Ratgeber
Ob im Betrieb, im Büro oder auch zu Hause: Einen Leitungsschutzschalter hat sicher jeder schon einmal gesehen bzw. bedient. Denn wenn durch einen Kurzschluss oder durch Überlast der Strom ausgefallen ist, macht man sich zwangsläufig auf die Suche nach den Sicherungselementen. Wir zeigen Ihnen welche clevere Technik in einem Leitungsschutzschalter steckt und was man sonst noch so alles beachten muss.
Wie der Name schon sagt, ist ein Leitungsschutzschalter oder auch LS-Schalter eine Sicherungseinrichtung, die nachgeschaltete Installationseinrichtungen, Geräte und elektrische Anlagen zuverlässig vor Überlast schützt.
Umgangssprachlich werden LS-Schalter auch als Sicherungsautomaten oder auch nur als Automat bezeichnet.
Vor der Einführung von Sicherungs-Automaten übernahmen Schmelzsicherungen diese Aufgabe. Bei einer Überlastung durch zu hohen Strom brannte der Draht in der Sicherung durch und die Sicherung musste ausgetauscht werden. Das bot zwar einen gewissen Schutz, hatte aber auch Nachteile. Wenn keine neue Sicherung greifbar war, wurden defekte Exemplare zum Teil auf recht abenteuerliche Weise geflickt.
Im Gegensatz zu den Schmelzsicherungen kann ein Sicherungsautomat immer wieder von Hand aktiviert werden, wenn die Auslöseursache beseitigt wurde.
Zudem sind LS-Schalter entsprechend den VDE-Vorschriften auch als betriebsmässige Schalter zugelassen.
Einpoliger Leitungsschutzschalter für Hutschienenmontage.
Dank der Spannung von 230 V reichen Drähte mit 1,5 mm² aus.
Um die Kosten bei der „elektrischen Verdrahtung“ eines Hauses bezahlbar zu halten, hat man sich vor langer Zeit entschieden die „Betriebsspannung“ für die Hausinstallation auf 230 V Wechselspannungfestzulegen. Dadurch ist es möglich, Leitungen mit einem Querschnitt von lediglich 1,5 - 2,5 mm2 zu verwenden.
Wenn man bei einer Leitung mit 1,5 mm2 von einem maximal zulässigen Strom von 16 A ausgeht, können so Leistungen von bis zu 3680 W (16 A x 230 V) übertragen werden. Das ist für die meisten Anwendungen bzw. Verbraucher mehr als ausreichend.
Die hohe Spannung hat aber auch Nachteile, die durch entsprechende Massnahmen minimiert werden müssen:
Berührungsschutz:
Es muss in jedem Fall sichergestellt werden, dass der direkte Kontakt mit stromführenden Leitern und Teilen vermieden wird.
Überlastschutz:
Die an der Netzspannung betriebenen Installationseinrichtungen müssen zuverlässig vor Überlastung geschützt werden. Ein kleines Rechenbeispiel verdeutlicht diese unabdingbare Notwendigkeit:
Wenn die Stromleitung zwischen einer Steckdose und dem Sicherungskasten ca. 15 m lang ist, beträgt der Leitungswiderstand für die Phase und den Null-Leiter (Hin- und Rückleitung) ca. 0,36 Ω. Der berechnete Wert bezieht sich auf eine Kupferleitung mit einem Leitungsquerschnitt von 1,5 mm2.
Wenn nun an der Steckdose ein massiver Kurzschluss mit angenommenen 0 Ω entsteht, würden nach dem Ohmschen Gesetz statt der max. zulässigen 16 A stolze 638,89 A (I = 230 V : 0,36 Ω) über die beiden Anschlussleitungen der Steckdose fliessen.
Wenn man nach der Formel P = U x I die Leistung berechnet, wären das 146 944,44 Watt oder rund 147 kW, die in Wärme umgewandelt werden. Ohne Sicherung, die in diesem Fall anspricht und die Spannung rechtzeitig abschaltet, würden die Drähte in der Wand in Sekunden verglühen.
Ein Sicherungsautomat ist für die Montage auf Hut-Schienen bzw. DIN-Schienen vorgesehen. Dafür verfügt er über die erforderlichen Rastnasen (9).
Die Anschlusskabel werden über die Kabelöffnungen (3) eingeführt und mit den Klemmschrauben (2) befestigt.
Wenn der Schalthebel (1) in die Stellung „ON“ gestellt wird, wird der Schaltkontakt (6) geschlossen.
Der LS-Schalter wird ausgelöst, wenn entweder der Elektromagnet (7) oder der Bimetall-Streifen (4) dieAuslösemechanik (8) betätigt. Die Funkenlöschkammer (5) schützt den Schaltkontakt vor Abbrand.
Hinweis:
Der Schalthebel ist mechanisch nicht fest mit der Auslösemechanik gekoppelt. Das bedeutet: Selbst wenn der Schalthebel von Hand in der Stellung „ON“ gehalten wird, kann die Auslösemechanik den Schaltkontakt trotzdem öffnen.
Der grundsätzliche Aufbau ist bei allen Automaten gleich.
Der Stromfluss durch den Automaten ist mit einer roten Linie markiert.
Der mechanische Aufbau ist von Hersteller zu Hersteller unterschiedlich, aber grundsätzlich ist die Funktion aber immer gleich.
Um die Funktion korrekt zu verstehen, muss man wissen, wie der Strom durch den Sicherungsautomaten fliesst:
Die linke Anschlussklemme (10) ist über eine flexible Leitung (11) mit dem beweglichen Teil des Schaltkontaktes (6) verbunden.
Der feststehende Teil des Schaltkontaktes hat Kontakt mit dem linken Anschluss des Elektromagneten (7). Der rechte Anschluss der Spule des Elektromagneten ist fest mit dem unteren Ende des Bimetall-Streifens (4) verbunden.
Am oberen beweglichen Teil des Bimetall-Streifens führt eine flexible Leitung (12) zur rechten Anschlussklemme (13).
Thermische Auslösung bei Überlast
Wenn an einer Steckdose oder an einem Stromkreis immer mehr Verbraucher betrieben werden, kann es vorkommen, dass der Strom langsam aber stetig den Grenzwert des Sicherungsautomaten übersteigt. Das kann sehr schnell passieren, wenn Verlängerungskabel und Mehrfachsteckdosen gedankenlos hintereinander geschaltet werden.
In diesem Fall spricht die thermische Auslösung durch den Bimetall-Streifen (4) an. Der Bimetall-Steifen besteht aus zwei Metallen mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten.
Das bedeutet: Je höher der Strom ist, der über den Streifen fliesst, desto stärker verbiegt sich der Streifen in eine bestimmte Richtung.
Da der Steifen im unteren Bereich fest verankert ist, biegt sich das obere Teil des Streifens nach rechts. Ab einer bestimmten Verformung betätigt der Streifen einen Rasthebel (14) und löst so die Verriegelungsmechanik (8) des Schaltkontaktes aus. Der Stromkreis wird unterbrochen.
Um den Sicherungsautomaten wieder aktivieren zu können, muss man warten bis der Bimetall-Streifen wieder abgekühlt ist.
Magnetische Auslösung bei Kurzschluss
Bei einem massiven Kurzschluss wäre die Auslösung durch den Bimetall-Streifen viel zu langsam. Deshalb ist in einem Sicherungsautomat noch ein Elektromagnet (7) eingebaut.
Dieser ist so bemessen, dass Ströme bis 16 A nicht ausreichen, dass der Elektromagnet aktiv wird. Erst durch einen hohen Kurzschluss-Strom, ist das Magnetfeld der Spule so stark, dass der Spulenkern (15) angezogen wird. Über eine Wippe (16), die direkt an einem Zapfen (17) des Rasthebels (14) anliegt, wird der Rasthebel betätigt und die Verriegelungsmechanik (8) wird ausgelöst. Die schnelle Öffnung des Schaltkontaktes wird noch durch ein Kunststoffteil (18) unterstützt. Sobald der Spulenkern angezogen wird, drückt das Kunststoffteil gegen das bewegliche Teil des Schaltkontaktes und drückt ihn auf.
Da beim Schalten von hohen Fehlerströmen sehr oft ein Lichtbogen am Schaltkontakt auftritt, ist parallel dazu eine Löschkammer (5) montiert. Diese Kammer besteht aus mehreren Metallplatten, die den Lichtbogen aufnehmen, abkühlen und beim nächsten Nulldurchgang löschen. Dadurch wird der Schaltkontakt effektiv vor Abbrand geschützt.
Wenn die Fehlerursache beseitigt wurde kann der LS-Schalter gleich wieder aktiviert werden.
LS-Schalter werden in Sicherungskästen und Unterverteilungen eingesetzt und sind für die Montage auf Hut- oder DIN-Schienen vorgesehen. Je nach Strombedarf der nachgeschalteten Installation bzw. Anlage gibt es LS-Schalter mit den unterschiedlichsten Nennströmen. Die Werte können kleiner als 1 A sein aber auch bis zu 100 A betragen. Für die Hausinstallation werden in der Regel Sicherungsautomaten mit einem Nennstrom von 10 - 16 A verwendet. Das Schaltvermögen muss mindestens 6000 A betragen.
Die unterschiedlichen Auslöse-Charakteristiken werden nachfolgend noch genauer beschrieben.
Ein weiteres Unterscheidungsmerkmal ist die Anzahl der schaltbaren Leitungen. Die meisten Sicherungsautomaten sind 1polig ausgeführt und unterbrechen die stromzuführende Leitung (Phase) im jeweiligen Stromkreis. Für den E-Herd oder für grosse Elektromotoren, die an drei Phasen betrieben werden, gibt es 3polige LS-Schalter. Bei diesen Schaltern werden immer alle drei stromzuführenden Leitungen getrennt, auch wenn nur auf einer Leitung eine Störung vorliegt.
Vereinzelt werden auch 2polige Sicherungsautomaten angeboten, die neben der Phase auch den Null-Leiter abschalten. Diese LS-Schalter gibt es zum Teil auch als Kombinationsschalter, die gleichzeitig noch als Fehlerstrom-Schutzschalter (FI) fungieren.
Leitungsschutzschalter in 1poliger und 3poliger Ausführung.
Im Fehlerfall löst die 16 A-Sicherung vor der 63 A-Sicherung aus.
Unter Selektivität versteht man, dass im Fehlerfall nur die Überstromschutzeinrichtung auslöst, die sichunmittelbar vor der Fehlerquelle befindet.
Somit erreicht man, dass nur der fehlerhafte Stromkreis vom Versorgungsnetz getrennt wird. Intakte Stromkreise bleiben nach wie vor mit dem Versorgungsnetz verbunden.
In der Praxis erreicht man das, indem selektive Leitungsschutzschalter eine verzögerte Auslösungaufweisen. Da der nachgeschaltete Leitungsschutzschalter sofort auslöst, erreicht man eine selektive Abschaltung der Spannung ausschliesslich im fehlerhaften Stromkreis.
LS-Schalter gibt es für unterschiedliche Stromstärken und Auslöse-Charakteristiken. Die Stromstärke richtet sich nach dem Querschnitt der nachfolgenden Stromleitungen bzw. der Stromaufnahme der elektrischen Anlage.
Unter Auslösecharakteristik bezeichnet man das Verhalten, wie ein Schutzschalter auslöst. Eine frühzeitige und schnelle Auslösung, die im Bereich der Gebäudetechnik wünschenswert ist, kann in Werkstätten oder Maschinenhallen sehr schnell Probleme hervorrufen. Denn grosse Elektromotoren haben im Einschaltmoment einen sehr hohen Strombedarf, der um ein Vielfaches höher liegt, als die Stromaufnahme im Dauerbetrieb. Da wäre es natürlich hinderlich, wenn der Sicherungsautomat jedes Mal beim Einschalten auslösen würde.
Die X-Achse beschreibt das Mehrfache des Nennstromes.
In Büro- und Wohngebäuden werden im Regelfall LS-Schalter mit B-Charakteristik eingesetzt. LS-Schalter mit C-Charakteristik werden für Verbraucher mit hohem Einschaltstrom wie z.B. Werkzeugmaschinen, Lüftermotoren oder Lampengruppen genutzt. Bei Verbrauchern mit sehr hoher kapazitiver oder induktiver Last wie z.B. Kondensatoren, Schaltnetzteile, Trafos oder Elektromagnete werden LS-Schalter mit D-Charakteristik genutzt.
Im angefügten Diagramm sind die Kennlinien der unterschiedlichen Auslöse-Charakteristiken genauer dargestellt. Der obere Bereich (1) entspricht der thermischen Auslösung und der untere Bereich (2) zeigt die magnetische Auslösung.
Weitere Charakteristiktypen sind:
„E“ für „Exakt“ selektive Leitungsschutzschalter
„Z“ für Halbleiterschutz und bei hoher Netzimpedanz
„K“ für „Kraft“ mit hohem Einschaltstrom und sensibler Überlastauslösung
Übersicht der Auslöseströme
| LS-Schalter | Überlaststrom bei thermischer Auslösung (Mehrfache des Nennstromes) |
Überlaststrom bei magnetischer Auslösung (Mehrfache des Nennstromes) |
|---|---|---|
| B-Charakteristik | 1,13 – 1,45 | 3 - 5 |
| C-Charakteristik | 1,13 – 1,45 | 5 - 10 |
| D-Charakteristik | 1,13 – 1,45 | 10 - 20 |
| E-Charakteristik | 1,05 - 1,20 | 5 - 6,25 |
| Z-Charakteristik | 1,05 - 1,20 | 2 - 3 |
| K-Charakteristik | 1,05 - 1,20 | 8 - 14 |
* (Mehrfache des Nennstromes)
Ein Sicherungsautomat überwacht lediglich den Strom auf der Leitung und trennt den Stromkreis, wenn die Grenzwerte überschritten werden. Ob der Strom, der über die Phase fliesst, auch über den Null-Leiter zurückfliesst oder im Fehlerfall an die Erde (Schutzleiter PE) abfliesst, kann ein 1poliger oder 3poliger LS-Schalter nicht erkennen.
Ein Fehlerstromschutzschalter (FI) hingegen überwacht den Stromkreis. Der über die Phase fliessende Strom muss auch über den Null-Leiter wieder zurückfliessen.
Wenn im Fehlerfall mit einer Bohrmaschine eine spannungsführende Leitung verletzt wird, fliesst ein mehr oder weniger hoher Strom über den Bohrer, das Bohrmaschinengehäuse und dem Schutzleiter der Bohrmaschine in Richtung Erde ab.
In diesem Fall erkennt der FI, dass mehr Strom in den Stromkreis hineinfliesst als über den Null-Leiter zurück kommt. Wird der im Fehlerstromschalter festgelegte Grenzwert überschritten, wird der fehlerhafte Stromkreis unverzüglich von der Netzspannung getrennt.
Im Gegensatz zum LS-Schalter (li) hat der FI einen N-Anschluss.
Wer in einem Schaltschrank arbeitet, muss wissen, was zu beachten ist.
Der Austausch eines defekten Sicherungsautomaten stellt einen massiven Eingriff in die Elektroinstallation dar und darf nur von Fachleuten durchgeführt werden, die über die erforderlichen Fachkenntnisse verfügen. Zudem müssen die einschlägigen Sicherheitsregeln wie:
- Freischalten
- Gegen Wiedereinschalten sichern
- Spannungsfreiheit feststellen
- Erden und kurzschliessen
- Benachbarte und unter Spannung stehende Teile abdecken oder abschranken
berücksichtigt werden.
Wer nicht über die erforderlichen Fachkenntnisse verfügt sollte in jedem Fall einen Fachmann beauftragen bzw. um Hilfe bitten.
Wichtig!
Ein Sicherungsautomat ist immer mit einer Beschriftung versehen, aus der u.a. auch der Nennstrom und die Auslöse-Charakteristik z.B. 16 B abzulesen ist. Demzufolge muss auch wieder ein LS-Schalter der Kategorie 16 B als Ersatz verwendet werden.
Warum fällt ab und zu der LS-Schalter, wenn ich meine Computeranlage einschalte?
Oftmals werden an einer schaltbaren Steckdose der PC, zwei Monitore, der Drucker, externe Festplatten, das Soundsystem und weitere Komponenten angeschlossen. Das hat den grossen Vorteil, dass alle Geräte mit einem Schalterklick in Betrieb gesetzt werden können. Allerdings kann der Strom im Einschaltmoment so hoch sein, so dass der LS-Schalter das als Fehler interpretiert und auslöst.
Was ist zu tun, wenn der LS-Schalter ausgelöst hat?
Erfahrungsgemäss löst ein LS-Schalter immer dann aus, wenn ein fehlerhafter Verbraucher an eine Steckdose angeschlossen oder ein defektes Gerät eingeschaltet wurde. In diesem Fall ist das zuletzt angesteckte Gerät wieder von der Steckdose zu trennen bzw. auszuschalten. Nun kann der LS-Schalter wieder eingeschaltet werden. Wenn bei der erneuten Inbetriebnahme eines Gerätes der LS-Schalter wieder auslöst, kennt man den Verursacher und kann mit der genaueren Fehlersuche beginnen.
Wenn der LS-Schalter scheinbar grundlos ausgelöst hat, muss man prüfen, welche Verbraucher nicht mehr mit Strom versorgt werden. Nach und nach kann man diese dann vom Netz trennen bzw. ausschalten und anschliessend prüfen, ob der LS-Schalter hält oder wieder auslöst.
Wie kann man einen LS-Schalter prüfen?
Ob ein LS-Schalter richtig funktioniert und auch beim Erreichen der Grenzwerte zuverlässig auslöst, kann nur mit speziellen Messgeräten geprüft werden. Lediglich die mechanische Funktion kann ohne grossen Aufwand getestet werden. Im spannungsfreien Zustand muss sich ein LS-Schalter in jedem Fall einschalten lassen. Bei Bedarf kann noch der Übergangswiderstand zwischen den beiden Anschlussklemmen gemessen werden.