DE102012212509B4

DE102012212509B4 - Schutzschalter zum Schutz von elektrischen Bauteilen vor einem Überstrom mittels explosiver Trennladung

Info

Publication number: DE102012212509B4
Application number: DE102012212509.4A
Authority: DE
Inventors: Titus Ziegler
Original assignee: Tyco Electronics AMP GmbH
Current assignee: TE Connectivity Germany GmbH
Priority date: 2012-07-17
Filing date: 2012-07-17
Publication date: 2014-03-20
Anticipated expiration: 2032-07-18
Also published as: DE102012212509A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Schutzschalter (1) zum Schutz von elektrischen Bauteilen vor einem Überstrom. Der Schutzschalter (1) ist mit einer Kammer (6), wenigstens einer sich in der Kammer (6) befindlichen Trennstelle (7) und mit wenigstens einer auf die Trennstelle (7) einwirkenden, abhängig von Überstrom betätigbaren Trenneinrichtung (11) versehen, wobei die Trenneinrichtung (11) wenigstens eine in der Kammer (6) angeordnete explosive Trennladung (12) aufweist. Die Trennstelle (7) befindet sich in einem sich durch den Schutzschalter (1) erstreckenden Leistungsstrompfad (2). Um einen insbesondere bei Elektrofahrzeugen einsetzbaren, kleinen und leichten Schutzschalter zu schaffen, der auch bei hohen Überströmen im Bereich von mehreren tausend Ampere sicher funktioniert, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Schutzschalter (1) eine elektromechanisch betätigbare Kontaktbrücke (8) aufweist, durch die der Leistungsstrompfad (2) bei Überstrom an zueinander gehörenden korrespondierenden Kontaktpaaren unterbrechbar ist, wobei der beim Öffnen der Kontakte (14) auftretende Schaltlichtbogen die Trennladungen (12) zündet.

Description

Die Erfindung betrifft einen Schutzschalter zum Schutz von elektrischen Bauteilen vor einem Überstrom, mit einer Kammer, wenigstens einer sich in der Kammer befindlichen Trennstelle, die sich in einem sich durch den Schutzschalter erstreckenden Leistungsstrompfad befindet, und mit wenigstens einer auf die Trennstelle einwirkenden, abhängig vom Überstrom betätigbaren Trenneinrichtung, durch die der Leistungsstrompfad an der Trennstelle bei Überstrom unterbrechbar ist.
Schutzschalter mit derartigen Merkmalen sind bekannt. Sie verhindern, dass der durch sie entlang des Leistungsstrompfades geleitete Leistungsstrom, durch den nachgeschaltete elektronische Bauteile mit Energie versorgt werden, beispielsweise aufgrund eines Kurzschlusses zu groß wird, Tritt ein solcher Überstrom auf, wird der Leistungsstrompfad von der Trenneinrichtung an der Trennstelle unterbrochen, so dass kein Strom mehr zu den nachgeschalteten Bauteilen fließen kann.
Beim Trennvorgang kann an der Trennstelle ein Schaltlichtbogen auftreten, der in der Kammer gehalten werden muss, um die Umgebung des Schutzschalters zu schützen. Um die Trennstelle nach außen hin zu isolieren, ist die Kammer üblicherweise isoliert und verhindert so einen Funkenschlag nach außerhalb.
Besondere Anforderungen an Leistungsschutzschalter werden im Bereich der Elektromobilität gestellt. Die dort eingesetzten Leitungsschutzschalter müssen nicht nur klein und leicht sein, sondern auch in Anbetracht der hohen Speicherkapazitäten der in Elektrofahrzeugen eingesetzten Batterien hohe Ströme im Bereich mehrerer tausend Ampere zuverlässig schalten können.
Sicherungen sind gegenüber Leistungsschutzschaltern in Elektrofahrzeugen nachteilig, weil sie aufgrund ihres großen Toleranzbereichs nur als Teilbereichssicherungen verwendet werden können. Zum Ausschaltern von Überströmen bis ca. 30% des Kurzschlussstromes müssen daher zusätzlich Leistungsschütze verwendet werden, was die Kosten und das Gewicht erhöht.
Einige bislang bei Schutzschaltern eingesetzte Technologen sind hinsichtlich ihrer Kosten und des Gewichtsaufwands verbesserungsfähig.
So werden beispielsweise hermetisch abgedichtete und mit einem unter Druck stehenden Gas befüllte Kammern verwendet, um die Baugröße der Schaltkammern zu reduzieren. Diese Größenreduzierung ist möglich, weil der Schaltlichtbogen aufgrund der Druckgasfüllung geschwächt wird. Dank des schwächeren Schaltlichtbogens können die Abstände der getrennten Trennstelle im unterbrochenen Leistungsstrompfad verringert werden. Der Aufwand für eine hermetische Abdichtung der Kammer ist jedoch beträchtlich, insbesondere wenn die Dichtheit der Kammer über die Lebensdauer des Elektrofahrzeugs sichergestellt sein muss.
Bekannte Schutzschalter unterbrechen Idealerweise sehr schnell, innerhalb von 0,5 ms bis 2 ms, den Leistungsstrompfad, so dass der beim Trennen des Leistungsstrompfads entstehende Schaltlichtbogen den Kurzschlussstrom noch vor Erreichen seines Maximums begrenzen kann. Elektromechanische Antriebe in Trenneinrichtungen, die derart hohe Schaltgeschwindigkeiten erreichen sollen, sind konstruktiv aufwendig und groß.
Um den Leistungsstrompfad bei kleinerem Bauvolumen schnell trennen zu können, gibt es Schalter mit einem pyrotechnischen Antrieb, der über eine Signalleitung gezündet wird. Dies ist insofern nachteilig, als zum einen die Signalleitung einen erhöhten konstruktiven Aufwand erfordert und zum anderen der Leitungsschutzschalter aufgrund der Signalleitung kein selbständig auslösendes, ohne externe Energiezufuhr funktionierendes Sicherheitsbauteil mehr ist.
Bekannt sind auch Schutzschalter mit einer Trenneinrichtung, wobei die Trenneinrichtung wenigstens eine in der Kammer angeordnete explosive Trennladung aufweist.
Mit dieser Lösung kann auf kleinem Raum eine sichere und schnelle Trennung des Laststrompfades auch bei hohen Überströmen erfolgen. Durch die Explosion der Trennladung wird der Leistungsstrompfad an der Trennstelle mechanisch unterbrochen, wobei gleichzeitig aufgrund der Volumenausdehnung im Zuge der Explosion der Druck in der Kammer ansteigt, was den an der unterbrochenen Stelle entstehenden Schaltlichtbogen schwächt oder unterdrückt.
Die Explosion der Trennladung kann auf chemischen Vorgängen, beispielsweise einer Verbrennung, einem Zerfall oder einer Oxidation, oder auf physikalischen Prozessen, beispielsweise einer Verdampfung, oder einer Kombination derartiger Prozesse beruhen. Unabhängig von dem der Explosion zugrundeliegenden Prozess ist das Ingangsetzen der Explosion im Folgenden als Zünden bezeichnet.
Die Trennladung kann insbesondere durch Wärme oder Strom zündbare und explosive Stoffe oder Stoffgemische enthalten oder daraus bestehen. Die Trennladung kann ein pyrotechnischer Satz, ein Treib- oder Brandsatz und/oder ein Gas oder Dampf freisetzender Stoff oder ein entsprechendes Stoffgemisch sein.
Aus der US 4,224,487 ist eine Überlastsicherungsvorrichtung gezeigt, die einen Überlaststromkreis mittels eines durch eine Explosion angetriebenen Trennorgans unterbrochen werden kann. Aus der DE 102 05 369 A1 ist ein Schaltglied bekannt, bei dem ein elektrisch leitendes Teil durch eine Explosion zerstört wird. Die DE 102 09 625 A1 zeigt einen pyrotechnischen Schalter, bei dem ein zwischen zwei Anschlussstücken gelegener Sollbruchbereich durch eine pyrotechnische Ladung zerstört wird. In der DE 199 08 575 A1 ist ein Kontaktsystem gezeigt, bei dem ein entstehender Schaltlichtbogen durch einen pyrotechnischen Gasgenerator ausgeblasen wird. In der DE 10 2009 008 389 A1 ist eine Verbindungsanordnung gezeigt, bei der eine Hülse mittels einer pyrotechnischen Trenneinheit von einem darin eingesteckten Bolzen getrennt werden kann. Die DE 198 17 133 A1 offenbart eine Trennvorrichtung für elektrische Starkstromkreise, bei der der Leiter durch Zündung eines Treibladungspulvers getrennt werden kann. Aus der DE 297 23 873 U1 ist ein Notabschalter für elektrische Stromkreise bekannt, bei dem durch einen oder mehrere pyrotechnische Heizsätze der Leiter an- oder abgeschmolzen wird, so dass der Leiter durch eine Federeinheit verschoben werden kann oder direkt abgeschmolzen wird. Die DE 10 2006 032 605 A1 zeigt eine Trennvorrichtung, bei der ein Leiterstück durch den beim Zünden eines Airbaganzünders entstehenden Gasdruck getrennt wird. In der DE 10 2010 035 684 A1 wird durch eine Explosion ein schlittenförmiges Element angetrieben, das ein fließfähiges Medium gegen einen Teil eines Leiters drückt, so dass der Leiter zerstört wird und der Stromkreis unterbrochen wird.
In Anbetracht der obigen Ausführungen stellt sich folglich die Aufgabe, einen verbesserten Leitungsschutzschalter insbesondere zur Verwendung in Elektrofahrzeugen zu schaffen, der bei Überströmen bis zu mehreren tausend Ampere zuverlässig und schnell reagieren kann und dabei klein und leicht ist.
Diese Aufgabe wird für den eingangs genannten Schutzschalter erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Schutzschalter eine elektromechanisch betätigbare Kontaktbrücke mit zwei Kontakten aufweist, die korrespondierende Kontakte des Leistungsstrompfades elektrisch leitend verbinden, wobei mittels der Kontaktbrücke der Leistungsstrompfad bei Überstrom an zueinander gehörenden korrespondierenden Kontaktpaaren unterbrechbar ist, wobei zwischen den zueinander gehörenden korrespondierenden Kontaktpaaren jeweils eine Trennladung angeordnet ist, die mittels des beim Öffnen der zu den korrespondierenden Kontaktpaaren gehörenden Kontakte auftretenden Schaltlichtbogens die Trennladungen zünden.
Durch die Vorauslösung mittels elektrodynamischer Kräfte und/oder eines elektrodynamischen Trennantriebs lässt sich betriebssicher ein Schaltlichtbogen und damit betriebssicher eine Zündung der Trennladung erreichen. Dabei wird der durch das Trennen des Leistungsstrompfades erzeugte Lichtbogen zum Zünden der Trennladung genutzt.
Im Folgenden sind weiterführende Ausgestaltungen der Erfindung beschrieben, die jeweils für sich vorteilhaft und beliebig miteinander kombinierbar sind.
So kann beispielsweise gemäß einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung die Trennladung vom Überstrom vorzugsweise unmittelbar zündbar in der Kammer angeordnet sein. Separate Steuerleitungen zum Zünden der Trennladung können entfallen. Die Zündung durch den Überstrom kann durch die von ihm erzeugte Wärme und/oder durch einen vom Überstrom erzeugten Funkenschlag, wie beispielsweise den Schaltlichtbogen, erfolgen.
In der Kammer kann sich der Leistungsstrompfad durch wenigstens ein elektrisches Bauelement erstrecken, an dem die Trennladung bevorzugt unmittelbar angebracht ist. Das Bauelement, an dem die Trennladung befestigt ist, ist bevorzugt Teil der Trennstelle. Eine unmittelbare Befestigung der Trennladung an dem elektrischen Bauelement bzw. der Trennstelle bewirkt, dass die Trennladungen chemischen und/oder physikalischen Veränderungen des Bauelementes bzw. der Trennstelle aufgrund des Überstroms unmittelbar ausgesetzt sind. Beispielsweise können vom Bauelement abgegebene Wärmestrahlung und/oder Funken die Trennladung zünden, Beispiele elektrischer Bauelemente, an denen die Trennladung unmittelbar befestigt sein kann, sind Kontaktbrücken und Kontakte, beispielsweise Kontaktpillen, sowie Leitungsdrähte und Schmelzabschnitte, die ausgestaltet sind, ab dem Erreichen des Überstroms zu schmelzen.
Bevorzugt befindet sich die Trennladung an der Trennstelle, so dass ihre explosive Wirkung gezielt an der Stelle zur Geltung kommt, die bei Erreichen des Überstroms mechanisch zu trennen ist.
Die Trennladung kann offen bzw. frei zugänglich in der Kammer angeordnet sein, indem sie beispielsweise als Flüssigkeits- oder Feststoff, worunter auch Gels, Suspensionen und Pasten fallen, auf die Trennstelle, auf das Bauelement und/oder einen anderen Ort in der Kammer aufgetragen ist. Bei besonders leicht zündbaren Trennladungen kann es empfehlenswert sein, die Trennladung außen mit einer Schutzschicht oder einem Schutzmantel zu versehen, um eine Zündung nur bei Erreichen vorbestimmter Bedingungen im Falle eines Überstroms auszulösen.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Trennladung zwischen wenigstens zwei sich gegenüber liegenden, wenigstens abschnittsweise voneinander beabstandeten Zündflächen angeordnet sein. Die Zündflächen können Teil der Trennstelle sein und/oder die Trennstelle begrenzen. Die Zündflächen sind insbesondere ausgestaltet und/oder beabstandet, bei Erreichen des Überstroms zwischen sich einen Schaltlichtbogen zu erzeugen, der die Trennladung zündet. Der Schaltlichtbogen zwischen den Zündflächen kann insbesondere nach einer Unterbrechung des Leistungsstrompfades an der Trennstelle zwischen den Zündflächen vorhanden sein.
Die Zündflächen können in einer vorteilhaften Weiterbildung gleichzeitig Kontaktflächen sein, die sich an der Trennstelle berühren. Die Zündflächen können in einer Weiterbildung gleichzeitig als Prallflächen, die der Expansion der Gase nach dem Zünden der Trennladung einen Widerstand bieten, ausgestaltet sein, so dass sie im Zuge der Explosion der Trennladung auseinandergedrückt werden und den Leistungsstrompfad an der Trennstelle unterbrechen. Die Prallflächen wirken ähnlich wie Kolbenflächen eines durch Druck betriebenen Kolbens.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die Zündflächen an wenigstens einer Kontaktstelle miteinander elektrisch leitend verbunden sein und im Übrigen voneinander beabstandet sein. Die elektrisch leitende Verbindung zwischen den beiden Zündflächen kann einteilig, beispielsweise in Form einer Materialbrücke, oder durch aneinander liegende Zündflächen erfolgen.
Zündflächen in einer der obigen Ausgestaltungen haben insbesondere bei besonders hohen Überströmen einen Vorteil: Bei hohen Überströmen im Bereich von mehreren tausend Ampere entwickeln sich an der Oberfläche der einander gegenüberliegenden Zündflächen ausgehend von der wenigstens einen Kontaktstelle entgegengerichtete Ströme, die zu einer elektrodynamischen Abstoßung der Zündflächen führen. Werden die Zündflächen mit einer nur geringen Kraft gegeneinander gedrückt, kann bereits aufgrund der elektrodynamischen Kräfte durch ein Aufschleudern der Zündflächen eine Unterbrechung des Leistungsstrompfades herbeigeführt werden, die noch vor einer Zündung der Trennladung erfolgt. Aufgrund der elektrodynamisch herbeigeführten Trennung des Leistungsstrompfades entsteht dann zwischen den sich an der Trennstelle gegenüber liegenden Enden des Leistungsstrompfades, insbesondere an den Zündflächen, ein Schaltlichtbogen, der dann die Trennladung zündet und die Enden an der Trennstelle weiter auseinander schleudert. Die Kontaktstelle kann mittig in den Zündflächen angeordnet sein.
Um vom Überstrom gezündet werden zu können, weist die Trennladung bevorzugt eine Zündtemperatur auf, die zwischen der Schmelz- und der Siedetemperatur zumindest eines Bereichs der Trennstelle liegt. Dadurch ist sichergestellt, dass die Trennladung im Normalbetrieb des Schutzschalters nicht, bei Auftreten eines Schaltlichtbogens jedoch bereits durch die Temperatur des Lichtbogenfußpunktes sehr wohl gezündet wird.
Insbesondere sollte die Zündtemperatur der Trennladung zwischen der Schmelz- und der Siedetemperatur eines Bereichs desjenigen Bauelements liegen, an dem sich die Trennladung befindet. Bevorzugt ist dies ein Bereich, an dem die Trennladung aufgebracht oder anderweitig befestigt ist.
Um einen selbsttätig schaltbaren Schutzschalter zu schaffen, sollte die Trennladung bei einem Überstrom von der Trennstelle betätigbar angeordnet sein. Der Zündvorgang erfolgt also allein aufgrund der beim Überstrom auftretenden Veränderungen der Trennstelle.
Die Kammer muss nicht notwendigerweise hermetisch abgedichtet sein, sofern die Leckageströme ausreichend klein sind, um zumindest während des Trennvorgangs einen ausreichenden, den Schaltlichtbogen schwächenden und die Trennstelle aufschleudernden Überdruck in der Kammer aufrecht zu erhalten.
Bevorzugt herrscht nach abgeschlossener Unterbrechung des Laststrompfades, wenn die Trennladung erschöpft ist, in der Kammer ein höherer Druck als vor Erreichen des Überstroms.
Eine der sich bezüglich der Trennstelle gegenüber liegenden Zünd-, Kontakt- und/oder Prallflächen, zwischen denen die Trennladung angeordnet ist, kann beweglich im Schutzschalter gehalten sein. Durch die Explosion der Trennladung wird die bewegliche Prallfläche weggedrückt und die Trennstelle aufgetrennt. Die Prallfläche kann dabei translatorisch und/oder rotatorisch im Schutzschalter geführt sein.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Trennstelle wenigstens einseitig mit einem beweglichen Kolben bewegungsübertragend verbunden sein. Als ein solcher Kolben kann entweder eine oben beschriebene Prallfläche dienen. Als Kolben kann jedoch auch wenigstens ein Teil der Kammerwandung dienen. In diesem Fall wird das aufgrund der Zündung der Trennladung in der Kammer expandierende Gas den Kolben unter Vergrößerung des Kammervolumens bewegen bzw. aufdrücken. Die Kolbenbewegung führt aufgrund der bewegungsübertragenden Verbindung mit wenigstens einer Seite der Trennstelle zur Unterbrechung des Leistungsstrompfades.
Der Kolben kann translatorisch und/oder rotatorisch geführt sein.
Liegen an der Trennstelle zwei oder mehrere Kontakte lediglich an, so kann der Kontakt bzw. eine den Kontakt tragende Kontaktbrücke mit dem Kolben bewegungsübertragend verbunden sein. In diesem Fall werden die aneinander liegenden Kontakte aufgrund der Kolbenbewegung lediglich voneinander wegbewegt, um den Leistungsstrompfad zu unterbrechen. Im Unterschied dazu würde eine Materialbrücke aufgrund der Kolbenbewegung durchgerissen werden oder brechen.
Um die Durchtrennung des Leistungsstrompfades zu erleichtern, kann die Trennstelle einen Schwächungsbereich aufweisen, in dem der Leistungsstrompfad mechanisch und/oder elektrisch geschwächt ist.
Der Schwächungsbereich weist vorteilhaft einen gegenüber einem angrenzenden Leitungsquerschnitt verringerten Leitungsquerschnitt auf. Der Leitungsquerschnitt kann durch Ausnehmungen im Leitungsstrompfad wie beispielsweise Löcher oder Einkerbungen verringert sein, was insbesondere bei der Herstellung des Leistungsstrompfades aus einem Stanzteil einfach zu bewerkstelligen ist. Der Schwächungsbereich kann auch eine Einschnürung aufweisen, die zu einer verringerten mechanischen Festigkeit und/oder zu einem erhöhten elektrischen Widerstand führt. Um die zur Trennung an der Trennstelle notwendigen Kräfte zu verringern, ist es von Vorteil, wenn ein elektrischer Widerstand der Materialbrücke so bemessen ist, dass sie bei Auftreten eines Überstroms wenigstens teilweise in dem schmelzflüssigen Zustand übergegangen ist.
Der Schwächungsbereich dient als eine Sollbruchstelle, durch die die Stelle, an der der Leistungsstrompfad bei einem Überstrom unterbrochen wird, in ihrer Lage genau bestimmt ist.
Die Trennladung kann sich gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung an dem Schwächungsbereich befinden, so dass sich die Wirkung der Trennladung unmittelbar an der mechanisch geschwächten Stelle entfalten kann.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Trenneinrichtung zusätzlich zur Trennladung einen elektromechanischen Trennantrieb aufweisen. Durch den Trennantrieb wird der Laststrompfad an der Trennstelle unterbrochen. Es entsteht ein Schaltlichtbogen, der die Trennladung zündet. Die Explosion der Trennladung beschleunigt die Unterbrechung des Laststrompfades. In einer solchen Ausgestaltung kann der elektromechanische Trennantrieb folglich als Vorauslösung dienen, der den Laststrompfad an der Trennstelle vor dem Zünden der Trennladung unterbricht.
Ein elektromechanischer Trennantrieb kann beispielsweise eine vorgespannte Feder umfassen, die vor Erreichen des Überstroms verriegelt und gespannt ist, wobei bei Erreichen des Überstroms die Verriegelung elektromagnetisch gelöst wird. Durch Lösen der Verriegelung kann die Feder vorschnellen und das wenigstens eine Trennorgan antreiben. Der Trennantrieb kann mit dem Kolben bewegungsstarr und/oder zumindest bewegungsübertragend verbunden sein.
Das Trennorgan kann mechanisch auf die Trennstelle einwirken, indem beispielsweise die Trennstelle bei Betätigen des Trennantriebs vom Trennorgan mechanisch durchtrennt wird. Hierzu kann das Trennorgan als Stößel oder Klinge ausgestaltet sein.
Die Trennladung kann zusätzlich oder alternativ zur unmittelbaren Unterbrechung des Lastrompfades an der Trennstelle auch dazu genutzt werden, diese oder wenigstens eine weitere, sekundäre Trennstelle mittelbar durch das Trennorgan zu durchtrennen. Hierzu kann das Trennorgan von der Trennladung antreibbar ausgestaltet sein. Das Trennorgan kann mit einem Kolben verbunden oder von einem Kolben gebildet sein, der von der explodierenden Trennladung antreibbar ist. Im unterbrochenen Zustand ist der Leistungsstrompfad bei dieser Ausgestaltung vom wenigstens einen Trennorgan an einer Trennstelle unterbrochen.
Der Schutzschalter kann in einer weiteren Ausgestaltung mehrere in Reihe im Leistungsstrompfad angeordnete Trennstellen aufweisen. An jeder Trennstelle erhöht sich aufgrund der zusätzlichen Anoden- und Katodenfälle die Lichtbogenspannung, so dass eine starke strombegrenzende Wirkung erreicht wird. Wenigstens eine Teilmenge der Trennstellen kann mit wenigstens einer Trennladung pro Trennstelle versehen sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind mehrere Trennorgane vorgesehen, die jeweils einer separaten Trennstelle des Leistungsstrompfades zugeordnet sind. Im ausgelösten Zustand, nach Explosion der Trennladung, ist der Leistungsstrompfad an diesen Trennstellen von den Trennorganen getrennt. Diese Ausgestaltung erlaubt es in einer Variante, den Leistungsstrompfad gleichzeitig zu trennen.
Dem Trennorgan bezüglich des Leistungsstrompfades gegenüber kann wenigstens eine Aufnahme ausgebildet sein. In dieser Aufnahme kann das Trennorgan oder der wenigstens eine Trennabschnitt des Trennorgans im ausgelösten Zustand des Schutzschalters am durchtrennten Leistungsstrompfad vorbei eingefahren sein.
Nach einer weiteren Ausgestaltung kann der Leistungsstrompfad im Schutzschalter wenigstens abschnittsweise zurückgeführt sein. Bei einer solchen Rückführung können zwei nebeneinander beabstandet verlaufende Abschnitte des Leistungsstrompfades entstehen, zwischen denen sich der wenigstens eine Kolben befindet. An wenigstens einer Seite des Kolbens kann die wenigstens eine Trennladung angeordnet sein, vorzugsweise, wie oben beschrieben, an einer Trennstelle. Sind zu beiden Seiten des Kolbens Trennladungen angeordnet, so ist bevorzugt die Gesamtstärke der Trennladungen auf der einen Seite starker als die Gesamtstärke der Trennladungen auf der anderen Seite des Kolbens. Daraus ergibt sich bei einer Explosion aller Trennladungen eine den Kolben in eine Richtung bewegende Kraft.
Nach einer weiteren Ausgestaltung ist das wenigstens eine Trennorgan an einer einem Abschnitt des Leistungsstrompfades zugewandten Seite des Kolbens angeordnet. Bevorzugt ist dies die Seite des Kolbens, die in die Bewegungsrichtung des Kolbens weist. Der Kolben kann dabei durch einen elektromagnetischen Trennantrieb antreibbar ausgestaltet sein.
Die Kammer kann zwei durch wenigstens eine Trennstelle getrennte Teilkammern aufweisen. Die Trennladung kann sich in einer der Teilkammern befinden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung vorgesehen, dass bei Überstrom zu einem Zeitpunkt der Laststrompfad an der Trennstelle vorzugsweise durch den Trennantrieb und/oder durch die oben beschriebene elektrodynamische Abstoßung bei hohen Strömen getrennt ist, bevor die Trennladung betätigt bzw. gezündet ist.
Bei dieser Ausgestaltung wird folglich zuerst der Leistungsstrompfad an der Trennstelle getrennt und dann die Trennladung gezündet.
Der erfindungsgemäße Schutzschalter ist aufgrund der nicht regenerierbaren Trennladung gemäß einer Ausgestaltung lediglich einmal zu betätigen. Um zu verhindern, dass der Leistungsstrompfad nach Zünden der Trennladung wieder geschlossen werden kann, kann der Schutzschalter ein Verriegelungsorgan aufweisen, durch das er in einer nach Vorliegen eines Überstroms eingenommenen Stellung mit getrenntem Leistungsstrompfad arretiert ist. Anstelle einer Verriegelung kann auch ein in der Kammer sich nicht oder nur sehr langsam aufbauender Druck vorgesehen sein, der beispielsweise eine Rückkehrbewegung eines Kolbens verhindert? Im Folgenden ist die Erfindung anhand von Ausführungsformen mit Bezug auf die Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Die oben und im Zusammenhang mit den Ausführungsformen beschriebenen Merkmale können nach Maßgabe der vorstehenden Angaben beliebig miteinander kombiniert werden. Einzelne Merkmale können auch weggelassen werden, sofern es bei einer bestimmten Anwendung nicht auf einen mit diesen Merkmalen verbundenen Vorteil ankommt.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schutzschalters in einer Betriebstellung;
2 eine schematische Darstellung der Ausführungsform der 1 in einem ausgelösten Zustand, nach Erreichen eines Überstroms;
3 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schutzschalters in einer Betriebsstellung;
4 eine schematische Darstellung des Schutzschalters der Ausführungsform der 3 im ausgelösten Zustand, nach Erreichen eines Überstroms;
5A eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Trennstelle in einer Betriebsstellung;
5B eine schematische Darstellung der Ausführungsform in 5A in einer anderen Stellung;
6 eine schematische Darstellung einer nicht zur beanspruchten Erfindung gehörigen Ausführungsform einer Trennstelle;
7 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schutzschalters in einer Betriebsstellung;
8A eine schematische Schnittdarstellung einer weiteren nicht zur beanspruchten Erfindung gehörigen Ausführungsform einer Trennstelle;
8B eine schematische Darstellung der Trennstelle der 8A in einer Draufsicht;
9 eine schematische Darstellung der Ausführungsform der 7 kurz nach Erreichen eines Überstroms;
10 eine schematische Darstellung der Ausführungsform der 9 zu einem späteren Zustand, kurz vor Erreichen des ausgelösten Zustands;
11 eine schematische Darstellung des Ausführungsbeispiels der 7 im ausgelösten Zustand;
12 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schutzschalters in einer Betriebsstellung;
13A eine schematische Schnittdarstellung einer weiteren nicht zur Erfindung gehörigen Ausführungsform einer Trennstelle;
13B eine schematische Draufsicht auf die Trennstelle der 13A;
13C eine schematische Schnittdarstellung einer weiteren nicht zur Erfindung gehörigen Ausführungsform einer Trennstelle;
13D eine schematische Draufsicht auf die Ausführungsform der 13C;
14 eine schematische Darstellung der Ausführungsform der 12 kurz vor Erreichen des ausgelösten Zustandes.
Im Folgenden sind in den Figuren für Elemente, die einander hinsichtlich Aufbau und/oder Funktion entsprechen, der Einfachheit halber dieselben Bezugszeichen verwendet. Bei unterschiedlichen Ausführungsformen ist, soweit sich aus dem jeweiligen Text nichts anderes ergibt, der Kürze halber nur jeweils auf die Unterschiede zu den vorangegangen Ausführungsformen eingegangen.
Zunächst ist der Aufbau eines erfindungsgemäßen Schutzschalters 1 anhand der schematischen Darstellung der 1 beschrieben.
Der Schutzschalter ist besonders zur Verwendung in Elektrofahrzeugen geeignet, weil er klein und leicht ist und hohe Ströme von mehreren tausend Ampere schalten kann.
Durch den Schutzschalter 1 erstreckt ein Leistungsstrompfad 2. Der Leistungsstrompfad bezeichnet den Weg, den der vom Schutzschalter 1 zu schaltende Strom der in 1 dargestellten Betriebsstellung nimmt. Entlang des Leistungsstrompfades 2 können sich verschiedene elektrische Bauelemente befinden, wie beispielsweise aktive oder passive Bauelemente in Form von Kontakten, Leitungsstücken, Kontaktträgern und/oder Schaltkreisen.
In der in 1 dargestellten Betriebsstellung führt der Leistungsstrompfad von einer ersten, von außerhalb des Schutzschalters 1 zugänglichen Anschlussstelle 3 entlang eines Leitungsstückes 4 durch ein Gehäuse 5 in eine Kammer 6. In der Kammer 6 befindet sich wenigstens eine Trennstelle 7 im Leistungsstrompfad 2, bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel zwei in Reihe geschaltete Trennstellen 7. Der Aufbau der Trennstellen 7 ist unten mit Bezug auf 5 und 7 anhand zweier Ausführungsformen näher beschrieben.
An den Trennstellen trennt der Schutzschalter 1 während eines Schaltvorganges den Leistungsstrompfad 2, so dass dieser unterbrochen ist.
Die zwei Trennstellen 7 können miteinander durch eine Kontaktbrücke 8 verbunden sein. Der Leistungsstrompfad 2 führt von der zweiten Trennstelle über ein weiteres Leitungsstück 9 zu einer zweiten, ebenfalls von außen zugänglichen Anschlussstelle 10.
An den Anschlussstellen 3, 10 kann der Schutzschalter 1 an einem zu schützenden Stromkreis angeschlossen werden.
Der Schutzschalter 1 weist eine Trenneinrichtung 11 auf, die ausgestaltet ist, bei Erreichen eines Überstroms im Leistungsstrompfad den Leistungsstrompfad an der wenigstens einen Trennstelle 7 zu unterbrechen. Als Überstrom ist dabei ein vorgegebener, unzulässig hoher Strom bezeichnet, der zu einer Beschädigung von Bauelementen im Stromkreis, an den die Anschlussstellen 3, 4 angeschlossen sind, führen würde.
Die Trenneinrichtung weist wenigstens eine explosive Trennladung 12 auf, die wie die wenigstens eine Trennstelle 7 in der Kammer 6 angeordnet ist.
Die Trennladung 12 umfasst ein explosives Stoffgemisch und/oder einen explosiven Stoff, beispielsweise einen pyrotechnischen Satz, einen Treib- und/oder Brandsatz, einrn Gas oder Dampf freisetzenden Stoff und/oder ein entsprechendes Stoffgemisch.
Die Trennladung 12 kann, wie 1 zeigt, bevorzugt unmittelbar an einem elektrischen Bauelement 13 oder mehreren elektrischen Bauelementen angebracht sein, durch die sich der Leistungsstrompfad 2 erstreckt.
Die Trennladung 12 befindet sich bevorzugt in der Nähe, besser unmittelbar an der Trennstelle 7. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass das elektrische Bauelement 13, an dem die Trennladung 12 angebracht ist, Teil der Trennstelle 7 ist.
Die Trennladung 12 kann offen in der Kammer 6 angeordnet sein, so dass sie frei zugänglich ist. Um eine vorzeitige oder unbeabsichtigte Zündung zu vermeiden, kann die Trennladung 12 von einer in 1 nicht dargestellten Hülle oder einem Schutzmantel bzw. einer Schutzschicht umgeben sein.
Lediglich beispielhaft ist in 1 gezeigt, dass im Bereich der Trennstelle 7 zwei Kontakte 14, die jeweils von Kontaktträgern 15 gehalten sind, unter Wirkung einer Andruckkraft 16 an einer Kontaktstelle 17 aneinander anliegen und damit elektrisch leitend miteinander verbundenen sind. Die Kontaktstelle 17 mit den Kontakten 14 bildet die Trennstelle 7.
Die Trenneinrichtung 11 kann des Weiteren einen elektromechanischen Trennantrieb 18 aufweisen. Der elektromechanische Trennantrieb 18 kann wie bei Schutzschaltern üblich aufgebaut sein und eine Antriebsfeder 19 umfassen, die in der in 1 dargestellten Betriebsstellung vorgespannt und in der vorgespannten Lage von einem Haltemagneten 20 gehalten ist.
Die vom Haltemagneten 20 ausgeübte Kraft ist der von der vorgespannten Antriebsfeder 19 ausgeübten Kraft entgegengesetzt. Mit zunehmenden Strom im Leistungsstrompfad 2 wird das Magnetfeld des Haltemagneten 20 gestört und geschwächt, bis bei Erreichen des Überstroms, die von der Feder ausgeübte Kraft die vom Haltemagneten erzeugte Kraft übersteigt und die Feder entspannt. Dabei wird durch die Feder die Kontaktbrücke 8 unter Trennung der Kontakte 14 an den Kontaktstellen 17 bzw. Trennstellen 7 bewegt.
Sobald die Kontakte 14 etwas geöffnet sind und sich nicht mehr berühren, entsteht an den sich gegenüber liegenden Kontaktflächen 21 ein Schaltlichtbogen, der an seinen Fußpunkten eine hohe Wärme erzeugt und das Material der Kontaktfläche aufschmilzt. Die Trennladung 12 ist vorzugsweise zwischen den Kontaktflächen 21 angeordnet, so dass sie vom Schaltlichtbogen durchschlagen wird.
Der Schaltlichtbogen zündet die Trennladung 12 entweder direkt oder indirekt über die Wärmeentwicklung an den Fußpunkten des Schaltlichtbogens, die von der Trennladung 12 bedeckt sind. Die Explosion erhöht das Gasvolumen in der Kammer 6. Dadurch steigt der Druck in der Kammer 6 an. Der Druckanstieg in der Kammer schwacht den Schaltlichtbogen.
Gleichzeitig führt die explosive Gasexpansion an der Trennstelle zu einem verstärkten Aufschleudern der Kontakte, indem die Kontaktbrücke durch die auf die Kontaktflächen auftreffenden Explosionsgase beschleunigt wird.
Ist der Schutzschalter 1 ausgelöst, ergibt sich der in 2 dargestellte Zustand, in dem der Leistungsstrompfad 2 an der wenigstens einen Trennstelle 7 unterbrochen ist.
Damit die Trennladung 12 zuverlässig zündet, weist sie eine Zündtemperatur auf, die bevorzugt zwischen der Schmelz- und der Siedetemperatur desjenigen Bereichs liegt, an dem die Trennladung angebracht ist. Im vorliegenden Beispiel liegt also die Zündtemperatur der wenigstens einen Trennladung 12 zwischen der Schmelz- und der Siedetemperatur eines Teils der Trennstelle 7, beispielsweise der ein elektrisches Bauelement darstellenden Kontaktflächen 21.
Die Trennladung ist so angeordnet, dass sie von der Trennstelle bzw. den Veränderungen der Trennstelle aufgrund des Überstroms selbsttätig gezündet wird. Externe Steuerleitungen sind überflüssig.
Die Kontaktflächen 21 liegen in Betriebszustand wenigstens abschnittsweise beabstandet sich gegenüber, so dass die Entstehung eines Schaltlichtbogens begünstigt wird. Die Kontaktflächen 21 dienen als Zündflächen 22, über die der Schaltlichtbogen beim Trennen der Kontakte 14 wandert. Wenigstens eine Trennladung 12 ist dabei zwischen den Zündflächen 22 angeordnet, so dass sie entweder vom Schaltlichtbogen durchschlagen wird oder aber in Kontakt mit Material kommt, das vom Schaltlichtbogen aufgeschmolzen wurde.
Gleichzeitig dienen die Kontaktflächen 21 bzw. die Zündflächen als Kolben- oder Prallflächen 23 für das von der gezündeten Trennladung erzeugte Gas. An den Prallflächen werden die Kontakte 14 ähnlich wie Kolben auseinandergedrückt.
Die Trennstelle 7 ist an wenigstens einer Seite im Schutzschalter 1 translatorisch und/oder rotatorisch beweglich geführt, beispielsweise mittels der beweglichen Kontaktbrücke 8, so dass die Trennbewegung kontrolliert erfolgt. Für eine rotatorische Trennbewegung kann beispielsweise die Kontaktbrücke 8 drehbar gelagert sein.
Die Kammer 6 muss nicht hermetisch abgedichtet sein, solange die Leckageverluste an eventuellen Öffnungen klein genug sind, um nicht das Auseinanderschleudern der Trennstelle 7 aufgrund der Gasexpansion der gezündeten Trennladung 12 zu beeinträchtigen.
In dem Ausführungsbeispiel der 1 und 2 sind die Kontakt-, Prall- und Zündflächen lediglich zur Anschauung von derselben Fläche gebildet. In alternativen Ausgestaltungen können jedoch diese Flächen in unterschiedlichen, voneinander beabstandeten Bereichen angeordnet sein. So können beispielsweise die Prallflächen größer und weiter von den Kontaktflächen entfernt ausgebildet sein als die Zündflächen.
3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schutzschalters 1.
Im Unterschied zu der Ausführungsform der 1 und 2 ist ein Abschnitt 24 der Kammerumwandung 25 als beweglicher Kolben 26 ausgestaltet.
Mit dem Kolben 26 ist wenigstens eine Seite wenigstens einer Trennstelle 7 bewegungsübertragend verbunden. Eine Bewegung des Kolbens 26 führt damit zu einer Bewegung an der Trennstelle 7. Der Kolben 26 kann ferner mit dem Trennantrieb 18 verbunden sein.
Wird bei der Ausführungsform der 3 und 4 die Trennladung 12 gezündet, erhöht sich der Druck in der Kammer 6 und der Kolben 26 bewegt sich. Die Bewegungsrichtung 27 des Kolbens ist dabei so orientiert, dass sich das Volumen der Kammer 6 vergrößert. Die Bewegungsrichtung 27 ist insbesondere parallel zu einer Trennrichtung 28, in der sich die beiden Seiten der wenigstens einen Trennstelle 7 relativ zueinander bewegen müssen, um den Leistungsstrompfad 2 zu unterbrechen. In 3 weist die Bewegungsrichtung 27 also in die Richtung, in der die aufeinander liegenden Kontakte 14 voneinander wegbewegt werden.
Gegenüber der Ausführungsform der 1 und 2 ist bei der Ausführungsform der 3 und 4 die Kraft, mit der der Leistungsstrompfad 2 an der wenigstens einen Trennstelle 7 unterbrochen wird, aufgrund der größeren Prallfläche 23 deutlich größer.
Auf der von der Kammer 6 abgewandten Seite des Kolbens 26 kann eine Ausgleichskammer 30 vorhanden sein, in die sich der Kolben 26 in Bewegungsrichtung 27 hineinbewegt. Die Ausgleichskammer 30 kann über Öffnungen 31 mit der Umgebung 32 verbunden sein, so dass die vom Kolben 26 bei seiner Bewegung verdrängte Luft ohne großen Widerstand ausströmen kann.
Es ist von Vorteil, wenn der Kolben 26 möglichst dicht im Gehäuse 5 geführt ist, so dass nur geringe Druckverluste nach dem Zünden der Trennladung 12 auftreten. Somit verbleibt über einen langen Zeitraum in der Kammer 6 ein Überdruck, der verhindert, dass der Kolben 26 in seine Ausgangslage bewegt und damit der Leistungsstrompfad 2 wieder geschlossen wird.
In 5 ist schematisch eine Ausführungsform einer Trennstelle 7 gezeigt, an der sich zwei Kontakte 14 an einer Kontaktstelle 17 berühren und ansonsten voneinander beabstandet sind. Die Trennladung 12 ist zwischen den als Prallflächen 23 und als Zündflächen 22 dienenden Kontaktflächen 21 angeordnet.
Bei besonders hohen Überströmen bewirkt eine derartige Ausgestaltung ein schnelles anfängliches Auseinanderschleudern der Kontakte 14 aufgrund eines elektrodynamischen Oberflächeneffekts: An den sich gegenüber liegenden, beabstandeten Kontaktflächen wirken bei Strömen von mehreren tausend Ampere starke, sich abstoßende Magnetfelder, welche die Kontakte 14 auseinander drücken. Durch die Beabstandung der Kontaktflächen entsteht ein die Trennladung 12 zündender Schaltlichtbogen 34, wie in 5B gezeigt ist. Durch den Schaltlichtbogen 34 und/oder die durch ihn bewirkte Erwärmung der Zündflächen wird die Trennladung gezündet.
Der elektrodynamische Abstoßungseffekt bei hohen Überströmen unterstützt die anfängliche Trennbewegung eines elektromechanischen Trennantriebs 18 und bewirkt ein schnelleres Aufschleudern der Kontaktflächen 21.
Anstelle der oben beschriebenen aneinander liegenden Kontakte 14 kann an der Trennstelle 7 der Leistungsstrompfad 2 auch durchgängig in Form einer Materialbrücke ausgestaltet sein. Diese alternative Ausführungsform, die nicht zu Gegenstand der beanspruchten Erfindung gehört, ist in 6 gezeigt. Die Materialbrücke kann mit einem Schwächungsbereich 35 versehen sein, der bei Erreichen des Überstroms schmilzt und so die Trennladung 12, die bevorzugt am Schwächungsbereich 35 bzw. der Materialbrücke 33 anliegt, gezündet wird.
Durch die Explosion der Trennladung 12 wird der Leistungsstrompfad 2 durchtrennt und die sich gegenüberliegenden Enden der Trennstelle 7 werden voneinander weggeschleudert.
Die Trennladung 12 kann, wie 8 zeigt, zwischen beabstandeten Zündflächen 22 bzw. Prallflächen 23 angeordnet sein, um die trennende Wirkung der explodierenden Trennladung zu verstärken und über einen Schaltlichtbogen sicher eine Zündung der Trennladung 12 herbeizuführen.
Des Ausführungsbeispiel der 9 ist, ähnlich dem Ausführungsbeispiel der 3, mit einem Kolben 26 versehen. Im Unterschied zur Ausführungsform der 3 ist jedoch der Leistungsstrompfad 2 innerhalb des Schutzschalters 1, insbesondere innerhalb der Kammer 6, zurückgeführt, so dass er zwei Abschnitte 36, 37 bildet, zwischen denen der Kolben 26 in der Kammer 6 angeordnet ist.
An einer Seite 38 des Kolbens 26 befindet sich die wenigstens eine Trennladung 12, die durch den Überstrom gezündet wird und den Kolben 26 in Bewegungsrichtung 27 treibt. Wie oben beschrieben ist, kann die wenigstens eine Trennladung 12 unmittelbar an einer Trennstelle 7 angebracht sein. An der einen Seite 38 des Kolbens 26 sind demnach sowohl wenigstens eine Trennladung 12 als auch wenigstens eine Trennstelle 7 angeordnet.
An der bezüglich der Bewegungsrichtung 27 anderen Seite 39 des Kolbens 26, im Abschnitt 37 des Leistungsstrompfades, kann sich, wie 7 zeigt, ebenfalls wenigstens eine Trennstelle 7 im Leistungsstrompfad 2 befinden. Lediglich beispielhaft zeigt 7 drei in Reihe geschaltete Trennstellen 7 im Abschnitt 37. Durch die Reihenschaltung der Trennstellen 7 können sich mehrere Anoden und Katodenfälle bei einer Unterbrechung des Leistungsstrompfades 2 an diesen Trennstellen 7 ausbilden, so dass die Lichtbogenspannungen stark erhöht werden können.
Die im Abschnitt 37 angeordneten Trennstellen 7 können als sekundäre Trennstellen 7' aufgefasst werden, weil sie durch die Trennladung 7 nicht wie die im Abschnitt 37 liegende wenigstens eine primäre Trennstelle 7 unmittelbar, sondern mittelbar, durch die von der Trennladung 12 bewirkte Bewegung des Kolbens getrennt werden. Dies ist im Folgenden kurz dargelegt.
Jeder sekundären Trennstelle ist ein Trennorgan 40 zugeordnet, das mit dem Kolben 26 bewegungsübertragend, vorzugsweise bewegungsstarr verbunden ist. Das wenigstens eine Trennorgan 40 kann, wie 7 zeigt, unmittelbar am Kolben 26 angeordnet sein. Bevorzugt bildet der Kolben 26 einen in Bewegungsrichtung 27 vorragenden Vorsprung aus. Das Trennorgan 40 kann stößel-, stempel- oder klingenförmig ausgestaltet sein und die sekundäre Trennstelle 7 in Bewegungsrichtung 27 überlappen. Die sekundären Trennstellen 7 liegen jeweils zwischen dem zugeordneten Trennorgan und einer Aufnahmekammer 41, die wenigstens so groß ist wie das Trennorgan 40 und eine lichte Weite 42 aufweist.
Wie 7 zeigt, sind die sekundären Trennstellen 7' bevorzugt nicht von aufeinanderliegenden Kontaktflächen 21 wie die primären Trennstellen 7, sondern von Materialbrücken 33 gebildet.
In den 8A und 8B ist beispielhaft der Aufbau einer nicht zum Gegenstand der beanspruchten Erfindung gehörenden Variante einer sekundären Trennstelle 7' in Form einer Materialbrücke 33 gezeigt. Dieser Aufbau kann selbstverständlich auch für eine primäre Trennstelle 7 verwendet werden.
Die Trennstelle 7, 7' weist wenigstens einen Schwächungsbereich 35 auf, der als Sollbruchstelle dient. Im Schwächungsbereich 35 ist ein Leitungsquerschnitt 43 des Leistungsstrompfades 2 gegenüber einem angrenzenden Leitungsquerschnitt 44 verringert. Dies führt zu einer mechanischen Schwächung des Leistungsstrompfades 2 an der Trennstelle. Gleichzeitig erhöht sich der elektrische Widerstand des Schwächungsbereiches 35.
Die Trennstelle kann insbesondere zwei entlang des Leistungsstrompfades 2 voneinander beabstandete Schwächungsbereiche 35 aufweisen. Ein Abstand 45 zwischen den Schwächungsbereichen 42 kann dabei gleich oder größer sein als eine Breite 46 (7) des zugeordneten Trennorgans in derselben Richtung. Der Abstand 45 ist kleiner als die lichte Weite 42 der Aufnahmekammer 41.
Der Schwächungsbereich 35 kann durch Einschnürungen 47 in Dicken- und/oder Breitenrichtung des Leistungsstrompfades 2 und/oder durch Durchbrüche 48 gebildet sein.
Anhand der 9 bis 11 ist im Folgenden der Vorgang beim Erreichen eines Überstroms beim Ausführungsbeispiel der 7 geschildert. Ausgehend von der in 7 dargestellten Betriebsstellung sind in 9 und 10 zwei Übergangsstellungen vor dem Erreichen des in 11 dargestellten ausgelösten Zustands des Schutzschalters 1 gezeigt.
In 9 ist ein Zustand gezeigt, bei der der Leistungsstrompfad 2 bereits an den (primären) Trennstellen 7 getrennt ist. Diese Trennung kann durch den elektromechanischen Trennantrieb 18 und/oder durch an der Trennstelle 7 wirkende elektrodynamische Kräfte wie oben beschrieben ausgelöst sein.
Im Bereich 49 tritt an der Trennstelle 7 ein Schaltlichtbogen 34 auf, der die Trennladung 12 bereits gezündet hat. In der Kammer 6 herrscht folglich ein Überdruck, der den Kolben 26 in Bewegungsrichtung 27 wegschleudert. Der Kolben 26 bewegt sich mit seinem wenigstens einen Trennorgan 40 folglich auf den in dieser Richtung liegenden Abschnitt 37 des Leistungsstrompfades 2 mit den sekundären Trennstellen 7' zu.
In der Betriebsstellung (7) sind die Trennorgane 40 von den sekundären Trannstellen 7' beabstandet, so dass eine Trennung an den primären Trennstellen 7 möglich ist, ohne dass der Kolben 26 gegen die sekundären Trennstellen 7' schlägt. Durch diese Beabstandung kann sich der Lichtbogen 34 an den primären Trennstellen 7 ausbilden und die Trennladung 12 zünden sowie den Kolben 26 ausreichend beschleunigen, bevor der Leistungsstrompfad an den sekundären Trennstellen unterbrochen wird.
Durch die Bewegung des Kolbens 26 in Bewegungsrichtung 27 stößt das wenigstens eine Trennorgan 40 gegen die ihm zugeordnete Trennstelle 7' und durchschlägt diese, indem die Materialbrücke 33 bzw. der Schwächungsbereich 35 durchbrochen wird. Die Schwächungsbereiche 35 bilden in ihrer Lage definierte Bruchstellen. Durch das Durchschlagen des Leistungsstrompfades wird der Leistungsstrompfad 2 an den sekundären Trennstellen 7' unterbrochen. An den sekundären Trennstellen 7' bildet sich ebenfalls in Bereichen 49 ein Schaltlichtbogen aus. Durch die in Reihe geschalteten Trennstellen 7, 7' und den sich dort ausbildenden Schaltlichtbögen 34 wird ein hoher Spannungsabfall erreicht, so dass die Schaltlichtbögen 34 schnell unterdrückt sind und innerhalb weniger Millisekunden der Leistungsstrompfad 2 unterbrochen ist. Diesen ausgelösten Zustand zeigt 11.
Das Trennorgan 40 ist in die Aufnahmekammer 41 eingefahren und hat den Leistungsstrompfad an der zugeordneten sekundären Trennstelle 7' unterbrochen. Der Kolben 26 bzw. die Trennorgane 40 sind hierzu aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff, so dass über sie kein Strom fließen kann. Die Abmessungen 42, 45, 46 sind so aufeinander abgestimmt, dass der ursprünglich zwischen den Sollbruchstellen befindliche und nunmehr abgetrennte Abschnitt 45' vom Trennorgan 40 in der Aufnahmekammer 41 fixiert ist. Dies lässt sich beispielsweise dadurch erreichen, dass die Differenz zwischen der lichten Weite 42 der Aufnahmekammer 41 und der Breite 46 des Trennorgans kleiner ist als der Abstand 45.
In der Kammer 6 herrscht im ausgelösten Zustand Überdruck, der den Kolben 26 in seiner Endposition in Bewegungsrichtung 27 hält. Bei einer abgedichteten Kammer 6 kann der Überdruck sehr lange beibehalten werden. Auf diese Weise wird vermieden, dass der Kolben 26 in seine Betriebsstellung zurückbewegt wird und den Leistungsstrompfad wieder schließen kann.
12 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Schutzschalters 1, wobei der Kürze halber nur die Unterschiede zur vorangehenden Ausführungsform beschrieben sind.
Bei der Ausführungsform der 12 ist die wenigstens eine (primäre) Trennstelle 7 nicht wie bei 7 von zwei aneinanderliegenden Kontaktflächen 21 gebildet, sondern, ähnlich der sekundären Trennstellen 7' der 7, von einer Materialbrücke 33, bzw. einem Schwächungsbereich 35. Ferner ist die Kammer 6 stark verkleinert, so dass bei der Explosion der wenigstens einen Trennladung 12 an der Trennstelle 7 ein höherer Druck und damit eine größere Kraft auf den Kolben 26 erreicht wird.
Der Leistungsstrompfad 2 unterteilt die Kammer 6 in zwei zu beiden Seiten der Trennstelle 7 gelegene Bereiche 6', 6''. Der Leistungsstrompfad 2 bzw. die Trennstelle 7 kann als mindestens teilweiser Verschluss ausgestaltet sein, der zwischen den Teilkammern 6', 6'' angeordnet ist. Dies führt bei einer Explosion der Trennladung 12 zu einer verstärkten Kraft auf die Trennstelle 7, wenn die Explosionsgase nicht oder nur nach Überwindung eines Strömungswiderstandes aus der einen Teilkammer in die andere Teilkammer strömen können.
Mögliche, nicht zum Gegenstand der beanspruchten Erfindung gehörende Ausgestaltungen der primären Trennstelle 7 als Materialbrücke 33 zeigen die 13A bis 13D. Die Trennladung 12 ist unmittelbar am Schwächungsbereich 35 angeordnet, beispielsweise in einer Einschnürung 47 (13C) oder gegenüber einer solchen Einschnürung. Eine Zündung der Trennladung 12 kann bei dieser Ausgestaltung entweder dadurch erfolgen, dass der Trennantrieb 18 die Materialbrücke 33 im Schwächungsbereich 35 durchbricht und dadurch einen Schaltlichtbogen ausübt und/oder indem im Schwächungsbereich 12 bei einem Überstrom aufgrund des erhöhten elektrischen Widerstands in Folge des geringeren Leitungsquerschnittes (vgl. 8A) an dieser Stelle eine ausreichende Wärmeentwicklung im Falle des Überstroms entsteht.
14 zeigt den Schutzschalter 1 der 12 kurz vor Erreichen des ausgelösten Zustandes und vor Erlöschen der Lichtbögen 34 in den Bereichen 49. Zu erkennen ist, dass der Trennantrieb 18 in der Kammer einen mit dem Trennantrieb verbundenen Hilfskolben 26' ausbilden kann. So kann die Antriebsfeder 19 oder ein anderer Kraftgeber in einer weiteren Teilkammer 6''' angeordnet sein, die mit der Kammer 6 bzw. der Teilkammer 6' verbunden ist. Bei einer Explosion der Trennladung 12 wirkt die Volumenausdehnung folglich auch in der Teilkammer 6'' unterstützend mit der Antriebsfeder 19 auf.
Bezugszeichenliste

1: Schutzschalter
2: Leistungsstrompfad
3: erste Anschlussstelle
4: Leitungsstück
5: Gehäuse
6: Kammer
6', 6'', 6''': Teilkammer
7: Trennstelle
7': sekundäre Trennstelle
8: Kontaktbrücke
9: Leitungsstück
10: zweite Anschlussstelle
11: Trenneinrichtung
12: Trennladung
13: elektrisches Bauelement
14: Kontakte
15: Kontaktträger
16: Andruckkraft
17: Kontaktstelle
18: Trennantrieb
19: Antriebsfeder
20: Haltemagnet
21: Kontaktflächen
22: Zündflächen
23: Prallflächen
24: Wandabschnitt
25: Kammerwandung
26: Kolben
26': Hilfskolben
27: Bewegungsrichtung
28: Trennrichtung
29: Kolbenfläche
30: Ausgleichskammer
31: Öffnungen
32: Umgebung
33: Materialbrücke
34: Schaltlichtbogen
35: Schwächungsbereich
36, 37: Abschnitte des Leistungsstrompfades
38: eine Seite des Kolbens
39: andere Seite des Kolbens
40: Trennorgan
41: Aufnahmekammer
42: Lichte Weite der Aufnahmekammer
43: Leitungsquerschnitt im Schwächungsbereich
44: Leitungsquerschnitt angrenzend an Schwächungsbereich
45: Abstand zwischen Schwächungsstellen an einer Trennstelle
45': abgetrennter Abschnitt
46: Breite eines Trennorgans
47: Einschnürungen
48: Durchbrüche
49: Bereich

Claims

Schutzschalter (1) zum Schutz von elektrischen Bauteilen vor einem Überstrom, mit einer Kammer (6), wenigstens einer sich in der Kammer (6) befindlichen Trennstelle (7), die sich in einem sich durch den Schutzschalter (1) erstreckenden Leistungsstrompfad (2) befindet, und mit wenigstens einer auf die Trennstelle (7) einwirkenden, abhängig von Überstrom betätigbaren Trenneinrichtung (11), durch die der Leistungsstrompfad (2) an der Trennstelle (7) bei Überstrom unterbrechbar ist, wobei die Trenneinrichtung (11) wenigstens eine in der Kammer (6) angeordnete explosive Trennladung (12) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Schutzschalter (1) eine elektromechanisch betätigbare Kontaktbrücke (8) mit zwei Kontakten (14) aufweist, die korrespondierende Kontakte (14) des Leistungsstrompfades (2) elektrisch leitend verbinden, wobei mittels der Kontaktbrücke (8) der Leistungsstrompfad (2) bei Überstrom an zueinander gehörenden korrespondierenden Kontaktpaaren unterbrechbar ist, wobei zwischen den zueinander gehörenden korrespondierenden Kontaktpaaren jeweils eine Trennladung (12) angeordnet ist, die mittels des beim Öffnen der zu den korrespondierenden Kontaktpaaren gehörenden Kontakte (14) auftretenden Schaltlichtbogens die Trennladungen (12) zünden.
Schutzschalter (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Leistungsstrompfad (2) in der Kammer (6) durch wenigstens ein elektrisches Bauelement (13) erstreckt, an dem die Trennladung (12) angebracht ist.
Schutzschalter (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennladung (12) zwischen wenigstens zwei sich gegenüber liegenden, wenigstens abschnittsweise voneinander beabstandeten Zündflächen (22) angeordnet ist.
Schutzschalter (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündflächen (22) an wenigstens einer Kontaktstelle (17) miteinander elektrisch leitend verbunden sind.
Schutzschalter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennladung (12) eine Zündtemperatur aufweist, die zwischen der Schmelz- und der Siedetemperatur zumindest eines Bereichs der Trennstelle (7) liegt.
Schutzschalter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennladung (12) von der Trennstelle (7) betätigbar angeordnet ist.
Schutzschalter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennstelle (7) wenigstens einseitig mit einer beweglichen Kolbenfläche (29, 23) bewegungsübertragend verbunden ist.
Schutzschalter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Trenneinrichtung (11) zusätzlich zur Trennladung (12) einen elektromechanischen Antrieb (18) aufweist.
Schutzschalter (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei Überstrom zu einem Zeitpunkt der Laststrompfad (2) an der Trennstelle (7) durch den Trennantrieb (18) getrennt ist, bevor die Trennladung (12) gezündet ist.
Schutzschalter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere in Reihe im Leistungsstrompfad (2) angeordnete Trennstellen (7) vorhanden sind.
Schutzschalter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungsstrompfad (2) an wenigstens einer zusätzlichen Trennstelle (7, 7') von wenigstens einer durchgehenden Materialbrücke (33) gebildet ist.
Schutzschalter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine zusätzliche Trennstelle (7, 7') wenigstens einen als Sollbruchstelle ausgestalteten Schwächungsbereich (35) mit gegenüber einem angrenzenden Leitungsquerschnitt (44) verringertem Leitungsquerschnitt (43) bildet.
Schutzschalter (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Trennladung (12) an dem Schwächungsbereich (35) angeordnet ist.
Schutzschalter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Trenneinrichtung (11) einen Kolben (26) aufweist und dass der Kolben (26) bei explodierter Trennladung (12) den Leistungsstrompfad (2) durchtrennt hat.
Schutzschalter (1) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Leistungsstrompfad (2) zu beiden Seiten (38, 39) des Kolbens (26) erstreckt, dass die wenigstens eine Trennstelle (7) und die wenigstens eine Trennladung (12) an einer Seite (38) des Kolbens (26) angeordnet sind.
Schutzschalter (1) nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kolben (26) mit wenigstens einem Trennorgan (40) versehen ist, wobei im ausgelösten Zustand der Leistungsstrompfad (2) vom Trennorgan (40) durchtrennt ist.