Strom sicher trennen

Technik konkret

Schutzschalter – Die sichere Unterbrechung des elektrischen Stroms erfordert die Wahl der geeigneten Typen von Schutzschaltgeräten.

27. Mai 2010

Die Erzeugung und Übertragung elektrischer Energie birgt ein Gefährdungspotenzial für Mensch und Gerät und benötigt daher besondere Schutzmaßnahmen. Eine sichere Unterbrechnung des elektrischen Stroms abhängig vom Zustand des umgebenden Systems erfordert jedoch spezielle Schutzschaltgeräte, deren Technologie in Abhängigkeit von den physikalischen und wirtschaftlichen Randbedingungen mit Bedacht ausgewählt werden muss. Die Wirkungsprinzipien solcher Geräte lassen sich allgemein auf fünf Funktionen reduzieren:

Am Anfang steht eine Daten-Erfassungseinheit, welche die Kenngrößen eines Systems aufnimmt. Eine Auswerteeinheit verarbeitet diese Kenngrößen daraufhin entweder elektrisch analog und/oder digital oder rein physikalisch oder in einer Kombination daraus. Aus dem Ergebnis werden Entscheidungskriterien abgeleitet, die zur Steuerung eines Aktuators verwendet werden. Das eigentliche Schaltelement ist entweder eine mechanische Kontaktstelle oder ein Leistungshalbleiter oder eine Kombination aus beiden. Über eine Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) schließlich kann ein Bediener den Energiefluss unabhängig vom Systemzustand unterbrechen oder wiederherstellen.

Der am weitesten verbreitete Typ mechanischer Schaltgeräte ist der thermisch-magnetische Schutzschalter, wie er zur Absicherung der elektrischen Installation in jedem Haushalt zu finden ist. Hier erfasst ein Thermo-Bimetall den Strom, wertet ihn durch Erwärmung aus und agiert durch die resultierende Ausbiegung auch als Aktuator. Er erfüllt also drei der fünf beschriebenen Funktionen.

Im Kurzschlussfall übernimmt diese drei Funktionen ein elektromagnetischer Schnellauslöser aus einer Spule mit Magnetjoch und Schlaganker. Dadurch ist ein solches Schaltgerät auch in der Lage, den Kurzschlussstrom vor dem Erreichen des theoretischen Maximums zu unterbrechen und so die Energie auf Werte unterhalb des Schädigungsniveaus zu begrenzen. Das Schaltelement ist ein mechanisch bewegtes Kontaktstück, das durch Koppelung mit einem Schaltschloss bistabil arbeitet. Das Betätigungselement (HMI) ist meist ein einfacher Kipphebel.

Zum Schutz von Schaltnetzteilen in DC-Steuerkreisen in Maschinen und Anlagen werden dagegen bevorzugt elektronische Schutzschalter eingesetzt, weil die kapazitive Eingangsimpedanz der Schaltnetzteile beim Einschalten hohe Ströme erzeugt, die konventionelle Schutzgeräte zum Auslösen veranlassen würden. Die einstellbare Strom-Zeit-Charakteristik der elektronischen Geräte erlaubt jedoch eine Adaption der Kennlinie, sodass Einschaltspitzen ignoriert, Überlasten und Kurzschlüsse aber erkannt werden.

Für spezielle Applikationen, wie etwa das Schalten hoher Gleichspannungen in Photovoltaikanlagen, lassen sich die Vorteile beider Technologien sinnvoll kombinieren. So wird die Schnelligkeit der Elektronik beim Schalten ergänzt durch einen parallel geschalteten mechanischen Kontakt, der einen niedrigen Widerstand im geschlossenen Zustand garantiert. Die sichere galvanische Trennung im geöffneten Zustand wird durch eine zusätzliche in Reihe geschaltete mechanische Schaltstrecke erreicht.

Peter Meckler, E-T-A GmbH/bt

Erschienen in Ausgabe: 03/2010