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Die Erfindung geht aus von einer Kurzschließeinrichtung für den Einsatz in Nieder- und Mittelspannungsanlagen zum Sach- und Personenschutz, umfassend ein Schaltelement, welches vom Auslösesignal einer Fehlererfassungseinrichtung betätigbar ist, zwei sich gegenüberliegende Kontaktelektroden mit Mitteln zur Stromzuführung, wobei diese an einen Stromkreis mit Anschlüssen von unterschiedlichem Potential kontaktierbar sind, weiterhin in mindestens einer der Kontaktelektroden ein unter mechanischer Vorspannung stehendes, im Kurzschlussfall federkraftunterstützt eine Bewegung zur weiteren Kontaktelektrode ausführendes bewegliches Kontaktteil, ein Opferelement als Abstandshalter zwischen den Kontaktelektroden sowie mit einer elektrischen Verbindung zwischen dem Opferelement und dem Schaltelement einerseits und einer der Kontaktelektroden andererseits, um eine stromflussbedingte, thermische Verformung oder Zerstörung des Opferelements gezielt herbeizuführen, gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aus der
DE 10 2005 048 003 B4 bzw. der
DE 20 2006 020 737 U ist eine Kurzschließeinrichtung der gattungsgemäßen Art vorbekannt. Gemäß der dortigen Lehre ist das Opferelement ein dünnwandiger Hohlzylinder mit einem Verhältnis zwischen Durchmesser und Wandstärke des Hohlzylinders größer 10:1, wobei das Opferelement aus einem hochschmelzenden metallischen Material besteht. Der diesbezügliche Kurzschließer soll eine minimale Kommutierungszeit bei gleichzeitiger hoher mechanischer Festigkeit zum Einsatz einer hohen Federkraft mit dem Ziel einer Reduzierung der Bewegungszeit und zum Zweck des schnelleren Ansprechens besitzen.
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Bei einer Variante der Lehre des Standes der Technik ist in der feststehenden Kontaktelektrode ein Isolierkörper und eine Hilfselektrode befindlich, wobei die Hilfselektrode mit dem Opferelement in Verbindung steht. Die sich gegenüberstehenden Seiten der Kontaktelektroden bzw. die gegenüberliegenden Flächen können eine komplementär konische Form mit sich ergebender zentrierender Wirkung beim Inkontaktkommen im Kurzschlussfall aufweisen.
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Durch definierte Strukturen oder Wandstärkeschwankungen im Hohlzylinder können sich Strompfade ausbilden, mit der Folge einer ungleichmäßigen Erwärmung bei Strombelastung und eine Deformation mit einhergehendem Verlust der mechanischen Festigkeit. In diesem Fall bleibt die leitfähige Verbindung zwischen den Kontaktelektroden erhalten, jedoch sinkt die mechanische Widerstandskraft des Hohlzylinders, so dass in der Wirkung der Federkraft der Kurzschließer schnell in den gewünschten Schließzustand überführt werden kann.
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Zwischen den Kontaktelektroden kann ein im geschlossenen Zustand wirksamer Entlüftungskanal oder eine Lüftungsbohrung wirksam sein, um zu verhindern, dass durch einen Druckanstieg im Kurzschlussfall, insbesondere bei der Entstehung eines Lichtbodens, Kräfte entstehen, die dem Aufeinanderzubewegen der Kontaktelektroden schließzeitzögernd entgegenwirken. Die Einrichtung zur Erzeugung der Vorspannkraft kann gemäß dem Stand der Technik als Druckfeder, Tellerfeder oder dergleichen Federanordnung ausgeführt werden.
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Bei einer zweiten Ausführungsform gemäß
DE 10 2005 048 003 B4 kann das Opferelement ein Draht oder Stab aus einem leitfähigen Material mit niedrigem Schmelzintegral sein, wobei das Opferelement auf Zug unter mechanischer Vorspannung steht.
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Für Kurzschließer zum Anlagenschutz besteht im Allgemeinen die Aufgabe, sehr schnell einen metallischen Kurzschluss zu realisieren, so dass sehr hohe Ströme kurzzeitig geführt werden können. Beim schnellen Schließen metallischer Kontakte lässt sich ein Kontaktprellen schwer vermeiden. Infolge des Prellens, aber auch mit Blick auf die Höhe des fließenden Stromes, können Lichtbögen zwischen den Kontakten entstehen, die die Oberfläche der Kontakte stark schädigen, wodurch eine sichere Führung des Stromes über einen längeren Zeitraum gefährdet ist. Um die vorgenannten negativen Erscheinungen zu kompensieren, ist ein erhöhter Aufwand in konstruktiver und herstellungsseitiger Hinsicht notwendig. Dieser höhere Aufwand betrifft zum einen das System zum Bewegen eines entsprechenden Kontaktteils, aber auch die Kontakte selbst.
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Aus der
DE 10 2014 016 274 A1 ist eine Kurzschließereinrichtung, insbesondere für den Störlichtbogenschutz in Nieder- und Mittelspannungsanlagen vorbekannt. Die diesbezügliche Kurzschließereinrichtung soll einerseits eine volle Stromtragfähigkeit über einen längeren Zeitraum ermöglichen und eine Zustandsanzeige aufweisen. Die Kurzschließereinrichtung weist zwei sich gegenüberliegende Kontaktelektroden auf, wobei in eine der Kontaktelektroden ein unter mechanischer Vorspannung stehendes, im Kurzschlussfall federkraftunterstützt eine Bewegung zur weiteren Kontaktelektrode ausführendes, bewegliches Kontaktteil sowie ein Opferelement vorgesehen ist. Zusätzlich ist in dem Kopfteil eines mehrteiligen Gehäuses, welches die feste und die bewegliche Kontaktelektrode aufnimmt, eine Verriegelungsanordnung ausgebildet, welche nach dem Aktivieren des Opferelementes ein Zurückfahren der beweglichen Elektrode verhindert. Diesbezüglich wird unmittelbar die bewegliche Elektrode oder mittelbar ein der Bewegung der beweglichen Elektrode folgender Schieber durch einen federvorgespannten Bolzen blockiert.
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Es ist demnach Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte Kurzschließeinrichtung für den Einsatz in Nieder- und Mittelspannungsanlagen zum Sach- und Personenschutz anzugeben, die über einen kompakten Aufbau und eine gleichzeitig hohe Stromtragfähigkeit verfügt und darüber hinaus das Einhalten außerordentlich kurzer Schließzeiten ermöglicht.
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Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt gemäß der Merkmalskombination nach Patentanspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen umfassen.
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Die Lehre greift auf den Grundgedanken zurück, ein prellreduziertes Kontaktsystem zu realisieren, das sich durch eine plastische Verformung eines Teiles der gegenüberstehenden Kontakte bezieht.
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Beim prellreduzierten Kontaktsystem wird das bewegliche Kontaktteil mit einem relativ langen, flachwinkligen konusförmigen Kontaktbereich versehen und quasi als hohlzylindrischer Kontakt bevorzugt mit einem Federantrieb ausgestattet. Im offenen Zustand ist die Bewegung des beweglichen Kontaktteils blockiert.
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Bei entsprechender Aktivierung des Kurzschließers wird die Vorspannkraft, insbesondere die Federkraft freigesetzt und durch mindestens eine weitere Kraftkomponente unterstützt, welche die Schließbewegung beschleunigt.
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Das bewegliche Kontaktteil befindet sich in einer feststehenden Kontaktelektrode mit gleichem Potential und besitzt im ausgelösten Zustand einen sehr langen, bevorzugt koaxialen Gleitkontakt ohne zusätzliche Federkontakte oder dergleichen. Der Gleitkontakt weist ein Spaltmaß von ≤ 1/10 mm auf.
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Bezogen auf die feststehende Kontaktelektrode wird die Bewegungsenergie des beweglichen Kontaktteils in eine plastische Verformung umgewandelt, wodurch sich ein Kontaktprellen und eine nachteilige Lichtbogenphase vermeiden lassen.
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Bei der maßgeblichen Ausführungsform der Erfindung ist das bewegliche Kontaktteil als einseitig geschlossener Hohlzylinder ausgebildet. Im Hohlzylinder befindet sich eine Feder zur Vorspannungserzeugung. Diese Feder kann in sehr einfacher Weise in den Hohlzylinderraum eingesetzt werden, so dass ein zusätzlicher Bauraum für die Feder entfällt.
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Der Hohlzylinder ist in einer komplementären Aussparung in der ersten Kontaktelektrode unter Bildung eines Gleitkontakts beweglich geführt. Es ist also der Hohlzylinder kolbenartig in dieser Aussparung beweglich.
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Im Bereich des Bodens des geschlossenen Hohlzylinders ist dessen Zylinderwandung außenumfangsseitig in einen Außenkonus übergehend ausgestaltet.
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Weiterhin erstreckt sich im Inneren des Hohlzylinders, ausgehend vom Hohlzylinderboden, ein erster zapfenförmiger Fortsatz, welchem ein zu den Kontaktelektroden isolierter, zweiter zapfenförmiger Fortsatz gegenüberliegt.
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Zwischen dem ersten und dem zweiten zapfenförmigen Fortsatz ist das bereits erwähnte Opferelement befindlich.
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Das Opferelement ist bevorzugt als Bolzen oder Schraube mit entsprechendem Gewinde ausgeführt. Die betreffenden Enden des Bolzens oder der Schraube sind über das Gewinde oder den Schraubenkopf am ersten und zweiten zapfenförmigen Fortsatz fixiert.
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Weiterhin ist in der zweiten Kontaktelektrode eine, an den Außenkonus des beweglichen Kontaktteils angepasste Aussparung mit Innenkonus vorgesehen.
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Außen- und Innenkonus bilden einen prellfreien Kurzschluss-Kontaktbereich mit Kraft- und Formschluss aufgrund auftretender plastischer Verformung.
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Ausgestaltend sind im Bereich der Aussparung mit Innenkonus verbundene Entlüftungsöffnungen vorgesehen. Diese Entlüftungsöffnungen befinden sich in der zweiten Kontaktelektrode, um einen Druckaufbau infolge der Bewegung des beweglichen Kontaktteils zu unterbinden.
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Diese Entlüftungsöffnungen können mit einem sich unter Druckeinwirkung verlagernden Stopfen verschlossen werden. In ähnlicher Weise kann ein ventilartiger Verschluss vorgesehen sein, so dass das Eindringen von Feuchte, Schmutz oder sonstigen Fremdkörpern vermeidbar ist, jedoch andererseits der erwähnte unerwünschte Druckaufbau ausgeschlossen werden kann.
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Der jeweilige Konuswinkel zur Ausbildung des prellfreien, plastisch verformbaren Kontakts liegt im Bereich von ≤ 3°.
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Die Kontaktelektroden und damit die Grundkonstruktion der Kurzschließeinrichtung ist bevorzugt rotationssymmetrisch ausgebildet. Die Kontaktelektroden werden dabei über einen isolierenden Zentrierring auf Abstand gehalten. Die Gesamtanordnung ist von einer umhausenden Hülle umschlossen.
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Wie bereits erwähnt, kann das bewegliche Kontaktteil sich kolbenartig in der Aussparung der ersten Kontaktelektrode bewegen, wobei die bei der Zerstörung des Opferelements frei werdende Energie und/oder die Energie eines entstehenden Lichtbogens bewegungsbeschleunigend auf den Boden des beweglichen Kontaktes einwirkt und zur Verkürzung der Schließzeit führt.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist der zweite zapfenförmige Fortsatz von einem Isolierrohr aus gasabgebendem Material umgeben.
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Das Isolierrohr kann mit einer schützenden, metallischen Hülle, mindestens teilweise das Isolierrohr umgebend, versehen sein.
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Zum Auslösen der Kurzschließeinrichtung gemäß vorliegender Erfindung wird nun entgegen der möglichen Verwendung von Halbleiterschaltern auf ein neuartiges Schaltelement, welches als Brückenzünder ausgebildet ist, zurückgegriffen. Dieser neuartige Hilfskurzschließer weist eine hohe mit einem Halbleiterschalter vergleichbare Schaltgeschwindigkeit und eine begrenzte Stromtragfähigkeit auf, die mit dem Opferelement und dem Schließen der Hauptkontakte des Hauptkurzschließers abgestimmt ist.
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Ein Brückenzünder verfügt über einen Sicherungsdraht, welcher durch einen Stromfluss geringer Höhe bei niedriger Spannung zur Aktivierung gebracht wird. Brückenzünder werden üblicherweise zur Zündung von reaktiven Massen verwendet. Ohne Einsatz derartiger reaktiver Massen besitzen sie keine Sprengkraft und erfordern keine Auflagen hinsichtlich Umgang und Lagerung. Aufgrund der fehlenden Sprengkraft können derartige Brückenzünder keine nennenswerte Arbeit verrichten, wodurch ihr Einsatz als Kurzschließer mit nennenswerter Stromtragfähigkeit nicht gegeben ist.
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Bei der Erfindungslehre wird jedoch der Brückenzünder genutzt, um einen Hilfskurzschließer auszulösen, welcher den Hilfspfad zur Belastung des Opferelementes für den hier beschriebenen Kurzschließer direkt aktiviert.
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Der Hilfspfad kann hierbei innerhalb von ca. 100 ms geschlossen werden, so dass keine Nachteile hinsichtlich der Geschwindigkeit bei Schaltvorgängen mit Halbleiterschaltern entstehen. Der Hilfskurzschließer nutzt die Gasausdehnung direkt oder indirekt, die bei der Verdampfung des Schmelzleiters des Zünders entsteht, um eine Folie, insbesondere eine Isolationsfolie, auf einem potentialbehafteten Dorn zu zerstören. Nach der Zerstörung der Isolationsfolie fließt ein Strom über die Elektroden und Kontakte des Hilfskurzschließers mit oder ohne Lichtbogenbildung, welcher zur Auslösung des Opferelementes dient, welches den stromtragfähigen Hauptkurzschließer unter Federkraftunterstützung schließt.
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Das erfindungsgemäße Schaltelement, ausgebildet als Brückenzünder, besteht aus zwei gegenüberliegenden, stromtragfähigen Kontakten, welche durch eine Isolation auf einen geringen Abstand von ≤ 1 mm gehalten sind, wobei mit Auslösen des Brückenzünders die elektrische Isolation zwischen den Kontakten aufgehoben wird.
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Bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung weist einer der stromtragfähigen Kontakte eine Vertiefung auf, in welcher ein Dornfortsatz ausgebildet ist, dessen Spitze zu einer, die Vertiefung überspannenden Folie gerichtet ist.
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Der weitere der stromtragfähigen Kontakte besitzt einen Hohlraum zur Aufnahme des Brückenzünders.
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Im Hohlraum ist eine druckfeste Hülse befindlich.
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Bei einer ersten erfindungsgemäßen Variante der Schalteinrichtung weist in Richtung des Dornfortsatzes die Hülse eine Kappe auf, welche mit Auslösen des Brückenzünders sich in Richtung Dornfortsatz unter Zerstörung der Folie und Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen den stromtragfähigen Kontakten bewegt. Hierfür kann die Vertiefung eine Entlüftungsöffnung aufweisen.
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Bei einer zweiten Variante der erfindungsgemäßen Schalteinrichtung auf der Basis eines Brückenzünders befinden sich im Hohlraum der Hülse leitfähige Partikel, welche beim Auslösen des Brückenzünders eine elektrische Verbindung zwischen den stromtragfähigen Kontakten herstellen.
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Die leitfähigen Partikel können mit Hilfe einer Folie oder einer Abdeckschicht fixiert werden.
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Das erfindungsgemäße Schaltelement kann außerhalb des eigentlichen Hauptkurzschließers angeordnet werden, aber auch in diesen, insbesondere in eine Kontaktelektrode, integriert, insbesondere dort eingeschraubt oder eingesteckt werden.
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Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.
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Hierbei zeigen:
- 1 eine Längsschnittdarstellung durch eine Kurzschließeinrichtung mit beweglichem Kontaktteil, ausgebildet als einseitig geschlossener Hohlzylinder, wobei im Hohlzylinder eine Feder zur Vorspannungserzeugung eingesetzt ist sowie mit einem Opferelement im nicht ausgelösten Zustand;
- 2 eine Schnittdarstellung durch das erfindungsgemäße Schaltelement, ausgebildet als Brückenzünder mit zwei gegenüberliegenden, stromtragfähigen Elektroden, welche durch eine Isolation auf einen geringen Abstand gehalten sind, in einer Ausführungsform mit beweglicher, leitfähiger Kappe zur Überbrückung der Isolation nebst erkennbarem Dornfortsatz, im gezeigten Beispiel ausgebildet innerhalb einer Vertiefung innerhalb des unteren stromtragfähigen Kontaktes;
- 3 eine Darstellung ähnlich derjenigen nach 2, jedoch mit einer Ausbildung des Schaltelementes auf der Basis eines Brückenzünders ohne bewegliche, leitfähige Kappe, jedoch mit im Hohlraum einer erkennbaren Hülse befindlichen leitfähigen Partikeln, welche geeignet sind, nach dem Auslösen des Brückenzünders eine elektrische Verbindung zwischen den stromtragfähigen Kontakten herzustellen; und
- 4 eine Darstellung ähnlich derjenigen nach 1 mit Hauptkurzschließer im Längsschnitt und einer in einer der Kontaktelektroden integrierten erfindungsgemäßen Ausbildung des Schaltelementes auf der Basis eines Brückenzünders.
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Gemäß der Darstellung nach 1 und 4 wird von einer im Wesentlichen zylindrischen, rotationssymmetrischen Kurzschließeinrichtung ausgegangen, die an ihren Stirnseiten für die Kontaktierung an Sammelschienen oder zusätzlichen Teilen Anschlussmöglichkeiten 1; 2 aufweist.
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Neben diesen hochstromtragfähigen Anschlüssen 1; 2 weist die Kurzschließeinrichtung mindestens einen weiteren, isoliert eingeführten Anschluss 30 auf, über welchen die Aktivierung der Kurzschließeinrichtung mit Hilfe eines Schaltelementes 3, dem gegebenenfalls eine Sicherung 4 in Reihe geschalten ist, erfolgen kann.
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Die Kurzschließeinrichtung besitzt ein Opferelement, das im gezeigten Beispiel als Schraube oder Bolzen 6 ausgeführt ist.
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Das Opferelement bzw. die Schraube oder der Bolzen 6 fixiert mechanisch ein bewegliches Kontaktteil 7, welches über eine Feder 8 mechanisch vorgespannt ist.
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Das Opferelement 6 ist elektrisch mit dem äußeren Anschluss 30 über das bewegliche Kontaktteil 7 mit der Kontaktelektrode 80 sowie dem äußeren Anschluss 2 elektrisch verbunden.
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Die zweite Kontaktelektrode 70 ist mit dem Anschluss 1 verbunden und über ein isoliertes Zentrierteil 110 von der ersten Kontaktelektrode 80 elektrisch getrennt.
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Das isolierte Zentrierteil 110 führt die Kontaktelektroden 70; 80, wobei die Fügung der vorgenannten Teile bevorzugt durch eine Presspassung, insbesondere einen Kegelpressverband, realisierbar ist.
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Das bewegliche Kontaktteil 7 wird über die Führung in der Kontaktelektrode 80 zur Kontaktelektrode 70 zentriert.
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Zusätzlich wird die Anordnung der vorgenannten Teile nach dem Fügen durch eine isolierende kraftschlüssige Verbindung, beispielsweise durch eine Verschraubung oder durch eine formschlüssige Verbindung, zum Beispiel durch Vergießen, verbunden und fixiert, was in den Figuren im Einzelnen nicht dargestellt ist.
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Das Auslösen der Kurzschließeinrichtung erfolgt gemäß der gezeigten Ausführungsvariante durch einen Stromfluss über das Opferelement 6, nachdem das Schaltelement 3 eine Verbindung zum Anschluss 1 herstellt.
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Infolge des dann realisierten Stromflusses über das Opferelement 6 wird dieses erwärmt und die mechanische Fixierung des beweglichen Kontaktteiles 7 aufgehoben.
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Unter dem Einfluss der Kraft der Feder 8 wird das bewegliche Kontaktteil 7 bis zur Kontaktelektrode 70 bewegt, wodurch der Hauptstrompfad zwischen den Kontaktelektroden 70 und 80 über das bewegliche Kontaktteil 7 geschlossen ist.
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Zusätzlich zur Kraft der Feder wirken auch Stromkräfte, welche die Schließbewegung unterstützen. Dies wird durch die zentrale Führung des Stromes über das Opferelement 6 und die über den Boden des beweglichen Kontaktteiles 7 im Wesentlichen erzwungene radiale Stromführung erreicht.
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Hierdurch ergibt sich eine Stromschleife, deren resultierende Kraftwirkung die Federkraft bis zum Schließen der Kontakte zwischen den beweglichen Kontaktteilen und der Kontaktelektrode unterstützt.
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Das Opferelement muss zum Auslösen des Schließvorganges nicht vollständig schmelzen. Maßgeblich ist, dass das Material des Opferelementes entfestigt wird. Diese Entfestigung kann auch unterhalb der Schmelztemperatur auftreten.
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Im Bereich des Bodens 71 des geschlossenen Hohlzylinders geht dessen Zylinderwandung außenumfangsseitig in einen Konus 72 über. Im Inneren des Hohlzylinders erstreckt sich ausgehend vom Boden ein erster zapfenförmiger Fortsatz 73, welchem ein zu den Kontaktelektroden 70, 80 isolierter, zweiter zapfenförmiger Fortsatz 100 gegenüberliegt, wobei zwischen dem ersten und dem zweiten zapfenförmigen Fortsatz 73; 100 das bereits erwähnte Opferelement 6, insbesondere ausgebildet als Bolzen oder Schraube angeordnet ist.
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In der zweiten Kontaktelektrode 80 ist eine, an den Außenkonus 72 des beweglichen Kontaktes 7 angepasste Aussparung mit Innenkonus 91 vorgesehen, wobei Außen- und Innenkonus einen prellfreien Kurzschluss-Kontaktbereich mit Kraft- und Formschluss aufgrund auftretender plastischer Verformung bilden.
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Darüber hinaus können mit dem Bereich der Aussparung mit Innenkonus verbundene Entlüftungsöffnungen 92 in der zweiten Kontaktelektrode 70 vorgesehen sein, um einen Druckaufbau infolge der Bewegung des Kontaktteiles 7 zu unterbinden.
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Die Entlüftungsöffnungen 92 können mit einem sich unter Druckeinwirkung verlagernden Stopfen oder einem Ventil verschlossen werden.
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Das Spaltmaß des erwähnten Gleitkontaktes bewegt sich in einem Bereich ≤ 0,2 mm, bevorzugt ≤ 0,1 mm.
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Bei einer beispielhaften Auslegung des beweglichen Kontaktteiles 7 mit einem Gewicht von im Wesentlichen 100 g, einem Außendurchmesser von ca. 30 mm ergibt sich mit einer Federkraft von ca. 800 N und einem vergleichsweise kurzen Verfahrweg des Kontaktteiles 7 eine kinetische Energie von einigen Joule, welche zu einem großen Teil in plastische Verformungen im Kontaktbereich überführt wird.
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Bei einem Konus mit einem Konuswinkel < 3° und einer Konuslänge von beispielsweise 6 mm mit der Kontaktelektrode führt diese Energie bereits zu einer Verlängerung des theoretischen Verfahrweges bei der Annahme eines einfachen Formschlusses von einigen 100 µm. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Kurzschließeinrichtung für Kurzschlussströme von mehreren 10 bis 100 kA beträgt die für die plastische Verformung zur Verfügung stehende Energie ausschließlich durch die Federkraft bedingt mindestens 10 Joule. Infolge der Unterstützung der Federkraft durch zusätzliche Kräfte entsprechend der Ausführung der erfindungsgemäßen Lehre werden bei Unterbrechung des Stromes nach dem Schmelzen des Opferelementes Verlängerungen des Verfahrweges von > 0,5 mm bis 2 mm erreicht.
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Ohne Unterbrechung des Stromes erhöht sich die kinetische Energie auf mehrere 10 Joule, wodurch sich der Verfahrweg gegenüber dem bei reinem Formschluss um mehrere Millimeter verlängert. Bei einer solchen Auslegung kann der Verfahrweg mit geeigneten Mitteln limitiert werden, da für eine hinreichende Stromtragfähigkeit entsprechend der gezeigten Darstellungen nur eine geringe Eindringtiefe des Kontaktteiles 7 bezogen auf die entsprechende Kontaktelektrode ausreichend ist.
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Für weitere Einzelheiten hinsichtlich des Aufbaues der Kurzschließeinrichtung wird auf die
DE 10 2016 115 222.6 verwiesen, die diesbezüglich vollinhaltlich zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung erklärt wird.
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Der erfindungsgemäße Brückenzünder soll anhand der 2 und 3 und diesbezüglicher Ausführungsbeispiele näher erläutert werden.
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Der schnelle Schalter 3 gemäß Darstellung nach 1 wird auf der Basis eines Brückenzünders ausgeführt.
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Bei der Ausbildung gemäß 2 weist das Schaltelement 3 zwei stromtragfähige Kontakte 10 und 11 auf, die durch eine Isolationsscheibe 12 auf einen geringen Abstand von beispielsweise ≤ 1 mm gehalten werden.
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Es besteht dabei die Möglichkeit, dass einer der Kontakte unter Einwirkung einer Federvorspannkraft stehen kann (figürlich nicht dargestellt).
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In dem stromtragfähigen Kontakt 11 (in den Figuren der untere Kontakt) ist eine Vertiefung vorgesehen, welche einen Dornfortsatz 13 und bevorzugt eine Entlüftungsöffnung 14 besitzt.
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Der gegenüberliegende Kontakt 10 besitzt einen Hohlraum, in welchen ein beweglicher Kontakt 15 in Form einer Kappe eingesetzt ist.
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Diese bewegliche Kontaktkappe 15 ist auf einer druckfesten zylindrischen Hülse 16 geführt.
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Innerhalb der druckfesten zylindrischen Hülse 16 befindet sich der eigentliche Brückenzünder 17.
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Die zylindrische Hülse 16 ist im Bereich der Ausführungen der Ansteuerleitungen 25 entsprechend abgedichtet.
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Der Hohlraum in der Hülse 16 ist nach dem Einsetzen des Brückenzünders minimal und gegebenenfalls mit einem nicht kompressiblen Medium gefüllt.
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Zwischen den stromtragfähigen Kontakten 10 und 11 befindet sich mindestens eine dünne Isolationsfolie 18.
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Die Isolationsfolie 18 kann eine elektrisch leitfähige Schicht besitzen oder aber mit einer elektrisch leitfähigen Folie kombiniert werden.
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Diese Isolationsfolie bzw. Isolationsfolien dienen dann der Erzielung einer hinreichenden Spannungsfestigkeit zwischen den gegenüberliegenden Kontakten 10; 11. Die leitfähige Beschichtung bzw. die zusätzliche leitfähige Folie dient der Steuerung des elektrischen Feldes neben einer diesbezüglichen optimierten Gestaltung der Oberfläche der Kontakte 10; 11.
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Die Folien können dabei auch zur Fixierung der beweglichen Kappe 15 auf der Hülse 16 dienen.
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Die bewegliche Kappe 15 ist so ausgeführt, dass sie den Abstand zwischen den Kontakten 10 und 11 brücken kann.
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Hierbei wird die Kappe 15 nach Aktivierung des Brückenzünders 17 durch die Ausdehnung des Gases im Hohlraum der Hülse 16 in Richtung des Kontaktes 10 und des dortigen Dornfortsatzes 13 bewegt.
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Bei dieser Bewegung werden die erwähnten Folien gegen den Dorn 13 gedrückt und zerstört, wodurch die Isolation zwischen den stromtragfähigen Kontakten 10 und 11 aufgehoben ist.
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Damit keine Gaskompression auftritt, welche der gewünschten Bewegung entgegenwirkt, sind die erwähnten Entlüftungsöffnungen 14 vorgesehen.
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Die Kappe 15 wird in der Vertiefung im unteren stromtragfähigen Kontakt 11 und am Dorn 13 verklemmt.
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Der Schaft der Kappe 15 verbleibt teilweise im Kontakt 10 und brückt die Distanz zwischen den beiden Kontakten 10; 11, wodurch eine metallische, leitfähige Verbindung entsteht.
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Grundsätzlich kann der Dorn 13 auch an der beweglichen Kappe 15 befestigt oder die Kappe 15 mit einem dornförmigen Fortsatz realisiert werden.
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Die Stromtragfähigkeit der vorbeschriebenen elektrischen Verbindung über die Kappe 15 ist gleich, jedoch bevorzugt höher ausgelegt als die Stromtragfähigkeit des Opferelementes 6.
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Die stromtragfähigen Kontakte 10 und 11 benötigen aufgrund der erläuterten Funktionsweise eine exakte Führung, die beispielsweise durch eine Isolationshülse 19 nebst Dichtringen 20 realisierbar ist.
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Bei der Ausführungsform des Schaltelementes 3 gemäß 3 wird von einer ähnlichen Grundkonstruktion ausgegangen, wie anhand der 2 erläutert.
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Bei der Ausführungsform nach 3 ist jedoch keine beweglich gelagerte Kappe 15 notwendig.
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Vielmehr befinden sich im Hohlraum innerhalb der Hülse 16 leitfähige Partikel 21, die aufgrund der Gasausdehnung und der Entlüftungen zwischen den Kontakten 10 und 11 einen Überschlag selbst bei anliegenden Spannungen von < 70 V erzeugen.
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Bei entsprechendem metallischen Pulver kann aufgrund des kurzen Abstandes zwischen den Kontakten 10 und 11 auch eine metallische Brücke hinreichender Stromtragfähigkeit geschaffen werden.
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Hierzu ist eine hinreichende Menge an Metallpulver 21, welche bevorzugt größer als das Volumen des Hohlraumes zwischen den Elektroden 10 und 11 ist, sowie eine nur begrenzte Entlüftung mit Umlenkung durch einen kleinen Querschnitt notwendig.
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Das teilweise geschmolzene Pulver wird nach Zerstörung der Isolationsfolie 18 beim Eindringen in den Entlüftungskanal 14 so stark abgekühlt, dass es erstarrt und den Durchlass verschließt.
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Das verbleibende Pulver 21 wird durch den Lichtbogen weiter erwärmt und bildet eine gewünschte metallische Brücke zwischen den Kontakten 10; 11.
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Bei dieser Ausführungsform kann der Brückenzünder 17 auch selbst mit einer definierten Menge leitfähiger Partikel ertüchtigt werden.
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Die leitfähigen Partikel können im Hohlraum der Hülse 16 durch eine Lackschicht oder durch eine Folie 22 mechanisch fixiert werden.
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Die Schaltelemente gemäß den Darstellungen nach 2 und 3 sind in der Lage, eine niederohmige metallische Verbindung zwischen den Hauptkontakten 1 und 2 über das Opferelement 6 gemäß 1 bzw. 4 zu realisieren.
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Die geschaffene Verbindung besitzt eine Stromtragfähigkeit, welche mindestens der des Opferelementes 6 entspricht, wodurch die Auslösung des beweglichen Kontaktes 7 und seine Bewegung zum Kurzschluss der Hauptelektroden 1 und 2 in jedem Fall sichergestellt ist.
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Die Verbindung über den schnellen Schalter entsprechend den Ausführungsformen nach den 2 und 3 erfolgt mit Auslösung des Brückenzünders innerhalb einer Zeit von ca. 100 µs, welche vergleichbar ist mit der Auslösung eines Halbleiterschalters mit entsprechenden EMV-Schutzmaßnahmen.
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Der Hilfspfad mit dem schnellen Schalter 3 kann mit Hilfe einer Sicherung 4 nach der Zerstörung des Opferelementes 6 abgetrennt werden. Aufgrund der Überlastfestigkeit des schnellen Schalters und bei hinreichender Stromtragfähigkeit des Hilfspfades ist es möglich, den Strom bis zum metallischen Kurzschluss der Hauptkontakte ohne Unterbrechung zu führen.
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Bei einer Überlastung der Stromtragfähigkeit der metallischen Kappe gemäß 2 bzw. der Brücke aus metallischen Partikeln 21, fungiert der schnelle Schalter als Funkenstrecke mit sehr geringer Lichtbogenspannung. Bei sehr hohen Belastungen schmelzen die Kontakte 10 und 11 bei Lichtbogenbildung partiell auf, wodurch wiederum ein metallischer Kurzschluss im Hilfspfad entsteht.
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Der Hilfspfad kann damit Ströme im Bereich von mehreren 10 kA für einige Millisekunden selbständig führen, bis die Entlastung durch Schließung der Hauptkontakte über das bewegliche Kontaktteil 7 erfolgt. Diese Stromtragfähigkeit ist somit höher als die eines preisgünstigen Halbleiterschalters bei vergleichbarer Schließzeit. Die Kosten und der Platzbedarf sinken gegenüber einem Halbleiterschalter erheblich.
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Das schnelle Schaltelement kann wie in 1 angedeutet, außerhalb der eigentlichen Kurzschließeinrichtung vorgesehen sein. Alternativ ist aber auch eine Integration innerhalb der Kurzschließeinrichtung möglich.
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Diesbezüglich kann der schnelle Schalter neben einer vollständigen Integration in das druckfeste Gehäuse der Kurzschließeinrichtung beispielsweise durch einen Steck- oder Schraubadapter ähnlich einer Sicherung mit dem Kurzschließer verbunden werden. Dies erlaubt einen einfachen Austausch der Einheit mit dem Brückenzünder bei entsprechender Ausführung sogar unter Spannung.
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Eine diesbezüglich beispielhafte Darstellung ist in der 4 gezeigt. Hier ist der Hilfskurzschließer auf der Basis eines Brückenzünders vor dem Anschluss 5 des Opferelementes 6 eingesetzt. Die Verbindung zum Anschluss 5 kann durch eine Druck- bzw. Steckverbindung realisiert werden, so dass der Hilfskurzschließer austauschbar ist. Der Hilfskurzschließer gemäß 2 ist in dem Gehäuse des Hauptkurzschließers mit dem Potential des Hauptkontaktes 2 durch das Teil 23 isoliert eingebracht. Die Verbindung des Hilfskurzschließers zum Anschluss 1 des Hauptkurzschließers wird über eine äußere Verbindung 24 realisiert. Diese Verbindung 24 kann auch innerhalb des Gehäuses des Hauptkurzschließers bei entsprechender Ausgestaltung erfolgen.
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Die Anschlüsse 25 zur Aktivierung des Hilfskurzschließers zum Brückenzünder 17 werden isoliert nach außen zu einer nicht dargestellten Erfassungseinheit zur Bereitstellung der Zündenergie geführt.