A Schaltbau Company

Schütze Special – Technische Grundlagen

Schütze sind ferngesteuerte elektrische Schalter, mit denen hohe Ströme und Spannungen geschaltet werden können. Ein Steuerstrom aktiviert den Magnetantrieb, der die Kontakte des Laststromkreises schließt und wieder öffnet.

Aufgrund der hohen Lasten müssen Schütze über ein gutes Einschalt- und Abschaltvermögen verfügen, einen hohen thermischen Dauerstrom führen und sowohl den offenen Lastkreis als auch einen Kurzschluss sicher trennen können.

Eine besondere Herausforderung stellt der Moment des Abschaltens dar. Die Luft zwischen den sich öffnenden Kontakten wird ionisiert, ein Lichtbogen entsteht, in dem der Strom weiter fließt. Da die Luft zwischen den Kontakten einen großen elektrischen Widerstand aufweist, entstehen Temperaturen von bis zu 10.000 °C. Bevor die Kontaktbeläge oder sogar das komplette Gerät zerstört werden, muss der Lichtbögen aus dem Kontaktbereich getrieben und in Löschkammern gestreckt und gekühlt werden, bis er seine Energie verliert und erlischt.

Um den Lichtbogen innerhalb von wenigen Millisekunden zu löschen, haben wir in unseren Schützen ausgefeilte Lösungen realisiert: insbesondere für die speziellen Anforderungen der Bahntechnik. Mit diesen Erfahrungen entwickeln wir zuverlässige Schütze für Energieanlagen, Rechenzentren und Elektrofahrzeuge.

Technische Merkmale von Schaltbau Schützen

  • Hohe Qualität und Performance
  • Weiter Spannungstoleranzbereich (von +25 bis -30 %)
  • Gute Rückspannungsunterdrückung, standardmäßig mit Varistoren
  • Ausgelegt für raue Umgebungsbedingungen
  • Hohe Schock- und Vibrationsfestigkeit
  • Optionale Hilfsschalter verfügbar

Permanent-magnetische und elektromagnetische Blasfelder

Das Ablenken des Lichtbogens erfolgt mit Magnetfeldern, auch magnetische Blasfelder genannt: Auf einen stromdurchflossenen Leiter, denn nichts anderes stellt ein Lichtbogen dar, wird in einem Magnetfeld eine Kraft ausgeübt, die Lorentzkraft. Dabei stehen die Richtung des Stroms, die Richtung des Magnetfeldes und die Richtung der entstehenden Kraft jeweils senkrecht aufeinander (Rechte-Hand-Regel.) Für das Beeinflussen des Lichtbogens werden für Gleich- und Wechselspannung unterschiedliche Blaskonzepte angewendet:

Bei DC-Geräten, die nur in einer Stromrichtung arbeiten, kann man permanent-magnetische Felder einsetzen. Die Permanentmagneten werden durch Polplatten verstärkt, damit das Magnetfeld im kompletten Kontakt- und Löschbereich wirkt.

Vorteile der permanent-magnetischen Blasung:

  • Die Feldstärke ist unabhängig vom Stromfluss.
  • In dem Moment, in dem die Lichtbögen gezündet werden, ist das Magnetfeld bereits vorhanden und kann in voller Stärke wirken.
  • Durch entsprechende Wahl der Magneten kann das Feld stark gestaltet werden. Die Auslegung des Magneten erfolgt auf den kritischen Strom­bereich (in der Regel ein kleiner Strom bei einer großen Spannung).
  • Die Komponenten sind relativ günstig.

Der entscheidende Nachteil besteht darin, dass das Gerät nur im uni­di­rekti­onalen DC-Betrieb funktioniert. Bei Falschpolung schlägt der Lichtbogen in die falsche Richtung und zerstört das Gerät.

Das Löschen von Lichtbögen beim Trennen von AC-Lasten wird durch den Nulldurchgang nach jeder Halbwelle erleichtert. Aufgrund des ständigen Wechsels der Stromrichtung kann aber nicht mit einem permanent-magnetischen Feld gearbeitet werden, da der Lichtbogen in der Kontaktzone ständig hin und her getrieben werden würde.

Um bidirektionalen DC bzw. AC zu beherrschen, wird ein Magnetfeld benötigt, das sich mit der Stromflussrichtung ändert. Das erreicht man über eine elektromagnetische Blasspule, die sich in Reihe mit dem Lichtbogen befindet. Damit wirkt die Lorentzkraft immer in die richtige Richtung – in Richtung der Löschkammer.

Nachteile der elektromagnetischen Blasung:

  • Kritischer Strombereich. Je kleiner der Strom, desto kleiner auch der Lichtbogenstrom und desto kleiner auch die Kraftwirkung auf den Lichtbogenstrom.
  • Der Laststrom kann nicht ständig über die Spule fließen. Man braucht eine Lösung, die die Spule nur im Abschaltmoment aktiviert, genau dann wenn ein Lichtbogen gelöscht werden muss.

Das neue CT-Konzept

Die Anforderungen an Schütze für die Bahntechnik sind sehr speziell und unterscheiden sich grundlegend von denen anderer Industriezweige. Beispielsweise stellt die Bahn in Europa unterschiedliche Versorgungs­span­nungen zur Verfügung: In Italien und Belgien wird mit Gleichspannung gearbeitet, in Deutschland mit Wechsel­spannung von 16 2/3 Herz, in Osteuropa mit 50 Hz AC.

In vielen Gleichstromanwendungen muss DC bidirektional geschaltet werden (beispielsweise bei der Energierückgewinnung), bei AC-Anwen­dun­gen gibt es ohnehin wechselnde Polaritäten.

Da eine rein permanent-magnetische Blasung für diese Anforderungen nicht funktioniert und die rein elektromagnetischen Blaskonzepte mit zu vielen Nachteilen behaftet sind, haben die Entwickler von Schaltbau ein Verfahren entwickelt, das die Vorteile der permanent-magnetischen Blasung mit denen der elektromagnetischen Blasung in einem Gerät kombiniert.

Im Moment des Zündens wirkt das bereits vorhandene perma­nent-­mag­ne­tische Feld, das den Lichtbogen in den Licht­bogen­leit­schacht drängt. Dort aktiviert der Lichtbogen selber ein starkes elektro­mag­ne­tisches Feld, das ihn schließlich in die Löschkammer treibt. Mit dieser einfachen und robusten Vor­richtung können wir mit dem gleichen Gerät sowohl uni- und bidi­rek­tio­na­len Gleichstrom als auch Wechselstrom schalten.

Glossar