Konstruktive Methoden vermeiden Schäden an Kontakten

Funken und Lichtbögen sicher löschen

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Sowohl beim Schließen als auch beim Öffnen elektrischer Kontakte entstehen gemein als Funken bezeichnete elektrische Lichtbögen, die auf Dauer die Kontaktflächen zerstören können. Dabei ist die Funkenbildung für einen Abbrand der Kontakte verantwortlich und reduziert so die Lebensdauer von Schaltern und Relais. Mit konstruktiven und technischen Methoden lässt sich der Verschleiß begrenzen.

Lichtbögen entstehen bei ausreichend hoher elektrischer Spannung und Stromdichte durch Stoßionisation. Die Gasentladung bildet dabei ein Plasma, in dem die Atome oder Moleküle ionisiert sind. Diese freien Ladungsträger ermöglichen den elektrischen Stromfluss. Bei jedem Öffnen eines Schaltkontaktes oder beim Schmelzen einer Sicherung entsteht ein Lichtbogen, der Temperaturen von mehreren tausend Grad Celsius erreichen und zur thermischen Zerstörung der elektrischen Leiter und des benachbarten Isolationsmaterials führen kann. Je höher Stromstärke und Spannung sind, desto energiereicher wird der dabei entstehende Lichtbogen. Bei Gleichstrom ist das Löschen der Funken noch wichtiger, da es keinen Nulldurchgang der Spannung gibt, der beim Wechselstrom den Lichtbogen oft von selbst löscht.

Lichtbogenlampen und Schweißverfahren

Zielen die Bemühungen meist darauf hin, gerade in Schaltgeräten Lichtbögen zu vermeiden oder sie schnellstmöglich zu löschen, wurde das zugrunde liegende Prinzip in der Vergangenheit beispielsweise zur Beleuchtung genutzt. Die dazu verwendete Gasentladungsröhre bestand aus Kathode und Anode in einer gasgefüllten Glasröhre. Wurde eine ausreichend hohe Spannung angelegt, zündete ein Lichtbogen bzw. eine Gasentladung und erzeugte so helles Licht. Die erste Kohlebogenlampe basierte ebenfalls auf dem Prinzip des Lichtbogens, wobei der Abbrand der Kohlestäbe nur einen wenige Minuten langen Betrieb erlaubte. Im Jahr 1879 kam eine von Siemens entwickelte Bogenlampe erstmals zur Straßenbeleuchtung zum Einsatz, bei der der Abstand automatisch nachjustiert wurde. In Berlin wurden damals in verschiedenen Straßen die Gaslaternen durch solche Kohlebogenlampen ersetzt. Auch in München kam diese Beleuchtung zum Einsatz. Diese Lampen waren über lange Zeit die intensivsten künstlichen Lichtquellen mit elektrischen Leistungen bis zu 10 kW. Sie kamen außerdem in Scheinwerfern aber auch in Kinoprojektoren zum Einsatz. Eine weitere Anwendung ist das Schweißen. So handelt es sich beispielsweise beim Schutzgasschweißen um ein Lichtbogenschweißverfahren, bei dem der abschmelzende Schweißdraht vom Lichtbogen geschmolzen und automatisch nachgeführt wird.

Löschung von Schaltlichtbögen

Um die Zuverlässigkeit moderner Schaltgeräte zu steigern, muss die zerstörerische Wirkung von Lichtbögen eingeschränkt werden. Um einen Lichtbogen zu löschen, muss er quasi künstlich verlängert und auf diese Weise abgekühlt werden, um ihm so die Energie für den weiteren Leitungsträgertransport zu entziehen. Möglich ist es auch, die vom Lichtbogen ionisierten Gase und so den Lichtbogen selbst mittels Gasen aus dem Kontaktbereich auszublasen. Mit Hilfe des Magnetfelds eines sogenannten Blasmagneten lässt sich der Lichtbogen aus dem Kontaktbereich auf magnetische Weise verdrängen. Im Hochspannungsbereich kommen Schalter mit Öl- oder Schutzgasfüllung zum Einsatz. Auch mittels Vakuum lassen sich Lichtbögen löschen. Bei Schmelzsicherungen für höhere Leistungen wird wiederum Sand genutzt, der vom Lichtbogen geschmolzen einen Isolator in der Funkenstrecke bildet.

Werden niedrige Wechselströme geschaltet, verlischt der Schaltlichtbogen bereits beim nächsten Nulldurchgang der Wechselspannung. Bei Gleichströmen über 1 A und Spannungen ab 50 V verlöschen Schaltlichtbögen dagegen meist nicht von selbst. Da die Ionisation der Trennstrecke auch bei 50-Hz-Netzwechselspannung bei größeren Strömen so stark werden kann, dass sie nach dem Nulldurchgang den Lichtbogen erneut zündet, sind konstruktive Maßnahmen erforderlich. So werden Schutzschalter und Sicherungsautomaten beispielsweise mit Sprungfederkontakten ausgestattet werden, die beim Betätigen besonders schnell voneinander getrennt werden.

Besonders kritisch ist die Situation, wenn hohe induktive Lasten geschaltet werden. Induktivitäten halten aufgrund der Selbstinduktion fließende Ströme aufrecht. Im Falle des Gleichstroms hilft hier eine Freilaufdiode, bei Wechselstrom kann ein Kondensator oder ein Überspannungsableiter wertvolle Dienste leisten. Aber auch parallelgeschaltete und verzögert öffnende Nebenkontakte können den Stromfluss bzw. den Lichtbogen übernehmen und löschen.

Besonderheiten bei höheren Spannungen

Im Fall von Hochspannungen helfen sogenannte Hornableiter, den Lichtbogen zu löschen. Aufgabe dieser Hornableiter, wie man sie beispielsweise an Hoch- oder Mittelspannungsanlagen oder in der Bahntechnik sieht, ist es, den Schaltlichtbogen durch dessen eigenes Magnetfeld aus dem Bereich der Kontakte in Richtung der sich weitenden Hörner zu verdrängen. Dabei wird er länger, kühlt ab und erlischt. Zusätzliche Kühlelemente aus Metall oder Keramik können den Effekt verstärken. In Hoch- und Mittelspannungsnetzen kommen heute meist gekapselte Schaltanlagen zur Anwendung. Möglich ist auch ein Vakuum oder Schutzgas im Kontaktbereich. Als Schutzgas für Leistungsschalter hat sich Schwefelhexafluorid (SF6) bewährt, das sich durch eine hohe Durchschlagsfestigkeit auszeichnet.

In der Vergangenheit wurden mit Öl gefüllte Schaltanlagen zum Löschen von Lichtbögen höherer Leistung bevorzugt. Beim Schaltvorgang wird das Öl im Bereich des Lichtbogens jedoch chemisch zersetzt. Dabei wird dem Lichtbogen ebenfalls Energie entzogen. Da sich dabei Gas bildet, muss das Öl regelmäßig erneuert werden.

Ein- und Ausschalten von Relais

Gerade in der Relaistechnik schränken starke Funken und Lichtbögen die Lebensdauer von Kontakten ein. Schon das Schalten einer Gleichspannung von 8 V greift die Kontakte an. Dabei ist zu beachten, dass ein Lichtbogen sowohl beim Ein- als auch beim Ausschalten entstehen kann. Entscheidend dafür sind die zu schaltenden Lasten. Besonders kritisch ist das Einschalten kapazitiver bzw. das Ausschalten induktiver Lasten.

Beim Einschalten von Kondensatoren aber auch Glühbirnen tritt der größte Verschleiß auf. Das Einschalten einer großen Kapazität entspricht nahezu einem Kurzschluss, Glühbirnen verursachen ebenfalls einen hohen Einschaltstrom. Während ein Lichtbogen beim Abschalten einer ohmschen Last schnell abreißt, brennt er bei induktiver Last aufgrund der Gegeninduktion weiter. Dabei erhitzt sich die Kontaktstelle aufgrund des Übergangswiderstands. Die dabei entstehende Wärme verdampft Kontaktmaterial, sodass eine Metalldampfwolke entsteht, die den Stromfluss aufrecht erhält.

Gerade bei Relais spielt deshalb der Materialeinsatz eine wesentliche Rolle. Große, gut vernietete und mit breiten Anschlüssen versehene Kontakte sind nicht nur gute elektrische Leiter, sie führen auch die Wärme schnell ab. Eine weitere Möglichkeit ist die richtige Auswahl des Kontaktmaterials. Die antiparallel zur induktiven Last liegende Freilaufdiode leitet im Normalbetrieb nicht. Erst die entgegenwirkende Induktionsspannung sorgt für einen Stromfluss durch die Diode, solange, bis die magnetische Energie der Induktivität entladen ist.

Wenn Relais Gleichstrom schalten

Die Fähigkeit von Relaiskontakten, auch höhere Gleichströme abzuschalten, hängt im Wesentlichen vom Abstand der geöffneten Kontakte ab. Die minimalen Abstände variieren dabei von der Höhe der Gleichspannung. Bei 12-V-Bordnetzen in Fahrzeugen ist die Abschaltfähigkeit bereits bei sehr kleinen Kontaktabständen gewährleistet. Bei 16 V und 100 A ist ein Kontaktabstand von 0,1 mm ausreichend, um einen Lichtbogen zu vermeiden. Bei 24 V und 100 A beträgt der notwendige Kontaktabstand bereits 0,5 mm und bei 32 V sowie 100 A ist es bereits mindestens 1,0 mm.

Der Trend zur Elektromobilität und zu Hybridfahrzeugen führt zu höheren Bordnetz-Spannungen. Moderne Bordnetze arbeiten heute mit Gleichspannungen zwischen 48 und 800 V. Ohne besondere Maßnahmen wären hier Kontaktabstände notwendig, die kaum effizient realisierbar sind. Für diese Spannungen sind andere Lösungsansätze erforderlich. In letzter Zeit kommen deshalb verstärkt hybride Schalter zum Einsatz, die aus Leistungshalbleiter und Kontakten kombiniert werden und sich besonders gut für diese Applikationen eignen.

Auch in Sicherungen entstehen Lichtbögen

Fließt über eine Sicherung ein Kurzschlussstrom, so schmilzt der Leiter in der Sicherung in einer definierten Zeit auf. Abhängig von der Spannung und der Höhe des Kurzschlussstromes bildet sich dabei ein Lichtbogen im Inneren der Sicherung. Auch über diesen Lichtbogen wird der Stromfluss aufrechterhalten, sodass der Kurzschlussstrom länger als gewünscht fließt. Bei Wechselstrom hilft auch hier der Nulldurchgang des Stromes, um den Lichtbogen zu löschen. Da der Nulldurchgang bei Gleichstrom fehlt, sollte bei Gleichstrom die Bemessungsspannung eingehalten werden, da der Lichtbogen bei höherer Spannung zwischen den Sicherungskappen steht. Oft platzen die Sicherungskörper dann regelrecht auf. Diese können den extrem hohen Temperaturen und Drücken nicht standhalten, unter Umständen entstehen so Brände. ge

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