Funkenlöschung

Beim Schalten niedriger Leistungen verlischt der Schaltlichtbogen von selbst. Lichtbögen bleiben erst bei einem Strom von mindestens einem Ampere und einer Spannung höher 14 Volt stabil.[6] Wechselspannung löschen bei geringen Leistungen beim nächsten Nulldurchgang von selbst. Dieses Prinzip wird für Netzschalter an Geräten, Lichtschalter und Nockenschalter an Elektroherden und Maschinen verwendet.

Bei induktiven Lasten muss dafür gesorgt werden, dass die in der Last gespeicherte Energie den Abschaltvorgang nicht behindert, indem sie den Strom durch den Lichtbogen treibt. Dies lässt sich bewerkstelligen durch einen Ausweichpfad für den Strom in der Last, der nicht über die Schaltkontakte führt. Bei Gleichspannung übernimmt diese Funktion die Freilaufdiode, bei Wechselspannung das RC-Löschglied. Siehe auch Schutzbeschaltung.

Kleinere stabile Lichtbögen können gelöscht werden, indem die Schaltkontakte durch eine starke Feder möglichst schnell voneinander entfernt werden.[7] Diese Kontaktform wird auch als Sprungkontakt bezeichnet. Durch das schnelle Auseinanderziehen der Schaltkontakte kann bei Wechselspannung verhindert werden, dass der Lichtbogen nach dem Nulldurchgang erneut zündet – ein Effekt, der typischerweise dann auftritt, wenn die Kontakte beim Nulldurchgang noch nicht genügend weit voneinander entfernt sind.

Geöffneter Leitungsschutzschalter. Die Spule (7) treibt den Schlaganker zum Öffnen der Lastkontakte (3) an.

Der bewegliche Teil des Schaltkontakts kann zusätzlich beschleunigt werden durch ein Schlaganker, der durch einen Elektromagneten bewegt wird.[8] Dieser Mechanismus wird bei Leitungsschutzschaltern angewandt. Der Elektromagnet wird dabei vom zu schaltenden Strom durchflossen. Steigt bei einem Kurzschluss auf der Lastseite der Strom schnell an, übt die Spule eine genügend große Kraft auf den Anker aus, um den Leistungskontakt aufzudrücken.

Hörnerschalter, ca. 1902, dargestellt in geschlossener Stellung

Auf Lichtbogenlaufschienen ähnlicher einer Jakobsleiter steigt der Lichtbogen durch thermische und magnetische Effekte in die Höhe. Weil die Schienen auseinanderlaufen, verlängert sich der Lichtbogen, bis er löscht.[7] Das Prinzip wird bei Hörnerschaltern angewandt, wie sie oft bei selten benutzten Lasttrennern im Landesnetz, aber auch im Oberleitungsnetz von Eisen- und Straßenbahnen anzutreffen ist.

Parallelgeschaltete, jedoch später als die Hauptkontakte öffnende Funkenkontakte können den Stromfluss beim Abschalten übernehmen. Sie sind oft mit besonderen Kontaktflächen ausgebildet, die als Fusspunkt des Lichtbogens dienen. Bei Gleichstromschaltern sind die Blasspulen in Serie zu den Funkenkontakten geschaltet, so dass sie den Lichtbogen nach dem Öffnen der Hauptkontakte in die Funkenkammer treibt.

Die Funkenlöschkammer kann mehrere Funktionen übernehmen. Sie verlängert den Lichtbogen durch eingebaute Isolierstoffstege,[9] kühlt den Lichtbogen durch großflächigen Kontakt mit Isolierstoffen[10] oder teilt den Lichtbogen in mehrere kleinere Teillichtbogen auf, die aufgrund der geringen Spannung selbst verlöschen.[11] Bei Hartgas-Lasttrennschaltern ist die Funkenkammer aus Materialien gefertigt, die bei Erhitzung Gase freisetzen und so den Lichtbogen kühlen. Dabei werden Materialien wie Polyoxymethylene (POM) verwendet.[12] Funkenkammern werden bei großen Schützen oder Leitungsschutzschaltern im Niederspannungsbereich angewendet, finden aber auch bei großen Gleichstrom-Schnellschaltern Anwendung, wie sie in Schienenfahrzeugen eingesetzt werden.

Bei der magnetischen Blasung wird senkrecht zum Strom durch die Leistungskontakte ein Magnetfeld aufgebaut, das beim Abschalten den Lichtbogen auf die Lichtbogenlaufschienen oder die Funkenlöschkammer treibt. Das Magnetfeld wird durch einen Blasmagneten erzeugt, der entweder ein Permanentmagneten oder ein Elektromagnet, eine sogenannte Blasspule, sein kann. Blasspulen werden oft erst während des Ausschaltvorgangs über Funkenkontakte zugeschaltet. Sie funktionieren unabhägnig von der Stromrichtung und können somit auch für Wechselstromlichtbögen oder für Gleichstromlichtbögen mit wechselnder Flussrichtung eingesetzt werden, wie sie zum Beispiel bei Schienenfahrzeugen mit Nutzbremse auftreten. Blasspulen zeigen erst ihre Wirkung, wenn der durch die Spulen fließende Strom genügen groß ist, weshalb große Gleichstromschalter ungeeignet sind, um kleine Ströme abzuschalten weil diese nicht genügen schnell in die Funkenkammer getrieben werden. Blasmagnete kommen auch in kleineren Relais zum Einsatz.

Druckluftschalter auf dem Dach einer tschechischen Lokomotive

Bei der Druckluftblasung wird beim Öffnen der Kontakte der Lichtbogen durch Druckluft von der Unterbrechungsstelle fortgeblasen und gekühlt, so dass er verlöscht. Besondere Vorkehrungen müssen getroffen werden, dass es nicht zu Rückzündungen kommt wenn der Luftstrom abbricht. Weiter muss darauf geachtet werden, dass der Lichtbogen durch die Blasung nicht an elektrisch leitende Teile der Anlage gelangt und dadurch unerwünschte Erdschlüsse erzeugt.[13] Nachteilig ist die knallartige Lärmbelastung in der Umgebung des Schalters.

Lasttrenn- und Leistungsschalter für hohe Spannungen werden mit Druckluftblasung ausgeführt. Die Technik wurde 1897 von AEG erstmals angewandt[14] und wurde aber den 1930er-Jahren durch verschiedene Hersteller industrialisiert, so dass sie die Ölschalter in vielen Bereichen ablöste.[15] Bis in die 1990er-Jahre waren Druckluftschalter auch Stand der Technik im Bahnbereich, wo sie als Hauptschalter von Wechselstrom-Lokomotiven angeordnet waren.

Funkenlöschung durch einen Gasstrom beim Öffnungsvorgang in einem Selbstblasschalter.

Löschung des Schaltlichtbogens in einem SF₆-Selbstblasschalter

Im Hochspannungsbereich kommen auch gekapselte Schaltanlagen zur Anwendung: Durch die Kapselung der Kontakte werden ionisierbare Gase, wie zum Beispiel Luft im Bereich der Kontakte vermieden. Die Kontakte können in Vakuum oder in Schwefelhexafluorid (SF₆) angeordnet sein. Sie haben die meisten Ölschalter abgelöst.

Vakuumschalter

Vakuum-Leistungstrennschalter werden vor allem in Mittelspannungsnetzen bei Spannungen von 5 kV bis 30 kV bei häufigem Schalteinsatz eingesetzt und sind praktisch wartungsfrei. Im Bahnbereich sind es die ab den 1990er-Jahren üblicherweise eingesetzten Schalter für Wechselstromfahrzeuge.

Gasisolierte Schaltanlagen

In gasisolierten Schaltanlagen (GIS-Anlagen) wird Schwefelhexafluorid (SF₆) verwendet. Wegen seiner sehr reaktionsträgen Eigenschaften und einer gegenüber Luft fast dreimal so hohen Durchschlagsfestigkeit kann SF₆ Schaltlichtbögen wirksam löschen. Der Einsatz von SF₆, in Kombination mit hohem Druck, um die Ionisation zu reduzieren, erfolgt in komplett gekapselten Schaltanlagen wie in Selbstblasschaltern, welche für Spannungen von 6 kV bis zu 1 MV ausgelegt sind. SF₆ ist allerdings auch das stärkste bekannte Treibhausgas, sein Treibhauspotenzial ist etwa 22.800-mal so groß wie das von Kohlenstoffdioxid (CO₂). Die bei Produktion und Wartung entweichenden Mengen sind vergleichsweise gering, erscheinen aber durch extrem hohe Halbwertszeiten beim natürlichen Abbau und bei wahrscheinlich zunehmenden weltweiten Einsatz für den Treibhauseffekt langfristig negativ relevant.

Ölschalter

Die Löschung des Schaltlichtbogens in Ölschaltern beruht auf dem Effekt, dass ein Teil des Öls im Bereich des Lichtbogen chemisch zersetzt wird. Die Schaltkammer und die Schaltkontakte befinden sich vollständig unter Öl in einem luftdichten Gehäuse. Durch den Lichtbogen wird im Öl Wasserstoffgas bei hohem Gasdruck und mit sehr hoher Wärmeleitfähigkeit gebildet, welches dem Lichtbogen Wärme entzieht und so, neben den elektrisch isolierenden Eigenschaften des Öls, zur Löschung führt. Das Öl muss als Verbrauchsmittel laufend erneuert werden und die bei den Schaltvorgängen entstehenden Zersetzungsprodukte und Verunreinigungen im Öl beseitigt werden. Ölschalter werden durch die seit Mitte der 1970er-Jahre bekannten wartungsfreundlicheren und elektrisch leistungsfähigeren Vakuum- und SF₆-Schalter ersetzt.