Lernauftrag 10: Leitungsschutzschalter

Bereits im Lernfeld 2 haben wir Leitungsschutzschalter und ihre Auslösecharakteristiken kennengelernt.

Bevor wir uns dem Leitungsschutzschalter widmen machen wir jedoch einen kurzen Exkurs in den Bereich der Schmelzsicherungen.

Sowohl Leitungsschutzschalter als auch Schmelzsicherungen dienen dem Überstromschutz.

Schmelzsicherungen

Schmelzsicherungen werden im Allgemeinen eingeteilt in:

1) Schraubsicherungen (D- und D0-Sicherungen)
2) NH-Sicherungen
3) Gerätesicherungen (Feinsicherungen)

Während bei den Gerätesicherungen noch die Bezeichnungen träge, flink, superflink, etc. üblich sind, werden Schraub- und NH-Sicherungen durch die Angabe der Betriebsklasse gekennzeichnet. Im Unterschied zu NH-Sicherungen ist durch den Aufbau von Schraubsicherungen der Berührungsschutz gegeben. Schmelzsicherungen haben eine Reihe von Vorteilen. So haben sie z.B. ein sehr hohe Ausschaltvermögen. Es beträgt bei Sicherungseinsätzen für die Hausinstallation (D- oder D0-Sicherung) bis zu \(50\ kA\) und bei NH-Sicherungen \(100\ kA\). Darüber hinaus erfolgt durch das rasche Abschmelzen des Schmelzleiters im Kurzschlussfall eine schnelle Begrenzung des Kurzschlussstromes.

Begriffserklärungen:

Das D- und D0-System ist durch Unverwechselbarkeit des genormten Sicherungseinsatzes (Schmelzeinsatz) hinsichtlich des Bemessungsstromes gekennzeichnet. Es ist für industrielle Anwendungen und Hausinstallationen geeignet und durch Laien bedienbar. Sicherungen des D- und D0-Systems bestehen aus Sicherungssockel, Sicherungseinsatz (Schmelzeinsatz), Schraubkappe und Paßeinsatz/-hülse.

Das NH-System (Niederspannungs-Hochleistungssicherungssystem) ist für industrielle und ähnliche Anwendungen vorgesehen. Es besteht aus einem Sicherungsunterteil und dem auswechselbaren Sicherungseinsatz. NH-Sicherungen sind nicht unverwechselbar und bieten keinen Berührungsschutz.

Begriffserklärungen:

Bemessungsstrom: Der Bemessungsstrom eines Sicherungseinsatzes ist der Strom, mit dem dieser Sicherungseinsatz unter den vorgeschriebenen Bedinungen ohne nachteilige, die Funktion beeinträchtigende Veränderungen dauernd belastet werden kann.

Ausschaltstrom: Der Ausschaltstrom ist der höchste, unbeeinflusste (prospektive) Kurzschlussstrom, den eine Sicherung ausschalten kann.

Selektivität: Selektivität bedeutet, daß bei Reihenschaltung zweier oder mehrerer stromunterbrechender Vorrichtungen im Falle eines Kurzschlusses oder Überstroms nur die gewünschte, die der Fehlerstelle unmittelbar vorgelagerte Vorrichtung auslöst.

Aufgabe 1

Beantworte in eigenen Worten folgende Frage:

1) Benenne Aufgaben von Überstromschutzeinrichtungen.
2) Erläutere, welche Aufgaben Paßhülsen und Kennmelder haben.
3) Sowohl NH-Sicherungen als auch D- und D0-Sicherungen sind Schmelzsicherung. Begründe, warum ein Laie Schmelzsicherungen des D- und D0-Systems selbst wechseln darf, NH-Sicherungen jedoch nicht.
4) Erläutere den Unterschied zwischen dem Bemessungsstrom und dem Ausschaltstrom einer Sicherung.
5) Erläutere wie Selektivität bei Schmelzsicherungen gewährleistet werden kann.

1) Sie schützen Kabel, Leitungen und Betriebsmittel vor Kurzschluss und Überlast, sowie den Menschen vor einem elektrischen Schlag.
2) Die Paßhüklse verhindert das Einsetzen einer Sicherung höheren Bemessungsstroms. Der Kennmelder signalisiert das "Auslösen" der Sicherung.
3) Im Gegensatz zum D- oder D0-System bietet das NH-System keinen Berührungs- und Verwechslungsschutz.
4) Der Bemessungsstrom kann dauerhaft durch eine Sicherung fließen. Der Ausschaltstrom kann "gerade noch" von der Sicherung geschaltet werden.
5) Selektivität ist bei hintereinander geschalteten Sicherungen gegeben, wenn sich ihr Bemessungsstromverhältnis um mindestens 1,6 unterscheidet (oder um zwei Bemessungsstromstufen).

Aufgabe 2

Bestimme mittels des Kennlinienfeldes nach welcher Zeit frühestens und spätestens eine \(20\ A\)-Sicherung bei folgenden Kurzschlusströmen auslöst.

1) \(I_p=40\ A\)
2) \(I_p=100\ A\)
3) \(I_p=700\ A\)

1) \(30\ s<t<900\ s\)
2) \(0,4\ s<t<4\ s\)
3) \(t<5\ ms\)

Aufgabe 3

Bis zu den Klemmen einer 3-fach-Wechselstromsteckdose, die für einen Nennbetrieb von \(230\ V/16\ A\) zugelassen ist, wurde meßtechnisch ein Netzinnenwiderstand von \(1,2\ \Omega\) festgestellt.
Dieser Wechselstromkreis, der mit einer Schmelzsicherung (gL \(16\ A\)) des D0-Systems geschützt ist, wird gleichzeitig von folgenden Betriebsmitteln belastet:

• Waschmaschine (\(230\ V/3,3\ kW\))
• Wäschetrockner (\(230\ V/3\ kW\))
• Wasserkocher (\(220\ V/1,7\ kW\))

1) Berechne den Strom, der durch die Stromkreissicherung fließt.
2) Ermittle den Zeit mithilfe der Abschaltkennlinie, nach der die Sicherung den Stromkreis abschaltet (Früheste und Späteste).

Stromfluss

\(R_\mathrm{WM}=\frac{U_\mathrm{n,WM}^2}{P_\mathrm{n,WM}}=\frac{(230\ V)^2}{3,3\ kW}=16,03\ \Omega\)
\(R_\mathrm{WT}=\frac{(230\ V)^2}{3\ kW}=17,63\ \Omega\)
\(R_\mathrm{WK}=\frac{(220\ V)^2}{1,7\ kW}=28,47\ \Omega\)
\(\frac{1}{R_V}=\frac{1}{R_\mathrm{WM}}+\frac{1}{R_\mathrm{WT}}+\frac{1}{R_\mathrm{WK}}=0,154\ S\Rightarrow R_V=6,49\ \Omega\)
\(I=\frac{U_0}{R_V+R_i}=\frac{230\ V}{6,49\ \Omega+1,2\ \Omega}=\frac{230\ V}{7,69\ \Omega}=29,9\ A\approx 30\ A\)

Auslösezeit

\(20\ s<t<4000\ s=66,6\ min = 1h\ 6min\)

Da die Graphik hier endet, könnte die obere Grenze durchaus auch höher liegen.

Leitungsschutzschalter

• Infoblatt

Aufgabe 4: Abschaltzeit

Der Endstromkreis aus Aufgabe 2 wird nun anstelle der D0-Sicherung mit einem LS-B16 abgesichert.

Ermittle die Zeit mithilfe der Abschaltkennlinie (Tabellenbuch), nach welcher der LS den Stromkreis abschaltet (Früheste und Späteste).

Um im Diagramm sinnvoll ablesen zu können, müssen wir zuerst den Strom \(I=30\ A\) als Vielfaches des Nennstroms \(I_N=16\ A\) ausdrücken:

\(I=n\cdot I_N\Leftrightarrow n=\frac{I}{I_N}=\frac{30\ A}{16\ A}=1,875\)

Mit diesem Vielfachen \(n=1,875\) lesen wir im Diagramm ab:

\(40\ s<t<4\ min\)

Aufgabe 5: Selektivität zwischen LS und Schmelzsicherung

Im Kennlinienfeld sind die Kennlinien einer Schmelzsicherung und eines LS-Schalters abgebildet.

1) Ordne die Kennlinien jeweils LS und Schmelzsicherung zu.
2) Markiere im Kennlinienfeld den Punkt, ab dem es keine Selektivität gibt.
3) Erläutere an dem Beispiel den Begriff Backup-Schutz.

1) Die Zuordnung ist im Kennlinienfeld eingetragen.
2) Ab dem Punkt b) gibt es keine Selektivität mehr
3) Die vorgelagerte Sicherung oder der vorgelagerte LS-Schalter gibt nachgelagertem LS-Schalter Rück-Schutz, wenn dieser den auftretenden Strom nicht ausschalten kann.

Aufgabe 6: Aufschriften

In einem Stromkreisverteiler einer Wohnung ist das abgebildete Schaltgerät montiert. Kreuze an, welche Aussage falsch ist.

• [ ] Abgebildet ist ein LS-Schalter
• [?] Die Zahl "6000" bedeutet: Mit dem Schalter sind 6000 Schalthandlungen möglich.
• [ ] Die Abschaltcharakteristik ist B.
• [ ] Der Bemessungsstrom beträgt \(10\ A\)
• [ ] Der Schalter ist im Außenleiterpfad eines Drehstromsystems des öffentlichen TN-Verteilungssystems (Leiterspannung \(400\ V\)) einsetzbar.

Aufgabe 7: Schaltzeichen

Kreuze an, welches Schaltzeichen einen LS-Schalter nach DIN 40900-4 darstellt.

Aufgabe 8: Aufbau

Bei nicht beseitigtem Fehler läßt sich ein LS-Schalter nicht wieder einschalten bzw. er läßt sich bei einem Fehler nicht im eingeschalteten Zustand blockieren. Kreuze an wie der Fachbegriff für diese Einrichtung lautet:

• [ ] Fehlereinschaltsperre
• [ ] Wiedereinschaltsperre
• [ ] Überlastsperre
• [?] Freiauslösung
• [ ] Kurzschlusssperre

Aufgabe 9: Strombegrenzung

Kreuze an, was man bei einem LS-Schalter unter dem Begriff "Strombegrenzung" versteht:

• [ ] Die Schleifenimpedanz ist so hoch, daß der Strom begrenzt wird.
• [ ] Der Erderwiderstand ist so groß, daß der Strom begrenzt wird.
• [?] LS-Schalter unterbrechen den Stromkreis so schnell, daß der theoretisch zu erwartende Kurzschlussstrom nicht erreicht wird.
• [ ] Der Widerstand der Betriebsmittel ist so groß, daß der Strom begrenzt wird.
• [ ] LS-Schalter unterbrechen den fehlerhaften stromkreis so schnell, daß kein Fehlerstrom entstehen kann.

Zusatzaufgabe 1

Ein Wechselstromkreis (\(U_0=230\ V\)), der mit einem LS-B16 geschützt ist und an den eine 3-fach-Wechselstromsteckdose angeschlossen ist, wird zunächst von einer Waschmaschine (\(230\ V/3,2\ kW\)) belastet. Während des Heiz- und Waschvorgangs sinkt die Klemmenspannung an der Steckdose auf \(219\ V\).
Noch während der Belastung durch die Waschmaschine wird an diesem Stromkreis gleichzeitig ein Geschirrspülmaschine (\(230\ V/3,4\ kW\)) und eine Kaffeemaschine (\(230\ V/800\ W\)) betrieben.

1) Berechne die Impedanz der Fehlerschleife, wenn davon auszugehen ist, daß der L-, PEN-, N- und PE-Pfad identische Übergangs- und Leiterwiderstände haben.
2) Ermittle die Zeit \(t_1\) mithilfe der Abschaltkennlinien (Tabellenbuch), nach welcher der LS den Stromkreis gegebenenfalls abschalten kann.
3) Ermittle die Abschaltzeit \(t_2\), wenn anstelle des benannten LS-B16 ein LS-B10 verwendet wurde.

geg:
\(U_0=230\ V, U=219\ V\)
\(P_\mathrm{n,WM}=3,2\ kW, P_\mathrm{n,G}=3,4\ kW, P_\mathrm{n,KM}=800\ W\)
\(I_{n,1}=16\ A, I_{n,2}=10\ A\)

Nebenrechnung Widerstände der Verbraucher

\(R_\mathrm{WM}=\frac{U_0^2}{P_\mathrm{n,WM}}=\frac{(230\ V)^2}{3,2\ kW}=16,53\ \Omega\)
\(R_\mathrm{G}=\frac{(230\ V)^2}{3,4\ kW}=15,56\ \Omega\)
\(R_\mathrm{KM}=\frac{(230\ V)^2}{800\ W}=66,125\ \Omega\)
\(\frac{1}{R_V}=\frac{1}{R_\mathrm{WM}}+\frac{1}{R_\mathrm{G}}+\frac{1}{R_\mathrm{KM}}=0,14\ S\Rightarrow R_v=7,14\ \Omega\)

Fehlerschleifenimpedanz

Strom durch die Waschmaschine:

\(Z_S=\frac{U_0-U}{I_\mathrm{n,WM}}\) wobei \(I_\mathrm{n,WM}=\frac{U}{R_\mathrm{WM}}\)
\(\Rightarrow Z_s=\frac{(U_0-U)\cdot R_\mathrm{WM}}{U}=\frac{(230\ V-219\ V)\cdot16,53\ \Omega}{219\ V}=\frac{11\ V\cdot 16,53\ \Omega}{219\ V}=0,83\ \Omega\)

Die Fehlerschleifenimpedanz beträgt \(0,83\ \Omega\)

Strom

\(I_V=\frac{U_0}{R_V+Z_S}=\frac{230\ V}{7,14\ \Omega+0,83\ \Omega}=28,86\ A\)

Ablesen für \(I_{n,1}=16\ A\)

Vielfaches ermitteln:
\(n_1=\frac{I_V}{I_{n,1}}=\frac{28,86\ A}{16\ A}=1,8\)
\(\Rightarrow 22\ s<t_1<3,5\ min\)

Ablesen für \(I_{n,2}=10\ A\)

\(n_2=\frac{I_V}{I_{n,2}}=\frac{28,86\ A}{10\ A}=2,9\)
\(\Rightarrow 6\ s<t_2<35\ s\)

Zusatzaufgabe 2

Im Berliner TN-C-S-System (Außenleiterspannun: \(400\ V\)) kam es in einem Verbraucher (Schutzklasse I) zu einem Körperschluss.
Als Schutzmaßnahme wurde "Schutz durch automatisches Abschlatung der Stromversorgung" mit LS-B16 angewendet. Die Netzimpedanz ist mit \(7,2\ \Omega\) bestimmt worden.
Berechne die Abschaltstromstärke und bestimme wann der LS frühestens und spätestens auslöst.

geg: \(Z_i=7,2\ \Omega, U_0=230\ V, I_n=16\ A\)
ges: \(I\)
Lös:
\(I=\frac{U_0}{Z_i}=\frac{230\ V}{7,2\ \Omega}=31,94\ A\)
\(n=\frac{I}{I_n}=\frac{31,94\ A}{16\ A}=2\)
\(\Rightarrow 15\ s<t<2\ min\)

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