem Einsatz dieser Stoffe auftreten würden.
• Da in dem erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltglied im Moment des Übergangs von der Leitstellung in die Trennstellung ein Nebenschlussstromfluss über einen Nebenschlussstrompfad erzeugt wird, der einen Nebenschlusswiderstand aufweist, der elektrische Energie in thermische Energie umwandeln kann, wird Energie, die normalerweise dem Lichtbogen zur Verfügung steht, anderweitig verbraucht. Auch kann der Lichtbogen durch sogenannte Feldliniensteuerung dazu verleitet/gezwungen werden, hauptsächlich den Nebenschlussstrompfad zu nutzen. Auf diese Weise wird weniger Löschmittel durch den Lichtbogen in leitende Stoffe umgewandelt, sodass zur Sicherstellung des Isolationswiderstands des erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltglieds mehr unverbrauchtes Löschmittel in der Reaktionskammer zur Verfügung steht.
• Im Nebenschlussstrompfad kann ebenso eine Trennstrecke t₂ vorliegen, in der ein Lichtbogen gebildet werden kann. Auch wenn dieser Lichtbogen ebenso Löschmittel in leitende Stoffe umwandelt, so hat der Erfinder der vorliegenden Anmeldung festgestellt, dass durch die umgewandelte Energie durch den Nebenschlusswiderstand weniger Löschmittel durch einen möglichen Lichtbogen im Hauptstrompfad zwischen den beiden Anschlusskontakten umgewandelt wird. Dies hat zwei Vorteile: Ist die durch die Spannungserhöhung bedingte Energie durch Bildung des Lichtbogens, durch Umwandlung von Löschmittel und durch die Umwandlung von elektrischer Energie in thermische Energie durch den Nebenschlusswiderstand aufgebraucht, so ist immer noch genügend elektrisch nicht leitendes Löschmittel in dem Unterbrechungsschaltglied vorhanden, sodass selbst nach dem Erlöschen bzw. dem Aushungern des Lichtbogens bei der Betriebsspannung kein Lichtbogen mehr gebildet wird. Weiterhin ist durch das Vorhandensein von Löschmittel nach dem Abklingen des Lichtbogens oder der Lichtbögen dauerhaft der Isolationswiderstand besser sichergestellt.
• Unter der Betriebsspannung wird erfindungsgemäß eine Spannung von über 100 V oder mehr, vorzugsweise von 450 V oder mehr verstanden, jedoch vorzugsweise heute maximal eine Spannung von 5000 V. Unter „Überspannung“ wird erfindungsgemäß eine Spannungserhöhung um bis zum 4-fachen der Betriebsspannung verstanden.
• Unter dem Begriff „Trennstrecke“ wird in der vorliegenden Anmeldung eine Unterbrechung in einem Strompfad bzw. ein Abstand zwischen zwei leitenden Bestandteilen eines Strompfads verstanden.
• Unter einer „Reaktionskammer“ wird in der vorliegenden Anmeldung die Kammer verstanden, in der das Verbindungselement getrennt wird, d.h. die Kammer innerhalb der ein Lichtbogen zwischen zwei getrennten Teilen des Trennbereichs gebildet werden kann.
• Die Größe der Trennstrecke t₁ im Hauptstrompfad, d.h. der Abstand zwischen den getrennten Teilen des Trennbereichs liegt in der Trennstellung des erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltglieds vorzugsweise im Bereich von 1 bis 10 mm. Die Größe der Trennstrecke t₂ im Nebenschlussstrompfad liegt vorzugsweise im Bereich von 0,5 bis 10 mm. Letzteres gilt auch für mögliche weitere Trennstrecken innerhalb des Nebenschlussstrompfads.
• Die Trennstrecke t₂ wird in der Regel über mindestens eine Funkenstrecke im Augenblick der Trennung durch die hier dann entstehende hohe Induktionsspannung aus dem zusammenbrechenden Magnetfeld der Kreisinduktivität der Hauptentladungsstrecke quasi selbsttätig zugeschaltet. Die Länge dieser Funkenstrecke liegt im Bereich von 0,1 bis 2 mm, vorzugsweise bei ca. 1 mm.
• Weiterhin ist es bevorzugt, dass der Widerstand der Kontakteinheit vom ersten bis zum zweiten Anschlusskontakt im Hauptstrompfad im Bereich von 30 bis 60 µΩ liegt. Der Nebenschlusswiderstand ist inklusive des Lichtbogenwiderstands vorzugsweise nach der Trennung kleiner als der Widerstand des getrennten Hauptstrompfads und liegt vorzugsweise in einem Bereich von 1x bis 0,01x des Widerstands des getrennten Hauptstrompfads.
• Das Löschmittel kann ein festes, pulverförmiges oder ein flüssiges Medium sein. Vorzugsweise ist das Löschmittel ein verdampfbares Medium. Vorzugsweise ist das 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 Löschmittel auch elektrisch 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 Löschmittel ein Öl, beispielsweise Silikonöl, oder ein Silan bzw. Polysiloxan, beispielsweise Hexasilan oder Pentasilan mit möglichst wenig oder noch besser ohne Kohlenstoffatomanteil.
• Die Kontakteinheit umfasst den ersten und den zweiten Anschlusskontakt sowie den Trennbereich, der beim Schalten des erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltglieds den Hauptstrompfad über die Kontakteinheit trennt. Dabei kann der Trennbereich in jeglicher Form ausgestaltet sein, wie es beispielsweise in den DE 10 2014 107 853 A1 , DE 10 2014 110 825 A1 , DE 20 2015 100 525 U1 , DE 10 2015 112 141 A1 , DE 10 2015 114 279 A1 , DE 10 2015 114 894 A1 , DE 10 2016 124 176 A1 und DE 10 2017 123 021 A1 beschrieben ist. So kann der Trennbereich beispielsweise als fester Schaltsteg ausgebildet sein, der beispielsweise als einfacher Stab oder als zylindrisches oder hohlprismatisches Rohr ausgebildet ist, der/das zerrissen und dadurch in mindestens zwei Teile getrennt wird. Der Stab oder das Rohr kann aber auch lediglich verschoben werden, so dass eine Trennung der beiden Anschlusskontakte resultiert. Alternativ dazu kann der Trennbereich auch so ausgestaltet sein, dass ein Bolzen mit zwei Führungskontakten in Verbindung steht, und bei Bewegung des Bolzens dieser von einem oder zwei der Führungskontakte getrennt wird. Weiterhin kann der Trennbereich aber auch ein Draht oder ein Band sein. Der Trennbereich ist mit den beiden Anschlusskontakten verbunden. Dabei kann der Trennbereich direkt mit den Anschlusskontakten oder über weitere leitende Elemente damit verbunden sein. Beim Schalten des erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltglieds, d.h. Unterbrechen des Strompfads, wird der Trennbereich derart aufgetrennt, dass dadurch die elektrische Verbindung zwischen den beiden Anschlusskontakten unterbrochen wird. Das Trennen des Trennbereichs kann auf jegliche denkbare Weise erfolgen, so kann beispielsweise ein Kolben darauf drücken, ein Stößel aufschießen, der Leiter einen außerhalb erzeugten und auf ihn wirkenden oder durch im Leiter selbst erzeugten Gasdruck oder Abgasdruck zerrissen oder thermisch einfach aufgeschmolzen werden. Der Trennbereich kann durch aktive Auslösung, aber auch durch passive Auslösung des erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltglieds getrennt werden.
• Die passive Auslösung kann bspw. durch Schmelzen des den Trennbereich bildenden Materials, beispielsweise bei Erreichen einer bestimmten Schwellstromstärke, erfolgen. Auch kann die passive Auslösung durch die Wirkung von pyrotechnischen Zünd- und Anzündstoffen, wie auch nur durch thermische Einwirkung sich zerlegende Stoffe, wie bspw. Tetrazen unterstützt werden. Dabei können auch Vorrichtungen an einem oder an beiden aufgetrennten Teilen des Trennbereichs angebracht sein, die diese beiden Enden weiter voneinander entfernen, bspw. durch eine existierende Zugbelastung, die nach Trennen des Trennbereichs wirken kann. Beispielhaft kann hier eine Zugbelastung durch eine vorgespannte Feder genannt werden.
• Unter aktiver Auslösung des erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltglieds wird jegliche Art von mechanischer oder pyrotechnischer Energie verstanden, die den Trennbereich trennen kann. So kann beispielsweise der Trennbereich durch eine einwirkende Zug- oder Druckbewegung getrennt werden. Oder es wird ein pyrotechnisches Material, wie beispielsweise ein Anzünder (EED) oder ein Minidetonator, verwendet, der sich entweder in der Reaktionskammer befindet, oder aber außerhalb der Reaktionskammer so angebracht ist, dass er durch Zug- oder Druckbewegung oder eine Stoßwelle auf den Trennbereich wirken kann und dessen Trennung verursacht.
• Auch die Gaserzeugung von Stoffen, die nur durch Erwärmen einfach unter Freisetzung von Gasen zerfallen, wie beispielsweise Tetrazen, sind hier für die Einleitung oder Unterstützung eines Trennvorgangs einsetzbar.
• Auch können diese Stoffe gleich mit zum Löschen und Isolieren verwendet werden, sofern sie keine Halogene oder Kohlenstoffatome in deren Molekülverband aufweisen.
• Beispielsweise zerfällt Tetrazen zu großen Teilen direkt in Stickstoff N₂ und kann so direkt in die Reaktionskammer zur Unterstützung der Trennung und nachfolgenden elektrischen Isolation des getrennten Verbindungselements genutzt werden.
• In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltglieds ist es bevorzugt, dass der Nebenschlussstrompfad in der Leitstellung geschlossen oder unterbrochen vorliegt. Liegt der Nebenschlussstrompfad in der Leitstellung unterbrochen vor, so kann – wie weiter oben beschrieben – an der die Unterbrechung bildende Trennstrecke t₂ ebenso ein Lichtbogen ausgebildet werden. Liegt der Nebenschlussstrompfad in der Leitstellung geschlossen vor, so ist es bevorzugt, dass ein Teil des den Nebenschlussstrompfad bildenden Materials ein bei Spannungserhöhung über die Betriebsspannung hinaus verdampfbares Material ist. Beim Übergang von der Leitstellung in die Trennstellung kommt es zur Spannungserhöhung, das verdampfbare Material wird verdampft, wodurch die Trennstrecke t₂ im Nebenschlussstrompfad gebildet wird, die ebenso zu einer Unterbrechung des Stromflusses im Unterbrechungsschaltglied führt. Wird dann ein Lichtbogen an der Trennstrecke t₂ gebildet, so kann die im Magnetfeld der Kreisinduktivität im Augenblick des Trennens gespeicherte Energie auch an diesem Lichtbogen und auch noch zusätzlich über den Widerstand im Nebenschlussstrompfad schneller abgebaut werden.
• Somit ist es in einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltglieds bevorzugt, dass in der Trennstellung des Unterbrechungsschaltglieds innerhalb des Gehäuses eine Unterbrechung des Nebenschlussstrompfads mit einer Trennstrecke t₂ vorgesehen ist, die bei Auftreten der Überspannung durch einen Lichtbogen überbrückt wird. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass ein Nebenschlussstrom über den Nebenschlussstrompfad fließt, sodass auch durch den Nebenschlusswiderstand elektrische Energie in thermische Energie umgewandelt werden kann.
• Es ist weiterhin bevorzugt, dass die Trennstrecke t₂ sich ebenfalls innerhalb eines Löschmittels befindet. Damit wird sichergestellt, dass auch bei Abfall der erhöhten Spannung, die beim oder nach dem Schalten des erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltglieds (Übergang von der Leitstellung in die Trennstellung) anliegt, auf die Betriebsspannung der Lichtbogen effektiv gelöscht wird.
• In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltglieds ist es bevorzugt, dass das Löschmittel, in dem sich die Trennstrecke t₂ befindet, das gleiche Löschmittel ist, in dem sich die Trennstrecke t₁ befindet. Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Trennstrecken t₁ und t₂ in der Trennstellung innerhalb desselben Volumens angeordnet sind. Dieses Volumen ist mit dem Löschmittel gefüllt. In der Leitstellung des erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltglieds können die Trennstrecken t₁ und t₂ in unterschiedlichen Volumina bzw. Kammern vorliegen, jedoch ist es erfindungsgemäß wegen einer einfachen Ausgestaltung des Unterbrechungsschaltglieds von Vorteil, wenn durch Übergang von der Leitstellung in die Trennstellung die unterschiedlichen Volumina zu einem Volumen vereint werden. Dies kann dadurch bewerkstelligt werden, dass der Trennbereich der Kontakteinheit so ausgebildet ist, dass er die unterschiedlichen Volumina in der Leitstellung voneinander trennt, jedoch durch Auftrennen des Trennbereichs aus den unterschiedlichen Volumina ein Volumen wird.
• In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltglieds ist es bevorzugt, dass die Trennstrecke t₂ sich zwischen der inneren Wand des Gehäuses und einem elektrisch leitenden Material im Inneren des Unterbrechungsschaltglieds befindet. Hier liegt das elektrisch leitende Material vorzugsweise in Form einer Beschichtung auf einem isolierenden Element des Unterbrechungsschaltglieds vor. Das isolierende Element kann aus Kunststoff, bspw. aus einem Thermo- oder Duroplast, sein, aber auch aus einer Keramik, die den Vorteil hat, dass sie durch bzw. bei Lichtbogeneinfluss nicht elektrisch leitend wird. Alternativ kann das elektrisch leitende Material aber auch als Draht oder Band ausgestaltet sein. Das elektrisch leitende Material ist vorzugsweise an dem einen Ende mit der Kontakteinheit, vorzugsweise auf der Seite des ersten Anschlusskontaktes verbunden. Alternativ dazu kann aber auch eine weitere Trennstrecke t₃ zwischen dem elektrisch leitenden Material und der Kontakteinheit vorgesehen sein, die beim Übergang von der Leitstellung in die Trennstellung mithilfe eines Lichtbogens überbrückt wird.
• Liegt das elektrisch leitende Material in Form einer Beschichtung auf einem isolierenden Element des Unterbrechungsschaltglieds vor, so ist es bevorzugt, dass zwischen dem isolierenden Element und dem elektrisch leitenden Material eine Schutzschicht vorgesehen ist, die das isolierende Element vor der Energie durch den Nebenschlussstromfluss schützt. Die Schutzschicht ist vorzugsweise eine keramische Schutzschicht, beispielsweise aus einem Siliziumdioxid-haltigen Schichtoxid. Diese Schutzschicht kann auf das isolierende Element aufgebracht werden, in dem eine flüssige Keramik aufgesprüht oder das isolierende Element in eine flüssige Keramik getaucht wird. Als sogenannte flüssige Keramik wird ein flüssiges Gemisch aus Siloxanen und Nanomaterialien bezeichnet, wie es beispielsweise als "9H Auto Ceramic Coating" im Handel erhältlich ist. Die Schutzschicht weist vorzugsweise eine Dicke im Bereich von 10 µm bis 100 µm, stärker bevorzugt im Bereich von 20 µm bis 50 µm auf. Die Beschichtung mit dem elektrisch leitenden Material, die vorzugsweise auf der Schutzschicht aufgebracht, ist vorzugsweise aus Aluminium, weil Aluminium beim Verbrennen zu elektrisch nicht leitendem Aluminiumoxid umgewandelt wird und damit den späteren Isolationswiderstand nicht verschlechtert. Dies kann beispielsweise verwirklicht werden, indem eine Aluminiumklebefolie auf das isolierende Element oder die Schutzschicht des isolierenden Elements aufgeklebt wird. Die Beschichtung mit dem elektrisch leitenden Material weist vorzugsweise eine Breite (orthogonal zur Stromflussrichtung) im Bereich von 1,5 bis 10 mm, vorzugsweise 2 bis 5 mm auf, kann aber auch durchgängig auf der Fläche des isolierenden Elements aufgebracht sein, die sich von der Kontakteinheit zum Gehäuse hin erstreckt. Die Dicke der Beschichtung mit dem elektrisch leitenden Material beträgt vorzugsweise 10 µm bis 100 µm, stärker bevorzugt 20 µm bis 50 µm.
• In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltglieds ist es bevorzugt, dass das elektrisch leitende Material ein Material ist, das bei elektrischer Verbindung der beiden Anschlusskontakte durch den Nebenschlussstrompfad in der Trennstellung des Unterbrechungsschaltglieds zumindest teilweise verdampft, wodurch die Trennstrecke t₂ entsteht. In dieser Ausgestaltung stört es nicht, wenn der Nebenschlussstrompfad in der Leitstellung des Unterbrechungsschaltglieds geschlossen vorliegt, da aufgrund des höheren Widerstandes des Nebenschlusswiderstands als der Widerstand im Hauptstrompfad der Hauptanteil des Stroms über den Hauptstrompfad fließt. Erst nach der durch Übergang von der Leitstellung in die Trennstellung bedingten Erhöhung der Spannung kommt es dann durch Verdampfen des elektrisch leitenden Materials im Nebenschlussstrompfad zur Ausbildung der Trennstrecke t₂.
• In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltglieds ist es bevorzugt, dass der Nebenschlussstrompfad über das Gehäuse und der Hauptstrompfad in einem vom Gehäuse beabstandeten Strompfad verlaufen. Vorzugsweise verläuft der Hauptstrompfad mittig innerhalb des Gehäuses des Unterbrechungsschaltglieds. Der Nebenschlussstrompfad verläuft vorzugsweise vom ersten Anschlusskontakt über einen Teil der Kontakteinheit, der sich auf der einen Seite der Trennstrecke t₂ befindet, und wird von dort auf das Gehäuse des Unterbrechungsschaltglieds geführt, das mit dem zweiten Anschlusskontakt in Verbindung steht. Der erste Anschlusskontakt darf hierbei nicht direkt mit dem Gehäuse in elektrischer Verbindung stehen.
• Der Teil des Gehäuses, durch den der Nebenschlussstrom fließt, ist vorzugsweise aus einem elektrisch leitenden Material gebildet, das einen höheren Widerstand aufweist als das elektrisch leitende Material der Kontakteinheit. Als elektrisch leitendes Material des Gehäuses wird vorzugsweise Stahl, Edelstahl, Wolfram-Legierungen oder Titan verwendet. Als elektrisch leitendes Material der Kontakteinheit wird vorzugsweise Kupfer, Messing oder Aluminium verwendet, alle auch vernickelt, versilbert oder in Spezialfällen auch vergoldet.
• Die Wandstärke des Gehäusematerials, durch das der Nebenschlussstrom fließt, ist vorzugsweise im Bereich von 0,8 mm bis 5 mm, stärker bevorzugt 1 mm bis 3 mm, und am stärksten bevorzugt 1,5 mm bis 2 mm. Die Wandstärke hängt neben dem Gehäusematerial zudem vom Außendurchmesser des Gehäuses ab und von den Stromstärken, bei denen getrennt wird: Je größer der Außendurchmesser des Gehäuses wird, um so dicker muss die Wandstärke des Gehäusematerials sein, um dem nach dem Trennen des Verbindungsmaterials im Gehäuse entstehenden hohen Druck standzuhalten. Je höher die Stromstärke im Augenblick des Trennens ist, umso stärker ist der danach entstehende Lichtbogen im Gehäuse. Deshalb werden mehr Material und auch Löschmittel verdampft und erhitzt, so dass der Innendruck sich erhöht. Die oben genannten Wandstärken beziehen sich vorzugsweise auf ein Stahlgehäuse mit einem Durchmesser von ca. 30 mm.
• In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltglieds, ist es bevorzugt, dass die Kontakteinheit mit einem Treibspiegel in Verbindung steht, der derart ausgestaltet ist, dass er durch einen beaufschlagenden Druck von einer Ausgangposition in eine Endposition bewegbar ist, wobei in der Endposition des Treibspiegels der Trennbereich getrennt und die Trennstrecke t₁ ausgebildet ist. Dabei ist es bevorzugt, dass der Treibspiegel aus einem nicht leitenden Material besteht, d.h. das oben genannte isolierende Element ist als Treibspiegel ausgebildet. Alle weiter vorne genannten Merkmale i. V. m. dem isolierenden Element gelten folglich für den Treibspiegel. Dies hat den Vorteil, dass der Treibspiegel in Verbindung mit einem elektrisch leitenden Gehäuse stehen kann, ohne dass über das Gehäuse Strom fließt. Zur Gewährleistung des Nebenschlussstrompfades wird der Treibspiegel aus isolierendem Material, der mit der Kontakteinheit in Verbindung steht und sich in die Nähe des Gehäuses erstreckt oder auch mit diesem in Verbindung steht, vorzugsweise derart mit einer leitfähigen Beschichtung versehen, so dass in der Trennstellung des erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltglieds der erste und der zweite Anschlusskontakt über den Nebenschlussstrompfad miteinander verbunden sind. Die elektrisch leitfähige Beschichtung erstreckt sich vorzugsweise auf dem Treibspiegel von der Kontakteinheit bis hin zur inneren Wand des Gehäuses. Wird hierin im Falle der Trennstellung von einer Verbindung des ersten und zweiten Anschlusskontaktes über den Nebenschlussstrompfad gesprochen, so ist immer gemeint, dass diese elektrische Verbindung nur dadurch zustande kommen kann, dass die Trennstrecke t₂ durch einen Lichtbogen überbrückt wird. Weiterhin ist es bevorzugt, dass die leitfähige Beschichtung nicht direkt auf dem Material des Treibspiegels aufgebracht ist, sondern dass zwischen der elektrisch leitfähigen Beschichtung und dem Treibspiegel eine – wie weiter oben beschriebene – Schutzschicht vorgesehen ist. Die Vorteile dieser Schutzschicht sind in der Beschreibung des Unterbrechungsschaltglieds der 1 weiter unten genannt. Zudem kann an der inneren Wand des Gehäuses ein Leitblech vorgesehen sein, das vorzugsweise mit der leitfähigen Beschichtung des Treibspiegels in Verbindung steht. Das Leitblech ist vorzugsweise aus Kupfer gebildet. Anschließend an das Leitblech kann an der inneren Wand des Gehäuses ein elektrisch nicht leitender Schirm vorgesehen sein. Die Vorteile des Leitblechs und des elektrisch leitenden Schirms sind weiter unten in Verbindung mit dem Unterbrechungsschaltglied der 1 beschrieben. Der elektrisch nicht leitende Schirm ist wie der Treibspiegel vorzugsweise aus einem Isolationsmaterial, wie z.B. POM, PAI, PI oder vorzugsweise einer Keramik. Bei Verwendung einer Keramik kann die Schutzschicht direkt auf der entsprechenden Oberfläche entfallen, weil hier der anliegende Lichtbogen die Keramikoberfläche nicht elektrisch leitfähig macht.
• In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltglieds, ist es bevorzugt, dass außen auf dem Gehäuse ein Kollektor vorgesehen ist. Der Kollektor erstreckt sich vorzugsweise über den Teil des Gehäuses, das Teil des Nebenschlussstrompfad ist. Der Kollektor kann aus Edelstahl, Stahl oder Kupfer gebildet sein. Der Kollektor hat die Aufgabe der zusätzlichen mechanischen Stärkung des Gehäuses bei hohem Innendruck im Fall des Schaltens des erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltglieds. Weiterhin sammelt der Kollektor den über das Gehäuse fließenden Strom und entlastet auch so das Gehäusematerial. Er kann sozusagen als eine Art Bypass für den dort nach dem Lichtbogeneinschlag in das am Innendurchmesser des Gehäuses angebrachte Leitblech über das Gehäuse fließenden Strom angesehen werden. Der Kollektor deckt zudem den hinteren Teil des Unterbrechungsschaltglieds ab, d.h. er ist eine Art Sichtschutz für dort eventuell vorhandene Dichtringe oder eine verwendete Dichtmasse. Sollte der Innendruck des Unterbrechungsschaltglieds bei extremer Strombelastung so hoch werden, dass zwischen Gehäuse und dem Teil der Kontakteinheit auf der Seite des zweiten Anschlusskontaktes Löschmittel austritt, so kann der Kollektor das Löschmittel sammeln, und verhindert, dass das Löschmittel in der Gegend herumspritzt und sich hier fein verteilt sogar entzünden kann.
• Ist der Nebenschlussstrompfad in der Leitstellung des erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltglieds geschlossen, so ist es bevorzugt, dass die Trennstrecke t₂ durch Bewegen des Treibspiegels von der Ausgangsposition in die Endposition gebildet wird.
• Die erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltglieder können in einem Schaltkreis Verwendung finden, in dem parallel zu dem erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltglied eine Zündelektronik und in einem weiteren Strompfad eine Sicherung angeschlossen ist, wobei der weitere Strompfad einen Schalter aufweist, der geöffnet bzw. geschlossen werden kann. Im Betriebsfall ist der Schalter vorzugsweise geöffnet. Die Zündelektronik ist in der Lage bei einem bestimmten Überstrom den Schalter zu schließen und anschließend das Unterbrechungsschaltglied zu schalten, d.h. von der Leitstellung in die Trennstellung zu überführen. Die Sicherung kann eine herkömmliche Schmelzsicherung sein. Die Zündelektronik kann beispielsweise ein Komparator sein. Näheres hierzu ist unten in Verbindung mit der Beschreibung der 4 angegeben. In einem solchen Schaltkreis kann anstelle des erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltglieds auch jegliches Unterbrechungsschaltglied des Stands der Technik verwendet werden, das zum Abschalten von nicht ganz so hohen Strömen bei nicht ganz so hohen Spannungen geeignet ist.
• Die erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltglieder können auch in einem Schaltkreis Verwendung finden, in dem der Strompfad in dem Unterbrechungsschaltglied von dem ersten Anschlusskontakt zu dem zweiten Anschlusskontakt führt. Parallel dazu ist außerhalb des Unterbrechungsschaltglieds eine Zündelektronik angeordnet. Weiterhin weist der Schaltkreis einen Schalter im Betriebsstromkreis auf. Der Schalter kann auch der Betriebsschalter des Betriebsstromkreises sein. Die Zündelektronik kann den Strom im Betriebsstromkreis messen und zündet bei Überstrom aktiv das Unterbrechungsschaltglied, das dann durch Übergang von der Leitstellung in die Trennstellung dem Betriebsstromkreis unterbricht (Schalten des Unterbrechungsschaltglieds). Das Unterbrechungsschaltglied braucht eine bestimmte Zeit zum Schalten, d.h. bis zu dem Zeitpunkt, an dem der Lichtbogen im Unterbrechungsschaltglied erlischt. Diese Zeit wird Abschaltzeit genannt. Die Zündelektronik ist vorzugsweise so programmiert, dass der Schalter S in einer Zeitspanne von direkt nach der Abschaltzeit des Unterbrechungsschaltglieds bis zur 1–3 fachen Abschaltzeit nach dem Schalten geöffnet wird. Diese Schaltung hat den Vorteil, dass ein evtl. nach extremer Überlastung des Unterbrechungsschaltglieds sehr kleiner Isolationswiderstand ab dem Öffnen des Schalters S keine Erwärmung des Unterbrechungsschaltglieds mehr auftritt, der Trennvorgang damit stabilisiert und fixiert wird, ohne dem Schalter S das Trennen des Stromkreises bei Überlaststrom zuzumuten, den dieser ohne vorherige Zündung bzw. Schalten des Unterbrechungsschaltglieds nicht abschalten könnte, sondern hier in der Regel explodieren würde. Alternativ zur Regelung des Unterbrechungsschaltglieds 1 und des Schalters S durch eine Zündelektronik kann das jeweilige Schalten auch ohne Elektronik, d.h. durch Steuerung erfolgen. Eine solche Ausführungsform ist unten in Bezug auf 5 beschrieben.
• Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich auch aus den Unteransprüchen. Die in den zuvor genannten Ausführungsformen dargelegten Merkmale des erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltglieds können – sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen – erfindungsgemäß beliebig kombiniert werden.
• Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen näher erläutert. Alle Merkmale, die in Bezug auf eine bestimmte Figur beschrieben werden, können auch auf die Unterbrechungsschaltglieder der anderen Figuren übertragen werden, sofern technisch realisierbar:
• 1 zeigt eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltglieds vor der Trennung des Trennbereichs (Leitstellung) mit einem leitenden Material auf dem mit einer Schutzschicht versehenen Treibspiegel, das so ausgestaltet ist, dass der Nebenschlussstrompfad geschlossen ist.
• 2 zeigt eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltglieds nach 1 nach der Trennung des Trennbereichs (Trennstellung). Die Leitschicht ist verbrannt, es verbleibt auf dem Treibspiegel nur noch die Schutzschicht.
• 3 zeigt eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltglieds wie in 1, jedoch zusätzlich mit einem Kollektor über einem Teil des Gehäuses.
• 4 zeigt eine schematische Ansicht eines weiteren erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltglieds vor der Trennung des Trennbereichs (Leitstellung) mit einem leitenden Material auf dem Treibspiegel, das so ausgestaltet ist das der Nebenschlussstrompfad unterbrochen ist.
• 5 zeigt den Längs- bzw. Querschnitt eine Treibspiegels eines typischen Unterbrechungsschaltglied der 1.
• 6 zeigt einen Schaltkreis mit einem erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltglied parallel geschaltet zu einer herkömmlichen Sicherung und einem Komparator, der aber auch durch eine Steuerung ersetzt werden kann.
• 7 zeigt einen Schaltkreis mit einem erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltglied mit einem Komparator oder einer Zündelektronik und einem Schalter S nach dem zweiten Anschlusskontakt. Der Schalter S könnte jedoch auch vor dem ersten Anschlusskontakt angebracht sein oder an einer anderen Stelle im Betriebsstromkreis.
• Die in 1 dargestellte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltglieds 1 umfasst ein Gehäuse 2, in dem eine Kontakteinheit 3 angeordnet ist. Das Gehäuse 2 ist so ausgebildet, dass es einem innerhalb des Gehäuses 2 erzeugten Druck, der beispielsweise bei einer pyrotechnischen Auslösung des Unterbrechungsschaltglieds 1 erzeugt wird, standhält, ohne dass die Gefahr einer Beschädigung oder gar eines Aufplatzens besteht. Das Gehäuse 2 kann insbesondere aus einem geeigneten Material, vorzugsweise Stahl, bestehen. Die Kontakteinheit 3 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel als ein durch den Treibspiegel 10 im Stauchbereich 19 bedrückbares Schaltrohr ausgebildet, so dass es im Trenn- 6 und Stauchbereich 19 als Rohr ausgebildet ist. Die Kontakteinheit 3 besitzt im dargestellten Ausführungsbeispiel einen ersten Anschlusskontakt 4. An den ersten Anschlusskontakt 4 schließt sich ein sich radial nach außen erstreckender Flansch 15 an, der sich an einem ringförmigen Isolatorelement 22, das aus einem isolierenden Material, beispielsweise einem Kunststoff, besteht, derart abstützt, dass die Kontakteinheit 3 nicht in axialer Richtung aus dem Gehäuse 2 herausbewegt werden kann. Das Isolatorelement 22 weist hierzu vorzugsweise eine ringförmige Schulter auf, an der sich der Flansch 15 der Kontakteinheit 3 abstützt. Zusätzlich isoliert das Isolatorelement 22 das Gehäuse 2 gegenüber dem Anschlusskontakt 4. Die Kontakteinheit 3 weist einen sich an den Flansch 15 in der Achse der Kontakteinheit 3 anschließenden Stauchbereich 19 auf. Die Wandstärke der Kontakteinheit ist im Stauchbereich 19, 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 3 im Stauchbereich 19 eine Verkürzung des Stauchbereichs 19 in axialer Richtung um eine vorbestimmte Wegstrecke ergibt.
• An den Stauchbereich 19 schließt sich in axialer Richtung der Kontakteinheit 3 ein Flansch 14 an, auf dem im dargestellten Ausführungsbeispiel ein Treibspiegel 10 sitzt. Der Treibspiegel 10 ist als elektrisch isolierendes Element ausgebildet, beispielsweise einem geeigneten Kunststoff, vorzugsweise aus Keramik. Dieser umgreift die Kontakteinheit 3 derart, dass zwischen dem Außenumfang des Flanschs 14 und der Innenwandung des Gehäuses 2 ein isolierender Bereich des Treibspiegels 10 eingreift. Wirkt ein Druck auf die Fläche des Treibspiegels 10 ein, wird eine Kraft erzeugt, die über den Flansch 14 den Stauchbereich 19 der Kontakteinheit 3 zusammenpresst.
• Diese Kraft wird so gewählt, dass sich während des Auslösevorgangs des Unterbrechungsschaltglieds 1 ein Stauchen des Stauchbereichs 19 ergibt, wobei der Treibspiegel 10 aus seiner Ausgangslage (Status vor der Auslösung des Unterbrechungsschaltglieds 1 = Leitstellung) in eine Endposition (nach Beendigung des Schaltvorgangs = Trennstellung) bewegt wird.
• Wie aus 1 ersichtlich, kann der Treibspiegel 10 so gewählt werden, dass dessen Außendurchmesser im Wesentlichen dem Innendurchmesser des Gehäuses 2 entspricht, so dass eine axiale Führung des Flanschs 14 und damit auch eine axial geführte Stauchbewegung während des Schaltvorgangs erreicht wird.
• Nach dem Pressvorgang greifen die nahe dem Gehäuse 2 liegenden Nasen des Isolatorelements 22 und des Treibspiegels 10 voll übereinander, so dass der nach der Auslösung und dem Stauchvorgang mäanderförmig zusammengeschobene Stauchbereich 19 voll von elektrisch isolierenden Materialien umschlossen ist.
• An den Treibspiegel 10 bzw. den Flansch 14 der Kontakteinheit 3 schließt sich ein Trennbereich 6 an. Auf dieser Seite der Kontakteinheit 3 schließt sich dann der zweite Anschlusskontakt 5 an.
• Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Treibspiegel 10 bei der Montage des Unterbrechungsschaltglieds 1 von der Seite des Anschlusskontakts 5 her auf die Kontakteinheit 3 aufgeschoben. Dieser ist hierfür geteilt (nicht gezeichnet). Wird der zweite Anschlusskontakt 5 nicht geteilt bzw. ist dieser einstückig gleich der Kontakteinheit 3, wie gezeichnet, muss der Treibspiegel entweder angespritzt oder mehrteilig ausgeführt werden, um ihn montieren zu können.
• In dem axialen Ende der Kontakteinheit 3 im Bereich des zweiten Anschlusskontakts 5 kann ein Antrieb 16, vorzugsweise ein pyrotechnischer Antrieb, vorgesehen sein, hier oft auch als Minidetonator oder Zünderschraube benannt. Durch einen Durchbruch im Innenraum der Kontakteinheit 3 können elektrische Anschlussleitungen für den Antrieb nach außen geführt werden. Der Antrieb 16 ist vorzugsweise in einer inneren Reaktionskammer 7b innerhalb der Kontakteinheit 3 vorgesehen. Eine äußere Reaktionskammer 7a befindet sich zwischen der äußeren Wand eines Trennbereichs 6 und dem Gehäuse 2.
• Der Trennbereich 6 ist so dimensioniert, dass er durch den erzeugten Gasdruck oder die erzeugte Stoßwelle eines Antriebs zumindest teilweise aufreißt, vorzugsweise ganz aufreißt, so dass sich der Druck bzw. die Stoßwelle auch aus der inneren Reaktionskammer 7b in die vorzugsweise als umgebenden Ringraum ausgestaltete äußere Reaktionskammer 7a ausbreiten kann. Die Reaktionskammern 7a und 7b werden auf diese Weise zu einem Volumen miteinander verbunden. Der für das Stauchen des Kontaktrohres benötigte Innendruck kann auch derart erzeugt werden, dass bei einer bestimmten Nennstromstärke der Trennbereich 6 aufschmilzt und sich dazwischen ein Lichtbogen bildet, der Löschmittel 9 verdampft. Zur Erleichterung des Aufreißens kann die Wandung der Kontakteinheit 3 im Trennbereich 6 auch einen oder mehrere Durchbrüche bzw. Bohrungen und/oder Nuten aufweisen. Hierbei ist sicherzustellen, dass das Material des Trennbereichs den Betriebsstrom gut trennt, also unter Berücksichtigung von Wärmeableitung nicht zu heiß wird, um das Material nicht zu schnell bzw. zu stark altern zu lassen. Zur Erniedrigung der Schmelztemperatur von Stellen des Trennbereichs kann auch Lötzinn dort aufgebracht werden, das bei Erhitzung des Trennbereichs schmilzt und beispielsweise das anliegende Kupfer so legiert, dass dessen Schmelztemperatur von ca. 1700 °C absinkt auf bis zu nur 160 °C und so früher den Trennbereich auftrennen lässt. Dieses Verfahren ist bereits bei herkömmlichen Schmelzsicherungen üblich und eingeführt.
• Eine Vorrichtung zum Zünden eines pyrotechnischen Materials (Anzündvorrichtung) kann aus einem einfachen, schnell aufheizbaren Glühdraht bestehen, der mit einer Anzünd- oder Zündmischung beschichtet ist. Die Aktivierung des Antriebs kann durch eine entsprechende elektrische Ansteuerung erfolgen. Selbstverständlich kann der Antrieb jedoch auch in beliebiger anderer Weise ausgebildet sein, die eine Aktivierung des pyrotechnischen Materials bewirkt, auch in Form eines herkömmlichen Anzünders (EED), einer Anzündpille, einer Zündpille oder eines Minidetonators.
• Bei einer Aktivierung des Unterbrechungsschaltglieds 1 wird also ein Druck oder sogar eine Stoßwelle an der dem Stauchbereich 19 abgewandten Seite des Treibspiegels 10 erzeugt, wodurch der Treibspiegel 10 mit einer entsprechenden Axialkraft beaufschlagt wird. Diese Kraft wird durch eine geeignete Dimensionierung des pyrotechnischen Materials so gewählt, dass die Kontakteinheit 3 im Stauchbereich 19 plastisch deformiert oder eingedrückt, jedoch nicht aufgerissen und danach der Treibspiegel 10 in Richtung auf den ersten Anschlusskontakt 4 bewegt wird. Das pyrotechnische Material wird dabei so dimensioniert, dass nach dem Aufbrechen bzw. Eindrücken des Trennbereichs 6 die Bewegung des Treibspiegels 10 die beiden Trennhälften ausreichend weit voneinander entfernt, im Zusammenwirken mit der Verdampfung des Löschmittels 9 dann sogar bis in eine Endposition.
• Unmittelbar nach dem Aktivieren des pyrotechnischen Materials wird also der Trennbereich 6 zumindest teilweise aufgerissen bzw. eingedrückt, vorzugsweise vollständig aufgerissen. Erfolgt das Aufreißen bzw. Eindrücken nicht bereits vor Beginn der axialen Bewegung des Treibspiegels 10 über den vollständigen Umfang des Trennbereichs 6, so wird ein verbleibender Rest des Trennbereichs 6, der noch einen elektrischen Kontakt verursacht, durch die axiale Bewegung des Treibspiegels 10 vollständig aufgerissen, verstärkt durch die hier dann auftretende sehr schnelle Erhitzung des hier dann nur kleinen Restquerschnitts des Leiters durch den hier fließenden hohen elektrischen Strom.
• Insbesondere der durch den Abbrand erzeugte Gasdruck oder die erzeugte Stoßwelle kann durch das Einbringen von leicht vergasbaren Flüssigkeiten oder Feststoffen (Löschmittel 9) in den Raum, in dem das pyrotechnische Material enthalten ist oder in welchen die erzeugten Heißgase eindringen, gut gesteuert werden. So erhöht insbesondere Wasser, gelöst im Löschmittel 9 oder in Form von Mikrokapseln, Gelen etc., den Gasdruck beträchtlich. Auch eine Zumischung von Chemikalien, die bei Erhitzung mit reagieren, ist sinnvoll, z.B. die Zugabe von rotem Phosphor, insbesondere aber auch von bestimmten Zünd- und Anzündstoffen, wie Zirkoniumkaliumperchlorat (ZPP), aber auch von Polysiloxanen wie Hexasilan oder Pentasilan. Auch das Einbringen von Tetrazen bringt hier Unterstützung, die man nicht durch die Erzeugung von überwiegend elektrisch leitfähigen Stoffen erkaufen muss, da sich Tetrazen aufgrund seines geringen Kohlenstoffanteils überwiegend in elektrisch nicht leitenden Stickstoff zerlegt.
• In der in 1 gezeigten Ausführungsform befindet sich in den Reaktionskammern 7a und 7b ein Löschmittel 9, das bei der Detonation bzw. Deflagration des pyrotechnischen Materials die Stoßwellenausbreitung begünstigt und zudem den Leerraum so stark verkleinert, dass auf diese Weise weniger aktivierbares Material verwendet werden muss und die Wände des Trennbereichs 6 ausreichend dick gehalten werden können, so dass die Baugruppe auch noch bei hohen Betriebsströmen eingesetzt werden kann. Das Löschmittel 9 dient zugleich zur Dämpfung oder Löschung eines Lichtbogens zwischen den getrennten Enden des Trennbereichs 6. Nach der Trennung des Trennbereichs sind die beiden Reaktionskammern 7a und 7b miteinander verbunden.
• Weiterhin ist in dem erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltglied 1 der 1 ein Kanal vorgesehen, der sich unterhalb des Treibspiegels 10, insbesondere im Flansch 14, vorzugsweise mittig in axialer Richtung erstreckt und die innere Reaktionskammer 7b mit einer Stauchkammer 18 unterhalb des Stauchbereichs 19 verbindet. Die Stauchkammer 18 und der die Stauchkammer und die innere Reaktionskammer 7b verbindende Kanal sind ebenso mit Löschmittel 9 gefüllt. Somit ist die Kontakteinheit 3 im dargestellten Ausführungsbeispiel weiter als durchgängiges Schaltrohr ausgebildet. Der Kanal stellt sicher, dass bei der Auslösung des Unterbrechungsschaltglieds 1 und der damit verbundenen Bewegung des Treibspiegels 10 von der Ausgangsposition in die Endposition das sich vergrößernde Volumen im Bereich der inneren Reaktionskammer 7b auch mit Löschmittel 9 nachgefüllt wird. Durch die Bewegung des Treibspiegels 10 von der Ausgangsposition in die Endposition wird Löschmittel 9 in der Stauchkammer 18 zusammengepresst und durch den Kanal in Richtung des Bereichs der Reaktionskammer 7 und hier direkt auf den Trennbereich 6 gespritzt. Auf diese Weise kann ein Lichtbogen zwischen den getrennten Teilen des Trennbereichs 6 zusätzlich gedämpft bzw. gelöscht werden.
• Der zentrale Kanal kann vor der inneren Reaktionskammer 7b bzw. vor dem Trennbereich 6 düsenartig verengt sein, um zum einen ausreichend gut Löschmittel 9 aus dem Stauchbereich 19 in die Brennkammer 17 durchzulassen, zum anderen die vom Minidetonator bzw. Antrieb 16 generierte Stoßwelle Richtung Stauchbereich 19 so abzuschwächen, dass der Stauchbereich nach der Zündung des Minidetonators bzw. Antriebs 16 nicht zu stark belastet oder gar vorgeschädigt wird.
• Weiterhin sind in dem Unterbrechungsschaltglied 1 Dichtelemente 23 zur Abdichtung der verschiedenen Kammern 7 und 18 gegenüber dem Austritt von Löschmittel 9 und zur Abdichtung der verschiedenen Komponenten untereinander vorgesehen.
• Das Unterbrechungsschaltglied 1 nach 1 ist prinzipiell genauso aufgebaut wie das in 5 gezeigte Unterbrechungsschaltglied der DE 10 2016 124 176 A1 .
• Der Hauptstrompfad verläuft im erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltglied 1 nach 1 in der Kontakteinheit 3 vom ersten Anschlusskontakt 4 über den anschließenden Stauchbereich 19, den Bereich unterhalb des Flanschs 14 bzw. des Treibspiegels 10, den Trennbereich 6 bis hin zum zweiten Anschlusskontakt 5.
• Zusätzlich weist das Unterbrechungsschaltglied 1 nach 1 eine sogenannte Feldliniensteuerung auf. Die Feldliniensteuerung umfasst eine Beschichtung 8 eines elektrisch leitenden Materials, die auf den Treibspiegel 10 aufgebracht ist. Vorzugsweise wird das Material des Treibspiegels 10 dadurch geschützt, dass direkt auf der Oberfläche des Treibspiegels eine Schutzschicht 11a vorliegt, auf der die Beschichtung 8 aufgebracht ist. Weiterhin ist Bestandteil der Feldliniensteuerung ein Leitblech 12, das elektrisch leitend ist. Das Leitblech 12 ist vorzugsweise an der Innenwand des Gehäuses 2 aufgebracht. Das Leitblech 12 kann beispielsweise aus Kupfer sein. Die Feldliniensteuerung gewährleistet, dass ein Nebenschlussstrompfad in der Kontakteinheit 3 vom ersten Anschlusskontakt 4 über den anschließenden Stauchbereich 19 und den Bereich unterhalb des Flanschs 14 bzw. des Treibspiegels 10 über die Beschichtung 8 auf dem Treibspiegel 10, von der Beschichtung auf das Leitblech 12 und von dort zum Gehäuse 2 verlaufen kann, das mit dem zweiten Anschlusskontakt 5 verbunden ist. Das Leitblech 12 ist somit in der Lage, den Lichtbogen aufzunehmen und den Strom direkt an das elektrisch leitende Gehäusematerial weiterzuleiten, und verhindert zudem, dass an der Stelle, an der der Lichtbogen ohne Leitblech 12 einfahren würde, das Material des Gehäuses 2 nicht geschwächt bzw. gekerbt wird. Auf diese Weise kann das Gehäuse dem Innendruck standhalten und zerreißt an dieser Stelle nicht. Die Beschichtung 8 ist als leitende Schicht auf dem Treibspiegel 10 ausgebildet, der selbst vorzugsweise aus einem nicht leitenden Material besteht. Die Schutzschicht 11a für den Treibspiegel 10 ist vorzugsweise als keramische Schicht ausgebildet. Das Isolatorelement 22 gewährleistet, dass der erste Anschlusskontakt 4 nicht mit dem Gehäuse 2 verbunden ist. Die Beschichtung 8 verbindet in der Leitstellung des Unterbrechungsschaltglieds 1 die Kontakteinheit 3 mit dem Gehäuse 2 elektrisch, d.h. der Nebenschlussstrompfad ist in der Leitstellung geschlossen. Die Beschichtung ist hier ein verdampfbares Material, das bei Erhöhung der Spannung über die Betriebsspannung verdampft wird. Das Unterbrechungsschaltglied 1 kann auch einen elektrisch nicht leitenden Schirm 13 aufweisen, der das Gehäuse 2 innen abschirmt. Der elektrisch nicht leitende Schirm 13 ist vorzugsweise benachbart zu dem Leitblech 12 an der Innenwand des Gehäuses 2 angeordnet. Der elektrisch nicht leitende Schirm 13 verändert die elektrischen Feldlinien nach dem Aufreißen des Trennbereichs 6, so dass der Lichtbogen hier nicht direkt in das Material des Gehäuses 2 einschlagen kann. Auch dieser elektrisch nicht leitende Schirm 13 kann zusätzlich mit einer Schutzschicht (nicht gezeigt) beschichtet sein, die ebenso eine keramische Schutzschicht sein kann. Auf diese Weise kann der in der Regel als Kunststoffmaterial ausgebildete Schirm 13 vor dem Lichtbogen geschützt werden.
• Im Einzelfall können der elektrisch nicht leitende Schirm 13 und die elektrisch leitende Beschichtung 8 dann entfallen, wenn die Dimensionen der Baugruppe so klein sind, dass sich der Lichtbogen auch ohne diese Teile seinen Weg vom ersten Anschlusskontakt zum Leitblech 12 und damit zum Gehäuse 2 sucht. Beispielsweise ist das bei einem Innendurchmesser des Gehäuses von 26 mm der Fall. Der Lichtbogen kann hier auch dadurch unterstützt werden, dass das Leitblech 12 scharfkantig ausgeführt wird, so dass hier die Feldliniendichte besonders hoch und für den Lichtbogen damit besonders "verlockend" ist.
• Es können auch weitere Wände der äußeren oder inneren Reaktionskammern 7a/7b mit einer Schutzschicht versehen sein, die vorzugsweise eine keramische Schutzschicht ist. Beispielhaft ist in dem Unterbrechungsschaltglied 1 der 1 eine Schutzschicht 11b auf der dem Treibspiegel 10 gegenüberliegenden Seite der Kontakteinheit 3 aufgebracht, damit dieser Bereich nicht zum Einfahren eines Lichtbogens zur Verfügung steht. Auch der der Reaktionskammer zugewandte Teil des ersten Anschlusskontakts kann beschichtet werden, um auch hier keinen guten Übergangswiderstand für den Stromfluss nach dem Trennen in Richtung des zweiten Anschlusskontakts zur Verfügung zu stellen (nicht gezeichnet).
• Wie in 2, dem Unterbrechungsschaltglied 1 der 1 in der Trennstellung, gezeigt ist, kann auf diese Weise eine Trennstrecke t₂ in dem Nebenschlussstrompfad entstehen, die bei erhöhter Spannung durch einen Lichtbogen überbrückt werden kann, aber den Stromfluss bei Absinken der Spannung auf die Betriebsspannung verhindert. Die Trennstrecke t₂ ist hier die Strecke zwischen der Beschichtung 8 auf dem Treibspiegel 10 und dem Leitblech 12 an der inneren Wand des Gehäuses 2. Bei einer Auslösung des Antriebs 16 wird der Trennbereich 6 aufgerissen oder aufgetrennt. Gleichzeitig wird durch den beispielsweise pyrotechnisch ausgebildeten Antrieb 16 eine Druck- oder gar Stoßwelle erzeugt, die den Treibspiegel 10 druckbeaufschlagt. Auf diese Weise wird der Treibspiegel 10 in Richtung des ersten Anschlusskontakts 4 geschoben. Dabei faltet sich der Stauchbereich 19 auf. Die damit verbundene Verkleinerung des Volumens der Stauchkammer 18 bewirkt die Strömung des Löschmittels 9 aus der Stauchkammer 18 über den Kanal in Richtung der Reaktionskammer 7a/7b. Die Bildung eines Lichtbogens bei den Trennstrecken t₁ und/oder t₂ bewirkt zusätzlich durch Verdampfung des Löschmittels eine Druckerhöhung, so dass der Treibspiegel vollständig in die in 2 gezeigte Endposition geschoben wird. Auf diese Weise kommt es zu einem maximalen Abstand zwischen den beiden getrennten Enden des Trennbereichs 6. Die Trennstrecke t₁ wird hier gebildet, indem der Treibspiegel 10 in Richtung des ersten Anschlusskontakts 4 geschoben wird, wobei der Trennbereich 6 aufreißt. Die Trennstrecke t₁ ist hier der Abstand zwischen den beiden aufgetrennten Enden des Trennbereichs 6.
• In dem Unterbrechungsschaltglied 1 der 2 bleibt bei Verschieben des Treibspiegels 10 in Richtung des Stauchbereichs 19 das Leitblech 12 ortsfest. Alternativ dazu kann das Leitblech 12 aber auch zusammen mit dem Treibspiegel 10 mit bewegt werden. Auf diese Weise entsteht die Trennstrecke t₂ nach Verdampfen der Beschichtung 8 zwischen dem Kontaktrohr 3 und dem Leitblech 12.
• Das Unterbrechungsschaltglied 1 der 3 ist im Wesentlichen identisch zu dem Unterbrechungsschaltglied 1 der 1, weist aber zusätzlich einen Kollektor 17 außen am Gehäuse 2 des Unterbrechungsschaltglieds 1 auf der Seite des zweiten Anschlusskontaktes 5 auf, der sich vorzugsweise über den Bereich der Reaktionskammern 7a/7b erstreckt. Der Kollektor 17 weist die weiter oben genannten Vorteile auf.
• Das Unterbrechungsschaltglied 1 der 4 ist bis auf Folgendes identisch zu dem Unterbrechungsschaltglied der 1:
  Die Beschichtung 8 auf dem Treibspiegel 10 ist so ausgebildet, dass zwei Trennstrecken t₂ und t₃ gebildet sind. Die Trennstrecken unterbrechen den Nebenschlussstrompfad in der Leitstellung des Unterbrechungsschaltglieds 1, da hier nur die Betriebsspannung anliegt, die zur Bildung eines Lichtbogens durch das Löschmittel nicht ausreicht. Die Trennstrecke t₂ wird zwischen dem äußeren Ende der Beschichtung 8 und dem Gehäuse 2 gebildet, indem an dieser Stelle am Treibspiegel 10 keine Beschichtung 8 mit elektrisch leitendem Material vorliegt. Die Trennstrecke t₃ wird zwischen dem kontaktrohrseitigen Ende der Beschichtung 8 und dem Kontaktrohr 3 gebildet, indem an dieser Stelle am Treibspiegel 10 keine Beschichtung 8 mit elektrisch leitendem Material vorliegt. Bei Erhöhung der Spannung beim Auftrennen des Trennbereichs durch die Wirkung des zusammenbrechenden starken Magnetfeldes der äußeren Kreisinduktivität können die Trennstrecken t₂ und t₃ durch Lichtbögen überbrückt werden, so dass der Nebenschlussstrompfad geschlossen und elektrische Energie durch den elektrischen Widerstand des elektrisch leitenden Gehäuses 2 in thermische Energie umgewandelt wird. In einer nicht gezeigten erfindungsgemäßen Ausführungsform kann auch nur eine der beiden Tennstrecken t₂ oder t₃ vorliegen. Eine Schutzschicht unter der Beschichtung kann hier auch vorliegen, ist jedoch in 4 nicht gezeigt. Die Schutzschicht kann entfallen, wenn der Treibspiegel aus Keramik hergestellt ist. Wie oben bereits erwähnt, können bei kleinen Geometrien der Baugruppe bzw. kleinem Innendurchmesser des Gehäuses 2 auch die Beschichtung 8 und der elektrisch nicht leitende Schirm 13 entfallen.
• Die 5 (links) zeigt einen Treibspiegel 10 – wie er in den Unterbrechungsschaltgliedern 1 der 1 bis 4 verwendet wird – im Querschnitt. Hier ist die Beschichtung 8 nur als zwei dünne bandförmige Beschichtungen des elektrisch leitenden Materials auf dem Treibspiegel 10 vorgesehen. Es ist erfindungsgemäß aber auch denkbar, dass die gesamte Querschnittsfläche des Treibspiegels mit der Beschichtung 8 versehen oder auch nur eine bandförmige Beschichtung aufgebracht ist. Der Treibspiegel kann aber auch drei, vier oder mehr bandförmige Beschichtungen wie in 5 gezeigt aufweisen. Die 5 (rechts) zeigt den Treibspiegel 10 in seiner Seitenansicht, wie auch in den Unterbrechungsschaltgliedern 1 der 1 bis 4 zu sehen ist. Wie oben bereits erwähnt, kann bei kleinen Geometrien der Baugruppe bzw. kleinem Innendurchmesser des Gehäuses 2 auch die Beschichtung 8 entfallen, der Lichtbogen wird sich hier direkt über die Oberfläche des Treibspiegels das Leitblech 12 "suchen".
• Die 6 zeigt einen Schaltkreis, in dem das gezeigte Unterbrechungsschaltglied 1 ein erfindungsgemäßes Unterbrechungsschaltglied sein soll. Hier ist parallel zu dem Strompfad durch das Unterbrechungsschaltglied 1 an die Anschlusskontakte 4 und 5 ein Komparator 25 angeschlossen, dessen Aufgaben auch eine Steuerelektronik übernehmen kann. In einem weiteren Strompfad ist parallel zu dem Strompfad durch das Unterbrechungsschaltglied 1 eine Sicherung 26 geschaltet. Der letztgenannte Strompfad ist ebenso an die Anschlusskontakte 4 und 5 angeschlossen. In dem Strompfad zwischen der Sicherung 26 und dem Anschlusskontakt 5 ist ein Schalter S vorgesehen. Über den Komparator 25 wird die Spannung über das Unterbrechungsschaltglied 1 gemessen, und bei einer hier zu hohen gemessenen Spannung, d.h. bei einem zu hohen Laststrom I wird zunächst der Schalter S, der als normaler Schalter, als Relaiskontakt oder als pyrotechnische Baugruppe ausgebildet sein kann, geschlossen, und erst nach dem sicheren Schluss wird dann das Unterbrechungsschaltglied 1 von der Leitstellung in die Trennstellung geschaltet, und somit auch hier der Strompfad geschlossen.
• Die Vorteile des in 6 gezeigten Schaltkreises liegen darin, dass im Normalbetrieb Strom über das Unterbrechungsschaltglied 1 mit seinem extrem kleinen Einschleifwiderstand von zum Beispiel nur ca. 50 µΩ fließt, und erst bei einem zu schaltenden Überlastfall wird die Sicherung 26 über den Schalter S zugeschaltet. Der Vorteil liegt darin, dass das Unterbrechungsschaltglied einen wesentlich geringeren Widerstand als die Sicherung 26 selbst aufweist. Weiterhin hat der Schaltkreis den Vorteil, dass die Sicherung im Normalbetrieb nicht belastet wird und somit nicht altert. Im Überlastfall liegt die Sicherung 26 somit nahezu neu vor und deren Funktionsweise ist dadurch in erhöhtem Maße sichergestellt. Ein weiterer Vorteil ist, dass der Schalter S bei der am Unterbrechungsschaltglied 1 trotz des hohen Überlaststroms sehr kleinen abfallenden Spannung und des zusätzlich noch sehr kleinen Nebenschlussstroms zum Unterbrechungsschaltglied 1 schalten muss, also als sehr kleines Bauteil ausgeführt werden kann und den Überlaststrom über die Sicherung 26 erst nach dem Zünden des Unterbrechungsschaltglieds 1 im geschlossenen Zustand bis zum Unterbrechen des Stromkreises durch die Sicherung übertragen bzw. aushalten muss.
• Die 7 zeigt einen Schaltkreis mit einem erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltglied 1, wobei der Strompfad in dem Unterbrechungsschaltglied 1 von dem ersten Anschlusskontakt 4 zu dem zweiten Anschlusskontakt 5 führt. Parallel dazu ist außerhalb des Unterbrechungsschaltglieds eine Zündelektronik 25 angeordnet. Weiterhin weist der Schaltkreis einen Schalter S im Betriebsstromkreis nach dem zweiten Anschlusskontakt 5 auf. Der Schalter S kann auch der Betriebsschalter des Betriebsstromkreises sein. Die Zündelektronik 25 kann den Strom I im Betriebsstromkreis messen und zündet bei Überstrom aktiv das Unterbrechungsschaltglied 1, das dann durch Übergang von der Leitstellung in die Trennstellung dem Betriebsstromkreis unterbricht (Schalten des Unterbrechungsschaltglieds). Das Unterbrechungsschaltglied 1 braucht eine bestimmte Zeit zum Schalten, d.h. bis zu dem Zeitpunkt, an dem der Lichtbogen im Unterbrechungsschaltglied 1 erlischt. Diese Zeit wird Abschaltzeit genannt. Die Zündelektronik 25 ist so programmiert, dass der Schalter S in einer Zeitspanne von direkt nach der Abschaltzeit des Unterbrechungsschaltglieds bis zur 1–3 fachen Abschaltzeit nach dem Schalten geöffnet wird. Alternativ zur Regelung des Unterbrechungsschaltglieds 1 und des Schalters S durch eine Zündelektronik kann das jeweilige Schalten auch ohne Elektronik, d.h. durch Steuerung erfolgen.
• Der Schalter S kann auch vor dem Kontakt 1 oder sonst irgendwo im Stromkreis angeordnet sein, solange der Strom durch S auch durch das Unterbrechungsschaltglied 1 fließt.
• Der in 7 gezeigte Schaltkreis hat den Vorteil, dass der Schalter S im angegebenen Zeitfenster nur sehr wenig Strom und bei nur weniger als der Betriebsspannung beim Öffnen schalten können muss, also bei Verhältnissen geschaltet wird, die er als Betriebsschalter ohnehin stets hätte schalten können müssen. Kommt es aus irgendeinem Grund nicht zur erwünschten hohen bzw. guten Isolationswirkung im Unterbrechungsschaltglied 1 nach dem Schalten des Unterbrechungsschaltglieds, so kann durch das zusätzliche Betätigen des Schalters S der Betriebsstrom nach dem Trennvorgang im Unterbrechungsschaltglied sicher, dauerhaft und völlig abgeschaltet werden.
• Ausführungsbeispiele:
• Beispiel 1:
• An ein erfindungsgemäßes Unterbrechungsschaltglied gemäß der 1 wird ein Gleichstrom von bis zu 30 kA und mit einer Spannung von bis zu 900 V angeschlossen. Das erfindungsgemäße Unterbrechungsschaltglied hat die folgenden Dimensionen: Länge des Gehäuses 52 mm, Durchmesser des Gehäuses 32 mm. Das Gehäuse ist aus Stahl. Innerhalb der inneren Reaktionskammer 7 ist ein Minidetonator mit 30 mg ZPP, 30mg Silberazid und für einige Zwecke mit zusätzlich 40 mg Oktogen (RDX) vorgesehen. Das Löschmittel innerhalb der Reaktionskammern 7a/b und der Stauchkammer 18 ist ein Gemisch aus Silikonöl und hochdisperser Kieselsäure (HDK) (40 cm³ Öl auf 2 g HDK). Die elektrisch leitende Beschichtung auf dem Treibspiegel ist an zwei Stellen als 3 mm breite und 30 µm dicke Schicht als Aluminium-Selbstklebeband ausgebildet; diese leitfähige Schicht hat je einen Abstand von 1mm zum Verbindungselement und zum Gehäuse (Sollfunkenstrecke). Die Kontakteinheit ist zylindrisch ausgeformt und besteht aus Kupfer. Der Trennbereich hat einen Innendurchmesser von 6 mm und einen Außendurchmesser von 7,6 mm. Die komplette Länge der Kontakteinheit inklusive der Anschlusskontakte beträgt 85 mm. Ansonsten sind die Abmessungen in der Relation, wie in 1 gezeigt. Nach Zünden des Minidetonators wird der Trennbereich vollständig aufgerissen, ein Teil des Löschfluids verdampft, gleich danach bildet sich ein Lichtbogen zwischen Kontakt 1 und Kontakt 2 aus. Der Treibspiegel bewegt sich Richtung Kontakt 1 und bereits nach kurzer Wegstrecke bildet sich mindestens ein zweiter Lichtbogen über die Aluminiumschicht auf dem Treibspiegel. Das Aluminium verdampft, wird ionisiert und leitet damit den Strom über den hier entstandenen Lichtbogen weiter. Beide Lichtbögen werden durch Energieentnahme ausgehungert, bis beide endlich erlöschen. Die äußere Kreisinduktivität sollte hierbei so klein sein, dass die Lichtbögen im Gehäuse erloschen sind, kurz bevor der Stauchbereich vollständig zusammengepresst wurde. Bei 450V Betriebsspannung sind das etwa maximal 70µH, bei 900V Betriebsspannung etwa maximal 35µH bezogen auf einen zu trennenden maximalen Gleichstrom von 30kA. Soll Wechselstrom geschaltet werden, sind die Verhältnisse deutlich besser, weil es hier stets beim Nulldurchgang des Stroms zu einem Erlöschen des Lichtbogens kommt, dieser also nicht stabil stehen bleibt.
• Nach Öffnen des Gehäuses des verwendeten Unterbrechungsschaltglieds kann festgestellt werden, dass zur Sicherstellung des Isolationswiderstandes in der Reaktionskammer noch flüssiges bis silikonölfeuchtes Löschmittel vorliegt. Je nach Belastung der Baugruppe werden so bis 18 kA bei 450 V Betriebsspannung Isolationswiderstände von größer 100 GOhm bei 500 V Prüfspannung erreicht, bei 23 kA sind es noch größer 10 MOhm, bei 27 kA sind es jedoch nur noch 100 kOhm bis 300 kOhm.
• Vergleichsbeispiel 1:
• Es wird der gleiche Versuch wie in Beispiel 1 durchgeführt, mit dem Unterschied, dass ein ansonsten gleich aufgebautes Unterbrechungsschaltglied verwendet wird, das jedoch kein Leitblech hat und dessen Gehäuseinnenwand durch eine Innenisolation geschützt ist.
• Nach Öffnen des Gehäuses des hier verwendeten Unterbrechungsschaltglieds kann festgestellt werden, dass bei gleich großer Strombelastung beim Trennvorgang kein flüssiges oder silikonfeuchtes Löschmittel mehr in der Reaktionskammer vorhanden und dieses sehr gut elektrisch leitfähig geworden ist. Eine Sicherstellung des Isolationswiderstandes kann mit einem solchen Unterbrechungsschaltglied daher bei hohen Belastungen durch das Trennen sehr hoher Überlastströme bei hohen Betriebsspannungen nicht in gleichem Maße gewährleistet werden wie bei Verwendung eines erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltglieds nach Beispiel 1.
• Bezugszeichenliste

1

Unterbrechungsschaltglied

2

Gehäuse

3

Kontakteinheit

4

erster Anschlusskontakt

5

zweiter Anschlusskontakt

6

Trennbereich

7a

äußere Reaktionskammer

7b

innere Reaktionskammer

8

Beschichtung/elektrisch leitendes Material

9

Löschmittel

10

Treibspiegel

11a

Schutzschicht

11b

Schutzschicht

12

Leitblech

13

elektrisch nicht leitender Schirm

14

Flansch

15

Flansch

16

Antrieb

17

Kollektor

18

Stauchkammer

19

Stauchbereich

22

Isolatorelement

23

Dichtelement (O-Ring)

25

Komparator

26

Sicherung

S

Schalter

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• DE 102014107853 A1 [0020]
• DE 102014110825 A1 [0020]
• DE 202015100525 U1 [0020]
• DE 102015112141 A1 [0020]
• DE 102015114279 A1 [0020]
• DE 102015114894 A1 [0020]
• DE 102016124176 A1 [0020, 0067]
• DE 102017123021 A1 [0020]

Claims (12)

1. Unterbrechungsschaltglied (1), insbesondere zum Unterbrechen von hohen Gleichströmen bei hohen Spannungen, (a) das von einer Leitstellung in eine Trennstellung überführt werden kann, und (b) das ein Gehäuse (2), eine innerhalb des Gehäuses (2) angeordnete Reaktionskammer (7a, b) und eine den Hauptstrompfad durch das Unterbrechungsschaltglied (1) definierende Kontakteinheit (3) aufweist, wobei das Gehäuse (2) die Kontakteinheit (3) umgreift, (c) wobei die Kontakteinheit (3) einen ersten (4) und einen zweiten (5) Anschlusskontakt und einen Trennbereich (6), der in der Leitstellung des Unterbrechungsschaltglieds (1) eine elektrische Verbindung zwischen dem ersten Anschlusskontakt (4) und dem zweiten Anschlusskontakt (5) herstellt, aufweist, (d) wobei der Trennbereich (6) innerhalb der Reaktionskammer (7a, b), die mit einem Löschmittel (9) gefüllt ist, angeordnet ist, (e) wobei der Trennbereich (6) so ausgebildet ist, dass, wenn das Unterbrechungsschaltglied (1) von der Leitstellung in die Trennstellung überführt wird, der Hauptstrompfad zwischen dem ersten Anschlusskontakt (4) und dem zweiten Anschlusskontakt (5) derart unterbrochen ist, dass zwei aufgetrennte Enden des Trennbereichs (6) eine Trennstrecke t₁ voneinander entfernt sind, die sich innerhalb des Löschmittels (9) befindet, dadurch gekennzeichnet, dass (f) das Unterbrechungsschaltglied (1) einen Nebenschlussstrompfad parallel zu dem Hauptstrompfad aufweist, der bei Auftreten einer Überspannung beim Übergang von der Leitstellung in die Trennstellung in der Lage ist, einen Nebenschlussstromfluss zwischen dem ersten (4) und dem zweiten (5) Anschlusskontakt zu erzeugen, der in einem Nebenschlusswiderstand einen Teil der elektrischen Energie in thermische Energie umwandelt, wobei der Nebenschlusswiderstand durch den Bereich des Gehäuses gebildet wird, durch das der Nebenschlussstrom fließt.
2. Unterbrechungsschaltglied (1) nach Anspruch 1, worin der Nebenschlussstrompfad in der Leitstellung geschlossen oder unterbrochen vorliegt.
3. Unterbrechungsschaltglied (1) nach Anspruch 1 oder 2, worin in der Trennstellung des Unterbrechungsschaltglieds innerhalb des Gehäuses eine Unterbrechung des Nebenschlussstrompfads mit einer Trennstrecke t₂ vorgesehen ist, die bei Auftreten der Überspannung durch einen Lichtbogen überbrückt wird.
4. Unterbrechungsschaltglied (1) nach Anspruch 3, worin die Trennstrecke t₂ sich innerhalb eines Löschmittels befindet.
5. Unterbrechungsschaltglied (1) nach Anspruch 4, worin das Löschmittel (9), in dem sich die Trennstrecke t₂ befindet, das gleiche Löschmittel (9) ist, in dem sich die Trennstrecke t₁ befindet.
6. Unterbrechungsschaltglied (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, worin die Trennstrecken t₁ und t₂ in der Trennstellung innerhalb desselben Volumens angeordnet sind, das mit dem Löschmittel (9) gefüllt ist.
7. Unterbrechungsschaltglied (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, worin die Trennstrecke t₂ sich zwischen der inneren Wand des Gehäuses und einem elektrisch leitenden Material im Inneren des Unterbrechungsschaltglieds befindet, das in Form einer Beschichtung auf einem isolierenden Element des Unterbrechungsschaltglieds vorliegt.
8. Unterbrechungsschaltglied (1) nach Anspruch 7, worin – insbesondere wenn der Nebenschlussstrompfad in der Leitstellung geschlossen vorliegt – das elektrisch leitende Material (8) ein Material ist, das bei elektrischer Verbindung der beiden Anschlusskontakte (4, 5) durch den Nebenschlussstrompfad in der Trennstellung des Unterbrechungsschaltglieds zumindest teilweise verdampft, wodurch die Trennstrecke t₂ entsteht.
9. Unterbrechungsschaltglied (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, worin der Nebenschlussstrompfad über das Gehäuse (2) und der Hauptstrompfad in einem vom Gehäuse (2) beabstandeten Strompfad verläuft.
10. Unterbrechungsschaltglied (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, worin die Kontakteinheit (3) einen Treibspiegel (10) aufweist oder mit einem Treibspiegel (10) in Verbindung steht, der derart ausgestaltet ist, dass er durch einen beaufschlagenden Druck von einer Ausgangposition in eine Endposition bewegbar ist, wobei in der Endposition des Treibspiegels (10) der Trennbereich (6) getrennt und die Trennstrecke t₁ gebildet ist.
11. Unterbrechungsschaltglied (1) nach Anspruch 10, worin der Treibspiegel benachbart zum Gehäuse angeordnet ist, und worin der Treibspiegel das elektrisch isolierende Element ist, auf dem die Beschichtung des elektrisch leitenden Materials vorliegt.
12. Unterbrechungsschaltglied (1) nach einem der vorgehenden Ansprüche, worin in der Reaktionskammer (7a, b) an der Gehäuseinnenwand ein Leitblech (12) so angeordnet ist, dass es den nach der Trennung entstehenden Lichtbogen auf sich lenkt und gleichzeitig die Innenwandung des Gehäuses vor örtlichen Aufschmelzungen durch den oder die Fußpunkte des oder der Lichtbögen schützt.

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