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, entspr. der Reihe IEC 60898 (VDE 0641 ff).
• 40°C für Leistungsschalter , entspr. der Reihe IEC 60947 (VDE 0660 ff).

Die Leistung dieser Leitungsschutzschalter/Leistungsschalter bei anderen Umgebungstemperaturen hängt hauptsächlich von der Technik ihrer Auslösesysteme ab (siehe Abb. H37).

Abb. H37 – 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. H38 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 H24), sind aufgrund der Erwärmung durch die Lastströme die zulässigen Bemessungsströme weiter um den Faktor 0,8 zu vermindern.

Abb. H38 – Tabellenbeispiele zur Bestimmung der auf Leistungsschalter mit temperaturabhängigen Überstromauslösern anzuwendenden Reduktions-/Erhöhungfaktoren

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)
160					160	156	152	148	144
200					200	195	190	185	180
250					250	244	238	231	225

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. H38). 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. H39).

Abb. H39 – Derating des Leistungsschalters MasterPacT MTZ2 in Abhängigkeit von der Temperatur

Art des Ausfahrbaren MasterPacT		MTZ2 N1 - H1 - H2 - H3 -L1 -H10
		08	10	12	16	20	20
Umgebungstemperatur (°C)
Vorne oder hinten waagerecht	40	800	1000	1250	1600	2000	2000
	45
	50
	55
	60					1900
	65					1830	1950
	70				1520	1750	1900
Hinten senkrecht	40	800	1000	1250	1600	2000	2000
	45
	50
	55
	60
	65
	70

Auswahl eines unverzögerten oder kurzzeitverzögerten Auslöseansprechwertes

Abbildung H40 unten fasst die wichtigsten Eigenschaften eines unverzögerten oder kurzzeitverzögerten Auslösesystems zusammen.

Abb. H40 – Verschiedene Auslösesysteme, unverzögert oder kurzzeitverzögert

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)

Auswahl eines Leistungsschalters entsprechend dem erforderlichen Kurzschlussausschaltvermögen

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 Koordination zwischen Leistungsschaltern in diesem Kapitel).

Leistungsschalter geeignet für IT-Systeme

In IT-Systemen werden Leistungsschalter einer besonderen Situation ausgesetzt, die als doppelter Erdschluss bezeichnet wird, wenn ein zweiter Erdschluss auftritt, während ein erster Fehler auf einem anderen Außenleiter eines Leistungsschalters vorhanden ist (siehe Abbildung H41 ).

In diesem Fall muss der Leistungsschalter den Fehler mit einer Leiter-Leiter-Spannung über einen einzelnen Pol anstelle einer Leiter-Erdleiter-Spannung beseitigen. Das Ausschaltvermögen des Leistungsschalters muss für diese Situation geeignet sein.

Anhang H von IEC60947-2 befasst sich mit dieser Situation, und in IT-Systemen verwendete Leistungsschalter müssen gemäß diesem Anhang getestet worden sein.

Wenn ein Leistungsschalter nicht gemäß diesem Anhang geprüft wurde, muss eine Kennzeichnung durch das Symbol auf dem Typenschild verwendet werden.

Die Vorschriften in einigen Ländern können zusätzliche Anforderungen hinzufügen.

Abb. H41 – Situation mit doppeltem Erdschluss

Auswahl von Einspeise- und Abgangsleistungsschaltern

Das Kurzschlussausschaltvermögen des Leistungsschalters in jedem Abgang des Verteilers muss einem höheren Fehlerstrom entsprechen, als dem der durch die Summe aller parallel betriebenen 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. H42)

Abb. H42 – 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. H43)

Abb. H43 – 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 Schaltgruppe (Phasenverschiebung) der Primär- und Sekundärspannungen muss bei allen parallelgeschalteten Transformatoren identisch sein.

2. Das Verhältnis der Klemmenspannungen zwischen Primär- und Sekundärseite muss bei allen Transformatoren identisch sein.

3. Die Kurzschlussspannung U_kr/% muss bei allen Transformatoren 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 H44 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 H44) 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.

Abb. H44 – 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 %.

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	MTZ1 08H1/ MTZ2 08N1/ NS800N	28	NSX250F
3 x 400	28	MTZ1 08H1/ MTZ2 08N1/ NS800N	42	NSX250N
2 x 630	22	MTZ1 10H1/ MTZ2 10N1/ NS1000N	44	NSX250N
3 x 630	44	MTZ1 10H2/ MTZ2 10H1/ NS1000N	66	NSX250H
2 x 800	19	MTZ1 12H1/ MTZ2 12N1/ NS1250N	38	NSX250N
3 x 800	38	MTZ1 12H1/ MTZ2 12N1/ NS1250N	57	NSX250H
2 x 1000	23	MTZ1 16H1/ MTZ2 16N1/ NS1600N	46	NSX250N
3 x 1000	46	MTZ1 16H2/ MTZ2 16H1/ NS1600N	69	NSX250H
2 x 1250	29	MTZ2 20N1/ NS2000N	58	NSX250H
3 x 1250	58	MTZ2 20H1/ NS2000N	87	NSX250S
2 x 1600	36	MTZ2 25N1/ NS2500N	72	NSX250S
3 x 1600	72	MTZ2 25H2/ NS2500H	108	NSX250L
2 x 2000	45	MTZ2 32H1/ NS3200N	90	NSX250S
3 x 2000	90	MTZ2 32H2	135	NSX250L

Beispiel

(siehe Abb. H45)

• 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 MTZ1 12H1 (I_cu = 42 kA) angegeben.

• Auswahl eines Leistungsschalters als Abgangsleistungsschalter:

Das für diese Leistungsschalter erforderliche Kurzschlussausschaltvermögen (I_cu) beträgt gemäß Abb. H46 57 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. H45 – Parallelgeschaltete Transformatoren

Diese Leistungsschalter bieten folgende Vorteile:

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

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 Kurzschlussstrom 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.

Nicht ausreichendes 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 Koordination zwischen Leistungsschaltern).
• Lösung 2: Installieren Sie eine Reihe von Leistungsschaltern mit höheren Bemessungswerten. Diese Lösung ist dort wirtschaftlich interessant, wo wenige Leistungsschalter betroffen sind.