EP3699945A1 - Elektrisches unterbrechungsschaltglied mit einem rohrförmigen oder stabförmigen stauchbereich mit variierendem querschnittsdurchmesser - Google Patents

Elektrisches unterbrechungsschaltglied mit einem rohrförmigen oder stabförmigen stauchbereich mit variierendem querschnittsdurchmesser Download PDF

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EP3699945A1
EP3699945A1 EP20157307.8A EP20157307A EP3699945A1 EP 3699945 A1 EP3699945 A1 EP 3699945A1 EP 20157307 A EP20157307 A EP 20157307A EP 3699945 A1 EP3699945 A1 EP 3699945A1
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EP
European Patent Office
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area
sabot
switching element
cross
designed
Prior art date
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Application number
EP20157307.8A
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Inventor
Peter Lell
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Original Assignee
Individual
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    • H01H85/02—Details
    • 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 that conducts the current and a separation area in the form of a hollow cylinder are used, the hollow cylinder being completely torn, melted or broken open 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.
  • interruption switching elements usually contain a sabot which is used to move the separated ends of the separating area away from one another. The sabot must compress a compression area of the contact tube.
  • the compression area is also often tubular or hollow-cylindrical and must be able to fold well during compression. It was found, however, that with the rapid movement of the sabot and the compression of the compression area, it often splinters and the housing can make inadmissible electrical contact; the insulation of the already separated connecting element can be bridged here.
  • 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 the material of the compression area is prevented from splintering during the transition from the control position to the disconnected position, so that no splinters can can short-circuit already separated and then electrically insulated from the housing contact of the assembly to the housing.
  • the present invention relates to an electrical interrupt switching element which is particularly suitable for interrupting high currents at high voltages. It has a housing which engages around a contact unit defining the current path through the interrupting switching element.
  • the contact unit has a first and second connection contact, a separation area and a compression 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 contact unit has a sabot or is connected to a sabot.
  • the sabot is designed such that it can be moved from an initial position to an end position by applying pressure, the separation area being separated in the end position of the sabot and an isolation distance being achieved between the first and second connection contacts.
  • the compression area is designed in such a way that it is compressed when the sabot moves from the starting position into the end position.
  • the interruption switching element according to the invention is characterized in that the upsetting area is designed as a tubular or rod-shaped element, the axial direction of extent of which runs along an axis X, the tubular or rod-shaped element having one or more tapering in its cross-sectional area along the axis X, with the cross-sectional area perpendicular to the X axis.
  • the one or more tapers unlike in the case of a constant cross-sectional area along the X axis, during the transition from the control position to the disconnected position, splinters of the compression area can be largely avoided, so that the already separated contact of the interruption switching element is not electrically contacted towards the housing can. As a result, no larger parts are torn out of the compression area, but rather the compression area is folded up without the formation of harmful splinters.
  • the tubular or rod-shaped element merges at its two opposite end regions into flanges which extend in the direction of the housing and perpendicular to the X axis.
  • the purpose of these flanges is that a force can be exerted on the upsetting area from the sabot in the direction of the axis X, i.e. the compression area can be compressed.
  • the cross-sectional area of the rod-shaped or tubular element can have any shape, for example circular, elliptical, any circular without or with one or more corners, triangular, square, pentagonal, hexagonal or polygonal, a circular cross-sectional area being preferred. If it is a tubular element, then one speaks of a circular cross-sectional area rather than a circular cross-sectional area.
  • a tapering of the cross-sectional area is understood here to mean that the cross-sectional area is smaller in a region of the compression region than in the adjoining regions (in the direction of the axis X).
  • the compression region has a region of minimal cross-sectional area, which preferably increases in the direction of the two end regions of the compression region.
  • the increase in the cross-sectional area can be continuous or discontinuous, that is to say for example step-shaped, in the axial extent of the rod-shaped or tubular element, a continuous increase being preferred.
  • the continuous increase can be linear or progressive. It is preferred according to the invention that the cross-sectional area increases conically in the direction of the end regions of the rod-shaped or tubular element.
  • the rod-shaped or tubular element is designed such that it has a cross-sectional area of the same shape (with a varying size of the area) in each plane perpendicular to the axis X.
  • the increase in the cross-sectional area in the two directions towards the end regions of the rod-shaped or tubular element can be different or the same, ie mirror-symmetrical, the mirror plane being arranged perpendicular to the X axis in the area of the minimum cross-sectional area. It is also preferred that the cross-sectional transitions to the respective end regions of the rod-shaped or tubular element are radial run, ie are provided with certain radii in order to avoid excessive notch stresses that could undesirably break or break the rod-shaped or tubular element at these points, especially in the case of mechanical loads or vibrations of the assembly or the connecting element.
  • the upsetting area has several tapers, preferably so that the area of the minimum cross-sectional area periodically alternates with areas of maximum cross-sectional area.
  • the upsetting area on the surface can be zigzag-shaped, step-shaped or in the form of an accordion. The latter is preferred if the compression area is designed as a tubular element.
  • the area of the minimum cross-sectional area of the rod-shaped or tubular element can be designed as an area with a constant cross-sectional area. It is preferred here that the cross-sectional transitions run radially from the area with the minimum cross-sectional area to the areas in which the cross-sectional area increases, i.e. are provided with certain radii. In one embodiment, such a region with constant cross-sectional area can also be omitted, i. E. in the area of the minimum cross-sectional area, the areas in which the cross-sectional area increases meet, likewise preferably with a radial cross-sectional transition.
  • 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 a cavity of the separating area, which is preferably designed as a tubular element, ie the at least one chamber is enclosed by the separating 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 from another 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 separating area can, however, also be omitted, in this case only the further chamber outside the tubular connecting element is filled with an extinguishing agent.
  • the extinguishing agent can also be completely omitted, here 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 sabot has the task of separating the two separate parts of the separating area from one another by applying pressure to perform a mechanical movement that 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 interruption switching element comprises an activatable material.
  • the activatable material is preferably arranged in such a way 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, depressed or separated, the sabot is moved and the compression area is compressed.
  • 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 interruption switching element according to the invention is to be triggered passively, i.e. without an activatable material for the first severing of the separating area
  • the separating area, the sabot and the extinguishing agent are designed in such a way that the separating area is caused by the supplied current when a threshold current strength is exceeded can be separated into at least two parts by heating at or above the melting point of the material of the connecting element, with an arc arising between the two parts of the separation area evaporating the extinguishing agent, so that a gas pressure is created which acts on the sabot, the sabot being moved and the compression area being compressed.
  • 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. In this way it is easier to fill an extinguishing agent into the at least one chamber within the tubular element during the production of the interruption switching element according to the invention.
  • the design of the upsetting area according to the invention is particularly advantageous or of great importance when using materials for the upsetting area which are not as ductile as the E-copper usually used here.
  • materials for the upsetting area which 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.
  • the upsetting area is designed as a tubular element.
  • the cavity inside the tubular element is referred to herein as yet another chamber.
  • the 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 interrupter switching element 1 comprises a housing 2 in which a contact unit 3 is arranged, which extends through the entire housing 2 and comprises the connection contacts 4 and 5, the separation area 6, the compression area 12 and the flanges 13 and 14 .
  • 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 in the illustrated embodiment as a through the sabot 9 is formed in the compression area 12 pressable switching tube, so that it is formed as a tube in the separating 6 and compression area 12.
  • the contact unit 3 has a first connection contact 4.
  • the first connection contact 4 is adjoined by a radially outwardly extending flange 14, which is supported on an annular insulator element made of an insulating material, for example a plastic, in such a way that 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 3 in the compression area 12, which has a predetermined axial extent, is selected and matched to the material that when the interruption switching element 1 is triggered as a result of a plastic deformation of the contact unit 3 in the compression area 12, the compression area 12 is shortened in the axial direction Direction by a predetermined distance results.
  • 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 F 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 forms between them, which causes an extinguishing agent located in the chambers 7 and / or 8 evaporates.
  • 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 has been broken open or pressed in, the movement of the sabot 9 moves the two separating halves sufficiently far apart, in cooperation with the evaporation of an extinguishing agent then even into 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 upsetting area 12 does not represent a tubular element with a consistently identical wall thickness, but that the tubular element is in an area between the flange-side end areas has several tapers in its cross-sectional diameter. In Fig. 1 the tapers repeat themselves periodically. In addition, the tapers are rounded, preferably in such a way that the surface of the tubular element forms a sinusoidal profile in cross section along the axis X.
  • the Figures 2 to 8 each show a partial area of a contact unit 3 in which the upsetting area 12 and the flanges 13 and 14 adjoining it are present.
  • the compression area 12 is in the Fig. 2 , 3 and 5 to 8 as a tubular element in Fig. 4 designed as a rod-shaped element.
  • the length L is the extension of the compression area 12 in the direction of the axis X.
  • the compression area 12 has an area with a minimal cross-sectional area (area which is delimited by the outer circumference of the tubular element), which extends in the direction of the flange-side end areas, ie to the flanges 13 and 14 out, each increasing.
  • the radii R1 and R2 represent the radii of the cross-sectional transitions between the upsetting area 12 and the adjoining flanges 13 and 14.
  • the radii R3 to R5 represent the radii of the cross-sectional transitions in the area of the minimum cross-sectional area (s) to the areas of the increasing cross-sectional area (s)
  • the force F acts on the compression area 12 when the sabot 9 moves.
  • the angles w1-w4 indicate the inclination of the increase in the cross-sectional area relative to the axis X.
  • Fig. 2 shows a compression region 12 with only a minimal cross-sectional area.
  • the increase in the cross-sectional area also takes place uniformly in the direction of both ends of the upsetting region 12 on the flange side.
  • the angles w1 and w2 are consequently of the same size in order to achieve the most uniform compression possible, which would not be achieved if the angles were unequal.
  • Fig. 3 shows a compression region 12 which runs conically from one flange-side end to the other flange-side end.
  • the region of the minimum cross-sectional area is adjacent to the flange 13.
  • Fig. 4 and 5 show embodiments with multiple regions with minimal cross-sectional area. In between are areas with a maximum cross-sectional area. The increase and decrease of the cross-sectional areas between these areas runs in a zigzag shape here.
  • F crit 4 ⁇ pi 2 / L 2 ⁇ E ⁇ I with the restrained 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 area of the minimum cross-sectional area can also be cylindrical in a length t and only then merge into the areas of increase or decrease in cross-sectional area.
  • the surface of the compression region 12 can also extend in the shape of an accordion.
  • the outer surface of the upsetting region 12 is undulating and the inner surface is flat.
  • Figure 3 shows an embodiment in which both inner and outer surfaces are one have undulating course, in this case with parallel sinusoids.

Landscapes

  • Arc-Extinguishing Devices That Are Switches (AREA)
  • Fuses (AREA)
  • Circuit Breakers (AREA)
  • Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Unterbrechungsschaltglied, das sich insbesondere zum Unterbrechen von hohen Strömen bei hohen Spannungen eignet. Es weist ein Gehäuse auf, das eine den Strompfad durch das Unterbrechungsschaltglied definierende Kontakteinheit umgreift. Die Kontakteinheit weist einen ersten und zweiten Anschlusskontakt, einen Trennbereich und einen Stauchbereich 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. Die Kontakteinheit weist einen Treibspiegel auf oder steht mit einem Treibspiegel in Verbindung. Der Treibspiegel ist so ausgebildet, dass er durch einen beaufschlagenden Druck von einer Ausgangposition in eine Endposition bewegbar ist, wobei in der Endposition des Treibspiegels der Trennbereich getrennt und ein Isolationsabstand zwischen dem ersten und dem zweiten Anschlusskontakt erreicht ist. Der Stauchbereich ist so ausgebildet, dass er bei der Bewegung des Treibspiegels von der Ausgangsposition in die Endposition gestaucht wird. Das erfindungsgemäße Unterbrechungsschaltglied ist dadurch gekennzeichnet, dass der Stauchbereich als rohrförmiges oder stabförmiges Element ausgebildet ist, dessen axiale Erstreckungsrichtung entlang einer Achse X verläuft, wobei das rohrförmige oder stabförmige Element eine oder mehrere Verjüngungen in seinem Querschnittsdurchmesser aufweist, wobei der Querschnittsdurchmesser senkrecht zur Achse X definiert ist.

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 den Strom leitenden 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. Weiterhin enthalten derartige Unterbrechungsschaltglieder meist einen Treibspiegel, der dazu dient die getrennten Enden des Trennbereichs durch eine Bewegung voneinander zu entfernen. Dabei muss der Treibspiegel einen Stauchbereich des Kontaktrohres stauchen. Der Stauchbereich ist oft ebenso rohrförmig oder hohlzylindrisch ausgestaltet und muss sich bei der Stauchung gut falten können. Es wurde jedoch festgestellt, dass bei der schnellen Bewegung des Treibspiegels und der Stauchung des Stauchbereichs dieser oft zersplittert und dabei das Gehäuse unzulässig elektrisch kontaktieren kann, es kann hier die Isolation des bereits getrennten Verbindungselements überbrückt werden.
  • 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 Aufsplitterungen des Materials des Stauchbereichs verhindert werden, damit keine Splitter den bereits getrennten und danach gegenüber dem Gehäuse elektrisch isoliert zu haltenden Kontakt der Baugruppe zum Gehäuse hin kurzschließen können.
  • Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisches Unterbrechungsschaltglied, das sich insbesondere zum Unterbrechen von hohen Strömen bei hohen Spannungen eignet. Es weist ein Gehäuse auf, das eine den Strompfad durch das Unterbrechungsschaltglied definierende Kontakteinheit umgreift. Die Kontakteinheit weist einen ersten und zweiten Anschlusskontakt, einen Trennbereich und einen Stauchbereich 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. Die Kontakteinheit weist einen Treibspiegel auf oder steht mit einem Treibspiegel in Verbindung. Der Treibspiegel ist so ausgebildet, dass er durch einen beaufschlagenden Druck von einer Ausgangposition in eine Endposition bewegbar ist, wobei in der Endposition des Treibspiegels der Trennbereich getrennt und ein Isolationsabstand zwischen dem ersten und dem zweiten Anschlusskontakt erreicht ist. Der Stauchbereich ist so ausgebildet, dass er bei der Bewegung des Treibspiegels von der Ausgangsposition in die Endposition gestaucht wird.
  • Das erfindungsgemäße Unterbrechungsschaltglied ist dadurch gekennzeichnet, dass der Stauchbereich als rohrförmiges oder stabförmiges Element ausgebildet ist, dessen axiale Erstreckungsrichtung entlang einer Achse X verläuft, wobei das rohrförmige oder stabförmige Element entlang der Achse X eine oder mehrere Verjüngungen in seiner Querschnittsfläche aufweist, wobei sich die Querschnittsfläche senkrecht zur Achse X befindet.
  • 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. Es werden hierdurch keine größeren Teile aus dem Stauchbereich herausgerissen, sondern es kommt zu einer Auffaltung des Stauchbereichs ohne schädliche Splitterbildung.
  • In einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass das rohrförmige oder stabförmige Element an seinen beiden gegenüberliegenden Endbereichen jeweils in Flansche übergeht, die sich in Richtung des Gehäuses und senkrecht zur Achse X erstrecken. Diese Flansche dienen dazu, dass eine Kraft ausgehend von dem Treibspiegel in Richtung der Achse X auf den Stauchbereich ausgeübt werden kann, d.h. der Stauchbereich gestaucht werden kann.
  • Der Querschnittsfläche des stabförmigen oder rohrförmigen Elements kann jede beliebige Form aufweisen, beispielsweise kreisförmig, elliptisch, beliebig kreisförmig ohne oder mit ein oder mehreren Ecken, dreieckig, viereckig, fünfeckig, sechseckig oder vieleckig, wobei eine kreisförmige Querschnittsfläche bevorzugt ist. Handelt es sich um ein rohrförmiges Element, so spricht man eher von einer kreisringförmigen Querschnittsfläche anstelle einer kreisförmigen Querschnittsfläche.
  • Unter einer Verjüngung der Querschnittsfläche wird hierin verstanden, dass die Querschnittsfläche in einem Bereich des Stauchbereichs geringer ist als an den angrenzenden Bereichen (in Richtung der Achse X). Der Stauchbereich weist bei der Verjüngung einen Bereich einer minimalen Querschnittsfläche auf, die vorzugsweise in Richtung der beiden Endbereiche des Stauchbereichs hin zunimmt.
  • Die Zunahme der Querschnittsfläche kann in axialer Erstreckung des stabförmigen oder 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 Querschnittsfläche in Richtung der Endbereiche des stabförmigen oder rohrförmigen Elements jeweils kegelförmig zunimmt. Weiterhin ist es bevorzugt, dass das stabförmige oder rohrförmige Element so ausgebildet ist, dass es in jeder Ebene senkrecht zur Achse X eine Querschnittsfläche gleicher Form (mit variierender Größe der Fläche) aufweist. Weiterhin kann die Zunahme der Querschnittsfläche in den beiden Richtungen zu den der Endbereichen des stabförmigen oder rohrförmigen Elements hin unterschiedlich oder gleich, d.h. spiegelsymmetrisch verlaufen, wobei die Spiegelebene im Bereich der minimalen Querschnittsfläche senkrecht zur Achse X angeordnet ist. Auch ist es bevorzugt, dass die Querschnittsübergänge hin zu den jeweiligen Endbereichen des stabförmigen oder rohrförmigen Elements radial verlaufen, d.h. mit bestimmten Radien versehen sind, um hier zu hohe Kerbspannungen zu vermeiden, die das stabförmige oder rohrförmige Element an diesen Stellen, insbesondere bei mechanischen Belastungen bzw. Vibrationen der Baugruppe bzw. des Verbindungselementes, unerwünscht an- oder aufbrechen könnten.
  • In einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass der Stauchbereich mehrere Verjüngungen aufweist, vorzugsweise so dass der Bereich der minimalen Querschnittsfläche sich mit Bereichen maximaler Querschnittsfläche periodisch abwechselt. In diesem Fall kann der Stauchbereich an der Oberfläche zickzackförmig, stufenförmig oder in Form einer Ziehharmonika ausgebildet sein. Letzteres vorzugsweise, wenn der Stauchbereich als rohrförmiges Element ausgebildet ist.
  • Der Bereich der minimalen Querschnittsfläche des stabförmigen oder rohrförmigen Elements kann als Bereich mit gleichbleibender Querschnittsfläche ausgebildet sein. Dabei ist es bevorzugt, dass die Querschnittsübergänge von dem Bereich mit minimaler Querschnittsfläche hin zu den Bereichen, in denen die Querschnittsfläche zunimmt, radial verlaufen, d.h. mit bestimmten Radien versehen sind. In einer Ausführungsform kann ein solcher Bereich mit gleichbleibender Querschnittsfläche auch entfallen, d.h. in dem Bereich der minimalen Querschnittsfläche treffen die Bereiche, in denen die Querschnittsfläche zunimmt, aufeinander, ebenso vorzugsweise mit einem radial verlaufenden Querschnittsübergang.
  • 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 in Kontakt steht. Die mindestens eine Kammer befindet sich vorzugsweise innerhalb eines Hohlraums des Trennbereichs, der vorzugsweise als rohrförmiges Element ausgebildet ist, d.h. die mindestens eine Kammer 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 Trennbereichs 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.
  • Der Treibspiegel hat bei dem erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltglied 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, der Treibspiegel bewegt und der Stauchbereich gestaucht 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 bewegt und der Stauchbereich gestaucht 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.
  • Die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Stauchbereichs ist insbesondere bei Verwendung von Materialien für den Stauchbereich 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.
  • Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist es bevorzugt, dass der Stauchbereich als rohrförmiges Element ausgebildet ist. Der Hohlraum im Inneren des rohrförmigen Elements wird hierin als noch weitere Kammer bezeichnet. Hier kann auch die noch weitere Kammer des Stauchbereichs vollständig mit einem Löschmittel gefüllt sein. 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 Stauchung des Stauchbereichs (Leitstellung), der in der Form eines stabförmigen Elements mit mehreren Verjüngungen in seinem Querschnittsdurchmesser vorliegt.
    Fig. 2 bis 8
    zeigen Ausschnitte einer Kontakteinheit eines erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltglieds im Stauchbereich mit verschiedenen Formen der Verjüngungen im Querschnittsdurchmesser.
  • Die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltglieds 1 umfasst ein Gehäuse 2, in dem eine Kontakteinheit 3 angeordnet ist, die sich durch das gesamte Gehäuse 2 durch erstreckt, und die Anschlusskontakte 4 und 5, den Trennbereich 6, den Stauchbereich 12 und die Flansche 13 und 14 umfasst. 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 14 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 3 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 F erzeugt, die über den Flansch 13 den Stauchbereich 12 der Kontakteinheit 3 zusammenpresst. Diese Kraft F 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 Stauchbereich 12 nicht ein rohrförmiges Element mit einer durchgehend gleichen Wandstärke darstellt, sondern dass das rohrförmige Element in einem Bereich zwischen den flanschseitigen Endbereichen mehrere Verjüngungen in seinem Querschnittsdurchmesser aufweist. In Fig. 1 wiederholen sich die Verjüngungen periodisch. Zudem sind die Verjüngungen abgerundet und zwar vorzugsweise so, dass die Oberfläche des rohrförmigen Elements im Querschnitt entlang der Achse X einen sinusförmigen Verlauf bildet.
  • Die Fig. 2 bis 8 zeigen jeweils einen Teilbereich einer Kontakteinheit 3, in dem der Stauchbereich 12 und die daran anschließenden Flansche 13 und 14 vorliegen. Der Stauchbereich 12 ist in den Fig. 2, 3 und 5 bis 8 als rohrförmiges Element in Fig. 4 als stabförmiges Element ausgebildet. Die Länge L ist die Erstreckung des Stauchbereichs 12 in Richtung der Achse X. Der Stauchbereich 12 weist einen Bereich mit minimaler Querschnittsfläche (Fläche, die vom Aussenumfang des rohrförmigen Elements begrenzt wird) auf, die in Richtung der flanschseitigen Endbereiche, d.h. zu den Flanschen 13 und 14 hin, jeweils zunimmt. Die Radien R1 und R2 stellen die Radien der Querschnittsübergänge zwischen dem Stauchbereich 12 und den anschließenden Flanschen 13 und 14 dar. Die Radien R3 bis R5 stellen die Radien der Querschnittsübergänge im Bereich der minimalen Querschnittsfläche(n) zu den Bereichen der zunehmenden Querschnittsfläche(n) dar. Die Kraft F wirkt auf den Stauchbereich 12 bei Bewegung des Treibspiegels 9. Die Winkel w1-w4 geben die Neigung der Zunahme der Querschnittsfläche zu der Achse X an.
  • Fig. 2 zeigt einen Stauchbereich 12 mit nur einer minimalen Querschnittsfläche. Die Zunahme der Querschnittsfläche erfolgt hier in Richtung beider flanschseitigen Enden des Stauchbereichs 12 auch gleichmäßig. Hier sind die Winkel w1 und w2 folglich gleich groß, um so eine möglichst gleichmäßige Stauchung zu erreichen, die bei ungleich großen Winkeln nicht erreicht würde.
  • Fig. 3 zeigt einen Stauchbereich 12, der von einem flanschseitigen Ende zum anderen flanschseitigen Ende konisch verläuft. Der Bereich der minimalen Querschnittsfläche liegt benachbart zu dem Flansch 13.
  • Fig. 4 und 5 zeigen Ausführungsformen mit mehreren Bereichen mit minimaler Querschnittsfläche. Dazwischen liegen Bereiche mit maximaler Querschnittsfläche. Zu- und Abnahme der Querschnittsflächen zwischen diesen Bereichen verläuft hier zickzackförmig.
  • Die gezeigten Änderungen der Querschnittsflächen werden 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 rohrähnliches Stauchelement (hier kann Knicken und Beulen auftreten) vorliegt.
  • Wie in Fig. 6 gezeigt, kann der Bereich der minimalen Querschnittsfläche auch in einer Länge t zylinderförmig sein und erst dann in die Bereiche der Zunahme oder Abnahme der Querschnittsfläche übergehen.
  • Wie in Fig. 7 und 8 gezeigt, kann die Oberfläche des Stauchbereichs 12 auch ziehharmonikaförmig verlaufen. In Fig. 7 ist die äußere Oberfläche des Stauchbereichs 12 wellenförmig verlaufend und die innere Oberfläche eben. Fig. 8 zeigt eine Ausführungsform, in der sowohl innere als auch äußere Oberflächen einen wellenförmigen Verlauf aufweisen, in diesem Fall mit parallel verlaufenden Sinuskurven.
    • 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
    12
    Stauchbereich
    13
    Flansch am Stauchbereich für Druckbeaufschlagung durch Treibspiegel
    14
    Flansch am Stauchbereich
    L
    Länge der Erstreckung des Stauchbereichs in Richtung der Achse X
    R1-R5
    Radien der Querschnittsübergänge
    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
    F
    Kraft, bedingt durch Druckbeaufschlagung durch Treibspiegel

Claims (8)

  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), einen Trennbereich (6) und einen Stauchbereich (12) 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 die Kontakteinheit (3) einen Treibspiegel (9) aufweist oder mit einem Treibspiegel (9) in Verbindung steht, der so ausgebildet ist, dass er durch einen beaufschlagenden Druck von einer Ausgangposition in eine Endposition bewegbar ist, wobei in der Endposition des Treibspiegels der Trennbereich (6) getrennt und ein Isolationsabstand zwischen dem ersten und dem zweiten Anschlusskontakt (4, 5) erreicht ist,
    (e) wobei der Stauchbereich (12) so ausgebildet ist, dass er bei der Bewegung des Treibspiegels (9) von der Ausgangsposition in die Endposition gestaucht wird,
    dadurch gekennzeichnet,
    (f) dass der Stauchbereich (12) als rohrförmiges oder stabförmiges Element ausgebildet ist, dessen axiale Erstreckungsrichtung entlang einer Achse X verläuft, wobei das rohrförmige oder stabförmige Element entlang der Achse X eine oder mehrere Verjüngungen in seiner Querschnittsfläche aufweist, wobei sich die Querschnittsfläche senkrecht zur Achse X befindet.
  2. Unterbrechungsschaltglied (1) nach Anspruch 1, worin das rohrförmige oder stabförmige Element an seinen beiden gegenüberliegenden Endbereichen jeweils in Flansche (13, 14) übergeht, die sich in Richtung des Gehäuses (2) und senkrecht zur Achse X erstrecken.
  3. Unterbrechungsschaltglied (1) nach Anspruch 1 oder 2, worin der Stauchbereich (12) bei der Verjüngung einen Bereich einer minimalen Querschnittsfläche aufweist, die in Richtung der beiden Endbereiche des Stauchbereichs (12) hin zunimmt.
  4. Unterbrechungsschaltglied (1) nach Anspruch 3, worin die Zunahme der Querschnittsfläche in Richtung der Endbereiche spiegelsymmetrisch verläuft, wobei die Spiegelebene im Bereich der minimalen Querschnittsfläche senkrecht zur Achse X angeordnet ist.
  5. Unterbrechungsschaltglied (1) nach Anspruch 3 oder 4, worin der Stauchbereich (12) mehrere Verjüngungen aufweist, so dass der Bereich der minimalen Querschnittsfläche sich mit Bereichen maximaler Querschnittsfläche periodisch abwechselt.
  6. Unterbrechungsschaltglied (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, 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 im Kontakt steht.
  7. Unterbrechungsschaltglied (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, 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, der Treibspiegel (9) bewegt und der Stauchbereich (12) gestaucht wird.
  8. Unterbrechungsschaltglied (1) nach Anspruch 6 oder 7, 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) bewegt und der Stauchbereich (12) gestaucht wird.
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