Beim Schalten von Strömen mit einem elektromechanischen Schaltgerät entsteht ein Lichtbogen. Dabei bildet sich ein Plasma zwischen den Kontakten, das im schlimmsten Fall zur Zerstörung des Schalters führen kann. Während bei Wechselspannungen der Lichtbogen in den meisten Fällen beim nächsten Nulldurchgang der Spannung erlischt, funktioniert dies bei Gleichspannungen naturgemäß nicht. Daher sind bei der Lichtbogenlöschung in Gleichspannungsschaltern zusätzliche Vorkehrungen zu treffen. Beschrieben wird ein Lichtbogen beziehungsweise sein Spannungsbedarf durch die sogenannte Lichtbogengleichung. UBogen = UAnodenfall+ ESäule*lSäule+ UKathodenfall

Schaltgeräte, Bild: Schaltbau
Schaltbau bietet eine große Auswahl an Schaltgeräten für DC-Anwendungen. Bild: Schaltbau

Um ein strombegrenzendes Schalten zu ermöglichen, muss die Lichtbogenspannung erhöht werden. Dazu bieten sich verschiedene konstruktive Maßnahmen an. Die wesentlichen Mechanismen zur Lichtbogenlöschung sind die Verlängerung der Lichtbogensäule, deren Einengung beziehungsweise eine Kühlung. Je nach Schaltgerät kommen einzelne dieser Mechanismen oder eine Kombination zum Einsatz. Bei der Lichtbogenverlängerung wird die Lorentzkraft ausgenutzt. Ein Magnetfeld, das in der Regel durch Permanentmagneten erzeugt wird, lenkt den Lichtbogen ab und führt so zu einer Verlängerung. Dieser Mechanismus wird auch als magnetische Blasung bezeichnet.

Der Kontakt des Lichtbogens mit den kühlen Schaltkammerwänden und/oder mit keramischen Elementen innerhalb der Schaltkammer führt zu einer Erhöhung der elektrischen Säulenfeldstärke. Sollten für ein Schaltgerät nur wenige Lastabschaltungen gefordert sein, können auch gasende Kunststoffe zum Einsatz kommen. Der abgegebene Wasserstoff kühlt den Lichtbogen durch Strömung zusätzlich.

Durch Einengung des Lichtbogens zwischen Isolierstoffplatten, die zusätzlich eine mäanderförmige Struktur aufweisen, steigt die elektrische Säulenfeldstärke ebenfalls an. Da der Säulendurchmesser proportional zur Höhe des Laststromes ist, taucht der Bogen mehr oder weniger in eine solche Struktur ein. Durch die Aufteilung des Gesamtlichtbogens in Teillichtbögen können die Anoden- beziehungsweise Kathodenfälle mehrfach genutzt werden. Die kurzen Bögen werden zusätzlich noch durch die thermisch gut leitfähigen metallischen Bleche gekühlt.

Um eine Kühlung mit speziellen Löschgasen zu ermöglichen, muss die Schaltkammer gasdicht gekapselt sein. In die Kammer wird während der Fertigung ein Gasgemisch aus Wasserstoff, Stickstoff oder Schwefelhexafluorid gefüllt. Diese Gase haben eine höhere Spannungsfestigkeit als Luft und verfügen über höhere Wärmekapazitäten, was zu einer bessere Kühlung führt. Meist sind solche Schaltgeräte nur für ohmsche Lasten einsetzbar.

Neue Lösung

Die Schütze der Serie C 310

  • Mit der Serie C310 bietet Schaltbau, ein Hersteller von elektromechanischen und elektronischen Produkten für die Verkehrstechnik und für industrielle Anwendungen, eine zuverlässige Alternative zu den bisher oft verwendeten gasgekapselten Geräten.
  • Auf Basis der Erfahrung und Kompetenz bei der Entwicklung elektromechanischer Schaltgeräte sowie Beherrschung von DC-Lichtbögen präsentiert Schaltbau hier eine neuartige Lösung. Die ersten Typen der neuen Serie sind für Dauerströme von 150 A, 300 A und 500 A ausgelegt.
  • Das modulare Konzept gestattet die Verwendung einer Löschkammer für 60, 1000 oder 1500 Volt am gleichen Grundgerät. Diese Kammern arbeiten auf permanentmagnetischer Basis und sorgen für kompakte Abmessungen und ein geringes Gewicht. Durch die Regelung des Spulenstromes arbeiten die Geräte unabhängig von der Umgebungstemperatur immer gleich zuverlässig. Außerdem ist der Energieverbrauch der monostabilen Ausführung im eingeschalteten Zustand gering. Die bistabile Variante hat konzeptbedingt in beiden Endlagen keine Leistungsaufnahme.
  • Die Schütze der Reihe C310 haben sowohl ein hohes Ein- und Ausschaltvermögen als auch einen hohen Kurzzeitbemessungsstrom.
  • Da beide Stromrichtungen sicher beherrscht werden, sind die Schütze für alle Anwendungen mit Energierückspeisung ideal. Typisches Beispiel hierfür sind Energiespeicher, in denen Batterien geladen und wieder entladen werden. Andere Anwendungsbereiche für die Reihe C310 sind rückspeisefähige Systeme, batteriebetriebene Fahrzeuge, DC-Ladesäulen sowie Photovoltaik-Anlagen.

Schaltgeräteauswahl

In der Vergangenheit waren zum Beispiel in Photovoltaikanlagen ausschließlich handbetätigte Gleichstromschaltgeräte zulässig, was heute noch immer für bestimmte Stellen gilt. Dort geht es in der Regel um die galvanische Trennung, wenn an der Anlage gearbeitet werden soll. Zunehmend kommen aber auch Schütze zum Einsatz, die zahlreiche Vorteile bieten. Da sie fernbedienbar sind, können automatisierte Schalt-vorgänge stattfinden, die etwa die Verschaltung der Strings ändert, um so die Anlageneffizienz zu steigern. Außerdem können bei einer zu geringen Leistung die Strings von den Wechselrichtern getrennt werden. An Schaltgeräte in Gleichstromkreisen werden je nach Anwendung und individuellen Aufbau der Anlage speziell im Fehlerfall unterschiedlichste Anforderungen gestellt. Bei der Konzeptionierung der Systeme muss der Planer die Fehlerfälle im Hinblick auf Gefährdung der Anlage und Personen beachten. aru