Wenn die stromführenden Kontakte eines Schalters trennen, entsteht ein Bogen, der kurz nach dem Kontaktieren weiter besteht. Dieser Bogen ist aufgrund der erzeugten Wärmeenergie gefährlich, da sie explosive Kräfte hervorrufen kann.
Ein Schalter muss den Bogen löschen, ohne Ausrüstung zu beschädigen oder Personen in Gefahr zu bringen. Der Bogen beeinflusst erheblich die Leistung des Schalters. Das Unterbrechen eines Gleichstrombogens (DC) ist grundsätzlich schwieriger als das Unterbrechen eines Wechselstrombogens (AC). Im Falle eines Wechselstrombogens erreicht der Strom während jedes Wellenformzyklus natürlicherweise Null, wodurch der Bogen für einen Moment verschwindet. Diese Nullüberquerung bietet eine Möglichkeit, um eine Wiederentzündung des Bogens zu verhindern, indem man den kurzen Intervall ohne Strom nutzt, um die Lücke zu deionisieren und eine Wiederentzündung zu verhindern.
Die Leitfähigkeit eines Bogens ist proportional zur Elektronendichte (Ionen pro Kubikzentimeter), dem Quadrat des Bogeneinkreises und dem Kehrwert der Bogenlänge. Für die Bogenlöschung ist es entscheidend, die Dichte freier Elektronen (Ionisation) zu reduzieren, den Bogeneinkreis zu verkleinern und die Bogenlänge zu vergrößern.
Methoden der Bogenlöschung
Es gibt zwei Hauptmethoden zur Bogenlöschung in Schaltern:
Hochwiderstandsverfahren
Prinzip: Der effektive Widerstand des Bogens wird über die Zeit erhöht, sodass der Strom auf ein Niveau sinkt, bei dem die Wärmeerzeugung den Bogen nicht mehr aufrechterhalten kann, was zur Auslöschung führt.
Energieabgabe: Aufgrund der widerständigen Natur des Bogens wird die meisten Systemenergie innerhalb des Schalters abgegeben, was ein signifikanter Nachteil ist.
Techniken zur Erhöhung des Bogenwiderstands:
Kühlung: Reduziert die Ionmobilität und die Elektronendichte.
Bogenverlängerung: Die Trennung der Kontakte erhöht den Pfad, was den Widerstand ansteigen lässt.
Querschnittsreduzierung: Ein Verkleinerung des Bogeneinkreises verringert die Leitfähigkeit.
Bogenteilung: Das Aufteilen des Bogens in kleinere Segmente (z.B. durch Metallgitter oder Rinnen) erhöht den Gesamtwiderstand.
Niedrigwiderstandsverfahren (Unterbrechung bei Nullstrom)
Anwendbarkeit: Exklusiv für Wechselstromkreise, die die natürlichen Nullstellen des Stroms nutzen (100 Mal pro Sekunde bei 50 Hz-Systemen).
Mechanismus:
Der Bogenwiderstand wird auf niedrigem Niveau gehalten, bis der Strom Null erreicht.
Bei der Nullüberquerung löst sich der Bogen natürlich auf. Die dielektrische Festigkeit zwischen den Kontakten wird schnell wiederhergestellt, um eine Wiederentzündung zu verhindern, indem man den kurzen Intervall ohne Strom nutzt, um die Lücke zu deionisieren.
Vorteil: Minimiert die Energieabgabe innerhalb des Schalters, indem die natürlichen Nullpunkte des Wechselstroms genutzt werden, was es sehr effizient für die Bogenunterbrechung macht.
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