Überlegungen für die Auswahl von Sicherungseinsätzen
Koordination zwischen Sicherungen und anderen Vorrichtungen
a) In diesem Fall wird die strombegrenzende Sicherung als Hilfsvorrichtung für die andere Vorrichtung eingesetzt. Dadurch muss bei schweren Fehlern ausschließlich die strombegrenzende Sicherung auslösen, während bei Überlastungen oder Fehlern geringeren Ausmaßes nur die dazugehörige Vorrichtung auslösen muss. Dies wird erreicht, indem die Kennlinien des Sicherungseinsatzes und der anderen Vorrichtung so gewählt werden, dass sie eine gemeinsame Kennlinie gemäß der Darstellung bilden; So wird eine ausreichende und schnelle Beseitigung bei allen Stromstärken zum angemessenen Schutz des dazugehörigen Stromkreises geboten.
a = andere Vorrichtung
b = Sicherung
Die anderen zu erfüllenden Kriterien lauten wie folgt:
b) Der Übernamepunkt (A), in dem die Kurven sich überschneiden, muss auf einer Stromstärke unter der Unterbrechungskapazität der anderen Vorrichtung liegen.
c) Für Fälle, in denen die strombegrenzende Sicherung den Stromkreis unterbricht, muss die andere Vorrichtung in der Lage sein, den maximalen Fehlerstrom sicher leiten zu können. Wenn sie auf einen Fehler schließen muss, muss sie über ein für die Ausschaltwerte und I²t-Durchlasswerte des Sicherungseinsatzes angemessenes Einschaltvermögen verfügen.
Selektivität und Koordination
Überstromselektivität wird definiert als: „Koordination zwischen Ansprechkennlinien von zwei oder mehreren Überstromschutzvorrichtungen in der Weise, dass beim Auftreten von Überströmen zwischen bestimmten Grenzwerten die zum Ausschalten innerhalb dieses Bereichs vorgesehene Vorrichtung ausschaltet, während die anderen Schutzvorrichtungen nicht ansprechen.“
Die meisten Schaltkreise enthalten mehrere Schutzvorrichtungen und einige dieser Vorrichtungen sind in Reihe geschaltet wirksam. Sie müssen alle koordiniert werden, damit die korrekte Selektivität unter allen Fehlerbedingungen erreicht wird und nur die minimal erforderliche Unterbrechung eintritt, um die Fehlerbedingung aufzuheben.
Die Koordination der Schaltkreisschutzvorrichtungen wird durch ihre Betriebseigenschaften beeinflusst und verschiedene Möglichkeiten können eintreten: So kann beispielsweise ein Netzwerk eine beträchtliche Anzahl an Sicherungen enthalten, die für angemessene Selektivität ausgewählt werden müssen. Andererseits muss eine Sicherung eventuell in Reihe mit einem Leistungsschalter auslösen, der von einem Schutzrelais ausgelöst wird. Diese Situationen werden getrennt betrachtet, wie im nachfolgenden einfachen Netzwerk dargestellt.
Schutz durch Sicherungen
Häufig wir zur Darstellung ein Baumdiagramm wie dieses verwendet mit einer Haupt- oder übergeordneten Sicherung in der Einspeisungsverbindung (SV 4) und kleineren oder untergeordneten Nebensicherungen in den einzelnen Lastschaltkreisen (SV 1, 2 und 3).
Jede Nebensicherung muss über die erforderliche Zeit-Strom-Kennlinie zum Schutz des Laststromkreises verfügen und ein Fehler auf einer einzelnen Last darf nur die zugehörige Nebensicherung auslösen. Die Haupt- oder übergeordnete Sicherung (SV 4) leitet den Fehlerstrom ebenfalls, darf aber nicht auslösen oder beeinträchtigt werden.
Bei Fehlern, die den Fluss relativ kleiner Ströme verursachen, sind die Lichtbogenzeiten als Teil der Ansprechzeit kurz. Daher kann die Selektivität vorhergesagt werden, indem man die Zeit-Strom-Diagramme der Haupt- und Nebensicherungen vergleicht. Unter der Voraussetzung, dass die Kurven der Nebensicherungen links von denen der Hauptsicherung liegen, d. h. dass die Nebensicherungen schneller ansprechen, wird die Selektivität erreicht.
Bei höheren Fehlerstromstärken, die ein Schmelzen der Nebensicherungen in weniger als 100 ms verursachen, muss die Lichtbogenzeit der Nebensicherung in Betracht gezogen werden. Dies wird nicht durch Betrachtung der tatsächlichen Zeitwerte, sondern anhand der I²t-Werte erreicht. Die Anforderung ist, dass die I²t vor Ansprechen der Hauptsicherung die Gesamt-I²t beim Auslösen der Nebensicherung deutlich übersteigt (etwa 40 %).
Ein von Sicherungseinsätzen geschütztes integriertes System ist in dieser Anwendung überragend und verursacht nur eine minimale Betriebsunterbrechung im System. Durch die Standardisierung der Eigenschaften von gG Sicherungseinsätzen wird sichergestellt, dass in den meisten praktischen Situationen eine Selektivität zwischen Sicherungseinsätzen bei einem mindestens 1,6-fach höheren Bemessungsstrom als bei nachgeschalteten Sicherungen erreicht wird. Das Verhältnis 1,6:1 repräsentiert zwei Schritte in der R10-Reihe der Bemessungen, d. h. ein 100 A (stromabwärts) Sicherungseinsatz ist selektiv gegenüber einem 160 A (stromaufwärts) Sicherungseinsatz.
Für den Einzelfall, wenn eine Selektivität zwischen Sicherungen auf zwei Seiten eines Transformators erreicht werden muss, ist das effektive Transformierungsverhältnis in Betracht zu ziehen.
Schutz durch Sicherungen und andere Vorrichtungen
Hier sind die allgemeinen Anforderungen ähnlich denen für Selektivität zwischen zwei Sicherungen, da nur die stromabwärts befindliche Vorrichtung auslösen muss. Diese nachgeschaltete Vorrichtung muss zuerst ausgewählt werden, da ihre Zeit-Strom-Kennlinie den erforderlichen Schutz für den zugehörigen Stromkreis bieten muss. Danach muss die stromaufwärts geschaltete Vorrichtung eine Kennlinie aufweisen, welche die Selektivität sicherstellt.
In der Praxis sind zwei alternative Anordnungen anzutreffen: In einer ist die stromaufwärts geschaltete Vorrichtung eine Sicherung, während stromabwärts geschaltete Vorrichtungen kleine oder Miniatur-Leistungsschalter mit Überstromschutz sind. In der anderen Anordnung werden ein stromaufwärts geschalteter Leistungsschalter und stromabwärts geschaltete Sicherungen verwendet.
Bei der ersten Anordnung besteht immer eine tatsächliche oder potentielle Höchstgrenze für den Fehlerstrom, bei dem Selektivität erreicht werden kann. Dies beruht darauf, dass der Leistungsschalter oder eine andere stromabwärts geschaltete Vorrichtung immer eine definitive Mindestausschaltzeit aufgrund der Verzögerungen in der Überstromerkennung und dem Leistungsschalter selbst aufweist. Außerdem verfügt der Leistungsschalter über eine eigene Lichtbogenzeit, die wahrscheinlich nicht weniger als die Dauer eines Halbzyklus beträgt. Auf der anderen Seite nimmt aber die Ausschaltzeit der stromaufwärts geschalteten Sicherung mit zunehmendem Strom ab, wodurch eine Stromobergrenze entsteht, bei der eine Selektivität erreicht werden kann.
Bei der zweiten Anordnung gibt es üblicherweise wenige Schwierigkeiten bei der Auswahl von Eigenschaften, die eine vollständige Selektivität ermöglichen.
Schutz von Kabeln
Zum Schutz von Kabeln werden Niederspannungssicherungseinsätze mit genormten gG-Eigenschaften eingesetzt. Die Regeln für Auswahl und Überstromschutz von Kabeln sind in nationalen oder internationalen Bestimmungen und Vorschriften zur Verkabelung festgelegt. Die IEC-Publikation 60364 behandelt elektrische Installationen in Gebäuden.
In diesen Bestimmungen steht der Begriff „Überstrom“ sowohl für Kurzschlussströme als auch für Überlasten, wobei eine Überlast als Überstrom definiert wird, der in einem elektrisch einwandfreien Stromkreis fließt. Eine Überlast kann zum Beispiel auftreten, wenn ein Motor abgedrosselt wird oder aufgrund eines geforderten Drehmoments langsam läuft.
Der erste wichtige Faktor ist die Strombelastbarkeit der zu schützenden Kabel. Diese hängt von den Abmessungen und der Isolierung des Leiters ab. Außerdem wird sie von der Umgebungstemperatur beeinflusst, in der die Kabel betrieben werden, und von der Installationsanordnung, einschließlich den Abständen und der Eignung der Luftzirkulation. Die Stromführungskapazitäten von Kabeln unter verschiedenen Betriebsbedingungen wurden bestimmt und sind in den genannten Verkabelungsbestimmungen tabellarisch aufgeführt.
Zur Vermeidung von Schäden ist es unerlässlich, dass der von einem Kabel geführte maximale Dauerstrom (IB) gleich oder kleiner als die Strombelastbarkeit (IZ) ist.
Damit der maximale Dauerstrom fließen kann, muss der Nennstrom der Sicherung gleich oder größer sein. Um einen angemessenen Schutz zu ermöglichen, darf der Sicherungswert die Strombelastbarkeit des Kabels nicht übersteigen.
Ein Kabel kann kurzzeitig Ströme führen, die höher als die Strombelastbarkeit Iz sind. Die Bestimmungen, die sicherstellen sollen, dass die Lebensdauer der Isolierung nicht wesentlich verkürzt wird, schreiben vor, dass der Mindestansprechstrom der Schutzvorrichtungen gleich oder kleiner als das 1,45-fache der Strombelastbarkeit des Kabels ist (d. h. 1,45 Iz).
Um zu gewährleisten, dass gG-Sicherungseinsätze in der Lage sind, Kabel gegen Überlast zu schützen, wurde eine konventionelle Kabelüberlastschutzprüfung in die Sicherungsnorm IEC 60269-1 eingeführt.
Wenn die Sicherungseinsätze gemäß den genannten Kriterien ausgewählt werden, stellt die Form der gemäß IEC 60269-1 geforderten Zeit-Strom-Kennlinie für gG sicher, dass die Kabel bei höheren Überströmen angemessen geschützt sind.
Wenn Niederspannungssicherungselemente als Backup oder Kurzschlussschutz für die Kabel eingesetzt werden, muss eine Koordination durch den Einsatz von Sicherungselementen mit geringeren I²t-Durchlasswerten, als die Kabel aushalten, sichergestellt werden. Für Fehler mit einer Dauer von 5 s oder weniger kann die Festigkeit von Kabeln gegen I²t durch folgende Formel bestimmt werden:
I²t = K2 a2
Wobei der Querschnittsbereich des Kabelleiters in Quadratmillimetern angegeben wird und K ein Faktor ist, der vom Leitermaterial und der maximal standgehaltenen Temperatur der Isolierung abhängt. Werte für K für verschiedene Kombinationen aus Leiter und Isolierung finden sich in den Bestimmungen. Die Werte reichen von 76 für mit PVC isolierte Aluminiumleiter bis 143 für Kupferleiter mit einer 900°C heißhärtenden Isolierung.
Koordination wird normalerweise mit dem I²t-Wert des Sicherungseinsatzes bei Auslösung nach 5 s geprüft.
Es ist zu beachten, dass die I²t-Festigkeit der Kabel nicht durch die Länge des Kurzschlusses beeinträchtigt wird. Der Wert des Sicherungseinsatzes nimmt jedoch mit der Auslösezeit zu. Ein korrektes Auslösen kann also sichergestellt werden, indem geprüft wird, dass der I²t-Wert Sicherungseinsatzes bei Unterbrechung nach 5 s geringer ist, als der Kabelfestigkeitswert.
Schutz von Motorstromkreisen
Strombegrenzende Niederspannungssicherungseinsätze werden normalerweise zusammen mit Druckluftschützen zum Schutz von Dreiphasen-Asynchronmotoren eingesetzt. Die Sicherungen bieten Schutz gegen Kurzschlüsse und müssen daher angemessen belastbar sein. Niedrigere Ströme werden durch den Überlastschutz der Schütze beseitigt. Unter diesen Umständen muss der Nennstrom der Sicherungseinsätze nicht unbedingt der Motorleistung entsprechen. Wenn Motoren mit direkter Einschaltung zu schützen sind, muss der Bemessungsstrom der Sicherung gemäß der Widerstandsfähigkeit in Bezug auf die Stromspitze beim Anlassen des Motors gewählt werden, die typischerweise das 5- bis 6-fache des Volllaststroms beträgt. Daher werden üblicherweise gG-Sicherungseinsätze mit Nennströmen bis zum doppelten des Volllaststroms des Motors eingesetzt. Solche Sicherungen können beim Anlassen bis zum Dreifachen ihres Nennstroms tragen.
Die Spitzen sind nicht so hoch, wenn andere Einschaltmethoden verwendet werden. Aus diesem Grund werden Sicherungen mit niedrigeren Bemessungsströmen eingesetzt. Diese Werte werden beim Anlassen des Motors dennoch überschritten. Die hohen Einschwingströme, die bei manchen Anlassverfahren beim Übergang von einer Verbindung auf die darauffolgende fließen können, müssen ebenfalls berücksichtigt werden. Dies tritt beispielsweise bei Stern-Dreieck-Anlassern oder Schleifring-Anlassern auf.
Wie zuvor angegeben bietet der Sicherungseinsatz einen Kurzschlussschutz und keinen niedrigen Überstromschutz. Kompakte aM Teilbereichssicherungen oder gM Ganzbereichssicherungen werden daher eingesetzt. Diese bieten außerdem einen größenbedingten Kostenvorteil in der zugehörigen Anlage und werden daher üblicherweise eingesetzt, wo eine große Anzahl an Motorstartern oder Motorsteuerungszentren installiert werden.
Für Niederspannungsanwendungen finden sich die Anforderungen für Schütze und Motorstarter in IEC 60947-4-1. Diese beinhaltet die Koordinationsanforderungen für Kurzschlusssicherungen. Die durch die Kurzschlusssicherungen gesicherten, bedingten Bemessungskurzschlussströme der Schütze und Anlasser werden angegeben. Zwei Arten von Koordination sind zulässig: Typ 1 und Typ 2.
Die Koordination vom Typ 1 verlangt, dass das Schütz oder der Anlasser unter Kurzschlussbedingungen keine Gefahr für Personen oder Installationen darstellt und ohne Reparatur oder Austausch von Teilen möglicherweise nicht für den weiteren Einsatz geeignet ist.
Die Koordination vom Typ ‘’ verlangt, dass das Schütz oder der Anlasser unter Kurzschlussbedingungen keine Gefahr für Personen oder Installationen darstellt und für eine weitere Verwendung geeignet ist. Das beim Kontaktschweißen auftretende Risiko wird anerkannt, und in diesem Falle ist vom Hersteller anzugeben, welche Maßnahmen zur Wartung der Anlagen durchzuführen sind.
Dementsprechend ist der Typ ‘’ die bevorzugte Koordinationsvariante. Durch Weiterentwicklungen bei Schützen und Anlassern im letzten Jahrzehnt wurden Kurzschlusssicherungen mit relativ geringen I²t-Durchlasswerten und Ausschaltstromkennlinien erforderlich. Hersteller von Motorstartern haben Empfehlungen zur Koordination gemäß IEC 60947-4-1 herausgegeben.
Das Normungsgremium für Niederspannungssicherungen des IEC hat in einer Studie zur Koordination von Sicherungseinsätzen mit Motorstartern und Schützen durch die Untersuchung von Prüfungsergebnissen herausgefunden, dass eine Koordination vom Typ 2 erreicht werden kann, wenn Sicherungseinsätze der Klassen aM, gG oder gM eingesetzt werden, deren I²t-Werte vor Ansprechen im unteren Bereich der Grenzen gemäß IEC 60269-1 liegen.
Das IEC-Gremium erstellte den technischen Bericht IEC 61459 über einen Anwendungsleitfaden für die Koordination zwischen Sicherungen und Schützen/Motorstartern. Die Abbildung zeigt die wichtigen Parameter im Bereich des Umschaltstroms für eine erfolgreiche Koordination zwischen Sicherungen, Überlastrelais und Schützen.
Die starke Strombegrenzung des Sicherungseinsatzes verhindert eine thermische Schädigung des Schützes und das zugehörige Überlastrelais. Sie beugt außerdem einer mechanischen Beschädigung aufgrund des niedrigen Spitzendurchlassstroms oder Ausschaltstroms des Sicherungseinsatzes vor. Falls das Schütz bzw. das Relais nicht durch den Sicherungseinsatz geschützt wären, würden die elektromagnetischen Kräfte des Fehlerstroms eher Schäden verursachen und die Kontakte möglicherweise zusammenschweißen. Hersteller von Motorstartern empfehlen angemessene gG oder gM Sicherungseinsätze, die eine Koordination vom Typ 2 bieten.
