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Abschaltsicherheit und Anlagenverfügbarkeit

Selektive Stromverteilung

Das Streben nach Energieeffizienz prägt zunehmend Planung und Betrieb von Anlagen. Intelligente Steuerungskonzepte und die Verfügbarkeit der elektrotechnischen Einrichtungen werden dabei immer wichtiger. Dazu haben sich Überspannungsschutz-Einrichtungen etabliert, und auch die selektive Energie­verteilung ist ein probates Mittel: Moderne Geräteschutzschalter erhöhen Abschaltsicherheit und Anlagenverfügbarkeit – und sparen Platz im Schaltschrank.

Bild: Phoenix Contact

Verfügbarkeit in Verbindung mit Effizienz bedeutet, bereits in der Planungsphase auf sinnvolle Energieverteilung zu setzen. Die gängige Versorgungsspannung liegt bei 24 Volt DC – meist hinter einer Stromversorgung auf mehrere Verbraucherkreise verteilt. Die Anforderungen an Geräteschutzschalter lassen sich auf zwei Kernpunkte reduzieren: Komfortable Installation sowie sichere selektive Abschaltung einzelner Verbraucherstromkreise im Fehlerfall. Aus diesen beiden Kernpunkten leiten sich dann die elektrotechnischen und konstruktiven Anforderungen an die Geräteschutzschalter ab.

Leitungsschutz- oder Geräteschutzschalter

Ist von Geräteschutzschaltern die Rede, wird im selben Zuge oft auch von Leitungsschutzschaltern gesprochen. Hier muss allerdings deutlich unterschieden werden: Der Leitungsschutzschalter ist laut DIN EN 60898-1 für ‚Hausinstallationen und ähnliche Zwecke‘ gedacht. Hier geht es also primär um den Schutz von Leitungen. Der Geräteschutz­schalter hat neben dem Leitungsschutz primär den Kurzschluss- und Überlastschutz von Geräten als Ziel – wie in der Norm DIN EN 60934 beschrieben. Die Grundinstallation gestaltet sich einfach: aus einer DC-Stromversorgung wird eine Versorgungsspannung mittels eines großen Querschnitts auf eine Verteilinsel gebracht, die dann die Energie auf verschiedene an die zu versorgenden Endgeräte angepasste Endverbraucherstromkreise kleineren Querschnittes verteilt.

Da die Endstromkreise unterschiedlich ausgelegt sein müssen, sollte ein Produktprogramm mit Geräteschutzschaltern möglichst modular ausgelegt sein. Das Gehäusekonzept muss das Zusammen­schalten von Schutzschaltern mit verschiedenen Nennströmen und gegebenenfalls Auslösecharakteristika ermöglichen. Für eine komfortable Installation ist ein zweiteiliger Geräteschutzschalter sinnvoll, der aus einem Basiselement und einem Stecker besteht. Dann können zuerst – je nach Anzahl der Stromkreise – die Basiselemente installiert werden. Die Nenndaten der einzelnen Verbraucher-Stromkreise werden dann durch eine entsprechende Auswahl des geeigneten Produkttyps definiert – durch einfaches Stecken in das entsprechende Basiselement.

Nach diesem Schritt dürfen die verschiedenen Stecker bei der Installation nicht vertauscht werden – etwa im Überlastungsfall oder bei Wartungsaktivitäten. Denn die einzelnen Stromkreise sind oft durch Leiterquerschnitte und angeschlossene Endgeräte applikationsspezifisch ausgelegt. Ein praxistaugliches Gehäusekonzept sollte eine Kodiermöglichkeit zwischen Basisteil und Stecker bieten. Auch der sichere Halt unterstützt einen fehlerfreien Betrieb.

Brückungskonzepte statt manueller Verdrahtung

Eine weitere Anforderung betrifft den Installationssockel. Die zu verteilende Energie wird üblicherweise über eine Leitung vom Netzgerät zur Verteilinsel oder zu den Geräteschutzschaltern geführt. Am Eingang der Geräteschutzschalter erfolgt die Quer-Rangierung vom zentralen Einspeisepunkt zu den einzelnen Schutzschaltern. Dies kann durch ‚händische‘ Verdrahtung mittels Drahtbrücken geschehen. Allerdings kostet diese Querverbindung Zeit und Nerven. Hier entstehen Kosten, die sich durch sinnvolle Brückungskonzepte vermeiden lassen.

Bei der Produktfamilie Circuit Breaker von Phoenix Contact ist die Anforderung der Querkontaktierung durch die Kompatibilität zum Reihenklemmen-System Clipline Complete gelöst, für dass es ein umfassendes Zubehör-Programm gibt. Auf der Eingangsseite sorgen standardisierte Brücken für eine schnelle und fehlerfreie Installation. Brücken­schächte sind auch für die integrierten Fernmeldekontakte vorgesehen, über die sich der Anwender den Schaltzustand des einzelnen Geräteschutzschalters oder einer Geräteschutzschaltergruppe fernmelden lassen kann. Auch die durchgängig verwendete Schnellanschluss­technik – die ‚Push-in-Technik‘ – spart Installationszeit.

Eine selektive Energieverteilung erhöht die Anlagenverfügbarkeit durch gezieltes Abschalten einzelner Verbraucherstromkreise im Fehlerfall. Der Schaltzustand lässt sich auch aus der Ferne kontrollieren.

Sichere selektive Abschaltung

Im Betrieb zählen dann eher die elektrotechnischen Eigenschaften eines Geräteschutzschalters. Die wichtigste Eigenschaft ist das Abschaltverhalten in der Anwendung. Hauptaufgabe eines Geräteschutzschalters in einer Applikation ist und bleibt es, einen Stromkreis selektiv abzuschalten, in dem sich ein defektes Gerät befindet. Das bedeutet, dass der defekte Verbraucher gezielt abgeschaltet wird, ohne dass die anderen an der Stromversorgung angeschlossenen Endgeräte beeinträchtigt werden. Abgeschaltet werden kann aber nur dann, wenn die Abschaltbedingungen eingehalten sind. Kommt es zu einem Kurzschluss in einem Gerät, muss der von der Stromversorgung durch den Schutzschalter getriebene Strom stark genug sein, um den Schalter auszulösen.

Die erforderlichen Ströme liegen bei thermomagnetischen Schutzschaltern oft zwischen dem acht- bis 13-fachen des ausgewiesenen Nennstroms. In diesem Bereich wird ausgelöst, einen genaueren Wert kann es physikalisch bedingt nicht geben. So benötigt etwa ein Zwei-Ampere-Schutzschalter zum sicheren Auslösen einen Strom von mindestens 16 Ampere. Der maximale Strom, den die Stromversorgung zur Verfügung stellen kann, hängt zum einen von der Stromversorgung selbst und zum anderen vom Gesamtwiderstand des Stromkreises ab. Bei der Ermittlung des Widerstands spielt die Leitung eine wichtige Rolle. Je länger sie ist und je kleiner ihr Querschnitt ist, desto höher ist der Kupferwiderstand. Dieser Widerstand schränkt die maximale Leitungslänge zwischen Stromversorgung und Endverbraucher erheblich ein. Zudem liegen bei kleinen Leitungsquerschnitten die Grenzbereiche des sicheren Auslösens nicht selten bei wenigen Metern. Dies lässt vermuten, dass bei zahlreichen Installationen mit 24-Volt-Gleichstromversorgung im Fehlerfall nicht sicher ausgelöst wird.

Auch aus der Ferne bedienbar

Die Lösung liegt hier zum einen in der Art der verwendeten Stromversorgung, und zum anderen in der Kennlinie und Technologie des Geräteschutz­schalters: Elektronische Geräteschutzschalter haben meist eine aktive Strombegrenzung und lösen im Fehlerfall nach wenigen Millisekunden und vor allem kurz oberhalb des Nennstromes aus. Die elektronischen Varianten der Produktfamilie Circuit Breaker lassen sich auch aus der Ferne bedienen. So kann das Gerät nach gemeldetem Ausschalten per Reset aus der Ferne wieder eingeschaltet werden – etwa um zu testen, ob es sich beim Schaltereignis nur um eine flüchtige Störung gehandelt hat. Kommt ein elektronischer Geräteschutzschalter nicht in Frage, dann lassen sich maximale Leitungslängen nur durch eine genaue Abstimmung zwischen der Stromversorgung und der Kennlinie des thermomagnetischen Schutzschalters erreichen. Die Geräteschultzschalter-Produktfamilie des Anbieters aus Blomberg bietet dazu einen thermomagnetischen Geräteschutzschalter mit einer speziell entwickelten Kennlinie an, der in Verbindung mit Quint-Stromversorgungen die möglichen Leitungslängen deutlich erhöht.

Erhöhung der Verfügbarkeit steht im Fokus

An Geräteschutzschalter werden zwei Anforderungen gestellt: Zum einen sollten sie modular und installationsfreundlich aufgebaut sein, um den Installationsaufwand zu minimieren und die Flexibilität in der Anwendung zu erhöhen. Zum anderen sollte es sowohl elektronische als auch thermomagnetische Varianten mit verschiedenen Auslösekennlinien geben – für ein optimales Kosten-Nutzen-Verhältnis bei jeder Anwendung. Das Ziel ist immer die sichere Abschaltung im Fehlerfall – und damit die Erhöhung der Anlagenverfügbarkeit.

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