Leistungsschalter Teil 1

Seine Disziplin ist das Abschalten. Aber nicht um jeden Preis. Denn er muss, anders als eine Sicherung, auch danach noch funktionieren. Die Rede ist vom Leistungsschalter, einem der wichtigsten Schalt- und Schutzgeräte in der elektrischen Energieverteilung. Damit die Vorteile dieses komplexen und vielseitigen Schutzgerätes auch voll ausgespielt werden können, ist die Kenntnis über die Eigenheiten und Varianten, die verfügbar sind, erforderlich.

In medias res

Der vorliegende Text wurde ursprünglich bereits im 2018 in der ET veröffentlicht. Der Text wurde leicht angepasst, aktualisiert und erweitert. In diesem Teil wird der Leistungsschalter, nach IEC 60947-2 normiert, in seiner originären Form und seine Ableitungen erklärt. Hierzu gehören auch die Leitungsschutzschalter. Je nach Anwendung dieser Miniature Circuit Breaker (MCB) sind zwei Normen relevant: Die IEC 60947-2 für Industrieanwendung und die IEC 60898 für die Anwendung in Gebäuden. In einem zweiten Teil gehen wir auf den Stand der Technik und was die Zukunft bringt ein.

Einordnung

Der Leistungsschalter gehört zu den Schutz- und Schaltgeräten für Starkstromanlagen. In diesem Aufsatz werden nur die Leistungsschalter für Niederspannungsanlagen in Industrie und Gebäudetechnik behandelt.

Der Leistungsschalter ist eine mechanische Schaltvorrichtung, die Ströme unter bestimmungsgemässen Betriebsbedingungen im Stromkreis einschalten, führen und ausschalten und auch unter festgelegten aussergewöhnlichen Bedingungen wie zum Beispiel Kurzschluss einschalten, während einer festgelegten Dauer führen und ausschalten kann.1

Im engeren Sinne werden in der Industrie- und Gebäudetechnik hinsichtlich Bauform offene Leistungsschalter, auch Luftleistungsschalter (ACB) genannt und Kompaktleistungsschalter (MCCB) unterschieden. Im weiteren Sinne gehören auch die Leitungsschutzschalter (MCB) zu den Leistungsschaltern.2

Offene Leistungsschalter sind auf ein Chassis offen aufgebaut und sind meistens mit Kunststoff verkleidet. Die Funkenlöschkammern sind nach oben gerichtet und offen. Daher erfordern solche Schalter oben einen vom Hersteller spezifizierten freien Raum, in den der Überdruck und die heisse Luft entweichen können, ohne weiteren Schaden anzurichten.

Die Kompaktleistungsschalter, treffender mit dem englischen Begriff Moulded-Case Circuit-Breaker beschrieben, ist ein Schalter in einem Spritzgussgehäuse aus Kunststoff, welches auch gleich den tragenden Teil des Leistungsschalters darstellt. Daher muss das Gehäuse alle entstehenden Kräfte aufnehmen können. Kompaktleistungsschalter sind geschlossen. Der Überdruck wird vom Gehäuse aufgenommen. Die drei bzw. vier Lichtbogenlöschkammern sind voneinander getrennt. Auch die Leitungsschutzschalter, sogenannte Miniature Circuit Breaker (MCB), zählen zu den Leistungsschaltern. Für Industriezwecke sind sie nach EN 60947 normiert und für Hausinstallationen und Ähnliches nach EN 60898.

Kategorien und Einteilung der Leistungsschalter nach Bauart, Funktion und Konstruktionsausführungen
Abb. 1: Übersicht Leistungsschalter

Hinsichtlich der Durchlassenergiebegrenzung werden zwischen Strombegrenzenden und nicht Strombegrenzenden (früher auch Nullpunktlöscher genannt) unterschieden. Die Strombegrenzung wir erreicht durch frühe Öffnung der Hauptkontakte. Dadurch wird ein Kurzschluss unterbrochen, bevor er den Spitzenwert erreicht. Bei den offenen Leistungsschaltern sind nicht strombegrenzende, also selektive Leistungsschalter und strombegrenzende Typen erhältlich. Die Kompaktleistungsschalter sind praktisch alle als strombegrenzend konstruiert. Für den zeitselektiven Einsatz wird ein Derating und eine Kurzzeitstromfestigkeit (Icw) angegeben. Zum Zeitpunkt tr werden die Kontakte abgehoben und in der Folge zum Zeitpunkt ta der Lichtbogen gezündet. Die Lichtbogenspannung steigt dadurch sofort sehr steil an. Zum Zeitpunkt t^ wird die Lichtbogenspannung grösser als der Momentanwert der Netzspannung. Zu diesem Zeitpunkt ist die Spitze des durch den Leistungsschalter fliessenden Strom erreicht. In der Zeit zwischen t^und tvc erreicht die Lichtbogenspannung den höchsten Wert. Der Lichtbogen wird von den Kontakten weg in die Löschkammern gedrängt. Die Löschkammern, auch Deionkammern 3 genannt, bestehen aus vielen einzelnen voneinander isolierten Blechen, die den Lichtbogen in Teillichtbogen aufteilt. Damit wird der Lichtbogen ausgehungert und schliesslich gelöscht. Durch die hohe thermische Leitfähigkeit der Löschkammern wird die Wärme abgeleitet und der Lichtbogen gekühlt. (Weitere Details zum Thema Lichtbogen und Strombegrenzung siehe unten)


Diagram über Strombegrenzung während der Kurzschlussabschaltung
Abb. 2: Strombegrenzung beim Abschaltvorgang
links Energiebegrenzung, rechts Strombegrenzung vs prospektiver Kurzschlussstrom (RMS)
Abb. 3: Energiebegrenzung links und Strombegrenzung rechts vs. prospektiver Kurzschlussstrom (RMS)

Schalterstellungen Ein/Ausgelöst/Aus

Die folgende Darstellung zeigt den Schalter eingeschaltet (Schieber nach rechts bewegen) und ausgelöst (Schieber nach links bewegen). Beachten Sie, dass der Bedienungsgriff in eine Zwischenstellung fällt.

Leistungsschalter eingeschaltet. Die Kontaktmesser sind ganz unten kaum sichtbarLeistungschalter ausgelöst. Die Kontaktmesser sind jetzt ganz oben und der Griff in der Mittelstellung

In der folgenden Darstellung ist der Schalter ausgelöst (Schieber nach rechts bewegen) und ausgeschaltet (Schieber nach links bewegen). Beachten Sie, dass der Bedienungsgriff manuell nach unten gedrückt werden muss, um betriebsmässig in der AUS-Stellung zu sein. Erst jetzt ist der Schalter wieder einschaltbar.

Leistungschalter ausgelöst. Die Kontaktmesser sind jetzt ganz oben und der Griff in der Mittelstellung

In dieser Darstellung ist der Schalter nun ausgeschaltet (Schieber nach rechts schieben) und eingeschaltet (Schieber nach links schieben)

Leistungsschalter eingeschaltet. Die Kontaktmesser sind ganz unten kaum sichtbar

Kennzeichnende Merkmale

Die kennzeichnenden Merkmale eines Leistungsschalters sind die grundlegenden technischen Daten:

  • Art des Leistungsschalters
  • Bemessungs- und Grenzwerte der Hauptkontakte
  • Gebrauchskategorien
  • Steuerstromkreise
  • Hilfsstromkreise
  • Schutz-Auslöser
  • Integrierte Sicherungen4[1]

Im Folgenden werden die wichtigsten Eigenschaften kurz erläutert:

Die Art des Leistungsschalters charakterisiert den Schalter hinsichtlich Anzahl der Pole und der Stromart (AC/DC).

Hauptkontakte

Die Bemessungsbetriebsspannung (Ue) ist die Spannung, für die der Leistungsschalter unter normalen fehlerfreien Bedingungen eingesetzt wird. In Europa wird hier normalerweise die verkettete Spannung angegeben.

Der Bemessungsstrom (In)5[2] ist der höchste Strom, mit dem der Schalter mit oder ohne6[3] Schutzrelais unter herstellerspezifischen Umgebungstemperaturen betrieben werden kann. Ist die Umgebungstemperatur höher als 40 °C, muss der Schutzauslöser tiefer eingestellt werden. Ein Derating kann auch bei steckbaren Ausführungen erforderlich sein. Die entsprechenden Angaben sind in den Katalogen der Hersteller zu finden. Da moderne Leistungsschalter modular konstruiert sind, wird der Bemessungsstrom jeweils für eine Baugrösse angegeben. Jeder Schalter einer Baugrösse kann mit unterschiedlichen Auslösersystemen bestückt werden, teilweise sogar nachträglich umrüstbar. So kann zum Beispiel ein Leistungsschalter mit Bemessungsstrom der Baugrösse 630 A höchstens mit einem Auslösernennstrom 630 A ausgerüstet werden. Es kann aber auch ein kleineres Auslösersystem von zum Beispiel 250 A eingesetzt werden. Das ist dann oft erforderlich, wenn ein Schutzauslösertyp verwendet werden soll, der in einer kleineren Baugrösse nicht verfügbar ist. Oder wenn andere Kriterien7 für den Einsatz einer grösseren Baugrösse als für die Überlastabsicherung erforderlich wäre. Siehe Abbildung 4.

Zusammenhang zwischen Schalternennstrom, Auslösernennstrom und Einstellbereich des Überlastauslösers.
Abb. 4: Wertebereich Schalter und Auslösesystem

Das Schaltvermögen unter Kurzschlussbedingungen wird durch die vier folgenden Grössen massgeblich bestimmt (siehe Abbildung 5): Das Bemessungs-Kurzschlusseinschaltvermögen (Icm) wird als Scheitelwert und bezogen auf die Betriebsspannung und -frequenz angegeben. Das Bemessungs-Grenzkurzschlussausschaltvermögen (Icu) wird bezogen auf die Betriebsspannung angegeben und stellt den höchstmöglichen Effektivwert der Wechselstromkomponente8 des unbeeinflussten Ausschaltstromstroms dar. Das Bemessungs-Betriebskurzschlussausschaltvermögen (Ics) wird in % des Icu angegeben ausser, wenn der Ics gleich der Kurzzeitstromfestigkeit (Icw, siehe unten) ist. Der Unterschied zwischen dem Bemessungs-Betriebskurzschlussausschaltvermögen (Ics) und dem Bemessungs-Grenzkurzschlussausschaltvermögen (Icu) liegt in der Schaltfolge der Prüfung, die der Schalter derart überstehen muss, damit er danach noch in der Lage ist, den Bemessungsstrom zuführen:

Ics:    O – t – CO – t – CO (dreimal unterbrechen)

Icu:    O – t – CO (zweimal unterbrechen)

(t = Pause, O = open, C = closed)

Da jedoch die Schalterhersteller bei vielen Typen Ics und Icu gleichsetzen, verliert die Unterscheidung an Bedeutung.

Für die selektive Staffelung muss die Bemessungs-Kurzzeitstromfestigkeit (Icw) beachtet werden. Diesen Strom muss der Schalter für die angegebene Zeit mindestens führen können. Bei sehr leistungsstarken Anlagen kann es sein, dass der höchstmögliche Kurzschlussstrom über dem Icw liegt. Eine zeitselektive Staffelung ist dann u. U. nicht möglich. Einstellbar wäre eine Verzögerung wohl schon, jedoch schaltet der Schalter im Kurzschlussfall selbst dann ohne Verzögerung ab, wenn der unverzögerte Kurzschlussauslöser ausgeschaltet ist. Kein Icw-Wert wird bei Schaltern der Kategorie A angegeben. Bei Schaltern der Kategorie B (zeitselektive Typen) muss der Wert mindestens dem 12-fachen Bemessungsstrom oder 5 kA bei Schaltern bis 2500 A und 30 kA für Schalter über 2500 A betragen. Achtung: Besonders sehr kompakte Leistungsschalter sind oft nur in Kategorie A einsetzbar.

Bis dahin sind also die wichtigsten Kriterien besprochen, welche den Hauptstromkreis betreffen.

Wertebereich vom Nennstrom bis zum Grenzschaltvermögen und seinem Scheitelwert.
Abb. 5: Schaltvermögen nach IEC 60947-2

Gebrauchskategorien

Für die Auslegung ist auch die Gebrauchskategorie A oder B wichtig, wie sie oben bereits im Zusammenhang mit der Kurzzeitstromfestigkeit (Icw) angesprochen wurde. Sie charakterisiert die Eignung für Selektivität.

Schalter der Gebrauchskategorie A sind nicht speziell für die zeitselektive Staffelung ausgelegt. Schalter dieser Kategorie haben also keine beabsichtigte Kurzzeitverzögerung für die Selektivität unter Kurzschlussbedingungen. Für solche Schalter ist keine Bemessungs-Kurzzeitstromfestigkeit ICW spezifiziert. Sie eignen sich in der Regel jedoch für Energieselektivität.

Schalter der Gebrauchskategorie B sind besonders für die zeitselektive Staffelung ausgelegt. Schalter dieser Kategorie haben eine beabsichtigte Kurzzeitverzögerung, die einstellbar sein kann. Für solche Schalter ist eine Bemessungs-Kurzzeitstromfestigkeit ICW spezifiziert.

Steuerstromkreis

Zu den Steuerstromkreisen zählen der Motorantrieb für die Fernsteuerung des Leistungsschalters, sowie die Ansteuerung der Arbeitsstrom- und Unterspannungsauslöser.

Hilfsstromkreis

Die Hilfsstromkreise sind die Hilfskontakte, welche gleichschaltend mit den Hauptkontakten sind, und die Signalkontakte, die mit dem Auslösesystem geschaltet sind. Es können Öffner, Schliesser und Wechselkontakte vorhanden sein oder extra bestellt werden.

Auslösersystem

Zum Auslösersystem gehören alle Einrichtungen am Schalter, die dazu führen, dass der Schalter selbsttätig ausschaltet:

  • Spannungsauslöser (auch Arbeitsstromauslöser genannt)
  • Unterspannungsauslöser
  • Überstromauslöser
  • Andere Auslöser

Die Spannungsauslöser werden zur Fernsteuerung der Schalter verwendet. Die Unterspannungsauslöser werden dann eingesetzt, wenn verhindert werden soll, dass ein Schalter eingeschaltet wird, ohne dass Spannung vorhanden ist, zum Beispiel ein Generatorschalter. Wenn zeitselektive Staffelungen projektiert werden, ist darauf zu achten, dass allfällige Unterspannungsauslöser kurzzeitverzögert sind, da im Kurzschlussfall die Spannung je nach Schlaufenimpedanz unter die Auslöseschwelle von 0.7 bis 0.35 während mehr als etwa 20 ms fallen kann. Somit würden alle Schalter mit Unterspannungsauslöser ansprechen und die selektive Staffelung durchkreuzen. Ebenso fallen übrigens auch Schützen ab, die über keine Ausschaltverzögerung verfügen.9[1]

Überstromauslösersysteme lassen sich in weiten Grenzen mit verschiedenen Schaltertypen kombinieren. So lassen sich problemlos auch unsinnige Kombinationen realisieren, wie zum Beispiel ein Auslöser mit Kurzzeitverzögerung an einem Schalter der Gebrauchskategorie A, der dazu gar nicht in der Lage ist. Das ist zwar nicht gefährlich, da sich der Schalter schützt, aber unsinnig, wenn der Auslöser nicht andere Funktionen enthält, die genutzt werden.

Aber der Reihe nach. Eine Übersicht über die Typen, die verfügbar sind, ist in der Abbildung 7 zu finden. Bezüglich der Bauart werden elektromechanische (TM) und elektronische Auslösersysteme (EL) unterschieden.

Die thermomagnetischen Auslöser sind für einfache Schutzfunktionen auszuführen. Die Einstellmöglichkeiten sind eng begrenzt: Die thermische Auslösung, das heisst die Auslöseempfindlichkeit bei Überlast, wird am Skalenkopf bestimmt. Damit wird der Weg des Bimetalls bis zur Auslösung des Schaltschlosses festgelegt. Typischerweise sind Einstellwerte von 0.7 bis 1.0 In möglich. Der magnetische Auslöser wirkt in dem die Haupstrombahn derart geführt ist, dass bei hohen Überströmen der Anker angezogen wird und das Schaltschloss ausgelöst wird. Bei strombegrenzenden Leistungsschaltern wirkt der Anker direkt auf die Hauptkontakte. Der thermomagnetische Auslöser hat ausserdem ein Streuband in heissem und kaltem Zustand. (Abbildung 6, rechts (Grafik 2))

Kennlinien von Leistungsschaltern, links elektronische Auslöser, rechts Thermomagnetischer Auslöser
Abb. 6: Auslösersysteme links elektronisch (EL) rechts thermomagnetisch (TM)

Die sehr eingeschränkte Einstellbarkeit der thermomagnetischen Schalter überzeugt nicht und führte in den letzten drei Jahrzehnten zur Entwicklung immer besserer elektronischer Auslösern. Die gespeicherten Auslösecharakteristiken lassen eine sehr gute Anpassung an den konkreten Anwendungsfall zu. Entsprechend spricht man hier von verschiedenen Schutzfunktionen (Abbildung 6, links (1)):

  • Schutzfunktion L: Überlastschutz, Auslösung stromabhängig mit Langzeitverzögerung
  • Schutzfunktion S: Selektiver Kurzschlussschutz, Auslösung wählbar entweder stromabhängig (gestrichelt Abbildung 6, links (Grafik 1)) oder stromunabhängig mit Kurzzeitverzögerung
  • Schutzfunktion I: Unverzögerter Kurzschlussschutz mit einstellbaren Auslösestromschwellen.
  • Schutzfunktion G: Erdschlussschutz

Der RCD-Schutz wertet im Unterschied zum Erdschlussschutz auch die Spannung aus. Ferner ist bei einigen Schaltern auch ein richtungsabhängiger Schutz erhältlich (Schutzfunktion D).

Einteilung der Schutzgeräte in TM und EL-Auslöser und ihre Unterkategorien und Funktionen
Abb. 7: Auslösersysteme im Überblick

Jedes Überstromauslösesystem hat einen eigenen Nennstrom, der den Bezugswert für alle Einstellungen darstellt. Dieser Nennstrom ist immer kleiner oder gleich wie der Nennstrom des Leistungsschalters.

Die elektronischen Auslöser werten die Überströme über Stromwandler aus und schalten den Schalter über die Ausschaltspule aus. Mit elektronischen Auslösern lässt sich der Schutz unter mehreren hintereinander geschalteten Schaltern koordinieren. Man spricht hier je nach Hersteller von Freigabeselektivität, Zonenselektivität, Logischer Selektivität oder Koordinierter Selektivität. Bei dieser Selektivitätstechnik gibt jeder Schalter, der die Auslöseschwelle überschreitet, automatisch ein Sperrsignal an den vorgeschalteten Schalter. Damit wird die Selektivität sicherer und die langen Verzögerungszeiten der Zeitselektivität entfallen.

Elektronische Auslöser sind auch in Ausführungen erhältlich, die Betriebsdaten wie Spannungen, Ströme und Leistungen auswerten lassen, so dass zusätzliche Powermeter nicht notwendig sind. Einige Leistungsschalter können seit kurzem auch über die Leitsystemschnittstelle EN 61850 gesteuert und überwacht werden. Damit hält nun die in der Mittelspannung bereits etablierte Kommunikation auch in der Niederspannungstechnik Einzug.

Wertebereich des Auslösersystems LSI und Einstellgrenzen
Abb. 8: Auslösesystem LSI

Leitungsschutzschalter

Leitungsschutzschalter auch Miniature Circuit Breaker (MCB) genannt, für Hausinstallationen sind nach EN 60898 normiert und weisen ein Bemessungsschaltvermögen von höchstens 25 kA auf und sind für verkettete Spannungen bis 440 Volt ausgelegt. Leitungsschutzschalter für grössere Bemessungsschaltvermögen und höhere Spannungen sind nach EN 60947 ausgelegt. Auf dem Markt sind diese Schalter auch als Hochleistungsautomaten bekannt.

Leistungsschutzschalter ABB Smissline TP System mit Bezeichnung der Funktionseinheiten im Schema
Abb. 9: Funktion des Leitungsschutzschalters am Beispiel eines steckbaren Systems

Leitungsschutzschalter sind hinsichtlich ihrer Begrenzung in drei Klassen eingeteilt, wobei Klasse 3 die höchste mit der stärksten Energiebegrenzung auf etwa 30 %10[1] darstellt und 1 Kleinste, die keine Begrenzung darstellt.11[2] Die Energiebegrenzungsklassen sind nur bis zum Bemessungsschaltvermögen von 10 kA spezifiziert.

Schliesslich gibt es noch den selektiven Hauptleitungsschutzschalter (SMCB). Diese Leitungsschutzschalter sind speziell geeignet als Bezügersicherung um die althergebrachten Diazed-Sicherungen zu ersetzen. Die Schalter haben eine sichtbare Trennstelle, sind laienbedienbar, sperrbar, blombierbar und sind selektiv zu den nachgeschalteten Leitungsschutzschaltern. In Deutschland sind diese Schalter seit langem vorgeschrieben12, während in der Schweiz diese Geräte noch kaum eingesetzt werden, obwohl die Vorteile überzeugend sind. Für laienbedienbare Zählerverteilanlagen im Wohnbereich ist das die einzig vernünftige Lösung, auch wenn der Preis etwas höher ist. Das ändert sich aber spätestens, wenn bei einem Ausfall an einem Sonntag die erforderlichen DIAZED-Patronen nicht vorhanden sind und eine provisorische Reparatur hinhalten muss. Am Montag ist alles vergessen, die Erinnerung kommt dann Jahre später sofort zurück, wenn die Feuerwehr kommt… Wer wars? Keine Ahnung. Wer haftet: Der Hauseigentümer13. Aber auch kleinere bis mittlere USV-Verteilungen sind Anwendungsbeispiele, da mit dem SMCB auch bei kurzen Leitungen eine sichere Selektivität über einen weiten Bereich gewährleistet wird.

SMCB: Ansicht von vorne und Ansicht von der Seite in ein geöffnetes Gerät. Mit Legende der Beschreibung der einzelnen Komponenten
Abb. 10: Selektiver Hauptleitungsschutzschalter SMCB

Im Unterschied zu einem herkömmlichen Leitungsschutzschalter hat der selektive Hauptleitungsschutzschalter einen Hauptpfad und zusätzlich einen Nebenpfad. In einem Kurzschlussfall werden die Hauptkontakte mit der Schlagspule sofort und weit aufgeschlagen um den entstehenden Lichtbogen in die Löschkammer zu drängen. Gleichzeitig wird der Strom über den im Nebenpfad liegenden Selektivwiderstand begrenzt. In dieser Zeit kann ein nachgeschalteter normaler Leitungsschutzschalter ausschalten. Danach werden die Hauptkontakte über eine Feder wieder geschlossen. Geschieht das nicht, weil der Kurzschluss zwischen dem Selektiven Hauptleitungsschutzschalter und dem nachgeschalteten Schutzgerät liegt, schaltet der Hauptleitungsschutzschalter ganz ab.

Vergleich herkömmlicher SMCB gegenüber selektivem Hauptleitungsschutzschalter SMCB
Abb. 11: Vergleich herkömmlicher MCB zu SMCB

Abgeleitete Schalter CBI14

Die Lasttrennschalter, welche von Ursprungsleistungsschaltern abgeleitet sind15[1], haben die gleichen konstruktiven Merkmale und die gleichen physikalischen Eigenschaften, wie der Ursprungstyp ausser, dass der Auslöser fehlt (Bauart Y). Die oben beschriebene dynamische Kontaktabhebung bei Leistungsschaltern, wenn der Schalter von einem Kurzschlussstrom durchflossen wird, funktioniert bei diesen Schaltern genau gleich. Lediglich fehlt der Auslöser, der den Schlaghammer und das Schaltschloss betätigt. Daher haben solche Schalter sehr tiefe Werte für den zulässigen Bemessungskurzzeitstrom (1s, Icw). Das muss in der Kurzschlussauslegung des vorgeschalteten Leistungsschalters berücksichtigt werden, da dieser den Back-up-Schutz für den Lasttrennschalter liefern muss. Seltener sind die Trennschalter mit integriertem nicht einstellbarem Kurzschlussauslöser zum Eigenschutz (Klasse X). Neu wird sich auch eine Klasse W16 durchsetzen, die geeignet ist, von einem externen Schutzrelais17 angesteuert zu werden. Das Schalt- und Schutzgerät brauchen fortan nicht mehr das selbe Fabrikat zu sein.

Externes Schutzgerät ABB Ekip UP
Abb. 12: Externes Schutzgerät ABB Ekip UP

Fazit

Der Leistungsschalter hat viele Eigenschaften, die bereits bei der Projektierung beachtet und sorgfältig evaluiert werden müssen, damit bei der Schaltereinstellung und Inbetriebsetzung keine unliebsamen Überraschungen eintreten.


Vertiefung Lichtbogen und Strombegrenzung

Ein Funke ist eine kurzzeitige Gasentladung bei atmosphärischem Druck. Er verläuft in einem dünnen Kanal und verlischt mangels Energie von selbst. Funken entstehen immer beim Öffnen von Schaltkontakten und sind umso stärker, desto induktiver die Last ist. Denn die induktive Last speichert magnetisch Energie und sorgt damit für den notwendigen Stromnachschub. Im Moment des Öffnens der Kontakte ist die Schlagweite so gering, dass bei Normaldruck und Schaltkontaktspannung ein Durchschlag erfolgen kann.18

Ist genügend Stromreserve vorhanden, sei es durch Kurzschluss einer genügend niederohmigen Spannungsquelle oder durch induktive Last, so kommt es zu einer Bogenentladung die stabil bestehend bleibt und nicht mehr von selbst löscht. Dabei kommt es zu starker Erwärmung der Kontakte und zum Verdampfen von Teilen der Kontakte und es entsteht ein Metalldampfplasma. Das ist ein Lichtbogen.

Fazit: Ein Funke verlöscht von selbst, ein Lichtbogen muss mit Schutztechnik gelöscht werden, ausser er wird zum Schweissen oder zum Plasmabeschichten gebraucht, was technische Anwendungen zur Nutzung des Lichtbogens sind.

Ein Lichtbogen entsteht bei genügend hoher Spannung und Stromdichte am letzten Kontaktpunkt beim Öffnen der Kontakte. Es entsteht genau an diesem Punkt eine sehr grosse Stromdichte, die genügend heiss wird um an dieser Stelle eine stabile Bogenentladung durch Stossionisation einzuleiten. Mit dem Zünden des Lichtbogens sinkt die Brennspannung ab (wie bei der Gasentladung) und erschwert die Unterbrechung.

Bei Wechselstrom verlöscht der Lichtbogen beim Nulldurchgang kurzzeitig, wogegen bei Gleichstrom diese Entlastung nicht kommt, daher sind die Abschaltanforderungen für Gleichstromanwendungen grösser.

Strombegrenzende Leistungsschalter sind Schalter, die umso schneller abschalten, desto höher der Kurzschlussstrom ist. Die Kontakte werden dabei durch Repulsion, das heisst durch die magnetische Abstossung, frühzeitig aufgeschleudert. Die Schlaganker schlagen mit hoher Kraft gegen die beweglichen Schaltstücke der Hauptkontakte und schleudern diese zusätzlich sehr schnell und weit auf, damit entsteht ein langer Lichtbogen mit einer hohen Lichtbogenspannung und damit hohem Widerstand.19 Ausserdem wird der Lichtbogen in der Löschkammer mit Deionblechen in Teillichtbögen aufgeteilt. Mit der Anzahl Bleche wird die Lichtbogenspannung in Teilspannungen aufgeteilt, so dass die Brennspannung nicht absinken kann.20 Damit und durch die starke Kühlwirkung erlöscht der Lichtbogen deutlich schneller.21

Abb. 13: Deionisationkammer (Foto MG)
Abb. 14: Deion-Kammer mit unten geschwärzten Blechen aufgrund der Lichtbogenlöschung.

Siehe auch Grafik zu Strombegrenzung


Abkürzungen und Formelzeichen

Formelzeichen / KürzelBedeutung
IbBetriebsstrom
IBÜbernahmestrom. Stromkoordinate des Schnittpunktes der Zeit-Strom-Kennlinien zweier Überstromschutzeinrichtungen. (Ziff. 2.5.25 EN 60947-1) Für Leistungsschalter gilt das nur für Ansprechzeiten von gleich oder mehr als 0.05 s. Bei kleineren Ansprechzeiten werden die beiden Schutzorgane als eine Einheit betrachtet (Ziff. 2.17.6 EN 60947-2)
IzGrenzbelastung der Leitung
InNennstrom Bedingungen: Ib ≤ In ≤ Iz, I2 ≤ Iz * 1.45
I2Auslösestrom unter bestimmten Bedingungen
IeBemessungsbetriebsstrom
IuBemessungsdauerstrom
IthKonventioneller thermischer Strom in freier Luft. Bei Leistungsschaltern = Iu
IcmBemessungs-Kurzschlusseinschaltvermögen
IcsBemessungs-Betriebskurzschlussausschaltvermögen (oft gleiche Werte wie Icu können aber auch tiefer sein)
IcuBemessungs-Grenzkurzschlussausschaltvermögen (Kurzschlussfestigkeit)
IcwBemessungs-Kurzzeitstromfestigkeit (60947-2)
TMThermomagnetischer Auslöser (elektromechanisch)
TMFThermomagnetischer Auslöser mit fester thermischer und fester magnetischer Schwelle
TMDThermomagnetischer Auslöser mit einstellbarer thermischer und fester magnetischer Schwelle
TMAThermomagnetischer Auslöser mit einstellbarer thermischer und magnetischer Schwelle
TMGThermomagnetisch für Generator (tiefmagnetisch)
MAMagnetischer Auslöser
ELElektronischer Auslöser
LSchutzfunktion Überlastschutz (Long Time Delay)
SSchutzfunktion Verzögerter Kurzschlussschutz (Short Time Delay)
ISchutzfunktion Unverzögerter Kurzschlussschutz (Instantaneous)
DSchutzfunktion Richtungsabhängiger Kurzschlussschutz (Direction)
GSchutzfunktion Erdfehlerschutz (Ground)
RCDSchutzfunktion Fehlerstromschutz (Residual Current Device)
CBCircuit-Breaker Leistungsschalter
ACBAir Circuit-Breaker
ICCBInsulated-Case Circuit-Breaker
MCCBMoulded-Case Circuit-Breaker
MCBMiniature Circuit-Breaker (Leitungsschutzschalter)
IEVIEV Internationales elektrotechnisches Wörterbuch EN/IEC 60050
Abkürzungen
Abb. 15: Links nach rechts: drei MCCB, vier ACB (©ABB)

Quellen und Bildnachweise

Literatur- und Katalogquellen

Ulrich Spindler, Schutz bei Überlast und Kurzschluss in elektrischen Anlagen, VDE-Verlag, 2008

Eduard Vinaricky (Hrsg) et al., Elektrische Kontakte, Werkstoffe und Anwendung, 3. Auflage, 2016

Gunter Pistora, Berechnung von Kurzschlussströmen und Spannungsabfällen, VDE-Verlag, 2013

ESTI, Fachbeitrag 06/2015

Schneider Electric CT167D, Technisches Heft Energetische Selektivität in Niederspannungsnetzen, Heft CT 167, Mai 1994

Siemens, Planung der elektrischen Energieverteilung, Technische Grundlagen, 2015

Schalterkataloge von ABB, Hager, Schneider Electric, Siemens, Eaton

Normen und Richtlinien

EN 60947-1 Niederspannungsschaltgeräte Allgemeine Festlegungen

EN 60947-2 Niederspannungsschaltgeräte Leistungsschalter

EN 60898-1 Elektrisches Installationsmaterial – Leitungsschutzschalter für Hausinstallationen und ähnliche Zwecke

Bildquellen

Titelbild: ©Siemens

Abbildungen 1 bis 9: ©Markus Gehrig

Abbildungen 10 und 11 Arrangement ©Markus Gehrig mit Bildmateral ©ABB

Abbildung 12: ©ABB

Abbildungen 13 und 14: Fotos: ©Markus Gehrig

Abbildung 15: Foto ©ABB

Animation und Bilder Schalterstellungen: ©Markus Gehrig

Alle Rechte an Bilder und Text den Urhebern vorbehalten.


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