Selektivität lässt sich heute in zweifacher Hinsicht definieren. Einerseits gibt es die bekannte, auf 230 V(AC) definierte Selektivität in der Reihenschaltung von Überstromschutzgeräten. Andererseits kommt speziell bei strombegrenzten Anwendungen die Selektivität bei der Parallelschaltung von Überstromschutzgeräten zum Tragen – was 230 V(AC) ebenso betrifft wie 24 V(DC). Die Reihenschaltung bezieht sich nach wie vor auf herkömmliche Überstromschutzgeräte, wie etwa Sicherungen oder Leitungsschutzschalter. Jedoch rückt die Parallelschaltung zunehmend in den Fokus, da sie beim Einsatz von elektronischem Überstromschutz große Bedeutung hat.

Die B-Kennlinie beim Leitungsschutzschalter: Bei dieser Kennlinie sorgt das 3,2- bis 4,8-fache des Nennstroms für eine schnelle magnetische Auslösung im Kurzschlussfall.

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Selektivität bedeutet, dass bei einem Fehler in einem Stromkreis von in Reihe geschalteten Überstrom- oder Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen nur das Gerät auslöst, das sich unmittelbar vor der Fehlerstelle befindet. In Reihe geschaltete Schutzgeräte unterscheiden sich in der Stromstärke um mindestens den Faktor 1,6, im Regelfall jedoch um die 2- bis 3-fache Überlast. Das heißt, der nahe der Last gelegene Schutzschalter muss im Fehlerfall vor der nächsten übergeordneten Schutzeinrichtung ausschalten. 

Ist also die Last beispielsweise mit einer 10-A-Sicherung versehen, dann ist die nächste übergeordnete Sicherung mit 16 bis 20 A auszulegen. Dadurch wäre Selektivität gegeben. Sicher und zuverlässig funktioniert das bei Stromkreisen mit 230 V(AC), da sich die für die Auslösung notwendigen Kurzschlussströme durch das Netz beziehungsweise die Einspeisung zur Verfügung stellen lassen. Um einen Standard-Leitungsschutzschalter vom Typ L auszulösen, ist eine 3,5- bis 5-fache Überlast notwendig; nur so ist eine Abschaltung sicher und ohne Verzögerung möglich. Bei einem Nennwert von 10 A ist demnach eine Überlast von 35 bis 50 A nötig, um Selektivität zu gewährleisten. 

Bei der beispielhaften Betrachtung einer B-Kennlinie beträgt die schnelle Abschaltung aufgrund der magnetischen Auslösung durch Kurzschluss das 3,2- bis 4,8-fache des Nennstroms. In diesem Bereich kann eine schnelle, selektive Auslösung in weniger als einer Sekunde erfolgen. 

Sicheres Abschalten

Der Leitungsschutzschalter ist mit seinen Eigenschaften so ausgelegt, dass beim sicheren Abschalten die notwendige Überlast beziehungsweise der Fluss des notwendigen Kurzschlussstroms gewährleistet ist. Bei gängiger Anwendung in der 230-V(AC)-Installation ist dies auch der Fall, ebenso beim Einbau im Schaltschrank mit entsprechender Einspeisung. Aber: Der Leitungsschutzschalter findet sich vermehrt auch in strombegrenzten Anwendungen – Beispiele sind etwa eine unterbrechungsfreie Stromversorgung bei 230 V(AC) oder nach einem Schaltnetzteil bei 24 V(DC). In diesen Fällen ist die Überlastfähigkeit nicht mehr ohne Weiteres gegeben, das Thema Selektivität gewinnt in diesem Bereich an Relevanz. 

‚Typ ESX 10‘ von E-T-A schaltet ab einem Wert des 1,1-fachen Nennstroms ab. Dies ist kombiniert mit einer Strombegrenzung über dem typischen Wert des 1,8-fachen Nennstroms. Die gängige Abschaltzeit bei Überlast beträgt zwischen 100 ms und 3 s.

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Bei Selektivität in Standard-Anwendungen steht die Reihenschaltung von Überstromschutzgeräten im Vordergrund. Bei der Betrachtung von strombegrenzten Anwendungen – etwa der USV – steht die Reihenschaltung nicht im Fokus; vielmehr ist die Anwendung in der parallelen Verschaltung der Überstromschutzeinrichtungen wichtig. Anwendungen im Bereich 24 V(DC) mit einem Schaltnetzteil zur Energieversorgung sind in der Überlastfähigkeit limitiert. In der Vergangenheit war der Einsatz von Leitungsschutzschaltern als kostengünstiger Überstromschutz gang und gäbe. Nach und nach werden diese durch elektronischen Überstromschutz ersetzt, da sich so die Selektivität in der Parallelschaltung der Schutzgeräte gewährleisten lässt. Warum? Zurück zum Beispiel der 10-A-Sicherung: Zur sicheren Abschaltung im Fehlerfall muss hier ein Kurzschlussstrom von 35 bis 50 A fließen. Hier kommen nun die Einschränkungen in der Überlastbarkeit der Schaltnetzteile zum Tragen: Die Schaltnetzteile sind auf Nennlast ausgelegt, zeigen jedoch für kurze Zeit eine gewisse Überlastfähigkeit. So lässt sich bei einem Gerät mit 24 V(DC)/20 A nominalem Ausgang durchaus eine dreifache Überlast für 10 bis 15 ms zur Verfügung stellen. Betrachtet man den beschriebenen Leitungsschutzschalter mit einer Überlast von 35 bis 50 A, kann es zu folgendem Szenario kommen: Der Leitungsschutzschalter löst nicht schnell genug aus, um im Fehlerfall den defekten Stromkreis zuverlässig vom Schaltnetzteil zu trennen. Vielmehr bringt er die Stromquelle in die unkontrollierte Überlast und damit in einen Fehlermodus. Der gesamte Sekundärkreis verliert seine Spannungsversorgung. Aus diesem Grund kommen mehr und mehr elektronische Überstromschutzgeräte zum Einsatz, da diese in solchen Fällen zuverlässig abschalten.

Die Kennlinien der elektronischen Schutzgeräte sind auf die Anwendung nach dem Schaltnetzteil ausgelegt und entsprechend eingestellt. Das heißt, eine Überlast-Abschaltung erfolgt bei diesen Geräten bereits bei einem Wert vom 1,05- bis 1,35-fachen des Nennstroms. Die Abschaltung findet innerhalb kürzester Zeit statt – typischerweise nach 0,1 bis 1 s, je nach dem Vielfachen des Nennstroms. Durch die schnelle Abschaltung im Fehlerfall garantiert der Schutzschalter die Selektivität. Die anderen Stromkreise verbleiben sicher an der 24-V(DC)-Stromversorgung, die Trennung betrifft nur den defekten Stromkreis. 

Anwendung bei unterbrechungsfreien Stromversorgungen

‚Typ EBU‘ vereint einen typischen Leitungsschutzschalter mit elektronischer Abschaltung. Die Gerätekennlinie fußt z.B. auf der Standard-Kennlinie eines Leitungsschutzschalters mit B-Kennlinie, die mit elektronischer Kennlinie kombiniert wird.

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Bei unterbrechungsfreien Stromversorgungen im Bereich 230 V(AC) ist die Anwendung in der Art ähnlich. Generell erfolgt hier nach wie vor eine Absicherung der Stromkreise im Sekundärkreis mit herkömmlichen Leitungsschutzschaltern. Dabei kommt die Anforderung zum Tragen, im Fehlerfall einen entsprechend hohen Überstrom zur Verfügung zu stellen. So funktioniert die Abschaltung mit dem Leitungsschutzschalter zuverlässig. Bei einem Leitungsschutzschalter mit einem Nennstrom von 10 A bedeutet das eine Überlast von 35 bis 50 A. Bei der Auslegung der Stromversorgungen ist eine 3- bis 5-fache Überlast im Fehlerfall mit in die Kapazität einzurechnen. Daraus resultiert häufig eine Überdimensionierung, um im Fall eines Fehlers die schnelle und sichere Auslösung zu gewährleisten. Um eine solche Überdimensionierung zu vermeiden, gibt es für die Anwendung an unterbrechungsfreien Stromversorgungen auf der Sekundärseite im 230-V(AC)-Bereich auch elektronische Lösungen, die mit Leitungsschutz kombiniert sind. Ein Beispiel ist hier der ‚Typ EBU‘ (electronic breaker unit) von E-T-A. Der elektronische Teil stellt die empfindliche Mess-Einheit mit Auslösung im Fehlerfall dar, der Leitungsschutzschalter dient zur Abschaltung des Lastkreises. Dank der Elektronik und Einstellmöglichkeiten lässt sich das Schutzgerät exakt auf den Nennstrom des Lastkreises und die USV anpassen. Die Einstellung erfolgt in Bezug zu dem notwendigen Nennstrom der Last, dem Kurzschlussstrom und zum Überlastverhalten, um so die passende Reaktion des Gerätes für den Fehlerfall zu parametrieren. Als positiver Nebeneffekt dieser genauen Einstellung lässt sich die Gesamtleistung der USV um bis zu 30 % reduzieren, da die hohe Überlastfähigkeit der USV zur Abschaltung der herkömmlichen Leitungsschutzschalter nicht mehr notwendig ist.

Autor:
Ralf Dietrich ist Leiter Produkt- und ­Marktentwicklung sowie Mitglied der Geschäftsleitung von E-T-A Elektrotechnische Apparate in Altdorf.