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Was sind Leistungsschalter?

1. Was ist ein Leistungsschalter?

Ein Leistungsschalter, ebenfalls als Leistungsschutzschalter bekannt, ist ein Schaltgerät, welches eine mechanische Vorrichtung besitzt, um den geführten Strom unter Betriebsbedingungen (Bereich des Bemessungsstromes für das ein System dauerhaft ausgelegt ist) einzuschalten, zu führen sowie auszuschalten. Dieses Betriebsmittel zur Energieverteilung unterscheidet sich zu anderen Schaltern, durch die Fähigkeit im Fall der Überschreitung der Betriebsbedingung, wie bei einem Kurzschluss, den Strom einzuschalten, über eine definierte Zeit zu führen und auszuschalten.

In den folgenden Kapiteln wird auf die Funktionsweise, den inneren Aufbau, Grundtypen mit Spezialformen, Anwendungen und Erweiterungen im Bereich der Niederspannung eingegangen, um in die Thematik in Kurzform einzusteigen.

Leistungsschalter

 Abbildung 1: Leistungsschalter OEZ



Leistungsschalter werden im Gegensatz zu sogenannten Lastschaltern auch bei der Sicherung hoher Überlastströme und Kurzschlussströme eingesetzt:

Niederspannungsanwendung: Als Kompaktleistungsschalter oder offene Leistungsschalter sind Leistungsschalter im Niederspanungsbereich für höhere Bemessungsstrom-Stärken als Leitungsschutzschalter konzipiert, und kommen z.B. als Motorschutzchalter zum Einsatz.
Mittelspannungsanwendung: Im Gegensatz zu den sogenannten Lasttrennschaltern können Leistungsschalter im Bereich der Mittelspannung auch im Störfall zuverlässig reagieren und werden z.B. bei der Sicherung von Transformatoren oder Generatoren eingesetzt.

2. Wie sind Leistungsschalter gegenüber anderen Schaltern und Schutzeinrichtungen in der Energieverteilung einzuordnen?

Im Vergleich zu einem Leistungsschalter darf ein Trennschalter (auch Trenner) nur Lastfrei geschalten werden, da dieser keine Löschkammer besitzt. Diese Art von Schalter hat eine Vorrichtung zum sicheren Trennen, sodass bei hohen Belastungen (Überstrom) nicht ungewollt geöffnet oder geschlossen wird. Ein Lastschalter hingegen, ist wie der Name schon hindeutet, ein simpler Schalter der unter Last schalten kann, aber nicht bei Überschreitung der Betriebsbedingungen. Ein Lasttrennschalter ist eine Kombination aus den Funktionen von Lastschalter und Trenner. Im Vergleich zum Leistungsschalter sollten Trenner, Lastschalter sowie Lasttrennschalter nicht verwendet werden, um Betriebsmittel oder Anlagen zu schalten, welche einen erhöhten Anlaufstrom (größer als der Bemessungsstrom) benötigen.

Ein Leistungsschalter unterscheidet sich von einem Leitungsschutzschalter per Definition der Norm, dass die Auslösecharakteristik einstellbar ist. Ein Leistungsschalter kann für die genannten Funktionen eingesetzt werden und darüber hinaus eine weitere Bandbreite an Funktionen enthalten, weshalb die Charakteristiken je nach Anforderungen anpassbar sind.

3. Welche Funktionen hat ein Leistungsschalter und wo ist das Einsatzgebiet?

Ein Leistungsschutzschalter hat bei den meisten Anwendungen die Aufgabe als Überstromauslöser zu agieren. Durch weitere Möglichkeiten von veränderbaren Auslösecharakteristiken sowie Zusatzelemente können auch anspruchsvolle Aufgabenstellungen realisiert werden, bis hin zu Fernmeldungen und intelligenten Steuerungen für „Industrie 4.0“.

Der Vorteil gegenüber anderen Schaltern in der Energieversorgung und Schutzeinrichtung ist mit den integrierten Elementen gegeben, welche die Funktionen von einer Vielzahl von Geräten in einem vereint. Hiermit können die folgenden Funktionen realisiert werden:

  • Kurzschlussschutz
  • Anlagenschutz
  • Lasttrennung
  • Leitungsschutz
  • betriebsbedingtes Schalten
  • Zustandsmeldung
  • Motorschutz
  • Fernschalten
 

Ein Leistungsschutzschalter kann somit neben der Hauptfunktion auch als Lastschalter, Trenner, Motor-schutzschalter und Hauptschalter eingesetzt werden, wodurch je nach Anwendungsfall mehrere Bauteile durch ein einziges ersetzt wird.

Leistungsschalter_Einsatz

Abbildung 2: Automobilindustrie (Quelle: OEZ)

Diese Funktionen finden Verwendung bei der Strom-erzeugung (wie konventionelle Energie-erzeugung und erneuerbaren Quellen), Stromverteilung (wie HS/NS Schaltanlagen und Hauptsicherungen), Industrie (wie Automobilindustrie und chemische Industrie) und Infrastruktur (wie Flughäfen und Verwaltungsgebäuden). Bei der Energieverteilung sind Lasttrenn- und Leistungsschalter mit die wichtigsten Schalt- und Schutzgeräte. Der schmelzsicherungslose Schutz begünstigt  die schnelle Wiedereinschaltbereitschaft ohne den Aufwand von Ersatzteilen.

4. Wie ist ein Leistungsschalter aufgebaut und welche Funktionsweise haben die Elemente?

Leistungsschalter können im Aufbau grob unterteilt werden in Überstromauslöser und Schaltsystem. Der Überstromauslöser kann als thermomagnetischer oder elektronischer Auslöser aufgebaut sein, wobei der Unterschied darin besteht, dass der elektronische Auslöser mit seinen diskreten Bestandteilen (Mikroprozessertechnik oder Logikschaltungen)  zusätzliche Freiheitsgrade bei der Einstellung und der Definition der Schutzwirkung besitzt. Das Schaltsystem besitzt die Aufgabe die Leitungen fehlerfrei zu trennen. Im Folgenden werden kurz gängige Elemente eines thermomagnetischen Auslösers beschrieben.

  1. Schaltschloss – Ist ein Federkraftspeicher zum Ein- und Ausschalten der Hauptkontakte. Das Schaltschloss stellt einen Knotenpunkt dar, um Reaktionen beim Hauptkontaktsystem, nach Informationen wie Überstrom, Kurzschluss oder Fernantrieb, auszulösen.
  2. Hauptkontaktsystem – Hat die Anforderung den Strom verlustarm durch einen geringen Kontaktwiderstand zu leiten und das öffnen sowie schließen der Kontakte mit geringen Kontaktabbrand, einen optimalen Lichtbogen und einer geringen Trägheit durchzuführen.
  3. Elektromagnetischer Überstromauslöser – Schalten bei der Überschreitung eines Stromwertes (Kurzschlussbereich). Bei Leistungsschaltern für kleinere Ströme, wird die Hauptstrombahn als kleine Spule gewickelt, welche bei einem hohen Überstrom  eine Kraft auf den Anker des Schaltschlosses wirkt und diesen auslöst.
  4. Thermischer Überstromauslöser – Ein Bimetallauslöser sorgt für eine geduldete betriebsmäßige Überlastung, welche bei Motoranläufen entstehen. Dabei erwärmt sich das Bimetall soweit, bis dieser die Klinke des Schaltschlosses auslöst.
  5. Löschkammer – Verlängert sowie teilt den Schaltlichtbogen auf und kühlt die  Hauptkontakte.
  6. Schlaganker – Ist enthalten, wenn ein Leistungsschalter die Anforderung hat, mit geringster Verzögerung den Stromkreis zu öffnen. Dieser ist bei strombegrenzenden Leistungsschaltern enthalten.
  7. Differentialauslöseschieber – Ist enthalten, wenn die Anforderung nach einem vollständiger Motorschutz gegeben sein soll und somit den Phasenausfallschutz enthalten muss. Dieser Schieber wirkt bei einem Phasenausfall auf den thermischen Überlastschutz und passt das Ansprechverhalten an.

5. Welche Zubehörteile erweitern die Funktionen von Leistungsschaltern?

Unterspannungsauslöser besitzen die Charakteristik, einen Leistungsschalter ab einer unteren Spannungsschwelle auszuschalten und ab einer oberen Schwelle die Einschaltmöglichkeit freizugeben. Verwendet wird diese Erweiterungen zum Beispiel um einen Selbstanlauf nach einer Spannungsunterbrechung zu verhindern oder um Not-Aus-Funktionen zu unterstützen. Je nach Anwendungsfall kann auch ein Spannungsauslöser eingesetzt werden, um ab einer Überschreitung eines Spannungswertes, den Leistungsschalter  auszuschalten.

Überwachungsrelais für Reststrom, auch Fehlerstromblock genannt, dienen der Überwachung von Fehlerströmen, zum Schutz von Bedienpersonal oder für den Brandschutz auf Grund von freien Stellen in der Isolierung. LED-Anzeigen sowie Fernsignalisierungen unterstützen die Lokalisierung und Prüfeinrichtungen unterstützen die Wartung.

Hilfskontakte unterstützen die Zustandsauswertung von Leistungsschaltern. Alarmkontakte werden verwendet, um Informationen für die Fernmeldung einzubinden, wie Erdschluss, Kurzschluss oder Überlast den Zustand ausgelöst hat.

Überwachungsrelais für Reststrom

Abbildung 3: Zweifachschalter, Einfachschalter, Unterspannungsauslöser, Spannungsauslöser Überwachungsrelais für Reststrom  (Quelle: OEZ)

Um einen Leistungsschalter zu schalten, können entweder Handantriebe oder Motorantriebe verwendet werden. Handantriebe bieten die Möglichkeit manuell zu schalten und können erweitert werden mit mechanischen Verriegelungssystem zum parallelen oder antiparallelen schalten von Leistungsschaltern. Für das Schalten von Leistungsschaltern aus der Entfernung sind Motorantriebe einzusetzen.

Mechanische Parallelschaltung

Abbildung 4: Mechanische Parallelschaltung und Blockierung (links), Handantrieb normal und  Seitenbetätigung (mittig), Motorantrieb (rechts)  (Quelle: OEZ)

6. Welche Baugrößen von Leistungsschalter und Anschlusssätzen sind marktgängig?

Die Bauweisen von Leistungsschaltern können unterschieden werden in Kompaktleistungsschalter (MCCB = Moulded Case Circuit Breaker) und  offene Leistungsschalter (ACB = Air Circuit Breaker). Kompaktleistungsschalter sind mit einem  Isolierstoffgehäuse umhüllt und werden für Bemessungsströme zwischen 160A und 1600 A als Schalter mit Schutzfunktionen eingesetzt.

Kompaktleistungsschalter

Abbildung 5: Kompaktleistungsschalter verschiedene Baugrößen (160A bis 1600A) (Quelle: OEZ)

Im Vergleich dazu besitzen offene Leistungsschalter in den meisten Fällen ein metallisches Gehäuse, sind luftisoliert und haben eine Bauform die größer ist als die von  Kompaktleistungsschaltern. Die Einsatzgebiete sind Bemessungsströme ab 630A bis 6300A sowie bei Hauptkontakten die über eine längere Zeit geschlossen sind.

Offene Leistungsschalter

Abbildung 6: Offene Leistungsschalter verschiedene Baugrößen (630A bis 6300A) (Quelle: OEZ)

Nachdem für das passende Einsatzgebiet ein Leistungsschalter ausgewählt wurde, stellt sich häufig die Frage, welcher Anschluss für welches Kabel gewählt werden muss.

Abhängig ist die Auswahl der Leitung von den folgenden Kriterien: Anforderung der Verbraucher, Verfügbarkeit, Sicherheit, örtliche Gegebenheiten, Nennstromgröße, Montagemöglichkeiten sowie -bedingungen und Kosten. Sofern keine außergewöhnlichen Anforderungen gegeben sind, wird in den meisten Fällen bei Stromstärken unterhalb von 350A Kabel und bei Stromstärken ab 430A Stromschienen aus Aluminium oder ab 600A Stromschienen aus Kupfer eingesetzt. Vielfach größere Ströme werden mit parallelgeführten Stromschienen übertragen.

Passend zu den Leitungen können dann für die Leistungsschalter die Anschlusssätze ausgewählt werden. Wichtig hierbei ist neben der Passform (Kabel oder Schiene) und Ausrichtung (Hinter- oder Vorderanschluss) darauf zu achten, dass im Fall eines Kurzschlusses, keine elektrodynamischen Kräfte auf die Leitungen übertragen werden. Desweiteren kann bei Kompaktleistungsschaltern die Abtrennung der Leitungen unterstützt werden mit Trennwänden.

Anschlusssätze Stromschiene oder Kabel

Abbildung 7: Anschlusssätze Stromschiene oder Kabel (Quelle: OEZ)

7. Wann wird ein 3-poliger und  wann ein 4-poliger Leistungsschalter benötigt?

Diese Frage entscheidet sich je nach der Anforderung, ob neben den Außenleitern auch der Neutralleiter überwacht und geschalten werden muss oder nicht.

Grundsätzlich heben sich die Ströme des Dreiphasenwechselstromnetzes im Neutralleiter auf, wenn im Idealfall die Ströme der Außenleiter die gleiche Stromstärke sowie Phasenverschiebung besitzen und kein Oberschwingungsanteil enthalten ist. In der Realität können die Außenleiter unsymmetrisch mit verschiedenen Stromstärken belastet sein und somit einen ausgleichenden Strom auf dem Neutralleiter verursachen, welcher maximal der größten Stromstärke eines Außenleiters entspricht. Des Weiteren können Phasenverschiebungen zwischen den Strömen der Außenleitern auftreten und zu Oberschwingungen führen. Auf Grund dessen können Überlagerungen im Neutralleiter die größte Stromstärke der Außenleiter übersteigen und zu einem Leitungsbrand führen.

Ein 3-poliger Leistungsschutzschalter (3P) wird benötigt um einen symmetrisch ausgelegten  Verbraucher oder Anlage zu schützen.  Eine weitere Sonderform sind Leistungsschutzschalter mit 3 gesicherten Außenleitern, die beim Auslösen auch den Neutralleiter mit abschalten (3P+N). Diese Form der allpoligen Abschaltung muss aus den Herstellerangaben von  Betriebsmitteln entnommen werden.

Ein 4-poliger Leistungsschutzschalter (4P) überwacht und schaltet die drei Außenleiter sowie den Neutralleiter. Dieser sollte verwendet werden, wenn Außenleiter  unsymmetrisch belastet werden und Oberschwingungen zu einer Überlastung des Neutralleiters führen können.

Desweiteren ist auch die Netzform entscheidend in der ein Sicherungsautomat zum Einsatz kommen soll. In Deutschland sind die vorherrschenden Netzformen TN-C-S- und TN-S-Systeme. Diese TN-Netzformen zeichnen sich durch eine Nullung (Erdung) und einem getrennten PEN (Trennung von Schutzleiter und Neutralleiter) aus. Nur bei dieser Netzform   wird auf Grund der niederohmigen Anbindung an die Erde gewährt, dass der Strom ausreichend ist, um eine Sicherung auszulösen. Bei anderen Netzformen, wie das TT-System, ist die Schutzeinrichtung von dem jeweiligen Erdungswiderstand abhängig. Diese Form kommt teilweise in der Energieverteilung (Deutschland) und vorwiegend im Ausland vor.

8. Welche gängigen Typen von Leistungsschaltern gibt es und was für Auslösecharakteristiken besitzen diese?

Grundlegend hat ein Leistungsschalter, neben der Aufgabe hohe Ströme zu schalten,  die Aufgabe vor Überlast und Kurzschluss zu schützen. Dabei ist der Überlastbereich zeitabhängig, mit einem geduldeten Überstrom und der Kurzschlussbereich  zeitunabhängig, mit einer sofortigen Auslösung bei einer Überschreitung. Es gibt zwei verschiedene Grundtypen von Leistungsschaltern sowie eine Vielzahl von Sonderformen. Doch wo liegt genau der Unterschied?

Im Folgenden werden die beiden Grundtypen Anlagen- mit Leitungsschutz und Motorschutz vorgestellt. Desweiteren soll auf Sonderformen und Spezialfunktionen eingegangen werden.

Leistungsschalter mit Motorschutz werden eingesetzt, um präzise vor einer thermischen Überlastung zu schützen und sind vergleichbar mit Motorschutzschalter. Eine Eichung und eine Temperaturkompensation gewähren ein genaues Auslöseverhalten bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen. Die Motorschutzcharakteristik zeichnet sich, neben den hohen Anforderungen, durch einen Kurzschlussauslöser mit einem großem Ansprechwert (zum Beispiel 10-fach des Bemessungsstromes) aus, um bei hohen Stromstößen sowie Anlaufströmen nicht auszulösen. Ein vollständiger Motorschutz besteht nach Norm, wenn neben der Temperaturkompensation auch ein Phasenausfallschutz vorhanden ist. Im Regelfall wird dies durch einem Differentialauslöseschieber in dem Leistungsschalter gewährleistet. Der Phasenausfallschutz sollte nicht bei dem Anlagenschutz eingesetzt werden, da eine unsymmetrische Belastung der Außenleiter je nach Anwendung gewollt vorkommt.

Ein Wärmespeicher kann bei Motor-, Leitungs- und Anlagenschutz verwendet werden und hat die Funktion Abklingzeiten einzustellen, um bei häufigen über- und unterschreiten des Bemessungsstromes (unterhalb des Ansprechwertes des Kurzschlussauslösers) eine reelle Abkühlung nachzubilden. Dadurch kann die thermische Überlastung nicht umgangen werden.

Eingesetzt werden Leistungsschalter mit Motorschutzcharakteristik vor einzelnen Lastabgängen wie Frequenzumformer, Softstarter oder Schweranläufen und bei mehreren Lastabgängen.

In der Abbildung 8 werden zwei Kennlinien von zwei Leistungsschaltern mit Motorschutzcharakteristik dargestellt, welche unterschiedlichen Freiheitsgrade besitzen. Bei der linken Kennlinie ist die Grundform mit einstellbaren Überstrom zu sehen und bei der rechten Kennlinie veränderbare Ansprechwerte von Überstrom, thermischer Belastung und Kurschlussauslöser. Weitere Freiheitsgrade bei Sonderformen sind möglich.

Kennlinie (links) mit Überstromeinstellung

Abbildung 8: Kennlinie (links) mit Überstromeinstellung, (rechts) mit Einstellung von Überstrom, thermischer Belastung und Kurzschlussstrom (Quelle: OEZ)

Leistungsschalter für Anlagen- und Leitungsschutz besitzen reduziertere Anforderungen als Motorschutzschalter, so ist der thermische Auslöser weniger präzis, eine Temperatur-Kompensation fehlt, der Kurzschlussauslöser ist häufig tiefer und das abschalten erfolgt je nach Typ mit Zeitverzögerungen.

Eingesetzt werden Leistungsschalter für Anlagen- und Leitungsschutz zum Schutz von mehreren Lastabgängen wie Leitungen, Verteilungstransformatoren, Kaskadenschaltung, Generatoren und Potentialschienen als Knotenpunkte. Einzelne Lastabgänge dürfen nicht mit dieser Schutzeinrichtung gesichert werden.

Für den Anlagen- und Leitungsschutz besteht die Möglichkeit zeitselektive Leistungsschalter einzusetzen, um gestaffelt durch eine Auslöseverzögerungszeit eine kontrollierte Abschaltung von Lastabgängen zu gewähren. Zum Beispiel ist es wichtig das nur der Anlagenbereich ausfällt der von einem Kurzschluss betroffen ist und nicht der komplette Anlagenpark. Ebenfalls ist es möglich, dass ein zeitselektiver Leistungsschalter mit Motorschutzcharakterisik benötigt wird. Hierbei muss darauf geachtet werden, dass dieser nicht vor einem einzelnen Lastabgang (zum Beispiel Motor) eingesetzt werden darf.

Wie in den folgenden Kennlinien ersichtlich, besteht die Möglichkeit Leistungsschutzschalter mit Anlagen- und Leitungsschutz von wenig bis weitreichende Freiheitsgrade, je nach Anforderung, einzusetzen.

Kennlinie Leistungsschalter mit Anlagen- und Leitungsschutz

Abbildung 9: Kennlinie Leistungsschalter mit Anlagen- und Leitungsschutz (links) mit variablen Einstellungen von  Überstrom und Kurzschlussstrom, (mittig) 4-polig mit variablen Einstellungen von Überstrom, thermischer Belastung und Kurzschlussstrom, (rechts) mit variablen Einstellungen von Überstrom, thermischer Belastung, Verzögerung Ansprechzeit und Kurzschlussstrom  (Quelle: OEZ)

Leistungsschalter mit der Auslösecharakteristik Leitungsschutz, besitzen entsprechende Anforderungen wie für den Anlagen- und Leitungsschutz, nur ist hierbei der  Überstrom- und Kurzschlussschutz fest vorgegeben und die Ansprechwerte für kleine Stromstöße ausgelegt. Dieser Leistungsschalter ist vergleichbar mit einem Leitungsschutzschalter.

Kennlinie Leistungsschalter

Abbildung 10: Kennlinie Leistungsschalter mit Leitungsschutz, kein Freiheitsgrad (Quelle: OEZ)

Leistungsschalter mit der Auslösecharakteristik Kurzschlussschutz, haben nur die Aufgabe vor Kurzschluss zu schützen und besitzen keinen Überlastbereich.

Eingesetzt wird diese Spezialform für elektrische Betriebsmittel wie Motoren, die einen Eigenschutz gegen Überlast besitzen oder wenn eine Anforderung eine lange Anlaufzeit mit Überstrom enthält.

Kennlinie Leistungsschalter mit Kurzschlussschutz

Abbildung 11: Kennlinie Leistungsschalter mit Kurzschlussschutz, kein Überlastbereich, variabler Kurzschlussauslöser (Quelle: OEZ)

9. Was tun, wenn ich eine Vielzahl von verschiedenen Auslösecharakteristiken auf Lager benötige, aber nur geringe Kapazitäten besitze?

Eine Möglichkeit ist es ein modulares System zu verwenden. Hierbei kann bei einem Kompaktleistungsschalter das Schaltsystem von dem Auslösesystem getrennt und über einen Stecksatz, verschiedene Ansprechverhalten eingesetzt werden. In der folgenden Abbildung 12 ist zu sehen, dass zum Beispiel bei OEZ ein Leistungsschutzschalter kurzer Hand zu einem Lasttrennschalter umgebaut werden kann, indem ein Modul eingesetzt wird, bei dem keine Schutzeinrichtung enthalten ist.

Leistungsschalter mit freiem Steckplatz

Abbildung 12: Leistungsschalter mit freiem Steckplatz für einen Überstromauslöser (links), Stecksystem für Lasttrennschalter (rechts oben), Stecksystem für Überstromauslöser (rechts unten) (Quelle: OEZ)