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Die Erfindung betrifft ein elektrisches Verbinderelement für Starkstromnetze in Anlagen, die in gewissen Zeitabständen gewartet werden, welches Verbinderelement mindestens ein elektrisch leitendes Kontaktelement und eine mechanische Haltestruktur aufweist, die dazu ausgebildet ist, das Kontaktelement lösbar in einer Kontaktposition an einem Gegenkontaktelement zu halten, wobei das Verbinderelement mindestens ein wärmeleiten des Bauteil aufweist, das einen Oberflächenbereich hat, der in der Kontaktposition von außerhalb des Verbinderelements sichtbar ist.
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Insbesondere befasst sich die Erfindung mit Starkstromnetzen in technischen Anlagen, die im Betrieb nur schwer zugänglich sind und deshalb nur in gewissen Zeitabständen inspiziert und gewartet werden können, wie beispielsweise Starkstromnetze von Schienenfahrzeugen oder in der Gondel von Windkraftanlagen.
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Ein Beispiel eines Verbinderelements dieser Art wird in
DE 10 2014 112 701 A1 beschrieben. Bei dem dort beschriebenen Verbinderelement handelt es sich um einen Crimpkontakt-Steckverbinder, bei dem die mechanische Haltestruktur durch einen hohlzylindrischen Crimpbereich des Kontaktelements gebildet wird.
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Bei Stromstärken von beispielsweise 10 A oder mehr, und erst recht bei Stromstärken oberhalb von 100 A oder mehr ist es wesentlich, dass die miteinander in Berührung stehenden Kontaktflächen des Kontaktelements und des Gegenkontaktelements einen geringen Übergangswiderstand aufweisen, so dass die Verlustwärmeleistung in Grenzen gehalten werden kann. Beispielsweise können bei der Energieversorgung schienengebundener Fahrzeuge und/ oder in Windkraftanlagen Stromstärken von über 500 A auftreten. Der geringe Übergangswiderstand muss auch in einer eventuell korrosiven Umgebung dauerhaft erhalten bleiben. Die mechanische Haltestruktur ist deshalb generell so ausgelegt, dass die miteinander in Berührung stehenden Kontaktflächen mit einer gewissen Anpresskraft aneinander in Anlage gehalten werden. Die Anpresskraft kann beispielsweise mittels Schrauben, Knebeln oder elastischen Elementen erzeugt werden. Außerdem sind solche Verbinderelemente so ausgelegt, dass die aufgrund des elektrischen Widerstands unvermeidlich entstehende Verlustwärme unter normalen Einsatzbedingungen schnell genug abgeführt werden kann.
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Wenn jedoch die Stromstärke über dem Wert liegt, für den das Verbinderelement ausgelegt ist, oder wenn aufgrund eines Fehlers der Übergangswiderstand bereits erhöht ist, so führt dies häufig zu einer übermäßigen Erwärmung des Verbinderelements, und diese Erwärmung kann zu einer Versprödung oder zu einer plastischen Verformung der Federelemente und sonstiger Spannelemente führen. Außerdem kann durch die Erwärmung die Korrosion an den Kontaktflächen beschleunigt werden. All dies hat zur Folge, dass die Wärmeproduktion weiter zunimmt und es schließlich zu einem vollständigen Versagen des Verbinderelements kommt. Es wäre deshalb wünschenswert, dass eine anomale Erwärmung des Verbinderelements frühzeitig erkannt werden kann.
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Aus
US 2005/221674 A1 ist ein elektrisches Verbinderelement bekannt, bei dem ein Teil der äußeren Oberfläche durch ein thermochromes Material gebildet wird, also einem Material dessen Farbe sich temperaturabhängig ändert, so dass eine drohende Überhitzung anhand des Farbumschlags visuell erkannt werden kann.
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Bei Hochleistungs-Verbinderelementen in Anlagen, die nicht permanent überwacht werden können, werden zur Detektion von Überhitzung jedoch generell elektronische Messeinrichtungen eingesetzt.
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WO 2017/132222 A1 beschreibt ein Beispiel für eine Kombination aus elektronischem Messsystem und visueller Anzeige. Ein Nachteil solcher elektronischen Messeinrichtungen besteht jedoch darin, dass sie angesichts der Vielzahl der üblicherweise in einer Anlage vorhandenen Verbinderelemente relativ hohe Kosten verursachen und außerdem störanfällig sind, insbesondere in einer Umgebung, in der Vibrationen oder sonstige mechanische Belastungen auftreten.
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Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein kostengünstiges Verbinderelement zu schaffen, bei dem eine Überhitzung auch dann zuverlässig erkannt werden kann, wenn nur eine sporadische Überwachung der Anlage möglich ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der sichtbare Oberflächenbereich durch ein irreversibel thermochromes Material gebildet wird.
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Während bei üblichen Thermochromen ein eindeutiger Zusammenhang zwischen der Temperatur und der Farbe besteht und somit der bei einer bestimmten Temperatur eintretende Farbumschlag reversibel ist, wenn die Temperatur wieder abnimmt, zeichnet sich ein irreversibler Thermochrom dadurch aus, dass der bei der Schwellentemperatur auftretende Farbumschlag auch dann erhalten bleibt, wenn die Temperatur anschließend wieder unter den Schwellenwert sinkt.
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Auch wenn das Stromnetz bei Wartungsarbeiten abgeschaltet ist und sich alle Komponenten auf Normaltemperatur befinden, lässt sich mithilfe des erfindungsgemäßen Verbinderelements anhand der Farbe des thermochromen Oberflächenbereichs unmittelbar erkennen, ob in der Vergangenheit, während des Betriebs der Anlage, eine zeitweise Überhitzung stattgefunden hat, so dass das Verbinderelement ausgetauscht oder zumindest näher inspiziert werden kann.
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Thermochrome Pigmente mit einer großen Bandbreite von Farbvarianten und Sprungtemperaturen sind im Handel erhältlich, so dass durch Mischen solcher Pigmente praktisch jede gewünschte Farbe und jedes gewünschte Temperaturprofil realisiert werden kann. Die Herstellung des thermochromen Oberflächenbereichs verursacht nur geringe Kosten, und der auf diese Weise geschaffene Überhitzungsindikator ist robust gegenüber mechanischen und chemischen Beanspruchungen und damit sehr störungsunanfällig.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Gegenstand der Erfindung ist auch die Verwendung des oben beschriebenen Verbinderelements in Stromnetzen von Schienenfahrzeugen und Windkraftanlagen.
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In einer Ausführungsform weist das thermochrome Material zwei oder mehr Farbumschläge bei unterschiedlichen Sprungtemperaturen auf. Die niedrigste Sprungtemperatur lässt sich dann so wählen, dass der Farbumschlag bereits bei einer Temperatur stattfindet, die einerseits auf eine Anomalie und damit auf eine Störung im Stromnetz hinweist, die aber andererseits so niedrig ist, dass noch keine Schädigung des Verbinderelements zu erwarten ist, während der zweite Farbumschlag bei einer höheren Temperatur erfolgt, bei der die einwandfreie Funktion des Verbinderelements nicht mehr sichergestellt ist, wenn es einmal einer solchen Temperatur ausgesetzt war.
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Besonders vorteilhaft ist die Verwendung der erfindungsgemäßen Verbinderelemente in redundanten Stromnetzen in denen der Strom auf zwei oder mehr verschiedenen Strompfaden von der Stromquelle zum Verbraucher fließen kann. In einem solchen Netz sind die Verbinderelemente so ausgelegt, dass sie auch dann noch einwandfrei arbeiten, wenn ein Strompfad aufgrund einer Störung unterbrochen wird und deshalb in den noch intakten Strompfaden ein erhöhter Strom auftritt. Die Sprungtemperatur oder die unterste Sprungtemperatur des Thermochroms lässt sich dann so wählen, dass der Farbumschlag eintritt, sobald eine Temperatur erreicht wird, die darauf hindeutet, dass mindestens einer der parallelen Strompfade unterbrochen ist.
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 und 2 Beispiele für erfindungsgemäße Verbinderelemente;
- 3 ein Schaltbild eines Stromnetzes unter dem Wagenkasten eines Schienenfahrzeugs;
- 4 eine vergrößerte Darstellung eines Verbinderelements in dem Stromnetz nach 3; und
- 5 ein Temperatur/Zeit-Diagramm zur Illustration eines Temperaturprofils eines thermochromen Materials an der Oberfläche des Verbinderelements.
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Als Beispiel für ein erfindungsgemäßes Verbinderelement ist in 1 ein Brückenstecker 10 m it zwei stift- oder buchsenförmigen förmigen Kontaktelementen 12 gezeigt, die parallel zueinander in einem als Griff ausgebildeten Gehäuse 14 aus Kunststoff angeordnet sind. Das Gehäuse 14 wird beispielsweise durch zwei aneinander geflanschte Halbschalen gebildet, die sich voneinander lösen lassen, so dass die Kontaktelemente 12 eingelegt werden können. Die beiden Kontaktelemente 12 können im Inneren des Gehäuses 14 einstückig miteinander verbunden sein oder getrennt voneinander ausgebildet sein und durch Stützkonturen des Gehäuses eng gegeneinander angedrückt werden, so dass eine elektrisch leitende Verbindung mit geringem Übergangswiderstand erzeugt wird. Im gezeigten Beispiel sind die Kontaktelemente 12 jeweils mit einem Leiter 16 verbunden, der aus dem Gehäuse 14 herausgeführt ist. Wenn die Kontaktelemente 12 mit mitkomplementären Steckverbindern einer nicht gezeigten Stromverteileranordnung in Eingriff gebracht werden, so wird eine leitende Verbindung zwischen den beiden Steckverbindern und den Leitern 16 hergestellt. Auf diese Weise lässt sich die Stromverteileranordnung durch Einstecken oder Herausziehen von Brückensteckern nach Bedarf konfigurieren. Wenn in der durch den Brückenstecker 10 gebildeten leitenden Verbindung ein starker Strom fließt, so führt der elektrische Widerstand der Kontaktelemente 12 sowie der Übergangswiderstand zwischen den Kontaktelementen 12 und den zugehörigen Gegenkontaktelementen und der Übergangswiderstand zwischen den Kontaktelementen 12 und den Leitern 16 zu einer Erwärmung des Steckverbinders. Die Materialien der Kontaktelemente 12 und des Gehäuses 14 sind für eine Stromstärke und eine Temperatur ausgelegt, die deutlich über der Stromstärke bzw. Temperatur liegt, die bei störungsfreiem Betrieb der elektrischen Anlage zu erwarten ist. Das Kunststoffmaterial des Gehäuses 14 weist außerdem eine gewisse Wärmeleitfähigkeit auf, so dass auch die im Inneren des Gehäuses entstehende Wärme abgeführt werden kann.
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Auf der Außenfläche des Gehäuses 10 sind zwei rechteckige Oberflächenbereiche 18 gebildet, in denen das Oberflächenmaterial ein irreversibler Thermochrom ist, also ein Material, das einen Farbumschlag aufweist, wenn die Temperatur einen bestimmten Schwellenwert übersteigt, der hier als Sprungtemperatur bezeichnet werden soll. Der Farbumschlag muss jedoch nicht sprunghaft erfolgen, sondern kann auch die Form eines stetigen Farbverlaufs innerhalb eines größeren Temperaturbereiches haben. Das thermochrome Material kann auf irgendeine geeignete Weise auf das Gehäuse 14 aufgebracht werden, beispielsweise als Klebefolie, als Aufdruck oder Lack oder auch durch Spritzgießen der Gehäusehalbschalen in einem Zweikomponentenverfahren, wobei für die Oberflächenbereiche 18 ein mit dem Thermochrom pigmentierter Kunststoff verwendet wird.
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Die Oberflächenbereiche 18 liegen jeweils einer Zone im Inneren des Gehäuses gegenüber, in der die Kontaktelemente 12 mit den Leitern 16 verbunden, beispielsweise vercrimpt sind, so dass die Temperatur des Thermochroms eng mit der Temperatur des zugehörigen Kontaktelements bzw. Leiters korreliert. Wenn es beispielsweise infolge überhöhter Stromstärke aufgrund einer elektrischen Störung zu einer Überhitzung kommt, die die sichere Funktion des Brückensteckers 10 beeinträchtigen kann aber noch nicht anhand von Verschmorungen am Gehäuse 14 zu erkennen ist, so zeigen die Oberflächenbereiche 18 einen Farbumschlag, beispielsweise von Grün über Gelb nach Rot, durch den die Überhitzung angezeigt wird. Zur Erhöhung des Kontrasts sind die Oberflächenbereiche 18 im gezeigten Beispiel auf einem farbigen Hintergrund 20 gebildet, der nicht thermochrom ist, sondern beispielsweise temperaturunabhängig eine gelbe Farbe hat. Die Sprungtemperatur des Thermochroms in den Oberflächenbereichen 18 ist so gewählt, dass die Farbe von Gelb nach Orange und schließlich nach Rot umschlägt, wenn die zulässige Temperatur überschritten wird.
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Da der Thermochrom in den Oberflächenbereichen 18 irreversibel ist, bleibt der orangene oder rote Farbton auch dann bestehen, wenn sich der Brückenstecker wieder unter die Sprungtemperatur abkühlt. Auf diese Weise lässt sich auch bei einer erst nach Tagen oder Wochen stattfindenden Inspektion sicher feststellen, dass eine temporäre Temperaturüberschreitung stattgefunden hat.
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Da im gezeigten Beispiel jedem der beiden Kontaktelemente 12 ein eigener Oberflächenbereich 18 zugeordnet ist, lässt sich anhand der Stärke des Farbumschlages auch erkennen, welches der beiden Kontaktelemente 12 sich näher an der Wärmequelle befunden hat.
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In einer modifizierten Ausführungsform können ergänzend zu den Oberflächenbereichen 18 auch Oberflächenbereiche mit einem reversiblen Thermochrom vorgesehen sein, der die aktuelle Temperatur des Brückensteckers anzeigt. Dadurch kann beispielsweise die Gefahr von Verbrennungen reduziert werden, falls der Brückenstecker zum Zeitpunkt der Inspektion noch heiß ist.
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2 zeigt als weiteres Beispiel einen Einpolstecker 22 mit einem Gehäuse 24, das sicher auf einem Ende eines Kabels 26 befestigt ist und am dem Kabel entgegengesetzten Ende ein Kontaktelement 12' in der Form einer Steckbuchse bildet. Auch hier ist auf der äußeren Umfangsfläche eines zylindrischen Teils des Gehäuses 24 ein Oberflächenbereich 18 aus irreversibel thermochromem Material gebildet. Dieser Oberflächenbereich 18 befindet sich in einer axialen Position, in der er einem Abschnitt des Kontaktelements 12 im Inneren des isolierenden Gehäuses 24 gegenüberliegt, so dass durch den Farbumschlag des Thermochroms eine Überhitzung des Kontaktelements 12' angezeigt werden kann.
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In 3 sind schematisch vier Verbinderelemente 28 gezeigt, die Teil eines redundanten Stromnetzes 30 eines Schienenfahrzeugs sind, beispielsweise eines Eisenbahnwagons. Das Stromnetz 30 befindet sich an der Unterseite eines Wagenkastens 32 des Schienenfahrzeugs, der in 3 schematisch als Rechteck dargestellt ist.
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Eines der Verbinderelemente 28 ist in 4 vergrößert dargestellt. Die Verbinderelemente 28 sind als Abzweigkästen mit je drei Anschlüssen 34, 36 für elektrische Leitungen ausgebildet. Der einzelne Anschluss 34 auf einer Seite des Gehäuses dient zur elektrischen Verbindung mit dem Stromnetz eines anschließenden Wagons eines Zuges. Die paarigen Anschlüsse 36 auf der entgegengesetzten Seite des Gehäuses sind durch Leitungen 38, 40, 42, 44 und 46 ringförmig miteinander und mit einem weiteren Abzweigkasten 48 verbunden, an den ein Verbraucher 50, beispielsweise ein Klimaaggregat angeschlossen ist.
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Die Stromnetze 30 zweier aufeinanderfolgender Wagons des Zuges sind jeweils über zwei flexible Leitungen (nicht gezeigt) miteinander verbunden, die an die Anschlüsse 34 angeschlossen sind. Wenn sich der Triebwagen und damit die Energiequelle beispielsweise auf der linken Seite in Fig.,3 befindet, so hat das Stromnetz 30 zwei Einkopplungsstellen a und b auf der linken Seite und auf der rechten Seite zwei Auskopplungsstellen c und d. Von der Einkopplungsstelle a kann der Strom auf zwei parallelen Pfaden zum Verbraucher 50 gelangen, nämlich einmal über die Leitung 38 und zum anderen über die Leitungen 40, 42, 44 und 46. Entsprechendes gilt auch für die Einkopplungsstelle b. Ebenso ist jede Einkopplungsstelle über zwei parallele Pfade mit jeder der Auskopplungsstellen c und d verbunden. Das Stromnetz ist somit redundant. Wenn aufgrund einer Störung beispielsweise die Leitung 42 unterbrochen werden sollte, so kann der Strom von der Einkopplungsstelle a immer noch über die Leitung 38 zum Verbraucher 50 und über die Leitungen 38, 46 und 44 zu den Auskopplungsstellen c und d gelangen, und ebenso kann der Strom von der Einkopplungsstelle b über die Leitungen 40 und 38 zum Verbraucher 50 und über die Leitungen 40, 38, 46 und 44 zu den Auskopplungsstellen d und c gelangen.
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Allerdings hat, wenn einer der Strompfade ausfällt, der verbleibende intakte Strompfad die doppelte Last zu bewältigen, so dass sich die in diesem Strompfad liegenden Verbinderelemente 28 auf eine höhere Temperatur erhitzen. Die Verbinderelemente sind jedoch so ausgelegt, dass sie auch dieser erhöhten Temperatur standhalten, ohne dass ihre Funktion beeinträchtigt wird.
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Wie in 4 gezeigt ist, weist jedes Verbinderelement 28 drei Oberflächenbereiche 18 aus irreversibel thermochromem Material auf, die jeweils einem der drei Anschlüsse 34, 36 zugeordnet sind. Das thermochrome Material ist in diesem Beispiel so pigmentiert, dass jeder Oberflächenbereich18 je nach Temperatur vier verschiedene Farben annehmen kann, beispielsweise Weiß, Grün, Gelb und Rot. Das Temperaturprofil 5 ist in 5 anhand eines beispielhaften Temperaturverlaufs dargestellt. Die in 5 gezeigte Kurve gibt die Temperatur T als Funktion der Zeit t an. Zum Zeitpunkt t0 ist das Stromnetz abgeschaltet und das Verbinderelement 28 befindet sich auf Umgebungstemperatur. Die Oberflächenbereiche 18 haben die Farbe Weiß (w). Zum Zeitpunkt t1 wird der Verbraucher 50 eingeschaltet und das Verbinderelement erwärmt sich auf seine normale Betriebstemperatur. Dabei wird eine reversible Temperaturschwelle T1 des Thermochroms überschritten, und die Oberflächenbereiche 18 zeigen einen Farbumschlag von Weiß nach Gelb (g). Dieser Farbumschlag ist reversibel. Das heißt, wenn der Verbraucher 50 abgeschaltet würde und die Temperatur wieder abnähme, so gäbe es wieder einen Farbumschlag von Grün nach Weiß. Bei störungsfreiem Betrieb des Stromnetzes treten lediglich solche Farbumschläge zwischen Weiß und Grün auf. Daran lässt sich erkennen, dass das Netz einwandfrei arbeitet.
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Im gezeigten Beispiel führt jedoch zum Zeitpunkt t2 ein Ausfall eines der Strompfade dazu, dass sich der Strom durch das hier betrachtete Verbinderelement 28 (an der Einkopplungsstelle a) verdoppelt. Dabei wird eine erste irreversible Sprungtemperatur T2 überschritten, und der Thermochrom zeigt einen irreversiblen Farbumschlag von Grün nach Gelb (y). Zum Zeitpunkt t3 wird der Verbraucher 50 wieder abgeschaltet und die Temperatur sinkt allmählich auf Umgebungstemperatur. Die Oberflächenbereiche 18 behalten dennoch die gelbe Farbe. Wenn nach dem Zeitpunkt t3 irgendwann eine Wartung oder Inspektion vorgenommen würde, so wäre an der gelben Farbe der Oberflächenbereiche 18 zu erkennen, dass eine Störung im Stromnetz aufgetreten ist, die jedoch dank der Redundanz des Netzes nicht zu einem Betriebsausfall geführt hat. Bei welchem der drei Oberflächenbereiche 18 in 4 der Farbumschlag nach Gelb stattfindet, hängt davon ab, in welchem Strompfad die Unterbrechung aufgetreten ist, so dass das Verteilungsmuster der Farbumschläge auch Hinweise auf die Quelle der Störung liefert. Auf diese Weise lässt sich allein durch visuelle Inspektion der Abzweigkästen die Störung erkennen und lokalisieren.
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Im gezeigten Beispiel findet jedoch nach dem Zeitpunkt t3 keine Inspektion statt, sondern zum Zeitpunkt t4 wird der Verbraucher 50 wieder eingeschaltet, und die Temperatur steigt wieder über die Sprungtemperatur T2, wodurch sich jedoch die Farbe der Oberflächenbereiche nicht ändert. Zum Zeitpunkt t5 tritt eine weitere Funktionsstörung auf, beispielsweise ein Kurzschluss im Verbraucher 50, mit der Folge, dass die Temperatur des hier betrachteten Verbinderelements weiter ansteigt. Dabei wird eine zweite Sprungtemperatur T3 überschritten, die zu einem Farbumschlag von Gelb nach Rot (r) führt. Auch dieser Farbumschlag ist irreversibel. Bei einer späteren Inspektion ist deshalb sofort zu erkennen, dass das Verbinderelement möglicherweise Schaden genommen hat und ausgetauscht werden sollte.
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Da sich die Verbinderelemente 28 an der Unterseite des Wagenkastens 32 befinden, wird eine problemlose visuelle Inspektion der Oberflächenbereiche 18 in der Regel in einem Wartungsbetrieb erfolgen müssen, in dem eine Grube für das Personal vorhanden ist. Es ist jedoch auch denkbar, eine bequeme Inspektion auch auf dem Gleis zu ermöglichen, indem ein an die Form des Verbinderelements 28 angepasstes Lesegerät mit Lichtquellen und Fotosensoren zum Ablesen der Farben der Oberflächenbereiche 18 bereitgestellt wird.
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Wenn die zu überwachenden Verbinderelemente Teil eines Stromnetzes einer stationären Anlage sind, beispielsweise einer Windkraftanlage, so lässt sich ein solches Lesegerät auch für eine temporäre oder dauernde Fernüberwachung der Verbinderelemente einsetzen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014112701 A1 [0003]
- US 2005221674 A1 [0006]
- WO 2017/132222 A1 [0008]
