Schutzschalter sind Bauteile, die elektrische Stromkreise vor Schäden im Falle von Systemfehlern wie hoher Temperatur, hohem Strom oder Kurzschlüssen schützen. Grundsätzlich gibt es drei Arten von Schutzschaltern: Sicherungen, thermische Leistungsschalter und magnetische Leistungsschalter. Sicherungen sind eine kostengünstige Lösung für hohe Stromkapazitäten, sind jedoch ungenau, temperaturabhängig und werden nach dem Schutzvorgang zerstört. Thermische Leistungsschalter können als Hauptschalter verwendet und nach dem Auslösen zurückgesetzt werden, sind jedoch wärmeempfindliche Geräte, die durch Änderungen der Umgebungstemperatur beeinflusst werden.

Hydraulisch-magnetische Schutzschalter verfügen über hydraulisch-magnetische Stromerfassungsmechanismen, die nur bei Stromänderungen im geschützten Stromkreis auslösen. Diese Schutzschalter sind mit einer hydraulischen Verzögerung kombiniert, die sie unempfindlich gegenüber Einschaltstromspitzen macht. Sie kombinieren Leistungsschaltung mit präzisem, zuverlässigem Stromkreisschutz mit inverser Zeitverzögerung und Trip-free-Funktion.

Aufgrund ihrer Temperaturstabilität werden magnetische Schutzschalter nicht von Temperaturänderungen beeinflusst. Im Gegensatz zu thermischen Schutzschaltern ändert sich ihr Auslösestrom über einen weiten Temperaturbereich nicht. Aus diesem Grund können die Schutzschalter bei jeder Umgebungstemperatur zwischen -40 °C und +100 °C betrieben werden.

Ein weiterer Vorteil hydraulisch-magnetischer Schutzschalter ist ihr wichtigstes Sicherheitsmerkmal: die Trip-free-Funktion. Der Trip-free-Verzögerungsmechanismus erkennt den Fehler und verhindert das Schließen des Stromkreises im Falle einer Überlastung, selbst wenn die Kontakte manuell geschlossen werden. Dies verhindert, dass der Bediener den geschützten Stromkreis beschädigt, indem er den Hebel in der EIN-Position hält.

Hydraulisch-magnetische Schutzschalter sind eine geeignete Lösung für Anwendungen wie Kommunikation, Navigation und Flugzeuginstrumentierung, Radar und Stromversorgungen. Diese Schutzschalter sollten immer dann eingesetzt werden, wenn die Standortbedingungen den normalen Betrieb von Schutzschaltern beeinträchtigen könnten, einschließlich niedriger Temperaturen, die das Auslösen des thermischen Schutzes verhindern könnten, hoher Temperaturen, die den thermischen Schutz ohne Überlastung auslösen könnten, sowie Feuchtigkeit, die Wärme aufnehmen und den Betrieb beeinträchtigen kann.

Konfiguration hydraulisch-magnetischer Schutzschalter

Hydraulisch-magnetische Schutzschalter können mit folgenden Konfigurationen ausgelegt werden: Reihenauslösung, Relaisauslösung, Fernanzeige und Spannungsauslösung. Das Schaltbild und die Darstellung der verschiedenen Kombinationen finden Sie im Datenblattdes Schutzschalters.

Die Reihenauslösung ist die gängigste Konfiguration für hydraulisch-magnetische Schutzschalter. Bei dieser Konfiguration liegen die Erfassungsspule und die Kontakte in Reihe mit der geschützten Last (Abbildung 1). Die Hebelposition zeigt praktischerweise den Status des Stromkreises an. Zusätzlich zum konventionellen Überstromschutz dient er gleichzeitig als Leistungstrennschalter.

Abbildung 1. Konfiguration des Schutzschalters mit Reihenauslösung.

Die Shunt-Trip-Konfiguration (Nebenschlussauslösung) ist für die Steuerung zweier getrennter Lasten mit einer Baugruppe ausgelegt. Diese Konfiguration bietet Überlastschutz für die kritische Last. Wenn der Laststrom übermäßig ansteigt und den Auslösepunkt erreicht, löst der Schutzschalter aus und trennt beide Lasten gleichzeitig von der Stromversorgung. Der Gesamtstrom beider Lasten darf die maximale Kontaktbelastbarkeit des Schutzschalters nicht überschreiten.

Abbildung 2. Konfiguration des Schutzschalters mit Shunt-Auslösung.

Die Relaisauslösungskonfiguration ermöglicht es, die Überlast-Erfassungsspule in einen Stromkreis zu integrieren, der elektrisch von den Auslösekontakten isoliert ist. Die Spule kann durch Sensoren aktiviert werden, die Druck, Durchfluss, Temperatur, Geschwindigkeit usw. überwachen. Die Auslösung erfolgt durch Spannung oder Strom, die unmittelbar nach dem Auslösen entfernt werden müssen.

Abbildung 3. Konfiguration des Schutzschalters mit Relaisauslösung.

Die Fernanzeige umfasst elektrisch isolierte Kontakte. Diese Kontakte bieten eine SPDT-Schaltfunktion (einpoliger Umschalter mit einem Eingangsanschluss und zwei Ausgangsanschlüssen), die zur Anzeige der Zustände „Ein“ und „Aus“ oder zur Ansteuerung von Leuchten, Alarmen oder Zeitgebern verwendet werden kann.

Die Spannungsauslösung (auch als Notausschaltung bezeichnet) ermöglicht das Öffnen der Hauptstromkontakte mit geringeren Leistungseingängen aus einer oder mehreren Quellen. Diese Konfiguration gewinnt zunehmend an Bedeutung für empfindliche Schaltungen und eine dichtere Bauweise in Automatisierungssystemen. Diese Lösung ist in Reihen-, Shunt- oder Relaiskonfiguration erhältlich.

Abbildung 4. Konfiguration des Schutzschalters mit Spannungsauslösung.

Wichtige Parameter hydraulisch-magnetischer Schutzschalter

Die wichtigsten Eigenschaften des hydraulisch-magnetischen Leistungsschalters sind die Einschaltstromtoleranz, die Zeitverzögerung (abhängig von der Stromspitzenamplitude), die Nennwerte, die Kurzschlusskapazität und die mehrpoligen Kombinationen.

Die Impulstoleranz ist definiert als ein einzelner Impuls einer Halbsinuswellen-Spitzenstromamplitude von 8 ms Dauer, der den Schutzschalter nicht auslöst. Der Hersteller stellt üblicherweise anhand einer Tabelle einen Vergleich der Einschaltstromtoleranz mit und ohne Trägheitsverzögerungsfunktion für jede der 50/60-Hz-Verzögerungen bereit. Zudem enthalten die Spezifikationen die Verzögerungskurven für die Standardverzögerungen (sofort, kurz und lang).

Die Nennwerte der Schutzschalter stellen die definierten Werte für Strom, Spannung und Frequenz im Nennbetrieb des Schutzschalters dar. Zum Beispiel sind Sensata AP-Schutzschalter mit Nennstromwerten von 50 mA bis 20 A, maximal 50 Vdc oder 240 Vac sowie 60 Hz oder 400 Hz erhältlich.

Die Kurzschlusskapazität gibt die Abschaltkapazität des Schutzschalters an. Sie stellt den maximalen Effektivstrom (RMS) dar, der auftreten würde, wenn alle Leiter direkt mit der Fehlerstelle verbunden wären. Zum Beispiel verfügen Sensata AP-Zusatzschutzschalter über eine Kurzschlusskapazität von 1000 Ampere bei 32 Vdc, 120 Vac, 240 Vac, 60 Hz oder 400 Hz. Der Typ MIL-PRF-39019 liegt bei 500 A bei 50 Vdc, 500 A bei 120 Vac und 300 A bei 240 Vac, 60 Hz oder 400 Hz.

Die Schutzschalter können als einpolige oder mehrpolige Einheiten ausgeführt werden. Einige spezifische Typen sind ausschließlich als einpolige Einheiten erhältlich, hauptsächlich aufgrund der UL/CSA-Vorschriften, die Kriech- und Luftstrecken vorschreiben. Andere hydraulisch-magnetische Schutzschaltertypen sind als ein-, zwei- und dreipolige Reihenauslösungseinheiten erhältlich, mit oder ohne Hilfskontakte. Ein geeigneter Vertreter dieses Schutzschaltertyps ist der Sensata-Airpax AP-MIL.

Eine gemeinsame Auslöseverbindung zwischen allen Polen ist ein wichtiges Sicherheitsmerkmal für mehrpolige Schutzschalter und stellt sicher, dass eine Überlastung an einem Pol alle benachbarten Pole auslöst. Mehrpolige Schutzschalter bieten verschiedene Varianten, von einfachen zweipoligen Einheiten mit einem Reihenschalter und einem einfachen EIN/AUS-Schalter bis hin zu komplexeren dreipoligen Einheiten mit einer Reihen-, einer Shunt- und einer Relaiskonfiguration sowie Hilfsanzeige-Stromkreiskontakten.

Zweipolige Schutzschalter bestehen aus zwei Grundeinheiten, die in einem versiegelten Gehäuse kombiniert sind, um Schutz für einen doppelten Stromkreis zu bieten. Eine häufig verwendete Anwendung von zweipoligen Schutzschaltern ist die Unterbrechung einer oder beider Seiten einer Stromleitung.

Dreipolige Schutzschalter werden eingesetzt, wenn drei Stromkreise gleichzeitig geschützt werden müssen. Ein Betätigungshebel schließt alle Stromkreise, und alle Pole lösen bei einer Überlastung eines beliebigen Stromkreises aus. Es sind verschiedene Varianten erhältlich. Typische Kombinationen könnten drei Reihenpole sein; zwei Reihen- und ein Shunt-Pol; zwei Reihen- und ein Relaispol; oder drei Reihenpole mit einem Satz Hilfskontakte.

Der Markt bietet QPL-zertifizierte hydraulisch-magnetische Leistungsschalter

Schutzschalter müssen alle Anforderungen der jeweiligen Anwendungen vollständig erfüllen. Es gibt unabhängige Prüflabore und Vorschriften, die zertifizieren, dass Schutzschalter in der jeweiligen Anwendung und unter den jeweiligen Umgebungsbedingungen sicher betrieben werden können. Zum Beispiel ist die Sensata AP/UP-Serie hydraulisch-magnetischer Schutzschalter durch zwei zentrale Zertifizierungen zugelassen, die den Einsatz in speziellen Anwendungen ermöglichen: Qualified Products Listing (QPL) und FM-Zulassung (Factory Mutual Research). QPL ist eine militärische Kennzeichnung für militärische Anwendungen.

Die Sensata-Airpax AP-MIL-Schutzschalter sind die einzigen hydraulisch-magnetischen Leistungsschalter auf dem Markt mit QPL-Kennzeichnung. Diese Schutzschalter werden gemäß MIL-PRF-39019 hergestellt und verfügen über ein versiegeltes Gehäuse. Die wasserdichte Integrität des Bedienfelds wird durch eine O-Ring-Dichtung und eine Silikongummi-Dichtung innerhalb der Buchsen-/Hebelbaugruppe gewährleistet. Der Salzsprühtest gemäß MIL-STD-202, Methode 101, Testbedingung Bergab keine Anzeichen von Korrosion oder elektrischen bzw. mechanischen Schäden. Er kann in gefährlichen Umgebungen betrieben werden und wird durch Staub und Wasser nicht beeinträchtigt. Der Leistungsschalter wird zudem durch Feldbedingungen wie Staub oder Regen nicht beeinträchtigt, sodass er jederzeit einsatzbereit bleibt.

FM Approvals/ATEX ist ein Prüf- und Zertifizierungsdienst, mit dem überprüft wird, ob Produkte die strengen Schadenverhütungsstandards hinsichtlich Qualität, technischer Integrität und Leistung für den Einsatz in gewerblichen und industriellen Anlagen erfüllen. Diese Zertifizierung bedeutet, dass die Schutzschalter in Zonen der Klasse 1/Div 2 betrieben werden können, zu denen Orte gehören, an denen unter abnormalen Bedingungen zündfähige Konzentrationen brennbarer Gase auftreten können.

Der Sensata-Airpax UP -Schutzschalter ist ein einzigartiger hydraulisch-magnetischer Schutzschalter, der sowohl Wechsel- als auch Gleichströme mit FM/ATEX-Zulassung unterbrechen kann. Ohne diese Zulassung wäre die Alternative: A) die Herstellung einer teuren, versiegelten Umhüllung, was zusätzliche Kosten und Komplexität verursachen würde, oder B) die Verlagerung der Leistungsschalter und der zugehörigen Elektronik an einen externen Standort. Eine typische Anwendung dieses Schutzschalters ist auf Offshore-Ölplattformen. Bei solchen Anwendungen steht Option B nicht zur Verfügung. Diese Zertifizierung ist für petrochemische Anwendungen von großer Bedeutung.

So wählen Sie den richtigen Schutzschalter aus

Schutzschalter sind vollständig an ihre Anwendung und die Besonderheiten des geschützten Stromkreises angepasst. Kunden müssen wissen, wie sie die richtigen Schutzschalter für ihre Anwendungen auswählen. Einige Hersteller, wie Sensata, ordnen ihre Produkte nach unterschiedlichen Kriterien, um Kunden bei der Auswahl der passenden Schutzschalter für ihre Anwendungen zu unterstützen.

Bei der Auswahl geeigneter Schutzschalter sind folgende Parameter zu berücksichtigen:

1. Besonderheiten des geschützten Stromkreises (Art des Schutzschalters entsprechend der Anwendung)
2. Anzahl der Pole
3. Interne Konfiguration
4. Frequenz (Hz) und Verzögerung
5. Nennstromstärke
6. Zulassungszertifikate

Der Produktname enthält alle notwendigen Informationen über den Schutzschalter:

1. AP - vollständig versiegelter magnetischer Schutzschalter (z. B. für militärische Anwendungen)
2. 12 - Zweipolige Einheit
3. 1 - Interne Reihenkonfiguration
4. 51 - DC-Kurzzeitverzögerung
5. 203 – 20 Ampere
6. FM – FM-zugelassen

Die folgende Abbildung zeigt ein Beispiel für einen hydraulisch-magnetischen AP-Schutzschalter: AP12 -1-51-203-FM.

Bedeutung des Produktnamens. (Bild mit freundlicher Genehmigung von Sensata Technologies.)

Weitere Informationen zu hydraulisch-magnetischen Schutzschaltern oder zur AP/UP-Serie von Sensata finden Sie unter Masterelectronics.com.

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