Leitungsschutzschalter

Leitungsschutzschalter, allgemein als MCBs bekannt, werden sowohl in Haushalten als auch in industriellen Stromverteilungs- und Sicherheitsanwendungen weit verbreitet verwendet. Sie sind sehr robuste Schalter, die sowohl als normaler Schalter als auch als Sicherheitsvorrichtung fungieren können. Dieser Artikel zielt darauf ab, ausführlich über MCBs, ihre Konstruktion, ihr Funktionsprinzip und ihre Anwendungen zu diskutieren.

Was ist ein Leitungsschutzschalter?

Leitungsschutzschalter sind fast überall dort zu finden, wo elektrische Energie gesteuert werden muss. MCBs haben ihre Anwendungen von typischen Haushalten bis hin zu Industriemaschinen und -gebäuden. Wenn Sie neu bei MCBs sind, haben Sie vielleicht eines davon in Verteilern in Ihrem Haus gesehen:

 

MCBs werden normalerweise nach dem RCCB (Residual Current Circuit Breakers) in einer Verteilertafel platziert, um Strom zu einem bestimmten Stromkreis oder einem Gerät zu schalten. In einer Haushaltsanwendung kann dies die Stromversorgung eines Raums oder eines Teils davon sein, wie z. B. die Beleuchtung oder Wandsteckdosen.

 

Leitungsschutzschalter sind im Grunde Ein-/Ausschalter, die über eine zusätzliche Sicherheitsfunktion namens „Überstrom-/Kurzschlussschutz“ verfügen. MCBs sind für einen bestimmten maximalen Strom ausgelegt. Wenn der Strom durch den MCb höher als dieser Wert ist, kann er automatisch abschalten und den Rest des Stromkreises schützen.

 

Dies ist gegenüber herkömmlichen Sicherungen sehr vorteilhaft, da Sicherungen nach einem solchen Überstromvorfall ausgetauscht werden müssen. MCBs müssen nicht ausgetauscht werden, da wir sie nach Behebung des Fehlers im System problemlos wieder einschalten können. Die Aktuatoren in ihnen sind federbelastet und die Aus-Position ist unten. Dies geschieht absichtlich, um die schnelle Abschaltaktion bereitzustellen, wenn ein Fehler im Stromkreis auftritt.

 

Funktionsprinzip des Leitungsschutzschalters

Leitungsschutzschalter sind relativ einfache Geräte, die als mechanische Schalter mit Überstromabschaltung fungieren. Sie sind sehr einfach zu installieren und zu bedienen und kosten oft kein Vermögen. Werfen wir einen Blick auf die interne Funktionsweise eines MCB und wie es funktioniert.

 

Das Funktionsprinzip eines MCB basiert auf einem einfachen, aber interessanten Phänomen der Physik. Dies wird als „thermische Ausdehnung“ eines Bimetallstreifens bezeichnet. Dies ist das gleiche Prinzip, das bei Bügeleisen verwendet wird, um das Heizelement automatisch ein- und auszuschalten, um die eingestellte Temperatur aufrechtzuerhalten.

 

Wenn elektrischer Strom durch einen Leiter fließt, neigt er normalerweise dazu, sich zu erwärmen. Dadurch „dehnt“ sich der metallische Leiter in Längsrichtung aus. Wenn das Metall einheitlich und aus dem gleichen Material besteht, ist diese Zunahme linear und kann durch Messen der Längendifferenz vor und nach dem Aufheizen beobachtet werden. Unterschiedliche Materialien dehnen sich bei gleicher Temperatur unterschiedlich aus.

 

Bimetallstreifen bestehen, wie der Name schon sagt, aus zwei verschiedenen Metallen, die miteinander verbunden sind. Anstatt sich linear in der Länge auszudehnen, neigen Bimetallstreifen bei Erwärmung dazu, sich aufgrund unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten der beiden Metalle zu „verbiegen“. Dieser Bimetallstreifen ist ein Teil der Leiterbahn. Wenn Strom durch diesen Leiter fließt, wenn der Schalter eingeschaltet ist, wird er leicht erwärmt.

 

Dieser Streifen ist speziell dafür ausgelegt, eine bestimmte Strommenge (z. B. 20 A) zuzulassen, ohne eine zu große Durchbiegung zu verursachen. Und das ist die Bewertung des MCB. Wenn der Strom diesen Wert überschreitet, biegt sich der Bimetallstreifen und gibt eine elektromechanische Verriegelung frei, um den Leitungspfad sofort zu trennen. Dies dauert nur einen Bruchteil einer Sekunde und schützt somit die über den MCB angeschlossenen Geräte.

 

Der Schalter im Inneren des MCB wird mechanisch unter Federspannung verriegelt. Aus diesem Grund schaltet sich der Bimetallstreifen, obwohl er nach dem Abschalten des Schalters abkühlt, nicht automatisch wieder ein. Wir müssen es manuell wieder einschalten. Auf diese Weise können wir das Problem beheben und beheben, bevor wir den MCB wieder einschalten.

 

Arten von Leitungsschutzschaltern

MCBs sind in einer Vielzahl von Größen, Nennwerten und Typen erhältlich, die Sie für Ihre spezielle Anwendung auswählen können. Während die grundlegende Funktionalität für alle Typen und Modelle gleich ist, müssen Sie den bestmöglichen Typ für die Anwendung auswählen, um sicherzustellen, dass er perfekt funktioniert.

 

Es gibt sechs Arten von Leitungsschutzschaltern. Sie sind Typ A, B, C, DK und Z. Typ B, C und D sind die Haupttypen. K und Z sind weniger gebräuchlich und für bestimmte spezifische Anwendungen hochspezialisiert. Diese Bewertungen basieren auf dem Parameter „Trip-Kurve“. Die Auslösekennlinie ist die Reaktion des MCB auf den Stromfluss.

 

Typ A MCBs

Leitungsschutzschalter der Kategorie A sind extrem stromempfindlich. Sie sind so empfindlich, dass sie sehr selten verwendet werden. MCBs vom Typ A können bei etwa dem 2- bis 3-fachen des Nennstroms des Geräts auslösen. Diese werden verwendet, um hochempfindliche Geräte wie Halbleiter zu schützen.

Typ B Leitungsschutzschalter

MCBs vom Typ B lösen bei etwa dem 3- bis 5-fachen des Nennstroms aus. Diese können je nach Modell bis zu 40 Millisekunden oder bis zu 13 Sekunden langsam wirken. Diese werden im Allgemeinen zur Steuerung von Haushalts- und Industriebeleuchtungskreisen verwendet.

Typ C MCBs

Diese lösen bei Strömen aus, die etwa dem 5- bis 10-fachen des Nennstroms entsprechen. Die Auslösezeit kann zwischen 40 Millisekunden bis zu 5 Sekunden betragen. MCBs vom Typ C sind eine gute Wahl für Schaltkreise, die Motoren wie Lüfter, Elektromotoren, Transformatoren und Mikrowellenöfen verwenden.

Typ D MCBs

MCBs vom Typ D sind die am wenigsten empfindlichen MCBs. Diese können dem 10- bis 20-fachen Nennstrom standhalten, um schwere Maschinen wie USVs, große Motoren, Schweißmaschinen und Röntgengeräte zu schützen. Diese ziehen große Einschaltströme, daher können die MCBs vom Typ D dem Strom sicher standhalten und bieten gleichzeitig Sicherheit, wenn etwas kurzgeschlossen wird.

 

MCBs vom Typ K

Diese ähneln MCBs vom Typ D, sind jedoch reaktionsschneller als diese. Diese bieten schnellere Auslösezeiten und können daher manchmal besser geeignet sein als MCBs vom Typ D.

 

Typ Z MCBs

Dies sind eine reaktionsschnellere Version von MCBs vom Typ A. MCBs vom Typ K arbeiten bei einem Stromfluss vom 2- bis 3-fachen Nennwert innerhalb von 0.1 s (100 Millisekunden).

 

Miniatur-Leistungsschalter-Diagramm

Schauen wir uns das interne Diagramm eines MCB an. MCB steht für Leitungsschutzschalter, ein Schalter, der die Stromversorgung eines Stromkreises bei Überstrom automatisch unterbrechen kann. Im Gehäuse eines MCB befinden sich viele elektromechanische Komponenten.

 

Die nach außen sichtbaren Hauptteile sind die Anschlüsse selbst. Es gibt zwei Anschlüsse, einen für den Eingang und einen für den Ausgang. Bei der Verdrahtung ist darauf zu achten, diese nicht zu vertauschen.

 

Zum manuellen Ein- und Ausschalten des Geräts können in einem MCB (je nach Polzahl) ein oder mehrere Hebel miteinander verbunden sein. Diese sind mit metallischen Kontakten (einer ist ein Bimetallstreifen und der andere ist ein fester Metallkontakt) verbunden, die die elektrische Verbindung zwischen den Eingangs- und Ausgangsanschlüssen bilden.

 

Um den Schutz auszulösen, gibt es einen Elektromagneten, der die federgelagerten Kontakte freigibt, um sie sofort zu trennen. Neuere MCB-Modelle enthalten eine zusätzliche Einheit namens "Lichtbogenkammer", die hilft, die Bildung eines Lichtbogens beim Trennen zu verhindern. Dies ist sehr nützlich bei Anwendungen mit induktiven Hochstromlasten wie großen Motoren, um den MCB zu schützen, wenn seine Kontakte geöffnet werden, während die Last mit Strom versorgt wird. 

 

Die folgende Abbildung zeigt ein vereinfachtes Schaltbild eines MCB, das die Auslösestange (Hebel), die Verriegelung und die Metallkontakte zusammen mit dem Bimetallfaden zeigt.

Schauen wir uns nun die typische Hausverkabelung mit Leitungsschutzschaltern an:

MCB-Schaltplan

 

Das folgende Diagramm zeigt eine einphasige elektrische Verdrahtung eines Verteilers für eine Haushaltsanwendung.

 

Der Strom aus dem nationalen Netz gelangt über den Kilowattstundenzähler und einen zweipoligen MCB in das Gebäude, um das Gebäude bei Bedarf vollständig zu isolieren. Dies dient auch als sekundärer Schutz, da dies nichts anderes als ein MCB ist.

 

Dann wird die Versorgung durch ein RCCB-Gerät (Residual Current Circuit Breaker) geleitet. Dies ist äußerst empfindlich gegenüber Stromlecks und Auslösungen, wenn ein Stromungleichgewicht in stromführenden und neutralen Drähten besteht. Dies schützt den Benutzer vor elektrischem Schlag.

 

Nach dem RCCB wird der Neutralleiter mit einer Sammelschiene verbunden und auf die Teilstromkreise verteilt. Die Leitung ist mit einem oder mehreren MCB-Eingängen verbunden, um Teilschaltungen zu bilden. Die Ausgänge jedes MCB sind mit einer anderen Teilschaltung verbunden. In einer typischen Haushaltsanwendung können diese Nebenschaltkreise Wohnzimmer, Schlafzimmer, Veranden und Küchen sein. Diese logischen Unterschaltkreise ermöglichen eine bessere Kontrolle über die elektrische Sicherheit der Räumlichkeiten.

 

Preis für Leitungsschutzschalter

Leitungsschutzschalter sind in vielen verschiedenen Typen und Konfigurationen erhältlich. Es gibt keinen festen Preis pro Kategorie und kann auch zwischen den Herstellern variieren. Es ist auch erwähnenswert, dass es zwei Haupttypen von MCBs gibt, AC und DC Unterbrecher. Für Gleichstromanwendungen (DC) sollten niemals AC-Leistungsschalter verwendet werden.

 

Ausgehend von Haushalts- und Allzweckanwendungen mit niedrigem Strom können MCBs Sie je nach Merkmalen und Reaktionszeiten zwischen 3 und 4 US-Dollar bis hin zu Hunderten von US-Dollar kosten.

 

Verwendung von Leitungsschutzschaltern

MCBs finden ihre Anwendungen in vielen verschiedenen Szenarien.

• Inländische Schaltungen
  • MCBs werden in Haushaltsanwendungen verwendet, um eine Überlastung und damit verbundene Brandgefahren zu verhindern.
• Heizung und Beleuchtung
  • Sowohl in allgemeinen als auch in industriellen Anwendungen können Heizungs- und Hochleistungsbeleuchtungssysteme ein elektrisches System stark belasten. MCBs helfen dabei, die Last zwischen Teilschaltungen zu verteilen, um den Bedarf besser zu bewältigen und Abschnitte zu entfernen, wenn sie nicht erforderlich sind.
• Industrielle Anwendungen
  • Angefangen von der Motorsteuerung bis hin zu Schwermaschinen werden Stromversorgungen mit bis zu 30 kA (30,000 A) mit MCBs und ihren robusten Gegenstücken, MCCBs (Molded Case Circuit Breakers), gesteuert

 

MCB-Betrieb

Wie wir oben besprochen haben, gibt es in einem MCB einige Schlüsselkomponenten:

 

1. Verriegeln
2. Magnetspule
3. Schalter
4. Stempel
5. Eingangsterminal
6. Bogenschachthalter
7. Bogenrutschen
8. Dynamischer Kontakt
9. Kontakt behoben
10. DIN-Schienenhalter
11. Ausgangsterminal
12. Träger aus Bimetallstreifen
13. Bimetallischer Streifen

Im Normalbetrieb sind der dynamische Kontakt und der feste Kontakt miteinander verbunden, wenn sich der Schalter in der EIN-Position befindet. An diesem Punkt wird der Kolben auch mit der eingebauten Feder gespannt, bereit, sich bei Bedarf zu lösen.

Der Strom fließt von der Eingangsklemme zur Ausgangsklemme durch die festen und dynamischen Kontakte und den Bimetallstreifen.

Wenn der Strom die Schwelle des MCB überschreitet, beginnt der Bimetallstreifen, sich zu einer Seite hin auszulenken. Wenn es über die maximale Schwelle hinaus abgelenkt wird (was bedeutet, dass der Strom zu hoch ist), aktiviert es das Solenoid und gibt den Kolben sofort frei. Diese Aktion unterbricht den Kontakt zwischen dem dynamischen und dem festen Kontakt, indem der dynamische Kontakt vom festen Kontakt wegbewegt wird.

Die folgende Abbildung zeigt den normalen Betriebszustand (links) und den ausgelösten (offenen) Zustand eines MCB.

 

Nach dem Auslösen können MCBs nicht automatisch eingeschaltet werden. Ein Benutzer muss den MCB manuell einschalten, um die Stromversorgung des Stromkreises wiederherzustellen. Dies erinnert den Elektriker daran, den Stromkreis auf Fehler zu überprüfen und diese zu korrigieren, bevor er den Stromkreis wieder einschaltet. 

 

Wie wähle ich den richtigen MCB für verschiedene Lasten aus?

Obwohl alle MCB-Typen dem gleichen Funktionsprinzip folgen, haben sie nicht die gleiche Leistung in Bezug auf Ansprechzeit und Nennstrom. Daher ist es möglicherweise nicht geeignet, einen MCB durch einen anderen Typ zu ersetzen.

 

Beim Kauf/Auswahl eines Leitungsschutzschalters für eine bestimmte Anwendung besteht die übliche Praxis darin, die Stromanforderungen des zu schaltenden Stromkreises zu berechnen und einen MCB auszuwählen, der die gleiche oder eine bessere Nennstromstärke hat. Dies ist im Allgemeinen eine schlechte Vorgehensweise, da es eine Reihe von Informationen gibt, die mit einem MCB verknüpft sind, die beachtet werden müssen.

 

Beginnen wir mit den Markierungen, die sich auf dem Körper eines MCB befinden.

 

Auf einem MCB-Gehäuse sind eine Reihe von Parametern gekennzeichnet. Manchmal sind nicht alle auf MCBs eines bestimmten Herstellers verfügbar, aber die wichtigsten Markierungen sind immer auf dem Gerät aufgedruckt.

 

Schauen wir uns die Attribute an, die wir bei der Auswahl eines MCB berücksichtigen müssen:

 

• MCB Stromkurvenbewertung
  • Gekennzeichnet als Axx, Bxx, Cxx, Dxx, Kxx oder Zxx (wobei xx der Strom in Ampere ist), gibt dies die Anwendung an, für die der MCB vorgesehen ist. Zum Beispiel, B-Typ eher für rein ohmsche Lasten wie Beleuchtung und Heizung geeignet. C ist für induktive Lasten wie Lüfter und Motoren. Typ C ist üblich, da es auch mit reinen ohmschen Lasten problemlos umgehen kann. Typ D ist für stark induktive Lasten wie starke Motoren (Wasserpumpen, Tauchpumpen, Industrieventilatoren) usw. geeignet. Obwohl nicht üblich, sind auch Typ A, K und Z vorhanden. Typ A ist extrem empfindlich und K und Z sind weniger empfindlich als B, C und D.
• Betriebsspannung
  • Diese Spannung wird in Bezug auf die Phasenzahl des Systems angegeben. Wenn der MCB in einem Einphasensystem verwendet werden soll, beträgt die Spannung 230 V oder 240 V. Für ein dreiphasiges System wird es als 400 V oder 415 V gekennzeichnet.
• Ausschaltvermögen des MCB
  • Dies ist der absolute Höchststrom, den der MCB im Falle eines extrem großen Einschaltstroms/Kurzschlussstroms sicher abschalten kann. Dies wird in Ziffern geschrieben. Der oben gezeigte MCB ist beispielsweise mit „6000“ gekennzeichnet. Das bedeutet, dass der MCB Ströme bis zu 6000 A (6 kA) sicher unterbrechen kann.
• Energieklasse
  • In Joule pro Sekunde angegeben, ist dies die maximale Energie, die MCB kontinuierlich im System vorhanden sein kann. Es gibt drei Klassen, 1 bis 3, die diesen Parameter angeben. Der hier gezeigte MCB ist Klasse 3, der 1.5 Joule/Sekunde zulässt 

 

Die restlichen Angaben sind herstellerspezifisch und können von Hersteller zu Hersteller variieren.

 

Leitungsschutzschalter vs. Leitungsschutzschalter

Im Kontext eines Elektrikers sind Leitungsschutzschalter und Leistungsschalter bekanntlich dasselbe Gerät. Aus technischer Sicht ist der Leistungsschalter eine robustere Version des MCB, die ein sicheres Schalten von Hochspannungskreisen ermöglicht. MCBs werden in kompakteren und Niederspannungsanwendungen verwendet.

 

Zusammenfassung

In diesem Artikel haben wir uns ausführlich mit Leitungsschutzschaltern, ihrem Funktionsprinzip und ihren Anwendungen beschäftigt. MCBs sind sehr beliebte und effektive Schutzvorrichtungen für elektrische Schaltkreise, die Geräte und Verkabelung vor Überstromereignissen schützen und Brand- und Stromschlaggefahren verhindern können.