Auswahl eines Leistungsschalters

Wahl eines Leistungsschalters

Die Wahl einer Leistungsschalterbaureihe wird bestimmt durch: die elektrischen Kenndaten der Anlage, die Umgebung, die Verbraucher und die Notwendigkeit einer Fernsteuerung, zusammen mit dem Typ des vorgesehenen Fernwirksystems.

Die Wahl eines Leistungsschalters hängt ab von:

• den elektrischen Kenndaten der Anlage, für die der Leistungsschalter vorgesehen werden soll,
• den Umgebungsbedingungen: Umgebungstemperatur in einem Gehäuse oder Schaltschrank, klimatische Bedingungen usw.,
• dem erforderlichen Kurzschlussstromausschalt- und -einschaltvermögen,
• den Betriebsspezifikationen: selektive Auslösung, Kaskade/Backup-Schutz, Notwendigkeit (oder nicht) einer Fernsteuerung und -anzeige und der entsprechenden Hilfsschalter, Hilfsauslösespulen, Anschluss,
• den Anlagenvorschriften (Arbeitssicherheit),
• den Verbraucherkenndaten, z.B. von Motoren, Beleuchtung, NS/NS-Transformatoren

Folgende Hinweise betreffen die Wahl von NS-Leistungsschaltern zur Verwendung in Verteilungssystemen.

Wahl des Bemessungsstromes in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur

Der Bemessungsstrom eines Leistungsschalters wird für den Betrieb bei einer gegebenen Umgebungstemperatur festgelegt, im Allgemeinen:

• 30°C für Leitungsschutzschalter für die Hausinstallation
• 40°C für Leistungsschalter

Die Leistung dieser Leitungsschutzschalter/Leistungsschalter bei anderen Umgebungstemperaturen hängt hauptsächlich von der Technik ihrer Auslösesysteme ab (siehe Abb. H40).

Abb. H40: Umgebungstemperatur

Temperaturabhängige thermomagnetische Auslösesysteme

Leistungsschalter mit einem temperaturabhängigen thermischen Auslösesystem haben einen von der Umgebungstemperatur abhängigen Auslösestromwert.

Der Auslösestrom von Leistungsschaltern mit Überstromauslösern hängt von der Umgebungstemperatur ab. Für Leitungsschutzschalter, die in einem Gehäuse oder in einem (stark) beheizten Raum (Heizungskeller usw.) untergebracht sind, sinkt der Auslösestrom bei Überlast. Übersteigt die Umgebungstemperatur die

Referenztemperatur des Leitungsschutzschalters, so spricht man von einer „Nennstromreduktion” des Leitungsschutzschalters. Aus diesem Grund liefern die Hersteller dieser Geräte Tabellen mit den jeweiligen Bemessungsströmen bei abweichender Umgebungstemperatur. Die typischen Tabellen in Abb. H41 zeigen, dass Leitungsschutzschalter, die in Anlagen mit niedrigeren

Umgebungstemperaturen als der Referenztemperatur errichtet sind, bedingt höher belastet werden können. Werden modular anreihbare Leitungsschutzschalter gemeinsam in einem kleinen Metallgehäuse untergebracht (siehe Abbildung H27), sind aufgrund der Erwärmung durch die Lastströme die zulässigen Bemessungsströme weiter um den Faktor 0,8 zu vermindern.

Leitungsschutzschalter iC60N: Kennlinien B und C (Referenztemperatur: 30°C)

Bemessungsstrom (A)	20 °C	25 °C	30 °C	35 °C	40 °C	45 °C	50 °C	55 °C	60 °C
1	1,05	1,02	1,00	0,98	0,95	0,93	0,90	0,88	0,85
2	2,08	2,04	2,00	1,96	1,92	1,88	1,84	1,80	1,74
3	3,18	3,09	3,00	2,91	2,82	2,70	2,61	2,49	2,37
4	4,24	4,12	4,00	3,88	3,76	3,64	3,52	3,36	3,24
6	6,24	6,12	6,00	5,88	5,76	5,64	5,52	5,40	5,30
10	10,6	10,3	10,0	9,70	9,30	9,00	8,60	8,20	7,80
16	16,8	16,5	16,0	15,5	15,2	14,7	14,2	13,8	13,5
20	21,0	20,6	20,0	19,4	19,0	18,4	17,8	17,4	16,8
25	26,2	25,7	25,0	24,2	23,7	23,0	22,2	21,5	20,7
32	33,5	32,9	32,0	31,4	30,4	29,8	28,4	28,2	27,5
40	42,0	41,2	40,0	38,8	38,0	36,8	35,6	34,4	33,2
50	52,5	51,5	50,0	48,5	47,4	45,5	44,0	42,5	40,5
63	66,2	64,9	63,0	61,1	58,0	56,7	54,2	51,7	49,2

Compact-Schalter vom Typ NSX250N/H/L mit thermomagnetischen Auslösesystemen (Referenztemperatur: 40°C)

Bemessungsstrom (A)	40 °C	45 °C	50 °C	55 °C	60 °C
160	160	156	152	148	144
200	200	195	190	185	180
250	250	244	238	231	225

Abb. H41: Tabellenbeispiele zur Bestimmung der auf Leistungsschalter mit temperaturabhängigen Überstromauslösern anzuwendenden Reduktions-/Erhöhungfaktoren

Beispiel

Welcher Bemessungsstrom (I_n) muss für einen Leitungsschutzschalter C60 N unter folgenden Bedingungen gewählt werden?

• Schutz eines Stromkreises, dessen maximaler Betriebsstrom 34 A beträgt,
• Einbau nebeneinander, mit anderen Leitungsschutzschaltern in einem geschlossenen Installationsverteiler,
• bei einer Umgebungstemperatur von 50°C.

Bei einem Leitungsschutzschalter C60N mit einem Bemessungsstrom von 40 A würde sich bei einer Umgebungstemperatur von 50°C der Bemessungsstrom von 40 A auf 35,6 A reduzieren (siehe Abb. H41). Um aber die gegenseitige Erwärmung im Gehäuse zu berücksichtigen, muss der oben erwähnte Faktor 0,8 verwendet werden.

Daraus ergibt sich: 35,6 x 0,8 = 28,5 A.

Dieser Wert ist nicht für den Betriebsstrom von 34 A geeignet.

Daher würde man hier einen Leitungsschutzschalter mit einem Bemessungsstrom von 50 A wählen, da sich der Bemessungsstrom folgendermaßen reduziert: 44 x 0,8 = 35,2 A

Temperaturunabhängige thermomagnetische Auslösesysteme

Diese Auslösesysteme enthalten einen temperaturunabhängigen Bimetall-Streifen, der die Einstellung des Überlastschutzes I_r innerhalb eines festgelegten Bereiches, unabhängig von der Umgebungstemperatur, ermöglicht. Zum Beispiel:

• In einigen Ländern wird in NS-Verteilungen standardmäßig ein TT-Erdungssystem vorgesehen. Für Anlagen, die direkt am Netz des Netzbetreibers angeschlossen sind (Haushalt und ähnliche Anwendungen), werden selektive Hauptleitungsschutzschalter eingesetzt. Dieser Hauptleitungsschutzschalter schützt gegen Gefahr und löst bei Überlast aus, d.h. in dem Fall, wenn der Verbraucher den im Liefervertrag mit dem Netzbetreiber festgelegten Stromwert überschreitet. Der Leitungsschutzschalter (≤ 60 A) arbeitet temperaturunabhängig innerhalb eines Temperaturbereiches von -5°C…+40°C.
• NS-Leistungsschalter mit Bemessungsströmen ≤ 630 A sind häufig mit temperaturunabhängigen Auslösesystemen für diesen Bereich (-5°C…+40°C) ausgerüstet.

Elektronische Auslösesysteme

Elektronische Auslösesysteme sind gegenüber Temperaturschwankungen unempfindlich.

Ein wichtiger Vorteil elektronischer Auslösesysteme ist deren stabile Leistung unter schwankenden Temperaturbedingungen. Dennoch ergeben sich oft durch das Schaltgerät selbst betriebliche Grenzen unter höheren Temperaturen, so dass die Hersteller im Allgemeinen ein Diagramm mit den maximal zulässigen Auslösestromwerten, bezogen auf die Umgebungstemperatur zur Verfügung stellen (s. Abb. H42).

Masterpact NW20 Ausführung			40°C	45°C	50°C	55°C	60°C
H1/H2/H3	In Einschubtechnik Anschluss flachkant (horizontal)	In (A)	2000	2000	2000	1980	1890
		Maximale Einstellung Ir	1	1	1	0,98	0,95
L1	In Einschubtechnik Anschluss hochkant (vertikal)	In (A)	2000	2000	1900	1850	1800
		Maximale Einstellung Ir	1	1	0,95	0,93	0,90

Abb. H42 – Temperaturabhängige Stromreduktion des Leistungsschalters Masterpact NW20

Auswahl eines unverzögerten oder kurzzeitverzögerten Auslöseansprechwertes

Abbildung H43 unten fasst die wichtigsten Eigenschaften eines unverzögerten oder kurzzeitverzögerten Auslösesystems zusammen.

Typ	Auslösesystem	Anwendungen
	Niedrige Einstellung Typ B	Schutz von Quellen mit niedrigem   Kurzschlussstrom (z.B. Generatoren) Leitungsschutz
	Standardeinstellung Typ C	Schutz von Stromkreisen (allgemein)
	Hohe Einstellung Typ D oder K	Schutz von Stromkreisen mit hohen Anlaufströmen (z.B. Motoren, Transformatoren, induktive Lasten)
	12 In Typ MA	Schutz von Motoren in Kombination mit einem Schütz (Schütz mit Überlastschutz)

Abb. H43: Verschiedene Auslösesysteme, unverzögert oder kurzzeitverzögert

Auswahl eines Leistungsschalters entsprechend dem erforderlichen Kurzschlussausschaltvermögen

Der Einbau eines NS-Leistungsschalters setzt voraus, dass sein Kurzschlussausschaltvermögen (oder das des Leistungsschalters zusammen mit einem kombinierten Gerät) gleich oder höher ist, als der berechnete prospektive Kurzschlussstrom an seinem Einbauort.

Der Einsatz eines Leistungsschalters in einer NS-Anlage muss eine der beiden folgenden Bedingungen erfüllen:

• Entweder hat der Schalter ein Bemessungsgrenzkurzschlussausschaltvermögen I_cu (oder I_cn), das gleich oder größer ist als der prospektive Kurzschlussstrom, der für seinen Einbauort in der elektrischen Anlage berechnet wurde,
• oder andernfalls wird der Schalter mit einem anderen, ihm vorgeschalteten Gerät kombiniert, welches über das erforderliche Kurzschlussausschaltvermögen verfügt.

Im zweiten Fall müssen die Kenndaten der zwei Geräte so aufeinander abgestimmt sein, dass die zulässige Durchlassenergie des vorgeschalteten Gerätes die Energiemenge nicht überschreiten darf, die die nachgeschalteten Schaltgeräte und alle dazugehörigen Betriebsmittel der Installation (Kabel, Leitungen und andere Komponenten) ohne Beschädigung aufnehmen können. Diese Technik wird erfolgreich eingesetzt in:

• Kombinationen von Sicherungen mit Leistungsschaltern,
• Kombinationen von strombegrenzenden Leistungsschaltern mit Standard-Leistungsschaltern.

Diese technische Lösung wird als „Kaskadenschaltung” bezeichnet (s. Abschnitt 4.5 in diesem Kapitel).

Auswahl von Einspeise- und Abgangsleistungsschaltern

Das Kurzschlussausschaltvermögen des Leistungsschalters in jedem Abgang des Verteilers muss einem höheren Fehlerstrom entsprechen, als dem der durch jeden der anderen Transformator-Einspeiseschalter fließt.

Ein einziger Transformator

Befindet sich der Transformator in einer Verbraucherstation, wird in einigen nationalen Normen ein NS-Leistungsschalter gefordert, bei dem die offenen Kontakte eindeutig sichtbar sein müssen. Ein Beispiel hierfür ist der Leistungsschalter Compact NSX in Einschubtechnik, bei dem in Trennstellung die offenen Kontakte zu sehen sind.

Beispiel

(siehe Abb. H44)

Abb. H44 – Beispiel eines Transformators in einer Verbraucherstation

Welcher Leistungsschaltertyp ist als Einspeiseschalter für eine Anlage geeignet, die durch einen Verteilungstransformator mit einer Leistung von 250 kVA (400 V) 3-phasig in einer Verbraucherstation versorgt wird?

I_n Transformator = 360 A

I_k”(3-phasig) = 9 kA

Ein Compact NSX400N mit einem einstellbaren Auslösesystem von 160 A…400 A und einem Kurzschlussausschaltvermögen (I_cu) von 50 kA wäre für diesen Zweck geeignet.

Mehrere parallelgeschaltete Transformatoren

(siehe Abb. H45)

Abb. H45 – Parallelgeschaltete Transformatoren

• Die Abgangsleistungsschalter (LS-A) am Ausgang der NS-Verteilungsanlage müssen jeweils den Gesamtfehlerstrom aller an die Sammelschienen angeschlossenen Transformatoren ausschalten können, d.h.: Ik_Tr1 + Ik_Tr2 + Ik_Tr3.
• Die Einspeiseleistungsschalter (LS-E) steuern jeweils den Ausgang eines Transformators und müssen im Falle eines, dem Leistungsschalter LS-E1 vorgeschalteten Kurzschlusses, nur einen maximalen Kurzschlussstrom von (z.B.) Ik_Tr2 + Ik_Tr3 standhalten. Daraus folgt, dass der Einspeiseleistungsschalter des kleinsten Transformators unter diesen Umständen dem höchsten Kurzschlussstrom und der Einspeiseleistungsschalter des größten Transformators dem niedrigsten Kurzschlussstrom ausgesetzt ist.
• Die Bemessungswerte der Einspeiseleistungsschalter müssen entsprechend den Bemessungsleistungen der entsprechenden Transformatoren und den Netzbedingungen gewählt werden.

Hinweis: Die grundlegenden Bedingungen für den einwandfreien Betrieb von 3-phasigen parallelgeschalteten Transformatoren werden wie folgt zusammengefasst:

1. Die Phasenverschiebung der Primär- und Sekundärspannungen muss in allen parallelgeschalteten Anlagen identisch sein.

2. Das Verhältnis der Klemmenspannungen zwischen Primär- und Sekundärseite muss in allen Anlagen identisch sein.

3. Die Kurzschlussspannung U_kr/% muss für alle Anlagen identisch sein.

Beispiel: Ein 800 kVA-Transformator mit U_kr = 6 % teilt sich die Last proportional zur Bemessungsleistung eines parallelgeschalteten 1000 kVA-Transformators mit U_kr = 6 %. Das Parallelschalten von Transformatoren, deren Bemessungsleistung ein größeres Verhältnis als 1:2 aufweisen, wird nicht empfohlen.

Abbildung H46 gibt für die häufigsten Anordnungen (2 oder 3 Transformatoren mit identischen Bemessungsleistungen) die maximalen Kurzschlussströme an, denen die Einspeise- und Abgangsleistungsschalter (jeweils LS-E und LS-A, siehe Abbildung 47) ausgesetzt sind. Die Angaben basieren auf folgenden Annahmen:

• Die 3-phasige Kurzschlussleistung auf der HS-Seite des Transformators beträgt 500 MVA.
• Bei den Transformatoren handelt es sich um standardmäßige 20/0,4 kV-Verteiltransformatoren mit den aufgelisteten Bemessungswerten.
• Die Kabel zwischen den Transformatoren und den entsprechenden NS-Leistungsschaltern bestehen aus 5 m langen einadrigen Kabeln/Leitungen.
• Zwischen jedem Eingangsleistungsschalter LS-E und jedem Abgangsleistungsschalter LS-A befindet sich eine 1 m lange Sammelschiene.
• Die Schaltgeräte sind in einer Niederspannungsschaltanlage installiert, die Umgebungstemperatur beträgt 30°C.

Desweiteren enthält diese Tabelle ausgewählte Leistungsschalter von Schneider Electric, die jeweils als Einspeise- und Abgangsleistungsschalter empfohlen werden.

Anzahl und Bemessungs- leistung (kVA) der 20/0,4 kV-Transformatoren	Mindestkurzschlussaus- schaltvermögen der Haupt- leistungsschalter (Icu) kA	Hauptleistungsschalter (LS-E) vollständige Selektivität mit Abgangsleistungsschaltern (LS-A)	Mindestkurzschlussausschalt- vermögen der Abgangs- leistungsschalter (Icu) kA	Abgangsschalter (LS-A) Bemessungsstrom (In) 250A
2 x 400	14	MTZ2 08N1/ NW08N1/ NS800N	28	NSX250F
3 x 400	28	MTZ2 08N1/ NW08N1/ NS800N	42	NSX250N
2 x 630	22	MTZ2 10N1/ NW10N1/ NS1000N	44	NSX250N
3 x 630	44	MTZ2 10H1/ NW10H1/ NS1000N	66	NSX250H
2 x 800	19	MTZ2 12N1/ NW12N1/ NS1250N	38	NSX250N
3 x 800	38	MTZ2 12N1/ NW12N1/ NS1250N	57	NSX250H
2 x 1000	23	MTZ2 16N1/ NW16N1/ NS1600N	46	NSX250N
3 x 1000	46	MZZ2 16H1/ NW16H1/ NS1600N	69	NSX250H
2 x 1250	29	MTZ2 20N1/ NW20N1/ NS2000N	58	NSX250H
3 x 1250	58	MTZ2 20H1/ NW20H1/ NS2000N	87	NSX250S
2 x 1600	36	MTZ2 25N1/ NW25N1/ NS2500N	72	NSX250S
3 x 1600	72	MTZ2 25H2/ NW25H2/ NS2500H	108	NSX250L
2 x 2000	45	MTZ2 32H1/ NW32H1/ NS3200N	90	NSX250S
3 x 2000	90	MTZ2 32H2/ NW32H2	135	NSX250L

Abb. H46: Durch Einspeise- und Abgangsleistungsschalter (jeweils LS-E und LS-A) zu unterbrechende max. Kurzschlussstromwerte bei mehreren

parallelgeschalteten Transformatoren bis 630 kVA Uk = 4 %, ab 800 kVA Uk = 6 %.

Diese Leistungsschalter bieten folgende Vorteile:

• volle Selektivität mit den vorgeschalteten Einspeiseleistungsschaltern (LS-E)
• Nutzung der Kaskadentechnik mit den entsprechenden Vorteilen für alle nachgeschalteten Komponenten.

Beispiel (siehe Abb. H47)

• Auswahl eines Leistungsschalters als Hauptleistungsschalter:

Für einen 800 kVA-Transformator mit I_n = 1155 A; I_{cu (min.)} = 38 kA (aus Abb. H46) wird in der Tabelle als Hauptleistungsschalter der Masterpact NW12N1 (I_cu = 42 kA) angegeben.

• Auswahl eines Leistungsschalters als Abgangsleistungsschalter:

Das für diese Leistungsschalter erforderliche Kurzschlussausschaltvermögen (I_cu)beträgt gemäß Abb. H46 56 kA.

Für die drei Abgangsstromkreise 1, 2 und 3 werden die strombegrenzenden Leistungsschalter NSX400H, NSX250H und NSX100H empfohlen. Der I_cu -Bemessungswert beträgt jeweils 70 kA.

Abb. H47 – Parallelgeschaltete Transformatoren

Auswahl abgangsseitiger Leistungsschalter

Die Kurzschlussfehlerstromwerte an jedem Punkt der Anlage können Tabellen entnommen werden.

Benutzung der Tabelle G38

(siehe Kapitel G, Abb. G38)

Mit Hilfe dieser Tabelle kann der Wert eines dreiphasigen Kurzschlussstromes schnell für jeden Punkt einer Anlage bestimmt werden. Dazu muss Folgendes bekannt sein:

• der Wert des Kurzschlussstromes an einem Punkt, der dem beabsichtigten Einbauort des betreffenden Leistungsschalters vorgeschaltet ist,
• die Gesamtlänge und Beschaffenheit der Leiter zwischen den zwei Punkten.

Dann ist ein Leistungsschalter mit einem höheren Bemessungskurzschlussausschaltvermögen als in der Tabelle angegeben zu wählen.

Genaue Berechnung des Kurzschlussstromwertes

Um den Kurzschlussstromwert genauer zu berechnen, wenn das Kurzschlussstromausschaltvermögen eines Leistungsschalters geringfügig unter dem Tabellenwert liegt, ist nach der in Kapitel G Abschnitt 4 beschriebenen Methode vorzugehen.

Zweipolige Leistungsschalter (für Außenleiter und Neutralleiter) mit nur einem geschützten Pol

Diese Leistungsschalter werden im Allgemeinen nur mit einer Überstromschutzeinrichtung am Phasenpol geliefert und können in allen Installationssystemen nach Art der Erdverbindung (TT, TN und IT-Systemen) verwendet werden. In einem IT-System müssen jedoch die folgenden Bedingungen beachtet werden:

• Bedingung (B) in der Abb. G64 für den Überstromschutz des Neutralleiters im Fall eines Doppelfehlers.
• Bemessungskurzschlussstromausschaltvermögen: Ein 2-poliger Leistungsschalter zwischen Außenleiter/Neutralleiter muss an einem der Pole (bei Außenleiter/Außenleiter-Spannung) im Falle eines Doppelfehlers einen Strom ausschalten können, der 15 % des dreiphasigen Kurzschlussstromes am jeweiligen Einbauort entspricht, wenn dieser Strom ≤ 10 kA ist; oder 25 % des dreiphasigen Kurzschlussstromes, wenn dieser Strom höher als 10 kA ist.
• Schutz bei indirektem Berühren: Dieser Schutz ist entsprechend den Anforderungen an ein IT-System zu gewährleisten.

Nichtausreichendes Bemessungskurzschlussstromausschaltvermögen

In NS-Verteilungssystemen kann es besonders in Hochleistungsnetzen vorkommen, dass der berechnete I_k” den Bemessungswert des I_cu des vorgesehenen Leistungsschalters überschreitet, oder dass vorgeschaltete Systemveränderungen dazu führen, dass niedrigere Bemessungswerte der Leistungsschalter überschritten werden.

• Lösung 1: Prüfen Sie, ob die entsprechenden, dem betroffenen Leistungsschalter vorgeschalteten Leistungsschalter, strombegrenzende Geräte sind, die die Verwendung einer Kaskadenschaltung zulassen würden (siehe Abschnitt 4.5).
• Lösung 2: Installieren Sie eine Reihe von Leistungsschaltern mit höheren Bemessungswerten. Diese Lösung ist dort wirtschaftlich interessant, wo wenige Leistungsschalter betroffen sind.