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Überstromschutzeinrichtungen

Grundlagen

Unter Überstromschutzeinrichtungen versteht man Niederspannungs-Schaltgeräte, die in der Lage sind Betriebsmittel einer Schaltanlage, wie Geräte, elektrische Maschinen und Leitungen, gegen Kurzschlussauswirkungen oder thermische Dauerüberlastungen und mögliche Brandfolgen zu schützen. Am gebräuchlichsten sind dafür Schmelzsicherungen und Schutzschalter, die thermische und magnetische Auslöser besitzen.

Schmelzsicherungen (DIN VDE 0636):

  • D-System (Diazed-Sicherungen)
  • D0-System (Neozed-Sicherungen)
  • Geräteschutz-Sicherungssystem (DIN VDE 0820)
  • NH-System (Niederspannungs-Hochleistungssicherungen nach DIN VDE 0636)

Schutzschalter:

  • LS-Schalter (Leitungsschutzschalter DIN VDE 0641 oder 0660)
  • MS-Schalter (Motorschutzschalter DIN VDE 0660)
  • Leistungsschalter (DIN VDE 0660)
  • Bimetallrelais (Motorschutzrelais DIN VDE 0660)
  • Motorvollschutz (DIN VDE 0660)

Technische Daten der Schutzeinrichtungen, die beachtet werden müssen sind z.B.:

  • Einstellwert, Bemessungswert (alt Nennstrom)
  • Bemessungsspannung (alt Nennspannung)
  • Strom-Zeit-Kennlinien
  • Bemessungsausschaltvermögen
  • Ausschaltzeiten
  • Durchlasstrom
  • Strombegrenzung
  • Betriebsklasse, Ausschaltbereich und Eigenschaften
  • Verlustleistungsangaben
  • Konventionelle Prüfströme und Prüfzeiten
  • Aufschriften der Schutzeinrichtung
  • Baugröße
  • Anschlussquerschnitt
  • Selektivität

D- und D0-System

Im Aufbau sind diese beiden Schmelzsicherungssysteme gleichartig, sie unterscheiden sich in der Baugröße und im zulässigen Bemessungsspannungsbereich. Die Kleinstwerte des Bemessungsausschaltvermögens sind:

  • min. 50 kA für Wechselstrom
  • min. 8 kA für Gleichstrom

Diazed-System (diametral gestuftes, 2-teiliges Sicherungssystem mit Edisongewinde)

Bemessungsspannung: 500V für Gleichspannung(-) und Wechselspannung(~)

Bemessungsstrom: bis 100A

in besonderen Fällen Bemessungsspannung 690V~, 600V-; Bemessungsstrom bis 63 A

Neozed-System (neo ist gleichbedeutend mit neu)

Bemessungsspannung: bis 400V~ bzw. 250V-

Bemessungsstrom: bis 100A

Aufgrund der Baugröße kann das Neozed-System nicht so viel Wärme abführen wie das Diazed-System

Aufbau und Wirkungsweise

Der Aufbau ist aus dem obigen Bild ersichtlich. Der Schmelzeinsatz ist ein zylindrischer Porzellanhohlkörper, der mit feinem Quarzsand zur Lichtbogenlöschung und zum Temperaturausgleich gefüllt ist. Der Kopf- und Fußkontakt werden durch Schmelzleiter miteinander verbunden. Parallel dazu gibt es einen Haltedraht, der über eine Feder ein farbiges Kennplättchen hält, welches zur Unterbrechungsmeldung und Kontrolle der Sicherungsgröße dient. Löst die Sicherung aus, also schmelzen Schmelzleiter und Haltedraht durch, wird das Plättchen abgestoßen und vom Schutzglas der Schraubkappe abgefangen. Würde man den Schmelzeinsatz nun zerlegen, kann man bei einem voll abgebrannten Schmelzleiter auf eine Kurzschlussabschaltung schließen und bei einer Unterbrechung auf eine Überlastabschaltung.

Sicherungseinsätze

Jedem Leiterquerschnitt ist für den Überlastschutz von Kabeln und Leitungen durch Schutzeinrichtungen eine maximale Sicherungsgröße zugeordnet, die nach Bemessungsströmen gestuft sind.

SockelSicherungspatrone und Passeinsatz
Bemssungsstrom in ABemessungsstrom in AKennfarbe
252Rosa
254Braun
256Grün
2510Rot
2513Schwarz
2516Grau
2520Blau
2525Gelb
6335Schwarz
6350Weiß
6363Kupfer
10080Silber
100100Rot

Die Fußkontakte der Patronen und die Passschrauben sind entsprechend der Bemessungsströme mit unterschiedlichen Durchmessern versehen, um den Einsatz von Schmelzeinsätzen zu großer Bemessungsströme zu verhindern. Es dürfen nämlich nicht willkürlich Passeinsätze durch solche höherer Bemessungsstrombereiche ersetzt werden. Die genormten Baugrößen in Abhängigkeit von Bemessungsstrom, Gewindegröße und Anschlussquerschnitt sind:

GrößeBemessungsstrom in AGewindegrößeAnschlussquerschnitt in mm²
D-System
D II25E 271,5 bis 10
D III63E 332,5 bis 25
D IVH100R 1,2510 bis 50
D0-System
D0 116E 141,5 bis 4
D0 263E 181,5 bis 25
D0 3100M30 x 210 bis 50

Abschaltverhalten

Die Sicherungen schalten selbsttätig entweder durch kurzzeitige hohe Ströme, wie z.B. Kurzschlüsse, oder durch thermische Dauerüberlastungen ab. Bei einer Kurzschlussabschaltung wird der Kurzschlussstrom innerhalb einer kurzen Zeit abgeschaltet und erreicht seinen Höchstwert lange nicht. Die Abschaltung erfolgt dabei nicht bei einer Belastung in Höhe des Bemessungsstromes, sondern bei einem höheren Strom, der als Abschaltstrom IA bezeichnet wird. Die Abschaltströme in Abhängigkeit von der Abschaltzeit sind aus Strom-Zeit-Kennlinien zu entnehmen. Da der Grenzstrom der Sicherung, der sie nach sehr langer Belastung zum Auslösen bringt, nur mit erheblicher Toleranz angegeben werden kann, wird sie für die Überprüfung mit einem kleinen und großen Prüfstrom belastet. Dabei darf es mit dem kleinen Prüfstrom innerhalb einer Stunde nicht zur Auslösung kommen und mit dem großen Prüfstrom muss es innerhalb einer Stunde zur sicheren Abschaltung kommen. Da das Durschschmelzen bei einem zeitlich andauernden 1,2-fachen Bemessungsstrom nicht gewährleistet ist, sind Schmelzsicherungen nicht geeignet elektrische Maschinen und andere gegen Überlastung empfindliche Bauteile gegen thermische Überbeanspruchung zu schützen.

Bemessungsstrom In in AKonventionelle Prüfdauer in hPrüfstrom
kleiner Prüfstrom Inf großer Prüfstrom If
211,5 x In 2,1 x In
411,5 x In 2,1 x In
611,5 x In 1,9 x In
1011,5 x In 1,9 x In
1311,25 x In 1,6 x In
1611,25 x In 1,6 x In
2011,25 x In 1,6 x In
3511,25 x In 1,6 x In

Gruppierung nach Funktionsmerkmalen und Anwendungsbereichen

Als Funktionsmerkmal einer Sicherung versteht man das Zeit-Strom-Verhalten , welches den Sicherungskennlinien zu entnehmen ist. Sicherungen der Funktionsklasse g sind für den Überlast- und Kurzschlussschutz von Leitungen und Kabeln geeignet, Sicherungen der Funktionsklasse a dagegen meist nur als Kurzschlussschutzeinrichtung. Eine weitere Unterscheidung erfolgt nach der Art der zu schützenden Objekte wie folgt:

  • G Kabel- und Leitungsschutz
  • R Halbleiterschutz
  • M Schaltgeräteschutz
  • B Bergbauanlagenschutz
  • Tr Transformatorenschutz

So ergeben sich als Betriebsklassen Kombinationen der Funktionsklasse und der Schutzobjekte aus 2 Buchstaben, von denen folgende Kombinationen möglich sind:

  • gG Ganzbereichs-Kabel- und Leitungsschutz; Kennzeichnung: schwarz
  • aM Teilbereichs-Schaltgeräteschutz; Kennzeichnung: grün
  • aR Teilbereichs-Halbleiterschutz; Kennzeichnung: gelb
  • gR Ganzbereichs-Halbleiterschutz
  • gB Ganzbereichs-Bergbauanlagenschutz
  • gTr Ganzbereichs-Transformatorschutz

Zur Absicherung von Leitungen und Kabeln werden gG-Sicherungen verwendet.


Geräteschutz-Sicherungssystem

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Gerätesicherungen, auch Feinsicherungen genannt, bestehen aus einem zylindrischen Schmelzeinsatz. Ihr Bemessungsstrombereich liegt zwischen 1mA und 10A und sie werden zum direkten Einbau zum Schutz gegen Kurzschluss und Überlastung von Geräten verwendet. Sie haben aufgrund ihrer Maße ein begrenztes Schaltvermögen, nach dem sie in 5 Gruppen unterschieden werden. Die zulässigen Bemessungsspannungen 12,5 V, 25 V, 32 V, 50 V, 63 V, 125 V und 250 V sind für folgende Charakteristiken festgelegt:

  • FF superflink
  • F flink
  • M mittelträge
  • T träge
  • TT superträge

Die Abschaltzeiten variieren dabei von FF < 30 ms und TT > 300 ms und der 1,5-fache Bemessungsstrom kann die Sicherung innerhalb einer Stunde zum Abschalten bringen.

KennzeichnungAusschaltvermögen in A
B50
C80
D300
E1000
G1500
H1500
L35 bzw. 10 x In


Niederspannungs-Hochleistungssicherungen (NH-Sicherungen)

NH-Sicherungen haben ein Schaltvermögen von ca. 100 kA bzw. 120 kA für Wechselspannung und liegen damit klar über dem geforderten Mindestwert von 50 kA. Bei Gleichspannungen sollte das Bemessungsausschaltvermögen nicht unter 25 kA liegen. Genormte Bemessungsspannungen für Wechselspannung sind 400 V, 500 V und 690 V und für Gleichspannung 250 V und 440 V. Für 400 V~ und 690 V~ muss die Aufschrift aus einem Streifen mit Umkehrschrift bestehen. Die Sicherungsunterteile weisen meist sogar Bemessungsspannungen von 690 V und mehr auf. Die nach 7 verschiedenen Bemessungsstrombereichen unterteilten Sicherungsgrößen sind:

GrößeBemessungsstrombereich in AGesamtlänge in mmAnschlussquerschnitt in mm²
00von 6 gestuft bis 1007816 bis 50
0von 6 gestuft bis 16012535 bis 95
1von 80 gestuft bis 25013570 bis 150
2von 125 gestuft bis 400150150 bis 300
3von 315 gestuft bis 6301502 x (40 x 5)
4von 500 gestuft bis 12502002 x (60 x 5)
4avon 500 gestuft bis 12502002 x (80 x 5)

Aufbau und Besonderheiten

Der auswechselbare Schmelzeinsatz sitzt durch Steckverbindungen gehalten auf dem Sicherungshalter oder dem Unterteil mit den Leitungsanschlüssen. Außerdem wird er nur in Verbindung mit einem geschlossenen Steatit- oder Gießharzkörper verwendet. Die Schmelzleiter sind gitterartig ausgestanzte Kupferbänder und als Löschmittel wird auch hier Quarzsand verwendet. Die Sicherungspatronen werden mit Isoliergriffen gewechselt, was auch im unbelasteten Zustand unter Spannung geschehen kann. Kommt es zu einem Einsatz in einem Sicherungstrenner, werden meist 3 Sicherungspatronen, die gemeinsam in einem Griffeinsatz eingeordnet sind, geschaltet, dabei muss der obere Kontakt zuerst geöffnet werden, um zu verhindern, dass ein eventuell vorhandener Lichtbogen den Trenner überbrückt. Werden die NH-Sicherungen mit einem Sicherungsgriff gezogen, ist darauf zu achten beide Messerkontakte gleichzeitig und zügig herauszuziehen, um möglichst schnell einen großen Kontaktabstand herzustellen. Diese Griffsicherungen dürfen nur von Fachkräften mit Helm und Gesichsschutz ausgetauscht werden. Die meisten Schmelzeinsätze haben eine gG-Charakteristik und bieten bei Sicherungsabstufungen um 2 Bemessungsgrößen ein gutes Selektivverhalten. Ansonsten gilt für sie das gleiche wie für Diazed- und Neozed-Sicherungen.


Leitungsschutzschalter (LS-Schalter)

Leitungsschutzschalter sind sogenannte Sicherungsautomaten mit elektromagnetischen und elektrothermischen Auslösern und dienen als Schutzeinrichtungen für Leitungen und Geräte bei Überlast und Kurzschluss. Aufgrund der größeren Betriebssicherheit verwendet man sie anstelle von Schmelzsicherungen. Außerdem dürfen sie nach VDE auch als Schalter verwendet werden und Leitungen können im Überlastgebiet besser ausgenutzt werden als mit Schmelzsicherungen. Es gibt sie in ein- oder mehrpoliger Ausführung für Bemessungsströme bis zu 100 A.

Aufbau und Wirkungsweise

Der Aufbau eines Leitungschutzschalters ist dem obrigen Bild zu entnehmen. Wird der Schutzschalter eingeschaltet wird eine Feder gespannt, die bei Handauslösung oder im Fehlerfall automatisch ein schnelles Öffnen der Schaftstücke und damit auch des Stromkreises bewirkt. Bei einer thermischen Überlastung erfolgt die automatische Auslösung durch Bimetalle und im Kurzschlussfall durch magnetische Auslöser. Im Fehlerfall können Bimetallauslöser und Magnetauslöser unabhängig voneinander die Freiauslösung im Schaltschloss aufheben. Werden mehrere LS-Schalter nebeneinander montiert müssen die Umgebungstemperatur und die Häufung der LS-Schalter berücksichtigt werden.

Freiauslösung

Nach DIN VDE 0660 wird bei Schutzschaltern ein Schaltschloss mit Freiauslösung gefordert, dadurch wird ein Auslösevorgang ermöglicht, auch wenn der Schalter z.B. von Hand in der Einschaltstellung gehalten wird.

Schaltvermögen

Das als Aufschrift auf dem LS-Schalter angegebene Schaltvermögen beträgt zwischen 3000 A und 25000 A, dabei wird in Deutschland ein Schaltvermögen von mindestens 6000 A gefordert. Schutzschalter sind nach Herstellerangaben mit Schmelzsicherungen vorzusichern zum Backup-Schutz, um sicherzustellen, dass eine einwandfreie Abschaltung erfolgt.

Energiebegrenzungsklasse

Weiterhin werden LS-Schalter in drei Energiebegrenzungsklassen eingeteilt, deren Unterschiede in der Abschaltgeschwindigkeit und Strombegrenzung liegen. Beim LS-Schalter der Klasse 3 ist die Abschaltzeit kürzer als beim LS-Schalter der Klasse 2 oder 1. In Deutschland sind nur LS-Schalter der Klasse 3 erlaubt.

Schaltkurzzeichen

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Im Gegensatz zum Schaltzeichen des Motorschutzschalters weist das Schaltbild des LS-Schalters nur den Pfeil auf, obwohl der LS-Schalter auch einen thermischen Bimetallauslöser besitzt. Je nach Einsatzgebiet werden LS-Schalter mit unterschiedlichem Abschaltverhalten benötigt. Die geläufigsten sind dabei:

Leitungsschutzschalter Typ B

Er entspricht intenationaler Norm. Sein magnetischer Auslöser hat einen Ansprechbereich von 3-5 x In und sein thermischer Auslöser im Überlastbereich einen Ansprechbereich von 1,13-1,45 x In. Anwendungsbereich: Schutz von Leitungen in Beleuchtungs- und Steckdosenstromkreisen sowie für alle Wärmeerzeuger.

Leitungsschutzschalter Typ C

Sein thermischer Auslöser ist gleich dem des Typs B, der magnetische Auslöser im Kurzschlussbereich allerdings träger mit einem Ansprechbereich von 5-10 x In. Anwendungsbereich: Schutz von Leitungen für Motorstromkreise.

Leitungsschutzschalter Typ D

Auch er hat den gleichen thermischen Auslöser wie die Typen B und C, sein magnetischer Auslöser liegt im Ansprechbereich von 10-20 x In. Anwendungsbereich: Für stark impulserzeugende Betriebsmittel, z.B. Transformatoren, Magnetventile (Rush-Effekt).

Sicherungsselektivität

Allgemein versteht man unter Selektivität die Staffelung von Sicherungen. Es soll damit erreicht werden, dass bei in Reihe liegenden Sicherungen im Kurzschluss- oder Überlastfall das dem Fehler am nächsten liegende Schutzorgan auslöst. Dies kann erreicht werden durch:

  • Stromselektivität
  • Zeitselektivität
  • logische Selektivität

Bei Sicherungseinsätzen vom Typ gG und einem Bemessungsstrom von mehr als 16 A müssen diese im gesamten Ausschaltbereich selektiv zueinander sein. Erreicht wird dies durch eine Abstufung um den Faktor 1,6. Bei anderen Organen wie LS-Schaltern sind die Herstellerangaben zu beachten. Es wird dabei unterschieden in:

  • absolute Selektivität
  • Teilselektivität
  • volle Selektivität

Selektive Haupt-Leitungsschutzschalter

Aufgrund ihres begrenzten Schaltvermögens müssen LS-Schaltern Schmelzsicherungen vorgeschaltet werden. Dies wird oft durch NH-Sicherungen im Hausanschlusskasten oder im Zähler-Verteilerschrank in Form von NH-Sicherungen realisiert, die allerdings nach einer Auslösung nur durch unterwiesene Personen gewechselt werden dürfen. Deshalb gibt es Leitungsschutzschalter, die die jeweiligen Vorzüge von Schmelzsicherungen und LS-Schaltern vereinen. Diese Hauptleitungsschutzschalter sind gemäß TAB 2000 bei verschiedenen VNB vorgeschrieben. Installiert werden sie vor dem Zähler und dienen zum Trennen und Schalten der Kundenanlage. Der Bemessungsstrom muss dabei Mindestanforderungen der TAB erfüllen. Weitere technische Daten sind:

  • Bemessungsstromstärke: 16 A, 20 A, 25 A, 32 A, 35 A, 40 A, 50 A, 63 A, 80 A, 100 A und 125 A
  • Bemessungsschaltvermögen: 25 kA und 50 kA
  • Auslösecharakteristik: E, Cs oder nach Herstellerangaben
  • Selektivität zu nachgeschalteten Leitungsschutzschaltern 6000 A und 10000 A
  • Selektivität zu vorgeschalteten Sicherungen, selbst bei gleichem Bemessungsstrom
  • vom Laien bedienbar

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Aufbau und Wirkungsweise

Es gibt netzabhängige und netzunabhängige Hauptleitungsschutzschalter. Beim netzunabhängigen Hauptleitungsschutzschalter dient wie beim LS-Schalter ein Thermobimetall zur Überlastauslösung. Im Kurzschlussfall werden durch einen Schlaganker des Magnetauslösers die Hauptkontakte getrennt, dabei bleibt aber der Stromfluss begrenzt durch den Selektivwiderstand noch kurzzeitig über den Weg der Bimetall-Selektivauslösung bestehen. Nachdem durch das nachgeschaltete Schutzorgan die Kurzschlussabschaltung stattgefunden hat, schließen sich die Kontaktstücke automatisch durch ein Federsystem. Erst wenn ein Kurzschluss länger anliegt, sorgt der Selektivschutzauslöser für eine verzögerte Kurzschlussauslösung. Dadurch wird bis zu einem Kurzschlusstrom von 6000 A Selektivität sichergestellt, selbst zu Schmelzsicherungen gleichen Bemessungsstromes, weil die Schmelzenergie einer NH-Sicherung z.B. größer ist als die vom Hauptleitungsschutzschalter durchgelassene Energiemenge.

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