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Die richtige Absicherung und redundante Stromversorgung

Die richtige Wahl des Schutzgerätes sorgt für den sicheren Betrieb elektrischer Anlagen und hohe Anlagenverfügbarkeit. 

Leitungsschutzschalter und Geräteschutzschalter

Fachgerechte Installation von Geräteschutzschaltern  

Fachgerechte Installation von Geräteschutzschaltern

Leitungsschutzschalter schützen in Gebäuden oder Anlagen die Leitungen für die Stromverteilung. Sie schalten lediglich bei einem Kurzschluss im Endgerät ab, um die Stromleitung vor Überlast zu schützen. Die Schutzschalter haben eine hohe Schaltkapazität ab 6 kA aufwärts.

Als letzte Schutzstufe für Endgeräte bieten thermomagnetische und elektronische Schutzschalter den wirkungsvollsten Kurzschluss- und Überlastschutz. Werden einzelne Verbraucher oder kleine Funktionsgruppen getrennt abgesichert, dann können im Fehlerfall nicht betroffene Anlagenteile weiter arbeiten, soweit es der Gesamtprozess zulässt.

Wird ein Stromkreis neu installiert, sollte gleich auf eine angepasste Absicherung des vorgesehenen Endgerätes geachtet werden. Bei der Installation sind auch Leitungslängen und Leitungsquerschnitte zu berücksichtigen. Die Leitungen müssen für den zu erwartenden Betriebsstrom, aber auch für einen eventuellen Überlast- und Kurzschlussstrom ausgelegt sein. Im Rahmen einer gestaffelten Absicherung von Anlagenbereichen ist die Selektivität zwischen den einzelnen Sicherungen bzw. Schutzgeräten einzuhalten. Auch das sorgt für eine bessere Anlagenverfügbarkeit, weil nur der fehlerhafte Stromkreis abgeschaltet wird.

Es ist ratsam, Geräteschutzschalter im Schaltschrank gut erreichbar zu installieren, so dass sie sich nach dem Auslösen schnell und problemlos wieder einschalten lassen. Auch sollte ein Schaltschrank nicht überbestückt werden, um die Stromversorgung nicht zu überlasten. Außerdem sollten Sie für eine ausreichende Luftzufuhr und Kühlung sorgen. So lassen sich Fehlauslösungen vermeiden.

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Die Auswahl der richtigen Geräteschutzschalter

Geräteschutzschalter  

Verschiedene Ausführungen von Geräteschutzschaltern

Die Anforderungen an einen optimalen Geräteschutz variieren je nach Einsatzgebiet und Aufgabenbereich. Geräteschutzschalter arbeiten daher mit unterschiedlichen Technologien: eketronisch, thermisch und thermomagnetisch. Die Unterschiede liegen in Auslösetechnik und Abschaltverhalten. Kennlinien verdeutlichen die Abschaltcharakteristik der verschiedenen Geräteschutzschalter.

Basis für die Auswahl von Geräteschutzschaltern sind Nennspannung, Nennstrom und gegebenenfalls Anlaufstrom eines Endgerätes. Die zu erwartende Fehlersituation (Kurzschluss oder Überlast) bestimmt dann das passende Abschaltverhalten.

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Auswahlempfehlung nach Fehlersituation

 Auslösezeit im ÜberlastfallAuslösezeit im KurzschlussfallIhre Applikation ist optimal abgesichert bei
Thermische Schutzschaltergeeignetungeeignet
  • Überlast
Thermomagnetische Schutzschaltergeeignetideal
  • Überlast
  • Kurzschluss
  • langen Leitungswegen
    (SFB-Auslösekennlinie)
Elektronische Schutzschalteridealideal
  • Überlast
  • Kurzschluss
  • langen Leitungswegen
    (aktive Strombegrenzung)
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Auslösekennlinien

Auslösekennlinien helfen dabei das passende Schutzgerät je nach Anwendungsfall zu finden. Sie zeigen den Arbeitsbereich von Strom begrenzenden Schutzgeräten in einer Strom-/Zeit-Kennlinie.

Je nach Art haben die Schutzgeräte unterschiedlich große Arbeitsbereiche. Zu den ältesten Schutzeinrichtungen zählen die herkömmlichen Sicherungen mit Schmelzdraht.

Form und Stärke des Schmelzdrahtes bestimmen im Wesentlichen den Nennstrom, für den die Sicherung eingesetzt wird. Moderne Sicherungsautomaten und Geräteschutzschalter, die wir hier betrachten, lassen sich sehr genau für ein bestimmtes Auslöseverhalten entwickeln.

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Umgebungstemperatur

Die verschiedenen Schutzschalter reagieren unterschiedlich auf äußere Temperatureinflüsse. Insbesondere bei Geräteschutzschaltern mit thermischer Auslösung muss die Umgebungstemperatur beachtet werden.

Zur Bestimmung des korrekten Abschaltzeitpunktes gibt es einen Temperaturfaktor. Er wird mit den relevanten Werten aus der Strom-/Zeit-Kennlinie multipliziert. Daraus ergibt sich der endgültige Wert.

In der Tabelle sind typische Werte dargestellt. Als Standardbedingung wird von einer Umgebungstemperatur von 23 °C ausgegangen. Der Faktor dafür beträgt 1. Wenn die Umgebungstemperatur niedriger ist, verzögert sich die Auslösung. Der Faktor liegt dann unter 1. Höhere Temperaturen sorgen für ein früheres Auslösen. Der Faktor liegt dann über 1.

Schutzschaltervarianten-20 °C-10 °C0 °C+23 °C+40 °C+60 °C
Temperaturfaktor
Thermomagnetischer Schutzschalter
0,790,830,881,001,121,35
Temperaturfaktor
Thermischer Sicherungsautomat
0,820,860,911,001,091,25
Temperaturfaktor
Thermischer Schutzschalter
0,760,840,921,001,081,24
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Innenwiderstand der Schutzgeräte

Der Innenwiderstand eines Schutzgerätes ist entweder als Widerstandswert in Ohm oder als Spannungsfall in Millivolt angegeben.

Ideal ist ein niedriger Innenwiderstand: Dadurch sinkt die Verlustleistung im Schutzschalter. Er eignet sich daher besser für Stromkreise mit kleiner Nennspannung.

Die folgenden Tabellen zeigen typische Werte des Spannungsfalls und des Innenwiderstandes verschiedener Geräteschutzschalter.

Typischer Spannungsfall1 A2 A3 A4 A5 A...
Elektronische Schutzschalter140 mV100 mV120 mV100 mV130 mV 
Thermischer Sicherungsautomat    <150 mV<150 mV
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Typische Innenwiderstände0,1 A0,5 A1 A2 A3 A4 A5 A8 A
Thermomagnetischer
Schutzschalter
 5 Ω1,1 Ω0,3 Ω0,14 Ω0,09 Ω0,06 Ω≤ 0,02 Ω
Thermischer
Schutzschalter
81 Ω3,4 Ω0,9 Ω0,25 Ω0,11 Ω0,07 Ω≤ 0,05 Ω 

Reihenmontage von modularen Schutzschaltern

Bei der Reihenmontage von Geräteschutzschaltern mit gleichzeitiger Strombelastung tritt eine gegenseitige thermische Beeinflussung auf. Sie entspricht einer erhöhten Umgebungstemperatur. Die Auswirkung ist ein zu schnelles Abschalten der Schutzschalter.

Einflussfaktoren:

  • Umgebungstemperatur
  • Nennstrom unter Betriebsbedingungen
  • Nennstrom der Schutzschalter
  • Anzahl der nebeneinander installierten Schutzschalter
  • Abstand zwischen den Schutzschalter

Korrigierend können die Schutzschalter so dimensioniert werden, dass sie unter normalen Betriebsbedingungen nur mit 80 Prozent des Schutzschalter-Nennstromes belastet werden. Das kompensiert die Temperatureinflüsse und optimiert das Abschaltverhalten.

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Die passende Stromversorgung

Stromversorgungen und Geräteschutzschalter mit SFB Technology  

Zuverlässige Einheit: Stromversorgungen und Geräteschutzschalter mit SFB

Schon in der Planungsphase sollten die Anforderungen an eine Stromversorgung mit Reserven für zukünftige Erweiterungen definiert werden, denn die Anforderungen an die Stromversorgung steigen stetig. Für 24 V DC-Stromversorgungen in industriellen Anwendungen sind z. B. die kompakte Bauform und die steigende Leistungsfähigkeit wichtig.

Stromversorgungen müssen mit dem Leistungsbedarf der anzuschließenden Endgeräte übereinstimmen. Außerdem sollten nicht mehr als 80 Prozent des Nennstroms verplant werden, um im Fehlerfall einen zuverlässigen Kurzschlussstrom zu gewährleisten. Ist die ausgewählte Stromversorgung zu klein gewählt oder der Anschlusswert zu hoch, kann es zur Unterspannung kommen. Dadurch fallen Anlagenteile aus und der Fertigungsprozess wird unterbrochen.

Einige Stromversorgungen verfügen über die Selective Fuse Breaking Technologie,  kurz SFB. Sie liefern für wenige Millisekunden den sechsfachen Nennstrom. Mit dieser Stromreserve lösen die Schutzgeräte im Fehlerfall sicher aus. Zusammen mit den thermomagnetischen Geräteschutzschaltern mit SFB-Technologie bilden sie eine zuverlässige Einheit für höchste Anlagenverfügbarkeit.

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Redundante Stromversorgung

Mit einer redundanten Stromversorgung lassen sich die Verfügbarkeit und Produktivität deutlich erhöhen. Anschlussfehler, Kurzschlüsse oder Spannungseinbrüche in einem primären Versorgungszweig wirken sich nicht auf die Ausgangsspannung aus. Das ist besonders für sensible Prozesse und wichtige Anlagenbereiche von Bedeutung.

In einem redundant aufgebauten System werden die Stromversorgungen voneinander entkoppelt. Diese Aufgabe übernehmen Redundanzmodule, die mit unterschiedlichen Leistungsmerkmalen ausgestattet sind. Die Last kann zum Beispiel im ungestörten Fall optimal auf beide Stromversorgungen aufgeteilt werden. Je nach Ausführung erfolgt eine kontinuierliche Überwachung der Eingangsspannung und des Ausgangsstroms. Fällt eine Stromversorgung aus, springt die andere ohne Verzögerung ein.

Stromversorgungen speisen über ein Redundanzmodul die Geräteschutzschalter  

Zwei Stromversorgungen speisen über ein Redundanzmodul das Geräteschutzschalter-Board

Redundant verlegte Versorgungsleitungen vermeiden Leitungsfehler auf dem Weg zwischen Redundanzmodul und Verbraucher. Das Applikationsbeispiel zeigt den redundanten Aufbau von der Stromversorgung bis zur Absicherung mit dem Geräteschutzschalter-Board. Das Board bietet mit doppelten Einspeiseklemmen die Anschlussmöglichkeit für zwei Versorgungsleitungen.

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Video zur Signalabsicherung

Einfacher Aufbau einer selektiven Stromverteilung mit Geräteschutzschaltern


Geräteschutzschalter

Lernmodul zur Funktion von Geräteschutzschaltern.