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Die Erfindung betrifft eine elektrische Leitung mit einer
Einrichtung zur Verhinderung, dass Fehlerströme,
beispielsweise ein durch eine isolierende Ummantelung
hindurchschlagender Lichtbogen, zu gefährlichen Zuständen führen. Die
Erfindung betrifft weiter ein elektrisches Schaltsystem, das
mindestens eine derartige elektrische Leitung enthält.
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Bei 42 V-Bordnetzen in modernen Kraftfahrzeugen ist es
notwendig einen Lichtbogenschutz vorzusehen, da ab einem
Potentialunterschied von etwa 15 V ein stabiler Lichtbogen selbst
über Entfernungen von mehreren Millimetern hinweg auftreten
kann (bei 42 V und 1 Ampere zum Beispiel über circa 2 mm).
Die über Lichtbögen auftretenden Ströme sind jedoch nicht
groß genug, um konventionelle Absicherungsmethoden für
Komponenten- bzw. Leitungsschutz, zum Beispiel Schmelzsicherungen,
auszulösen. Die hohen Temperaturen des Lichtbogens können zu
einem Leitungsbrand führen. Insbesondere bei in Bündeln
verlegten Leitungen droht eine unkontrollierte Ausweitung des
Schadens mit schwerwiegenden Folgen.
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Allgemein bekannt ist die Detektion von Lichtbögen mittels
Sensorleitungen oder über Strom/Spannungs-Kennlinien. Dies
erfordert jedoch einen hohen Mehraufwand in der Verkabelung
bzw. seitens der überwachenden Steuergeräte. Besonders dicke
Isolierungen bzw. spezielle Schutzeinrichtungen (Kabelkanäle)
verursachen ebenfalls hohe Kosten und hohes Zusatzgewicht.
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Die EP 0 657 910 betrifft das Gebiet der Hochspannungs-
Stromkreisunterbrechung in elektrischen Geräten. Zur
Gewährleistung des Löschens eines Lichtbogens enthält eine
Sicherung ein pulverförmiges Füllmaterial, welches bei Auftreten
eines Lichtbogens ein Gas freisetzt, das über
lichtbogenlöschende Eigenschaften verfügt. Das Füllmaterial ist für den
Einsatz in Hochspannungs-Stromkreisunterbrechern, wie zum
Beispiel Schaltvorrichtungen, Transformatoren und
insbesondere Sicherungen vorgesehen. Das pulverförmige Füllmaterial
gewährleistet die korrekte Funktionsweise einer
Leitungstrenneinrichtung, die primär den Leitungsschutz übernimmt. Eine
derartige Sicherung ist jedoch in der Herstellung aufwendig
und teuer.
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Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer
elektrischen Leitung, mit der gefährliche Zustände, die zum Beispiel
durch einen durch eine isolierende Ummantelung
durchschlagenden Lichtbogen hervorgerufen werden, verhindert werden. Eine
weitere Aufgabe liegt in der Bereitstellung eines Systems,
das eine derartige elektrische Leitung enthält.
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Die Lösung der gestellten Aufgabe ist den unabhängigen
Patentansprüchen zu entnehmen. Vorteilhafte Weiterbildungen der
Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Nach Anspruch 1 ist es möglich, durch Verwendung
herkömmlicher Schutzmechanismen, wie etwa einer Schmelzsicherung,
einen Fehler (zum Beispiel einen Lichtbogen) zu erkennen, indem
der Fehler gezielt und kontrolliert genutzt und verstärkt
wird, so dass ein herkömmlicher Schutzmechanismus, wie z. B.
eine Schmelzsicherung, eine Schaltvorrichtung,
Transformatoren etc., greifen kann.
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Nach Anspruch 2 wird ein Schrumpfen der isolierenden
Ummantelung des elektrischen Leiters bewirkt. Aufgrund der
Schrumpfwirkung wird eine ausreichend freiliegende metallische
Oberfläche des elektrischen Leiters gebildet, so dass die
Wahrscheinlichkeit eines permanenten mechanischen Kontakts
zwischen beispielsweise zwei Kabeln/Leitungen steigt. Ferner
wird aufgrund der Schrumpfwirkung der Lichtbogen vergrößert,
wodurch ein größerer Fehlerstrom auftritt, der auf
herkömmliche Weise erkannt werden kann.
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Nach den Ansprüchen 3 und 4 wird eine exotherme Reaktion
herbeigeführt, die sich gezielt ausbreitet, um den elektrischen
Leiter durchzutrennen, z. B. zu durchschmelzen. In diesem Fall
muss kein separater Mechanismus vorgesehen werden, der den
Lichtbogen erkennt und löscht.
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Mit den Merkmalen des Anspruchs 5 ist es möglich eine
Beschädigung angrenzender Komponenten/Leitungen aufgrund einer
exothermen Reaktion zu vermeiden, wobei die Leitung trotzdem
durchtrennt wird.
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Nach Anspruch 6 ist es möglich, die sich selbst erhaltende
Reaktion nur über einen vorbestimmten Bereich, z. B. in
Längsausdehnung der Leitung, kontrolliert und gezielt ablaufen zu
lassen.
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Nach den Ansprüchen 7 und 8 kann das Material, in dem die
sich selbst erhaltende Reaktion abläuft, gezielt eingesetzt
werden, wodurch Kosten reduziert werden.
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Nach Anspruch 9 kann ein System bereitgestellt werden, das
seinen Zustand bei Auftreten eines Fehlers ändert. Eine
Zustandsänderung des Systems kann z. B. darin bestehen, dass nur
das Teilnetz, in dem der Lichtbogen auftritt durch einen
herkömmliche Schutzmaßnahme unterbrochen wird, das System als
Ganzes jedoch im wesentlichen funktionsfähig bleibt, und
lediglich dessen Ausgangszustand geändert oder z. B.
wiederhergestellt wird.
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Die erfindungsgemäße Leitung kann in beliebigen elektrischen
Schaltungen zum Einsatz kommen, z. B. in 42 V-Boardnetzen in
Kraftfahrzeugen.
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Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung
beschrieben. Es zeigen:
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Fig. 1 ein erstes bis viertes Ausführungsbeispiel einer
elektrischen Leitung gemäß der Erfindung, jeweils
im Teilquerschnitt;
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Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel für den Ablauf einer
aktiven Sicherungsmaßnahme der erfindungsgemäßen
elektrischen Leitungen nach Fig. 1;
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Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel für den Ablauf
einer aktiven Sicherungsmaßnahme der
erfindungsgemäßen elektrischen Leitungen nach Fig. 1;
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Fig. 4 einen Ausschnitt aus einem elektrischen System, das
die erfindungsgemäßen elektrischen Leitungen nach
Fig. 1 verwendet; und
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Fig. 5 eine Vorrichtung zur Herstellung der
erfindungsgemäßen Leitung.
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In den Fig. 1 bis 5 werden für funktionell gleiche
Elemente die gleichen Bezugsziffern verwendet.
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Fig. 1 zeigt ein Koordinatensystem xy, wobei im ersten
Quadranten (I) eine Querschnittsansicht eines ersten
Ausführungsbeispiels, im zweiten Quadranten (II) eines zweiten
Ausführungsbeispiels, im dritten Quadranten (III) eines dritten
Ausführungsbeispiels und im vierten Quadranten (IV) eines
vierten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Leitung
jeweils gezeigt sind.
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Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Leitung 1 enthält diese einen elektrischen Leiter 2, der von
einer elektrisch isolierenden Ummantelung 3 umgeben ist, die
gleichmäßig verteilt (im wesentlichen homogen verteilt) ein
Material 4 enthält, in dem bei Erwärmung auf eine
vorbestimmte Temperatur eine sich selbst erhaltende Reaktion einsetzt.
Eine solche sich selbst erhaltende Reaktion bzw. sich selbst
ausbreitende Reaktion kann zum Beispiel ein Schrumpfen des
Materials 4 herbeiführen, und damit ein Schrumpfen der
Ummantelung 3 derart, dass der elektrische Leiter 2 freigelegt
wird. Die sich selbst erhaltende Reaktion kann soviel
exotherme Wärme freisetzen, dass der elektrische Leiter schmilzt
und dadurch der elektrische Leiter 2 zum Beispiel durchtrennt
wird, was später unter Bezugnahme auf Fig. 3 näher erläutert
wird.
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Fig. 1 zeigt im zweiten Quadranten des Koordinatensystems xy
ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Leitung
1. Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ist das Material 4
an bestimmten Stellen in die elektrisch isolierende
Ummantelung 3 eingelagert.
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Gemäß dem im dritten Quadranten des Koordinatensystems xy in
Fig. 1 gezeigten dritten Ausführungsbeispiel ist das
Material 4 in radial außen liegenden Bereichen der Ummantelung 3der Leitung 1 enthalten und/oder reicht radial durch die
Ummantelung 3 hindurch. Das Material 4 ist dabei
abschnittsweise innerhalb der Ummantelung 3 vorhanden, wobei die
entsprechenden Abschnitte an lichtbogengefährdeten Bereichen
bevorzugt ausgebildet werden.
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Gemäß dem im vierten Quadranten des Koordinatensystems xy in
Fig. 1 gezeigten vierten Ausführungsbeispiel, ist das
Material 4 in der Form von zwei radial beabstandeten Schichten
ausgebildet, die den Leiter 2 vollständig oder teilweise
umgeben. Die beschriebenen Anordnungen können in vielfältiger
Weise kombiniert werden, beispielsweise können mehr als zwei
Materialschichten an irgendeiner Stelle in der Ummantelung 3
radial voneinander beabstandet angeordnet sein.
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Fig. 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel für den Ablauf
einer selbsttätigen aktiven Sicherung, wie sie in irgendeiner
der erfindungsgemäßen Leitungen nach Fig. 1 bei auftreten
eines Fehlers abläuft.
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Die vier Abschnitte I bis IV in Fig. 2 verdeutlichen den
Ablauf von der Entstehung eines Risses bis zur Freilegung des
Leiters, also bis zum Erreichen des Defektzustands der
elektrischen Leitung.
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Abschnitt I in Fig. 2 zeigt einen Riss 5 in der Ummantelung
3 der Leitung 1, wie er z. B. durch eine mechanische
Beschädigung entsteht. In diesem Stadium wird durch den Riss 5 der
Leiter 2 nicht oder nur ganz wenig freigelegt, so dass noch
kein Lichtbogen zwischen dem Leiter 2 und zum Beispiel einer
Karosserie 6 entstehen kann.
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Wie in Fig. 2 gezeigt, ist der Riss 5 in einem Teilabschnitt
7 ausgebildet, an dem beidseitig Stoppbereiche 8a, 8b
angrenzen, die im Falle einer sich selbst erhaltende Reaktion in
der Ummantelung 3 innerhalb des Teilabschnitts 7 diese
stoppen.
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Abschnitt II in Fig. 2 zeigt ein Stadium der elektrischen
Leitung 1, bei dem der Riss 5 aufgrund z. B. weiterer
mechanischer Beschädigung der Ummantelung 3 derart groß ist, dass
sich ein Lichtbogen 9 zwischen dem freigelegten Leiter 2 und
einer Autokarosserie 6 bilden kann. Selbstverständlich ist es
auch möglich, dass sich der Lichtbogen 9 zwischen dem Leiter
2 der Leitung 1 und einem weiteren Leiter einer anderen
Leitung bilden kann; entscheidend ist lediglich, dass ein
ausreichender Potentialunterschied für die Bildung eines
Lichtbogens gegeben ist.
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Gemäß diesem ersten Ausführungsbeispiel wird durch den
Lichtbogen 9 das Material 4 (nicht in Fig. 2 gezeigt) in der
Ummantelung 3 derart erwärmt, z. B. auf 150°C, dass eine sich
selbst erhaltende Reaktion ausgelöst wird, die gemäß diesem
Ausführungsbeispiel bewirkt, dass die Ummantelung 3
schwindet, beispielsweise schrumpft oder abbrennt, wie in Abschnitt
III in Fig. 2 gezeigt. Das Schwinden der Ummantelung 3 läuft
dabei vorzugsweise kontrolliert bis zu den Stoppbereichen 8a,
8b ab. Nach Abschluss der sich selbst erhaltenden Reaktion
ist der Leiter 2 in dem Teilabschnitt 7 zwischen den
Stoppbereichen 8a und 8b vollständig freigelegt, wie in Abschnitt IV
in Fig. 2 gezeigt.
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Der am freigelegten Leiter 2 entstehende Lichtbogen ist
derart groß, dass ein ausreichender Fehlerstrom fließt, der mit
herkömmlichen Sicherungsmaßnahmen erkannt werden kann.
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Durch zweckentsprechende Anordnung der Stoppbereiche 8a, 8b
kann der Teilabschnitt 7 derart definiert werden, dass
aufgrund der Schrumpfwirkung eine ausreichend große Oberfläche
des Leiters 2 freiliegt, so dass die Wahrscheinlichkeit eines
permanenten mechanischen Kontakts zwischen dem Leiter 2 und
der Autokarosserie 6 steigt. Um die Wahrscheinlichkeit eines
mechanischen Kontakts (Kurzschluss) entweder zwischen zwei
Kabeln/Leitungen oder zwischen dem Leiter 2 und der
Autokarosserie 6 gemäß diesem Ausführungsbeispiel weiter zu
erhöhen, können die Stoppbereiche 8a, 8b zum Beispiel ganz
weggelassen werden. Auch in diesem Fall wird der durch den
Lichtbogen erzeugte Fehler gezielt und kontrolliert genutzt und
verstärkt, so dass der Fehler über eine herkömmliche
Diagnoseeinheit erkannt und über gängige Absicherungsmethoden aus
dem zum Beispiel Bordnetz eines Kraftfahrzeugs entfernt
werden kann bzw. andere mechanische Schutzmaßnahmen auslösen.
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Fig. 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel für den Ablauf
einer aktiven Sicherungsmaßnahme irgendeiner der
erfindungsgemäßen Leitungen nach Fig. 1.
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Die Abschnitte I bis IV in Fig. 3 zeigen den Vorgang von der
Entstehung eines Risses in der Leitung bis zur Durchtrennung
des Leiters, also bis zum Erreichen des Defektzustands der
elektrischen Leitung.
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Wie in Fig. 3 gezeigt, weist die Leitung 1 gemäß diesem
Ausführungsbeispiel einen Riss 5 auf, der in einem Teilabschnitt
7 zwischen Stoppbereichen 8a und 8b ausgebildet ist. Die
Ummantelung 3 im Bereich des Teilabschnitts 7 enthält ein
Material 4, das bei Erreichen einer vorbestimmten
Mindesttemperatur (z. B. 150°C) einer exotherme Reaktion unterliegt.
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Wie in Abschnitt II in Fig. 3 gezeigt, ist in diesem Stadium
der Riss 5 ausreichend groß, so dass sich zwischen dem
freigelegten Leiter 2 der Leitung 1 und der Autokarosserie 6 ein
Lichtbogen 9 bilden kann. Aufgrund des Lichtbogens 9 wird das
Material 4 in der Ummantelung 3 ausreichend erwärmt, um die
exotherme Reaktion auszulösen.
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Die bei der exothermen Reaktion freigesetzte Wärme kann so
groß sein, dass, wie in Abschnitt III in Fig. 3 gezeigt,
eine kontrollierte "Explosion" zwischen den Stoppbereichen 8a
und 8b erfolgt, wodurch der Leiter 2 der Leitung 1
durchtrennt wird, wie in Abschnitt IV in Fig. 3 gezeigt. Um eine
Beschädigung angrenzender Komponenten, beispielsweise einer
elektrischen Leitung zu verhindern, kann das Material 4 mit
einem flammhemmenden Material ummantelt sein.
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Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ist es somit nicht
erforderlich, eine Diagnoseeinheit vorzusehen, die das
Vorhandensein des Lichtbogens detektiert bzw. eine mechanische
Schutzmaßnahme, wie etwa eine Sicherung, da aufgrund der
exothermen Reaktion der Leiter 2 der Leitung 1 durchtrennt wird.
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Fig. 4 zeigt einen Ausschnitt aus einem elektrischen System,
das irgendeine der erfindungsgemäßen elektrischen Leitungen
nach Fig. 1 verwendet. Wie in Fig. 4 gezeigt, enthält das
elektrische System 10 gemäß diesem Ausführungsbeispiel zwei
Lampen 11a, 11b. Die Lampen 11a und 11b sind gemäß diesem
Ausführungsbeispiel jeweils mit irgendeiner erfindungsgemäßen
Leitung nach Fig. 1 verbunden. Die Lampen 11a und 11b sind
ferner über einen Schalter 12 miteinander gekoppelt, der in
einem normalen Zustand des Systems 10 zum Beispiel offen ist.
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Wenn zum Beispiel in der Leitung 1, die mit der Lampe 11a
verbunden ist, aufgrund einer Beschädigung der Ummantelung
der Leitung ein Lichtbogen 9 auftrifft, läuft zum Beispiel
die unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschriebene aktive
Sicherungsmaßnahme ab, wodurch der Lichtbogen 9 durch eine
herkömmliche Diagnoseeinheit 13 detektiert werden kann. Wenn die
Diagnoseeinheit 13 einen Lichtbogen erkennt, unterbricht sie
z. B. die Leitung 1 und steuert zum Beispiel den Schalter 12
an, um diesen zu schließen, wodurch der Zustand des Systems
10 geändert wird. Auf diese Weise kann zum Beispiel trotz
Unterbrechung der Leitung 1, die mit der Lampe 11a verbunden
ist, die Lampe 11a weiter betrieben werden.
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Falls die Leitung 1, die mit der Lampe 11a verbunden ist,
ausgebildet ist, um bei Auftreten eines Lichtbogens eine
exotherme Reaktion auszuführen, läuft die unter Bezugnahme auf
Fig. 3 beschriebene aktive Sicherungsmaßnahme ab. In diesem
Fall detektiert das Diagnosegerät 13 zum Beispiel eine
Unterbrechung der Leitung 1, die mit der Lampe 11a verbunden ist,
um bei Erkennung einer Durchtrennung des Leiters den Schalter
12 anzusteuern und den Zustand des Systems 10 zu ändern.
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Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur
Herstellung der erfindungsgemäßen Leitung.
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Über Ventile 14 wird auf einen Leiter 2 mittels einer ersten
Düse 15 ein Materialgemisch aufgebracht, das das Material 4
enthält. Dadurch wird eine Auslösezone in der Ummantelung 3
gebildet, in der bei lokaler Erwärmung auf eine vorbestimmte
Temperatur eine sich selbst erhaltende Reaktion erfolgt. Die
Länge der Auslösezone wird durch entsprechend langes Ziehen
durch eine Auszugsvorrichtung 16 in Auszugsrichtung
festgelegt, die in Fig. 5 durch einen Pfeil angedeutet ist.
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Durch Aufbringen eines zweiten Materials über eine Düse 17
auf den Leiter 2 und entsprechendes verzögertes Schließen der
Ventile 14, bei gleichzeitigem Ziehen des Leiters durch die
Auszugsvorrichtung 16, kann ein Stoppbereich in der
Ummantelung 3 gebildet werden, der eine sich selbst erhaltende
Reaktion stoppt. Die Länge des Stoppbereichs wird durch
entsprechend langes Ziehen durch die Auszugsvorrichtung 16 in
Auszugsrichtung festgelegt.
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Durch entsprechendes Steuern der Düsen 15 und 17 sowie der
Ventile 14 kann eine den Leiter 2 umgebende Ummantelung 3
gebildet werden, die abwechselnd Auslösezonen und Stoppbereiche
aufweist, wobei in jeder Auslösezone bei lokaler Erwärmung
auf eine vorbestimmte Temperatur eine sich selbst erhaltende
Reaktion erfolgt, die durch die Stoppbereiche gestoppt wird.
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Ebenso ist es möglich mehrere Ventile vorzusehen, um
beispielsweise drei Materialien auf den Leiter 2 zu extrudieren.
Dabei kann beispielsweise eines dieser Materialien ein
isolierendes Grundmaterial sein, ein anderes ein Material 4, das
bei Erwärmung auf eine vorbestimmte Temperatur eine sich
selbst erhaltende Reaktion ausführt und ein drittes Material,
mit dem die Stoppbereiche gebildet werden. Das Material 4 und
das die Stoppbereiche bildende Material werden dabei jeweils
dem Grundmaterial durch geeignete Steuerung der Ventile bei
gleichzeitiger Betätigung der Auszugsvorrichtung beigemischt,
um abwechselnde Auslösezonen und Stoppbereiche in der
Ummantelung 3 zu bilden.
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Die oben im einzelnen beschriebene Erfindung ist nicht auf
die genannten Ausführungsbeispiele begrenzt, sondern kann zum
Beispiel eine elektrische Leitung umfassen, in deren
Isolierung eine Materialschicht eingearbeitet ist, welche der
Ausbreitung einer chemischen Reaktion in der Art einer "Lunte"
eine Vorzugsrichtung verleiht. Am Ende der
reaktionsunterstützenden Schicht ist eine Trenneinheit angeordnet, welche
beispielsweise pyrotechnisch gezündet einen permanenten
Kurzschluss zwischen Leitungen herbeiführt. Dieser Kurzschluss
löst dann einen herkömmlichen Schutzmechanismus, wie etwa
eine Sicherung, einen Schalter, ein Relais oder einen
Halbleitertransistor, etc. aus.
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Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass die Leitung an
Ort und Stelle der "Überhitzung" kurzgeschlossen bzw.
unterbrochen wird. Letztere könnte durch eine Trenneinheit
durchgeführt werden, die beispielsweise die elektrischen Kontakte
auf eine nicht genauer definierte Art und Weise absprengt.
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Selbstverständlich kann das Material in der Ummantelung des
Leiters auch durch ein anderes Ereignis als einen Lichtbogen
auf eine Mindesttemperatur erwärmt werden, bei der eine sich
selbst erhaltende oder exotherme Reaktion erfolgt, z. B. durch
einen Kabelbrand.