Kennzeichnende Merkmale eines Leistungsschalters

Die grundlegenden technischen Daten eines Leistungsschalters sind:

• die Bemessungsbetriebsspannung U_e,
• die Bemessungsisolationsspannung U_i,
• die Bemessungsstoßspannungsfestigkeit U_imp,
• der Bemessungsstrom I_n,
• das Bemessungsgrenzkurzschlussausschaltvermögen I_cu,
• die Einstellströme für den Schutz bei Überlast Ir oder Kurzschluss I_m (I_sd),
• das Bemessungskurzschlussausschaltvermögen I_cn,
• das Bemessungskurzschlusseinschaltvermögen I_cm,
• die Bemessungskurzzeitstromfestigkeit I_cw,
• das Bemessungsbetriebskurzschlussausschaltvermögen I_cs.

Bemessungsbetriebsspannung (U_e)

ist die Spannung, für die der Leistungsschalter unter normalen (fehlerfreien) Bedingungen ausgelegt ist. Dem Leistungsschalter werden auch andere Spannungswerte für Fehlerbedingungen zugewiesen (siehe Abschnitt 4.3).

Bemessungsstrom (I_n)

ist der maximale Stromwert, den ein Leistungsschalter mit einem Überstromauslöserelais bei einer herstellerseitig festgelegten Umgebungstemperatur führen kann, ohne dass die festgelegten Temperaturgrenzwerte der stromführenden Teile überschritten werden.

Beispiel

Ein Leistungsschalter mit einem Bemessungsstrom von I_n = 125 A bei einer Umgebungstemperatur von 40°C wird mit einem entsprechend dimensionierten Überstromauslöserelais (eingestellt auf 125 A) ausgerüstet. Der gleiche Leistungsschalter kann auch bei höheren Umgebungstemperaturen verwendet werden, wenn dessen Bemessungsstrom entsprechend reduziert wird. Somit würde der Leistungsschalter entsprechend dem festgelegten Temperaturwert in einer Umgebungstemperatur von 50°C nur 117 A führen können, bei 60°C nur 109 A.

Die „Lastminderung” eines Leistungsschalters wird somit durch die Reduzierung des Auslösestromes des Überlastrelais erreicht. Der Leistungsschalter ist entsprechend zu kennzeichnen. Die Verwendung eines elektronischen Auslösesystems, das für hohe Temperaturen entwickelt wurde, ermöglicht bei Umgebungstemperaturen von 60°C (oder sogar 70°C) einen Leistungsschalterbetrieb (bei reduziertem Bemessungsstrom, wie beschrieben).

Hinweis: Bei Leistungsschaltern entspricht der Bemessungsstrom I_n (gemäß IEC 60947-2 (VDE 0660-101)) im Allgemeinen dem Bemessungsdauerstrom I_u.

Bemessungsstrom einer Baugröße

Einem Leistungsschalter, der mit Überstromauslösesystemen mit verschiedenen Einstellstrombereichen kombiniert werden kann, wird ein Bemessungsstrom zugewiesen, der dem höchstmöglichen Einstellwert entspricht.

Beispiel

Ein Leistungsschalter NSX630N kann mit 5 elektronischen Auslösesystemen von 150 A bis 630 A ausgerüstet werden. Der Bemessungsstrom des Leistungsschalters beträgt 630 A.

Einstellstrom

Abgesehen von kleinen Leistungsschaltern, die sehr einfach ausgetauscht werden können, sind industrielle Leistungsschalter mit abnehmbaren, d.h. austauschbaren Überstrom-Auslösesystemen ausgerüstet. Um einen Leistungsschalter an die Anforderungen des von ihm gesteuerten Stromkreises anzupassen und um die Verlegung überdimensionierter Kabel zu vermeiden, sind die Auslösesysteme im Allgemeinen einstellbar. Der Einstellstrom I_r ist der Stromwert, mit dem der Schalter dauerhaft ohne Auslösung betrieben werden kann. Bei einer Belastung oberhalb des Einstellwertes löst der Schalter gemäß den Bedingungen der IEC 60947-2 (VDE 0660-101) aus. Dieser Wert muss höher sein als der maximale Betriebsstrom des Stromkreises I_B, aber geringer als der maximal zulässige Strom im Stromkreis I_z (siehe Kapitel G, Abschnitt 1.3).

Überstromauslöserelais sind im Allgemeinen von 0,7 bis 1,0 x I_n einstellbar; bei elektronischen Geräten ist der Einstellbereich größer: typische Werte sind 0,4 bis 1 x I_n.

Beispiel (siehe Abb. H30)

Ein Leistungsschalter NSX630N mit einem Überstromauslösesystem Micrologic 2.3 (400 A), eingestellt auf 0,9, weist folgenden Auslösestrom auf: I_r = 400 x 0,9 = 360 A

Abb. H30 – 

Hinweis: Für Leistungsschalter, die mit nichteinstellbarem Überstrom-Auslöser I_r = I_n ausgerüstet sind. Beispiel: Für 20 A-Leistungsschalter C60N, I_r = I_n = 20 A.

Einstellstrom der Kurzschlussschutzeinrichtung (I_m)

Kurzschlussschutzeinrichtungen (unverzögert oder kurzzeitverzögert) sollen den Leistungsschalter bei Auftreten von hohen Fehlerströmen schnell und sicher auslösen. Ihr Auslöse-Ansprechwert I_m ist:

• entweder durch Normen für Leitungsschutzschalter für Hausinstallation oder ähnliche Zwecke, z.B. IEC 60898 (VDE 0641-11)
• oder durch den Hersteller für industrielle Leistungsschalter gemäß den entsprechenden Normen, z.B. IEC 60947-2 (VDE 0660-101) festgelegt.

Für industrielle Leistungsschalter sind unterschiedliche Auslösesysteme erhältlich, wodurch der Anwender die Leistung der Schutzfunktionen des Leistungsschalters an die speziellen Anforderungen eines Verbrauchers anpassen kann (siehe Abb. H31, Abb. H32 und Abb. H33).

	Typ des Schutzrelais	Überlastschutz	Kurzschlussschutz
Leitungsschutzschalter für die Hausinstallation IEC 60898-1 (VDE 0641-11)	Thermomagnetisch	Ir = In	niedrige Einstellung Typ B 3 In ≤ Im ≤ 5 In	Standard-Einstellung  Typ C 5 In ≤ Im ≤ 10 In	hohe Einstellung Typ D 10 In ≤ Im ≤ 20 In [2]
Modulare industrielle Leistungsschalter	Thermomagnetisch	Ir = In fest	niedrige Einstellung Typ B oder Z 3,2 In ≤ fest  ≤ 4,8 In	Standard-Einstellung  Typ C 7 In ≤ fest ≤ 10 In	hohe Einstellung D Typ K 10 In ≤ fest ≤ 14 In
Industrielle[2][3] Leistungsschalter ICE 60947-2 (VDE 0660-101)	Thermomagnetisch	Ir = In fest	Fest: Im = 7 - 10 In
		Einstellbar: 0,7 In ≤ Ir ≤ In
			Einstellbar: niedrige Einstellung: 2 bis 5 In Standard-Einstellung: 5 bis 10 In
	Elektronisch	Langzeitverzögert: 0,4 In ≤ Ir ≤ In	Kurzzeitverzögert, einstellbar: [1] 1,5 Ir ≤ Im ≤ 10 Ir unverzögert (I) fest I = 12 bis 15 In

[2] Bei industriellen Leistungsschaltern wird der Einstellwert für den Kurzschlussschutz I_m als I_sd bezeichnet.

[3] Für die industrielle Verwendung sind in den IEC-Normen keine Werte festgelegt, sondern die gebräuchlichsten Werte angegeben.

Abb. H31: Auslösestrombereiche von Überlast- und Kurzschlussschutzeinrichtungen für NS-Leitungsschutz- und NS-Leistungsschalter

Abb. H32 – Auslösekennlinie eines Leistungsschalters mit thermomagnetischer Schutzauslösung

Abb. H33 – Auslösekennlinie eines NS-Leistungsschalters mit elektronischer Schutzauslösung

Trennfunktion

Ein Leistungsschalter ist zum Trennen eines Stromkreises geeignet, wenn er alle in der betreffenden Norm beschriebenen Bedingungen für einen Trennschalter (bei dessen Bemessungsspannung) erfüllt (siehe Abschnitt 1.2). In diesem Fall wird er als Leistungsschalter mit Trennfunktion bezeichnet und wird frontseitig mit folgendem Symbol gekennzeichnet

Alle NS-Schaltgeräte der Baureihen Acti 9, Compact und Masterpact von Schneider Electric gehören zu dieser Kategorie.

Bemessungsgrenzkurzschlussausschaltvermögen (I_cu) und Bemessungskurzschlussausschaltvermögen (I_cn)

Das Kurzschlussstromausschaltvermögen eines NS-Leistungsschalters bezieht sich annähernd auf den cos φ des Stromes in der Fehlerstromschleife. Die Standardwerte für diesen Zusammenhang sind in einigen Normen angegeben.

Das Bemessungsgrenzkurzschlussausschaltvermögen eines Leistungsschalters entspricht dem höchsten (prospektiven) Stromwert, den der Leistungsschalter ohne Beschädigung ausschalten kann. Der in den Normen angegebene Stromwert ist der Effektivwert der Wechselstromkomponente des Fehlerstromes, d.h. die Gleichstromkomponente des Momentanstromes (die im schlimmsten Fall eines Kurzschlusses immer vorhanden ist) wird zur Berechnung des Standardwertes vernachlässigt. Dieser Bemessungswert (I_cu) für industrielle Leistungsschalter und (I_cn) für Leitungsschutzschalter für die Hausinstallation wird normalerweise in kA eff angegeben.

I_cu (Bemessungsgrenzkurzschlussausschaltvermögen) und Ics (Bemessungsbetriebskurzschlussausschaltvermögen) sind in IEC 60947-2 (VDE 0660-101) definiert.

Desweiteren enthält diese Norm eine Tabelle mit Vergleichswerten zwischen I_cs und I_cu für die Gebrauchskategorien A (unverzögerte Auslösung) und B (verzögerte Auslösung), wie in Abschnitt 4.3 beschrieben.

Prüfungen zum Nachweis des Bemessungskurzschlussausschaltvermögens von Leistungsschaltern sind durch Normen festgelegt und beinhalten:

• Prüffolgen mit mehreren aufeinanderfolgenden Schaltspielen, d.h. Ein- und Aus-schaltvorgänge bei Kurzschluss,
• Phasenverschiebung von Strom und Spannung. Ist der Strom in Phase mit der Versorgungsspannung (cos φ für den Stromkreis = 1), ist die Stromunterbrechung einfacher als bei jedem anderen Leistungsfaktor. Die Stromunterbrechung ist bei niedrigen cos φ-Werten schwieriger durchzuführen, wobei ein Stromkreis mit einem Leistungsfaktor von 0 (theoretisch) der unangenehmste Fall ist.

In der Praxis haben alle Netze mit Kurzschlussfehlerströmen (mehr oder weniger große) nacheilende Leistungsfaktoren und die Normen basieren auf Werten, die üblicherweise als repräsentative Werte der meisten Netze gelten. Im Allgemeinen gilt: je höher der Fehlerstrom (bei einer gegebenen Spannung), desto niedriger der Leistungsfaktor der Fehlerstromschleife, z.B. in der Nähe von Generatoren oder großen Transformatoren.

Die folgende Abb. H34 ist der IEC 60947-2 (VDE 0660-101) entnommen. Entsprechend dem Bemessungsgrenzkurzschlussausschaltvermögen Icu werden den Leistungsschaltern cos φ-Standardwerte zugewiesen:

• Im Anschluss an eine Schaltfolge Aus - Zeitverzögerung - Ein/Aus zum Prüfen des Bemessungsgrenzkurzschlussausschaltvermögens I_cu eines Leistungsschalters werden weitere Prüfungen durchgeführt zur Sicherstellung, dass:
  • die dielektrische Isolationsfestigkeit
  • die Trennungsfunktion und
  • die fehlerfreie Funktion des Überlastschutzes nicht durch die Prüfung beeinträchtigt worden sind.

Icu	cos φ
6kA <  Icu ≤ 10 kA	0,5
10 kA < Icu ≤ 20 kA	0,3
20 kA < Icu ≤ 50 kA	0,25
50 kA ≤ Icu	0,2

Abb. H34: I_cu bezogen auf den Leistungsfaktor (cos φ) von Fehlerstromkeisen (IEC 60947-2 (VDE 0660-101))