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Was sind Sicherungen und welche Systeme gibt es?

1. Was ist ein Sicherungslasttrennschalter?

 

Ein Sicherungslasttrennschalter ist ein Schaltgerät mit einer Schutzeinrichtung um zu schützen, zu schalten und zu trennen. Der Begriff setzt sich aus den zwei Komponenten Lasttrennschalter und Sicherung zusammen. Ein Lasttrennschalter hat die Aufgabe als Lastschalter und Trenner zu wirken. Das heißt, dass ein Stromkreis auch unter Last bis zu dem jeweiligen Bemessungsstrom getrennt oder zugeschalten werden kann. Die eingebundenen Sicherungen schützen vor  Überstrom oder Kurzschluss. Ein thermischer Schutz gegen Überlast ist generell mit diesem Bauelement möglich. Dennoch sollte für häufiges Auslösen zusätzlich eine Schutzeinrichtung integriert werden, welche ein Bimetall enthält. Sicherungslasttrennschalter werden auf Grund der eingesetzten Schmelzsicherungen nur für das einmalige Auslösen eingesetzt und sind nicht bei Anwendungen für eine schnelle Wiedereinschaltbereitschaft gedacht.

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.

Reihen-Sicherungslasttrennschalter

Abbildung 1: Reihen-Sicherungslasttrennschalter OEZ

2. Welche Funktion hat ein Sicherungslasttrennschalter und wo ist das Einsatzgebiet?

Sicherungslasttrennschalter sind neben der Funktionalität als Trenner und Lastschalter ein wichtiges Überstromschutzorgan (insbesondere für Kurzschlussströme), um das sichere Trennen selbst auf kleinstem Raum zu gewähren. Dieser Schutz soll vor kostenintensiven Schäden bei Schaltanlagen und Leitungen bewahren. Eingesetzt werden diese Schalt- und Sicherungsautomaten in der Energieverteilung.

Bei Nennströmen bis 63A werden häufig sicherungslose Stromschutzorgane eingesetzt, darüberhinaus sind Sicherungslasttrennschalter mit NH-Sicherungen bis 1600A eher anzutreffen. Hierfür entscheidend ist die dynamische und thermische Kurzschlussfestigkeit, die ein sicheres Schalten ohne Verkleben der Kontakte garantiert. Warum auch unterhalb von 63A ein Sicherungslasttrennschalter eingesetzt werden kann, liegt daran, dass in speziellen Fällen ein hoher Stoßkurzschlussstrom erwartet wird, welcher  mit einer kurzen Unterbrechungszeit minimiert werden soll.

3. Warum ein Sicherungslastrennschalter und keine Schraubsicherung?

Der Einsatz von Schraubsicherungen stellt bei einem Wechsel eine erhebliche Gefahr, weil sich ein gefährlicher Lichtbogen beim Entfernen der Sicherung aus einem unter Last stehenden Stromkreis entwickeln kann. Ein ausreichender Schutz ist somit nicht gewährleistet. Generell gilt, dass Sicherungseinsätze, welche unter Last stehen, von einer Elektrofachkraft nicht ohne eine angemessene Schutzausrüstung entfernt oder ausgetauscht werden dürfen. Bereits ab 63A wird eine lichtbogengeprüfte Arbeitskleidung empfohlen. Bei nicht ausreichenden Schutzmaßnahmen (Isolierschutzmatte, Helm mit Gesichtsschutz, lichtbogengeprüfte Arbeitsjacke, etc.) besteht die Möglichkeit durch unsachgemäßes Ziehen eines Sicherungseinsatzes, dass ein Störlichtbogen entsteht, der zu schweren bis tödlichen Verletzungen führt. Eine bessere Lösung, um ein höheres Maß an Personenschutz zu erreichen, ist ein Sicherungslasttrennschalter einzusetzen, um einen  spannungsfreien Zustand während eines Wechsels von zylindrischen Schmelzsicherungen oder NH-Sicherungen zu garantieren.

Ein weiterer Punkt ist die Zuverlässigkeit beim Spannungsfreischalten von Systemen. Neben einer offensichtlichen AUS-Stellung, wird die Sicherung entfernt und eine geschützte  Trennstrecke deutlich erkennbar.

Drehbare_Neozed-Sicherungen

Abbildung 2: Drehbare Neozed-Sicherungen (links) (Quelle: wikipedia), Sicherungslasttrennschalter für zylindrische Sicherungen (mittig) (OEZ), Sicherungslasttrennschalter für NH-Sicherungen (rechts) (OEZ)

4. Warum keinen Leistungsschutzschalter anstelle eines Sicherungslasttrennschalters?

Bei vergleichbaren Bemessungsströmen können mit Leistungsschutzschalter komplexere Ausschaltcharakteristiken realisiert werden, welche stufenlos in einem Bereich des Bemessungsstromes frei einstellbar sind. Des Weiteren besitzen diese schmelzsicherungslosen Bauelemente eine hohe Verfügbarkeit durch eine Wiedereinschaltbereitschaft nach einem Auslösen. Hierbei besteht die Möglichkeit den Leistungsschutzschalter auch aus der Entfernung zu schalten.

Sicherungslasttrennschalter besitzen auf Grund der Schmelzsicherungen generell eine hohe Kurzschlussfestigkeit (sicheres Schalten von Kurzschlussströmen) zwischen 50kA bis 120kA (diese Werte sind nur mit hohen Kosten bei Leistungsschaltern zu erreichen). Eine schnelle  Auslösegeschwindigkeit führt bei diesen Sicherungsautomaten zu einer intensiven Strombegrenzung (Stoßkurzschlussstrom wird minimiert). Eine Selektivität ist mit Sicherungslasttrennschalter einfach zu erreichen, wobei die Selektive Staffelung mit einem Faktor von 1,6 der Nennströme erfolgt. Im Vergleich dazu ist der Aufwand bei einem Leistungsschutzschalter wesentlich größer und muss basierend auf einer komplexen Rechnung (Einbaustelle und Leitungen) strom- oder zeitselektiv ermittelt werden. Auf Grund eines fehlenden Bimetalls sollte ein Sicherungslasttrennschalter mit einem weiteren Schutzorgan für den Überlastschutz  kombiniert werden. Ein nicht unbeachtlicher Punkt ist das hohe Kosteneinsparpotential gegenüber Leistungsschutzschalter.

Leistungsschutzschalter__links___Reihen-Sicherungslasttrennschalter

Abbildung 3: Leistungsschutzschalter (links), Reihen-Sicherungslasttrennschalter für NH-Sicherungen (rechts)

Zusammengefasst sind wie immer die spezifischen Anforderungen bei der  Auswahl entscheidend. Ein Sicherungslasttrennschalter ist als kostengünstiger  Sicherungsautomat geeignet, welcher eine geringe Schalthäufigkeit besitzt, vor hohen Überströmen schützt, schnell reagiert und einen geringen Aufwand für ein selektives Auslösen bietet.

5. Wie funktionieren Schmelzsicherungen und wie sind diese aufgebaut?

Eine Schmelzsicherung besteht grundlegend aus einem Schmelzleiter (ausgelegt für einen Nennstrom), einem Lichtbogenlöschmittel (Quarzsand zum Abkühlen eines Lichtbogens), den Kontakten (schneller steckbarer Wechsel mit geringem Übergangswiderstand für verlustarme Übertragung) und einem isolierenden Grundkörper (Keramik, Kunststoff oder Verbundstoff um Lichtbögen von Außenwelt zu trennen).

Im Falle einer Überschreitung des Bemessungsstromes, wechselt der Schmelzleiter die drei Aggregatzustände von fest über flüssig zu gasförmig, wobei sich in dem letzten Zustand, in Kombination mit dem Stromfluss, ein Lichtbogen bildet. Nachfolgend ist die Leitung durch die ausgelöste Sicherung unterbrochen.

Die Hauptfunktion von Schmelzsicherungen ist vor hohen Kurzschlussströmen zu schützen. Ein wichtiger Vorteil gegenüber anderen Überstromschutzeinrichtungen ist die kurze Unterbrechungszeit, die einen hohen Stoßkurzschlussstrom (sehr hoher Strom zu Beginn eines Kurzschlusses), auf Grund der kurzen Unterbrechungszeit, verringert. Dies minimiert die Beanspruchung von Kontakten sowie Leitungen und verbessert den Personenschutz. Ebenfalls ist es wichtig zu wissen, dass Schmelzsicherungen, auch wenn dies keine Hauptaufgabe ist, vor Überlast schützen. Dabei sind zwei Fälle zu unterscheiden. Im ersten Fall löst die Sicherung aus, weil der Überlaststrom den Auslösestrom der Sicherung überschreitet. Im zweiten Fall findet ein Überlaststrom statt, durch den die Sicherung nicht auslöst, weil der Überstrom den Auslösestrom unterschreitet. Wichtig ist in dem zweiten Fall,  dass die Sicherung nach dieser Beanspruchung gewechselt wird, um ein sicheres Verhalten im weiteren Verlauf zu gewährleisten.

6. Welche Sicherung wird bei einem Sicherungslasttrennschalter im Bereich der Niederspannung verwendet und was sind gängige Baugrößen?

Im Bereich der Niederspannung werden zylindrische Sicherungen (Bemessungsstrom 0,25A bis  125A) und NH-Sicherungen (Niederspannungs-Hochleistungs-Sicherung 2A bis zu 1600A Bemessungsstrom) verwendet. Die Anforderungen an Sicherungen für die Niederspannung sowie Niederspannung-Hochleistung sind vielfältig. Diese zeichnen sich durch ein großes Ausschaltvermögen, gestaffelte Selektivbereiche, einer niedrigen Verlustleistung und eine Alterungsbeständigkeit aus.

Die Baugrößen von zylindrischen Sicherungen und NH-Sicherungen haben gemeinsam, dass  mit steigender Baugröße auch der Bereich des Bemessungsstromes größer wird. Dies liegt daran, dass neben dem größeren Schmelzleiter auch mehr Quarzsand für größere Lichtbögen verwendet wird. Zylindrische Sicherungen liegen zwischen 10x38 mm² und 22x58 mm². Die wohl bekannteren zylindrischen Sicherungen sind von Siemens mit Neozed und Diazed für den Schraubeinsatz. Ebenfalls sind auf dem Markt weitere Bauformen erhältlich wie die steckbaren Sicherungseinsätze PV von OEZ.  NH-Sicherungen sind in die Kategorien 00/000, 1, 2 ,3 und 4/4a unterteilt. Diese Unterscheiden sich zum einen in der Schwertlänge und zum anderen in den steigenden Bemessungsstrombereichen.

zylindrische und NH-Sicherungen in verschiedenen Baugrößen

Abbildung 4: zylindrische und NH-Sicherungen in verschiedenen Baugrößen von OEZ (32A bis 1600A bei  250V/440V DC und 400V/500V/690V AC) (OEZ)

Ferner sind für den jeweiligen Einsatzzweck verschiedene Auslösecharakteristiken möglich, welche ein Auslöseverhalten von superflink über flink bis träge besitzen. Gängige Auslösecharakteristiken sind gG (alte Bezeichnung gL) für einen Ganzbereichsschutz für allgemeine Anwendungen mit einer trägflinken Auslösereaktion (alte Bezeichnung  Ganzbereichsschutz für Kabel und Leitungen), gTr für einen Ganzbereichsschutz für Verteilungstransformatoren auf Sekundärseite und aM für einen Teilbereichsschutz in Motorstromkreisen mit einer trägen Auslösereaktion, um bei Anlaufströmen, welche den Bemessungsstrom kurzzeitig übersteigen, nicht auszulösen.

Auslösecharakteristiken mit Schmelzzeit

Abbildung 5: Auslösecharakteristiken mit Schmelzzeit (y-Achse) zu erwartetem Kurzschlussstrom (x-Achse)

7. Welche Baugrößen und Modelltypen sind marktgängig?

Je nach Anwendungsfall können Sicherungslasttrennschalter, im Bereich der Niederspannung, in einer horizontalen Standardbauweise als Reihen-Sicherungslasttrennschalter oder in einer vertikalen Anordnung als Leisten-Sicherungslasttrennschalter eingesetzt werden. Diese beiden Bauformen sind so auszuwählen, dass das Platzangebot optimal ausgenutzt wird, wobei in die schmale Bauweise des Leisten-Sicherungslasttrennschalters keine NH-Sicherungen der Baugröße 4 einsetzbar sind (Grund ist die Baugröße). Sicherungslasttrennschalter bei denen NH-Sicherungen eingesetzt werden sind auch unter dem Begriff NH-Lasttrennschalter zu finden. Die Sicherungslasttrennschalter mit zylindrischen Sicherungen sind von ihrer Bauform ähnlich wie Leitungsschutzschalter aus der  Hausinstallation, nur das hierbei eine Schmelzsicherung enthalten ist.

Sollte der Anwendungsfall bestehen, dass ein Unternehmen Sicherungsleisten sowie Sicherungslasttrennschalter benötigt, ist es sinnvoll, ein modulares System in Betracht zu ziehen. Bei diesen Bauformen ist es möglich, eine Sicherungsleiste bis hin zu einem Leisten-Sicherungslasttrennschalter zu skalieren. Vorzüge können bei Lagerkosten, Einkauf und Verfügbarkeit erreicht werden.

Sicherungslasttrennschalter (zylindrische Sicherung),

Abbildung 6: (v.l.n.r.) Sicherungslasttrennschalter (zylindrische Sicherung), Reihen-Sicherungslasttrennschalter, Leisten-Sicherungslasttrennschalter, Sicherungsleiste (OEZ)

Zwei Anforderungen an Sicherungslasttrennschalter sind, dass eine unterschiedliche Anzahl an Leitungen bzw. Phasen gleichzeitig oder getrennt geschalten werden müssen und das ein Neutralleiter ohne Schutzleiterfunktion ungesichert mit geschalten oder gesichert wird. Ungesicherte Neutralleiter werden meist mit einem N oder +N hinter der Anzahl an gesicherten Polen dargestellt und gesicherte Neutralleiter sind in der Anzahl an Polen enthalten (siehe Beispiele im Folgenden).  Die Bauformen für Sicherungslasttrennschalter mit zylindrischen Schmelzsicherungen können variieren von 1, 1N bis zu 3N. Eine 4-polige Schaltungsform, in der alle Phasen sowie Neutralleiter überwacht und geschützt werden, ist bei zylindrischen Schmelzsicherungen unüblich. Bei Reihen-Sicherungslasttrennschalter sind die Schaltungsformen der NH-Sicherungen von 1,1N bis 3N,4 möglich. Leisten-Sicherungslasttrennschalter hingegen sind auf Grund der Bauform nur in der 3-poligen Variante erhältlich. Hierbei ist es möglich 1 bis 3-polige Anschlussformen zu realisieren wobei nicht angeschlossene Außenleiter einfach frei bleiben.

Alle 1-poligen, 2-poligen, 3-poligen oder 4-polig Varianten können so ausgelegt werden, dass diese einzeln oder zusammen im Verbund schalten.

Unterschiedliche Schaltmöglichkeiten mit Sicherungslasttrennschalter

Abbildung 7: Unterschiedliche Schaltmöglichkeiten mit Sicherungslasttrennschalter (v.l.n.r. 1,1N,2,3,3N,4 polig)

Die Frage ist, wann wird ein Neutralleiter überwacht und wann nur mit geschalten? - Ein Neutralleiter ohne Schutzleiterfunktion, wird dann mit einer Schmelzsicherung überwacht, sobald dieser sich in einem unsymmetrisch belasteten System befindet, bei dem es auf Grund von Phasenverschiebungen zwischen den Außenleitern dazu kommen kann, dass der Neutralleiter über den Nennstrom belastet wird. Ebenfalls muss ein Neutralleiter geschützt werden, wenn die Netzform kein TN-System (keine Nullung der Erde) ist. Bei diesen Netz-Systemen ist das Auslösen von Sicherungen nicht immer gewährleistet, weshalb  die Schutzeinrichtung von dem jeweiligen Erdungswiderstand abhängig ist. In Deutschland sind TN-Systeme weit verbreitet und im Ausland eher andere Formen wie das TT-System (keine Nullung). Neutralleiter mit Schutzleiterfunktion dürfen generell nicht geschalten werden.

Die Verdrahtung von Sicherungslasttrennschalter mit zylindrischen Schmelzsicherungen erfolgt über ein Kabelsystem. Im Gegensatz dazu, ist es in der Industrie gängig, dass die Sicherungslasttrennschalter mit NH-Sicherungen direkt auf ein Sammelschienensystem befestigt werden und somit auch an die Außenleiter angebunden sind. Die weitere Energieverteilung kann mit Schienen oder Kabeln realisiert werden.

8. Welche Zubehörteile oder Sonderbauformen sind möglich?

Messumwandler können eingebunden werden, um bei Sicherungslasttrennschalter den Strom der jeweiligen Phase über ein Teilerverhältnis für eine Fernauswertung zu messen.

Messumwandler mit Adapter

Abbildung 8: Messumwandler mit Adapter für vertikale Bauweise des Sicherungslasttrennschalters (OEZ)

Isolierte Zangen sind für den geschützten Wechsel von zylindrischen Sicherungen und NH-Sicherungen. Bei NH-Sicherungen sollte die Zange so ausgewählt werden, dass diese zu dem Bemessungsstrom und zu dem Schutz durch das Gehäuse (barrierefrei oder nicht barrierefrei) passend ist.

Isolierte Zangen für (v.l.n.r) zylindrische Sicherunge

Abbildung 9: Isolierte Zangen für (v.l.n.r) zylindrische Sicherungen, NH-Sicherungen ohne Barriere, NH-Sicherungen, NH-Sicherungen für größere Bemessungsströme (OEZ)

Sicherungslasttrennschalter können mit Auswerteeinheiten für verschiedene Zustände rund um den Sicherungsautomat erweitert werden, um unterschiedliche Informationen zu signalisieren oder in der Entfernung zu verarbeiten. Es ist möglich eine externe Erweiterung zu schalten, welche den Zustand der Sicherung als Signal für eine Fernauswertung weitergibt. Ebenfalls kann eine Zustandsauswertung für die Sicherung direkt im Sicherungsautomat integriert sein. Auf dem Gehäuse eines Sicherungslasttrennschalters ist es möglich einen Kontaktschalter anzubringen, der den Zustand für eingeschalten oder ausgeschalten an eine Fernauswertung gibt. Des Weiteren können Signalleuchten in Gehäusedeckel integriert sein, welche visuell den Zustand einer Sicherung ausgeben.

 Verschiedene Erweiterungen zur Auswertung von Zuständen

Abbildung 10: Verschiedene Erweiterungen zur Auswertung von Zuständen (v.l.n.r) Externe Erweiterung  zur Signalisierung des Sicherungszustandes, Schalter für einen Leisten-Sicherungslasttrennschalter mit einer integrierten Anzeige für den Sicherungszustand, Kontaktschalter für eine NH-Sicherung (mittig oben), Kontaktschalter für den Zustand des Sicherungslasttrennschalter (mittig unten), NH-Lasttrennschalter mit Interner Signalisierung des Sicherungszustandes (OEZ)

Trennbrücken sind feste Installation in der Sicherungshalterung, welche die Verbindung unterbrechen. Verwendet werden diese zum Beispiel als optische Signalisierung für eine Trennung oder als Schutz vor dem ungewollten Einsetzen einer Sicherung durch Dritte.

Trennbrücke

Abbildung 11: Trennbrücken für zylindrische Sicherungen und NH-Sicherungen (OEZ)  

Eine gemeinsame Sammelschiene kann angebracht werden, um mehrere Sicherungslasttrennschalter kompakt zu verbinden. Diese Verbindungsstücke können variabel an die Anzahl und die Länge angepasst werden.

Sammelschiene in Einheitsgröße,

Abbildung 12: Sammelschiene in Einheitsgröße, kann variabel für Anwendung zugeschnitten werden

Stellhebelverbindungsstücke können bei Sicherungslasttrennschalter erweitert werden, um ein gemeinsames zu- sowie abschalten der einzelnen Schalter zu erzeugen.

Stellhebelverbindungsstücke

Abbildung 13: Leisten-Sicherungslasttrennschalter ohne gemeinsamen Stellhebel (links), Stellhebelverbindungsstück (mittig), Leisten-Sicherungslasttrennschalter mit gemeinsamen Stellheben (rechts) (OEZ)