Quelltext der Seite Schaltlichtbogen

Ein '''Schaltlichtbogen''' ist ein serieller [[Lichtbogen]] (umgangssprachlich [[Funke (Entladung)|Funke]]), der beim Trennen zweier stromdurchflossener [[elektrischer Kontakt]]e entsteht. Bei kleinen Strömen treten nur so genannte '''Abreißfunken''' oder '''Schaltfunken''' auf, die von selbst verlöschen. Bei größeren Strömen wird die Entstehung des Lichtbogens durch spezielle Bauteile verhindert bzw. ein schnelles Zusammenbrechen (z.&nbsp;B. durch eine [[Deionkammer|Lichtbogenlöschkammer]]) des Funkens erreicht, um eine Beschädigung der Kontakte durch die hohen Temperaturen zu verhindern. Diese Maßnahmen sind als [[Funkenlöschung]] bekannt.

== Ursachen ==
[[Datei:Verlauf Schaltlichtbogen.svg|mini|Bildung des Schaltlichtbogens bei Kontakttrennung]]
Schaltfunken und Schaltlichtbögen entstehen, weil der elektrische Strom nach Öffnen der Kontakte in Form einer [[Funke (Entladung)|Funkenentladung]] oder einer [[Lichtbogen|Bogenentladung]] weiterfließt wie in nebenstehender Skizze dargestellt. Bei geschlossenen Kontakten, unter a. dargestellt, liegt eine in etwa homogene Stromverteilung vor, dargestellt durch rote Stromfäden. Bei Kontakttrennung kommt es zunächst zu einer Konzentration der [[Elektrische Stromdichte|Stromdichte]] am letzten Kontaktpunkt, unter b. dargestellt. Bei weiterer Öffnung bildet sich dann an jenem Punkt bzw. Punkten der Lichtbogen zwischen den Kontakten aus, wie unter c. dargestellt.

Ursache ist die geringe [[Durchschlagsfestigkeit]] des Isolationsmaterials wie Luft zwischen den noch nicht weit geöffneten Kontakten, wodurch diese Isolationsmaterialien [[Ionisation|ionisiert]] werden. Eine solche Entladung wird zusätzlich gefördert, wenn sich im Moment des Abhebens der Kontakte voneinander durch den Stromfluss über einem geringen Querschnitt und hohe Stromdichten an den Abrisspunkten heiße Stellen bilden, die [[Edison-Richardson-Effekt|Glühemission]] und die Nachlieferung von Metallionen bewirken. Durch [[Stoßionisation]] wie bei einer [[Gasentladung]] sinkt nun die Brennspannung und erschwert die Unterbrechung.

Besonders problematisch ist das Abschalten [[Induktivität|induktiver]] Lasten ([[Elektromotor|Motoren]], [[Schütz (Schalter)|Schützspulen]], [[Elektromagnet]]e, [[Transformator]]en). Hier bewirkt die im magnetischen Feld der [[Induktivität]] gespeicherte Energie einen Weiterfluss des Stromes – die Spannung über den Kontakten steigt beim Öffnen dann augenblicklich auf sehr hohe Werte an. Daher kann hier auch dann ein Schaltlichtbogen auftreten, wenn die Betriebsspannung weit unterhalb der Brenn- bzw. Zündspannung des Bogens liegt.

Bei Wechselstrom und einer ohmschen Last (Spannung & Strom phasengleich) wird der Stromfluss im Nulldurchgang gestoppt, bis die Spannung wieder groß genug ist um den Lichtbogen wieder zu zünden. Bei einer induktiven Last (Strom eilt der Spannung hinterher) erlischt der Lichtbogen ebenfalls, wenn der Strom seinen Nulldurchgang hat. Durch die voreilende Spannung ist aber die Wiederzündspannung schneller erreicht, so dass die Unterbrechung deutlich kürzer ist als zuvor beschrieben. Durch die verkürzte Auszeit ist eine Wieder-Ionisierung der Strecke außerdem noch leichter möglich. Somit erlischt der Schaltlichtbogen schwerer als bei einer rein ohmschen Last.<ref name="DisMueller" /><br />
Bei einer kapazitiven Last (Strom eilt vor) ist es genau umgekehrt. Beim Nulldurchgang des Stromes sinkt die Spannung noch weiter Richtung 0 und braucht somit deutlich länger um wieder eine entsprechende Zündspannungshöhe zu erreichen. In dieser Zeit hat sich die Funkenstrecke aber meist de-ionisiert, und sich dadurch der Widerstand erhöht, was ein erneutes Zünden auch nochmal deutlich erschwert.

Die Kontakte von [[Schütz (Schalter)|Schaltschützen]] sind aus diesem Grund bei stark induktiven Lasten (als ''AC-3'' bezeichnete Lastart) für geringere Schaltströme als bei Widerstandslast (Lastart ''AC-1'') spezifiziert, diese Belastung wird in der [[Gebrauchskategorie]] festgelegt. Bei sehr viel höheren Frequenzen verhalten sich Schaltlichtbögen ähnlich problematisch wie bei Gleichspannung, sie sind bei [[Hochfrequenz]] sogar noch schwerer zu löschen, da hier auch [[Verschiebungsstrom|Verschiebungsströme]] zur Ionisierung beitragen.

{{Siehe auch|Funkenlöschung#Löschung von Schaltlichtbögen}}

Bei Gleichspannung ''fehlt'' der Nulldurchgang, so dass diese Möglichkeit dieser (eigenständigen) Löschung entfällt. Hier muss die Trennstrecke ausreichend groß sein, und dieser Abstand auch dementsprechend schnell erreicht werden, damit der Lichtbogen sicher und schnell abreißt.

== Folgen ==
Schaltfunken und Schaltlichtbögen führen zu Störemissionen und zu Kontaktverschleiß. Wird der Lichtbogen nicht schnell genug unterbunden oder gelöscht, führt dies insbesondere bei hohen Strömen und Spannungen zur Zerstörung der Schaltkontakte durch Kontaktabbrand. Dies kann im schlimmsten Fall dazu führen, dass Kontakte zusammengeschweißt werden und nicht mehr getrennt werden können.<ref>Europalehrmittel ''Fachkunde Elektrotechnik.'' Kapitel 28.3 ''Kontaktwerkstoffe.'' Ausgabe 22, S.&nbsp;522.</ref> Durch die extrem hohen Temperaturen von einigen tausend °C besteht – abhängig von der unmittelbaren Umgebung – die Gefahr, andere Gegenstände zu entzünden und einen Brand auszulösen.

Auch selbst verlöschende Schaltfunken führen auf Dauer zu Kontaktverschleiß und vorzeitigem Ausfall von [[Relais]] und [[Schalter (Elektrotechnik)|Schaltern]]. Bei der Angabe der maximalen Anzahl der Schaltzyklen von Relais und Schaltschützen wird daher zwischen mechanischer Zyklenzahl und Zyklenzahl unter elektrischer Nennlast unterschieden. Beide Schaltzyklenzahlen weichen oft um den Faktor 10 voneinander ab.

== Literatur ==
* {{Literatur
   |Autor=Walter Castor
   |Hrsg=HAAG Elektronische Messgeräte GmbH
   |Titel=Grundlagen der elektrischen Energieversorgung
   |Datum=2007
   |Kapitel=4: ''Schaltgeräte''
   |Online=https://web.archive.org/web/20110920062938/http://haag-messgeraete.de/cms/upload/pdf/seminarunterlagen/castor_grundlagen/Band_04_Schaltgeraete.pdf
   |Format=PDF
   |KBytes=4000}}

== Einzelnachweise ==
<references>
<ref name="DisMueller">
{{Internetquelle
 |url=https://www.ieh.uni-stuttgart.de/dokumente/dissertationen/Dissertation_Peter_Mueller.pdf
 |titel=Detektion von stromschwachen Störlichtbögen in Niederspannungsschaltanlagen
 |titelerg=Verbraucher im Netz und ihr Einfluss auf den Lichtbogen
 |hrsg=Peter Müller
 |datum=2015-02
 |seiten=74ff
 |abruf=2019-01-28
 |format=PDF; 4,8&nbsp;MB}}
</ref>
</references>

[[Kategorie:Schalten]]
[[Kategorie:Elektrische Energietechnik]]