WO2010108565A1 - Trennschalter zur galvanischen gleichstromunterbrechung - Google Patents

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WO2010108565A1
WO2010108565A1 PCT/EP2010/000607 EP2010000607W WO2010108565A1 WO 2010108565 A1 WO2010108565 A1 WO 2010108565A1 EP 2010000607 W EP2010000607 W EP 2010000607W WO 2010108565 A1 WO2010108565 A1 WO 2010108565A1
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semiconductor
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electronics
semiconductor electronics
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PCT/EP2010/000607
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Inventor
Michael Naumann
Thomas Zitzelsperger
Frank Gerdinand
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Ellenberger & Poensgen Gmbh
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    • H01H2009/546—Contacts shunted by static switch means the static switching means being triggered by the voltage over the mechanical switch contacts

Definitions

  • the invention relates to a separation device for DC interruption between a DC power source and an electrical input, with a current-carrying mechanical switching contact and with a semiconductor electronics connected in parallel therewith.
  • a DC power source is understood to mean, in particular, a photovoltaic generator (solar system) and an electrical device is understood in particular to be an inverter.
  • a photovoltaic system or solar system with a so-called photovoltaic generator is known, which in turn consists of grouped into sub-generators solar modules, which in turn are connected in series or present in parallel strands. While a sub-generator delivers its DC power through two terminals, the DC power of the entire photovoltaic generator is fed via an inverter in an AC mains. In order to keep the cabling and power losses between the sub-generators and the central inverter low, so-called generator junction boxes are placed close to the sub-generators. The so-called DC power is usually routed via a common cable to the central inverter.
  • a photovoltaic system due to the system on the one hand permanently an operating current and operating voltage in the range between 180V (DC) and 1500V (DC) supplies and on the other hand - for installation, assembly or service purposes and in particular for general personal protection - a reliable separation of the electrical components or Facilities of the effective as a DC power source photovoltaic system is desired, a corresponding separation device must be able to make an interruption under load, ie without prior shutdown of the DC power source.
  • a mechanical switch switching contact
  • the disadvantage is that such mechanical switching contacts are worn very quickly due to the resulting arc at the contact opening or an additional effort is required to enclose the arc and cool, which is usually done by a corresponding mechanical switch with a quenching chambers.
  • hybrid switches always have an external power source for driving the semiconductor switch and for operating a semiconductor electronics, in which the semiconductor switch is used.
  • the invention is based on the object, a particularly suitable separation device for DC interruption between a DC power source, in particular a photovoltaic generator, and an electrical device, in particular an inverter to specify.
  • the circuit breaker suitably comprises a mechanical switching contact suitable for a short-time arc, i. is designed for an arc duration of less than 1 ms, preferably less than or equal to 500 ⁇ s.
  • the mechanical switching contact (switch or separating element) is connected in parallel with semiconductor electronics, which essentially comprise at least one semiconductor switch, preferably an IGBT.
  • the semiconductor electronics of the circuit breaker according to the invention has no additional energy source and is therefore with a closed mechanical switch current blocking, d. H. high impedance and thus practically without current and voltage. Since no current flows through the semiconductor electronics when the mechanical switching contacts are closed, and therefore no voltage is applied, in particular via the or each semiconductor switch, the semiconductor circuit also generates no power losses when the mechanical switch is closed. Rather, the semiconductor electronics obtains the energy required for their operation from the separation device, d. H. from the circuit breaker system itself. For this purpose, the energy of the resulting when opening the mechanical switch arc is used and used.
  • a control input of the semiconductor electronics or of the semiconductor switch is connected in such a way with the mechanical switching contacts, that at opening switch, the arc voltage across the switch or via its switch contacts and the parallel semiconductor electronics as a result of the electric arc semiconductor electronics, d. H. Low impedance and thus energized switches.
  • the arc current starts to commute from the mechanical switch to the semiconductor electronics.
  • the corresponding arc voltage or arc genstrom charges in this case an energy storage in the form of preferably a capacitor, which discharges selectively generating a control voltage for arc-free shutdown of the semiconductor electronics.
  • the predetermined period of time or time constant and thus the charging time of the energy storage or capacitor determines the arc duration.
  • a timer is started during which the semiconductor electronics are controlled to block the current in an arc-free manner.
  • the duration of the timer is set to a safe extinguishing and reliable cooling of the arc or -plasmas.
  • the invention is based on the consideration that for a touch-safe and reliable DC interruption designed as a pure two-terminal hybrid separation device can be used when a semiconductor electronics can be used without its own auxiliary power source.
  • This in turn, can be achieved by the fact that the arc energy generated when opening one of the electronics connected in parallel with the electronic switch is used to operate the electronics.
  • the electronics could have an energy store which stores at least part of the arc energy, which is then available to the electronics for a certain period of operation, which should be dimensioned for a reliable erasing of the arc.
  • the charging time of the energy storage and thus the arc duration is preferably set to less than 1 ms, advantageously to less than or equal to 0.5 ms.
  • this period of time is short enough to reliably prevent unwanted contact erosion of the switching contacts of the mechanical switch.
  • this period of time is long enough to ensure the self-supply of the semiconductor electronics for the subsequent time period determined by the timer, within which the triggering of the electronics from the low-impedance Commutation state in the high-impedance shutdown state (initial state) takes place.
  • a further mechanical circuit breaker is suitably provided, which is connected in series with the parallel circuit of the mechanical switch and the semiconductor electronics.
  • the semiconductor electronics in addition to the preferably designed as an IGBT power or semiconductor switch comprises another power or semiconductor switch, which is preferably designed as a MOSFET (metal oxide semiconductor field-effect transistor).
  • MOSFET metal oxide semiconductor field-effect transistor
  • the almost powerless controllable and good blocking behavior with high blocking voltage IGBT is suitably connected in series with the further semiconductor switch (MOSFET) in the manner of a cascode arrangement.
  • the semiconductor switches thus form a commutation path parallel to the main current path formed by the mechanical switch, to which the arc current increasingly commutates with opening of the mechanical switch and as a result of the control of the or each semiconductor switch.
  • the falling during the commutation of the hybrid circuit breaker and thus on the semiconductor electronics arc voltage is between about 15V and 30V.
  • the semiconductor electronics a first semiconductor switch (IGBT) and a second semiconductor switch (MOSFET), the first semiconductor switch is first controlled such that between the two semiconductor switches - so quasi on a Kaskodenmittenab- handle - one for charging the energy storage sufficient voltage in the amount of, for example, 12V (DC) can be tapped.
  • This voltage is used to charge the energy storage and its stored energy in turn to drive the semiconductor switch within the semiconductor electronics to turn on the two turn on the semiconductor switch again completely, ie to control current blocking.
  • the main path is galvanically opened and the commutation path parallel thereto is high-ohmic, with the result that the high DC voltage (permanently) generated by the DC source is present at, for example, greater than 1000V (DC) at the hybrid disconnector. Therefore, it must be ensured via the timing element that not only the arc extinguishes, but also the resulting plasma has cooled.
  • DC 1000V
  • the advantages achieved by the invention are, in particular, that no external power source or additional auxiliary power for supplying the electronics is required by the use of an autoclave hybrid separation device, the semiconductor electronics, the energy for its own power supply from the arc resulting from the opening of the mechanical switch.
  • the semiconductor electronics is preferably designed as a second pole and high resistance with the mechanical switch closed, so that virtually no power losses occur in normal load operation of the hybrid separator according to the invention.
  • the separating device according to the invention is preferably also provided for DC interruption in the DC voltage range up to 1500V (DC).
  • this self-sufficient, hybrid disconnecting device is therefore particularly suitable for reliable and touch-proof galvanic DC interruption both between a photovoltaic system and one of its associated inverters and in connection with, for example, a fuel cell system or an accumulator (battery).
  • FIG. 1 is a block diagram of the separation device according to the invention with an autarkic hybrid disconnector between a photovoltaic generator and an inverter,
  • Fig. 3 in a current / voltage-time diagram, the resulting curve of switch current and voltage before, during and after extinction of an arc.
  • Fig. 1 shows schematically a separation device 1, which is connected in the embodiment between a photovoltaic generator 2 and an inverter 3.
  • the photovoltaic generator 2 comprises a number of solar modules 4, which are guided parallel to each other to a common generator junction box 5, which serves as a kind of energy collection point.
  • the disconnecting device 1 comprises a switching contact 7, which is also referred to below as a mechanical switch, and semiconductor electronics 8 connected in parallel therewith.
  • the mechanical switch 7 and the semiconductor electronics 8 form a self-sufficient hybrid disconnecting switch.
  • the negative pole representing return line 9 of the separation device 1 - and thus the overall system - can be connected in a manner not shown another hybrid circuit breaker 7, 8.
  • Both in the positive pole representative Hin operations mars (Hauptfpad) 6 and in the return line 9 can mechanically coupled switch contacts of another mechanical separating element 10 for a fully permanent galvanic separation or DC interruption between the photovoltaic generator 2 and the inverter 3 may be arranged.
  • the semiconductor electronics 8 essentially comprises a semiconductor switch 11, which is connected in parallel to the mechanical switch 7, and a drive circuit 12 with an energy store 13 and a timer 14.
  • the drive circuit 12 is preferably connected via a resistor or a resistor row R (FIG ), connected to the main current path 6.
  • the gate of an IGBT preferably used as a semiconductor switch 11 forms the control input 15 of the semiconductor circuit 8. This control input 15 is guided via the drive circuit 12 to the main current path 6.
  • FIG. 2 shows a comparatively detailed circuit diagram of the electronic switch 8 connected in parallel with the mechanical switch 7 of the self-sufficient hybrid disconnector. It can be seen that the first semiconductor switch (IGBT) 11a is connected in series in a cascode arrangement with a second semiconductor switch 11b in the form of a MOSFET. The cascode arrangement with the two semiconductor switches 11a, 11b thus forms, analogously to FIG. 1, the commutation path 16 parallel to the mechanical switch 7 and thus to the main current path 6.
  • IGBT first semiconductor switch
  • the first semiconductor switch 11 a between the DC power source 2 and the hybrid circuit breaker 7,8 is guided to the main current path 6.
  • the potential U + is always greater than the potential U- on the opposite side of the switch, at which the second semiconductor switch (MOSFET) 11 b is guided to the main circuit 6.
  • the positive potential U + is OV when the mechanical switch 7 is closed.
  • the first semiconductor switch (IGBT) 11a is connected to a freewheeling diode D2.
  • a first Zener diode D3 is connected on the anode side to the potential U- and the cathode side to the gate (control input 15) of the first semiconductor switch (IGBT) 11a.
  • Another Zener diode D4 is the cathode side again with the Gate (control input 15) and the anode side connected to the emitter of the first semiconductor switch (IGBT) 11 a.
  • a diode D1 is on the anode side out connected on the cathode side via a serving as energy storage capacitor 13 C against the potential U-.
  • a plurality of capacitors C form the energy storage 13.
  • Via an anode-side voltage tap 18 between the diode D1 and the energy store 13 or the capacitor C is connected to ohmic resistors R1 and R2 transistor T1 via further resistors R3 and R4 with the again guided to the control input 15 of the semiconductor electronics 8 gate of the second semiconductor switch (MOSFET) 15 connected.
  • Another Zener diode D5 with parallel resistor R5 is the cathode side to the gate and the anode side connected to the emitter of the second semiconductor switch (MOSFET) 11 b.
  • the transistor T1 On the base side, the transistor T1 is driven via a transistor T2, which in turn is connected to the base side via a resistor R6 with the example executed as Monoflopp timer 14. Base-emitter side, the transistor T2 is also connected to a further resistor R7.
  • Fig. 3 shows in a current and voltage time diagram, the course of the switch voltage U and the switch current I of the hybrid circuit breaker 7, 8 temporally before a contact opening of the mechanical switch 7 at time t "and during the duration t Lß an arc LB above the Switch 7 or its switch contacts 7a, 7b (FIG. 2) and during a specific, predetermined or set time tz G of the timer 14.
  • the mechanical switch 7 is closed, the main current path 6 is low, while the parallel commutation path 16 of the hybrid disconnector 7 , 8 high impedance and thus current blocking.
  • the current profile shown in the left half of the figure of FIG. 3 represents the current I flowing exclusively through the mechanical switch 7 up to ⁇ time t the contact opening of the switch contacts 7a and 7b.
  • the opening of the mechanical switch 7 was already at an unspecified time before the time t ⁇ ⁇ the contact opening.
  • the illustrated in the lower left half of FIG. 3 switch voltage U is practically before the contact opening time t ⁇ practically OV and increases with the opening of the switch contacts 7a, 7b of the mechanical switch 7 at time t ⁇ jumped to a characteristic of an arc LB value a typical arc voltage ULB of, for example, 20V to 30V.
  • the time t ⁇ _ B practically the arc current I divides between the main current path 6 - ie via the mechanical switch 7 - and the commutation 16 - so the semiconductor electronics 8 on.
  • the energy storage 13 is charged.
  • the time t Lß is set such that on the one hand enough energy for a reliable driving of the semiconductor electronics 8 is available, in particular for their shutdown during a period tz G following the duration of the arc representing time t ⁇ _ B -
  • the time t L ⁇ sufficiently short, so that an undesirable contact erosion or wear of the switch 7 and the switch contacts 7a, 7b is avoided.
  • the first semiconductor switch (IGBT) 11a is at least as far controlled through the resistor R (FIG. 2) that a sufficient charging voltage and a sufficient arc or charging current for the capacitors C and thus is available for the energy storage 13.
  • this is done with the corresponding circuit of the first semiconductor switch (IGBT) 11a
  • U Ab 12 V (DC)
  • the tap voltage U Ab serves to supply the drive circuit 12 of the electronics 8, which is essentially formed by the transistors T1 and T2 and the timer 14 and the energy store 13.
  • the diode D1 connected to the cascode tap 17 and the cathode side to the capacitor C prevents the return flow of the diode D1 Charging current from the capacitors C and the commutation path 16 in the direction of the potential U-.
  • the charge capacitance and thus the storage energy contained in the capacitor C is dimensioned such that the semiconductor electronics 8 carries the switch current I for a time period tzG predetermined by the timer 14.
  • the dimensioning of this time duration t ZG and thus the definition of the timing element 14 depends essentially on the application-specific or typical time periods for a complete extinction of the arc LB and after a sufficient cooling of the associated in the case of formed plasma.
  • the essential proviso here is that after the shutdown of the electronics 8 with then turn high-impedance commutation 16 and consequently current-blocking semiconductor electronics 8 on the still open mechanical switch 7 or via its switch contacts 7a, 7b no re-arc LB can arise.
  • the main current path 6 is galvanically opened at the same time as the high-resistance commutation path 16, an arc-free DC interruption between the DC power source 2 and the electrical device 3 is already established.
  • the connection between the DC power source 2 and the inverter 3 exemplified as the electrical equipment is already reliably disconnected.
  • the mechanical separating element 10 of the separating device 1 can then additionally be opened in a load-free and arc-free manner.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Trennvorrichtung (1) zur Gleichstromunterbrechung zwischen einer Gleichstromquelle (2) und einer elektrischen Einrichtung (3), insbesondere zwischen einem Photovoltaikgenerator und einem Wechselrichter, mit einem stromführenden mechanischen Schaltkontakt (7a,7b) und mit einer dem Schaltkontakt (7a, 7b) parallel geschalteten Halbleiterelektronik (8). Die Halbleiterelektronik (8) ist bei geschlossenem Schaltkontakt (7a, 7b) stromsperrend, wobei ein Steuereingang (15) der Halbleiterelektronik (8) derart mit dem Schaltkontakt (7a, 7b) verschaltet ist, dass bei sich öffnendem Schaltkontakt (7a, 7b) eine infolge eines Lichtbogens (LB) über dem Schaltkontakt (7a, 7b) erzeugte Lichtbogenspannung (ULB) die Halbleiterelektronik (8) stromleitend schaltet.

Description

Beschreibung Trennschalter zur galvanischen Gleichstromunterbrechung
Die Erfindung betrifft eine Trennvorrichtung zur Gleichstromunterbrechung zwischen einer Gleichstromquelle und einer elektrischen Einreichung, mit einem stromführenden mechanischen Schaltkontakt und mit einer diesem parallel geschalteten Halbleiterelektronik. Es werden hierbei unter einer Gleichstromquelle insbesondere ein Photovoltaikgenerator (Solaranlage) und unter einer elektrischen Einrichtung insbesondere ein Wechselrichter verstanden.
Aus der DE 20 2008 010 312 U1 ist eine photovoltaische Anlage oder Solaranlage mit einem sogenannten Photovoltaikgenerator bekannt, der seinerseits aus gruppenweise zu Teilgeneratoren zusammengefassten Solarmodulen besteht, die ihrerseits in Reihe geschaltet sind oder in parallelen Strängen vorliegen. Während ein Teilgenerator seine Gleichstromleistung über zwei Klemmen abgibt, wird die Gleichstromleistung des gesamten Photovoltaikgenerators über einen Wechselrichter in ein Wechselspannungsnetz eingespeist. Um dabei den Verkabelungsaufwand und Leistungsverluste zwischen den Teilgeneratoren und dem zentralen Wechselrichter gering zu halten, werden sogenannte Generatoranschlusskästen nahe bei den Teilgeneratoren angeordnet. Die derart kommulierte Gleichstromleistung wird üblicherweise über ein gemeinsames Kabel zum zentralen Wechselrichter geführt.
Da eine Photovoltaikanlage systembedingt einerseits dauerhaft einen Betriebsstrom und eine Betriebsspannung im Bereich zwischen 180V (DC) und 1500V (DC) liefert und andererseits - beispielsweise zu Installations-, Montage- oder Servicezwecken sowie insbesondere auch zum allgemeinen Personenschutz - eine zuverlässige Trennung der elektrischen Komponenten oder Einrichtungen von der als Gleichstromquelle wirksamen Photovoltaikanlage gewünscht ist, muss eine entsprechende Trennvorrichtung in der Lage sein, eine Unterbrechung unter Last, d.h. ohne vorheriges Abschalten der Gleichstromquelle vorzunehmen. Zur Lasttrennung kann ein mechanischer Schalter (Schaltkontakt) mit dem Vorteil eingesetzt werden, dass bei erfolgter Kontaktöffnung eine galvanische Trennung der elektrischen Einrichtung (Wechselrichter) von der Gleichstromquelle (Photo- voltaikanlage) hergestellt ist. Nachteilig ist jedoch, dass derartige mechanische Schaltkontakte aufgrund des bei der Kontaktöffnung entstehenden Lichtbogens sehr schnell abgenutzt werden oder aber ein zusätzlicher Aufwand erforderlich ist, um den Lichtbogen einzuschließen und abzukühlen, was üblicherweise durch einen entsprechenden mechanischen Schalter mit einer Löschkammern erfolgt.
Werden demgegenüber zur Lasttrennung leistungsfähige Halbleiterschalter eingesetzt, so treten auch im Normalbetrieb unvermeidbare Leistungsverluste an den Halbleitern auf. Zudem ist mit derartigen Leistungshalbleitern keine galvanische Trennung und damit kein zuverlässiger Personenschutz sichergestellt.
Aus der DE 102 25 259 B3 ist ein als Lasttrenner ausgebildeter elektrischer Steckverbinder bekannt, der nach Art eines Hybridschalters ein Halbleiterschaltelement in Form beispielsweise eines Thyristors im Gehäuse des Wechselrichters sowie Haupt- und Hilfskontakte aufweist, die mit Photovoltaikmodulen verbunden sind. Der bei einem Aussteckvorgang voreilende Hauptkontakt ist dem nacheilenden und mit dem Halbleiterschaltelement in Reihe geschalteten Hilfskontakt parallel geschaltet. Dabei wird das Halbleiterschaltelement zur Lichtbogenvermeidung bzw. Lichtbogenlöschung angesteuert, indem dieser periodisch ein- und ausgeschaltet wird.
Aus der DE 103 15 982 A2 ist zur Gleichstromunterbrechung ein hybrider elektromagnetischer Gleichstromschalter mit einem elektromagnetisch betätigten Hauptkontakt und mit einem IGBT (insulated gate bipolar transistor) als Halbleiterschalter an sich bekannt.
Bekannte Hybridschalter weisen jedoch stets eine externe Energiequelle zur Ansteuerung des Halbleiterschalters und zum Betreiben einer Halbleiterelektronik auf, in der der Halbleiterschalter eingesetzt ist. Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine besonders geeignete Trennvorrichtung zur Gleichstromunterbrechung zwischen einer Gleichstromquelle, insbesondere einem Photovoltaikgenerator, und einer elektrischen Einrichtung, insbesondere einem Wechselrichter, anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Hierzu umfasst der Trennschalter geeigneterweise einen mechanischen Schaltkontakt, der für einen kurzzeitigen Lichtbogen, d.h. für eine Lichtbogendauer von kleiner 1 ms, vorzugsweise kleiner oder gleich 500μs ausgelegt ist. Dem mechanischen Schaltkontakt (Schalter oder Trennelement) ist eine Halbleiterelektronik parallel geschaltet, die im Wesentlichen zumindest einen Halbleiterschalter, vorzugsweise einen IGBT, umfasst.
Die Halbleiterelektronik des erfindungsgemäßen Trennschalters weist keinerlei zusätzliche Energiequelle auf und ist demzufolge bei geschlossenem mechanischem Schalter stromsperrend, d. h. hochohmig und somit praktisch ström- und spannungslos. Da über die Halbleiterelektronik bei geschlossenen mechanischen Schaltkontakten kein Strom fließt und daher insbesondere über dem oder jedem Halbleiterschalter kein Spannungsfaü erfolgt, erzeugt die Halbleiterschaltung bei geschlossenem mechanischem Schalter auch keine Leistungsverluste. Vielmehr gewinnt die Halbleiterelektronik die zu deren Betrieb erforderliche Energie aus der Trenn Vorrichtung, d. h. aus dem Trennschaltersystem selbst. Dazu wird die Energie des beim Öffnen des mechanischen Schalters entstehenden Lichtbogens herangezogen und genutzt. Hierbei ist ein Steuereingang der Halbleiterelektronik bzw. des Halbleiterschalters derart mit den mechanischen Schaltkontakten verschaltet, dass bei sich öffnendem Schalter die Lichtbogenspannung über dem Schalter bzw. über dessen Schaltkontakten und der hierzu parallelen Halbleiterelektronik infolge des Lichtbogens die Halbleiterelektronik stromleitend, d. h. niederohmig und somit stromführend schaltet.
Sobald die Halbleiterelektronik bereits geringfügig stromleitend geschaltet ist, beginnt der Lichtbogenstrom von dem mechanischen Schalter auf die Halbleiterelektronik zu kommutieren. Die entsprechende Lichtbogenspannung bzw. der Lichtbo- genstrom lädt hierbei einen Energiespeicher in Form vorzugsweise eines Kondensators auf, der sich unter Erzeugung einer Steuerspannung zum lichtbogenfreien Abschalten der Halbleiterelektronik gezielt entlädt. Die vorgegebene Zeitdauer oder Zeitkonstante und somit die Ladedauer des Energiespeichers bzw. Kondensators bestimmt die Lichtbogendauer.
Vorzugsweise startet im Anschluss an den Ladevorgang ein Zeitglied, während dessen die Halbleiterelektronik lichtbogenfrei stromsperrend gesteuert wird. Die Zeitdauer des Zeitglieds ist dabei auf ein sicheres Löschen und ein zuverlässiges Abkühlen des Lichtbogens bzw. -plasmas eingestellt.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass für eine berührungssichere und zuverlässige Gleichstromunterbrechung eine als reiner Zweipol ausgebildete hybride Trennvorrichtung eingesetzt werden kann, wenn eine Halbleiterelektronik ohne eigene Hilfsenergiequelle einsetzbar ist. Dies wiederum kann erkannter- maßen dadurch erreicht werden, dass die beim Öffnen eines der Elektronik parallel geschalteten mechanischen Schalters generierte Lichtbogenenergie zum Betrieb der Elektronik genutzt wird. Hierzu könnte die Elektronik einen Energiespeicher aufweisen, der zumindest einen Teil der Lichtbogenenergie speichert, die dann der Elektronik für eine bestimmte Betriebsdauer, die auf ein zuverlässiges Löschen des Lichtbogens bemessen sein sollte, zur Verfügung steht.
Der zweckmäßigerweise als Energiespeicher vorgesehene Kondensator bestimmt gemäß einer bevorzugten Ausführungsform in Verbindung mit einem ohmschen Widerstand die Ladedauer oder Ladezeitkonstante des Energiespeichers. Die Ladedauer des Energiespeichers und damit die Lichtbogendauer ist auf vorzugsweise kleiner 1 ms, zweckmäßigerweise auf kleiner oder gleich 0,5ms eingestellt. Diese Zeitdauer ist einerseits kurz genug, um einen unerwünschten Kontaktabbrand der Schaltkontakte des mechanischen Schalters zuverlässig zu vermeiden. Andererseits ist diese Zeitdauer lang genug, um die Eigenversorgung der Halbleiterelektronik für die anschließende, durch das Zeitglied bestimmte Zeitdauer sicherzustellen, innerhalb derer die Ansteuerung der Elektronik vom niederohmigen Kommutierungszustand in den hochohmigen Abschaltzustand (Ausgangszustand) erfolgt.
Nach Ablauf des Zeitgliedes ist sichergestellt, dass der erloschene Lichtbogen auch bei hochohmig geschalteter Elektronik nicht erneut entstehen kann. Demzufolge ist bereits eine zuverlässige Trennung und Gleichstromunterbrechung erreicht.
Als zusätzliches Sicherungselement für eine zuverlässige galvanische Unterbrechung und Trennung ist geeigneterweise ein weiterer mechanischer Trennschalter vorgesehen sein, der mit der Parallelschaltung aus dem mechanischen Schalter und der Halbleiterelektronik in Reihe geschaltet ist.
In besonders bevorzugter Ausführungsform umfasst die Halbleiterelektronik zusätzlich zu dem vorzugsweise als IGBT ausgeführten Leistungs- oder Halbleiterschalter einen weiteren Leistungs- bzw. Halbleiterschalter, der vorzugsweise als MOSFET (metall oxyd semiconductor field-effect transistor) ausgeführt ist. Der nahezu leistungslos ansteuerbare und bei hoher Sperrspannung ein gutes Durchlassverhalten zeigende IGBT ist dabei geeigneterweise mit dem weiteren Halbleiterschalter (MOSFET) in Reihe nach Art einer Kaskodenanordnung geschaltet. Die Halbleiterschalter bilden somit einen zum durch den mechanischen Schalter gebildeten Hauptstrompfad parallelen Kommutierungspfad, auf den der Lichtbogenstrom mit Öffnen des mechanischen Schalters und infolge der Durchsteuerung des oder jedes Halbleiterschalters zunehmend kommutiert. Die während der Kommutierung über dem hybriden Trennschalter und somit über der Halbleiterelektronik abfallende Lichtbogenspannung beträgt zwischen etwa 15V und 30V.
Weist die Halbleiterelektronik gemäß der bevorzugten Ausführungsform einen ersten Halbleiterschalter (IGBT) und einen zweiten Halbleiterschalter (MOSFET) auf, so wird der erste Halbleiterschalter zunächst derart durchgesteuert, dass zwischen den beiden Halbleiterschaltern - also quasi an einem Kaskodenmittenab- griff - eine zum Laden des Energiespeichers ausreichende Spannung in Höhe von beispielsweise 12V (DC) abgreifbar ist. Diese Spannung wird zum Laden des Energiespeichers und dessen gespeicherte Energie wiederum zur Ansteuerung der Halbleiterschalter innerhalb der Halbleiterelektronik genutzt, um die beiden durchzuschalten Halbleiterschalter erneut vollständig abzuschalten, d. h. stromsperrend zu steuern. Anschließend sind der Hauptpfad galvanisch geöffnet und der hierzu parallele Kommutierungspfad ho- chohmig mit der Folge, dass die von der Gleichstromquelle (dauerhaft) erzeugte hohe Gleichspannung mit beispielsweise größer 1000V (DC) am hybriden Trennschalter ansteht. Daher ist über das Zeitglied sicherzustellen, dass nicht nur der Lichtbogen verlöscht, sondern auch das dabei entstehende Plasma abgekühlt ist.
Durch Öffnen des mit diesem autarken Hybridschalter in Reihe geschalteten mechanischen Trennschalters wird eine vollständige galvanische Gleichstromunterbrechung erzielt.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch den Einsatz einer autaken hybriden Trennvorrichtung, deren Halbleiterelektronik die Energie zur eigenen Spannungsversorgung aus dem beim Öffnen des mechanischen Schalters entstehende Lichtbogen entnimmt, keine externe Energiequelle oder zusätzliche Hilfsenergie zur Versorgung der Elektronik erforderlich ist. Die Halbleiterelektronik ist bevorzugt als Zweitpol ausgebildet und bei geschlossenem mechanischem Schalter hochohmig, so dass im normalen Lastbetrieb an der erfindungsgemäßen hybriden Trennvorrichtung praktisch keine Leistungsverluste entstehen.
Die erfindungsgemäße Trennvorrichtung ist vorzugsweise zur Gleichstromunterbrechung im Gleichspannungsbereich geeigneterweise auch bis zu 1500V (DC) vorgesehen. Beim bevorzugten Einsatz des zusätzlichen mechanischen Trennschalters ist diese autarke, hybride Trennvorrichtung daher zur zuverlässigen und berührungssicheren galvanischen Gleichstromunterbrechung sowohl zwischen einer Photovoltaikanlage und einem dieser zugeordneten Wechselrichter als auch in Verbindung mit beispielsweise einer Brennstoffzellenanlage oder einem Akkumulator (Batterie) besonders geeignet. Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
Fig. 1 in einem Blockschaltbild die erfindungsgemäße Trennvorrichtung mit einem autaken hybriden Trennschalter zwischen einem Photovoltaikgenerator und einem Wechselrichter,
Fig. 2 in einem vergleichsweise detaillierten Schaltbild die Trennvorrichtung mit zwei Halbleiterschaltern in Kaskodenanordnung sowie mit Kondensatoren als Energiespeicher, und
Fig. 3 in einem Strom-/Spannungs-Zeit-Diagramm den resultierenden Verlauf von Schalterstrom und -Spannung zeitlich vor, während und nach Verlöschen eines Lichtbogens.
Einander entsprechende Teile sind in beiden Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt schematisch eine Trennvorrichtung 1 , die im Ausführungsbeispiel zwischen einen Photovoltaikgenerator 2 und einen Wechselrichter 3 geschaltet ist. Der Photovoltaikgenerator 2 umfasst eine Anzahl von Solarmodulen 4, die zueinander parallel liegend an einen gemeinsamen Generatoranschlusskasten 5 geführt sind, der quasi als Energiesammelpunkt dient.
Die Trennvorrichtung 1 umfasst im den Pluspol repräsentierenden Hauptstrompfad 6 einen nachfolgend auch als mechanischen Schalter bezeichneten Schaltkontakt 7 sowie eine hierzu parallel geschaltete Halbleiterelektronik 8. Der mechanische Schalter 7 und die Halbleiterelektronik 8 bilden einen autarken hybriden Trennschalter. In der den Minuspol repräsentierenden Rückführleitung 9 der Trennvorrichtung 1 - und damit der Gesamtanlage - kann in nicht näher dargestellter Art und Weise eine weiterer hybriden Trennschalter 7, 8 geschaltet sein.
Sowohl in die den Pluspol repräsentierende Hinführungsleitung (Hauptfpad) 6 als auch in die Rückführungsleitung 9 können miteinander mechanisch gekoppelte Schaltkontakte eines weiteren mechanischen Trennelementes 10 für eine voll- ständige galvanische Trennung bzw. Gleichstromunterbrechung zwischen dem Photovoltaikgenerator 2 und dem Wechselrichter 3 angeordnet sein.
Die Halbleiterelektronik 8 umfasst im Wesentlichen einen Halbleiterschalter 11 , der dem mechanischen Schalter 7 parallel geschaltet ist, sowie eine Ansteuerschaltung 12 mit einem Energiespeicher 13 und mit einem Zeitglied 14. Die Ansteuerschaltung 12 ist, vorzugsweise über einen Widerstand oder eine Widerstandsreihe R (Fig. 2), mit dem Hauptstrompfad 6 verbunden. Das Gate eines vorzugsweise als Halbleiterschalter 11 eingesetzten IGBT's bildet den Steuereingang 15 der Halbleiterschaltung 8. Dieser Steuereingang 15 ist über die Ansteuerschaltung 12 an den Hauptstrompfad 6 geführt.
Fig. 2 zeigt einen vergleichsweise detaillierten Schaltplan der mit dem mechanischen Schalter 7 parallel geschalteten Elektronik 8 des autarken hybriden Trennschalters. Erkennbar ist der erste Halbleiterschalter (IGBT) 11a in einer Kaskodenanordnung mit einem zweiten Halbleiterschalter 11 b in Form eines MOSFET in Reihe geschaltet. Die Kaskodenanordnung mit den beiden Halbleiterschaltern 11a, 11b bildet somit analog zur Fig. 1 den zum mechanischen Schalter 7 und somit zum Hauptstrompfad 6 parallelen Kommutierungspfad 16.
In der in Fig. 1 gezeigten Trennschalteranordnung sowie in der in Fig. 2 dargestellten Kaskodenanordnung ist der erste Halbleiterschalter 11a zwischen der Gleichstromquelle 2 und dem hybriden Trennschalter 7,8 an den Hauptstrompfad 6 geführt. Dort ist das Potential U+ stets größer als das Potential U- auf der gegenüberliegenden Schalterseite, an der der zweite Halbleiterschalter (MOSFET) 11 b an den Hauptstromkreis 6 geführt ist. Das Pluspotential U+ beträgt OV, wenn der mechanische Schalter 7 geschlossen ist.
Der erste Halbleiterschalter (IGBT) 11a ist mit einer Freilaufdiode D2 beschaltet. Eine erste Zehnerdiode D3 ist anodenseitig gegen das Potential U- und kathoden- seitig mit dem Gate (Steuereingang 15) des ersten Halbleiterschalters (IGBT) 11a verbunden. Eine weitere Zehnerdiode D4 ist kathodenseitig wiederum mit dem Gate (Steuereingang 15) und anodenseitig mit dem Emitter des ersten Halbleiterschalters (IGBT) 11a verbunden.
An einen Mitten- oder Kaskodenabgriff 17 zwischen dem ersten und zweiten Halbleiterschalter 11a bzw. 11 b der Kaskodenanordnung ist anodenseitig eine Diode D1 geführt, die kathodenseitig über einen als Energiespeicher 13 dienenden Kondensator C gegen das Potential U- geschaltet ist. Auch können mehrere Kondensatoren C den Energiespeicher 13 bilden. Über einen anodenseitigen Spannungsabgriff 18 zwischen der Diode D1 und dem Energiespeicher 13 bzw. dem Kondensator C ist ein mit ohmschen Widerständen R1 und R2 beschalteter Transistor T1 über weitere Widerstände R3 und R4 mit dem wiederum an den Steuereingang 15 der Halbleiterelektronik 8 geführten Gate des zweiten Halbleiterschalters (MOSFET) 15 verbunden. Eine weitere Zehnerdiode D5 mit parallelem Widerstand R5 ist kathodenseitig mit dem Gate und anodenseitig mit dem Emitter des zweiten Halbleiterschalters (MOSFET) 11 b verbunden.
Basisseitig wird der Transistor T1 über einen Transistor T2 angesteuert, der seinerseits basisseitig über einen ohmschen Widerstand R6 mit dem beispielsweise als Monoflopp ausgeführten Zeitglied 14 verbunden ist. Basis-Emitter-seitig ist der Transistor T2 zudem mit einem weiteren Widerstand R7 beschaltet.
Fig. 3 zeigt in einem Strom- und Spannungs-Zeitdiagramm den Verlauf der Schalterspannung U und des Schalterstroms I des hybriden Trennschalters 7, 8 zeitlich vor einer Kontaktöffnung des mechanischen Schalters 7 zum Zeitpunkt t« und während der Dauer tLß eines Lichtbogens LB über dem Schalter 7 bzw. dessen Schalterkontakten 7a, 7b (Fig. 2) sowie während einer bestimmten, vorgegebenen bzw. eingestellten Zeitdauer tzG des Zeitgliedes 14. Bei geschlossenem mechanischem Schalter 7 ist der Hauptstrompfad 6 niederohmig, während der parallele Kommutierungspfad 16 des hybriden Trennschalters 7, 8 hochohmig und somit stromsperrend ist.
Der in der linken Figurenhälfte der Fig. 3 dargestellte Stromverlauf repräsentiert den ausschließlich über den mechanischen Schalter 7 fließenden Strom I bis zum Zeitpunkt tκ der Kontaktöffnung der Schalterkontakte 7a und 7b. Die Öffnung des mechanischen Schalters 7 erfolgte bereits zu einem nicht näher spezifizierten Zeitpunkt vor dem Zeitpunkt tι< der Kontaktöffnung. Die in der linken unteren Figurenhälfte der Fig. 3 veranschaulichte Schalterspannung U beträgt zeitlich vor dem Kontaktöffnungszeitpunkt tκ praktisch OV und steigt mit dem Öffnen der Schalterkontakte 7a, 7b des mechanischen Schalters 7 zum Zeitpunkt tκ sprunghaft auf einen für einen Lichtbogen LB charakteristischen Wert mit einer typischen Lichtbogenspannung ULB von beispielsweise 20V bis 30V an. Das Pluspotential U+ geht somit gegen diese Lichtbogenspannung ULB = 30V, wenn der mechanische Schalter 7 öffnet.
Während der dem Kontaktöffnungszeitpunkt tκ nachfolgenden Zeitdauer (Lichtbogenzeitintervall) tι_B beginnt bereits die Kommutierung des im Wesentlichen dem Lichtbogenstrom entsprechenden Schalterstroms I vom Hauptstrompfad 6 auf den Kommutierungspfad 16.
Während der Zeitdauer tι_B teilt sich praktisch der Lichtbogenstrom I zwischen dem Hauptstrompfad 6 - also über den mechanischen Schalter 7 - und den Kommutierungspfad 16 - also die Halbleiterelektronik 8 auf. Während dieses Lichtbogenzeitintervalls tι_B wird der Energiespeicher 13 geladen. Die Zeitdauer tLß ist dabei derart eingestellt, dass einerseits genügend Energie für ein zuverlässiges Ansteuern der Halbleiterelektronik 8 zur Verfügung steht, insbesondere zu deren Abschaltung während eines Zeitraums tzG im Anschluss an die die Lichtbogendauer repräsentierende Zeitdauer tι_B- Andererseits ist die Zeitdauer tLβ ausreichend kurz, so dass ein unerwünschter Kontaktabbrand oder -verschleiß des Schalters 7 bzw. der Schalterkontakte 7a, 7b vermieden ist.
Mit Beginn des Lichtbogens LB und somit bei Entstehung der Lichtbogenspannung ULB wird über den Widerstand R (Fig. 2) der erste Halbleiterschalter (IGBT) 11a zumindest soweit durchgesteuert, dass eine ausreichende Ladespannung und ein ausreichender Lichtbogen- bzw. Ladestrom für die Kondensatoren C und somit für den Energiespeicher 13 zur Verfügung steht. Vorzugsweise wird hierzu mit der entsprechenden Beschaltung des ersten Halbleiterschalters (IGBT) 11a mit dem Widerstand R und der Zehnerdiode D3 ein Regelkreis der Elektronik 8 geschaffen, mit dem die Spannung am Kaskodenabgriff 17 auf beispielsweise UAb = 12V (DC) eingestellt ist. Hierbei fließt durch den dem Pluspotential U+ nahen ersten Halbleiterschalter (IGBT) 11a ein Bruchteil des Lichtbogenstroms und damit des Schalterstroms I des hybriden Trennschalters 7,8.
Die Abgriffsspannung UAb dient zur Versorgung der im Wesentlichen durch die Transistoren T1 und T2 sowie das Zeitglied 14 und den Energiespeicher 13 gebildeten Ansteuerschaltung 12 der Elektronik 8. Die anodenseitig mit dem Kaskodenabgriff 17 und kathodenseitig mit dem Kondensator C verbundene Diode D1 verhindert einen Rückfluss des Ladestroms aus den Kondensatoren C und über den Kommutierungspfad 16 in Richtung des Potentials U-.
Ist genügend Energie im Kondensator C und somit im Energiespeicher 13 enthalten, und ist demzufolge eine ausreichend hohe Steuer- oder Schaltspannung UsP am Spannungsabgriff 18 vorhanden, so steuern der Transistor T1 und in Folge dessen der Transistor T2 durch, so dass auch die beiden Halbleiterschalter 11a, 11 b vollständig durchsteuern. Der Lichtbogen- bzw. Schalterstrom I fließt aufgrund des im Vergleich zum sehr hohen Widerstand der vom geöffneten Schalter 7 gebildeten Trennstrecke des Hauptstrompfades 6 wesentlich geringeren Widerstandes der nunmehr durchgesteuerten Halbleiterschalter 11a, 11 b praktisch ausschließlich über den Kommutierungspfad 16. Das Pluspotential U+ geht somit erneut gegen OV, wenn der Schalterstrom I auf die Elektronik 8 kommutiert. In Folge dessen verlöscht der Lichtbogen LB zwischen den Kontakten 7a, 7b des mechanischen Schalters 7.
Die Ladekapazität und somit die in dem Kondensator C enthaltene Speicherenergie ist derart bemessen, dass die Halbleiterelektronik 8 den Schalterstrom I für eine vom Zeitglied 14 vorgegebene Zeitdauer tzG trägt. Diese Zeitdauer tZG kann auf beispielsweise tZc = 3ms eingestellt sein. Die Bemessung dieser Zeitdauer tZG und damit die Festlegung des Zeitgliedes 14 richtet sich im Wesentlichen nach den anwendungsspezifischen oder typischen Zeitdauern für ein vollständiges Verlöschen des Lichtbogens LB sowie nach einer ausreichenden Abkühlung des da- bei gebildeten Plasmas. Wesentliche Maßgabe ist hierbei, dass nach erfolgter Abschaltung der Elektronik 8 mit daraufhin wiederum hochohmigem Kommutierungspfad 16 und demzufolge stromsperrender Halbleiterelektronik 8 am nach wie vor geöffneten mechanischen Schalter 7 bzw. über dessen Schalterkontakten 7a, 7b kein erneuter Lichtbogen LB entstehen kann.
Nach Ablauf der durch das Zeitglied 14 festgelegten Zeitdauer tZG sinkt der Schalterstrom I auf praktisch Null (I = OA) ab, während zeitgleich die Schalterspannung auf die von der Gleichstromquelle 2 gelieferte Betriebsspannung UB mit beispielsweise 1000V (DC) bis 1500V (DC) ansteigt. Das Pluspotential U+ geht somit gegen diese Betriebsspannung UB ~ 1000V, wenn der Kommutierungspfad 16 infolge der Sperrung der Halbleiterschalter 11 hochohmig und somit die Elektronik 8 erneut stromsperrend wird.
Da zu diesem Zeitpunkt der Hauptstrompfad 6 bei gleichzeitig hochohmigem Kommutierungspfad 16 galvanisch geöffnet ist, ist bereits eine lichtbogenfreie Gleichstromunterbrechung zwischen der Gleichstromquelle 2 und der elektrischen Einrichtung 3 hergestellt. Demzufolge ist die Verbindung zwischen der Gleichstromquelle 2 und dem als elektrische Einrichtung beispielhaft angeführten Wechselrichter 3 bereits zuverlässige getrennt. Für eine berührungssichere galvanische Unterbrechung kann anschließend zusätzlich auch das mechanische Trennelement 10 der Trennvorrichtung 1 last- und lichtbogenfrei geöffnet werden.
Bezugszeichenliste
1 Trennvorrichtung
2 Gleichstromquelle
3 Wechselrichter
4 Solarmodul
5 Generatoranschlusskasten
6 Hauptstrompfad
7 Schaltkontakt/Schalter
7a,7t ) Kontakt
8 Halbleiterelektronik
9 Rückführungsleitung
10 Trennelement
11a erster Halbleiterschalter
11 b zweiter Halbleiterschalter
12 Ansteuerschaltung
13 Energiespeicher
14 Zeitglied
15 Steuereingang
16 Kommutierungspfad
17 Kaskoden-/Mittenabgriff
18 Spannungsabgriff
I Schalterstrom t« Kontaktöffnungszeitpunkt tLB Lichtbogendauer tZG Zeitdauer des Zeitgliedes
U Schalterspannung
UB Betriebsspannung
ULB Lichtbogenspannung

Claims

29. Januar 2010Ansprüche
1. Trennvorrichtung (1 ) zur Gleichstromunterbrechung zwischen einer Gleichstromquelle (2) und einer elektrischen Einrichtung (3), insbesondere zwischen einem Photovoltaikgenerator und einem Wechselrichter, mit einem stromführenden mechanischen Schaltkontakt (7) und mit einer diesem parallel geschalteten Halbleiterelektronik (8), dadurch gekennzeichnet,
- dass die Halbleiterelektronik (8) bei geschlossenem Schaltkontakt (7) stromsperrend ist, und
- dass ein Steuereingang (15) der Halbleiterelektronik (8) derart mit dem Schaltkontakt (7) verschaltet ist, dass bei sich öffnendem Schaltkontakt (7) eine infolge eines Lichtbogens (LB) über dem Schaltkontakt (7) erzeugte Lichtbogenspannung (ULB) die Halbleiterelektronik (8) stromleitend schaltet, wobei die Halbleiterelektronik (8) einen Energiespeicher (13) aufweist, der sich infolge des Lichtbogens (LB) innerhalb der Lichtbogendauer (tLß) auflädt.
2. Trennvorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass bei stromleitend geschalteter Halbleiterelektronik (8) der Lichtbogenstrom (LB) vom Schaltkontakt (7) auf die Halbleiterelemktronik (8) kommu- tiert.
3. Trennvorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Kondensator (C) als Energiespeicher (13).
4. Trennvorrichtung (1 ) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass nach Ablauf der Ladezeit (tLβ) des Energiespeichers (13) der infolge des Lichtbogens (LB) fließende Schalterstrom (I) vollständig auf die Halbleiterelektronik (8) kommutiert ist.
5. Trennvorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtbogendauer (tι_B) durch die Ladedauer bzw. -kapazität des Energiespeichers (13) bestimmt ist.
6. Trennvorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass nach Ablauf der Ladezeit (tι_B) des Energiespeichers (13) ein Zeitglied (14) zum lichtbogenfreien Abschalten der Halbleiterelektronik (8) startet.
7. Trennvorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterelektronik (8) mindestens einen steuerbaren Halbleiterschalter (11 ) aufweist.
8. Trennvorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterelektronik (8) einen ersten Halbleiterschalter (11a), insbesondere einen IGBT, und einen mit diesem in Reihe geschalteten zweiten Halbleiterschalter (11 b), insbesondere einen MOSFET, aufweist.
9. Trennvorrichtung (1 ) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten Halbleiterschalter (11a) und dem zweiten Halbleiterschalter (11 b) die Lichtbogenspannung (ULB) zum Aufladen des Energiespeichers (13) abgegriffen ist.
lO.Trennvorrichtung (1 ) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der (erste) Halbleiterschalter (11a) einen Steuereingang aufweist, der über einen ohm'schen Widerstand (R) an das bei geöffnetem Schaltkontakt (7) positive Spannungspotential der Gleichstromquelle (2) geführt ist.
11. Trennvorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch ein mit der Parallelschaltung aus dem mechanischen Schaltkontakt (7) und der Halbleiterelektronik (8) in Reihe geschalteten mechanischen Trennelement (10) zur galvanischen Gleichstromunterbrechung.
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