Ratgeber
Die Nutzbarmachung des elektrischen Stroms gehört zweifellos zu den wichtigsten technischen Errungenschaften der Menschheit. Die Energie aus der Steckdose hat allerdings auch ihre Schattenseiten: Jeder Fehler in der Elektroinstallation kann Schäden verursachen oder sogar tödlich sein. Deshalb gibt es Vorrichtungen wie Schutzschalter, um solche Gefahren zu vermeiden. In unserem Ratgeber informieren wir Sie über die wichtigsten Typen und Bauformen, erklären deren Funktionen und Einsatzbereiche.
Ein Schutzschalter – umgangssprachlich Sicherung – unterbricht die Energiezufuhr zum elektrischen Gerät beziehungsweise zur elektrischen Anlage, wenn der Strom oder die Spannung einen bestimmten Bemessungswert überschreitet. Das kann aus unterschiedlichen Gründen geschehen, zum Beispiel durch Überlast, Kurzschluss oder Spannungsspitzen. Eine Überlast liegt vor, wenn die Last einen Strom zieht, der über dem Nennstrom liegt.
Ein Kurzschluss tritt auf, wenn die beiden Pole einer Gleichstromleitung oder der Außenleiter einer Wechselstromleitung mit dem Neutralleiter beziehungsweise dem Schutzleiter unmittelbar in Kontakt geraten. Spannungsspitzen wiederum entstehen beispielsweise durch Blitzeinschläge.
Die beiden weltweit am häufigsten eingesetzten Schutzschalter schützen entweder Leitungen oder Menschen und Geräte. Es gibt allerdings auch Bauformen, in denen beide Typen vorhanden sind.
Sicherungen zum Schutz von Leitungen sind unter dem Begriff Leitungsschutzschalter oder MCB zusammenfasst, die Abkürzung für Miniatur Circuit Breaker. Im deutschsprachigen Raum wird meist von LS-Schaltern gesprochen.
Sicherungen für den Schutz von Menschen und Geräten werden landläufig FI-Schalter oder Fehlerstrom-Schutzschalter genannt, obwohl die Abkürzung FI – für Fehler und dem Formelzeichen für Stromstärke – offiziell durch die Abkürzungen RCD und RCCB ersetzt wurde. RCCB steht für Residual Current operated Circuit-Breaker, was sich sinngemäß mit Differenzstrom-Schutzschalter übersetzen lässt.
Kombi-Sicherungen aus MCB und RCCB sind häufig unter der Bezeichnung FI/LS-Schalter anzutreffen. Ein weiterer oft anzutreffender Typ ist der Motorschutzschalter oder MPCB. Er ist speziell für den sicheren Betrieb und den Schutz von Elektromotoren entwickelt worden.
Der MCB oder Leitungsschutzschalter ist ein automatisch arbeitendes elektromechanisches Gerät zur Absicherung des Stromkreises vor Überlastung oder Kurzschluss. Er unterbricht den Stromkreis, wenn der durch ihn fließende Strom seine Bemessungsgrenze überschreitet, er gehört somit zu den Überstrom-Schutzeinrichtungen. Ansonsten besteht die Gefahr, dass sich vor allem dünne Leitungen durch ihren elektrischen Widerstand bis zur Brandgefahr erhitzen. Ein MCB wird überwiegend in Niederspannungsstromkreisen mit einem Abschaltvermögen bis zu 400 Volt Wechselstrom bei Stromstärken bis zu 15.000 Ampere verwendet.
Liegt ein Fehler vor, schaltet der MCB nicht sofort die Stromzufuhr ab, sondern wartet bestimmte Zeiträume. Bei einem Kurzschluss liegt die Zeitverzögerung meist bei weniger als 2,5 Millisekunden, bei Überlast dagegen zwischen 2 Sekunden bis 2 Minuten, je nach Größe der Last. Damit soll sichergestellt werden, dass die Sicherung nicht jedes Mal auslöst, wenn ein kurzzeitiger Stromstoß auftritt oder eine große induktive Last – zum Beispiel ein Elektromotor – eingeschaltet wird.
Ein MCB verfügt über keine einstellbaren Auslösecharakteristiken. Der Ausschaltmechanismus kann entweder thermisch oder magnetisch arbeiten. Im Falle einer Überlastung wird der thermische Auslösemechanismus verwendet, während der magnetische Auslösemechanismus bei einem Kurzschluss anspringt.
Die Sicherung ist üblicherweise von einem isolierenden Gehäuse umgeben. Die festen und beweglichen Kontakte aus Kupfer oder einer Silberlegierung sind mit den beiden Klemmen für die Stromzufuhr verbunden. Es gibt einen Lichtbogenschacht, der aus mehreren leitenden Platten zur Ableitung der Lichtbogenenergie besteht.
Wie bereits erwähnt, gibt es zwei Arten von Auslösemechanismen: Thermische und magnetische.
Der thermische Auslösemechanismus besteht aus einem Bimetallstreifen, meist aus Stahl und Messing. Wenn der Strom über den Bemessungswert hinaus durch den Metallstreifen fließt, erhitzt er sich und dehnt sich aus, wodurch er sich verbiegt und schließlich die Verriegelung zur Trennung der Kontakte auslöst.
Der magnetische Auslösemechanismus enthält in der Regel eine Spule zum Erzeugen eines Magnetfelds und einen Unterbrecherhebel. Bei einem Kurzschluss ist das Magnetfeld so stark, dass die Spule den Hebel sofort anzieht und der Stromkreis in wenigen Millisekunden unterbrochen wird.
Ein FI-Schutzschalter arbeitet nach dem Prinzip des 1. Kirchhoffschen Stromgesetzes. Es besagt, dass die Menge des in einen Stromkreisknoten eintretenden Stroms der Menge des austretenden Stroms entspricht. Physikalische Grundlage sind die bei jedem stromdurchflossenen Leiter entstehenden, von der Stromrichtung beeinflussten Magnetfelder. So erzeugt ein zufließender Strom ein zum abfließenden Strom proportionales Magnetfeld mit umgekehrter Polarität – sind die Ströme gleich, heben sich die Magnetfelder auf. Um ein Ungleichgewicht festzustellen, überwacht ein Fehlerstromschutzschalter kontinuierlich den Strom im Außen- und im Neutralleiter. Die Differenz zwischen diesen beiden Strömen wird als Reststrom bezeichnet. Besteht ein Ungleichgewicht, löst der Reststrom den Abschaltvorgang aus.
Der FI-Schutzschalter soll vor allem den Menschen vor der Gefahr von Stromschlägen schützen und ist besonders hilfreich bei einem plötzlichen Erdschluss. Das Vorhandensein eines Fehlerstromschutzschalters gewährleistet, dass der Stromkreis in solchen Fällen sofort unterbrochen wird und die Person somit vor einem Stromschlag geschützt ist.
Vom Gehäuse her ähnelt der FI-Schutzschalter dem Leitungsschutzschalter, beide Schalter sind für Schaltschränke und die Montage auf Tragschienen konzipiert. Beim Fehlerstrom-Schutzschalter durchlaufen der stromführende Leiter und der Neutralleiter einen Summenstromwandler. Er dient dazu, ein Ungleichgewicht des Stroms zwischen den beiden Leitern zu erkennen. Bei einer Differenz, zum Beispiel aufgrund eines Erdschlusses, induziert der resultierende Fehlerstrom eine Spannung in einem Transformator, der mit einem Relais verbunden ist. Der Anker des Relais betätigt den Unterbrecher, der Stromkreis öffnet sich.
Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen sind in drei Varianten im Handel: als FI-Schutzschalter Typ AC, FI-Schutzschalter Typ A und als FI-Schutzschalter Typ B. Der Typ AC ist nur für Wechselstrom empfindlich und kann keinen Schutz gegen Fehler im Gleichstrom oder einer anderen Wellenformen bieten. Typ A eignet sich dagegen sowohl für Wechselstrom als auch für pulsierenden Gleichstrom oder Rechteckwellen. FI-Schutzschalter des Typs B bieten eine Absicherung gegen Wechselströme bis zu 1000 Hertz und gegen pulsierende sowie glatte Gleichfehlerströme.
Nachteile des FI-Schutzschalters sind die fehlende Schutzwirkung gegen Überlastung und Kurzschluss. Er bietet auch keinen Schutz gegen einen elektrischen Schlag bei einer geerdeten Berührung des Außenleiters. Außerdem ist er nur für bestimmte Wellenformen empfindlich.
Der Motorschutzschalter oder MPCB ist, wie der Name schon sagt, eine Schutzeinrichtung speziell für den sicheren Betrieb und den Schutz von Elektromotoren. Er kann den Einschaltstrom des Elektromotors zum mehrfachen seines Nennstroms verkraften und verwendet dabei dabei thermische und magnetische Schaltfunktionen, ähnlich einem MCB.
Der Hauptunterschied zwischen dem MPCB und anderen Schutzschaltern besteht darin, dass der MPCB eine Absicherung gegen Phasenunsymmetrie und Phasenausfall bieten kann. Motoren mit Drehstromkreisen benötigen drei stromführende Leiter mit ausgeglichenen Spannungen, um effektiv arbeiten zu können. Eine Asymmetrie von mehr als 2 Prozent wirkt sich negativ auf die Lebensdauer des Motors aus. Wenn eine der Phasenspannungen plötzlich ausfällt, ist die Wirkung noch schädlicher, da der Motor mit nur zwei Phasen weiterläuft. Der Motorschutzschalter ist in der Lage, diese Bedingungen zu erkennen, indem er die Unterschiede zwischen den Phasenspannungen misst. Er schaltet den Motor sofort ab, wenn sie auftreten.
Bei den meisten in der Industrie verwendeten Motoren handelt es sich um Asynchronmotoren, die auch als Käfigläufer bekannt sind. Diese Motoren verwenden Dreiphasenstrom, um ein rotierendes Magnetfeld zu erzeugen, das wiederum den Rotor magnetisiert und eine Drehbewegung erzeugt. Bei der Auslegung des elektrischen Schutzes für einen Asynchronmotor und der Auswahl von Motorschutzschaltern sind einige sehr wichtige Faktoren zu berücksichtigen, die beim Schutz anderer Arten von Stromkreisen nicht vorhanden sind.
So nehmen Asynchronmotoren während des Starts einen sehr hohen Einschaltstrom auf, da sie ein rotierendes Magnetfeld aufbauen müssen. Dieser Strom kann für einige Sekundenbruchteile Werte von 500 bis bis 800 Prozent des Nennwerts erreichen. Aus diesem Grund löst der magnetische Schalter des MPCB bei Werten von mehr als dem 10-fachen des Nennstroms aus, im Gegensatz zu einigen Typen von Leitungsschutzschaltern, die bereits bei Werten von nur dem 3-fachen des Nennstroms auslösen. In diesen Fällen kann der Motor bei Verwendung eines anderen Schutzschalters als dem MPCB nicht einmal gestartet werden, bevor der Magnetschutz auslöst. Um den Einschaltstrom zu reduzieren, lässt sich ein zusätzlicher Schutz durch einen Motorstarter mit reduzierter Spannung nachrüsten.