Was ist ein Stromkreisunterbrecher?

Ein Stromkreisunterbrecher unterbricht automatisch den Stromfluss in einem Stromkreis im Falle eines Überstroms oder Kurzschlusses. Sie verhindert elektrische Brände und Schäden an elektrischen Geräten. Sie sind in Privathaushalten, Gewerbe- und Industriegebäuden zu finden und werden in verschiedenen Größen und Typen angeboten, um den spezifischen Anforderungen unterschiedlicher elektrischer Systeme gerecht zu werden. Dieser Artikel befasst sich mit dem Aufbau, der Funktionsweise und den Arten von Leistungsschaltern.

Inhaltsübersicht

• Was macht ein Schutzschalter?
• Wie funktioniert ein Stromkreisunterbrecher?
• Schalten von Leistungsschaltern
• Typen von Leistungsschaltern
• FAQs

Was macht ein Schutzschalter?

Die elektrische Schalttafel in einem Gebäude enthält eine Reihe von hebelbetätigten Leistungsschaltern. Die Größe eines Schutzschalters wird durch die Amperezahl bestimmt, bei der er auslösen soll. Wenn diese Stromstärke überschritten wird, schaltet der Schutzschalter zum Schutz vor Feuer und elektrischen Gefahren ab. Abbildung 1 zeigt einen Leistungsschalter, der eingeschaltet wird, nachdem er aufgrund einer Überlast ausgelöst wurde.

Die häufigsten Ursachen für das Auslösen von Leistungsschaltern sind:

• Überlastung: Dies ist der Fall, wenn einem Stromkreis zu viel Strom entnommen wird, z. B. wenn mehrere Geräte mit hoher Leistung gleichzeitig verwendet werden.
• Kurzschlüsse: Ein Kurzschluss tritt auf, wenn ein Problem mit der Verkabelung eines Geräts auftritt, das zu einem übermäßigen Stromfluss führt.
• Erdungsfehler: Erdschlüsse treten in Bereichen mit hoher Feuchtigkeit auf, z. B. in Küchen und Badezimmern. Erdschlussstromunterbrecher (GFCI) sind jetzt aus Sicherheitsgründen vorgeschrieben.

Wie funktioniert ein Stromkreisunterbrecher?

Abbildung 3 zeigt schematisch, wie ein Leistungsschalter den eingehenden stromführenden Draht (F) mit der in das Gerät führenden Stromleitung (A) verbindet.

• Ein Leistungsschalter besteht aus zwei Kontakten: einer ist fest (B), der andere beweglich (C).
• Die Kontakte befinden sich in einer geschlossenen Kammer, die ein flüssiges Medium enthält, das den zwischen den Kontakten entstehenden Lichtbogen löscht (siehe nächster Abschnitt).
• Die Kontakte bleiben unter normalen Betriebsbedingungen verbunden und öffnen sich nicht automatisch, es sei denn, es liegt ein Fehler oder ein Stromstoß in der Leitung vor.
• Wenn die Leitung einen Überstrom erfährt, sendet das Relais ein Signal, das die über einen Elektromagneten (E) gewickelten Auslösespulen erregt.
• Die Auslösespule ist so kalibriert, dass sie aktiviert wird, wenn der durch sie fließende Strom den eingestellten Auslösestrom überschreitet. Die daraus resultierende Kraft zieht die Kontakte auseinander, wodurch die Verbindung zwischen dem stromführenden Draht und dem Gerät unterbrochen wird. Dieser mechanische Prozess funktioniert wie eine Ratsche und hält die Trennung aufrecht, bis sie manuell zurückgesetzt wird. Die Kontakte können entweder direkt oder über eine Fernbedienung zurückgesetzt werden.
• Eine verformte Metallfeder (D) speichert potenzielle Energie im Leistungsschalter. Wenn die Auslösespule aktiviert wird, wird die potenzielle Energie freigesetzt, wodurch der bewegliche Kontakt mit einer bestimmten Geschwindigkeit gleitet. Anstelle der Feder kann auch Druckluft oder Hydraulikdruck verwendet werden.

Lichtbogen in einem Leistungsschalter

Ein Lichtbogen entsteht (Abbildung 4), wenn Elektronen beim Trennen über den schmalen Spalt zwischen den Kontakten springen. Dadurch wird das Medium ionisiert, was seinen Widerstand verringert und schließlich zum Fließen von Dauerströmen führt. Dieses Phänomen tritt besonders bei hohen Strömen auf, und die für die Schwerindustrie konzipierten Schutzschalter werden als Schütze bezeichnet und sind so konstruiert, dass sie sehr schnell trennen, um den Lichtbogen zu unterbrechen. Ein Lichtbogen ist gefährlich, weil er die Unterbrechung des Stromkreises verzögert und starke Hitze erzeugt, die Schäden verursachen kann.

Daher besteht das Hauptproblem bei einem Leistungsschalter darin, den Lichtbogen innerhalb kürzester Zeit durch geeignete Methoden zu löschen.

Schalten von Leistungsschaltern

Abbildung 5 zeigt die Funktionsweise eines Leistungsschalters (B) in einem Stromkreis. Die beiden wichtigsten Teile der Schaltung sind ein Stromwandler (C) und eine Relaisspule (J).

• Stromwandler: Ein Stromwandler ist ein Messwandler, der hohe Wechselströme in der Primärwicklung auf einen niedrigen Wert in der Sekundärwicklung reduziert. Der Zweck dieser Reduktion ist es, den Strom leichter messbar und handhabbar zu machen, insbesondere bei der Arbeit mit leistungsstarken elektrischen Systemen. Die Primärwicklungen des Stromwandlers sind mit der zu schützenden Leitung verbunden, die Sekundärwicklung mit der Relaisspule.
• Relaisspule: Ein Relais ist ein elektrisch betriebener Schalter, der als Reaktion auf ein elektrisches Eingangssignal einen Stromkreis öffnet oder schließt. Er besteht aus einem Elektromagneten, der bei Erregung einen Metallanker anzieht, um eine Reihe von elektrischen Kontakten zu schließen. Dadurch kann ein Strom durch das Relais fließen, wodurch ein Stromkreis geschlossen wird.
  • Der Strom, bei dem ein Relais schaltet (auch als Anzugsstrom oder Auslösestrom bezeichnet), wird durch die Konstruktion des Relais und die verwendete Spule bestimmt.
  • Der Auslösestrom ist direkt proportional zu der von der Spule erzeugten Magnetfeldstärke und wird von Faktoren wie der Anzahl der Windungen in der Spule, dem Drahtdurchmesser und dem Magnetkernmaterial beeinflusst.

Wenn ein Fehler auftritt (z. B. Überstrom):

1. In der ankommenden Leitung wird ein hoher Strom fließen.
2. Der Strom in der Sekundärseite des Stromwandlers steigt an, was dem Strom durch die Relaisspule entspricht.
3. Der Relaiskontakt (I) wird bei hohem Fehlerstrom geschlossen.
4. Dadurch wird der Auslösestromkreis des Leistungsschalters geschlossen, und der Strom fließt von der Batterie (G) über die Auslösespule (F) in einen Auslösestromkreis (H).
5. Die Auslösespule des Leistungsschalters wird erregt. Dadurch wird der Öffnungsmechanismus des Schutzschalters aktiviert und die Kontakte werden auseinandergezogen.
6. Dadurch wird das fehlerhafte Teil vom Rest der Leitung isoliert.

Typen von Leistungsschaltern

Niederspannungs-Leistungsschalter

Niederspannungs-Leistungsschalter sind für Spannungen bis zu 1 kV ausgelegt.

Miniatur-Leistungsschalter (MCBs)

Leitungsschutzschalter werden zum Schutz von Stromkreisen mit geringeren Nennströmen eingesetzt. Sie können für Stromkreise bis zu 125 A verwendet werden. Sie sind preiswert, kompakt und einfach zu installieren.

Molded Case Circuit Breakers (MCCBs)

• Der Leistungsschalter ist in einem Gehäuse untergebracht. Es handelt sich um große Leistungsschalter, die für elektrische Hochspannungsanlagen konzipiert sind.
• MCCBs werden üblicherweise für Nennströme bis zu 1600A und Fehlerstufen bis zu 150 KA verwendet.
• Diese Schutzschalter sind langlebiger und können höhere Stromstärken bewältigen als MCBs.
• MCCBs arbeiten mit Bimetall- und Magnetkomponenten, aber in letzter Zeit sind MCCBs auf Mikroprozessorbasis aufgrund ihres schnellen, elektronisch gesteuerten Auslösemechanismus sehr beliebt geworden.
• MCBs und MCCBs sind in verschiedenen Konfigurationen erhältlich, z. B. einpolig, zweipolig und dreipolig, um unterschiedlichen elektrischen Anforderungen gerecht zu werden.
• Einer der Hauptvorteile von MCCBs ist ihre hohe Lebensdauer. Sie werden häufig als industrielle Schutzschalter in rauen Umgebungen eingesetzt, in denen hohe Stromstärken und raue Bedingungen üblich sind.

Luftleistungsschalter (ACBs)

Dabei handelt es sich um Hochspannungs-Leistungsschalter, bei denen Luft zur Isolierung der Kontakte und zur Unterbrechung des Stromflusses durch den Leistungsschalter verwendet wird. Sie sind ideal für den Einsatz in industriellen und kommerziellen Anwendungen, wo hohe Stromstärken üblich sind. ACBs werden in der Regel für Stromkreise mit einer Stromstärke von bis zu 6300 A verwendet.

Fehlerstrom-Schutzschalter (RCCB)

Ein Fehlerstromschutzschalter (RCCB) ist so konzipiert, dass er Schutz gegen Erdschluss bietet. Diese Unterbrecher werden in Privathaushalten, Büros und in der Industrie eingesetzt, je nach den spezifischen Anforderungen an die Stromempfindlichkeit der jeweiligen Anwendung. Im Falle eines Leckstroms ist der Fehlerstromschutzschalter so konstruiert, dass er das Problem erkennt und auslöst und so mögliche Stromschläge und andere negative Auswirkungen des Leckstroms verhindert.

Mittel- und Hochspannungs-Leistungsschalter

Leistungsschalter, die im Spannungsbereich von 1 KV bis 69 KV arbeiten, werden als Mittelspannungs-Leistungsschalter eingestuft. Diejenigen, die im Spannungsbereich von 69 KV bis 230 KV arbeiten, werden als Hochspannungs-Leistungsschalter bezeichnet. Sie werden in Hochspannungs-Stromverteilungsanlagen wie Transformatoren und Umspannwerken eingesetzt.

Vakuum-Leistungsschalter (VCBs)

• Es handelt sich um Mittelspannungs-Leistungsschalter, die ein Vakuum als Medium zur Lichtbogenlöschung verwenden.
• Vakuum-Leistungsschalter haben eine lange Lebensdauer und sind sehr zuverlässig, da es keine beweglichen Teile im Schalter gibt.
• Sie sind kompakt, erfordern nur minimale Wartung und arbeiten geräuschlos.
• Sie werden in den Kontrollräumen der Netzstationen eingesetzt.

SF6-Schutzschalter

• SF6-Schutzschalter verwenden SF6-Gas als Medium zum Löschen von Lichtbögen und sind sehr effektiv beim Unterbrechen von Kontakten.
• Durch die Verwendung von SF6-Gas als Isoliermedium bieten Schutzschalter im Vergleich zu anderen Arten von Schutzschaltern eine höhere Leistung, Zuverlässigkeit und Sicherheit.
• SF6-Gas hat eine hohe Durchschlagsfestigkeit und eignet sich daher für den Einsatz in Hochspannungsanwendungen.
• SF6-Schutzschalter sind einfach aufgebaut, wartungsarm und haben eine hervorragende Lichtbogenlöschung. Außerdem wird das gleiche Gas durch den Kreislauf zurückgeführt, wodurch das System effizienter wird.

Öl-Leistungsschalter

• Wird in Hochspannungsanlagen verwendet.
• Sie verwenden Öl als Medium zur Unterbrechung des Stromkreises im Falle einer Überlastung oder eines Kurzschlusses.
• Sie haben ein hohes Kurzschlussausschaltvermögen und eignen sich daher für den Einsatz in Hochspannungsanwendungen.
• Bei Öl-Leistungsschaltern besteht die Gefahr von Ölaustritt und Brandgefahr, da das Öl mit Luft ein explosives Gemisch bilden kann. Außerdem ist er wartungsintensiver, da das Öl häufig gewechselt werden muss.

FAQs

Warum wird ein Schutzschalter ausgelöst?

Ein Schutzschalter unterbricht den Stromfluss in einem Stromkreis als Sicherheitsmaßnahme, um eine Überlastung oder einen Kurzschluss zu verhindern.

Welche verschiedenen Arten von Schutzschaltern gibt es für Wohngebäude?

In Wohngebäuden werden MCBs, MCCBs, GFCI und Störlichtbogenunterbrecher verwendet.

Was ist ein Halbleiterschutzschalter?

Ein Halbleiterschutzschalter verwendet Halbleiterbauelemente wie Dioden, Thyristoren und Transistoren zur Steuerung des Stromflusses anstelle herkömmlicher mechanischer Komponenten, um den Stromfluss in einem Stromkreis zu unterbrechen.