Leistungsschalter oder Sicherung?

Was ist nun besser NH-Sicherungen oder Leistungsschalter? Im vorliegenden Aufsatz werden zu dem Glaubenskrieg ein paar Fakten und Aspekte beleuchtet die nicht alltäglich präsent sind.

(Artikel ergänzt am 9. und 10. Juli 2023)

Diese Frage stellt sich immer wieder. Es stehen ökonomische Überlegungen, technische Eigenschaften und funktionale Anforderungen im Raum. In den 1990er Jahren wurden die sicherungslosen Verteilungen beworben, die NH-Sicherung galt und gilt heute noch als faktisch tot, wenn es um gehobene Ansprüche an die Bedienung, Fernschaltung, Fernsignalisation geht. Für Rechenzentren gelten als Anforderung fast immer sicherungslose Verteilungen. Aber ist das wirklich in jedem Fall richtig?

Um diese Frage zu beantworten müssen wir uns überlegen, welche Ansprüche hinter einer solchen Forderung stehen oder andersherum, welche Eigenschaften einer NS-Sicherung nicht gewünscht sind.
Oft werden die folgenden Eigenschaften von Leistungsschaltern als Begründung ins Feld geführt, dass Leistungsschalter besser wären:

1. Geringere Abwärme
2. Bedienung, Spannungsnähe, Lichtbogen beim Trennen
3. Fernsignalisation und Fernsteuerbarkeit
4. Einstelloptionen für Spezialfälle
5. Keine Reservesicherungen
6. Allpoliges Schalten und 3- oder 4-polige Schutzauslösung

Faktencheck

Abwärme

Da eine Schmelzsicherung die schwächste Stelle im Stromkreis darstellt, kann durchaus daraus geschlossen werden, der Übergangswiderstand sei besonders hoch. Dass dies nicht so ist, zeigt die Tabelle 1, welche eine Auswahl aus dem Produktsortiment der Hager AG und Schneider Electric zeigt. Gegenüber den MCCB haben NHS etwa die gleichen Verluste, wobei der Verlust abhängig vom Auslösesystem bzw der Patronengrösse ist. Daher ist die Abwärme kein Grund einen Leistungschalter zu verwenden.

Grösse	NHS	MCB	MCCB	ACB
16 A	1.7 W	8.2 W	k.A.	–
160 A	9.5 bis 10		9.5 bis 12
250 A	16.5 W	–	17.6 bis 25	–
400 A	26 bis 27 W		19 bis 25.6
630 A	39 W		40 bis 55
1443 A	110 W	–	k.A.	200 W

2. Bedienung, Sicherheit, Spannungsnähe

Die Bedienungsfreundlichkeit von NH-Sicherungen hat in den letzten 25 Jahre laufend stark zugenommen. Der Einsatz von integrierten, doppelt trennenden Lastschaltern ermöglicht das gefahrlose Bedienen von NH-Sicherungen. Das Gefährdungspotenzial beim Abschalten von Stromkreisen gehört bei den heutigen Sicherungslasttrennschaltern der Vergangenheit an. Denn der Lichtbogen tritt nicht nach vorne aus.

Richtig ist, dass Sicherungslasttrennleisten nur einen ungenügenden Schutz bieten. Hingegen bieten Sicherungslasttrennschalter die gleiche Schaltsicherheit wie Leistungsschalter.

Eventuell schützt das Gehäuse eines MCCB besser vor Folgen der Kurzschlussabschaltung als das Gehäuse des Sicherungslasttrennschalter. Der Beweis ist allerdings bislang nicht erbracht.

3. Fernsigalisation und Fernsteuerung

Moderne Sicherungslasttrenner können auch mit einer Fernsignalisation (Signal- und Hilfskontakte) wie auch mit Motorantrieben zur Fernsteuerung ausgerüstet werden (siehe Abbildung 1 (ABB)). Die Behauptung trifft also nicht zu, obwohl eine nachträgliche Aufrüstung einem Schalter einfacher wäre.

4. Einstelloptionen

Hier sind die Leistungsschalter eindeutig im Vorteil. Besonders bei sehr kleinen Kurzschlussströmen in Endstromkreisen, kann eine Schmelzsicherung die geforderte Abschaltzeit von 0.4 Sekunden nicht einhalten.

Spezielle Schutzeinstellungen wie zum Beispiel ein Generatorschutz kann mit einem Leistungsschalter wesentlich besser und kontrollierter realisiert werden. Ausserdem ist bei elektrischen Maschinen die gleichzeitige Abschaltung aller drei Aussenleiter deutlich anlagenschonender als eine einpolige Trennung mit anschliessender thermischer Schutzauslösung über den Motorschutz.

5. Reservesicherungen nicht erforderlich

Reservesicherungen sind für einen Leistungsschalter nicht erforderlich. Nach einer Auslösung kann er wieder eingeschaltet werden. Ist der Schalter durch die Abschaltung defekt gegangen, was in der Praxis nicht ausgeschlossen werden kann, so ist ein Ersatzschalter hilfreich, aber wesentlich teurer als Ersatzsicherungen. Also ist dieses Argument nur teilweise richtig.

Wenn ein Leistungsschalter bei einer Abschaltung defekt geht, sollte eine unabhängige Expertise gemacht werden. Die ist aber nur erfolgreich, wenn der Sachstand als erstes aufgenommen wird, bevor am Schalter manipuliert wurde. Die Gründe für einen Defekt nach einer Schutzauslösung können in der falschen Auslegung, fehlender oder ungenügender Wartung oder in Bedienungsfehlern liegen. Nach jeder Schutzauslösung ist der Schalter zu prüfen und, soweit möglich, zu revidieren.

6. Allpoliges Schalten und 3- oder 4-polige Schutzabschaltung

Der wohl wichtigste Vorteil eines Leistungsschalters ist die allpolige Schutzabschaltung. Ein einpoliger Kurzschluss kann besonders in leistungsfähigen Stromkreisen auch zu einer Beeinträchtigung der nicht betroffenen Leiter führen, was zu einer erneuten Zündung eines Lichtbogens führen kann. Die Folge ist dann möglicherweise eine längere Abschaltzeit und insgesamt eine längere Kurzschlusseinwirkung an der Fehlerstelle, was erstens Personen gefährden kann und zweitens das Schadenausmass erheblich erhöhen kann. Wenn 4-poliges Schalten erforderlich ist, muss ein Leistungsschalter installiert werden.

Fazit

Eine NH-Sicherung ist dank der heutigen Kombination von Lastschalter und NHS-Element in vielen Aspekten einem Leistungsschalter ebenbürdig. Die Leistungsschalter haben viele Einstellmöglichkeiten. Um diese fachgerecht nutzen zu können sind jedoch vertiefte Fachkenntnisse erforderlich. Denn Selektivität unter Leistungsschaltern oder im gemischten Einsatz mit Schmelzsicherungen zu erreichen ist oft schwierig bzw. nur teilweise möglich. Da die Kennlinie beim Leistungsschalter durch die Einstellung bestimmt wird, ist es auch möglich, dass eine falsche Einstellung zu keiner Schutzauslösung führt. Eine NH-Sicherung ist da wesentlich gutmütiger, wenn die richtige Patrone für die jeweilige Anwendung verwendet wird.

Technische Eigenschaften

Über die Eigenschaften von Leistungsschaltern ist bereits im Heft ET 01/18 ein ausführlicher Bericht veröffentlicht. Ein aktualisierter Beitrag ist auch hier auf Power-Affairs.ch geplant. Darum gehen wir im folgenden auf die Schmelzsicherungen im Allgemeinen und der NHS-Patronen im Speziellen ein.

Begrenzung

Alle Schmelzsicherungen bewirken im Kurzschlussfall eine starke Energiebegrenzung, weil schon in der ersten Halbwelle die Lichtbogenimpedanz, und damit die Lichtbogenspannung, so hoch wird, dass der unbeeinflusste Spitzenwert nie erreicht wird. Daher ist auch die Fläche unter dem Kurvenverlauf deutlich geringer. Die Energie- bzw. Strombegrenzungskennlinien zeigen auf, wie stark der Strom begrenzt wird.

Wenn zum Beispiel an einem bestimmten Anlageort ein Kurzschlussstrom von 30 kA herrscht und dort eine NHS 200A eingesetzt wird, so wäre der unbegrenzte Anfangsspitzenwert des Kurzschlussstromes 75 kA und der Dauerspitzenwert 42 kA vor der Sicherung. Nach der Sicherung wird der Kurzschlussspitzenwert auf 18 kA begrenzt (Abbildung 2). Das würde dann einem Effektivwert von 12.7 kA entsprechen.

Betriebsklassen

Bei NHS werden Ganzbereich- und Teilbereichsicherungen unterschieden. Die Teilbereichssicherung ist ausschliesslich für den Kurzschlussschutz geeignet. Der Überlastschutz fehlt hier, da diese Sicherungen erst ab einem mehrfachen des Nennstromes ansprechen. Für den Leitungsschutz dürfen diese Sicherungen nicht eingesetzt werden ohne, dass der Überlastschutz anderweitig sichergestellt wird. Die Ganzbereichssicherung hat sowohl einen Überlastbereich und einen Kurzschlussauslösebereich.

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Funktionsklasse	Schutzobjekt
g = Ganzbereichssicherung	G Allgemeine Anwendungen
a = Teilbereichssicherung	L Kabel und Leitungen (veraltet)
	M = Schaltgeräteschutz
	R = Halbleiterschutz
	B = Bergbau Anlagenschutz
	Tr = Trafoschutz

Der Schmelzleiter macht’s

Die NHS ist in einem Gehäuse, bestehend aus einem Keramikkörper und links und rechts zwei Abschlussplatten, eingebaut. Die Gehäusegrösse ergibt auch gleich die Bauform für die Grösse der Sicherung DIN 000, 00, 1, 2, 3 bzw. die SEV-Grössen und für die Spannungsreihen 400, 500, 690 Volt. Der Querschnitt des Schmelzleiters bestimmt die Temperatur bei Nennstrom. Die Art und der Aufbau bestimmt die Kennlinie. Teilbereichssicherungen haben nur gelochte Schmelzleiter, welche an den Engstellen gleichzeitig schmelzen. Dadurch entstehen hintereinander geschaltete Lichtbögen. Ganzbereichssicherungen haben zusätzlich noch ein Schmelzlot nahe der Engstellen angebracht. Der Schmelzleiter ist in inertem hochreinem Quarzsand eingebettet, welcher bei der Abschaltung eines Kurzschlusses die Wärme der Lichtbögen abführt. Die Reinheit ist besonders wichtig, weil schon ganz kleine Anteile an Feldspat bei der hohen Hitze zu Verglasung führen würde. Die Glasschmelze ist elektrisch leitend, die Funktion der Sicherung unterwandern würde. Der Kennmelder ist über die Kennmelderfeder und einen im Innern verlaufenden Drahtes gespannt. Bei einer Auslösung wird der Kennmelder zurückgezogen (siehe Abbildungen 5, 6 und 7).

Durch einen Überlaststrom erwärmt sich der Schmelzleiter durch auf eine Temperatur, welche oberhalb der Schmelztemperatur des Lotes liegt. In der Folge diffundiert dieses Lot in das Schmelzleitermaterial ein und bildet mit diesem eine Legierung. Der elektrisch Widerstand des Schmelzleiters erhöht sich dadurch, was zu dessen weiterer Erwärmung führt, wodurch der Diffusionsvorgang solange weiter beschleunigt wird, bis der Schmelzleiter in der Umgebung des Lotdepots vollständig aufgelöst ist, sodass er abreisst, wodurch der Stromfluss unterbrochen wird. Der ganze Prozess läuft bei ca. 170°C ab. Ohne das Schmelzlot wäre dazu eine Temperatur von über 1000°C erforderlich, um den Leiter zu trennen.

Bei einem kurzzeitigen, zulässigen Überstrom erfolgt keine vorzeitige Ausschaltung durch die NH-Sicherung. Falls hingegen ein Kurzschluss auftritt, reisst der Schmelzleiter praktisch gleichzeitig an allen Engstellenreihen auf. Dadurch entstehen gleichzeitig mehrere kleine, in Reihe geschaltete Lichtbögen, deren Spannungen sich addieren und damit zu einer höheren Impedanz führen und somit zu einer schnelleren Ausschaltung und stärkeren Strombegrenzung führen.

In Abbildung 7 kann mit dem Slider die beiden Auslösearten angeschaut werden:
Slider nach links: Überlastauslösung
Slider nach rechts: Kurzschlussauslöser

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In Abbildung 8 ist ein intakter aber bereits belasteter Schmelzleiter zu sehen. An einer Stelle ist zu sehen, dass das Schmelzlot bereits mit dem Schmelzleiter reagiert hat. In Abbildung 9 ist ein Schmelzleiter abgebildet, der durch eine Überlast durchgeschmolzen ist. Deutlich erkennbar sind die Reaktionen des Lotes an den Engstellen des Schmelzleiters. In der Abbildung 10 ist der Schmelzleiter durch einen Kurzschluss abgeschmolzen: Hier ist der Schmelzleiter in mehrere Teile getrennt durch Abbrennen der Hintereinander geschalteten Lichtbögen.

Selektivität und Backupschutz

Selektivität kann mit Schmelzsicherungen sehr gut erreicht werden. Hier gilt als Faustregel ein Abstand von ca. 1.6 In für eine sichere Selektivität. Das heisst also jede zweite Sicherungsgrösse ist selektiv. Das ergibt sich aus der Breite der Toleranzbänder1 kleiner und grosser Prüfstrom. Allerdings geben die Hersteller auch kleinere Abstände an. Bei vorgeschalteten Leistungsschaltern sind ACB mit elektronischen Auslösern so einstellbar, dass Selektivität zu nachgeschalteten NHS-Abgängen sichergestellt ist. Bei nachgeschalteten Leitungsschutzschaltern (MCB) sind hinsichtlich Selektivität die Koordinationstabellen der Hersteller zu beachten und bezüglich Backupschutz die Strombegrenzungsdiagramme wie im Beispiel Abbildung 2. Das Strombegrenzungsdiagramm liest sich wie folgt: Gegeben ist ein prospektiver Kurzschlussstrom von 30 kA (Effektivwert in der Abszisse aufgetragen). Senkrecht nach oben bis zum Schnittpunkt (rot) der fetten schwarzen Kennlinie des unbeeinflussten Kurzschlussstromes (Peakwert des Anfangs- bzw- Dauerkurzschlussstromes). Der Schnittpunkt violett) mit der Strombegrenzungskennlinie der eingesetzten NHS (hier 160 A) ergibt einen begrenzten Peakwerk von 18 kA bzw. 12.7 kA Effektivwert. Aus dem Diagramm lässt sich auch herauslesen, dass bis zu einem Kurzschlussstrom von 50 kA2entspricht zwei Trafos 1000 kVA parellelgeschaltet ein Leitungsschutzschalter mit einem Kurzschlussschaltvermögen von 15 kA mit einer vorgeschalteten NHS 160 A in jedem Fall genügend geschützt ist.

Die zur Abschaltung erforderliche spezifische Energie einer Schmelzsicherung teilt sich in die Schmelz- und in die Löschenergie auf. Wenn die Schmelzenergie nicht vollständig erreicht wird, dann trennt die Sicherung nicht. Die Selektivität einer NHS zu einem nachgeschalteten Schutzgerät ist energetisch gegeben, wenn die Schmelzenergie der NHS grösser ist, als die Abschaltenergie des nachgeschalteten Schutzgerätes.

Wartung

Schmelzsicherungen brauchen, im Gegensatz zu Leistungsschaltern, die alle 5 Jahre eine Revision bzw. mindestens eine Funktionskontrolle benötigen, keine Wartung. Dennoch ist sehr zum empfehlen, die Sicherungspatronen je nach Belastungsituation alle 5 bis 10 Jahre durch neue auszutauschen. Der Grund liegt daran, dass die Sicherungen aufgrund des Schmelzlotes ein thermisches Gedächtnis haben und daher auch Fehlauslösungen nicht ausgeschlossen sind. Auch bei einer nicht ausgelösten Sicherung kann das Schmelzlot bei einer grenznahen Belastung bereits teilweise mit dem Schmelzleiter reagiert haben. Das gleiche ist der Fall, wenn ein nachgeschalter Leitungsschutzschalter durch Kurzschluss ausgelöst wurde. Denn die vorgeschaltete NHS macht ja den Backupschutz, also die Strombegrenzung, damit der Leitungsschutzschalter keinen unzulässig hohen Abschaltstrom bewältigen muss.

Zukunft

Die Siemens AG hatte im Jahr 2016 ein Patent3Patent Nr. EP 3264439 A1 Siemens über eine triggerbare Schmelzsicherung angemeldet. Die Sicherung hat eine Mittelanzapfung. Damit lässt sich die Auslösung der Sicherung steuern und so die Kennlinie in bestimmten Situationen verschieben. Es wäre also prinzipiell auch möglich eine der grössten Schwachstellen der Schmelzsicherung, die nicht allpolige Trennung, zukünftig sehr kostengünstig lösen. Allerdings würde das den kompakten Leistungsschalter möglicherweise teilweise aus dem Spiel werfen, was die Hersteller von Leistungsschaltern auch nicht wollen.

Quiz

Wenn Sie ihr Wissen testen wollen, gehen Sie hier hin oder scannen den folgenden QR mit dem Mobiltelefon:

Bildlegende:
Abb. 1: NHS-Lasttrennschalter mit Messinstrument (ABB)
Abb. 2: Diagramm Strombegrenzung NHS 000 (Grunddaten: Hager)
Abb. 3: Kennlinien verschiedener NHS-Schmelzleiter
Abb. 4: Darstellung Längsschnitt durch Patrone mit Auslösung bei Überlast
Abb. 5: Darstellung Längsschnitt durch Patrone mit Auslösung bei Kurzschluss
Abb. 6: Kennmeldermechanismus mit Feder und Draht
Abb. 7: Darstellung Unterschied Auslösung Überlast/Kurzschluss
Abb. 8: Bildreihe links: Intakter aber vorbelasteter Schmelzleiter
Abb. 9: Bildreihe mitte: Schmelzleiter nach Überlastauslösung
Abb. 10: Bildreihe rechts: Schmelzleiter nach Kurzschlussauslösung

Quellen:
www.abb.com
www.hager.ch

Bildnachweis: Abb. 1: ABB, Abb. 2-10: Markus Gehrig