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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schnelltrennschalter mit bewegbarem oder verformbarem Trennelement (wirkelementbasierter Schnelltrennschalter) zur Trennung eines Trennbereichs gemäß den Merkmalen des Schutzanspruchs 1, der in der Lage ist, hohe elektrische Ströme auch bei hohen Spannungen sicher und dauerhaft zu trennen, ohne dabei Nachteile von herkömmlichen Schnelltrennschaltern - wie bspw. eine Gasentwicklung nach außen, oder das Vorliegen einer zu kurzen Trennstrecke (mit dadurch erleichterter Lichtbogenüberbrückung), - zu zeigen.
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Derzeitige wirkelementbasierte Schnelltrennschalter sind meist einfach aufgebaute Vorrichtungen mit nur einem einfach aufgebrochenen Leitungselement bzw. einer Kontakteinheit, da sie oft nur zur Trennung von Strömen bei relativ geringen Spannungen eingesetzt werden (unter 100 V). Werden solche Schnelltrennschalter bei höheren Spannungen ab 100 V und Strömen bis 30 kA (bspw. zur Abschaltung von Stromkreisen in Elektroautos) eingesetzt, kann es zur unerwünschten Lichtbogenbildung zwischen den zwei getrennten elektrischen Kontakten kommen. Dabei entstehen oft unerwünschte Gase, die aus dem Schnelltrennschalter entweichen müssen, da der Lichtbogen nicht gelöscht wird, bevor sämtliche in der Kreisinduktivität gespeicherte Energie durch den Lichtbogen verzehrt ist. Aus diesem Grund können herkömmliche Schnelltrennschalter entweder nicht für diese Anwendungen eingesetzt werden oder die genannten Nachteile müssen bewusst in Kauf genommen werden.
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Die genannten Schnelltrennschalter werden in der Regel für Anwendungen eingesetzt, bei denen eine relativ lange Öffnungszeit von der Ansteuerung des Schnelltrennschalters bis hin zur Trennung des Trennbereichs im Schnelltrennschalter in Kauf genommen werden kann. Übliche Öffnungszeiten bei solchen Anwendungen liegen im Bereich von Millisekunden, insbesondere im Bereich von 500 µs bis 600 µs. Sind kürzere Öffnungszeiten, bspw. im Bereich von 20 µs bis 80 µs, erforderlich, eignen sich die wirkelementbasierten Schnelltrennschalter nicht. In diesem Fall müssen aktiv auslösbare Unterbrechungsschaltglieder eingesetzt werden, wie sie beispielsweise in der
DE 10 2016 124 176 A1 beschrieben sind, die jedoch wesentlich aufwändiger in der Herstellung und somit kostspieliger sind.
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Es war deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen kostengünstig herstellbaren Schnelltrennschalter bereitzustellen, der bei Anwendungen einsetzbar ist, bei denen Öffnungszeiten im Millisekundenbereich toleriert werden können, aber dennoch in der Lage ist, Ströme bis 30 kA bei Spannungen ab 100 V - wie sie in Stromkreisen von Elektroautos vorkommen - sicher und dauerhaft zu trennen, ohne dabei die genannten Nachteile von herkömmlichen wirkelementbasierten Schnelltrennschaltern aufzuweisen, insbesondere ohne dabei eine unerwünschte Gasentwicklung zu zeigen. Weiterhin soll eine deutliche Vergrößerung der Trennstrecke des Verbindungselements bzw. der Kontakteinheit ermöglicht werden.
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Dazu stellt die vorliegende Erfindung einen Schnelltrennschalter, insbesondere zum Trennen von Strömen bei hohen Spannungen, mit einem Gehäuse bereit, das eine den Strompfad durch den Schnelltrennschalter definierende Kontakteinheit umgreift, wobei die Kontakteinheit einen ersten und einen zweiten Anschlusskontakt, einen Treibspiegel und einen Trennbereich aufweist, wobei der Treibspiegel eine Trennkammer im Inneren des Gehäuses zumindest teilweise begrenzt, in der der Trennbereich und ein bewegbares oder verformbares Trennelement angeordnet ist, wobei die Trennkammer derart mit einem verdampfbaren Medium gefüllt ist, dass der Trennbereich mit dem verdampfbaren Medium in Kontakt steht, wobei der Treibspiegel, der Trennbereich, das bewegbare oder verformbare Trennelement und das verdampfbare Medium so ausgebildet sind, dass der Trennbereich durch eine Bewegung oder Verformung des Trennelements in mindestens zwei Teile auftrennbar ist, wobei ein zwischen den zwei Teilen des Trennbereichs entstehender Lichtbogen das verdampfbare Medium 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.
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Durch das Vergrößern des Isolationsabstands durch Bewegung des Treibspiegels ist es möglich, einen Schnelltrennschalter bereitzustellen, der auch bei Strömen bis 30 kA und Spannungen ab 100 V Ströme noch sicher und dauerhaft trennen kann.
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In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schnelltrennschalters ist es bevorzugt, dass dieser einen dritten Anschlusskontakt aufweist, der in der Ausgangsposition des Treibspiegels weder mit dem ersten Anschlusskontakt noch mit dem zweiten Anschlusskontakt elektrisch verbunden ist, jedoch in der Endposition des Treibspiegels mit einem der beiden ersten und zweiten Anschlusskontakte elektrisch verbunden ist. Der dritte Anschlusskontakt ist elektrisch von der Außenseite des Gehäuses zugänglich. Er befindet sich vorzugsweise auf der gleichen Seite des ersten Anschlusskontakts der Kontakteinheit, in dessen Richtung der Treibspiegel im Inneren des Gehäuses geschoben wird. Der dritte Anschlusskontakt ist vorzugsweise als ein von dem Gehäuse geführter elektrisch leitender Stab ausgeführt, der in das Innere des Gehäuses reicht. Wird der Treibspiegel in seine Endposition bewegt, so kommt es zur Berührung des Treibspiegels mit dem elektrisch leitenden Stab des dritten Anschlusskontakts, und somit zur elektrischen Verbindung des ersten Anschlusskontakts mit dem dritten Anschlusskontakt. Der dritte Anschlusskontakt wird erfindungsgemäß auch als Bypass-Elektrode bezeichnet. Eine solche Bypass-Elektrode kann beispielsweise als Kontrolle für die Auslösung des Schnelltrennschalters dienen. Alternativ kann die Bypass-Elektrode aber auch folgenden Vorteil mit sich bringen: Ist in einem Schaltkreis der zweite Anschlusskontakt direkt mit der einen Polarität einer Stromquelle, der erste Anschlusskontakt vor der Last mit der anderen Polarität der Stromquelle und der dritte Anschlusskontakt hinter der Last mit der anderen Polarität der Stromquelle verbunden, so kann bei Schalten des Schnelltrennschalters sowohl die Kapazität, als auch die Induktivität des Lastkreises entladen werden. Zudem wird im Falle der Bildung eines Lichtbogens zwischen dem ersten und dem zweiten Anschlusskontakt die aus der Stromquelle gezogene Energie mit über den dritten Anschlusskontakt verteilt, so dass es ab dem Zeitpunkt der Kontaktierung des dritten Anschlusskontakts mit dem ersten Anschlusskontakt (es brennt ja zu diesem Zeitpunkt noch der Lichtbogen zwischen dem ersten und dem zweiten, mechanisch bereits getrennten Anschlusskontakt) zu einer Stromverteilung kommt, die den Lichtbogen stark stört und als Folge schnell erlöschen lässt. Auf diese Weise geht weniger Energie ins verdampfbare Medium über, und es steht nach erfolgter Trennung bzw. nach dem Verlöschen des Lichtbogens mehr verdampfbares Medium in fester oder flüssiger Form für die Isolation zwischen dem ersten und dem zweiten Anschlusskontakt zur Verfügung.
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In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schnelltrennschalters ist es bevorzugt, dass die Trennkammer nicht vollständig mit verdampfbarem Medium gefüllt ist. Dennoch muss die Bedingung erfüllt sein, dass der Trennbereich mit dem verdampfbaren Medium in Kontakt steht, da sonst nicht unbedingt gewährleistet ist, dass der Lichtbogen das verdampfbare Medium verdampfen kann. Diese unvollständige Füllung der Trennkammer mit dem verdampfbaren Medium ist vorteilhaft, weil die thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Mediums und der Gehäusematerialien in der Regel stark unterschiedlich sind und so bei Erwärmung der Baugruppe hohe Zwangsspannungen im Gehäuse entstehen könnten. Zudem baut der so vorhandene Gaspuffer die bei der Verdampfung des Mediums anders entstehenden extrem hohen Druckspitzen auf materialmäßig beherrschbare Werte ab.
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Das verdampfbare Medium kann flüssig, gasförmig, gelartig, schaumartig oder mehrfaserig vorliegen. Vorzugsweise geht das verdampfbare Medium bei Erreichen der Siede- oder Verdampfungstemperatur ganz oder teilweise in einen gasförmigen Zustand über, auch kann es teilweise sogar zersetzt werden. Auch ist es bevorzugt, dass das verdampfbare Medium 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 dann unerwünschten Stromfluss besteht. Als flüssiges Medium ist ein Öl, beispielsweise Silikonöl, oder ein Silan, beispielsweise Hexasilan, mit möglichst wenig Kohlenstoffatomanteil bevorzugt. Als Pulver oder Feststoff können bspw. Sande, Borsäure, Boroxide und/oder Salze der Borsäure, jeweils mit oder ohne Vorkonditionierung innerhalb oder außerhalb des erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltglieds bei erhöhten Temperaturen, eingesetzt werden.
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In einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass die Kontakteinheit einen Stauchbereich aufweist, der auf einer dem Trennbereich gegenüberliegenden Seite des Treibspiegels angeordnet ist. Der Stauchbereich kann einen Hohlraum aufweisen. Insbesondere kann der Stauchbereich hohlzylindrisch und im Querschnitt vorzugsweise ringförmig ausgebildet sein. Der Hohlraum ermöglicht ein leichteres Stauchen des Stauchbereichs, als wenn der Stauchbereich massiv stabförmig ausgebildet wäre. Ein ringförmiger Querschnitt begünstigt ein, über den Umfang gesehen, gleichmäßiges Falten der Hohlzylinderwandung während des Stauchvorgangs. Der Hohlraum ist vorzugsweise mit verdampfbarem Medium gefüllt. Vorzugsweise steht der Hohlraum derart mit der Trennkammer in Kontakt, dass bei einer Stauchung des Stauchbereichs verdampfbares Medium aus dem Hohlraum in die Trennkammer abgegeben wird. Dies hat den Vorteil, dass bei der Stauchung des Stauchbereichs das verdampfbare Medium zusätzlich als Löschmittel auf den Lichtbogen gespritzt wird. Dies führt zu einer schnelleren Löschung des Lichtbogens.
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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, vorzugsweise mäanderförmig, gefaltet wird.
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In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schnelltrennschalters ist es bevorzugt, dass der Trennbereich stabförmig ausgebildet ist. Die gerade, stabförmige Ausbildung ermöglicht eine einfache Herstellung der Kontakteinheit und ist somit kostengünstiger als dies bei komplexeren Unterbrechungsschaltgliedern der Fall ist, die bspw. in der
DE 10 2016 124 176 A1 beschrieben sind und bei Anwendungen eingesetzt werden, die eine schnellere Abschaltung des Stroms erfordern.
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In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schnelltrennschalters weist der Trennbereich vorzugsweise eine Sollbruchstelle auf, um die Trennung des Trennbereichs in mindestens zwei Teile durch Bewegung des Kolbenelements zu erleichtern. Die Sollbruchstelle kann in der Form einer Bohrung, einer Nut, eines Teilschnitts oder einer Kerbe vorliegen. Solche Sollbruchstellen reduzieren den zu trennenden Trennbereich, ohne den elektrischen Durchgangswiderstand wesentlich zu erhöhen. Solche Sollbruchstellen dienen auch dazu, die Trennung des Trennbereichs berechenbar zu machen, zu erleichtern und in günstiger Weise zu gestalten. In einer Ausgestaltung ist die Sollbruchstelle derart als Bohrung in dem Trennbereich ausgebildet, dass die Trennkammer mit dem Hohlraum des Stauchbereichs verbunden ist. Auf diese Weise kann bei einer Trennung des Trennbereichs an der Sollbruchstelle gewährleistet werden, dass im Hohlraum befindliches verdampfbares Medium bei der Stauchung des Stauchbereichs in die Trennkammer an der Stelle austritt, an der der Lichtbogen gebildet wird.
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Bohrungen haben den Vorteil, dass durch die Entnahme des Materials Schwächungsstellen gebildet werden, an denen besonders leicht eine Bruchstelle im Material entstehen kann.
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Unter einer Nut als Sollbruchstelle soll hierin eine Schlitzung von bestimmter Tiefe verstanden werden (die im Querschnitt als Sackloch erscheint), die aber im Querschnitt auch eine gleichmäßige Dicke hat. Unter einer Kerbe soll eine Vertiefung verstanden werden, die nahe der Oberfläche des Trennbereichs breiter ist als in größerer Tiefe. Beide sind geeignete Sollbruchstellenelemente. Kerben erlauben es vorteilhaft, ganze Abschnitte des Trennbereichs radial zu verschieben. Wenn nur eine Nut vorgesehen ist, insbesondere eine schmale Nut, kann die radiale Verschiebung durch eine Verkippung und Verkantung erschwert oder behindert werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schnelltrennschalters ist das Trennelement im Wesentlichen senkrecht zur Flussrichtung des elektrischen Stroms in der Kontakteinheit bewegbar oder verformbar, bzw. wirkt aus dieser Richtung auf den Trennbereich. Unter „im Wesentlichen senkrecht“ soll auch eine Abweichung vom 90°-Winkel um bis zu 30° verstanden werden. Die Bewegung oder Verformung des Kolbenelements ist vorzugsweise ansteuerbar, beispielsweise durch Auslösung einer Explosivladung.
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Als Explosivladung wird hier allgemein ein Stoff verstanden, der sich bei einer entsprechenden Aktivierung schnell und stark ausdehnt. Es kommt ein Stoff oder Stoffgemisch infrage, der/das durch inneren Druck das Trennelement in Richtung des Trennbereichs bewegen kann. Dabei können Gase oder Dämpfe erzeugt werden. Zweckmäßig sind hier Nitrozellulosepulver oder Double Base Pulver (diese sind Mischungen aus NC und NGL), aber vor allem die bekannten Zünd- und Anzündstoffe wie ZPP (Zirkonium Potassium Perchlorat), wie sie in handelsüblichen Airbaganzündern verwendet werden oder auch Sprengstoffe wie beispielsweise Silberazid, Hexogen oder Oktogen. Sogenannte Minidetonatoren könnten hier zwar auch verwendet werden, finden jedoch eher in Unterbrechungsschaltgliedern Verwendung, bei denen eine wesentlich schnellere Trennung des Trennbereichs erforderlich ist. Der Vorteil der Verwendung von handelsüblichen Airbaganzündern liegt darin, dass sie kostengünstiger als Minidetonatoren sind und vor allem bereits in der Technik voll eingeführt und qualifiziert sind. Erfindungsgemäß ist es also bevorzugt, dass eine Explosivladung verwendet wird, die von Minidetonatoren verschieden ist.
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Die Aktivierung der Explosivladung erfolgt in der Regel durch einen Anzünder oder einen Zünder. Der Anzünder kann einen Hitzedraht oder Explosionsdraht beinhalten oder auch durch eine elektrische Ladung gezündet werden. Einem Gas kann auch ein fester, oder flüssiger, oder anderer gasförmiger Stoff beigemischt werden, insbesondere ein Oxidationsmittel. Alternativ oder zusätzlich kann eine Explosion auch passiv ausgelöst werden, d. h. durch die bloße Erwärmung eines Explosivstoffes.
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Damit die Kontakteinheit bei Bewegung des Treibspiegels am anschlusskontaktseitigen Ende nicht aus dem Gehäuse geschoben wird, weist sie einen Flansch im Inneren des Gehäuses auf, der direkt an der Innenseite des Gehäuses angrenzt.
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Es ist weiterhin bevorzugt, dass die Kontakteinheit einstückig gefertigt ist, d.h. einstückig vorliegt. In diesem Fall sind alle Bestandteile, wie Anschlusskontakte, Stauchbereich(e), Treibspiegel, Trennbereich und Flansch(e) - sofern vorhanden - aus einem Stück gefertigt. Die Kontakteinheit ist aus einem elektrisch leitenden Material gebildet, vorzugsweise einem Metall, stärker bevorzugt Aluminium oder Kupfer.
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Das bewegbare oder verformbare Trennelement kann entweder ein Kolbenelement oder ein Dehngefäß sein. Das Kolbenelement wird vorzugsweise von dem Gehäuse geführt und kann zur Trennung des Trennbereichs in dessen Richtung bewegt werden. Das Dehngefäß wird vorzugsweise in Richtung des Trennbereichs verformt und führt auf diese Weise zu dessen Trennung. Ein derartiges Dehngefäß ist in der Patentanmeldung mit der Anmeldenummer
EP 19201212.8 beschrieben und kann ebenso in den erfindungsgemäßen Schnelltrennschaltern verwendet werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schnelltrennschalters weist die Kontakteinheit vorzugsweise einen weiteren Treibspiegel auf, der die Trennkammer auf einer dem ersten Treibspiegel gegenüberliegenden Seite begrenzt. Vorzugsweise weist die Kontakteinheit dann einen weiteren Stauchbereich auf, der auf einer dem Trennbereich gegenüberliegenden Seite des weiteren Treibspiegels angeordnet ist. In anderen Worten ist es bevorzugt, dass der Schnelltrennschalter entlang der Achse der Kontakteinheit spiegelsymmetrisch aufgebaut ist. Für den Bereich der Kontakteinheit, der den weiteren Stauchbereich und den weiteren Treibspiegel aufweist, sind die gleichen Ausgestaltungen bevorzugt, wie bei der Ausgestaltung, die nur einen Treibspiegel und einen Stauchbereich aufweist. Auch hier kann ein vierter Anschlusskontakt vorgesehen sein, der ebenso wie der dritte Anschlusskontakt als Bypass-Elektrode fungieren kann, d.h. der vierte Anschlusskontakt ist in der Ausgangsposition des weiteren Treibspiegels weder mit dem ersten Anschlusskontakt noch mit dem zweiten Anschlusskontakt elektrisch verbunden, ist jedoch in der Endposition des weiteren Treibspiegels mit einem der beiden ersten und zweiten Anschlusskontakte elektrisch verbunden. Der vierte Anschlusskontakt ist elektrisch von der Außenseite des Gehäuses zugänglich. Er befindet sich vorzugsweise auf der gleichen Seite des zweiten Anschlusskontakts der Kontakteinheit, in dessen Richtung der weitere Treibspiegel im Inneren des Gehäuses geschoben wird. Der vierte Anschlusskontakt ist vorzugsweise als ein von dem Gehäuse geführter elektrisch leitender Stab ausgeführt, der in das Innere des Gehäuses reicht. Wird der weitere Treibspiegel in seine Endposition bewegt, so kommt es zur Berührung des Treibspiegels mit dem elektrisch leitenden Stab des vierten Anschlusskontakts, und somit zur elektrischen Verbindung des zweiten Anschlusskontakts mit dem vierten Anschlusskontakt. Enthält ein solcher Schalter sowohl einen dritten als auch einen vierten Anschlusskontakt, so kann einer dieser beiden zusätzlichen Anschlusskontakte beispielsweise als Kontrolle für die Auslösung des Schnelltrennschalters und der andere zur zusätzlichen Entladung des Lastkreises und zur zusätzlichen Schwächung des Lichtbogens eingesetzt werden, wie es weiter oben in Verbindung mit dem dritten Anschlusskontakt beschrieben ist.
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Das Gehäuse des erfindungsgemäßen Schnelltrennschalters kann aus einem Material sein, das den zur Verschiebung des Treibspiegels nötigen Innendruck durch die Verdampfung des verdampfbaren Materials standhält. Hierfür kommt verstärkter Kunststoff oder ein Metall infrage. Als verstärkter Kunststoff können alle handelsüblichen glasfaser- oder kohlefaserverstärkten Kunststoffe verwendet werden.
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Mögliche Metalle sind hochfeste Stähle wie der 1.2436, der 1.4112, der 1.4122, der 1.4301, der 1.4305 oder der 1.7522. Da die Kontakteinheit funktionsgemäß elektrisch leitend sein muss, muss ein Gehäuse aus Metall oder elektrisch gut leitfähigen Kunststoffen gegenüber der Kontakteinheit isoliert werden, da sonst der Strom über das Gehäuse geführt werden würde und der Trennschalter nicht trennen könnte. Hierfür sind insbesondere Isolierschichten an der Innenwand des Gehäuses an den Stellen vorgesehen, an denen ein Kontakt mit der Kontakteinheit stattfindet oder stattfinden kann. Die Isolierschichten umfassen vorzugsweise einen geeigneten Isolierstoff, bzw. bestehen daraus, beispielsweise aus einem geeigneten Kunststoff. Als Kunststoff hierfür kann je nach Anwendungsbereich der Baugruppe beispielsweise Polyoxymethylen (POM), PA6 oder PAI (Duratron oder Torlon) verwendet werden.
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Weitere Merkmale, aber auch Vorteile der Erfindung, ergeben sich aus den nachfolgend aufgeführten Zeichnungen und den zugehörigen Beschreibungen. In den Abbildungen und in den dazugehörigen Beschreibungen sind Merkmale der Erfindung in Kombination beschrieben. Diese Merkmale können allerdings auch in anderen Kombinationen von einem erfindungsgemäßen Gegenstand umfasst werden. Jedes offenbarte Merkmal ist also auch als in technisch sinnvollen Kombinationen mit anderen Merkmalen offenbart zu betrachten. Die Abbildungen sind teilweise leicht vereinfacht und schematisch:
- 1 ist eine Querschnittsdarstellung eines erfindungsgemäßen Schnelltrennschalters vor der Trennung des Trennbereichs.
- 2 ist eine Querschnittsdarstellung des erfindungsgemäßen Schnelltrennschalters nach 1 nach der Trennung des Trennbereichs.
- 3 ist eine Querschnittsdarstellung eines erfindungsgemäßen Schnelltrennschalters mit zwei Treibspiegeln vor der Trennung des Trennbereichs.
- 4 ist eine Querschnittsdarstellung des erfindungsgemäßen Schnelltrennschalters nach 3 nach der Trennung des Trennbereichs.
- 5 ist eine Querschnittsdarstellung eines erfindungsgemäßen Schnelltrennschalters mit einer Isolationsschicht vor der Trennung des Trennbereichs.
- 6 zeigt einen elektrischen Schaltkreis, in dem ein Schnelltrennschalter nach 1 eingesetzt wird, der einen dritten Anschlusskontakt als sogenannte Bypass-Elektrode zum schnelleren „Aushungern“ des Lichtbogens aufweist.
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1 zeigt einen erfindungsgemäßen Schnelltrennschalter 1 vor der Trennung des Trennbereichs 7 im Querschnitt. Der Schnelltrennschalter 1 weist ein Gehäuse 2 auf, das eine Kontakteinheit 3 umgreift, die durch das Gehäuse 1 durchgeführt ist. Die Kontakteinheit 3 weist einen ersten Anschlusskontakt 4 und einen zweiten Anschlusskontakt 5 auf, die vorzugsweise an zwei gegenüberliegenden Seiten außen am Gehäuse 1 angeordnet sind. Über die Anschlusskontakte 4 und 5 kann der Kontakteinheit ein elektrischer Strom zu- bzw. abgeführt werden. Die Kontakteinheit 3 ist aus einem leitenden Material und vorzugsweise einstückig ausgebildet. Die Kontakteinheit 3 weist weiterhin einen Treibspiegel 6 auf, der vorzugsweise mittig in der Kontakteinheit 3 angeordnet ist. Der Treibspiegel 6 begrenzt eine Trennkammer 8 im Inneren des Gehäuses 2 zumindest teilweise, bzw. trennt das Innere des Gehäuses 2 in zwei Kammern, nämlich die Trennkammer 8 und die Stauchkammer 19. In der Trennkammer 8 ist zusätzlich ein bewegbares oder verformbares Trennelement 9 angeordnet. Weiterhin ist die Trennkammer 8 mit einem verdampfbaren Medium 10 gefüllt das mit dem Trennbereich 7 in Kontakt steht. Die Trennkammer 8 muss nicht vollständig mit verdampfbarem Medium 10 gefüllt sein, solange gewährleistet ist, dass im Falle der Bildung des Lichtbogens zwischen den zwei getrennten Enden des Trennbereichs 7 diese beiden Enden von verdampfbarem Medium 10 umgeben sind, sodass der Lichtbogen durch das verdampfbare Medium 10 führt und dieses verdampfen kann. Das bewegbare oder verformbare Trennelement 9 kann sich vorzugsweise in einer Richtung senkrecht zur Erstreckungsrichtung der Kontakteinheit 3 bewegen bzw. verformen, sodass der Trennbereich 7 in zwei Teile getrennt wird. Durch die Entstehung eines Lichtbogens zwischen den zwei getrennten Teilen des Trennbereichs 7 wird der Gasdruck durch Verdampfung des verdampfbaren Mediums 10 in der Trennkammer 8 erhöht, sodass der Treibspiegel 6 in seiner Ausgangsposition bedrückt wird und in Richtung des Anschlusskontaktes 4 in seine Endposition bewegt wird. Dabei entsteht ein Isolationsabstand zwischen dem ersten Anschlusskontakt 4 und dem zweiten Anschlusskontakt 5. Durch die Bewegung des Treibspiegels wird der Stauchbereich 11 in der Stauchkammer 19 vorzugsweise mäanderförmig gefaltet, da er vorzugsweise als Hohlzylinder vorliegt. Der im Stauchbereich 11 vorliegende Hohlraum 12 ist vorzugsweise ebenso mit verdampfbarem Medium 10 gefüllt und steht vorzugsweise in Verbindung mit der Trennkammer 8. Die Verbindung zwischen dem Hohlraum 12 und der Trennkammer 8 kommt vorzugsweise durch eine als Bohrung ausgebildete Sollbruchstelle 13 am Trennbereich 7 zustande. Der Hohlraum 12 und die Befüllung dessen mit verdampfbarem Medium 10 sowie die Verbindung zwischen dem Hohlraum 12 und der Trennkammer 8 ermöglichen es, dass im Falle der Trennung an der Sollbruchstelle 13 die durch die Stauchung des Stauchbereichs 11 bedingte Volumenänderung des Hohlraums 12 verdampfbares Medium 10 aus dem Hohlraum 12 in die Trennkammer 8 gespritzt wird, sodass dieses verdampfbare Medium 10 sowohl zur Löschung des Lichtbogens als auch zur Erhöhung des Innendrucks durch Verdampfung im Lichtbogen zur Verfügung steht. Die Bewegung bzw. Verformung des Trennelements 9 wird vorzugsweise durch eine Explosivladung 14 ausgelöst. 2 zeigt den erfindungsgemäßen Schnelltrennschalter 1 nach 1 im Zustand der Trennung des Trennbereichs 7. Wie in den 1 und 2 gezeigt, kann der erfindungsgemäße Schnelltrennschalter 1 einen dritten Anschlusskontakt 20 aufweisen, der vorzugsweise auf der Seite des Gehäuses 2 angeordnet ist, in die sich der Treibspiegel 6 bewegt. Der dritte Anschlusskontakt 20 ist vorzugsweise als ein von dem Gehäuse 2 geführter Stab ausgestaltet, der so weit in Innere des Gehäuses 2 reicht, dass der Treibspiegel 6 bei seiner Bewegung von der Ausgangsposition in die Endposition eine elektrische Verbindung zwischen dem ersten Anschlusskontakt 4 und dem dritten Anschlusskontakt 20 herstellt. Der als Stab ausgeführte dritte Anschlusskontakt 20 ist vorzugsweise ein stauchbarer oder knickbarer Stab. Der dritte Anschlusskontakt 20 steht vorzugsweise nicht mit dem Gehäuse 2 elektrisch in Verbindung. Da der in den 1 und 2 gezeigte Schnelltrennschalter 1 vorzugsweise ein Gehäuse 2 aus einem elektrisch leitenden Material hat, ist es notwendig, dass die Kontakteinheit 3 auf einer der beiden Seiten der Anschlusskontakte 4 und 5 gegen das Gehäuse 2 isoliert ist. Hierfür zeigt der Schnelltrennschalter 1 in 1 und 2 eine trennbereichsseitige Isolationsschicht 18, die jedoch alternativ auch an dem Anschlusskontakt auf der Seite des Stauchbereichs vorliegen könnte. In 5 wird ein erfindungsgemäßer Schnelltrennschalter 1 gezeigt, der ebenso ein Gehäuse 2 aus einem elektrisch leitenden Metall aufweist. Um eine gute Isolation zwischen der Kontakteinheit 3 und dem elektrisch leitenden Metall des Gehäuses 2 zu verwirklichen, weist das Gehäuse eine Innenisolationsschicht 24 auf, die über die komplette Innenfläche des Gehäuses reicht und auch eine Isolation gegenüber der Kontakteinheit ermöglicht. Ansonsten ist der in 5 gezeigte Schnelltrennschalter 1 im Wesentlichen baugleich zu dem in 1 gezeigten Schnelltrennschalter 1.
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Der Anschlusskontakt bzw. Bypass-Elektrode 20 kann bei größeren Baugruppen auch im Hohlraum 12 angebracht sein. In diesem Fall ist die Verschlussschraube 23 im ersten Anschlusskontakt 4 bzw. zweiten Anschlusskontakt 5 aus einem Isolatormaterial gefertigt und hält den Anschlusskontakt 20 in Position (nicht gezeichnet).
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3 zeigt einen erfindungsgemäßen Schnelltrennschalter 1 vor der Trennung des Trennbereichs 7 im Querschnitt. 4 zeigt den gleichen Schnelltrennschalter 1 nach der Trennung des Trennbereichs 7 im Querschnitt. Die linke Seite des Schnelltrennschalters 1 ist identisch mit der linken Seite des Schnelltrennschalters 1 in den 1 und 2. Hier wird im Hinblick auf die verwendeten Bezugszeichen auf die Beschreibung der 1 und 2 verwiesen. Weiterhin weist der Schnelltrennschalter 1 in den 3 und 4 eine Kontakteinheit 3 auf, die einen weiteren Treibspiegel 15 aufweist, der die Trennkammer 8 auf einer dem Treibspiegel 6 gegenüberliegenden Seite begrenzt. Die Kontakteinheit 3 ist also spiegelsymmetrisch ausgeführt, d.h. weist eine Spiegelebene auf, die senkrecht zur Erstreckungsrichtung der Kontakteinheit 3 steht, wobei die Erstreckungsrichtung entlang der Kontakteinheit 3 von dem ersten Anschlusskontakt 4 zu dem zweiten Anschlusskontakt 5 verläuft. In anderen Worten weist die Kontakteinheit 3 einen weiteren Stauchbereich 16 auf, der auf einer dem Trennbereich 7 gegenüberliegenden Seite des weiteren Treibspiegels 15 angeordnet ist. Der Stauchbereich 16 ist vorzugsweise genau so ausgestaltet wie der Stauchbereich 11, d.h. er weist vorzugsweise ebenso einen Hohlraum 12 auf und ist vorzugsweise hohlzylindrisch und im Querschnitt ringförmig ausgebildet. Der Hohlraum 12 im Stauchbereich 16 ist vorzugsweise ebenso mit verdampfbarem Medium 10 gefüllt und steht derart mit der Trennkammer 8 in Kontakt, dass bei einer Stauchung des Stauchbereichs 16 verdampfbares Medium 10 aus dem Hohlraum 12 in die Trennkammer 8 abgegeben wird. Alle genannten bevorzugten Merkmale des Stauchbereichs 11 sind vorzugsweise auch beim Stauchbereich 16 verwirklicht. Wird die Explosivladung 14 gezündet bewegt sich das Trennelement 9 in Richtung des Trennbereichs 7 und trennt dieses an den Sollbruchstellen 13 von den Treibspiegeln 6 und 15 ab. Durch Entstehung eines Lichtbogens zwischen den abgetrennten Enden des Trennbereichs 7 wird das verdampfbare Medium 10 erwärmt und es entsteht ein Gasdruck in der Trennkammer 8, der den Treibspiegel 6 in Richtung des Anschlusskontakts 4 und den Treibspiegel 15 in Richtung des Anschlusskontakts 5 treibt. Auf diese Weise entsteht ein Sicherheitsabstand zwischen den getrennten Enden des Trennbereichs 7 und somit ein Isolationsabstand zwischen den beiden Anschlusskontakten 4 und 5, wie in 4 gezeigt. An einer der beiden Seiten der Kontakteinheit 3, die von dem Gehäuse umgriffen werden, ist die Kontakteinheit 3 vorzugsweise gegen das Gehäuse 2 isoliert, zumindest in dem Fall, in dem das Gehäuse 2 aus einem elektrisch leitenden Material besteht. In der in den 3 und 4 gezeigten Ausführungsform ist das auf der Seite des zweiten Anschlusskontakts 5 verwirklicht. Der Schnelltrennschalter 1 kann auch - wie in den 3 und 4 gezeigt - einen dritten Anschlusskontakt 20 und/oder einen vierten Anschlusskontakt 21 aufweisen. Die Funktion der Anschlusskontakte 20 und 21 ist weiter oben bereits beschrieben. Der Hauptvorteil von zwei Trennstellen in 3 bzw. 4 liegt darin, dass sich die Spannung der abzuschaltenden Stromquelle nun halbiert, quasi auf beide Trennstellen aufteilt und zusätzlich der Schalt- bzw. Trennabstand verdoppelt wird.
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5 zeigt die Situation von 1, hier jedoch mit vollständig ausgeführter Innenisolationsschicht 24 der Stauchkammer 19 und Trennkammer 8, um jeglichen Lichtbogeneintritt in das Gehäuse 2 zu verhindern.
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6 zeigt einen elektrischen Schaltkreis 22, in dem ein erfindungsgemäßer Schnelltrennschalter 1 nach 1 eingesetzt wird, der einen dritten Anschlusskontakt 20 als sogenannte Bypass-Elektrode zum schnelleren „Aushungern“ des Lichtbogens aufweist. Der Schaltkreis 22 weist eine Stromquelle Batt1 auf, die den Innenwiderstand R1, die Kapazität C3 und die Induktivität L2 hat. Der Schnelltrennschalter 1 ist mit dem Anschlusskontakt 5 direkt mit einem ersten Pol der Stromquelle Batt1 verbunden. Der Stromverlust durch die Verkabelung von Stromquelle Batt1 zu dem Schnelltrennschalter 1 ist durch den Verlustwiderstand R3 gekennzeichnet. Der Anschlusskontakt 4 ist über einen Lastkreis mit dem zweiten Pol der Stromquelle Batt1 verbunden. Der Lastkreis weist einen Widerstand R5 auf, der den Verlust des Stroms aufgrund der Verkabelung von Stromquelle Batt1 zu dem Anschlusskontakt 4 kennzeichnet. Der Lastkreis weist einen Lastwiderstand R2, eine Induktivität L1 und eine Kapazität C2 auf. Die dritte Elektrode ist direkt mit dem zweiten Pol der Stromquelle Batt1 verbunden. Die Anschlusskontakte 4 und 5 sind über einen weiteren Kreis miteinander verbunden, der eine Kondensator-Widerstands-(RC)-Kombination C1+R4 aufweist, wobei Kondensator C1 und Widerstand R4 in Serie geschaltet sind. Die RC-Kombination ist optional und dient als sogenannte Funkenlöschkombination für die sich öffnenden Schaltkontakte. Wird der Stromkreis im Schaltkreis 22 durch das Schalten des Schnelltrennschalters 1 unterbrochen, so kann es durch die gespeicherte Energie im Verbraucher des Lastkreises zur Ausbildung eines Lichtbogens zwischen den getrennten Teilen des Trennbereichs 7 des Schnelltrennschalters 1 kommen. Ist der dritte Anschlusskontakt 20 mit der anderen Seite des beliebigen Verbrauchers als dem ersten Anschlusskontakt 4 verbunden, so kann bei Schalten des erfindungsgemäßen Schnelltrennschalters 1 durch die entstehende Verbindung des ersten Anschlusskontakts 4 und des dritten Anschlusskontakts 20 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 20 bzw. die so genannte Bypass-Elektrode wird in diesem Fall als Kurzschlusselektrode verwendet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schnelltrennschalter
- 2
- Gehäuse
- 3
- Kontakteinheit
- 4
- erster Anschlusskontakt
- 5
- zweiter Anschlusskontakt
- 6
- Treibspiegel
- 7
- Trennbereich
- 8
- Trennkammer
- 9
- Trennelement
- 10
- verdampfbares Medium
- 11
- Stauchbereich
- 12
- Hohlraum
- 13
- Sollbruchstelle
- 14
- Explosivladung
- 15
- weiterer Treibspiegel
- 16
- weiterer Stauchbereich
- 17
- stauchbereichsseitige Isolationsschicht
- 18
- trennbereichsseitige Isolationsschicht
- 19
- Stauchkammer
- I
- elektrische Stromstärke
- 20
- dritter Anschlusskontakt (Bypass-Elektrode)
- 21
- vierter Anschlusskontakt (Bypass-Elektrode)
- 22
- elektrischer Schaltkreis
- 23
- Verschlussschraube
- 24
- Innenisolationsschicht
- Batt1
- Stromquelle
- R1
- Innenwiderstand der Stromquelle
- C3
- Kapazität der Stromquelle
- L2
- Induktivität der Stromquelle und Verkabelung bis zum Schnelltrennschalter
- R3
- Verlustwiderstand der Verkabelung bis zum Schnelltrennschalter
- R2
- Lastwiderstand
- L1
- Induktivität des Lastkreises samt Verkabelung bis zum Schnelltrennschalter
- C2
- Kapazität des gesamten Lastkreises
- R5
- Verlustwiderstand der Verkabelung bis zum Schnelltrennschalter
- C1+R4
- Kondensator-Widerstands-(RC)-Kombination
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016124176 A1 [0003, 0012]
- EP 19201212 [0021]
