So funktioniert die Sicherheit

Moderne Schutzschalter sorgen für Sicherheit in elektrischen Anlagen. Sie schalten einzelne Verbraucher bzw. elektrische Stromkreise beim Überschreiten des zulässigen Stroms selbstständig ab und verhindern so die Schädigung oder Zerstörung der Leitungen durch die thermische Wirkung des Stroms. Die in der Praxis verwendeten Schutzschalter basieren auf verschiedenen Funktionsprinzipien, die sich in ihren Eigenschaften deutlich unterscheiden.

Am weitesten verbreitet sind Geräteschutzschalter, die auf dem thermischen Auslöseprinzip basieren. Hierbei wiederum kommen solche am häufigsten zur Anwendung, die mit einem Thermo-Bimetall arbeiten. Bimetalle bestehen aus zwei bis drei aufeinander gewalzten Metallstreifen unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten, wie Eisen und Nickel-Eisen, wodurch bei Erwärmung eine Ausbiegung erzwungen wird. Die zur Auslösung notwendige Kraft wird umso schneller erreicht, je höher der durch das Bimetall fließende Strom ist. Damit ergibt sich die typische Kennlinie thermischer Schutzschalter. Übersteigt der Strom bestimmte Grenzwerte, kommt es durch die zugeführte Energie zur Deformierung oder zum Schmelzen des Bimetalls, bevor die Schaltkontakte den Strom unterbrechen. Thermische Geräte bieten daher einen guten Überlastschutz, jedoch nur einen bedingten Kurzschlussschutz.

Thermische Schutzschalter – die Allrounder

Zum Einsatz kommen z.B. einseitig eingespannte Bimetallstreifen, die direkt vom Strom durchflossen oder indirekt über eine Heizwicklung oder einen PTC erwärmt werden. Werden kugel- oder zylinderförmig gewölbte Bimetallscheiben genutzt, erhält man bei einer definierten Temperatur einen Schnappeffekt. Schutzschalter mit solchen Schnappscheiben lassen sich einfach gestalten und werden kostengünstig in hohen Stückzahlen produziert.

Für besonders kleine Baugrößen, wie sie z.B. im Luftfahrtbereich benötigt werden, wurden spezielle Bimetallformen (u-förmig gestanzt, mäanderförmig gestanzt, u-förmig gebogen) entwickelt, um durch schnellere Erwärmung und durch Ausnutzung dynamischer Effekte bei hohen Strömen die notwendigen Auslösewege zu erzielen und um höhere Abschaltleistungen zu erreichen. Zur Temperaturkompensation kommt ein zweites Bimetall zum Einsatz, das nur von der Umgebungstemperatur abhängig ist und deren Einfluss im Bereich von -55 bis +125°C kompensiert.

Mit einer sogenannten Momenteinschaltung, die eine von der Betätigungsgeschwindigkeit unabhängige Schließgeschwindigkeit der Kontakte garantiert, wird das Verschweißen der Kontakte beim Schalten auf anstehende Kurzschlussströme vermieden.

Magnetische Schutzschalter – wieselflinke Spezialisten

Ein weiteres thermisches Prinzip nutzt den höheren Ausdehnungskoeffizienten von speziellen Metallen aus, um die Kontaktstücke zu öffnen. Ein zwischen zwei Federn gelagerter Draht aus diesem Werkstoff wird vom Strom durchflossen, dehnt sich aus und lässt das Element bei Erreichen einer bestimmten Temperatur umschnappen.

Bei Geräten mit magnetischem Auslöser wird von einer Spule ein Magnetfeld erzeugt, das auf einen beweglich gelagerten Tauch- bzw. Klapp-anker eine Kraft ausübt, mit der das Schaltschloss innerhalb weniger Millisekunden entriegelt wird. Die Kennlinie solcher Geräte weist keinen verzögerten Bereich auf. Entsprechend höher ist aber das Abschaltvermögen bei großen Strömen. Zur Beherrschung von Kurzschlussströmen mit mehreren 1000 A sind zusätzlich geeignete Maßnahmen zur Löschung des Lichtbogens nötig. Geräte mit derartigen Kennlinien benötigt man z.B. zum Schutz von Leistungshalbleitern.

Wird ein Permanentmagnet in den magnetischen Auslösekreis eingebracht, so lässt sich das Schaltschloss einsparen. Durch den Fluss des Dauermagneten wird in der Einschaltstellung eine permanente Haltekraft am Anker erzeugt und, da mit dem Anker eine Kontaktfeder fest verbunden ist, gleichzeitig eine bestimmte Kontaktkraft eingebracht. Die Spule erzeugt ein dem Fluss des Dauermagneten entgegen gerichtetes Magnetfeld. Bei einem definierten Strom kompensiert dieses Gegenfeld den Fluss des Permanentmagneten komplett und der Anker wird von der Kontaktdruck-Feder nach oben bewegt.

Eine Freiauslösung, die das Wiedereinschalten verhindert, so lange die Ursache noch besteht, ist bei einem derartigen System wegen des Wegfalls des Schaltschlosses nicht vorhanden. Aufgrund der Abhängigkeit von der Stromrichtung ist der Einsatz nur bei Gleichspannung möglich. Übersteigt der Strom einen bestimmten Ansprechwert, so löst das Gerät innerhalb von 10 ms aus. Eine typische Anwendung ist der Schutz elektronischer Schaltungen.

Thermisch-magnetische Schutzschalter

Durch Kombination eines thermischen und eines magnetischen Auslösesystems entsteht ein sogenanntes thermisch-magnetisches Gerät. Ein Thermo-Bimetall und ein Magnetsystem beispielsweise mit Zuganker wirken unabhängig voneinander auf den Auslösehebel ein. Durch eine elektrische Reihenschaltung beider Auslöseelemente entsteht eine thermisch-magnetische Kennlinie.

Durch die zwei mechanisch, thermisch und magnetisch entkoppelten Systeme ergibt sich der typische senkrechte Kennlinienverlauf in dem Bereich, in dem die magnetische Auslösung wirksam wird und das Schaltschloss deutlich vor der thermisch wirksamen Auslösung auslöst. Durch Variation der Windungszahl kann der Bereich, in dem die magnetische Auslösung wirksam wird, nach rechts oder links verschoben werden: Die Kennlinie wird dadurch magnetisch träger oder flinker.

Der verzögerte Bereich der Kennlinie bietet einen komfortablen Überlastschutz. Die kurzen Gesamtabschaltzeiten im magnetischen System von 3 bis 10 ms sind notwendig, um hohe Kurzschlussströme sicher zu beherrschen. Eine typische Anwendungen ist z.B. der selektive Schutz von Netzteilen und Leitungen im Anlagenbau.

Magnetisch-hydraulische Schutzschalter

Bei einem magnetisch-hydraulischen System befindet sich innerhalb einer stromdurchflossenen Spulenwicklung eine Tube, die mit Silikonöl gefüllt ist und einen beweglichen Eisenkern enthält. Dieser möchte sich aufgrund der Lorentz-Kraft mittig zur Spule ausrichten und schließt dadurch den magnetischen Kreis nach einer durch die Viskosität des Öles beeinflussbaren Zeit. Damit wird ein Klappanker bewegt, der den Schaltvorgang auslöst. Das Prinzip ermöglicht ein verzögertes Ansprechen des Geräts ähnlich dem von thermischen Schutzschaltern.

Steigt der Strom – wie im Kurzschlussfall – sehr schnell an, so wird sofort ein genügend großes Magnetfeld erzeugt, um den Klappanker zu bewegen, und das Gerät löst augenblicklich, d.h. im Millisekundenbereich aus. Die typischen Kennlinien bestehen aus einem verzögerten und einem unverzögerten Bereich. Anders als bei den thermisch-magnetischen Geräten verläuft der Übergang zwischen verzögertem und unverzögertem Bereich nicht senkrecht sondern schräg nach unten, da durch die mechanische Trägheit des Kerns, durch Reibungseffekte und durch die Dämpfung des Öles der zur Auslösung notwendige magnetische Fluss schon erreicht wird, bevor der Kern komplett in die Spule hineinbewegt wurde.

Durch Variation der Viskosität der Dämpfungsflüssigkeit sowie dem Produkt aus Nennstrom und Windungszahl der Spule – der sogenannten Amperewindungszahl – lassen sich relativ einfach die verschiedensten Kennlinien (flinke, mittlere, träge Verzögerung usw.) realisieren. Durch diese Wandlungsfähigkeit im Bereich der Kennlinien werden diese Geräte oft auch sehr applikations-orientiert eingesetzt. Typische Anwendungen dieser Geräte sind der Schutz von Stromversorgungen im Telekommunikationsbereich.

Fernsteuerbare Schutzschalter für Bordnetze

Bei Schaltgeräten haben sich bisher immer noch mechanische Lösungen vor rein elektronischen durchsetzen können, da sie bei gleicher Baugröße eine niedrigere Impedanz und damit eine geringere Verlustleistung aufweisen, da sie eine galvanische Trennung sicherstellen und da sie extrem unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Störungen sind. Durch die Kombination von Elektronik und Mechanik in einem Gerät können aber die Vorteile beider Techniken wirkungsvoll ausgenutzt werden. Zu den genannten Vorteilen der Mechanik summieren sich die der elektronischen Komponenten wie schnelle Reak- tionszeiten und Intelligenz vor Ort. Mittels eines bistabilen Magnetsystems lässt sich die Mechanik mit energiearmen Stromimpulsen fernsteuern.

Elektronische Schutzschalter – die Alleskönner

Besonderer Vorteile rein elektronischer Schutzschalter ist die selektive Abschaltungen unter allen Betriebsbedingungen (z.B. lange Lastleistungen), was durch eine aktive Strombegrenzung erreicht wird. Spezifische Abschaltkennlinien von Schaltnetzteilen können dabei unberücksichtigt bleiben, da ein Einbrechen oder Abregeln der Betriebsspannung bei Überlast verhindert wird. Auch die Absicherung elektronischer Geräte mit großen Eingangskapazitäten lässt sich zuverlässig lösen. Auch eine galvanische Trennung lässt sich durch Vorschalten eines Schutzkontakts realisieren. Eine typische Anwendung ist der Schutz von Schaltnetzteilen.

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