Grundsätzliches zu Schaltgeräten

Trennschalter (Trenner)

(siehe Abb. H3)

Abb. H3 – Symbol eines Trennschalters (Trenner)

Dieser Schalter wird manuell betätigt und ist verriegelbar. Er hat zwei Schaltstellungen (EIN/AUS) und gewährleistet in der AUS-Stellung, wenn diese verriegelt ist, die sichere Trennung eines Stromkreises. Die technischen Daten dieses Schalters sind in IEC 60947-3 (VDE 0660-107) festgelegt. Ein Trennschalter ist nicht für das Ein- oder Ausschalten eines Stromes ausgelegt, daher sind keine Bemessungswerte für diese Funktionen in den Normen enthalten. Dennoch muss er Kurzschlussströme führen können und ihm wird eine Bemessungskurzzeitstromfestigkeit (im Allgemeinen für 1 s) zugewiesen, sofern keine anderen Vereinbarungen zwischen Anwender und Hersteller bestehen. Dieser Wert ist normalerweise für länger anhaltende (niedrigere) betriebsmäßige Überströme, die z. B. bei einem Motorstart fließen, mehr als ausreichend. Die in den Normen festgelegten Nachweise für mechanische Lebensdauer, Überspannung und Ableitströme müssen ebenso eingehalten werden.

Lasttrennschalter

(siehe Abb. H4)

Abb. H4 – Symbol eines Lasttrenn-
schalters

Dieser Schalter wird im Allgemeinen manuell betätigt und ist ein Schaltgerät mit zwei Schaltstellungen (EIN/AUS).

Er wird für das Ein- und Ausschalten von Lasten unter normalen fehlerfreien Stromkreisbedingungen verwendet.

Er übernimmt keine Schutzfunktion für den von ihm geschalteten Stromkreis.

Die IEC 60947-3 (VDE 0660-107) definiert:

• die Schaltspiele (max. 600 Schaltspiele Ein/Aus pro Std.),
• die mechanische und elektrische Lebensdauer (im Allgemeinen kürzer als die eines Schützes),
• das Bemessungsein- und -ausschaltvermögen für normale und seltene Situationen. Beim Zuschalten eines Schaltgerätes besteht immer das Risiko, auf einen Kurzschluss zu schalten. Aus diesem Grund wird Lasttrennschaltern ein Bemessungskurzschlusseinschaltvermögen (I_cm) zugewiesen, d. h. das erfolgreiche Schließen beim Auftreten elektrodynamischer Kräfte durch einen Kurzschlussstrom ist gewährleistet. Zur Abschaltung des Kurzschlusses sind vorgeschaltete Schutzeinrichtungen vorzusehen.
• Die Gebrauchskategorie AC-23 beinhaltet das gelegentliche Ein- und Ausschalten einzelner Motoren. Im Zusammenhang mit dem Ein- und Ausschalten von Kondensatoren oder Leuchtmitteln sollten Vereinbarungen zwischen Hersteller und Anwender getroffen werden.

Die in Abbildung H5 enthaltenen Gebrauchskategorien sind nicht auf Geräte anwendbar, die normalerweise zum Starten, Beschleunigen und/oder Stoppen einzelner Motoren verwendet werden.

Beispiel

Ein Lasttrennschalter 100 A der Gebrauchskategorie AC-23 (induktive Last) muss Folgendes gewährleisten:

• Einschalten eines Stromes von 10 I_n (= 1000 A) bei einem Leistungsfaktor 0,45 nacheilend (induktiv),
• Ausschalten eines Stromes von 8 I_n (= 800 A) bei einem Leistungsfaktor 0,45 nacheilend (induktiv),
• kurzzeitig die Kurzschlussströme in geschlossener Stellung führen können.

Abb. H5 – Gebrauchskategorien von NS-Wechselspannungs-Schaltgeräten nach IEC 60947-3 (VDE 0660-107 Tabelle 3)

Gebrauchskategorie		Typische Anwendungen	Cos φ	Einschalt- strom x In	Ausschalt- strom x In	Anzahl der Schaltspiele
Häufige Schalt- vorgänge	Seltene Schalt- vorgänge
AC-20A	AC-20B	Ein- und Ausschalten ohne Last	-	-	-	-
AC-21A	AC-21B	Schalten Ohmscher Lasten, einschließlich mäßiger Überlast	0,95	1,5	1,5	5
AC-22A	AC-22B	Schalten gemischter Ohmscher und induktiver Last, einschließlich mäßiger Überlast	0,65	3	3	5
AC-23A	AC-23B	Schalten von Motorlast oder anderen induktiven Lasten	0,45 für I ≤ 100 A 0,35 für I > 100 A	10	8	5 3

Fernschalter (bistabil)

(siehe Abb. H6)

Abb. H6 – Symbol eines bistabilen Fernschalters

Dieses Schaltgerät wird sehr häufig zur Steuerung von Beleuchtungsstromkreisen verwendet. Durch Drücken eines (entfernt angeordneten) Drucktasters wird ein geschlossener Schalter geöffnet oder ein geöffneter Schalter geschlossen (bistabiler Vorgang).

Typische Anwendungen sind:

• Beleuchtung in Treppenhäusern großer Gebäude mit einer Vielzahl von Schaltstellen,
• Bühnenbeleuchtungen,
• Fabrikbeleuchtung usw.

Zusätzliche Hilfseinrichtungen ermöglichen:

• jederzeit eine Fernanzeige der Schaltstellung,
• Verzögerungsfunktionen,
• Dauerkontaktgabe Ein oder Aus.

Schütz

(siehe Abb. H7)

Abb. H7 – Schaltzeichen für ein Schütz

Ein Schütz ist ein magnetisch betätigtes Schaltgerät, das im Allgemeinen durch einen (geringen) Strom, der durch die Einschaltspule fließt, geschlossen gehalten wird (für Sonderanwendungen existieren auch Schütze mit einer mechanischen Verklinkung). Schütze sind für eine hohe Zahl an Schaltspielen (EIN/AUS) ausgelegt und werden häufig durch Ein/Aus-Drucktaster fernbetätigt. Die Anzahl sich wiederholender Schaltspiele ist in Tabelle VIII der IEC 60947-4-1 (VDE 0660-102) festgelegt durch:

• die Betriebsdauer: 8 Std.; ununterbrochen; aussetzend; zeitlich begrenzt auf 3, 10, 30, 60 und 90 min,
• die Gebrauchskategorie: z. B. kann ein Schütz der Kategorie AC3 zum Ein- und Ausschalten eines Käfigläufermotors verwendet werden,
• die Ein/Aus-Schaltspiele (1 bis 1200 Schaltspiele/Std.),
• mechanische Lebensdauer (Anzahl der lastfreien Schaltspiele),
• elektrische Lebensdauer (Anzahl der Schaltspiele unter Last),
• ein Bemessungseinschalt.- und Ausschaltvermögen entsprechend der Gebrauchskategorie.

Beispiel

Ein Schütz für 150 A der Kategorie AC3 muss mindestens ein Bemessungsausschaltvermögen vom 8-fachen Bemessungsbetriebsstrom I_e haben, d. h. das Verhältnis I_c/I_e muss mindestens 8 betragen. Daraus ergibt sich 8 x 150 A = 1200 A und ein Bemessungseinschaltvermögen von min. 10 x Einschaltstrom, d. h. das Verhältnis I/I_e muss mindestens 10 betragen. Daraus ergibt sich 10 x 150 A = 1500 A bei einem Leistungsfaktor (nacheilend) von 0,45.

Schütz mit thermischer Auslösung

Schütze mit thermischem Überlastrelais zum Schutz bei Überlast werden als „Schütze mit thermischer Auslösung” bezeichnet. Diese Schütze werden häufig mit Drucktastern zur Fernsteuerung von Beleuchtungsstromkreisen usw. verwendet und sie können auch als wichtige Komponente von Motorsteuerungen (siehe Abschnitt Schaltgerätekombinationen mit Sicherungen) betrachtet werden. Ein Schütz mit thermischer Auslösung entspricht nicht einem Leistungsschalter, denn sein Kurzschlussausschaltvermögen ist auf 8 oder 10 x I_n begrenzt. Für den Kurzschlussschutz sind daher entweder Sicherungen oder Leistungsschalter erforderlich, die den Schützkontakten vorgeschaltet werden.

Sicherungen

(siehe Abb. H8)

Abb. H8 – Schalt-zeichen für Sicherungen

Zwei Typen von NH-Sicherungseinsätzen werden häufig verwendet:

• Typ gG für Wohngebäude und ähnliche Einsatzbereiche,
• Typ gG, gM oder aM für industrielle Anlagen.

Der erste Buchstabe bezeichnet den Ausschaltbereich:

• „g”-Sicherungseinsatz (Ganzbereichs-Sicherungseinsatz),
• „a”-Sicherungseinsatz (Teilbereichs-Sicherungseinsatz).

Der zweite Buchstabe kennzeichnet die Anwendung; dieser Buchstabe bestimmt genau die Strom/Zeit-Kennlinien, konventionelle Zeiten und Ströme, Tore.

Zum Beispiel:

• „gG” kennzeichnet Ganzbereichs-Sicherungseinsätze für allgemeine Anwendung,
• „gM” kennzeichnet Ganzbereichs-Sicherungseinsätze für den Schutz von Motorstromkreisen,
• „aM” kennzeichnet Teilbereichs-Sicherungseinsätze für den Schutz von Motorstromkreisen.

Es gibt Sicherungen mit und ohne mechanische Anzeige für „Sicherung ausgelöst”. Sicherungen unterbrechen einen Stromkreis durch kontrolliertes Schmelzen des Schmelzleiters, wenn ein Strom einen gegebenen Wert für eine bestimmte Zeit überschreitet. Das Strom/Zeit-Verhältnis wird in Form einer Kennlinie für jeden Sicherungstyp dargestellt. In den Normen sind zwei Betriebsklassen definiert:

• Sicherungen für Hausinstallationen, hergestellt in Form einer Patrone für Bemessungsströme bis 100 A. Sie werden in IEC 60269-1 (VDE 0636-1) und IEC 60269-3 (VDE 0636-30) als gG-Sicherungen bezeichnet.
• Sicherungen für den industriellen Gebrauch. Sie werden in IEC 60269-1 (VDE 0636-1) und IEC 60269-2 (VDE 0636-2) als gG- Sicherungen (allgemeine Anwendung), gM- und aM-Sicherungen (für Motorstromkreise) bezeichnet.

Die Hauptunterschiede zwischen Sicherungen für Hausinstallationen und für industriellen Gebrauch sind die Nennspannungs- und stromwerte (welche für industrielle Anwendungen größere Abmessungen erforderlich machen) und ihr Bemessungsausschaltvermögen. gG-Sicherungseinsätze werden häufig zum Schutz von Motorstromkreisen verwendet, wenn die Sicherungskenndaten die hohen Ströme während des Motorstarts ohne Beschädigung zulassen.

Der gM-Sicherungstyp ist speziell für den Motorschutz für den Einsatz unter Start- und Kurzschlussbedingungen ausgelegt.

Einem gM-Sicherungseinsatz werden zwei Bemessungsdaten zugewiesen und er wird durch zwei Stromwerte charakterisiert. Der erste Wert I_n bezeichnet sowohl den Nennstrom des Sicherungseinsatzes als auch den Nennstrom des Sicherungshalters; der zweite Wert I_ch bestimmt die Strom/Zeit-Kennlinie des Sicherungseinsatzes, wie durch die Tore in den Tabellen II, III und VI der Norm IEC 60269-1 (VDE 0636-1) festgelegt.

Diese beiden Werte werden durch einen Buchstaben getrennt, der die Anwendungen bezeichnet.

Beispiel

Bei der Betriebsklasse M kennzeichnet I_ch eine Sicherung zum Schutz von Motorstromkreisen mit dem Anwendungskennbuchstaben G. Der erste Wert I_n entspricht dem maximalen Dauerstrom für die gesamte Sicherung, und der zweite Wert Ich entspricht der Betriebsklasse G des Sicherungseinsatzes. Weitere Informationen finden Sie im Hinweis am Ende des Abschnitts.

Ein aM-Sicherungseinsatz ist durch einen Stromwert I_n und die Strom/Zeit-Kennlinie gekennzeichnet; siehe hierzu Abbildung H14.

Wichtiger Hinweis: In einigen nationalen Normen sind (industrielle) gI-Sicherungen beschrieben. Diese sind den gG-Sicherungen in allen wichtigen Merkmalen sehr ähnlich. gI-Sicherungen sollten dennoch niemals in Wohngebäuden und ähnlichen Einsatzbereichen verwendet werden.

Schmelzzeiten – konventionelle Ströme

gM-Sicherungen müssen, wenn mit geringen Überlastströmen zu rechnen ist, zusätzlich mit einem Überstromrelais – das die Abschaltung des betreffenden Stromkreises (z. B. mit Hilfe eines Schützes) bewirkt – in Reihe geschaltet werden (siehe Hinweis am Ende des Abschnitts).

Die Bedingungen für das Ansprechen (Abschmelzen) einer Sicherung sind in Abhängigkeit von den Betriebsklassen in Normen festgelegt.

Sicherungen der Betriebsklasse gG

Diese Sicherungen gewährleisten den Schutz bei Überlast und Kurzschluss.

Die konventionellen Zeiten und die Prüfströme ohne Abschmelzen des Schmelzleiters und die Prüfströme (Schmelzströme) sind genormt, s. Abb. H12 und Abb. H13.

Abb. H12 – Bereiche mit und ohne dem Ansprechen für gG- und gM-Sicherungen

• Der Prüfstrom ohne Schmelzen des Sicherungseinsatzes I_nf ist der Stromwert, den ein Sicherungseinsatz für eine bestimmte Zeit ohne zu schmelzen aushalten kann.
  Beispiel: Eine 32 A-Sicherung, die für einen Strom von 1,25 I_n (d. h. 40 A) führt, darf innerhalb einer Stunde nicht schmelzen (s. Abb. H13).
• Der Prüfstrom I_f (in Abb. H12 als I₂ bezeichnet) ist der Stromwert, bei dem das Sicherungselement innerhalb der festgelegten Zeit anspricht.

Beispiel: Eine 32 A-Sicherung muss bei einem Strom von 1,6 I_n (d. h. 51,2 A) in einer Zeit von max. 1 Std. auslösen.

Die in IEC 60269-1 (VDE 0636-1) festgelegten Prüfungen fordern, dass die Strom-/Zeit-Kennlinien einer geprüften Sicherung zwischen den beiden Hüllkurven der Kennlinien, die sich aus der Norm ergeben, liegen (siehe Abb. H12). Dadurch ergibt sich, dass zwei Sicherungen, die obwohl sie die Prüfanforderungen erfüllen, unterschiedliches Auslöseverhalten haben können, d. h. sie dürfen bei gleicher Belastung zu unterschiedlichen Zeiten auslösen.

Abb. H13 – Prüfströme (mit und ohne Schmelzen) für NH-Sicherungen der Klasse gG und gM (IEC 60269-1 (VDE 0636-1) und IEC 60269-2 (VDE 0636-2))

Bemessungsstrom (In bei gG) Kennlinienstrom Ich bei gM (A)	Prüfstrom (ohne Schmelzen des Sicherungseinsatzes) Inf	Prüfstrom (Abschmelzen des Sicherungseinsatzes) If	Konventionelle Prüfdauer (h)
In ≤ 4 A	1,5 In	2,1 In	1
4 < In < 16 A	1,5 In	1,9 In	1
16 < In ≤ 63 A	1,25 In	1,6 In	1
63 < In ≤ 160 A	1,25 In	1,6 In	2
160 < In ≤ 400 A	1,25 In	1,6 In	3
400 < In	1,25 In	1,6 In	4

• Mit Hilfe der zwei vorherigen Beispiele für eine 32 A-Sicherung sowie den Hinweisen auf die in den Normen festgelegten Prüfanforderungen wird klar, warum diese Sicherungen im unteren Überlastbereich (kleine Überlastungen) ein geringes Leistungsvermögen haben.
• Daher müssen für eine Anlage Kabel/Leitungen ausgewählt werden, die über eine größere Strombelastbarkeit verfügen, als dies normalerweise für einen Stromkreis erforderlich ist, um die Auswirkungen durch langandauernde Überlastungen zu vermeiden (im ungünstigsten Fall 60 % Überlast für bis zu 1 Std.).

Im Vergleich dazu darf ein Leistungsschalter mit ähnlichem Bemessungsstrom:

• bei 1,05 I_n nicht innerhalb einer Stunde auslösen und
• muss bei 1,30 In innerhalb einer Stunde auslösen.

Sicherungen der Betriebsklasse aM (Motorschutz)

Sicherungen der Betriebsklasse aM schützen nur bei Kurzschlussströmen und müssen daher immer mit Schutzeinrichtungen für den Schutz bei Überlast geschützt werden.

Diese Sicherungen gewährleisten nur den Schutz bei Kurzschlussströmen und müssen mit einem anderen Schutz- und Schaltgerät kombiniert werden (z. B. mit einem Schütz mit thermischer Auslösung oder Leistungsschalter), um den Schutz bei Überlast bei Strömen < 4 I_n zu gewährleisten. Sie können daher nicht separat eingesetzt werden. Da aM-Sicherungen nicht bei kleinen Überlastströmen schützen sollen, wurden keine Werte für Prüfströme, die nicht zum Ansprechen führen und Prüfströme, die zum Ansprechen führen, festgelegt. Die Kennlinien zum Testen dieser Sicherungen beinhalten Fehlerstromwerte, die ca. 4 I_n überschreiten (siehe Abb. H14). Die Kennlinien der Sicherungen, die gem. IEC 60269-1 (VDE 0636-1) getestet werden, müssen im schattierten Bereich liegen.

Abb. H14 – Genormte Schmelzbereiche für alle aM-Sicherungen (alle Bemessungsströme)

Hinweis: Die kleinen „Pfeilspitzen“ im Diagramm kennzeichnen die Strom/Zeit-„Bereichswerte“ der verschiedenen getesteten Sicherungen (IEC 60269 (VDE 0636-1)).

Bemessungsausschaltvermögen

Ein Merkmal moderner Sicherungseinsätze ist das schnelle Abschmelzen des Schmelzleiters bei hohen Kurzschlussströmen . Der Strom wird vor dem Auftreten der ersten Stromspitze unterbrochen, so dass der Fehlerstrom niemals den Scheitelwert (unbeeinflusster Kurzschlussstrom) erreicht (siehe Abb. H15).

Abb. H15 – Strombegrenzung durch eine Sicherung

Diese Strombegrenzung verringert die auftretenden thermischen und dynamischen Belastungen erheblich und minimiert somit das Gefährdungspotenzial und Beschädigungsrisiko am Fehlerort. Der Bemessungsausschaltstrom der Sicherung basiert daher auf dem Effektivwert der Wechselstromkomponente des unbeeinflussten Kurzschlussstromes. Ein Bemessungseinschaltvermögen wird Sicherungen nicht zugewiesen.

Zur Erinnerung

Kurzschlussströme enthalten am Beginn des Kurzschlusses Gleichstromkomponenten, deren Stärke und Dauer vom X_L/R_L -Quotienten der Fehlerstromschleife abhängen.

In der Nähe der Quelle (Verteilungstransformator) kann das Verhältnis I_Spitze/I_eff (der Wechselstromkomponente) direkt nach Auftreten des Fehlers bis zu 2,5 betragen (gemäß IEC 60909-0 (VDE 0102), siehe Abb. H16).

Abb. H16 – Begrenzter Scheitelstrom – dem zu erwartenden Effektivwert der Wechselstromkomponente im Fehlerstrom für NH-Sicherungen gegenübergestellt.

Wie bereits erwähnt, ist X_L in den unteren (Transformator fernen) Verteilungsebenen einer Anlage im Vergleich zu RL klein, und somit beträgt in Abgangsstromkreisen:

I_Spitze/I_eff ~ 1,41. Dieser Fall wird in Abbildung H15 veranschaulicht.

Der Spitzenwert der Strombegrenzung tritt nur ein, wenn die prospektive effektive Wechselstromkomponente des Fehlerstromes einen gewissen Wert erreicht. In der Kennlinie der Abb. H16 begrenzt z. B. die 100 A-Sicherung den Spitzenstrom bei einem prospektiven Fehlerstrom (eff) von 2 kA (a). Die gleiche Sicherung begrenzt den Spitzenstrom bei einem prospektiven Strom von 20 kA eff auf 10 kA (b). Ohne eine strombegrenzende Sicherung könnte der Spitzenstrom in diesem speziellen Fall 50 kA (c) erreichen. Wie bereits erwähnt, ist R in unteren Verteilungsebenen einer Anlage viel größer als X_L, und die Fehlerströme sind im Allgemeinen niedrig. Das bedeutet, dass der Fehlerstrom häufig nicht hoch genug ist, um die Spitzenstrombegrenzung wirksam werden zu lassen. Andererseits wirken sich die Gleichspannungsspitzen (in diesem Fall) signifikant auf die Größe der Stromspitze aus.

Hinweis: Zu den Bemessungswerten von gM-Sicherungen:

Bei einer gM-Sicherung handelt es sich tatsächlich um eine gG-Sicherung, deren Sicherungseinsatz dem Stromwert I_ch (ch = charakteristisch) entspricht, z. B. 63 A. Dies ist der Wert der Prüfungen in der IEC, so dass ihre Strom/Zeit-Kennlinie mit der einer 63 A gG-Sicherung identisch ist. Dieser Wert (63 A) wurde gewählt, um bei hohen Motoranlaufströmen nicht auszulösen, da der Bemessungsbetriebsstrom I_e zwischen 10 und 20 A liegen kann. Aus diesem Grund können kleinere Sicherungskörper verwendet werden, da die im Normalbetrieb erforderliche Wärmeabführung eng mit den unteren Stromwerten korreliert (10-20 A). In dieser Situation wäre eine Standard-gM-Sicherung mit doppelten Bemessungswerten geeignet, z. B. 32M63 (d. h. I_n M I_ch).

Der erste I_n -Wert entspricht dem höchsten Dauerstrom der ganzen Sicherung und der zweite I_ch -Wert der G-Kennlinie des Sicherungseinsatzes. Es ist offensichtlich, dass trotz Gewährleistung des Kurzschlussschutzes ein Überlastschutz des Motors durch die Sicherung nicht erfolgt und somit bei der Verwendung von gM-Sicherungen immer ein separater Schutz bei Überlast (z. B. thermisches Relais, Kaltleiter) erforderlich ist. Der einzige Vorteil von gM-Sicherungen im Vergleich zu aM-Sicherungen liegt daher in den geringeren Abmessungen und den geringfügig niedrigeren Kosten. Bei Verwendung eines Kaltleiters kann diese Sicherung aber zumindest den Leitungsschutz übernehmen.