Was bei der Lichtbogenlöschung in Schaltern zu beachten ist

Der Kontakt stirbt nie – der Lichtbogen schon

E-T-A: Was bei der Lichtbogenlöschung in Schaltgeräten zu beachten ist

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Die Erzeugung und Speicherung erneuerbarer Energie, der Zuwachs bei der Elektromobilität und die geplante Nutzung von Gleichstromnetzen in der Industrie stellen hohe Anforderungen an elektromechanische Komponenten wie Leistungsschalter, Schutzschalter oder Leistungsschütze. Bei der Auswahl und beim Betrieb solcher elektrischen Schaltgeräte sind verschiedene physikalische Grundlagen zu berücksichtigen. Nur so ist ein dauerhaft zuverlässiger Betrieb möglich.

Peter Meckler, Leiter InnoLab bei E-T-A Elektrotechnische Apparate GmbH in Altdorf, zum Thema Lichtbogenlöschung

Für elektrische Kontakte in mechanischen Schaltgeräten gibt es zwei Optionen. Entweder sind sie geschlossen und führen Strom. Oder sie sind geöffnet und damit Teil der für die jeweilige Bemessungsspannung benötigten Isolationsstrecke. Die bestimmende Größe des geschlossenen Kontaktes ist der Kontaktwiderstand. Dieser ist auch auf metallisch reinen Flächen grundsätzlich unvermeidbar. Er entsteht nach dem Modell von Holm durch Kontakt-Engestellen (Radius a) mit dem Engewiderstand RE und durch Bildung von Molekülhäuten aufgrund von Fremdschichten mit dem Fremdschichtwiderstand RF.

Ein elektrischer Kontakt besteht aus vielen elektrisch parallel geschalteten Engestellen, sogenannten a-Spots, über die der Strom fließt. Bei Öffnung des Kontaktes fließt der Strom im letzten Augenblick vor der Trennung nur noch über einen a-Spot. Durch die hohe Stromdichte schmilzt dort das Kontaktmaterial. Bei einem weiteren Öffnungsvorgang reißt dieser flüssige Metallkanal ab und es entsteht ein Lichtbogen.

Sind zwei Gebiete unterschiedlich elektrisch geladen, entsteht dazwischen ein elektrisches Feld und es kommt zu Entladungen. Elektrostatische Entladungen finden bei geringen Strömen und hohen Spannungen statt. Ab etwa 1 A und 14 V entstehen stabile Lichtbögen. Bei dieser sogenannten Hochdruckentladung ist die mittlere freie Weglänge der Ladungsträger sehr klein.

Der Lichtbogen – ein Plasma

Physikalisch betrachtet sind Lichtbögen Plasmen. Doch was ist unter einem Plasma zu verstehen? Laut DIN 1326-1:1991-10 ist „ein Plasma ein makroskopisches Vielteilchensystem, das insgesamt elektrisch neutral ist, aber so viele freie elektrische Ladungen enthält, dass deren elektromagnetische Wechselwirkung untereinander oder mit äußeren elektromagnetischen Feldern die Systemeigenschaften wesentlich bestimmt. Ein Plasma ist daher immer ein elektrischer Leiter.“ Ein Lichtbogen lässt sich in drei Bereiche aufteilen: zwei Raumladungszonen an den Elektroden und die eigentliche Lichtbogensäule. Während die Lichtbogensäule ein quasineutrales Plasma endlicher Leitfähigkeit ist, befinden sich vor den Elektroden schmale Raumladungsgebiete (0,1 bis 1 mm lang). Der Lichtbogen selbst ist ein sogenanntes thermisches Plasma. Dieses weist im Kern Temperaturen von 1.000 bis 30.000 K und an der Oberfläche 4.000 bis 5.000 K auf.

Elektronen sind aufgrund ihrer geringeren Masse – und damit viel höheren Beweglichkeit – über hundertmal schneller als Ionen. Aus diesem Grund tragen den Strom im Lichtbogen zu rund 99 % Elektronen. Und das, obwohl die Konzentration von Elektronen und Ionen gleich ist (Quasi-Neutralität). Über dem Lichtbogen tritt ein Spannungsfall UB auf. Dieser setzt sich im Wesentlichen aus drei Anteilen zusammen: dem Spannungsfall an den beiden Elektroden UAF und UKF sowie dem Spannungsfall über der Bogensäule US. Die Feldstärke E in der Bogensäule ist dabei nahezu konstant.

Bei kurzen Lichtbögen ist der bestimmende Anteil die Summe der Spannungsfälle über Anode und Kathode UE. Bei langen Lichtbögen überwiegt die Spannung der Bogensäule US. Um stabil zu brennen, benötigt ein Lichtbogen eine Mindestspannung von ungefähr 14 V. Der Mindeststrom hängt vom Elektroden-Werkstoff ab und beträgt bei Kupfer und Silber etwa 0,4 A. Werden diese Werte unterschritten, verlischt der Lichtbogen selbstständig. In Automobilbordnetzen mit Systemspannungen von 12 V können Lichtbögen nicht stabil brennen. Bei höheren Spannungen können jedoch stabile Lichtbögen entstehen. Die Leitfähigkeit des Plasmas hängt von dessen Temperatur ab. Je höher der Strom ist, desto größer der Energieumsatz. Damit steigen auch Temperatur, Ionisationsgrad und Leitfähigkeit des Bogens. Folglich hat der Lichtbogen einen negativen differentiellen Widerstand und kann daher als Spannungsquelle interpretiert werden.

Bei Energieentzug des Lichtbogens sinkt der Strom aufgrund von weniger Ladungsträgen. Die Spannung steigt hingegen. Da diese nicht über die Quellspannung steigen kann, nutzt man diesen Effekt in mechanischen Schaltgeräten zum Löschen des Lichtbogens.

Der Schaltlichtbogen – Fluch und Segen zugleich

Bei Öffnung der Kontakte eines mechanischen Schaltgerätes, entsteht – abhängig von Strom, Spannung und vorherrschendem Druck – ein Schaltlichtbogen. Dieser stellt einen zusätzlichen Widerstand im Schaltkreis dar. Dadurch sinkt der Strom, was gewünscht ist. Gleichzeitig ist dieser Schaltlichtbogen sehr schnell zum Verlöschen zu bringen. Die hohe thermische Energie-Einbringung in die umgebenden Materialien kann innerhalb kürzester Zeit zur Zerstörung der Schaltkammer führen.

In einem ohmsch-induktiven Schaltkreis ergibt sich bei dem Strom i1 ein stabiler Arbeitspunkt P1, An diesem brennt der Lichtbogen. Bei Strömen kleiner i2 ist eine Löschung möglich. Denn dann ist die Stromänderung di/dt kleiner Null und in P2 liegt kein stabiler Arbeitspunkt vor. Eine Löschung ist durch intensive Kühlung und/oder Verlängerung des Bogens möglich. Dies erfolgt, sobald die Bogenkennlinie UB(i) oberhalb der Geraden U0 – R*i liegt.

Das bedeutet in der Praxis: Die Lichtbogenspannung muss größer sein als die Quellspannung. So wird der Bogen instabil und verlischt. Ein Trugschluss ist allerdings, das Optimum bei unendlich kurzer Zeit zu vermuten. Denn durch die im Kreis gespeicherte Energie kommt es zur Erzeugung hoher Überspannungen. Diese zerstören angeschlossene Betriebsmittel. Ein Schaltlichtbogen hilft demnach auch beim definierten Abbau der im Kreis gespeicherten Energie.

Der Wechselstrombogen

Bei Wechselstrom ändert sich die Stromrichtung im Rhythmus der Frequenz. Das bedeutet, der Strom hat einen natürlichen Nulldurchgang und verlischt zunächst von selbst. Anode und Kathode vertauschen ihre Plätze. Falls die sogenannte Wiederverfestigungsspannung (= Durchschlagspannung der neuen Kathodenschicht) schneller ansteigt als die wiederkehrende Quellspannung, verlischt der Bogen endgültig. Im umgekehrten Fall zündet der Bogen wieder mit nun vertauschter Stromflussrichtung. Schaltgeräte ohne besonderes Löschsystem verwenden dieses sogenannte Wechselstromlöschprinzip.

Bei hohen Kurzschlussströmen ist der Strom zu löschen, bevor er sein Maximum erreicht. So lässt sich eine Zerstörung des Schaltgerätes vermeiden. Der Strom ist in weniger als einer viertel Periode zu begrenzen. Dies trägt die Bezeichnung strombegrenzendes Schaltgerät. In dem Fall gelten dieselben Überlegungen wie beim Gleichstrombogen. Dann kommen die sogenannten Gleichstromlöschprinzipien zur Anwendung.

Der Gleichstrombogen

Bei Gleichspannung ändert sich die Stromflussrichtung nicht. Es fehlen natürliche Stromnulldurchgänge. Der Schaltlichtbogen lässt sich nur durch zusätzliche Maßnahmen zum Verlöschen bringen. Bei der Lichtbogenlöschung in einem mechanischen Schaltsystem lässt sich die zum Löschen notwendige Spannungserhöhung auf zwei Wegen erreichen: Durch die Verlängerung des Bogens oder den Energieentzug durch Zwangskühlung.

Folgende Methoden finden hierbei hauptsächlich Anwendung:

  • Schnelles Öffnen der Kontaktstücke – der Bogen verlängert sich zusätzlich durch die elektrodynamische Schleifenwirkung (a)
  • Erhöhung der Kontaktöffnungsgeschwindigkeit durch einen Schlaganker, der den Kontakt schon kurz vor der Entklinkung des Schaltschlosses aufdrückt und das bewegliche Kontaktstück beschleunigt (b)
  • Verlängerung durch divergierende Lichtbogenlaufschienen, auf die der Bogen nach dem Öffnen der Kontakte wandert (a)
  • Kühlung durch Einquetschen in eine schmale Isolierstoffkammer (c)
  • Kühlung durch gasabgebende Kammerwände z.B. aus POM (d)
  • mäanderförmige Verlängerung durch zusätzliche Isolierstoffstege (e)
  • Unterteilung durch Löschbleche in so viele sehr kurze, elektrisch in Reihe geschaltete Einzel-Lichtbögen mit einem typischen Spannungsbedarf von 15 bis 20 V, um die Höhe der Quellspannung zu überschreiten (f)
  • Unterstützung der Bogenbewegung in das Löschsystem durch ein externes Magnetfeld (Blasmagnete bei DC, Blas-Spulen bei AC) (g)
  • zwei Kontaktstellen elektrisch in Reihe – zwei Lichtbögen durch Kontaktbrücke (typisch in Schützen)
  • gabelförmiger Kontaktarm (Schaltgerät)
  • Kühlung durch Gase wie H2 und reines N2 oder eine Mischung aus beiden (Kapselung erfordert zusätzlichen Aufwand)

Lichtbogenfrei bzw. lichtbogenarm schalten

Ohne Lichtbogen unterbrechen elektronische Leistungshalbleiter wie MOSFET oder IGBT den Stromfluss in einem Schaltkreis. Nachteilig im Vergleich zum mechanischen Kontaktsystem ist der höhere Spannungsfall im Nennbetrieb. Außerdem sind durch die sehr schnellen elektronischen Schaltvorgänge zusätzliche Bauteile zur Überspannungsbegrenzung nötig.

Die Vorteile von beiden Prinzipien nutzen Hybrid-Schaltgeräte, bei denen Leistungshalbleiter und mechanischer Kontakt elektrisch parallelgeschaltet sind. Im eingeschalteten Zustand kommt es zur Nutzung des niedrigen On-Widerstandes des metallischen Kontakts. Im Augenblick des Abschaltens kommutiert der Strom sofort auf den Leistungshalbleiter, welcher den Strom dann definiert und lichtbogenfrei zu Null zwingt.

Mit einem RC-Glied lässt sich auch parallel zum mechanischen Kontakt der Spannungsanstieg im Augenblick des Öffnens begrenzen. Der Strom klingt dadurch gedämpft ab (Snubber-Kreis). Diese Beschaltung trägt bei Relaiskontakten häufig die Bezeichnung Funkenlöschung.

Sichere galvanische Trennung

Der mechanische Kontakt wird so schnell nicht aussterben, da eine sichere galvanische Trennung im OFF-State nur durch eine entsprechende Luft- oder Gasstecke gebildet wird – die sog. galvanische Trennung. Die Kombination von Mechanik und Elektronik in Hybrid-Geräten bietet hier gute Lösungsansätze. Speziell auch im Hinblick auf den zunehmenden Einsatz von Gleichspannung. Der Kontakt stirbt nie – der Lichtbogen schon!

www.e-t-a.de

Weitere Informationen zum Überlast- oder Kurzschlussschutz

http://hier.pro/nMJOB

Hannover Messe: Halle 11, Stand A69

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