Bild 1: Leitungsschutzschalter mit C-Charakteristik (ausgefüller Bereich) benötigen ein Vielfaches an Auslöseströmen und somit große über­dimensionierte Stromversorgungen (t/s = Zeit in Sekunden, x IN = Vielfaches des Nennstroms).

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Für eine funktionsfähige Absicherung von 24-V(DC)-Lastkreisen gegen Überlast- und Kurzschlussfälle ist es erforderlich, das Zusammenspiel aus Stromversorgung, Leitungen sowie Absicherungselementen umfassend zu betrachten und richtig auszulegen. Die naturgemäß begrenzte Leistungsbereitstellung von 24-V(DC)-Stromversorgungen ist nicht vergleichbar mit der Leistungsbereitstellung, die von 230-V(AC)-Niederspannungsnetzen zur Verfügung gestellt werden kann. Somit reicht unter Umständen der im Fehlerfall fließende Kurzschlussstrom, den ein Netzteil liefern kann, gar nicht aus, um einen gewöhnlichen Leitungsschutzschalter oder eine Schmelzsicherung zum Auslösen zu bringen. Denn beide sind primär konstruiert und ausgelegt für einen Kurzschlussschutz in Niederspannungsnetzen, die in der Lage sind, ein Vielfaches der Sicherungsnennströme bereitzustellen.

Ungeachtet dessen kommen für die Absicherung in 24-V(DC)-Steuerstromkreisen oft noch die aus der Gebäude-Installation bekannten, preisgünstigen Leitungsschutzschalter oder sogar einfache Schmelzsicherungen zum Einsatz. Eine Verwendung solcher Bauteile bedeutet allerdings, am falschen Ende zu sparen. Im Kurzschlussfall lösen diese mitunter zu spät oder gar nicht aus – und es kommt zu Spannungseinbrüchen und kompletten Anlagenstillständen. Leitungsschutzschalter mit C-Charakteristik etwa haben eine obere Auslösegrenze, die deutlich über ihrem Nennstrom liegt (siehe Bild 1). Ein Überstrom, der den Leitungsschutzschalter noch nicht zum Auslösen bringt, der jedoch die Leistungsabgabe der Stromversorgung übersteigt, bewirkt einen Spannungseinbruch an allen anderen Verbrauchern – wie etwa an den Steuerungen. Dies führt zum Totalausfall der Anlage.

Kein Schutz bei langen Leitungen

Gerade in weit verzweigten Anlagen oder langgestreckten Produktionsstraßen sind die Leitungslängen zwischen der 24-V(DC)-Stromversorgung und den Lasten im Feld häufig recht lang. Dies kann dazu führen, dass im Kurzschlussfall die Leitungsimpedanz des abzusichernden Kreises den Kurzschlussstrom so stark begrenzt, dass durch einen gewöhnlichen thermomagnetischen Leitungsschutzschalter viel zu wenig Strom fließt, um überhaupt auslösen zu können. In der Folge kommt es – je nach Leistungsvermögen der Stromversorgung – zu einer lang andauernden thermischen Überlastung des defekten Endgerätes und der zuführenden Leitungen. Dies bewirkt einen gefährlichen Anlagenzustand und kann im schlimmsten Fall sogar einen Brand auslösen.

Elektronische Geräteschutzschalter hingegen reagieren weitaus empfindlicher und schneller als thermomagnetische Schutzschalter oder gar Schmelzsicherungen. Am Markt verfügbar sind Modelle mit einer aktiven Strombegrenzung (siehe Bild 2) – wie beispielsweise Geräte der Familien CB-E1 und CBM aus dem Hause Phoenix Contact. Diese begrenzen den Überlast- und Kurzschlussstrom soweit, dass es zu keinem Spannungseinbruch kommt. Durch die Begrenzung der Fehler-Überströme auf einen Wert des 1,25- bis 2-fachen des Nennstroms lässt sich auch eine Brandgefahr vermeiden.

In Kombination mit elektronischen Geräteschutzschaltern kann die Leistung einer 24-V(DC)-Stromversorgung nahezu vollständig für die Lasten ausgeschöpft werden. Es ist keine Leistungsreserve vorzuhalten, um thermomagnetische Leitungsschutzschalter oder thermische Schmelzsicherungen im Fehlerfall mittels vielfacher Sicherungsnennströme zum Auslösen zu bringen. Als Konsequenz lassen sich dann kleinere oder weniger Stromversorgungen verbauen. Kurzum: Platz und Kosten werden eingespart.

Bild 3: Einkanalige elektronische Geräteschutzschalter vom Typ CB-E1 können genau an die erforderliche Anzahl der abzusichernden Kreise angepasst werden.

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Aber auch die thermische Entwärmung von Schaltschränken ist bei immer engeren Packungsdichten der verbauten elektronischen Komponenten ein Thema. Mit anderen Worten: Durch weniger oder kleinere Netzteile sinkt die thermische Abwärme innerhalb der Schränke. Nicht zuletzt sind die damit verbundenen Energie-Einsparungen relevant.

Geräteschutzschalter wie der angesprochene CB-E1 sind in Applikationen ab einem Kanal genau an die erforderliche Anzahl der abzusichernden Kreise anpassbar (siehe Bild 3). Die Schutzschalter bestehen jeweils aus zwei steckbaren Teilen – Basiselement und Schutzschalterstecker. Die Basiselemente lassen sich vorverdrahten und erst bei der Inbetriebnahme mit den passenden Steckern bestücken. Untereinander können die Basiselemente zudem einfach und schnell mit dem Standard-Kammbrücken-Material aus dem Reihenklemmen-Programm Clipline Complete ‚verdrahtet‘ werden – ohne umständliche und zeitraubende Kabelkonfektionierung. Des Weiteren haben die Schutzschalter mit nur 12,3 mm Baubreite den potenzialfreien Fernmelde-kontakt bereits integriert. Demgegenüber bauen Leitungsschutzschalter mit Hilfskontaktmodul doppelt so breit.

Die Geräteschutzschalter vom Typ CBM gibt es in zwei Konfigurationen – mit vier und acht Kanälen. Jeder Kanal ist im Nennstromwert einzeln einstellbar. Diese beiden Geräte verfügen über einen sogenannten ‚Nennstrom-Assistenten‘, der es ermöglicht, den Nennstromwert bei der Erstinbetriebnahme präzise an die realen Verhältnisse anzupassen.

Den Strom 'intelligent' analysieren

Andere elektronische Geräteschutzschalter bewerten mittels intelligenter Strommessverfahren die Anstiegsgeschwindigkeit des fließenden Laststroms und schalten im Überlast- und Kurzschlussfall innerhalb weniger Millisekunden selektiv ab. Durch diese Art der Stromanalyse sind auch mit diesen Geräten die Anforderungen der SPS-Norm DIN EN 61131-2 erfüllbar – und zwar Spannungseinbrüche auf weniger als 10 ms zu begrenzen. Damit lässt sich der durchgängige Betrieb der Steuerung sicherstellen. Durch die intelligente Bewertung der Strom-Anstiegsgeschwindikeit werden kapazitive Lasten und hohe Anlaufströme von Motoren sicher gestartet, Kurzschluss- und Überlastströme hingegen sicher abgeschaltet.

Bild 4: Mehrkanalige elektronische Geräteschutzschalter vom Typ CBMC verfügen über eine IO-Link-Schnittstelle. Zudem sind voreingestellte Geräte erhältlich, die individuell nach ­gewünschten Werten vorkonfiguriert werden.

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Die Geräte der Familie CBMC (Bild 4) beispielsweise verwenden dieses intelligente Stromanalyse-Verfahren. Diese Schutzschalter besitzen vier Kanäle, deren Nennströme ebenfalls einzeln einstellbar sind. Des Weiteren gibt es Varianten, die sich mittels IO-Link-Schnittstelle parametrieren und auslesen lassen. Last but not least sind Geräte verfügbar, die auf die strengen Anforderungen der Leistungsbegrenzung – sprich auf weniger als 100 VA in NEC-Class-2-Kreisen – ausgelegt und zugelassen sind.

Die elektronischen Geräteschutzschalter sind ohne Festlegung auf bestimmte Nennstromwerte vorverdrahtet und später bei Inbetriebnahme im Feld an die Anlagensituation anpassbar. Leitungsschutzschalter und Schmelzsicherungen hingegen verfügen lediglich über fest eingestellte Nennströme. Sollte bei der Inbetriebnahme der Nennstromwert anzupassen sein, muss in diesem Fall zuerst umständlich die Verdrahtung gelöst werden. Der Leitungsschutzschalter ist dann gegen einen mit anderem Nennstromwert auszutauschen und muss noch neu verdrahtet werden. Gegebenenfalls wiederholt sich diese aufwendige Prozedur, wenn der neu gewählte Nennstromwert dann immer noch nicht passt.

Auf den Punkt gebracht: Ausfälle kompletter Anlagen werden wirksam vermieden, indem sehr schnell nur die defekten Anlagenteile selektiv von der 24-V(DC)-Stromversorgung getrennt werden. Dies schützt darüber hinaus die defekten Endgeräte und die versorgenden Leitungen auch vor einer thermischen Überlastung. Die einstellbaren oder auf Wunsch vorkonfigurierten Nennströme der Geräteschutzschalter halten die Teile-Varianz und somit die Qualifizierungs- und Lagerkosten gering.

Autor:
Carsten Plattmann ist tätig im Produktmarketing Geräteschutzschalter bei Phoenix Contact.