Überspannungsschutz: Welcher Geräteschutzschalter für welche Anwendung?

Von der Prozesstechnik über die ­Verkehrs- und Energietechnik bis hin zum Maschinen- und Anlagenbau - überall sind Schutzschalter im ­Einsatz. Thermische, thermomag­netische und elektronische Schutzschalter arbeiten unterschiedlich - welcher Typ wird wo ­gebraucht?

Schon bei der Gebäudeinstallation werden Schutzschalter in hoher Zahl verbaut: Leitungsschutzschalter schützen die Leitungen in der Wand, speziell für diesen Zweck wurden sie seinerzeit entwickelt. Weil der Nennstrom zu schützender Geräte zunächst unbekannt ist, können diese bei der Planung der Gebäudeinstallation gar nicht berücksichtigt werden. Da aber genau diese Geräte unmittelbar hinter den Leitungen als Verbraucher angeschlossen werden, sind sie dann auch nicht geschützt.

Der Leitungsschutzschalter nach Norm DIN IEC/EN 60898
In der internationalen Norm DIN IEC/EN 60898 wird der Leitungsschutzschalter unter „elektrisches Installationsmaterial" beschrieben als „Leitungs­schutzschalter für Hausinstallationen und ähnliche Zwecke - Teil 1: Leitungsschutzschalter für Wechselstrom". Die Bezeichnung „ähnliche Zwecke" ist dehnbar - sie bezieht sich nicht auf den industriellen Anlagenbau. In der Industrie werden größtenteils 24 V-DC-Geräte eingesetzt, die mit Leitungsschutzschaltern nicht zuverlässig geschützt werden. Aus der Norm geht auch hervor, dass der Leitungsschutzschalter ein maximales Schaltvermögen von 6 kA besitzen muss.

Auch in der Steuerungstechnik werden gemäß der Norm IEC/EN60898 häufig Leitungsschutzschalter eingesetzt. Da sie im DC-Einsatz aber meist erst beim 6-12-fachen Nennstrom auslösen, kann kaum eine Stromversorgung den Leitungsschutzschalter auslösen. Das gilt selbst dann, wenn der Verbraucher einen Kurzschluss erzeugt - und eine sofortige Abschaltung erfolgen muss. Als Folge bricht die Versorgungsspannung ein und die Verbraucher können durch Unterspannung ausfallen.

Wird ein Schaltnetzteil mit SFB (Selective Fusebreaking)-Technik von Phoenix Contact eingesetzt, löst auch ein handelsüblicher Leitungsschutzschalter aus, wenn er richtig dimensioniert wurde. Mit der SFB-Technik lassen sich erstmalig auch Standard-Leitungsschutzschalter zuverlässig und schnell auslösen. Die SFB-Technik kann für bis zu 12 ms den sechsfachen Nennstrom treiben. Damit sorgt sie für den nötigen Energieschub, um einen Leitungsschutzschalter auszulösen, wenn der Leitungswiderstand den Strom nicht zu stark begrenzt.

Geräteschutzschalter nach Norm DIN IEC/EN60934
Zum Einsatz der Geräteschutzschalter heißt es in der DIN IEC/EN60934: „Diese internationale Norm gilt für mechanische Schaltgeräte (bezeichnet als „Geräteschutzschalter" - GS), die für den Schutz der Stromkreise innerhalb elektrischer Betriebsmittel vorgesehen sind." Erfordert die Applikation den Schutz von 24 V-DC Geräten sowie den unterbrechungsfreien Betrieb einer Anlage, so sollte ein Geräteschutzschalter nach DIN IEC/EN60634 eingesetzt werden. Der thermische Geräteschutzschalter, der mit einem Bimetall arbeitet, schützt vor Überlast. Entstehen beim zu schützenden Gerät hohe Anlaufströme oder kurzzeitig hohe Stromspitzen, erfolgt keine Abschaltung. Kommt es aber zu einer länger anhaltenden Überlast, wird ein thermischer Geräteschutzschalter das Gerät zuverlässig abschalten. Der ausfallfreie Betrieb der restlichen Anlage ist dann gesichert. Die entsprechende Auslösezeit geht aus dem Datenblatt des Herstellers hervor.

Schutz vor Überlast und Kurzschluss
Der thermomagnetische Geräteschutzschalter besteht aus zwei unabhängig voneinander arbeitenden Schutzmechanismen. Zum einen sorgt ein Bimetall für die zeitlich verzögerte thermische Auslösung bei Überlast, damit Fehlauslösungen vermieden werden. Zum anderen sorgt eine Magnetspule für eine zeitlich unverzögerte Auslösung bei einem Kurzschluss. Fließt ein hoher Strom durch die Magnetspule, wird ein Magnetfeld erzeugt, das im Inneren des Schutzschalters einen Rasthaken löst. Damit wird der Stromkreis und somit der Stromfluss gestoppt. Kommt es beispielsweise in einer Industrieanlage zu einem Kurzschluss, beträgt die Auslösezeit etwa 5 ms. Alle anderen Verbraucher können ohne Spannungsunterbrechung fehlerfrei weiter arbeiten - der Fertigungsprozess wird nicht unterbrochen. Thermomagnetische Schutzschalter sind vom Funktionsprinzip mit einem Leitungsschutzschalter vergleichbar. Damit jede Applikation zuverlässig geschützt wird, gibt es thermomagnetische Schutzschalter mit unterschiedlichen Auslöse-Kennlinien.

Schutz durch elektronische Schaltung
Bei Überlast und Kurzschluss sowie bei hoher Leitungsdämpfung erfolgt der Schutz eines Geräts mit Hilfe einer elektronischen Schaltung. Jeder Verbraucher muss entsprechend abgesichert werden - das fordert auch die amerikanische Norm UL 508A. Unter diese Norm fallen auch elektronische Geräteschutzschalter, die mit einer „Fail-Safe"-Sicherung ausgestattet sind, die eine Fehlfunktion des Schutzschalters ausschließen. Der elektronische Geräteschutzschalter von Phoenix Contact bietet den Vorteil einer aktiven Strombegrenzung, durch die eine nahezu 100-prozentige Verplanung einer jeden gewöhnlichen Gleichspannungsversorgung möglich ist. Durch lange Leitungen in unterschiedlichen Applika­tionen entstehen oft hohe Leitungswiderstände vor Verbrauchern. Diese Widerstände begrenzen den erforderlichen Auslösestrom im Fehlerfall. Somit kann eine Abschaltung im Fehlerfall häufig nicht rechtzeitig erfolgen. Der elektronische Geräte­schutzschalter besitzt eine aktive Strom­begrenzung und ermöglicht damit viel längere Leitungen - was die Distanz zum Verbraucher im Feld erheblich erhöht.

Einsatz im Schaltschrank
Den Geräteschutzschalter findet man in aller Regel im Schaltschrank. Viele der zu schützenden Verbraucher werden ebenfalls direkt im Schalt­schrank eingesetzt und sind somit durch die kurze Entfernung vom Schutzschalter gut geschützt. In automatisierungstechnischen Anlagen findet sich heute fast immer eine SPS. Diese muss laut DIN IEC/EN 61131-2 einer Spannungsunterbrechung von 10 ms standhalten. Also muss die Abschaltung eines fehlerhaften Geräts bereits in diesen 10 ms erfolgen.

Fazit
Der richtige Schutz einer Leitung ist wichtig, aber der Schutz von Verbrauchern ist mindestens genauso wichtig - für den fehlerfreien Betrieb einer Anlage. Dabei kommt es auf die entsprechende Projektierung an: vom Netz über Netzteil und Schutzschalter bis hin zum Verbraucher. Nur so wird die Anlage vor einem Stillstand geschützt.