Wann eignet sich Leitungsschutzschalter bei Stromversorgungen

Wann eignen sich Leitungsschutzschalter?

Fehlerhafte 24-VDC-Stromkreise mit Leitungsschutzschaltern selektiv freischalten

Anzeige
Leitungsschutzschalter (LS-Schalter) sind eine der wirtschaftlichsten und kostengünstigsten Methoden, Strompfade mit fehlerhaften Verbrauchern oder Zuleitungen abzuschalten. LS-Schalter wurden entwickelt, um – wie der Name sagt – Leitungen zu schützen. Werden der Strom-Wert und die Charakteristik des LS-Schalters der verwendeten Leitung und der Verlegeart angepasst, so gilt die Verdrahtung als thermisch sicher, unabhängig davon, ob der Leitungsschutzschalter öffnet oder nicht. Genau darin liegt aber laut Puls ein großes Problem bei 24-VDC-Stromkreisen.
Leitungsschutzschalter eignen sich für die Absicherung von Steuerstromkreisen. Bei 24-VDC-Stromkreisen möchte man eine schnelle Abschaltung innerhalb von 10 ms erreichen, um einen Reset bei parallel versorgten Steuerungen zu vermeiden. Grundvoraussetzungen hierfür sind jedoch Netzgeräte mit hohen Stromreserven sowie eine geringe Impedanz der Fehlerschleife, damit der Strom auch wirklich fließen kann.
Die Problematik
Schnellere Taktraten, höhere Ausbringmengen, gleichbleibende Qualität und die Beherrschung komplexerer Abläufe sind die treibenden Faktoren im modernen Anlagen- und Maschinenbau. Dieser Fortschritt erfordert immer komplexere Steuerungen verbunden mit einer stetig wachsenden Anzahl von Sensoren und Aktoren, die alle mit elektrischer Energie versorgt werden müssen. Diese Steuer- und Laststromkreise werden mit einer Spannung von 24 VDC betrieben, die üblicherweise von einem zentralen Netzgerät erzeugt und parallel zu den einzelnen Verbraucherzweigen verteilt wird.
Ein vielfach geäußerter Wunsch ist die einzelne Absicherung und Überwachung aller Verbraucherzweige, sodass kleinere Leitungsquerschnitte nicht überlastet werden und eine schnelle Fehlerdiagnose sowie -behebung möglich sind. Außerdem soll es untereinander zu möglichst wenig unerwünschten Wechselwirkungen kommen. Wird z.B. ein Sensorkabel in einer Schaltschranktür eingequetscht, sollte nicht die komplette Steuerung abstürzen, sondern nur der fehlerhafte Pfad selektiv getrennt werden. Normen fordern eine solche Trennung bisher nicht, in der Praxis findet man sie aber immer häufiger.
Der Leitungsschutzschalter
Die einfachste und kostengünstigste Art der Absicherung sind elektromagnetische Leitungsschutzschalter, die sich durch einen magnetischen und einen thermischen Abschaltmechanismus auszeichnen. Der magnetische Auslösewert wird mittels des Schnellauslösestrom beschrieben. Man kann zwischen vier Empfindlichkeits-Klassen (Charakteristik A bis D) wählen. Nicht übersehen werden darf dabei die Tatsache, dass die allgemein bekannten Schnellauslöseströme nur bei Wechselstrom gelten. Bei Gleichstrom muss nach den Angaben der Hersteller die obere Grenze um den Faktor 1,5 korrigiert werden. In der Praxis finden vor allem Leitungsschutzschalter mit B- und C-Charakteristik Verwendung. Die A-Charakteristik ist zu flink, die D-Charakteristik ist unnötig träge. Es ist auch unerheblich, ob der LS-Schalter vor dem Auslösen mit Nennstrom belastet wird oder stromlos war.
Der thermische Auslösemechanismus von Leitungsschutzschaltern ist hingegen bei allen vier Klassen gleich. Gemäß der Kennlinien kann es z.B. beim 1,5-fachen Nennstrom zwischen 20 s und 30 min dauern, bis der Leitungsschutzschalter den Stromkreis öffnet. Diese hohen Auslöseströme, die zum schnellen Abschalten nötig sind, stellen besondere Anforderungen an die Netzgeräte in Bezug auf die Überstromfähigkeit. Die in Netzgräten eingebaute elektronische Strombegrenzung lässt normalerweise nicht viel mehr Dauerstrom als den Nennstrom zu.
Spitzenstrom bei Netzgeräten
Bei Puls-Geräten waren hohe dynamische Spitzenlastströme und ein kontinuierlicher Stromfluss bei Überlast schon immer wichtige Merkmale, die bei der letzten Generation von Geräten noch einmal durch die Bonus-Power-Funktion verstärkt wurde. Ein weiterer Vorteil der Puls-Geräte sind die reichlich dimensionierten Ausgangskondensatoren. Damit werden kurzzeitig zusätzliche hohe Ströme zur Verfügung gestellt, die die Leitungsschutzschalter zum Auslösen veranlassen. Die Ausgangskondensatoren werden dabei zwar teilweise entladen, das sollte im Fehlerfall aber nicht weiter störend sein, da es sich nur um wenige Millisekunden handelt. Mit diesen beiden Maßnahmen vermeidet man das sonst oft notwendige Überdimensionieren des Netzgerätes.
Impedanz der Fehlerschleife
Viel wichtiger und oftmals entscheidend ist die Impedanz der Fehlerschleife. Die beste Stromreserve im Netzteil bringt nichts, wenn das ohmsche Gesetz ein Fließen des Stromes nicht zulässt. Leitungswiderstände haben hierbei den größten Einfluss und werden meist unterschätzt. Der Einfluss des Leitungswiderstandes lässt sich am besten an einem typischen Beispiel erklären.
Eine Anzeigetafel mit einer Stromaufnahme von 5,5 A ist 30 m (entspricht 60 m Drahtlänge) vom Schaltschrank entfernt. Der Anlagenbauer verwendet ein 10-A-Netzgerät, verkabelt die Zuleitung der Anzeigetafel mit 1 mm2 und sichert die Leitung mit einem 6-A-C-Charakteristik-LS-Schalter ab. Die 20 A entsprechen dem 3,3-fachen des Nennstroms des 6-A-LS-Schalters. Aus den Auslösekennlinien des Schalters ist ersichtlich, dass es zwischen 4 und 20 s dauern kann, bis der 6-A-LS-Schalter auslöst; vorausgesetzt, das Netzgerät liefert diesen Strom von 20 A. Ein Netzgerät, das mehr Strom als die 20 A liefern würde (z.B. den 6-fachen Nennstrom), bringt in dieser Situation keine Vorteile. Wie zu erkennen, ist es bereits bei mittleren Kabellängen schon fast unmöglich, eine schnelle Auslösung (innerhalb 10 ms) zu erreichen. Die einzigen zwei Abhilfemöglichkeiten wären elektronische Schutzschalter (sind wesentlich genauer) oder ein größerer Drahtquerschnitt, was aber mit deutlich höheren Kosten und mehr Aufwand verbunden ist.
Leitungswiderstände begrenzen Strom
Im Falle sehr langer Leitungen wirkt sich vor allem der Leitungswiderstand aus. Die Spannung von nur 24 V hat im Vergleich zu den sonst üblichen 230 VAC deutlich weniger „Kraft“, den Strom durch die Leitung zu „drücken“. Geht man davon aus, dass das Netzgerät den erforder- lichen Strom liefern kann, lässt sich über den Leitungswiderstand und das ohmsche Gesetz die maximale Leitungslänge in Abhängigkeit vom Leitungsquerschnitt ermitteln. Als erforderlicher Strom wird bei der C-Charakteristik der 15-fache und bei der B-Charakteristik der 7,5-fache Nennstrom angenommen. Dies entspricht einem Worstcase-LS-Schalter. Wird diese Leitungslänge nicht überschritten und steht der erforderliche Strom zur Verfügung, kann eine Schnellabschaltung sichergestellt werden.
Bei kurzen und mittellange Leitungen können große Ausgangskondensatoren im Netzgerät helfen. Tritt zum Beispiel der Kurzschluss oder Fehler innerhalb des Schaltschrankes auf, dann ist die Leitung entsprechend kurz und die Impedanz des Fehlerkreises gering. Neben den allgemein bekannten Auslösekennlinien von Leitungsschutzschaltern gibt es Durchlasskennlinien, die den Zeitbereich kürzer 10 ms abdecken. Hierfür sind zwar höhere Ströme erforderlich, diese können aber mit Hilfe der Ausgangskondensatoren im Netzgerät geliefert werden. Je größer die Kapazität der Kondensatoren ist, desto höher ist der Fehlerstrom und desto schneller erfolgt die Abschaltung. Aus verschiedenen Messreihen lässt sich erkennen, dass Leitungsschutzschalter nach 600 µs bis 2 ms abschalten, wenn der Strom ausreichend hoch ist. Die Differenz liegt in der mechanischen Trägheit der LS-Schalter begründet.
Am Beispiel eines Oszillogramms wird dieses typische Verhalten deutlich. Die Kurven wurden mit einem QS10.241-Netzgerät (10 A) und einem C-4A-LS-Schalter aufgenommen. Die obere Kurve ist die Ausgangsspannung bei 20 V/DIV, die untere Kurve ist der Fehlerstrom bei 50 A/DIV. Es fließt ein kurzer Peakstrom von etwa 145 A, der jedoch nach 1,5 ms unterbrochen wird. Im Spannungsverlauf ist ersichtlich, wie der Ausgangskondensator hierbei entladen wird. Die 24-V-Spannung steht etwa 3 ms nach dem Abschalten wieder zur Verfügung. Es ist gut zu erkennen, dass der Ausgangskondensator den Hauptbeitrag zum Strom leistet. Dieser zusätzliche Strom erklärt, warum in der Praxis LS-Schalter oft doch auslösen, obwohl dies nach Betrachtung der Tabelle nicht möglich sein sollte. Ein Netzgerät mit einem vielfachen Nennstrom (wenn auch nur kurzzeitig) ist oftmals nicht notwendig.
Zu empfehlen ist deshalb, zusätzlich zu den theoretischen Überlegungen praktische Tests durchzuführen. Einen guten Anhaltspunkt geben auch die Testergebnisse, die sich in den Datenblättern der Puls-Netzgeräte befinden. Mit ein wenig technischem Sachverstand kann die Entscheidung getroffen werden, ob der Einsatz eines LS-Schalters den gewünschten Erfolg bringt oder ob doch eine elektronische Lösung erforderlich ist.
Michael Raspotnig ist Senior Design Engineer bei der Puls GmbH in München (www.pulspower.de)

PRAXIS PLUS
Fernüberwachte Systeme wie Wasserüberwachungs-Anlagen benötigen oftmals zwei Versorgungsspannungen: 24 V für die Steuerung und 12 V für das Funk-Modem zur Datenübertragung. Mit nur einer einzigen DC-USV und nur einer einzigen Batterie können beide Netze gleichzeitig im Normalbetrieb und bei Netzausfall versorgt werden. Die DC-USV Typ UB10.245 von Puls hat zwei Ausgänge mit 24 und 12 V, die bei Netzausfall mit nur einer 12-V-Batterie gepuffert werden. Der Anwender spart für jedes Netz eine separate Stromversorgung, eine USV und eine Batterie. Darüberhinaus sind die Ausgangsspannungen bei Netzausfall stabilisiert und fallen nicht wie die Batteriespannung ab.

Fernüberwachte Systeme wie Wasserüberwachungs-Anlagen benötigen oftmals zwei Versorgungsspannungen: 24 V für die Steuerung und 12 V für das Funk-Modem zur Datenübertragung. Mit nur einer einzigen DC-USV und nur einer einzigen Batterie können beide Netze gleichzeitig im Normalbetrieb und bei Netzausfall versorgt werden. Die DC-USV Typ UB10.245 von Puls hat zwei Ausgänge mit 24 und 12 V, die bei Netzausfall mit nur einer 12-V-Batterie gepuffert werden. Der Anwender spart für jedes Netz eine separate Stromversorgung, eine USV und eine Batterie. Darüberhinaus sind die Ausgangsspannungen bei Netzausfall stabilisiert und fallen nicht wie die Batteriespannung ab.
Während sich die anlageninterne Betriebssicherheit beispielsweise durch den Einsatz von elektromagnetischen oder elektronischen Schutzschaltern zur Stromversorgung sicherstellen lässt, sind für die externe Energieversorgung die Netzbetreiber verantwortlich, denen zufolge das deutsche Stromnetz das sicherste in Europa ist. Diese hohe Zuverlässigkeit hat viele Gründe, nicht zuletzt die engmaschige Vernetzung. Mit welchen Maßnahmen die Netzbetreiber die Versorgung sicherstellen, darüber informieren sie auf ihrer Internetseite.

eA-INFO-TIPP
Während sich die anlageninterne Betriebssicherheit beispielsweise durch den Einsatz von elektromagnetischen oder elektronischen Schutzschaltern zur Stromversorgung sicherstellen lässt, sind für die externe Energieversorgung die Netzbetreiber verantwortlich, denen zufolge das deutsche Stromnetz das sicherste in Europa ist. Diese hohe Zuverlässigkeit hat viele Gründe, nicht zuletzt die engmaschige Vernetzung. Mit welchen Maßnahmen die Netzbetreiber die Versorgung sicherstellen, darüber informieren sie auf ihrer Internetseite:
Anzeige

Themenseite zu Schaltgeräten

Hier finden Sie alles, was Sie über Schaltgeräte wissen sollten

Lesen Sie auch:

Video aktuell

Industrie 4.0: Das VDI Zentrum Ressourceneffizienz zeigt, wie Apps beim Sparen von Material und Energie helfen können

Aktuelle Ausgabe

Newsletter

Unsere Dosis Wissensvorsprung für Sie. Jetzt kostenlos abonnieren!

Webinare & Webcasts

Technisches Wissen aus erster Hand

Automation Award

Jetzt bewerben! Automation Award Logo
Einsendeschluss:
27.09.2017



Videos

Hier finden Sie alle aktuellen Videos

Alle Whitepaper

Hier finden Sie alle Whitepaper unserer Industrieseiten

Anzeige

Industrie.de Infoservice

Vielen Dank für Ihre Bestellung!
Sie erhalten in Kürze eine Bestätigung per E-Mail.
Von Ihnen ausgesucht:
Weitere Informationen gewünscht?
Einfach neue Dokumente auswählen
und zuletzt Adresse eingeben.
Wie funktioniert der Industrie.de Infoservice?
Zur Hilfeseite »
Ihre Adresse:














Die Konradin Verlag Robert Kohlhammer GmbH erhebt, verarbeitet und nutzt die Daten, die der Nutzer bei der Registrierung zum Industrie.de Infoservice freiwillig zur Verfügung stellt, zum Zwecke der Erfüllung dieses Nutzungsverhältnisses. Der Nutzer erhält damit Zugang zu den Dokumenten des Industrie.de Infoservice.
AGB
datenschutz-online@konradin.de