Schaltlichtbogen

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Ein Schaltlichtbogen ist ein mehr oder weniger intensiver Lichtbogen und entsteht beim Trennen zweier stromdurchflossener elektrischer Kontakte ab Schaltspannungen von etwa 25 Volt. Bei kleinen Strömen treten nur sogenannte Abreißfunken oder Schaltfunken auf, die von selbst verlöschen, jedoch die gleiche Ursache haben.

[Bearbeiten] Ursachen

Schaltfunken und Schaltlichtbögen entstehen, weil der elektrische Strom nach Öffnen der Kontakte in Form einer Funkenentladung oder einer Bogenentladung weiterfließt.

Ursache ist die geringe Durchschlagsfestigkeit von Luft zwischen den noch nicht weit geöffneten Kontakten. Eine solche Entladung wird zusätzlich gefördert, wenn sich im Moment des Abhebens der Kontakte voneinander durch den Stromfluss über einen geringen Querschnitt heiße Stellen bilden, die Glühemission und die Nachlieferung von Metallionen bewirken. Durch Stoßionisation wie bei einer Gasentladung sinkt nun die Brennspannung und erschwert die Unterbrechung.

Besonders problematisch ist das Abschalten induktiver Lasten (Motoren, Schützspulen, Elektromagnete, Transformatoren). Hier bewirkt die im magnetischen Feld der Induktivität gespeicherte Energie einen Weiterfluss des Stromes - die Spannung über den Kontakten steigt beim Öffnen dann augenblicklich auf sehr hohe Werte an. Daher kann hier auch dann ein Schaltlichbogen auftreten, wenn die Betriebsspannung weit unterhalb der Brenn- bzw. Zündspannung des Bogens liegt.
Die Kontakte von Schaltschützen sind aus diesem Grund bei stark induktiven Lasten (als AC-3 bezeichnete Lastart) für geringere Schaltströme als bei Widerstandslast (Lastart AC-1) spezifiziert.

Bei sehr viel höheren Frequenzen verhalten sich Schaltlichtbögen ähnlich problematisch wie bei Gleichspannung, sie sind bei Hochfrequenz sogar noch schwerer zu löschen, da hier auch Verschiebungsströme zur Ionisierung beitragen.

[Bearbeiten] Folgen

Schaltfunken und Schaltlichtbögen führen zu Störemissionen und zu Kontaktverschleiß.

Wird der Lichtbogen nicht schnell genug unterbunden oder gelöscht, führt dies insbesondere bei hohen Strömen und Spannungen zur Zerstörung der Schaltkontakte durch Kontaktabbrand.

Auch von selbst verlöschende Schaltfunken führen auf Dauer zu Kontaktverschleiß und vorzeitigem Ausfall von Relais und Schaltern. Bei der Angabe der maximalen Anzahl der Schaltzyklen von Relais und Schaltschützen wird daher zwischen mechanischer Zyklenzahl und Zyklenzahl unter elektrischer Nennlast unterschieden. Beide Schaltzyklenzahlen unterscheiden sich oft durch den Faktor 10.

[Bearbeiten] Abhilfe

Beim Schalten niedriger Leistungen und Wechselspannung verlöscht der Schaltlichtbogen bei geringen Strömen beim nächsten Nulldurchgang der Wechselspannung von selbst (z.B. Netzschalter an Geräten oder Lichtschalter sowie Nockenschalter an Elektroherden und Maschinen).

Insbesondere bei Gleichspannung und Strömen ab etwa 1 A und Spannungen ab etwa 50 V, verlöschen Schaltlichtbögen u.U. nicht von selbst.
Die Ionisation der Trenstrecke kann auch bei 50-Hz-Netzwechselspannung bei großen Strömen so stark werden, dass sie nach einem Nulldurchgang zum Neuzünden des Bogens ausreicht, insbesondere, wenn die Kontakte in diesem Moment noch nicht weit genug voneinander entfernt sind.
Man versucht daher, Schalter so zu konstruieren, dass sich die Kontakte möglichst schnell voneinander entfernen (Sprungkontakte).

Maßnahmen zur Lichtbogenlöschung müssen den Schaltlichtbogen möglichst schnell löschen, um Schäden an den Kontakten und Isolierstoffen zu vermeiden. Das kann geschehen, indem die Wärme bzw. das Plasma des Bogens abgeführt wird oder dieser stark verlängert wird.

Lasttrenn- und Leistungsschalter für hohe Spannungen, u.a. an Elektrolokomotiven, arbeiten mit Druckluft, um den Bogen zu löschen bzw. wegzublasen.

Die in induktiven Lasten gespeicherte Energie kann, wenn möglich, von den Schaltkontakten ferngehalten werden, indem der Stromfluss umgeleitet wird. Die Umleitung kann bei Gleichspannung mit einer Freilaufdiode, bei Wechselspannung mit einem Boucherot-Glied oder in einfachen Fällen nur mit einem Kondensator oder einem Überspannungsableiter (Varistor oder Suppressordiode) geschehen.

Auch parallelgeschaltete, jedoch später als die Hauptkontakte öffnende Schaltkontakte können den Stromfluss bzw. Lichtbogen übernehmen (z.B. bei Hartgas-Lasttrennschaltern oder die sich berührenden Hornableiter an Schaltern der Straßenbahn-Oberleitung).
Bei Hartgasschaltern läuft dieser verzögert öffnende Kontakt in einer Kammer aus einem Material („Hartgas“), welches bei Erhitzung Gase abgibt, die die Ionisierung behindern bzw. schneller abklingen lassen.

Mit Hornableitern erreicht man, dass der Schaltlichtbogen durch dessen eigenes Magnetfeld aus dem Bereich der Kontakte in Richtung der sich weitenden Hörner läuft, dadurch seine Länge vergrößert und ggf. durch zusätzliche Kühlung mit Blechen oder Keramikteilen (Funkenlöschkammer) verlöscht (wird z.B. in Schaltschützen oder Leitungsschutzschaltern angewendet). Bei sich nach oben weitenden Hornableitern trägt zusätzlich der thermische Auftrieb des Bogens zu seiner Bewegung bei.

Bei Leistungsschaltern für Mittelspannung (5…30 kV) arbeiten die Schaltkontakte zur Lichtbogenlöschung unter Öl oder im Vakuum.