Absicherung von Stromkreisen LS-Schalter sicher auslösen

Fehler in der Produktion lassen sich nie ganz vermeiden - so kann es zu Kurzschlüssen in der Verdrahtung oder zu Fehlfunktionen von Verbrauchern kommen. Trotzdem soll die Maschine oder Anlage ohne Unterbrechung weiterarbeiten. Dabei spielt die Absicherung auf der Sekundärseite des 24-V-Netzteils eine wichtige Rolle. Wie können diese die üblichen Leitungsschutzschalter effizient und schnell genug auslösen? Lassen sich auch die Geräteschutzschalter verbessern?

Parallel zur Steuerung sind meist weitere Verbraucher - beispielsweise Sensoren oder Aktoren - am Netzteil angeschlossen. Um Stillstandszeiten zu minimieren, sollte jeder Strompfad einzeln abgesichert sein. Kommt es zu einem Kurzschluss, wird nur der fehlerhafte Pfad von der Stromversorgung getrennt und die Steuerung arbeitet unterbrechungsfrei weiter. Aufgrund des ausgelösten Leitungsschutzschalters ist die Fehlersuche einfach.

Derzeit sind handelsübliche Leitungsschutzschalter (LS-Schalter) die preiswerteste Lösung - sie lösen elektromagnetisch oder thermisch über ein Bimetall aus (Bild 1). Zur Auslösung innerhalb weniger Millisekunden benötigt der integrierte Elektromagnet einen deutlich höheren Strom als den Nennstrom des LS-Schalters. Die für die elektromagnetische Auslösung erforderlichen Kurzschlussströme werden von den Herstellern für Wechselstrom (AC) angegeben.

Anwender müssen berücksichtigen, dass die DC-Werte im Vergleich zu AC-Anwendungen um den Faktor 1,2 höher liegen. Leitungsschutzschalter werden in verschiedenen Auslösecharakteristiken angeboten, wobei im industriellen Umfeld zumeist Automaten mit B- oder C-Charakteristik im Einsatz sind. Charakteristik B verlangt den drei- bis fünffachen Nennstrom des LS-Schalters bei AC- sowie den drei- bis sechsfachen Strom bei DC-Anwendungen.

Für einen 25-A-Automaten der Charakteristik B sind also 150 A notwendig, um unter ungünstigen Bedingungen innerhalb weniger Millisekunden auszulösen. Die C-Charakteristik benötigt den fünf- bis zehnfachen Nennstrom bei AC- sowie den fünf- bis zwölffachen Strom bei DC-Applikationen. Stellen Stromversorgungen jedoch lediglich eine geringe Leistungsreserve zur Verfügung, löst der Leitungsschutzschalter thermisch aus, was mehrere Sekunden oder Minuten dauern kann.

In dieser Zeitspanne ist die 24-V-Spannung der Stromversorgung bereits eingebrochen und die Steuerung ausgefallen. Schlimmstenfalls liefert das Netzteil einen zu geringen Strom oder nur eine kurzzeitige Stromreserve von wenigen Sekunden. In diesem Fall löst die Sicherung nicht aus, sodass die Fehlersuche zeitaufwendig und kostenintensiv ist. Durch die SFB-Technik (Selective Fuse Breaking) können die Stromversorgungen vom Typ »Quint Power« von Phoenix Contact solche LS-Schalter in jedem Fall magnetisch auslösen.

Ein Modul mit den Nennwerten 24 V und 20 A versorgt etwa eine Steuerung sowie drei weitere Lasten. Jeder Strompfad ist mit einem LS-Schalter mit 6 A und B-Charakteristik abgesichert. Die 25 m langen Kupferleitungen haben einen Leitungsquerschnitt von 2,5 mm2. Kommt es in diesem Beispiel aufgrund eines durchgescheuerten Kabels zu einem Kurzschluss am Display, liefert das 20-A-Netzteil über die SFB-Technik kurzzeitig den sechsfachen Nennstrom - also maximal 120 A.

Der LS-Schalter löst mit dem zehnfachen Bemessungsstrom auf jeden Fall im magnetischen Bereich seiner Kennlinie aus. Die betroffene Sicherung löst innerhalb von 3 ms bis 5 ms aus, während die anderen Verbraucher weiterarbeiten. Die Steuerung wird durchgängig mit 24 V (DC) versorgt und läuft trotz des aufgetretenen Kurzschlusses unterbrechungsfrei weiter.

Ob ein Leitungsschutzschalter schnell genug auslöst, hängt unter anderem von der Länge und dem Querschnitt der Leitung ab, über die der Verbraucher angeschlossen ist. Hier ist nicht ausschließlich der hohe Strom, den das Netzteil liefern kann, ausschlaggebend. Nur wenn die Impedanz des fehlerhaften Strompfades gering genug ist, kann der hohe Strom auch in den Kurzschluss fließen und den LS-Schalter magnetisch auslösen. Welche Stromversorgung bei welchem Leitungsquerschnitt und welcher Leitungslänge den Leitungsschutzschalter sofort auslöst, lässt sich anhand einer Tabelle ablesen, was die Auslegung der Maschine oder Anlage vereinfacht.

Geräteschutzschalter mit SFB-Kennlinie

Bei den zahlreichen unterschiedlichen Arten von Geräten ist es wichtig, diese mit dem passenden Schutzschalter abzusichern. Leitungsschutzschalter werden in der Praxis oft überdimensioniert, da die entsprechende Stromstärke mit der B-Charakteristik nicht angeboten wird. Dann wird auf LS-Schalter mit C-Charakteristik zurückgegriffen, die jedoch deutlich träger sind und die Leitungslänge erheblich begrenzen.

Bei den neuen Geräteschutzschaltern vom Typ »CB« von Phoenix Contact kommt nun erstmalig die SFB-Kennlinie zum Einsatz. Diese Charakteristik wurde speziell für den Einsatz mit Stromversorgungen vom Typ »Quint Power SFB« entwickelt, um noch schneller und sicherer auszulösen. Die Kennlinie wurde an die C-Charakteristik angelehnt und in der Toleranz deutlich geschmälert, um den Kurzschlussstrom einzugrenzen. Dadurch werden die Leitungen und angeschlossenen Geräte weniger belastet. Außerdem lassen sich deutlich längere Leitungen verlegen, da der Leitungswiderstand den Auslösestrom nicht so schnell begrenzt.

Die auf die SFB-Technik abgestimmten Geräteschutzschalter lösen auch bei besonders langen Leitungswegen oder geringen Leitungsquerschnitten sicher aus (Bild 2). Im Vergleich zu herkömmlichen LS-Schaltern der C-Charakteristik lassen sich Leitungswege um bis zu 30 Prozent verlängern. Ist zum Beispiel ein Leitungsschutzschalter mit 2 A und C-Charakteristik nötig, kommt es im Falle eines Kurzschlusses zu einem Stromfluss von maximal 24 A.

Die Entfernung zwischen Stromversorgung und Verbraucher sollte bei einer 1-mm2-Kupferleitung nicht mehr als 14 m betragen, um sicher auszulösen. Wird hingegen ein Geräteschutzschalter mit 2 A und der neuen SFB-Kennlinie eingesetzt, sind nur 20 A notwendig, um rechtzeitig abzuschalten. Die Distanz lässt sich auf 18 m ausweiten.

Häufig sind Sensoren und Aktoren bereits vorkonfektioniert, nicht selten beträgt der Querschnitt nur 0,22 mm2 oder 0,34 mm2. Hierbei ist die Entfernung stark eingeschränkt, meist ist der erforderliche Schutz nicht mehr gegeben. Die neuen Geräteschutzschalter mit einer Baubreite von 12,3 mm informieren mit einem integrierten Meldekontakt über den aktuellen Anlagenzustand. Das Brückenkonzept des Reihenklemmen-Programms »Clipline complete« sowie die Push-in-Technik für den schnellen und mühelosen Anschluss ergänzen das neue System.

Über die Autoren:

Peter Ketler ist staatlich geprüfter Techniker Elektrotechnik, Anja Moldehn ist im Produktmarketing tätig, beide bei Phoenix Contact.

SFB-Technik in der Praxis

Um die industrielle Fertigung von Kalendern, Büchern oder Zeitschriften flexibel und preiswert zu gestalten, setzt die Firma Kolbus auf einen »intelligenten« Maschinenbau. Bei Durchlaufzeiten von bis zu 20000 klebegebundenen Zeitschriften pro Stunde müssen die Buchbindemaschinen durchgängig arbeiten. In der Zusammentragmaschine versorgt ein Netzteil der Serie »Quint Power« mit den Nennwerten 24 V und 20 A die Steuerung sowie Lichtschranken und Analogsensoren. Primärseitig ist das Gerät für den Leitungsschutz mit einem Motorschutzschalter abgesichert. Sekundärseitig werden Leitungsschutzschalter mit B-Charakteristik eingesetzt.
Jeder Strompfad ist einzeln geschützt. Kommt es zu einem Kurzschluss - zum Beispiel durch ein defektes Kabel - liefert das 20-A-Netzteil über die SFB-Technik für 12 ms den sechsfachen Nennstrom, also 120 A. Der Leitungsschutzschalter löst auf jeden Fall im magnetischen Bereich seiner Kennlinie aus. Die Steuerung wird durchgängig versorgt und läuft trotz des Kurzschlusses unterbrechungsfrei weiter. Jörg Niemann, zuständig für den Einsatz elektrotechnischer Komponenten bei Kolbus, erklärt, warum das Auslösen von Leitungsschutzschaltern im magnetischen Bereich der Kennlinie so wichtig ist: »Hohe Zuverlässigkeit und lange Lebensdauer liegen uns bei unseren Anlagen besonders am Herzen. Ohne SFB-Technik lösen Netzteile thermisch aus, im schlimmsten Fall auch gar nicht. Das könnte Kabelbündel verschmelzen lassen.«