Ratgeber
Schalter zum Schutz elektrischer Leitungen und Geräte gehören in Wohn-, Büro- und Industriegebäuden zum Standard. Sie verhindern Überlast und Kurzschlüsse – zumindest in jenen Bereichen, die vom Netzstrom bis zu 400 Volt und 16 Ampere abgedeckt werden. Höhere Spannungen und vor allem höhere Ströme erfordern spezielle Sicherungsmaßnahmen: Leistungsschalter. In unserem Ratgeber erfahren Sie, wie Kompakt-Leistungsschalter aufgebaut sind, wie sie funktionieren und in welchen Bereichen sie zum Einsatz kommen.
Leistungsschalter arbeiten prinzipiell wie andere elektrische Schutzschalter: Bei zu hohen Strömen, die zur Überhitzung der Leitungen führen können, wird die Stromzufuhr ebenso unterbrochen wie bei einem Kurzschluss, also einer direkten Verbindung des stromführenden Leiters zum Erdpotenzial beziehungsweise Neutralleiter.
Wie übliche Leitungsschutzschalter enthalten auch Leistungsschalter einen thermischen und einen elektromagnetischen Auslöser für den Abschaltvorgang. Die beiden entscheidenden Unterschiede: Leistungsschalter sind einerseits für erheblich größere Bemessungsströme ausgelegt und können andererseits beim Auslösen bestimmte Aktionen ausführen. Die dafür notwendigen Hilfsschalter verhalten sich je nach Typ wie ein Relais und öffnen, schließen oder wechseln Kontakte. Damit ist zum Beispiel der Aufbau einer Meldekette möglich, die aus Alarmgebern oder Not-Aus-Funktionen besteht.
Die im Niederspannungsbereich bis maximal 1000 Volt eingesetzten Kompakt-Leistungsschalter arbeiten in der Regel nach folgenden Verfahren:
Der Überlastschutz wird durch ein temperaturempfindliches Bauteil gewährleistet. Dabei handelt es sich im Wesentlichen um einen Bimetallstreifen. Unter normalen Betriebsbedingungen lässt der Bimetallkontakt den elektrischen Strom fließen. Übersteigt der Strom den Auslösewert, wird der Bimetallkontakt zunehmend wärmer und verbiegt sich aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnung der Metalle innerhalb des Kontakts. Schließlich drückt der Streifen auf den Auslösebalken und unterbricht damit den Stromkreis.
Da bei einigen Anwendungen – wie das Anlassen von Elektromotoren – kurzzeitig hohe Ströme auftreten können, verfügen Leistungsschalter im Allgemeinen über eine Zeitverzögerung im Abschaltvorgang.
Eine sofortige Reaktion erfolgt dagegen bei einem Kurzschlussfehler. Zur Detektion enthalten Leistungsschalter eine Spule, die beim Stromdurchfluss ein kleines elektromagnetisches Feld erzeugt. Im Normalbetrieb ist das von der Magnetspule erzeugte elektromagnetische Feld vernachlässigbar. Tritt jedoch ein Kurzschluss im Stromkreis auf, fließt ein großer Strom durch die Spule. Das dadurch entstehende starke elektromagnetische Feld zieht einen Auslöser an, die Kontakte öffnen sich, der Stromkreis wird unterbrochen. Zusätzlich zu den Auslösemechanismen lassen sich Leistungsschalter auch als manuelle Trennschalter für Notfälle oder Wartungsarbeiten verwenden.
Zu den wichtigsten Komponenten von Leistungsschaltern gehören die sogenannten Löschkammern. Sie umschließen die Schaltkontakte und sind notwendig, da beim Öffnen des Stromkreises durch anliegende hohe Ströme Lichtbögen entstehen. In der Regel enthalten die Löschkammern Kupferelemente zur Aufnahme der Wärmeenergie der Lichtbögen, die daraufhin gefahrlos verlöschen.
Leistungsschalter können mit sehr hohen Stromstärken umgehen, das prädestiniert sie auch für Hochleistungsanwendungen. Hier einige typische Einsatzgebiete:
Schutz von Haupteinspeisungen
Die Stromkreise von Einspeisungen, die große Verteiler mit Strom versorgen, führen normalerweise sehr hohe Ströme von Hunderten von Ampere. Wenn dem System zur Energieverteilung weitere Stromkreise hinzugefügt werden, kann es erforderlich sein, die Auslöseeinstellungen der Schutzeinrichtungen anzupassen. Das setzt allerdings einstellbare Leistungsschalter voraus.
Schutz von Kondensatorbatterien
Kondensatorbatterien sind eine sehr wichtige Komponente gewerblicher und industrieller elektrischer Anlagen, da sie die Korrektur des Leistungsfaktors ermöglichen. Große Kondensatorbatterien können hohe Ströme ziehen und erfordern daher den Schutz durch einen Leistungsschalter.
Generatorschutz
Große elektrische Generatoren können eine Leistung von Hunderten von Ampere liefern. Die hohen Nennströme von Leistungsschaltern ermöglichen in diesem Bereich einen zuverlässigen Schutz.
Schweißanwendungen
Einige Schweißaggregate ziehen sehr hohe Ströme und können damit die Fähigkeiten normaler Schutzeinrichtungen überfordern. Leistungsschalter sind hier eindeutig vorzuziehen.
Anwendungen mit niedrigen Strömen
Niederspannungs-Leistungsschalter sind nicht nur für Hochstromanwendungen geeignet. Es gibt auch Modelle mit einer Nennleistung von wenigen Milliampere. Sie eignen sich speziell für Geräte und Schaltanlagen mit geringen Stromaufnahmen, die allerdings variable Auslöseeinstellungen erfordern.
Motorschutz
Die zuverlässigen Schutzfunktionen von Leistungsschaltern machen sie zu einer geeigneten Wahl für den Motorschutz. Ein Leistungsschalter lässt sich so einstellen, dass er einen Überlastschutz bietet, ohne beim Einschaltstrom eines Elektromotors auszulösen.
Sind Leistungsschalter auch für Gleichstromanwendungen geeignet?
Ja, Niederspannungs-Leistungsschalter mit thermisch-magnetischen Auslösern sind auch für Gleichstromanwendungen geeignet. Im Gegensatz zu Schaltern mit statischem oder mikroprozessor-gesteuertem Auslöser, diese arbeiten in der Regel nur mit Wechselstrom.
Wann sollte ein Leistungsschalter ersetzt werden?
Wenn ein Schalter durch Kurzschlussfehler auslöst, führt dies unweigerlich zu einer Schwächung der Durchschlagsfestigkeit. Fällt die Durchschlagsfestigkeit auf einen sehr niedrigen Wert, kann dies bei der späteren Verwendung zu einem Überschlag führen. Es ist daher ratsam, den Megaohm-Widerstand zwischen den Phasen und über die offenen Kontakte zu messen. Fällt der Wert auch nach der Reinigung unter 1 Megaohm, sollte der Schalter ersetzt werden.
Was ist unter einem nullpunktlöschenden Leistungsschalter zu verstehen?
Kompakt-Leistungsschalter gibt es sowohl mit Nullpunktlöschung als auch mit Strombegrenzung. Ersterer verhindert das erneute Zünden eines Lichtbogens nach dem Nulldurchgang. Strombegrenzende Schalter regulieren dagegen den Stromdurchfluss für nachfolgende Bauteile. Sie kompensieren Fehlströme entweder durch kontrollierte Modulation vor der Weiterleitung, durch Neutralisierung des Lichtbogens in der Löschkammer oder durch das Trennen des Stromkreises.
Warum werden Leistungsschalter auch als gekapselte Schalter bezeichnet?
Gekapselt bedeutet hier, dass der Schalter komplett geschlossen ist und mit der Umgebungsluft keinen direkten Kontakt besitzt. Dadurch ist es möglich, die Löschkammer mit speziellen nichtleitenden Gasen oder Flüssigkeiten zu füllen, um einen entstandenen Lichtbogen schnellstmöglich zu löschen.
Warum sind Leistungsschalter besser als einfache Trennschalter?
Einfache Trennschalter sind in der Regel offen, das heißt, der beim Öffnen der Kontakte entstehende Lichtbogen hält sich einige Millisekunden. Die in gekapselten Leistungsschaltern enthaltene geschlossene Löschkammer sorgt dagegen für ein nahezu sofortiges Verlöschen des Lichtbogens und damit für eine Unterbrechung des Stromflusses.