EP3699944A1 - Elektrisches unterbrechungsschaltglied mit einem rohrförmigen trennelement mit variierender wandstärke - Google Patents

Elektrisches unterbrechungsschaltglied mit einem rohrförmigen trennelement mit variierender wandstärke Download PDF

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EP3699944A1
EP3699944A1 EP20157310.2A EP20157310A EP3699944A1 EP 3699944 A1 EP3699944 A1 EP 3699944A1 EP 20157310 A EP20157310 A EP 20157310A EP 3699944 A1 EP3699944 A1 EP 3699944A1
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EP
European Patent Office
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area
switching element
sabot
wall thickness
axis
Prior art date
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Pending
Application number
EP20157310.2A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Lell
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Individual
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    • H01H85/38—Means for extinguishing or suppressing arc
    • H01H85/40—Means for extinguishing or suppressing arc using an arc-extinguishing liquid
    • H—ELECTRICITY
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    • H01H33/70—Switches with separate means for directing, obtaining, or increasing flow of arc-extinguishing fluid
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    • H01H85/0241—Structural association of a fuse and another component or apparatus
    • H01H2085/025—Structural association with a binding post of a storage battery

Definitions

  • the invention relates to an electrical interrupt switching element, in particular for interrupting high currents at high voltages, with the features of claim 1.
  • interruption switching elements can be found, for example, in power plant and automotive engineering, as well as in general mechanical and electrical engineering in control cabinets of machines and systems, as well as in the context of electromobility in electric and hybrid vehicles, but also in electrically operated helicopters and airplanes for defined and quick disconnection of electrical power circuits in an emergency use.
  • One requirement of such switching elements is that no hot gas, particles, debris or plasma escape from them.
  • switching elements should ensure the insulation resistance after separation.
  • switching elements with a contact tube with a separating area in the form of a hollow cylinder are used, the hollow cylinder being completely torn, melted or broken along its cross-sectional area to separate the circuit, and both Ends of the hollow cylinder are mechanically removed from each other.
  • an activatable drive is often used, which is located in the hollow space of the hollow cylinder.
  • the invention is based on the object of providing an interruption switching element, in particular for interrupting high direct currents at high voltages, in which, during the transition from the control position to the disconnected position, as few or as few as possible, and if so, only small conductive ones Fragments inside become free, which can cause a short circuit.
  • the interruption switching element according to the invention can be transferred from a master position to a disconnected position. If the interruption switching element according to the invention is integrated into a circuit, the circuit is closed in the control position. The circuit is interrupted in the disconnected position.
  • the interrupting switching element according to the invention has a housing which surrounds a contact unit defining the current path through the interrupting switching element, i. E. the contact unit is surrounded by the housing.
  • the contact unit has a first and a second connection contact and a separation area. The contact unit is designed in such a way that a current can be fed to it via the first connection contact and removed from it via the second connection contact, or vice versa.
  • the separation area is designed as a tubular element, the axial direction of extent of which runs along an axis X, the tubular element being separable into two parts along a plane perpendicular to the axis X, whereby the current between the first and second connection contact is interrupted.
  • the tubular element has two opposite end regions along the direction in which the axis X extends.
  • the interruption switching element according to the invention is characterized in that the tubular element has a minimum wall thickness in an area between the end areas, which increases in each case in the direction of the end areas, preferably excluding the areas of the tubular element in which the cross-sections are radial towards the end areas increase (hereinafter referred to as "radially running cross-sectional transitions").
  • the tubular element has an area between the end areas with a tapering of the wall thickness, in particular not only between the end areas, but in an area between the radially running cross-sectional transitions.
  • the tubular element therefore preferably has a minimum wall thickness in a region between the radially running cross-sectional transitions adjacent to the respective end regions, which increases in each case in the direction of the cross-sectional transitions.
  • the tubular element preferably has a ring-like closed cross-sectional area, which is preferably perpendicular to the axial direction of extent (axis X).
  • the cross-sectional area can have any shape, for example circular, elliptical, any ring-shaped without or with one or more corners, triangular, square, pentagonal, hexagonal or polygonal, a circular cross-sectional area being preferred.
  • the increase in wall thickness can be continuous or discontinuous in the axial extension of the tubular element, ie, for example, in steps, with a continuous increase being preferred.
  • the continuous increase can be linear or progressive. It is preferred according to the invention that the wall thickness increases conically in the direction of the end regions of the tubular element.
  • the tubular element is designed such that it has a cross-sectional area of the same shape in each plane perpendicular to the X axis.
  • the increase in wall thickness in the two directions towards the end regions of the tubular element can be different or the same, ie mirror-symmetrical, the mirror plane being arranged perpendicular to the X axis in the region of the minimum wall thickness.
  • the mirror-symmetrical increase in both directions is preferred according to the invention, since the effect of avoiding torn off parts is then particularly great. It is also preferred that the cross-sectional transitions run radially towards the respective end regions of the tubular element, that is to say are provided with specific radii in order to avoid excessive notch stresses that would affect the tubular element at these points. in particular in the event of mechanical loads or vibrations of the assembly or of the connecting element, unwanted cracking or breaking.
  • the area of the minimum wall thickness of the tubular element can be designed as an area with constant wall thickness. It is preferred that the cross-sectional transitions run radially from the area with minimal wall thickness to the areas in which the wall thickness increases, i.e. are provided with certain radii. In one embodiment, such an area with constant wall thickness can also be omitted, i.e. in the area of the minimum wall thickness, the areas in which the wall thickness increases meet one another, likewise preferably with a radial cross-sectional transition.
  • the two opposite end regions of the tubular element preferably each merge into flanges which extend in the direction of the housing and perpendicular to the X axis.
  • the interruption switching element according to the invention has at least one chamber which is at least partially delimited by the isolating area.
  • the at least one chamber is preferably filled with an extinguishing agent, so that the separation area is in contact with the extinguishing agent.
  • the at least one chamber is preferably located within the cavity of the tubular element of the partition, i. is enclosed by the separation area.
  • the interrupt switching element according to the invention can have a further chamber which adjoins the outer region of the tubular element of the separating region. In other words, the tubular element delimits the at least one chamber from the further chamber.
  • the outer periphery of the further chamber is preferably delimited by the housing of the interruption switching element.
  • the further chamber is preferably also filled with an extinguishing agent.
  • the filling of the cavity of the tubular element can, however, also be omitted, in this case only the further chamber outside the tubular connecting element is filled with an extinguishing agent. With very small currents to be separated in connection with very small circuit inductances, however, this can Extinguishing agents are also completely omitted, the enclosed air is then sufficient for the separation process.
  • the extinguishing agent can be a solid, powdery or a liquid medium.
  • the extinguishing agent is preferably a vaporizable or gasifiable medium (e.g. boric acid; under the influence of the arc, this powder changes directly from the powdery phase into gas, where it absorbs energy and thus depletes the arc).
  • the extinguishing agent is preferably a liquid medium which, when the boiling or evaporation temperature is reached, changes completely or partially into a gaseous state.
  • the extinguishing agent also has good electrical insulating properties so that the arc can be extinguished after the two separated parts of the separation area have been sufficiently removed and there is then sufficient insulation between the separated contacts against a current flow that is then undesirable here.
  • the extinguishing agent is preferably an oil with or without a thickener, for example silicone oil, or a silane or polysiloxane, for example hexasilane or pentasilane, with as little as possible or, even better, without a carbon atom content.
  • the interruption switching element according to the invention has a sabot that can be moved from an initial position to an end position, with an isolation distance between the first and second connection contacts being achieved in the end position of the sabot.
  • the sabot has the task of separating the two separate parts of the separating area from one another by performing a mechanical movement through the application of pressure which removes part of the separated separating area from the other part of the separated separating area. In this way, a safety distance is established between the two separate parts of the separation area.
  • the tripping of the interruption switch according to the invention i. the process of transition from the control position to the disconnected position can be passive or active.
  • the interrupting switching element be an activatable material includes.
  • the activatable material is preferably arranged such that when the pyrotechnic material is ignited, a gas pressure or shock wave generated by the activatable material is applied to the separating area, so that the separating area is torn open, depressed or separated.
  • the sabot is preferably designed in such a way that, when the activatable material is ignited, a gas pressure or shock wave generated thereby is applied to it in such a way that the sabot in the housing moves in one direction of movement from the starting position to the end position and the separation area is torn open. pushed in or separated.
  • the activatable material can be a pyrotechnic material that has a detonating or deflagrating effect.
  • the pyrotechnic material is preferably present in the interruption switching element according to the invention in a so-called mini-tonator, or an igniter pill, but can also be introduced in a different form.
  • the separation area, the sabot and the extinguishing agent are designed in such a way that the separation area is caused by the supplied current when a threshold current strength is exceeded by heating at or above the melting point of the material of the connecting element can be separated into at least two parts, with an arc occurring between the two parts of the separation area evaporating the extinguishing agent so that a gas pressure acting on the sabot is created, the sabot in the housing being moved again in one direction of movement from the starting position into the end position.
  • the separation area can also have one or more predetermined breaking points, which can be in the form of a constriction, notch, groove or hole.
  • the predetermined breaking point is preferably in the form of a bore through the wall of the tubular element of the separating region. In this way, the bore connects the at least one chamber with the further chamber. It is easier in this way in the manufacture of the interruption switching element according to the invention Filling extinguishing agent into the at least one chamber within the tubular element.
  • the contact unit can have an upsetting area.
  • the compression area can be designed in such a way that it surrounds yet another chamber.
  • the compression area can be designed in such a way that it is compressed during the separation process of the separation area.
  • the material of the upsetting area is a readily deformable, possibly also soft-annealed material in order to improve the folding behavior of the upsetting area.
  • the compression area can be designed such that the wall of the compression area is folded, preferably folded in a meandering manner, as a result of the compression movement.
  • the compression area can be designed so that it is compressed when the sabot moves from the starting position into the end position, the compression area preferably being designed as a tubular or rod-shaped element, the axial direction of which runs along an axis X, with the tubular or rod-shaped element can have one or more tapers in its cross-sectional diameter, the cross-sectional diameter being defined perpendicular to the X-axis.
  • the compression area like the separation area of the connecting element, can therefore be present as a tubular element. All preferred embodiments with regard to the tubular element of the separating area also apply to the tubular element of the upsetting area.
  • the upsetting area can, however, also be designed as a rod-shaped element, the outer surface of which can in principle run in the same way as when it is designed as a tubular element.
  • the rod-shaped element can have one or more tapers based on its cross-sectional diameter.
  • a linear or stepwise change in the wall thickness or the diameter in the direction of the X-axis of the upsetting area can prevent the material from tearing open too violently with a corresponding splintering effect. In this way, it can be avoided that splinter parts arise.
  • splinters of the compression area can be torn away during the transition from the control position to the separation position can be largely avoided, so that the already separated contact of the interruption switching element cannot be electrically contacted to the housing, so that no short circuit can occur within the switch.
  • connecting element that are not as ductile as the E-copper usually used here.
  • a hard aluminum must be used as the material for the connecting element, which would break up immediately into many small splinters during the folding process, even if the connecting element was soft annealed after its manufacture.
  • F crit 4 * pi 2 / L 2 * E * I with the clamped length L, the modulus of elasticity of the bar material E. and the axial geometrical moment of inertia I of the rod cross-section.
  • the greatest possible compression length L is desired in order to be able to plastically convert as much of the energy introduced into the assembly / disconnector as possible.
  • the available upsetting length L is, as it were, divided into several smaller upsetting sections, the upsetting areas of which are then predetermined by the changes in cross section.
  • the still further chamber of the compression area can also be completely filled with an extinguishing agent. It is preferred that there is a connection in the form of a channel between the still further chamber and the at least one chamber.
  • the movement of the sabot and / or the upsetting process of the upsetting area reduces the volume of the still further chamber in such a way that the extinguishing agent is injected through the channel between the at least two parts of the separating area.
  • the extinguishing agent can be pressed from the still further chamber via the channel into the at least one chamber during the upsetting process and thus further effectively prevents or cools any arc that may still be at the separation area.
  • the extinguishing agent that may already have partially decomposed in the at least one chamber is diluted by the newly flowing extinguishing agent and thus the insulating properties of the "stressed" extinguishing agent are also improved.
  • the illustrated embodiment of an interruption switching element 1 comprises a housing 2 in which a contact unit 3 is arranged.
  • the housing 2 is designed in such a way that it withstands a pressure generated within the housing 2, which is generated, for example, in the event of a pyrotechnical triggering of the interruption switching element 1, without the risk of damage or even bursting.
  • the housing 2 can in particular consist of a suitable material, preferably steel.
  • the contact unit 3 is designed as a switching tube that can be pressed by the sabot 9 in the compression region 12, so that it is configured as a tube in the separating 6 and compression region 12.
  • the contact unit 3 has a first connection contact 4.
  • the first connection contact 4 is adjoined by a radially outwardly extending flange which is supported on an annular insulator element made of an insulating material, for example a plastic, in such a way that the contact unit 3 cannot be moved out of the housing 2 in the axial direction.
  • the contact unit 3 has an upsetting area 12 adjoining the flange in the axis of the contact unit 3.
  • the wall thickness of the contact unit in the upsetting area 12, which has a predetermined axial extent, is selected and coordinated with the material so that if the interruption switching element 1 is triggered as a result of a plastic deformation of the contact unit 3 in the upsetting area 12, the upsetting area 12 is shortened in the axial direction by a predetermined distance.
  • a flange 13 adjoins the upsetting region 12, on which a sabot 9 is seated in the illustrated embodiment.
  • the sabot 9 is designed as an electrically insulating element, for example a suitable plastic, preferably made of ceramic. This engages around the contact unit 3 in such a way that an insulating area of the sabot 9 engages between the outer circumference of the flange 13 and the inner wall of the housing 2. If pressure acts on the surface of the sabot 9, a force is generated which compresses the compression area 12 of the contact unit 3 via the flange 13.
  • the sabot 9 can be selected so that its outer diameter essentially corresponds to the inner diameter of the housing 2, so that an axial guidance of the flange 13 and thus also an axially guided compression movement is achieved during the switching process.
  • the noses of the insulator element and the sabot 9, which are close to the housing 2 fully overlap one another, so that the upsetting area 12, which is pushed together in a meandering shape after the triggering and the upsetting process, is fully enclosed by electrically insulating materials.
  • a separating area 6 adjoins the sabot 9 or the flange 13 of the contact unit 3.
  • the second connection contact 5 then connects on this side of the contact unit 3.
  • the sabot 9 is pushed onto the contact unit 3 from the side of the connection contact 5 when the interruption switching element 1 is installed. This is divided for this purpose (not shown). If the second connection contact 5 is not divided or if it is in one piece the same as the contact unit 3, as shown, the sabot 9 must either be molded on or made in several parts in order to be able to assemble it.
  • an activatable material 10 can be provided, here often also housed in a mini-tonator or an ignition screw (drive). Electrical connection lines for the drive can be led to the outside through an opening in the interior of the contact unit 3.
  • the drive is preferably provided in a chamber 7 within the tubular element of the separating region 6. Another chamber 8 is located between the outer wall of a separating area 6 and the housing 2.
  • the separation area 6 is dimensioned so that it at least partially tears open by the generated gas pressure or the generated shock wave of a drive, but preferably tears completely, so that the pressure or the shock wave also flows out of the chamber 7 into the outer annular space, which is preferably designed as a surrounding annular space Chamber 8 can expand.
  • the chambers 7 and 8 are connected to one another in this way to form a volume.
  • the internal pressure required for upsetting the contact unit 3 can also be generated in such a way that, at a certain threshold current strength, the separating area 6 melts and an arc is formed between them, which evaporates an extinguishing agent located in the chambers 7 and / or 8.
  • the wall of the contact unit 3 in the separating area 6 can also have one or more openings or bores and / or grooves (not shown in FIG Fig. 1 ). It must be ensured here that the material of the separating region 6 separates the operating current well, that is to say, taking into account heat dissipation, does not become too hot in order not to allow the material to age too quickly or too strongly.
  • a pressure or even a shock wave is generated on the side of the sabot 9 facing away from the upsetting region 12, as a result of which the sabot 9 is subjected to a corresponding axial force.
  • This force is selected by suitable dimensioning of the activatable material 10 such that the contact unit 3 is plastically deformed or pressed in in the compression region 12, but not torn and then the sabot 9 is moved in the direction of the first connection contact 4.
  • the activatable material 10 is dimensioned in such a way that after the separation area 6 is broken open or pressed in, the movement of the sabot 9 causes the two separation halves sufficiently far away from each other, in conjunction with the evaporation of an extinguishing agent, then even to an end position.
  • the separating area 6 is at least partially torn open or pressed in, preferably completely torn open. If the tearing or pushing in does not take place before the start of the axial movement of the sabot 9 over the complete circumference of the separating area 6, a remainder of the separating area 6, which still causes electrical contact, is completely torn open by the axial movement of the sabot 9, reinforced by the very rapid heating of the then only small residual cross-section of the conductor due to the high electrical current flowing here.
  • the interruption switch 1 after Fig. 1 is structured in the same way as that in Fig. 1 Interrupting circuit shown in the DE 10 2017 123 021 A1 , with the difference according to the invention that the separating area 6 is not a tubular element with the same wall thickness throughout, but that the tubular element has a minimum wall thickness in an area between the flange-side end areas, which increases in the direction of the flange-side end areas.
  • the wall thickness increases essentially linearly, and both areas in which the wall thickness increases are mirror-symmetrical to one another, as is also the case, for example, in FIG Figure 2b is shown.
  • the Figures 2a and 2b show the partial area of a contact unit 3 in which the separation area and the flanges 14 and 15 adjoining it are present.
  • the length L is the extension of the separating area in the direction of the axis X.
  • the separating area has an area with minimal wall thickness, which increases in the direction of the flange-side end areas, ie towards the flanges 14 and 15.
  • the radii R1 and R2 represent the radii of the cross-sectional transitions between the separation area and the adjoining flanges 14 and 15.
  • the radius R3 in FIG Figure 2b represents the radius of the cross-sectional transition in the area of the minimum wall thickness to the areas of increasing wall thickness. The same applies to the radii R4 and R5 in the Fig.
  • the area of the minimum wall thickness can also be cylindrical in length and only then into the areas of increase go over the wall thickness.
  • Figure 2b shows an embodiment in which such a cylindrical area is not present.
  • the thickness s in Fig. 2a indicates the minimum wall thickness in the cylindrical area.
  • the angles w3 and w4 can be different, ie the increase in wall thickness in the direction of the two flange-side ends of the separation area need not be the same on both sides.
  • the increase in wall thickness can also take place uniformly in the direction of both flange-side ends of the separation region, as in FIG Figure 2b shown.
  • the angles w1 and w2 are consequently the same size here.
  • Fig. 2a shows a hole as a predetermined breaking point 11 in the separation area with the diameter d.
  • the Fig. 3a and 3b show the partial area of a contact unit 3 in which the upsetting area 12 and the flanges 13 and 17 adjoining it are present.
  • the length L2 is the extent of the compression area in the direction of the axis X.
  • the compression area has an area with minimal wall thickness which increases in the direction of the flange-side end areas, ie towards the flanges 13 and 17.
  • the radii R1 and R2 represent the radii of the cross-sectional transitions between the upsetting area and the adjoining flanges.
  • the radii R3 in Fig. 3 represent the radii of the cross-sectional transitions in the area of the minimum wall thickness to the areas of increasing wall thickness.
  • the area of the minimum wall thickness can also be cylindrical in a length t and only then merge into the areas of increase or decrease in wall thickness.
  • Fig. 3a shows an embodiment in which such a cylindrical area is not present.
  • the thickness s again indicates the minimum wall thickness in the cylindrical area.
  • the angles w3 and w4 can again be different (not shown here), ie the increase in wall thickness in the direction of the two flange-side ends of the upsetting area does not have to be the same on both sides.
  • the increase in wall thickness can also take place uniformly in the direction of both ends of the upsetting region on the flange side, as in FIG Fig. 3 shown.
  • the angles w1 and w2 are consequently the same size here.

Landscapes

  • Arc-Extinguishing Devices That Are Switches (AREA)
  • Circuit Breakers (AREA)
  • Fuses (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Unterbrechungsschaltglied, insbesondere zum Unterbrechen von hohen Strömen bei hohen Spannungen, mit einem Gehäuse, das eine den Strompfad durch das Unterbrechungsschaltglied definierende Kontakteinheit umgreift, wobei die Kontakteinheit einen ersten und zweiten Anschlusskontakt und einen Trennbereich aufweist, wobei die Kontakteinheit so ausgebildet ist, dass ihr über den ersten Anschlusskontakt ein Strom zuführbar und von ihr über den zweiten Anschlusskontakt abführbar ist, oder umgekehrt, wobei der Trennbereich als rohrförmiges Element ausgestaltet ist, dessen axiale Erstreckungsrichtung entlang einer Achse X verläuft, wobei das rohrförmige Element entlang einer Ebene senkrecht zur Achse X in zwei Teile auftrennbar ist, wodurch der Strom zwischen dem ersten und dem zweiten Anschlusskontakt unterbrochen wird, wobei das rohrförmige Element entlang der Erstreckungsrichtung der Achse X zwei gegenüberliegende Endbereiche aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das rohrförmige Element in einem Bereich zwischen den Endbereichen eine minimale Wandstärke aufweist, die jeweils in Richtung der Endbereiche zunimmt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein elektrisches Unterbrechungsschaltglied, insbesondere zum Unterbrechen von hohen Strömen bei hohen Spannungen, mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
  • Derartige Unterbrechungsschaltglieder 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. Eine Anforderung an solche Schaltglieder besteht darin, dass kein(e) Heißgas, Partikel, Wurfstücke oder Plasma aus diesen austreten. Weiterhin sollen solche Schaltglieder nach der Trennung den Isolationswiderstand sicherstellen.
  • 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, werden bereits Schaltglieder mit einem Kontaktrohr mit einem Trennbereich in Form eines Hohlzylinders eingesetzt, wobei der Hohlzylinder zur Trennung des Stromkreises entlang seiner Querschnittsfläche vollständig aufgerissen, aufgeschmolzen oder aufgebrochen wird, und beide Enden des Hohlzylinders mechanisch voneinander entfernt werden. Zum Aufreißen oder Aufbrechen des Hohlzylinders wird hierbei oft ein aktivierbarer Antrieb verwendet, der sich im Hohlraum des Hohlzylinders befindet. Es wurde jedoch festgestellt, dass durch das Zünden des aktivierbaren Antriebs oder durch das Entstehen des Lichtbogens und des damit verbundenen Druckaufbaus durch Verdampfen des umgebenden Löschmediums oft relativ große Teile des Trennbereichs losgerissen werden, die dann in anderen Teilen des Unterbrechungsschaltglieds durch unerwünschte Überbrückung zweier spannungsführender Bereiche einen Kurzschluss auslösen können.
  • 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 beim Übergang von der Leitstellung in die Trennstellung möglichst keine oder nur wenige und wenn, dann nur kleine leitende Bruchstücke im Inneren frei werden, die einen Kurzschluss hervorrufen können.
  • 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 auf, das eine den Strompfad durch das Unterbrechungsschaltglied definierende Kontakteinheit umgreift, d.h. die Kontakteinheit wird von dem Gehäuse umgeben. Die Kontakteinheit weist einen ersten und einen zweiten Anschlusskontakt und einen Trennbereich auf. Die Kontakteinheit ist so ausgebildet, dass ihr über den ersten Anschlusskontakt ein Strom zuführbar und von ihr über den zweiten Anschlusskontakt abführbar ist, oder umgekehrt. Der Trennbereich ist als rohrförmiges Element ausgestaltet, dessen axiale Erstreckungsrichtung entlang einer Achse X verläuft, wobei das rohrförmige Element entlang einer Ebene senkrecht zur Achse X in zwei Teile auftrennbar ist, wodurch der Strom zwischen dem ersten und dem zweiten Anschlusskontakt unterbrochen wird. Das rohrförmige Element weist entlang der Erstreckungsrichtung der Achse X zwei gegenüberliegende Endbereiche auf.
  • Das erfindungsgemäße Unterbrechungsschaltglied ist dadurch gekennzeichnet, dass das rohrförmige Element in einem Bereich zwischen den Endbereichen eine minimale Wandstärke aufweist, die jeweils in Richtung der Endbereiche zunimmt, wobei vorzugsweise hiervon die Bereiche des rohrförmigen Elements ausgenommen sind, bei denen die Querschnitte hin zu den Endbereichen radial zunehmen (im Folgenden "radial verlaufende Querschnittsübergänge" genannt). In anderen Worten weist das rohrförmige Element zwischen den Endbereichen einen Bereich mit einer Verjüngung der Wandstärke auf, insbesondere nicht nur zwischen den Endbereichen, sondern in einem Bereich zwischen den radial verlaufenden Querschnittsübergängen. Vorzugsweise also weist das rohrförmige Element in einem Bereich zwischen den radial verlaufenden Querschnittsübergängen angrenzend zu den jeweiligen Endbereichen eine minimale Wandstärke auf, die jeweils in Richtung der Querschnittsübergänge zunimmt.
  • Durch die Zunahme der Wandstärke kann anders als bei einer gleich bleibenden Wandstärke, beim Übergang von der Leitstellung in die Trennstellung das Losreißen von Teilen des Trennbereichs größtenteils vermieden werden, so dass innerhalb des Unterbrechungsschaltglieds keine größeren elektrisch leitenden Teile zum elektrischen Überbrücken unerwünschter Bereiche zur Verfügung stehen. Das Risiko des Auftretens eines inneren Kurzschlusses im erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltglied kann auf diese Weise minimiert oder sogar vollständig verhindert werden.
  • Es werden hierdurch keine größeren Teile aus dem rohrartigen Verbindungselement herausgerissen, sondern das Material an der Trennstelle Richtung dickerer Wandstärke bzw. Richtung Endbereiche quasi aufgebördelt bzw. aufgerollt, es verbleibt damit auch nach der Trennung an den rohrförmigen Endstücken.
  • Das rohrförmige Element weist vorzugsweise eine ringartig geschlossene Querschnittsfläche auf, die sich vorzugsweise senkrecht zur axialen Erstreckungsrichtung (Achse X) befindet. Die Querschnittsfläche kann jede beliebige Form aufweisen, beispielsweise kreisringförmig, elliptisch, beliebig ringförmig ohne oder mit ein oder mehreren Ecken, dreieckig, viereckig, fünfeckig, sechseckig oder vieleckig, wobei eine kreisringförmige Querschnittsfläche bevorzugt ist.
  • Die Zunahme der Wandstärke kann in axialer Erstreckung des rohrförmigen Elements kontinuierlich oder diskontinuierlich, d.h. beispielsweise stufenförmig, sein, wobei eine kontinuierliche Zunahme bevorzugt ist. Die kontinuierliche Zunahme kann linear oder progressiv erfolgen. Es ist erfindungsgemäß bevorzugt, dass die Wandstärke in Richtung der Endbereiche des rohrförmigen Elements jeweils kegelförmig zunimmt. Weiterhin ist es bevorzugt, dass das rohrförmige Element derart ausgestaltet ist, dass es in jeder Ebene senkrecht zur Achse X eine Querschnittsfläche gleicher Form aufweist. Weiterhin kann die Zunahme der Wandstärke in den beiden Richtungen zu den der Endbereichen des rohrförmigen Elements hin unterschiedlich oder gleich, d.h. spiegelsymmetrisch verlaufen, wobei die Spiegelebene im Bereich der minimalen Wandstärke senkrecht zur Achse X angeordnet ist. Die spiegelsymmetrische Zunahme in beiden Richtungen ist erfindungsgemäß bevorzugt, da dann die Wirkung der Vermeidung von abgerissenen Teilen besonders groß ist. Auch ist es bevorzugt, dass die Querschnittsübergänge hin zu den jeweiligen Endbereichen des rohrförmigen Elements radial verlaufen, d.h. mit bestimmten Radien versehen sind, um hier zu hohe Kerbspannungen zu vermeiden, die das rohrförmige Element an diesen Stellen, insbesondere bei mechanischen Belastungen bzw. Vibrationen der Baugruppe bzw. des Verbindungselementes, unerwünscht an- oder aufbrechen könnten.
  • Der Bereich der minimalen Wandstärke des rohrförmigen Elements kann als Bereich mit gleichbleibender Wandstärke ausgebildet sein. Dabei ist es bevorzugt, dass die Querschnittsübergänge von dem Bereich mit minimaler Wandstärke hin zu den Bereichen, in denen die Wandstärke zunimmt, radial verlaufen, d.h. mit bestimmten Radien versehen sind. In einer Ausführungsform kann ein solcher Bereich mit gleichbleibender Wandstärke auch entfallen, d.h. in dem Bereich der minimalen Wandstärke treffen die Bereiche, in denen die Wandstärke zunimmt, aufeinander, ebenso vorzugsweise mit einem radial verlaufenden Querschnittsübergang.
  • Die beiden gegenüberliegenden Endbereiche des rohrförmigen Elements gehen vorzugsweise jeweils in Flansche über, die sich in Richtung des Gehäuses und senkrecht zur Achse X erstrecken.
  • In einer Ausgestaltung weist das erfindungsgemäße Unterbrechungsschaltglied mindestens eine Kammer auf, die zumindest teilweise von dem Trennbereich begrenzt wird. Die mindestens eine Kammer ist vorzugsweise mit einem Löschmittel gefüllt, so dass der Trennbereich mit dem Löschmittel im Kontakt steht. Die mindestens eine Kammer befindet sich vorzugsweise innerhalb des Hohlraums des rohrförmigen Elements des Trennbereichs, d.h. wird von dem Trennbereich umschlossen. Weiterhin kann das erfindungsgemäße Unterbrechungsschaltglied eine weitere Kammer aufweisen, die an den äußeren Bereich des rohrförmigen Elements des Trennbereichs angrenzt. In anderen Worten grenzt das rohrförmige Element die mindestens eine Kammer von der weiteren Kammer ab. Die weitere Kammer wird in ihrem äußeren Umfang vorzugsweise von dem Gehäuse des Unterbrechungsschaltglieds begrenzt. Die weitere Kammer ist vorzugsweise ebenso mit einem Löschmittel gefüllt.
  • Die Füllung des Hohlraums des rohrförmigen Elements kann jedoch auch entfallen, in diesem Fall ist nur die weitere Kammer außerhalb des rohrförmigen Verbindungselements mit einem Löschmittel gefüllt. Bei sehr kleinen zu trennenden Strömen in Verbindung mit sehr kleinen Stromkreisinduktivitäten kann aber das Löschmittel auch ganz entfallen, hier reicht dann die umschlossene Luft für den Trennvorgang aus.
  • Das Löschmittel kann ein festes, pulverförmiges oder ein flüssiges Medium sein. Vorzugsweise ist das Löschmittel ein verdampfbares oder vergasbares Medium (z.B. Borsäure; dieses Pulver geht bei Lichtbogeneinfluss direkt aus der pulverförmigen Phase in Gas über, wobei es Energie aufnimmt und so den Lichtbogen verarmt). 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 gut 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 mit oder ohne Verdickungsmittel, beispielsweise Silikonöl, oder ein Silan bzw. Polysiloxan, beispielsweise Hexasilan oder Pentasilan mit möglichst wenig oder noch besser ohne Kohlenstoffatomanteil.
  • In einer Ausgestaltung weist das erfindungsgemäße Unterbrechungsschaltglied einen Treibspiegel auf, der aus einer Ausgangsposition in eine Endposition bewegbar ist, wobei in der Endposition des Treibspiegels ein Isolationsabstand zwischen dem ersten und dem zweiten Anschlusskontakt erreicht ist. Der Treibspiegel hat die Aufgabe, die beiden getrennten Teile des Trennbereichs voneinander zu trennen, indem er durch Druckbeaufschlagung eine mechanische Bewegung durchführt, die einen Teil des getrennten Trennbereichs von dem anderen Teil des getrennten Trennbereichs entfernt. Auf diese Weise wird ein Sicherheitsabstand zwischen den beiden getrennten Teilen des Trennbereichs hergestellt.
  • Die Auslösung des erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltglieds, d.h. des Vorgangs des Übergangs von der Leitstellung in die Trennstellung, kann passiv oder aktiv erfolgen.
  • Soll die Auslösung des erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltglieds aktiv erfolgen, so ist es bevorzugt, dass das Unterbrechungsschaltglied ein aktivierbares Material umfasst. Das aktivierbare Material ist vorzugsweise so angeordnet, dass bei dem Zünden des pyrotechnischen Materials der Trennbereich mit einem durch das aktivierbare Material erzeugtem Gasdruck oder Stoßwelle beaufschlagt wird, so dass der Trennbereich aufgerissen, eingedrückt oder getrennt wird. Dabei ist der Treibspiegel vorzugsweise derart ausgestaltet, dass er bei einem Zünden des aktivierbaren Materials derart mit einem/r dadurch erzeugten Gasdruck oder Stoßwelle beaufschlagt wird, dass der Treibspiegel im Gehäuse in einer Bewegungsrichtung aus der Ausgangsposition in die Endposition bewegt und dabei der Trennbereich aufgerissen, eingedrückt oder getrennt wird.
  • Das aktivierbare Material kann ein pyrotechnisches Material sein, das detonativ oder deflagrierend wirkt. Das pyrotechnische Material ist in dem erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltglied vorzugsweise in einem sogenannten Minidetonator, oder einer Anzünd- oder Zündpille vorhanden, kann jedoch auch in anderer Form eingebracht sein.
  • Soll die Auslösung des erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltglieds passiv, d.h. ohne ein aktivierbares Material zum erstmaligen Durchtrennen des Trennbereichs, erfolgen, so ist es bevorzugt, dass der Trennbereich, der Treibspiegel und das Löschmittel so ausgebildet sind, dass der Trennbereich durch den zugeführten Strom bei Überschreiten einer Schwellstromstärke durch Erhitzung an oder über den Schmelzpunkt des Materials des Verbindungselements in mindestens zwei Teile auftrennbar ist, wobei ein zwischen den zwei Teilen des Trennbereichs entstehender Lichtbogen das Löschmittel verdampft, sodass ein den Treibspiegel beaufschlagender Gasdruck entsteht, wobei der Treibspiegel im Gehäuse wieder in einer Bewegungsrichtung aus der Ausgangsposition in die Endposition bewegt wird.
  • Weiterhin kann der Trennbereich auch eine oder mehrere Sollbruchstellen aufweisen, die in Form einer Verengung, Kerbe, Nut oder Bohrung vorliegen kann. Vorzugsweise liegt die Sollbruchstelle in Form einer Bohrung durch die Wand des rohrförmigen Elements des Trennbereichs vor. Auf diese Weise verbindet die Bohrung die mindestens eine Kammer mit der weiteren Kammer. Es ist auf diese Weise bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltglieds leichter ein Löschmittel in die mindestens eine Kammer innerhalb des rohrförmigen Elements einzufüllen.
  • Nach einer Ausgestaltung der Erfindung kann die Kontakteinheit einen Stauchbereich aufweisen. Der Stauchbereich kann derart gestaltet sein, dass er eine noch weitere Kammer umgibt. Der Stauchbereich kann so gestaltet sein, dass er während des Auftrennvorgangs des Trennbereichs gestaucht wird. Es ist bevorzugt, dass das Material des Stauchbereichs ein gut verformbares, evtl. auch weichgeglühtes Material ist, um das Faltverhalten des Stauchbereichs zu verbessern. Der Stauchbereich kann hinsichtlich des Materials und der Geometrie so ausgelegt werden, dass die Wandung des Stauchbereichs infolge der Stauchbewegung gefaltet, vorzugsweise mäanderförmig gefaltet wird.
  • In einer Ausgestaltung der Erfindung kann der Stauchbereich so ausgebildet sein, dass er bei der Bewegung des Treibspiegels von der Ausgangsposition in die Endposition gestaucht wird, wobei der Stauchbereich vorzugsweise als rohrförmiges oder stabförmiges Element ausgestaltet ist, dessen axiale Erstreckungsrichtung entlang einer Achse X verläuft, wobei das rohrförmige oder stabförmige Element eine oder mehrere Verjüngungen in seinem Querschnittsdurchmesser haben kann, wobei der Querschnittsdurchmesser senkrecht zur Achse X definiert ist. Der Stauchbereich kann also ebenso wie der Trennbereich des Verbindungselements als rohrförmiges Element vorliegen. Alle bevorzugten Ausführungsformen im Hinblick auf das rohrförmige Element des Trennbereichs gelten auch für das rohrförmige Element des Stauchbereichs. Der Stauchbereich kann aber auch als stabförmiges Element ausgebildet sein, dessen äußere Oberfläche prinzipiell genauso verlaufen kann, wie wenn er als rohrförmiges Element ausgebildet ist. In anderen Worten kann das stabförmige Element eine oder mehrere Verjüngungen bezogen auf seinen Querschnittsdurchmesser aufweisen. Durch eine lineare oder stufenweise Veränderung der Wandstärke oder des Durchmessers in Richtung der X-Achse des Stauchbereichs kann ein zu heftiges Aufreißen des Materials mit entsprechender Splitterwirkung verhindert werden. Auf diese Weise kann vermieden werden, dass Splitterteile entstehen. Durch die eine oder mehrere Verjüngungen kann anders als bei einer entlang der Achse X gleichbleibenden Querschnittsfläche beim Übergang von der Leitstellung in die Trennstellung das Losreißen von Splittern des Stauchbereichs größtenteils vermieden werden, so dass der bereits getrennte Kontakt des Unterbrechungsschaltglieds nicht zum Gehäuse hin elektrisch kontaktiert werden kann, so dass keine Kurschluss innerhalb des Schalters entstehen kann.
  • Das ist insbesondere bei Verwendung von Materialien für das Verbindungselement von Vorteil bzw. großer Bedeutung, die nicht so gut duktil sind wie das üblicherweise hier verwendete E-Kupfer. Beispielsweise muss für die Bearbeitung von Aluminium als Werkstoff für das Verbindungselement ein hartes Aluminium verwendet werden, das beim Faltvorgang sofort in viele kleine Splitter aufbrechen würde, selbst nach einem Weichglühen des Verbindungselements nach dessen Herstellung.
  • Die gezeigten Änderungen der Querschnittsflächen im Stauchbereich werden deshalb gewählt, um die Länge L des Stauchbereichs länger werden zu lassen bzw. nutzen zu können, bevor der Stauchbereich durch die Druckbelastung nicht stauchen, sondern knicken würde, was hier vollkommen unerwünscht wäre:
    Entsprechend dem vierten Eulerschen Knickfall (beide Enden des Knickstabes fest eingespannt und Druckbelastung auf den Stab) berechnet sich hier die kritische Knicklast zu Fkrit=4*pi2/L2*E*I mit der eingespannten Länge L, dem Elastizitätsmodul des Stabwerkstoffes E und dem axialen Flächenträgheitsmoment I des Stabquerschnittes. Beim Erreichen der kritischen Knicklast würde hier der Stab mittig ausknicken, bei Hohlkörpern ausbeulen - was hier vollkommen unerwünscht und sicher zu vermeiden ist, weil damit ein Kontakt des Trennschalters gegen das Gehäuse kurzschließen und einen Isolator umgehen würde.
  • Andererseits ist eine möglichst große Stauchlänge L erwünscht, um möglichst viel der in die Baugruppe / den Trennschalter eingebrachten Energie plastisch umwandeln zu können.
  • Durch die gezeigten Änderungen der Querschnittsflächen im Stauchbereich wird quasi die verfügbare Stauchlänge L in mehrere kleinere Stauchstrecken aufgeteilt, deren Stauchbereiche dann durch die Querschnittsänderungen vorgegeben sind.
  • Die oben geschilderten Vorgänge gelten sinngemäß für alle Stauchkörper, egal, ob deren Querschnitt voll ausgefüllt ist (hier tritt nur Knicken auf) oder ob ein rohrähnlicher Stauchelement (hier kann Knicken und Beulen auftreten) vorliegt!
  • Nach einer Ausgestaltung der Erfindung kann auch die noch weitere Kammer des Stauchbereichs vollständig mit einem Löschmittel gefüllt werden. Dabei ist es bevorzugt, dass zwischen der noch weiteren Kammer und der mindestens einen Kammer eine Verbindung in Form eines Kanals vorhanden ist. Durch die Bewegung des Treibspiegels und/oder den Stauchvorgang des Stauchbereichs wird das Volumen der noch weiteren Kammer derart verringert, dass das Löschmittel durch den Kanal zwischen die mindestens zwei Teile des Trennbereichs eingespritzt wird. Dadurch kann das Löschmittel aus der noch weiteren Kammer über den Kanal während des Stauchvorgangs in die mindestens eine Kammer gedrückt werden und unterbindet bzw. kühlt damit weiter effektiv den evtl. an dem Trennbereich noch stehenden Lichtbogen. Gleichzeitig wird das in der mindestens einen Kammer evtl. schon teilweise zersetzte Löschmittel durch das neu zuströmende Löschmittel verdünnt und so ebenfalls die Isoliereigenschaften des "gestressten" Löschmittels verbessert. In dieser Ausgestaltung der Erfindung kann es auch bevorzugt sein, dass nur die eine Kammer und die noch weitere Kammer sowie der verbindende Kanal mit einem Löschmittel gefüllt sind. Hier kann es bevorzugt sein, dass die weitere Kammer kein Löschmittel enthält.
  • 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 einzelnen in den Figuren beschriebenen Merkmale können - sofern technisch realisierbar - auch unabhängig voneinander in einem erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltglied Verwendung finden.
    • Fig. 1
    zeigt eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltglieds vor der Trennung des Trennbereichs (Leitstellung), der in der Form eines rohrförmigen Elements mit variierender Wandstärke vorliegt.
    Fig. 2a und 2b
    zeigen Ausschnitte einer Kontakteinheit eines erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltglieds im Bereich der Trennbereiche.
    Fig. 3a und 3b
    zeigen Ausschnitte einer Kontakteinheit eines erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltglieds im Bereich der Stauch bereiche.
  • Die in Fig. 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 9 im Stauchbereich 12 bedrückbares Schaltrohr ausgebildet, so dass es im Trenn- 6 und Stauchbereich 12 als Rohr ausgebildet ist. Die Kontakteinheit 3 besitzt im dargestellten Ausführungsbeispiel einen ersten Anschlusskontakt 4. An den ersten Anschlusskontakt 4 schließt ein sich radial nach außen erstreckender Flansch an, der sich an einem ringförmigen Isolatorelement, 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. Die Kontakteinheit 3 weist einen sich an den Flansch in der Achse der Kontakteinheit 3 anschließenden Stauchbereich 12 auf. Die Wandstärke der Kontakteinheit ist im Stauchbereich 12, 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 12 eine Verkürzung des Stauchbereichs 12 in axialer Richtung um eine vorbestimmte Wegstrecke ergibt.
  • An den Stauchbereich 12 schließt sich in axialer Richtung der Kontakteinheit 3 ein Flansch 13 an, auf dem im dargestellten Ausführungsbeispiel ein Treibspiegel 9 sitzt. Der Treibspiegel 9 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 13 und der Innenwandung des Gehäuses 2 ein isolierender Bereich des Treibspiegels 9 eingreift. Wirkt ein Druck auf die Fläche des Treibspiegels 9 ein, wird eine Kraft erzeugt, die über den Flansch 13 den Stauchbereich 12 der Kontakteinheit 3 zusammenpresst. Diese Kraft wird so gewählt, dass sich während des Auslösevorgangs des Unterbrechungsschaltglieds 1 ein Stauchen des Stauchbereichs 12 ergibt, wobei der Treibspiegel 9 aus seiner Ausgangslage (Status vor der Auslösung des Unterbrechungsschaltglieds 1 = Leitstellung) in eine Endposition (nach Beendigung des Schaltvorgangs = Trennstellung) bewegt wird.
  • Wie aus Fig. 1 ersichtlich, kann der Treibspiegel 9 so gewählt werden, dass dessen Außendurchmesser im Wesentlichen dem Innendurchmesser des Gehäuses 2 entspricht, so dass eine axiale Führung des Flanschs 13 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 und des Treibspiegels 9 voll übereinander, so dass der nach der Auslösung und dem Stauchvorgang mäanderförmig zusammengeschobene Stauchbereich 12 voll von elektrisch isolierenden Materialien umschlossen ist.
  • An den Treibspiegel 9 bzw. den Flansch 13 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 9 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 9 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 aktivierbares Material 10 vorgesehen sein, hier oft auch in einem Minidetonator oder einer Zünderschraube (Antrieb) untergebracht. Durch einen Durchbruch im Innenraum der Kontakteinheit 3 können elektrische Anschlussleitungen für den Antrieb nach außen geführt werden. Der Antrieb ist vorzugsweise in einer Kammer 7 innerhalb des rohrförmigen Elements des Trennbereichs 6 vorgesehen. Eine weitere Kammer 8 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 jedoch ganz aufreißt, so dass sich der Druck bzw. die Stoßwelle auch aus der Kammer 7 in die vorzugsweise als umgebenden Ringraum ausgestaltete äußere Kammer 8 ausbreiten kann. Die Kammern 7 und 8 werden auf diese Weise zu einem Volumen miteinander verbunden. Der für das Stauchen der Kontakteinheit 3 benötigte Innendruck kann auch derart erzeugt werden, dass bei einer bestimmten Schwellstromstärke der Trennbereich 6 aufschmilzt und sich dazwischen ein Lichtbogen bildet, der ein in den Kammern 7 und/oder 8 befindliches Löschmittel 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 (nicht gezeigt in Fig. 1). Hierbei ist sicherzustellen, dass das Material des Trennbereichs 6 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.
  • Bei einer Aktivierung des Unterbrechungsschaltglieds 1 wird also ein Druck oder sogar eine Stoßwelle an der dem Stauchbereich 12 abgewandten Seite des Treibspiegels 9 erzeugt, wodurch der Treibspiegel 9 mit einer entsprechenden Axialkraft beaufschlagt wird. Diese Kraft wird durch eine geeignete Dimensionierung des aktivierbaren Materials 10 so gewählt, dass die Kontakteinheit 3 im Stauchbereich 12 plastisch deformiert oder eingedrückt, jedoch nicht aufgerissen und danach der Treibspiegel 9 in Richtung auf den ersten Anschlusskontakt 4 bewegt wird. Das aktivierbare Material 10 wird dabei so dimensioniert, dass nach dem Aufbrechen bzw. Eindrücken des Trennbereichs 6 die Bewegung des Treibspiegels 9 die beiden Trennhälften ausreichend weit voneinander entfernt, im Zusammenwirken mit der Verdampfung eines Löschmittels dann sogar bis in eine Endposition.
  • Unmittelbar nach dem Aktivieren des aktivierbaren Materials 10 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 9 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 9 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.
  • Das Unterbrechungsschaltglied 1 nach Fig. 1 ist prinzipiell genauso aufgebaut wie das in Fig. 1 gezeigte Unterbrechungsschaltglied der DE 10 2017 123 021 A1 , mit dem erfindungsgemäßen Unterschied, dass der Trennbereich 6 nicht ein rohrförmiges Element mit einer durchgehend gleichen Wandstärke darstellt, sondern dass das rohrförmige Element in einem Bereich zwischen den flanschseitigen Endbereichen eine minimale Wandstärke aufweist, die jeweils in Richtung der flanschseitigen Endbereiche zunimmt. In Fig. 1 nimmt die Wandstärke im Wesentlichen linear zu, und beide Bereiche, in denen die Wandstärke zunimmt sind spiegelsymmetrisch zueinander ausgebildet, wie es beispielsweise auch in Fig. 2b gezeigt ist.
  • Die Fig. 2a und 2b zeigen den Teilbereich einer Kontakteinheit 3, in dem der Trennbereich und die daran anschließenden Flansche 14 und 15 vorliegen. Die Länge L ist die Erstreckung des Trennbereichs in Richtung der Achse X. Der Trennbereich weist einen Bereich mit minimaler Wandstärke auf, die in Richtung der flanschseitigen Endbereiche, d.h. zu den Flanschen 14 und 15 hin, jeweils zunimmt. Die Radien R1 und R2 stellen die Radien der Querschnittsübergänge zwischen dem Trennbereich und den anschließenden Flanschen 14 und 15 dar. Der Radius R3 in Fig. 2b stellt den Radius des Querschnittsübergangs im Bereich der minimalen Wandstärke zu den Bereichen der zunehmenden Wandstärken dar. Gleiches gilt für die Radien R4 und R5 in der Fig. 2a. Wie in Fig. 2a gezeigt, kann der Bereich der minimalen Wandstärke auch in einer Länge z zylinderförmig sein und erst dann in die Bereiche der Zunahme der Wandstärke übergehen. Fig. 2b hingegen zeigt eine Ausführungsform, in der so ein zylinderförmiger Bereich nicht vorhanden ist. Die Dicke s in Fig. 2a gibt die minimale Wandstärke im zylinderförmigen Bereich an. Wie in Fig. 2a gezeigt, können die Winkel w3 und w4 unterschiedlich sein, d.h. die Zunahme der Wandstärke in Richtung der beiden flanschseitigen Enden des Trennbereichs muss nicht auf beiden Seiten gleich sein. Die Zunahme der Wandstärke kann in Richtung beider flanschseitigen Enden des Trennbereichs auch gleichmäßig erfolgen, wie in Fig. 2b gezeigt. Hier sind die Winkel w1 und w2 folglich gleich groß. Fig. 2a zeigt eine Bohrung als Sollbruchstelle 11 im Trennbereich mit dem Durchmesser d.
  • Die Fig. 3a und 3b zeigen den Teilbereich einer Kontakteinheit 3, in dem der Stauchbereich 12 und die daran anschließenden Flansche 13 und 17 vorliegen. Die Länge L2 ist die Erstreckung des Stauchbereichs in Richtung der Achse X. Der Stauchbereich weist einen Bereich mit minimaler Wandstärke auf, die in Richtung der flanschseitigen Endbereiche, d.h. zu den Flanschen 13 und 17 hin, jeweils zunimmt. Die Radien R1 und R2 stellen die Radien der Querschnittsübergänge zwischen dem Stauchbereich und den anschließenden Flanschen dar. Die Radien R3 in Fig. 3 stellen die Radien der Querschnittsübergänge im Bereich der minimalen Wandstärke zu den Bereichen der zunehmenden Wandstärken dar. Wie in Fig. 3b gezeigt, kann der Bereich der minimalen Wandstärke auch in einer Länge t zylinderförmig sein und erst dann in die Bereiche der Zunahme oder Abnahme der Wandstärke übergehen. Fig. 3a hingegen zeigt eine Ausführungsform, in der so ein zylinderförmiger Bereich nicht vorhanden ist. Die Dicke s gibt wieder die minimale Wandstärke im zylinderförmigen Bereich an. Wie in Fig. 3 gezeigt, können die Winkel w3 und w4 wieder unterschiedlich sein (hier nicht gezeichnet), d.h. die Zunahme der Wandstärke in Richtung der beiden flanschseitigen Enden des Stauchbereichs muss nicht auf beiden Seiten gleich sein. Die Zunahme der Wandstärke kann in Richtung beider flanschseitigen Enden des Stauchbereichs auch gleichmäßig erfolgen, wie in Fig. 3 gezeigt. Hier sind die Winkel w1 und w2 folglich gleich groß.
    • Bezugszeichenliste:
    • 1
    Unterbrechungsschaltglied
    2
    Gehäuse
    3
    Kontakteinheit
    4
    erster Anschlusskontakt
    5
    zweiter Anschlusskontakt
    6
    Trennbereich
    7
    Kammer
    8
    weitere Kammer
    9
    Treibspiegel
    10
    aktivierbares Material
    11
    Sollbruchstelle
    12
    Stauchbereich
    13
    Flansch am Stauchbereich für Druckbeaufschlagung durch Treibspiegel
    14
    Flansch am Trennbereich
    15
    Flansch am Trennbereich
    17
    Flansch am Stauchbereich
    d
    Durchmesser einer Bohrung
    L
    Länge der Erstreckung des Trennbereichs in Richtung der Achse X
    L2
    Länge der Erstreckung des Stauchbereichs in Richtung der Achse X
    R1-R5
    Radien der Querschnittsübergänge
    s
    Dicke des Bereichs der minimalen Wandstärke
    t
    Länge der zylinderförmigen Bereiche mit minimaler Wandstärke im Stauchbereich
    w1-w4
    Winkel der linearen Zunahme der Wandstärke
    X
    Achse X
    z
    Länge des zylinderförmigen Bereichs mit minimaler Wandstärke im Trennbereich

Claims (10)

  1. Elektrisches Unterbrechungsschaltglied (1), insbesondere zum Unterbrechen von hohen Strömen bei hohen Spannungen,
    (a) mit einem Gehäuse (2), das eine den Strompfad durch das Unterbrechungsschaltglied (1) definierende Kontakteinheit (3) umgreift und
    (b) wobei die Kontakteinheit (3) einen ersten und zweiten Anschlusskontakt (4, 5) und einen Trennbereich (6) aufweist,
    (c) wobei die Kontakteinheit (3) so ausgebildet ist, dass ihr über den ersten Anschlusskontakt (4) ein Strom zuführbar und von ihr über den zweiten Anschlusskontakt (5) abführbar ist, oder umgekehrt,
    (d) wobei der Trennbereich (6) als rohrförmiges Element ausgestaltet ist, dessen axiale Erstreckungsrichtung entlang einer Achse X verläuft, wobei das rohrförmige Element entlang einer Ebene senkrecht zur Achse X in zwei Teile auftrennbar ist, wodurch der Strom zwischen dem ersten und dem zweiten Anschlusskontakt (4, 5) unterbrochen wird,
    (e) wobei das rohrförmige Element entlang der Erstreckungsrichtung der Achse X zwei gegenüberliegende Endbereiche aufweist,
    dadurch gekennzeichnet,
    (f) dass das rohrförmige Element in einem Bereich zwischen den Endbereichen eine minimale Wandstärke aufweist, die jeweils in Richtung der Endbereiche zunimmt.
  2. Unterbrechungsschaltglied (1) nach Anspruch 1, worin die Wandstärke in Richtung der Endbereiche kegelförmig zunimmt.
  3. Unterbrechungsschaltglied (1) nach Anspruch 2, worin die Zunahme der Wandstärke in Richtung der Endbereiche spiegelsymmetrisch verläuft, wobei die Spiegelebene im Bereich der minimalen Wandstärke senkrecht zur Achse X angeordnet ist.
  4. Unterbrechungsschaltglied (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin mindestens eine Kammer (7) im Unterbrechungsschaltglied (1), die zumindest teilweise von dem Trennbereich (6) begrenzt wird, mit einem Löschmittel gefüllt ist, so dass der Trennbereich (6) mit dem Löschmittel in Kontakt steht.
  5. Unterbrechungsschaltglied (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin das Unterbrechungsschaltglied einen Treibspiegel (9) aufweist, der aus einer Ausgangsposition in eine Endposition bewegbar ist, wobei in der Endposition des Treibspiegels (9) ein Isolationsabstand zwischen dem ersten und dem zweiten Anschlusskontakt (4, 5) erreicht ist.
  6. Unterbrechungsschaltglied (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, worin das Unterbrechungsschaltglied (1) ein aktivierbares Material (10) umfasst, das so angeordnet ist, dass bei dem Zünden des aktivierbaren Materials (10) der Trennbereich (6) mit einem durch das aktivierbare Material (10) erzeugten/r Gasdruck oder Stoßwelle beaufschlagt wird, so dass der Trennbereich (6) aufgerissen, eingedrückt oder getrennt wird.
  7. Unterbrechungsschaltglied (1) nach Anspruch 6, worin der Treibspiegel (9) derart ausgestaltet ist, dass er bei einem Zünden des aktivierbaren Materials (10) derart mit einem durch das aktivierbare Material erzeugten Gasdruck oder Stoßwelle beaufschlagt wird, dass der Treibspiegel (9) im Gehäuse (2) in einer Bewegungsrichtung aus der Ausgangsposition in die Endposition bewegt und dabei der Trennbereich (6) aufgerissen, eingedrückt oder getrennt wird.
  8. Unterbrechungsschaltglied (1) nach Anspruch 4 oder 5, worin der Trennbereich (6), der Treibspiegel (9) und das Löschmittel so ausgebildet sind, dass der Trennbereich (6) durch den zugeführten Strom bei Überschreiten einer Schwellstromstärke in mindestens zwei Teile auftrennbar ist, wobei ein zwischen den zwei Teilen des Trennbereichs (6) entstehender Lichtbogen das Löschmittel verdampft, sodass ein den Treibspiegel (9) beaufschlagender Gasdruck entsteht, wobei der Treibspiegel (9) im Gehäuse (2) in einer Bewegungsrichtung aus der Ausgangsposition in die Endposition bewegt wird.
  9. Unterbrechungsschaltglied (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, worin der Trennbereich (6) eine Sollbruchstelle (11) aufweist, die vorzugsweise in Form einer Bohrung durch die Wand des rohrförmigen Elements vorliegt.
  10. Unterbrechungsschaltglied nach einem der Ansprüche 5 bis 9, worin die Kontakteinheit (3) einen Stauchbereich (12) aufweist, der so ausgebildet ist, dass er bei der Bewegung des Treibspiegels (9) von der Ausgangsposition in die Endposition gestaucht wird, wobei der Stauchbereich als rohrförmiges oder stabförmiges Element ausgestaltet ist, dessen axiale Erstreckungsrichtung entlang einer Achse X verläuft, wobei das rohrförmige oder stabförmige Element eine oder mehrere Verjüngungen in seinem Querschnittsdurchmesser hat, wobei der Querschnittsdurchmesser in einer Ebene senkrecht zur Achse X ist.
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