Leitungsschutzschalter
Ein Leitungsschutzschalter (kurz LS-Schalter, umgangssprachlich Sicherungsautomat oder kurz Automat, neuerdings MCB für englisch Miniature Circuit Breaker) ist eine Überstromschutzeinrichtung in der Elektroinstallation und wird im Bereich von Niederspannungsnetzen eingesetzt. Er schützt Leitungen vor Beschädigung durch zu starke Erwärmung in Folge zu hohen Stroms. Leitungsschutzschalter sind wiederverwendbare, nicht selbsttätig rückstellende Sicherungselemente.
Wie eine Sicherung oder ein Leistungsschalter kann er den Stromkreis bei Überlast selbsttätig abschalten.
Funktionsweise
(2) Freiauslösung
(3) Schaltkontakt
(5) Bimetallstreifen (thermische Überlast)
(7) Elektromagnetische Auslösung
(8) Lichtbogenlöschkammer
Der Abschaltmechanismus kann auf vier Arten ausgelöst werden:
- Auslösung bei Überlast
- Wenn der vorgegebene Nennwert des durch den Leitungsschutzschalter fließenden Stromes längere Zeit erheblich überschritten wird, erfolgt die Abschaltung. Die Zeit bis zur Auslösung hängt von der Stärke des Überstroms ab; bei hohem Überstrom ist sie kürzer als bei geringer Überschreitung des Nennstromes. Zur Auslösung wird ein Bimetall verwendet, das sich bei Erwärmung durch den durchfließenden Strom verbiegt und den Abschaltmechanismus auslöst (thermische Auslösung).
- Elektromagnetische Auslösung bei Kurzschluss
- Tritt in einer Anlage ein Kurzschluss auf, erfolgt die Abschaltung innerhalb weniger Millisekunden durch einen vom Strom durchflossenen Elektromagneten.
- Manuelle Auslösung
- Für Wartungsarbeiten oder zur vorübergehenden Stilllegung können Stromkreise am Leitungsschutzschalter manuell abgeschaltet werden. Dazu befindet sich ein Kippschalter oder ein Auslöseknopf auf der Frontseite.
- Auslösung durch Zusatzmodule
- Für die meisten Leitungsschutzschalter namhafter Hersteller gibt es neben Hilfsschaltern auch ansteckbare Unterspannungs- und Arbeitsstromauslöser, FI-Module und motorische Antriebe (Wiedereinschaltgeräte), mit deren Hilfe der Leitungsschutzschalter geschaltet werden kann. Die Zusatzmodule werden je nach Leitungsschutzschalter rechts oder links angesteckt.
Freiauslösung
Ein wichtiges Merkmal von Sicherungsautomaten ist die Freiauslösung. Sie stellt sicher, dass bei Kurzschluss eine sofortige Auslösung auch dann erfolgt, wenn der Schalthebel betätigt oder in der Ein-Stellung festgehalten wird.
Nach Überlastauslösung muss der Bimetallstreifen erst abgekühlt sein, bevor ein Wiedereinschalten möglich ist. Dadurch, dass sie durch eine manuelle Schalthandlung wieder eingeschaltet werden müssen, wird der Anwender auf einen möglichen Fehler aufmerksam gemacht.
Auslösecharakteristik
Man unterscheidet Leitungsschutzschalter neben dem Nennstrom nach der Auslösecharakteristik:
| Charakteristik | Überlastauslöser (Mehrfaches des Nennstroms) |
maximale Zeit der thermischen Auslösung | Kurzschlussauslöser (Mehrfaches des Nennstroms bei Wechselstrom) |
Kurzschlussauslöser (Mehrfaches des Nennstroms bei Gleichstrom) |
|---|---|---|---|---|
| A (Halbleiterschutz) | 1,13 - 1,45 | <1 h | 2 - 3 | |
| B (ersetzte L und H, Standard-Leitungsschutz) | 1,13 - 1,45 | <1 h | 3 - 5 | |
| C (ersetzte G, Schutz für Leistungsstromkreise) | 1,13 - 1,45 | <1 h | 5 - 10 | |
| D (Schutz für stark induktive Verbraucher (z.B. Leistungstrafos)) | 1,13 - 1,45 | <1 h | 10 - 20 | |
| E (Selektiver Leitungsschutzschalter (SLS)) | 1,05 - 1,2 | 5 - 30 | ||
| G (für "Geräteschutz", veraltet, Vorgänger von C und K) | 1,05 - 1,35 | <1 h | 8 - 10 | 14 |
| H (für "Haushaltsstromkreise" - veraltete Charakteristik) | 1,5 - 1,9 | <1 h | 2,5 - 3 | 4,5 |
| K (Sehr guter Überlastschutz bei hohen Einschaltströmen) | 1,05 - 1,2 | <2 h | 8 - 12 oder 7 - 15 | 10 - 21 |
| L (Leitungsschutz - veraltete Charakteristik) | 1,45 - 1,75 | <1 h | 4 - 6 | 8 |
| R (Vorgänger/Nachfolger von Z) | 1,05 - 1,3 | 2 - 3 | ||
| S (guter Überlastschutz bei sehr hohen Einschaltströmen) | 1,05 - 1,3 | 13 - 17 | ||
| U (für Leistungsstromkreise, obsolet) | 1,5-1,9 | <1 h | 5,5 - 12 | |
| Z (besonders sensible Charakteristik, feiner als A) | 1,05 - 1,2 | <2 h | 2 - 3 |
In der Regel werden Leitungsschutzschalter der Charakteristik B eingesetzt. Leitungsschutzschalter der Charakteristik C werden für Leitungen zu Maschinen und Motoren mit hohem Einschaltstrom verwendet (Leitungs- und Geräteschutz). Bei der zusätzlichen Schaltung oder Absicherung des Neutralleiters in mehrphasigen Kreisen (Drehstrom) muss der Kontakt für den Neutralleiter verzögert öffnen und voreilend schließen.
Der üblicherweise verwendete einpolige Typ B ist für folgende Bemessungsströme verfügbar: 0,2; 0,4; 0,6; 0,8; 1; 1,2; 1,6; 2; 3; 4; 5; 6; 8; 10; 12; 13; 15; 16; 20; 25; 32; 35; 40; 50; 63; 80; 100 und 125 Ampere.
Die ehemalige H-Charakteristik (ebenso wie die damals eingesetzte L-Charakteristik) bietet keinen idealen Leitungsschutz, da sie bei lang andauernder, mäßiger Überlast nur mit erhöhter Verzögerung auslöst; dies kann zu einem Brand führen. Durch die hohe Empfindlichkeit der elektromagnetischen Auslösung (2,5-facher Nennstrom) löst sie bei Einschaltstromstößen, wie sie bei leistungsstarken Verbrauchern wie Staubsaugern und Verbrauchern mit Schaltnetzteilen (zum Beispiel PCs, Monitore) auftreten können, hingegen übermäßig früh aus. Leitungsschutzschalter mit H- oder L-Charakteristik sollten daher nach Möglichkeit auch in bestehenden Anlagen schnellstmöglich ausgetauscht werden. Da diese Anlagen oft älter als 15 Jahre sind, ist es hier sinnvoll, die komplette elektrische Anlage prüfen und ggf. sanieren zu lassen, um bspw. die VDE 100-440 (Leitungs-, Berührungs-, Personenschutz) zu erfüllen.
Obwohl mittels Leitungsschutzschalter der verschiedenen Charakteristiken wirksame, komfortable Schutzkonzepte im Bezug auf Überlast- und Kurzschlussschutz möglich sind, ist das nur in den wenigsten Installationen wirklich der Fall. Da die Standard-Leitungsschutzschalter-Charakteristik B eine Toleranz vom bis zu 1,45-fachen des Nennstroms hat und dies viele Anlagenerrichter nicht beachten, muss der Benutzer sehr oft selbst darauf achten, seine Anlage nicht zu überlasten. Beispiel: Zwei Heizlüfter zu je 2000 W und ein paar Lampen an einem normalen 16-A-Stromkreis mit 1,5 mm²-NYM-Leitung sind schon zu viel und können bei länger andauerndem Gebrauch zu Schäden an der Leitungsisolation und den Steckverbindungen führen, deren Lebensdauer erheblich verkürzen und so Brände auslösen. Zur Begrenzung von Erdschlussströmen ist oft zusätzlich ein Fehlerstromschutzschalter (RCD) erforderlich, wenn Leitungsschutzschalter der Kategorien C, K, S oder D (veraltete nicht einbezogen) eingesetzt werden.
Mittlerweile gibt es sogar kombinierte RCD/Leitungschutzschalter, welche einen Außenleiter (L) und Neutralleiter (N) zweipolig abschalten. Die Breite eines solchen RCD/LS-Kombis entspricht der eines zweipoligen Leitungsschutzschalters.
Leitungsschutzschalter bieten nur dann optimalen Schutz, wenn sie exakt auf die umgebende Installation abgestimmt sind!
Auslösung bei Kurzschluss
Leitungsschutzschalter schalten bei Kurzschluss und bei Überstrom schneller ab als Schmelzsicherungen. Bei Hausinstallationen werden Leitungsschutzschalter wegen ihrer Wiedereinschaltbarkeit bevorzugt verwendet, auch wenn der Anschaffungspreis höher ist. Bei Hintereinanderschaltung kommen selektive Leitungsschutzschalter (SLS) zur Anwendung. Diese können beispielsweise anstatt von Schmelzsicherungen (Vorsicherungen) im Hausanschlusskasten eingesetzt werden und ersetzen in diesem Anwendungsbereich zunehmend die NH-Sicherungen.
Leitungsschutzschalter müssen häufig sehr hohe Kurzschlussströme abschalten können. Die Abschaltvermögen sind wie folgt abgestuft:
| Abschaltvermögen bei 230 V~/400 V~ 50 Hz | Bemerkung |
|---|---|
| 3.000 A (3 kA) | In Deutschland und Österreich nicht zugelassen. |
| 4.500 A (4,5 kA) | Oft verwendet in Italien, in Deutschland und Österreich nicht zugelassen. |
| 6.000 A (6 kA) | Mindestabschaltvermögen, gleichzeitig auch Standard für die Mehrzahl der verbauten deutschen LS-Schalter. |
| 10.000 A (10 kA) | Höherqualitative LS-Schalter, für Leistungsstromkreise empfohlen, in der Industrie Mindeststandard. |
| 15.000 A (15 kA) | Hochqualitative LS-Schalter, gehobener industrieller Standard. |
| 25.000 A (25 kA) | Schaltvermögen von Hochleistungsautomaten und selektiven LS-Schaltern, da diese Hauptsicherungscharakter haben. |
| >25 kA | Mit wenigen Ausnahmen nur noch bei industriellen Leistungsschaltern zu finden und bei Schmelzsicherungen. |
Daneben gibt es noch die Energiebegrenzungsklassen 1 (keine Anforderungen), 2 (mittlere Anforderungen) und 3 (hohe Anforderungen). In Deutschland ist "3" zugelassen. Im Fall eines Kurzschlusses begrenzt normal nur der Netzinnenwiderstand signifikant den Kurzschlussstrom. Allerdings wird der Kurzschlussstrom durch den Leitungsschutz-Schalter leicht herabgesetzt. Die Energiebegrenzungsklasse ist ein Indiz dafür, wie stark der Leitungsschutz-Schalter die hindurchfließende Energie im Bereich mehrerer hundert- bis tausend Ampere begrenzt. Die durchgelassene Leistung ist neben der Energiebegrenzungsklasse abhängig vom Abschaltvermögen des Leitungsschutzschalters sowie seiner Charakteristik; sie steigt mit höherem Abschaltvermögen und stärkerer Charakteristik an. Hinweis: Der Begriff "Energiebegrenzungsklasse" ist der genormte Begriff - wenn auch physikalisch missverständlich, so wird dieser doch so verwendet.
Bauform
Leitungsschutzschalter haben ein Kunststoff-Gehäuse. Ältere Ausführungen waren zylindrisch und wurden anstelle der bis dahin üblichen Schraubsicherungen in die Edison-Schraubgewinde eingesetzt oder mit einer dünnen Metallschiene verschraubt. Moderne Leitungsschutzschalter haben rechteckige Gehäuse und können dicht nebeneinander auf eine Tragschiene (Hutschiene) montiert werden. Genormte einpolige Leitungsschutzschalter sind 17,5 mm breit, zwei-, drei- und vierpolige Ausführungen entsprechend breiter. Daneben gibt es noch breitere Leitungsschutzschalter (etwa 26,2 mm, je nach Hersteller etwas mehr oder weniger), meist sind dies solche für Nennströme von 80 A – 125 A und/oder solche mit sehr hoher Abschaltkapazität. Die Selektiven Leitungsschutzschalter sind doppelt so breit wie normale Leitungsschutzschalter. Sie werden auf einer Sammelschiene montiert (40 mm Schienenmittenabstand bei 5 – 10 mm Schienenstärke und 10 – 12 mm Schienenhöhe. So ergibt sich ein maximaler Anschlussquerschnitt von 120 mm², was auch in großen Verteilungen (Vorsicherung zum Beispiel 400 A gL) in der Regel ausreicht). Alternativ werden die Selektiven Leitungsschutzschalter auch auf normalen Tragschienen montiert und dann wie normale Leitungsschutzschalter verdrahtet, nur mit größeren Querschnitten. Da Selektive Leitungsschutzschalter eine große Baugröße haben, passen sie nicht in normale Kleinverteiler. Sie würden an die Bauelemente der darüber und darunter liegenden Schiene anstoßen und sind auch zu tief dafür.
Historie
Im Jahr 1924 erhielt Hugo Stotz ein Patent für die Erfindung des Leitungsschutzschalters.
Normen und Standards
- DIN VDE 0100-430: Errichten von Drehstromanlagen mit Nennspannungen bis 1.000 V – Schutz von Kabeln und Leitungen bei Überstrom.
- EN 60898 (DIN VDE 0641): Leitungsschutzschalter für Hausinstallationen und ähnliche Zwecke.
Fachliteratur
- Günter Springer: Fachkunde Elektrotechnik. 18. Auflage, Verlag - Europa - Lehrmittel, Wuppertal, 1989, ISBN 3-8085-3018-9
- Theodor Schmelcher: Handbuch der Niederspannung, Projektierungshinweise für Schaltgeräte Schaltanlagen und Verteiler. 1. Auflage, Siemens Aktiengesellschaft (Abt. Verlag), Berlin und München, 1982, ISBN 3-8009-1358-5
- Ernst Hörnemann, Heinrich Hübscher: Elektrotechnik Fachbildung Industrieelektronik. 1 Auflage. Westermann Schulbuchverlag GmbH, Braunschweig, 1998, ISBN 3-14-221730-4
- Alfred Hösl, Roland Ayx, Hans Werner Busch: Die vorschriftsmäßige Elektroinstallation, Wohnungsbau-Gewerbe-Industrie. 18. Auflage, Hüthig Verlag, Heidelberg, 2003, ISBN 3-7785-2909-9
- Datenblatt Leistungsschutzschalter von ABB (für Auslösecharakteristik): Auslöse-Charakteristiken für Sicherungsautomaten im Vergleich
- Datenblatt SLS von Möller (für Auslösecharakteristik von SLS) Selektiver Hauptleitungsschutzschalter LSHU-KL