Koordination zwischen Leistungsschaltern

Kaskadenschaltung

Die Kaskadenschaltung nutzt die Eigenschaften strombegrenzender Leistungsschalter und ermöglicht somit die Installation von nachgeschalteten Schaltgeräten, Kabeln und anderen Stromkreiskomponenten mit viel geringerer Leistung, als andernfalls erforderlich wäre. Dadurch werden die Anlagenkosten verringert.

Definition der Kaskadierungstechnik

Durch Begrenzung des Spitzenwertes des ihn durchfließenden Kurzschlussstromes ermöglicht ein strombegrenzender Leistungsschalter in allen ihm nachgeschalteten Stromkreisen die Verwendung von Schaltgeräten und Stromkreiskomponenten mit viel niedrigeren Kurzschlussausschaltvermögen und geringeren thermischen und elektromechanischen Festigkeiten, als andernfalls erforderlich wären. Geringerer Platzbedarf und niedrigere Leistungsfähigkeit verringern die Kosten und vereinfachen die Montage. Zwar erhöht ein strombegrenzender Leistungsschalter (anscheinend) die Quellimpedanz der nachgeschalteten Stromkreise unter Kurzschlussbedingungen, hat jedoch unter anderen Bedingungen keinerlei derartige Auswirkungen; z. B. beim Hochlaufen großer Motoren (wo eine geringe Quellimpedanz äußerst wünschenswert ist). Die Baureihe der strombegrenzenden Leistungsschalter ComPacT NSX mit hohem Begrenzungsvermögen ist in diesem Zusammenhang besonders interessant.

Einsatzbedingungen

Im Allgemeinen sind Labortests notwendig, um sicherzustellen, dass die durch die nationalen Normen erforderlichen Einsatzbedingungen erfüllt sind. Vom Hersteller müssen kompatible Schaltgeräte-Kombinationen geliefert werden.

Die meisten nationalen Normen lassen die Kaskadierungstechnik unter der Bedingung zu, dass die von dem begrenzenden Leistungsschalter „durchgelassene” Energiemenge geringer ist, als die Energie, die alle dem Leistungsschalter nachgeschalteten Leistungsschalter und Komponenten ohne Beschädigung aufnehmen können. In der Praxis kann dies nur durch Nachbildungen im Testlabor überprüft werden. Solche Prüfungen werden von den Herstellern durchgeführt. Die Ergebnisse werden in Form von Tabellen zur Verfügung gestellt, so dass die Anwender eine Kaskadierungsschaltung planen können, die auf der Kombination von empfohlenen Leistungsschaltertypen basiert. Als Beispiel sind in Abbildung H46 die Kaskadierungsmöglichkeiten der Schneider Electric-Leistungsschalter iC60, C120 und NG125 angegeben, wenn sie den strombegrenzenden Leistungsschaltern von Schneider Electric NSX250N, H oder L (für eine Anlage mit 230/400 V oder 240/415 V 3-phasig) nachgeschaltet werden.

Abb. H46 – Beispiel für Kaskadierungsmöglichkeiten bei einer 230/400-V- oder 240/415-V-3-Phasen-Installation

Vorgeschalteter LS			NSX250
			B	F	N	H	S	L
Icu (kA)			25	36	50	70	100	150
Nachgeschalteter LS
Art	Ir (A)	Icu (kA)	Verstärktes Ausschaltvermögen (kA)
iDPN	1-40	6	10	10	10	10	10	10
iDPN N	1-16	10	20	20	20	20	20	20
	25-40	10	16	16	16	16	16	16
iC60N	0,5-40	10	20	25	30	30	30	30
	50-63	10	20	25	25	25	25	25
iC60H	0,5-40	15	25	30	30	30	30	30
	50-63	15	25	25	25	25	25	25
iC60L	0,5-25	25	25	30	30	30	30	30
	32-40	20	25	30	30	30	30	30
	50-63	15	25	25	25	25	25	25
C120N	63-125	10	25	25	25	25	25	25
C120H	63-125	15	25	25	25	25	25	25
NG125N	1-125	25		36	36	36	50	70
NG125H	1-125	36			40	50	70	100
NG125L	1-80	50			50	70	100	150

• Anmerkung: Aktuelle Kaskadierungswerte finden Sie in der Dokumentation des Herstellers, z. B. in den
  Complementary Technical Information - Selectivity, Cascading and Coordination Guide

Vorteile der Kaskadenschaltung

Von der Strombegrenzung profitieren alle nachgeschalteten Stromkreise, die von dem betroffenen strombegrenzenden Leistungsschalter geschützt werden.

Darüber hinaus können strombegrenzende Leistungsschalter an jedem beliebigen Punkt einer Anlage installiert werden, an dem die nachgeschalteten Stromkreise andernfalls unangemessen hohe Bemessungswerte erfordern würden.

Ergebnis:

• vereinfachte Berechnungen des Kurzschlussstromes,
• einfachere, d. h. größere Auswahl an nachgeschalteten Schaltgeräten und Anwendungen,
• Verwendung von Schaltgeräten und Anwendungen mit niedrigeren Leistungen, was zu niedrigeren Kosten führt,
• geringerer Platzbedarf, da Geräte mit niedrigeren Leistungen im Allgemeinen kleinere Abmessungen haben.

Prinzip der selektiven Auslösung (Selektivität)

Es kann Volle oder Teilselektivität bestehen, die auf den Stromwerten oder Verzögerungszeiten der entsprechenden Leistungsschalter basiert (oder auf einer Kombination aus beiden). Die in jüngster Zeit entwickelte Selektivitätsart ist die Energie-Selektivität. Ein (patentiertes) System von Schneider Electric nutzt sowohl die Vorteile der Strombegrenzung als auch der Selektivität.

Selektivität wird durch automatische Schutzgeräte erreicht, wenn ein an einem beliebigen Punkt der Anlage auftretender Fehler, durch das dem Fehler unmittelbar vorgeschaltete Schutzgerät abgeschaltet wird, während alle anderen Schutzgeräte geschlossen bleiben (siehe Abb. H50).

Abb. H47 – Volle und Teilselektivität

Es besteht volle Selektivität zwischen den Leistungsschaltern A und B, wenn der maximale Wert des Kurzschlussstromes im Stromkreis B (I_kb) den Einstellstrom des Kurzschlussschutzes des Leistungsschalters A (I_mA) nicht überschreitet. In diesem Fall löst nur B aus (siehe Abb. H47).

Abb. H48 – volle Selektivität zwischen Leistungsschaltern A und B

Es besteht Teilselektivität, wenn der maximal mögliche Kurzschlussstrom im Stromkreis B den Einstellstrom des Kurzschlussschutzes des Leistungsschalters A überschreitet. In diesem Fall lösen sowohl A als auch B aus (siehe Abb. H49).

Abb. H49 – Teilselektivität zwischen Leistungsschaltern A und B

Überlastschutz: Stromselektivität durch Staffelung der Stromwerte

(s. Abb. H50a)

Abb. H50 – Selektivitätstechniken

• 

  [a]  Stromselektivität

• 

  [b]  Zeitselektivität

• 

  [c]  Kombination aus Strom.- und Zeitselektivität

• 

  [d]  Energieselektivität

Hier werden gestaffelte Ansprechwerte vom nachgeschalteten Schutzorgan (niedrigere Einstellwerte) bis zur Einspeisung (höhere Einstellwerte) eingestellt. Abhängig von bestimmten Bedingungen ist volle oder Teilselektivität gegeben (siehe oben).

Als Anhaltswert für Selektivität beim Anlagenschutz gilt:

[math]\displaystyle{ \frac {IrA}{IrB} \gt 2 }[/math]

(Bei Einsatz elektronischer Auslöser sind auch kleinere Verhältnisse bis zum Faktor 1,3 realisierbar.)

Schutz gegen niedrige Kurzschlussströme: Zeitselektivität durch gestaffelte Verzögerungszeiten

(siehe Abb. H50b)

Diese Methode nutzt die Einstellungen verzögerter Auslösesysteme. Den nachgeschalteten Schutzorganen werden die kürzesten Verzögerungszeiten zugewiesen. Je näher sich die Schutzorgane an der Einspeisung befinden, desto länger sind die Verzögerungen.

In der hier dargestellten Form ist der vorgeschaltete Leistungsschalter A hinreichend verzögert, um eine volle Selektivität mit B (z. B.: MasterPacT mit elektronischem Auslösesystem) zu gewährleisten.

Selektivität durch Kombination der beiden vorherigen Methoden

(siehe Abb. H50c)

Selektivität durch Auslöseverzögerungen in Kombination mit stromabhängiger Selektivität kann das gesamte Selektivitätsniveau erhöhen.

Die vorgeschalteten Leistungsschalter haben zwei schnell ansprechende magnetische Auslöseschwellwerte:

• I_mA: verzögerte magnetische Auslösung oder kurzzeitverzögerte elektronische Auslösung
• I_i: unverzögerte Auslösung

Es besteht volle Selektivität, wenn I_kB < I_iA (unverzögert).

Schutz gegen hohe Kurzschlussströme: Selektivität durch Lichtbogenenergie

(siehe Abb. H50d)
Diese in den Produkten der Reihe ComPacT NSX (strombegrenzende Leistungsschalter) implementierte Technik ist bei der Realiserung einer vollen Selektivität sehr effektiv.

Prinzip: Wird ein sehr hoher Kurzschlussstrom von den zwei Leistungsschaltern A und B erfasst, öffnen sich ihre Kontakte gleichzeitig. Der Strom wird folglich stark begrenzt.

• Die hohe Lichtbogenenergie bei B bewirkt das Auslösen des Leistungsschalters B.
• Anschießend wird die Lichtbogenenergie bei A begrenzt und reicht somit nicht zum Auslösen von A aus.

Als Anhaltswert gilt, dass ab einem Verhältnis von 2,5 zwischen A und B eine volle Selektivität zwischen den Leistungsschaltern ComPacT NSX gewährleistet ist.

Stromselektivität

Stromselektivität wird durch gestaffelte Einstellstromwerte der unverzögerten magnetischen Auslöseelemente erreicht.

Stromselektivität wird vorzugsweise mit strombegrenzenden Leistungsschaltern und gestaffelten Einstellstromwerten des unverzögerten magnetischen Auslöseelementes erreicht.

• Der nachgeschaltete Leistungsschalter ist strombegrenzend:

Eine Verbesserung der selektiven Auslösung wird durch Verwendung eines strombegrenzenden Leistungsschalters B erreicht. Bei einem, dem Schalter B nachgelagerten Kurzschluss würde der begrenzte Spitzenstromwert IB das (entsprechend eingestellte) magnetische Auslösesystem von B auslösen, wäre aber zu niedrig, um Leistungsschalter A auszulösen.

• Der nachgeschaltete Leistungsschalter ist kein strombegrenzender Schalter:

Eine volle Selektivität ist in diesem Fall praktisch unmöglich, da I_kA ≈ I_kB und somit beide Leistungsschalter im Allgemeinen gleichzeitig auslösen. In diesem Fall besteht Teilselektivität, die auf Im des vorgeschalteten Leistungsschalters begrenzt ist (s. Abb. H52).

Hinweis: Alle (betrachteten) NS-Schalter sind bedingt strombegrenzend, auch wenn sie nicht als solche klassifiziert sind. Dies ist die Erklärung für den Kennlinienverlauf des Standard-Leistungsschalters A in Abb. H51). Sorgsame Berechnung und Prüfung sind bei dieser Konstellation zwingend erforderlich, um zufriedenstellende Ergebnisse erzielen zu können.

Abb. H51 – Nachgeschalteter strombegrenzender Leistungsschalter B

• Der vorgeschaltete Leistungsschalter ist ein Hochgeschwindigkeitsschalter mit Kurzzeitverzögerung (short-time-delay = SD).

Dieser Leistungsschalter ist mit einem Auslösesystem ausgerüstet, das über eine nichteinstellbare mechanische Kurzzeitverzögerung verfügt. Die Verzögerung reicht aus, um volle Selektivität mit einem nachgeschalteten (unverzögertem) Hochgeschwindigkeits-Leistungsschalter bei beliebigen Kurzschlussstromwerten bis IiA zu gewährleisten (siehe Abb. H52).

Abb. H52 – Verwendung eines „selektiven” vorgeschalteten Leistungsschalters

Beispiel

Leistungsschalter A: ComPacT NSX160N mit Auslösesystem Micrologic 2.2 mit Kurzzeitverzögerung.

I_r = 160 A, magnetische Auslösung bei max. 1600 A

Leistungsschalter B: ComPacT NSX100N mit Auslösesystem Micrologic 2.2 ohne Kurzzeitverzögerung. I_r = 100 A

I_m „Technischen Handbuch Niederspannung“ von Schneider Electric (Bestell-Nr.: ZXTHPLANUNGNS) wird ein Selektivitätsgrenzwert von 2400 A angegeben. Bei Verwendung eines Thermomagnetischen Auslösers in Leistungsschalter A beträgt der Selektivitätsgrenzwert lediglich noch 1250 A.

Zeitselektivität

Für die Selektivität durch verzögerte Auslösung werden Leistungsschalter verwendet, die (in einigen Ländern) als „selektive Leistungsschalter” bezeichnet werden.

Die Anwendung dieser Leistungsschalter ist relativ einfach und besteht in der Einstellung von gestaffelten Verzögerungen der Auslösezeiten für die verschiedenen, in Reihe geschalteten Leistungsschalter.

Diese Technik erfordert:

• die Einstellung von Verzögerungszeiten am Auslösemechanismus der Leistungsschalter,
• Leistungsschalter mit geeigneter thermischer und mechanischer Festigkeit für die zu erwartenden hohen Strom- und Energiewerte durch die Verzögerungen.

Zwei in Reihe geschaltete Leistungsschalter A und B (die den gleichen Überlaststrom tragen) sind selektiv, wenn die Stromausschaltdauer des nachgeschalteten Leistungsschalters B kürzer ist, als die Nichtauslösezeit des Leistungsschalters A.

Abb. H53 – Selektivität über 4 Verteilebenen

Praktisches Beispiel für die Selektivität zwischen verschiedenen Ebenen mit offenen Leistungsschaltern vom Typ MasterPacT (mit elektronischen Auslösesystemen) von Schneider Electric:

Diesen Leistungsschaltern können vier einstellbare Verzögerungszeitschritte zugewiesen werden:

• Der einem bestimmten Schritt entsprechende Verzögerungszeitwert ist größer als die Stromausschaltzeit des nächst niedrigeren Schrittes.
• Die Verzögerung des ersten Schrittes übersteigt die Gesamtausschaltzeit von Hochgeschwindigkeitsleistungsschaltern (z. B. ComPacT NSX) oder Sicherungen (Abb. H54).

Abb. H54 – Selektivität durch Auslöseverzögerung

Energieselektivität mit Strombegrenzung

Zur Kaskadierung zweier Geräte wird normalerweise der Auslösevorgang des vorgeschalteten Leistungsschalters A zur Unterstützung des nachgeschalteten Leistungsschalters B beim Unterbrechen des Stromes genutzt. Der Selektivitätsgrenzwert I_s entspricht dem gesamten Ausschaltstrom I_cuB von Leistungsschalter B allein, da bei einer Kaskadenschaltung beide Geräte auslösen müssen.

Die in den Leistungsschaltern ComPacT NSX implementierte Energieselektivitätstechnik ermöglicht eine Verbesserung der Selektivitätsgrenze auf einen Wert, der den Gesamtausschaltstrom I_cuB des nachgeschalteten Leistungsschalters übersteigt. Dieser Technik liegt das folgende Prinzip zugrunde:

• Der nachgeschaltete begrenzende Leistungsschalter B stellt einen sehr hohen Kurzschlussstrom fest. Er löst sehr schnell aus (< 10 ms) und begrenzt dadurch den Strom.
• Der vorgeschaltete Leistungsschalter A stellt einen, verglichen mit seinem Ausschaltvermögen, begrenzten Kurzschlussstrom fest, der allerdings eine Kontaktrepulsion bewirkt.

Durch die Überschlagsspannung erhöht sich infolgedessen die Strombegrenzung. Die Lichtbogenenergie reicht für das Auslösen des Leistungsschalters A allerdings nicht aus. Der Leistungsschalter A unterstützt also das Auslösen von Leistungsschalter B, ohne selbst auszulösen. Der Selektivitätsgrenzwert kann höher sein als I_cuB, und die volle Selektivität ist bei geringeren Gerätekosten gewährleistet.

Natürliche volle Selektivität mit ComPacT NSX

Der wichtigste Vorteil der Baureihe ComPacT NSX ist die Gewährleistung einer natürlichen vollen Selektivität zwischen zwei in Reihe geschalteten Geräten, wenn:

• das Verhältnis der zwei eingestellten Ansprechschwellen größer als 1,6 ist,
• das Verhältnis zwischen den Bemessungsströmen der zwei Leistungsschalter größer als 2,5 ist.

Logische Selektivität oder Zonenselektivität ZSI

Elektronische Selektivitätskonzepte lassen sich mit entsprechend geeigneten Leistungsschaltern mit elektronischen Auslösesystemen (ComPacT, MasterPacT von Schneider Electric), die über Steuerleitungen miteinander verbunden sind, realisieren.

Diese Selektivitätstechnik erfordert Leistungsschalter mit elektronischen, für diese Anwendung entwickelten Auslösesystemen sowie Steuerleitungen für den Informationsaustausch zwischen den Leistungsschaltern.

Leistungsschalter A löst in 2 Ebenen (A und B) (s. Abb. H55) unverzögert aus, es sei denn, das Relais von Leistungsschalter B sendet ein Signal zur Bestätigung, dass der Fehler B nachgelagert ist. Dieses Signal bewirkt eine Verzögerung des Auslösesystems von A und dadurch einen zusätzlichen Schutz für den Fall, dass B den Fehler nicht abschaltet, usw.

Abb. H55 – Logische Selektivität

Dieses System (patentiert durch Schneider Electric) ermöglicht ebenso eine schnelle Fehlerlokalisierung.