Überlast- oder Kurzschlussschutz?

Wie können Sie Ihre Geräte mit E-T-A Schutzschalter gegen beiden Gefahren schützen?

Schutzschalter werden auf verschiedenen Weisen eingesetzt. Sie werden sowohl zum Schutz der Verkabelung von Abzweigstromkreise in Hauptstromverteiler montiert als auch in Geräte eingebaut um diese zu schützen. Bei dieser breiten Vielfalt von Anwendungen ist es nicht verwunderlich, dass Schutzschalter sowohl Kurzschluss- als Überlastschutz bieten müssen.

Einen Kurzschlussstrom, der nur durch den Leitungswiderstand begrenzt wird zu unterbrechen, ist eine sehr große Herausforderung für einen Schutzschalter und falls die Schaltvermögen des Schutzschalters nicht passend ist, kann er buchstäblich explodieren. Überströme, die Werte zwischen den 2- bis 5-fachen Werten des Nennstromes erreichen, werden anders behandelt als Kurzschlussströme und sehr oft muss der Schutzschalter diese Überströme für eine nennenswerte Zeit ohne auszulösen aushalten. Dieses White Paper möchte den Anwendern Hinweise geben, wie sie vorgehen sollten um festzustellen welche Hauptfunktionen der Schutzschalter haben müssen und um die passende Wahl treffen zu können.
Kurzschluss- und Überlastschutz sind die höchsten Anliegen bei der Wahl eines Schutzschalters. Abzweigstromkreise versorgt über die 480 V-Hauptleitung brauchen einen Kurschlussschutz die einen Wert von mehrere Tausend Amperes haben können. Deswegen sind Hauptstromverteiler mit Schutzschalter für Abzweigstromkreise, zugelassen nach der US Norm UL 489, “Standard for Moulded-Case Circuit Breakers and Circuit Breaker Enclosures” und mit Kurzschlussschaltvermögen zwischen 5.000 und 50.000 Amperes oder höher, bestückt. Die entsprechenden europäischen bzw. internationale Normen sind die EN60947 / IEC947 (Niederspannung Schalt- und Steuergeräte) bzw. die EN60898 / IEC 898 (Elektrisches Installationsmaterial - Leitungsschutzschalter für Hausinstallationen und ähnliche Zwecke).

Schutzschalter die im Inneren eines Gerätes installiert sind, schützen im Allgemeinen diese Geräte selbst, die anwendbare Norm ist dann in Europa die EN60934 / IEC 934 (Geräteschutzschalter) oder in Übersee die UL 1077, “Standard for Supplementary Protectors for Use in Electrical Equipment.” In der UL-Sprache werden Schutzelemente, die der Norm UL 1077 entsprechen, “supplementary protectors” genannt (zusätzliche Schutzelemente) und als “recognized components” (und nicht “listed”) gekennzeichnet und mit diesem Symbol markiert. Diese Schutzelemente sind auch als CBEs “circuit breakers for equipment” (Geräteschutzschalter) bekannt.

Im Prinzip schützen Leitungsschutzschalter nach UL 489 / EN60647 / EN 60898 und Geräteschutzschalter nach UL 1077 / En 60 934 beide gegen Überlast und Kurzschluss, wobei die Geräteschutzschalter sich im Wesentlichen auf Überlastschutz konzentrieren, der Hauptgrund dafür ist dass meistens dabei ein Leitungsschutzschalter als Vorsicherung dient. Kurschlüsse und Stromüberlastungen verlangen verschiedene Leistungsmerkmale an Schutzschaltern. Entwicklungsingenieure sollten im Klaren sein wie sie ihre Geräte gegen beiden Gefahren optimal schützen.

Kurzschlussschutz

Alle Schutzschalter werden auf ihre Fähigkeit Kurzschlüssen zu widerstehen geprüft, aber der Schärfegrad eines Kurzschlusses hängt von der Stelle ab, wo dieser im elektrischen Stromkreis eingesetzt wird.

Nicht alle geprüfte Schutzschalter sind nach dem sie einen Kurschlussstrom getrennt haben, noch funktionstüchtig. Die verschiedenen Normen wie UL 489 / EN 60947 / EN 60898 und UL 1077 / EN 60934 haben verschiedenen Anforderungen zu diesem Punkt.

Die Normen UL 489 /EN 60947 / EN 60898 verlangen, dass der Schutzschalter noch funktioniert nachdem er einen Kurzschlussstrom getrennt hat. Dagegen sehen die Normen UL 1077 / IEC 934 und EN 60934 eine Möglichkeit vor, dass Schutzschalter nicht mehr zwingend funktionsfähig sein müssen, nachdem sie einen Kurzschlussstrom sicher ohne Gefahr getrennt haben.

Ob ein Schutzschalter die Trennung eines Kurschlussstromes überlebt oder nicht hängt von der Höhe des Kurschlussstromes ab. Ob dies im Datenblatt erwähnt ist oder nicht, jeder Schutzschalter hat zwei verschiedene Schaltvermögen. Der erste Wert definiert den höchsten Kurschlussstrom, den er sicher abschalten kann ohne dabei funktionsunfähig zu werden (offiziell definiert als “fit for further use” - „Fit für weitere Verwendung“ oder “recalibrated after testing” – „nachkalibriert nach Überprüfung“). In der Norm EN 60934 wird dieses Schaltvermögen PC2, in der Norm UL als SC2 genannt.
Der zweite Wert (meistens wesentlich höher als der erste) definiert den höchsten Kurschlussstrom, den er sicher (d. h. ohne eine Brandgefahr hervorzurufen) abschalten kann. Danach muss er aber nicht mehr zwingend funktionsfähig sein (offiziell definiert als “not fit for further use” - „nicht geeignet für weitere Verwendung“ oder “not recalibrated after testing” – „nicht nachkalibriert nach Überprüfung“). In der Norm EN 60934 wird dieses Schaltvermögen PC1, in der Norm UL als SC 1 genannt. Manche Schutzschalterhersteller geben beide Werte bekannt, die meißten beschränken sich auf den höheren Wert PC1 bzw. SC1.

Überlastschutz

Eine Überlast kann kurze oder längere Zeit anstehen. Der Schutzschalter darf nicht auf eine kurzzeitige Überlast, die normal für die geschützte Last ist, auslösen. Elektronische Bauteile, zum Beispiel, können Anlaufströme erzeugen im Moment der Aktivierung der interne Stromversorgung und wenn die Filterstromkreise ihre Tätigkeit aufnehmen. Typischerweise dauern diese Anlaufströme nur den Bruchteil einer Sekunde und sind selten ein Problem.

Eine andere Art von Anlaufströmen wird durch Elektromotoren erzeugt. Die meisten der Elektromotoren, speziell die, die unter Last gestartet werden, erzeugen Anlaufströme die den Nennstrom um ein Vielfach überschreiten.
Andere Anlaufströme können noch viel länger anstehen und sind trotzdem Teil des normalen Verhaltens von speziellen Lasten. Manche Elektromotoren können zum Beispiel einen Anlaufstrom von den über 50 % des Nennstromes für mehrere Minuten aufweisen und trotzdem dürfen die Schutzschalter nicht auslösen.

Wenn die Überlast länger ansteht, muss der Schutzschalter den Stromkreis zwingend aufmachen um Überhitzungsschäden zu vermeiden. Den Unterschied zwischen normaler und schädlicher Überlast wird durch die Auslegung der Auslösekennlinie des Schutzschalters erkannt.

Auslösekennlinien

Vier verschiene Arten von Auslösekennlinien für Schutzschalter sind lieferbar: thermisch, thermisch-magnetisch, hydraulisch-magnetisch, und reinmagnetisch. Jede Art hat einen unterschiedlichen Auslöseverhalten in Abhängigkeit vom Verhältnis zwischen Strom und Zeit, so wie unterschiedlich mechanische Eigenschaften.

Thermische Schutzschalter beinhalten einen wärmeempfindlichen Streifen- oder Diskusbimetall. Diese Technologie erlaubt eine Unterscheidung zwischen kurzzeitigen oder andauernden Überlasten durch eine verzögerte Zeit/Stromkennlinie. Sie ist besonders geeignet für die Anwendung in Maschinen und Fahrzeuge in denen hohe Anlaufströme, hervorgerufen durch den Start von Elektromotoren, Transformatoren oder Spulen, auftreten können. Manche thermischen Schutzschalter sind mit einen Heizdrahtantrieb bestückt, die dann eine schnellere Auslösekennlinie vorweisen. Benutzt werden die Schutzschalter als kostengünstige Lösung oder für Anwendungen auf Leiterplatten und sonstigen Applikationen.Thermisch-magnetische Schutzschalter kombinieren die Vorteile von thermischen und magnetischen Schutzschaltern: mit der thermischen Verzögerung kann zwischen kurzzeitigen oder andauernden Überlasten unterschieden werden. Somit können unerwünschte Auslösungen bei Anlaufströmen vermieden werden. Mit der unverzögerten magnetischen Auslösung können höhere Ströme schnell abgeschaltet werden (siehe Bild 2).

Thermische und thermisch-magnetische Schutzschalter sind beide empfindlich gegenüber Veränderungen der Umgebungstemperatur. Trotzdem können diese entsprechend ausgewählt werden, um fehlerfrei über einen breiten Temperaturbereich zu funktionieren.Magnetische Schutzschalter können mit einer hydraulischen Verzögerungseinheit kombiniert werden, um diese gegenüber Anlaufströmen unempfindlichrer zu machen. Diese hydraulisch-magnetischen Schutzschalter reagieren durch die zweistufige Auslösekennlinie ähnlich wie thermisch-magnetischen Schutzschalter – einen verzögerten Anteil, um Anlaufströme zu ignorieren und einen magnetischen Anteil, um schnell auf Kurschlüsse zu reagieren. Viele hydraulisch-magnetische Schutzschalter sind  mit verschiedenen Auslösekennlinien für besondere Anwendungen lieferbar. Hydraulisch-magnetische Schutzschalter sind nicht besonders empfindlich gegenüber Veränderungen der Umgebungstemperatur, sind aber von der Montagerichtung abhängig. Diese Geräte sollten vorzugsweise in einer vertikalen Lage montiert werden, um den Einfluss der Gravitation auf dem Magnetanker zu vermeiden. Sollte dies nicht möglich sein, ist es notwendig den Nennstrom entsprechend anzupassen.

Rein magnetische Schutzschalter werden über eine Magnetspule gesteuert und lösen quasi ohne Verzögerung aus so bald die gewählte Überstromgrenze erreicht ist. Diese Art von Auslösekurve ist geeignet für empfindliche Anlagen im Bereich Telekommunikation, Leiterplatten und Impuls gesteuerte Geräte.

Zusammenfassung

Eine Vielzahl von europäischen (EN), internationalen (IEC) und amerikanischen (UL & CSA) Normen decken die verschiedenen Anwendungen von Schutzschaltern und anderen Schutzelementen ab. Deren Anwendungsbereich umfasst ein breites Spektrum von Geräte und Anlagen. Die sorgfältige Auswahl vom adäquaten Schutzschalter kann eine entscheidende Rolle bei den Kosten und der Sicherheit von Gerät und Anwender haben. Der Nachteil dabei ist, dass der Entwicklungsingenieur sich anstrengen muss um den optimalen Schutzschalter zu spezifizieren. In Anbetracht der Kosten, die dadurch gespart werden können, lohnt sich diese Anstrengung aber ganz sicher.

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