Leitfaden für Sicherungen mit hoher Ausschaltkapazität: Nennwerte, Typen und Relaisschutz

Ein 100-A-NH-Sicherungseinsatz mit einem Ausschaltvermögen von 120 kA und ein 100-A-Einsatz mit einem Ausschaltvermögen von 20 kA sehen im Regal nahezu identisch aus, führen im Normalbetrieb den gleichen Strom und passen oft in die gleiche Halterung. Sie verhalten sich beim ersten Kurzschluss völlig anders und einer von ihnen kann das Panel, zu dessen Schutz es gekauft wurde, zerstören.

Der Wert, der darüber entscheidet, ist nicht die Stromstärke, die auf dem Lauf aufgedruckt ist. Dabei handelt es sich um das Ausschaltvermögen, abgestimmt auf den voraussichtlichen Kurzschlussstrom an genau diesem Punkt der Anlage, unterstützt durch die Durchlassenergie und die richtige Nutzungskategorie. In den folgenden Abschnitten wird erläutert, was die einzelnen Bewertungsfelder bedeuten, wie die Sicherung einen Fehler unterbricht und wo Sicherungen und Relais in einer Schalttafel zusammentreffen.

Wofür eine Sicherung mit hoher Durchschaltkapazität ausgelegt ist?

HRC steht für High Breaking Capacity und beschreibt eine Sicherung, die dazu ausgelegt ist, Fehlerströme zu unterbrechen, die weit über den Strom hinausgehen, den sie täglich führt. Eine NH-Flachsicherung mit einer Nennleistung von 100 A kann bis 120 kA bei 415 V AC geprüft werden. Ein Haushalts-MCB hat normalerweise eine Nennleistung von 6 kA oder 10 kA. Wenn die Transformatorimpedanz, die Kabellänge und die Versorgungsdaten den voraussichtlichen Kurzschlussstrom am Schaltschrank auf 25 kA belaufen, kommt ein MCB nicht in Frage und eine HRC-Sicherung ist die normale Lösung.

Vier Felder sind wichtig. Der Nennstrom ist ein thermischer Wert, der den Dauerbetrieb in einer definierten Umgebung beschreibt. Das Ausschaltvermögen ist die Fehlerbewertung, d. h. der größte Strom, den die Sicherung sicher unterbrechen kann, ohne dass ihr Gehäuse oder ihre Halterung beschädigt wird. Aus einem AC-Datenblatt kann insbesondere bei Gleichstromkreisen nicht auf die Nennspannung geschlossen werden. Die Gebrauchskategorie gibt an, welche Art von Verbraucher die Sicherung schützen soll.

Die Terminologie sorgt hier für echte Verwirrung. In den Dokumentationen des Vereinigten Königreichs und des Commonwealth wird oft die Bezeichnung „HBC-Sicherung“ verwendet, was ein hohes Ausschaltvermögen bedeutet, und BS 88-Sicherungen werden häufig auf diese Weise gekennzeichnet. IEC-Dokumente bevorzugen eine hohe Bruchkapazität. Die beiden Namen beschreiben das gleiche Verhalten, daher ist die nützliche Frage für einen Lieferanten nicht, was auf dem Etikett steht, sondern nach welcher Norm und welchen Prüfdaten die Sicherung deklariert ist.

Im Inneren der Sicherung: Aufbau und Strombegrenzung

Eine HRC-Sicherung ist ein einfaches Gerät mit sehr wenigen Teilen. Ein Keramikkörper aus Steatit oder Porzellan enthält ein Silber- oder Kupferelement, meist mit mehreren reduzierten Abschnitten entlang seiner Länge. Der verbleibende Raum wird dicht mit Quarzsand gefüllt und die Enden werden durch Kappen, Laschen oder Messerkontakte verschlossen, die in den Halter eingreifen.

Bei einer Störung schmilzt das Element an der engsten Stelle und es bildet sich im Sand ein Lichtbogen. Durch die Hitze schmilzt der Sand zu einer glasigen Masse namens Fulgurit, die Energie absorbiert und die Lichtbogenspannung steil ansteigen lässt. Diese ansteigende Lichtbogenspannung zwingt den Fehlerstrom innerhalb des ersten Viertelzyklus, typischerweise 4 bis 6 ms bei 50 Hz und selten mehr als 10 ms, gegen Null.

Durch diese schnelle Wirkung erhalten HRC-Sicherungen ihren strombegrenzenden Charakter. Der Spitzendurchlassstrom, der von nachgeschalteten Kabeln, Sammelschienen, Schützen und Relaiskontakten erfasst wird, beträgt nur einen Bruchteil dessen, was das Netzwerk liefern könnte, wenn der Fehler sich ungehindert entwickeln könnte. Kontakte, die bei einem uneingeschränkten Fehler verschweißen würden, überleben oft, wenn die vorgeschaltete Sicherung die Energie begrenzt.

Ein häufiges Missverständnis: Eine Sicherung, die beim Motorstart hält, ist nicht defekt. Ein Motor zieht für einige Sekunden das Sechs- bis Achtfache seines Nennstroms, und die Zeit-Strom-Kurve einer gG- oder Uhr-Sicherung ist absichtlich so gezeichnet, dass dieser Einschaltstrom ignoriert wird.

Bewertungsfelder, die darüber entscheiden, ob die Sicherung funktioniert

Die erste Prüfung ist der voraussichtliche Kurzschlussstrom an der Sicherungsposition. Er ergibt sich aus der Impedanz des Versorgungstransformators, der Kabellänge und dem Kabelquerschnitt sowie etwaigen Beiträgen von Motoren oder Wechselrichtern. Die Schaltleistung muss diesen Wert mit Spielraum überschreiten und nicht nur ihm entsprechen.

Die zweite Prüfung ist die Durchlassenergie, ausgedrückt als I2t-Werte. Es gibt einen Schmelzwert und einen Gesamtlöschwert, und der Löschwert muss unter der Festigkeit des nachgeschalteten Kabels, der Stromschiene oder des Halbleiters bleiben. Für die Selektivität zwischen zwei in Reihe geschalteten gG-Sicherungen ist ein Verhältnis von etwa 1,6 zu 1 zwischen vor- und nachgeschalteten Nennströmen ein üblicher Ausgangspunkt.

Die dritte Prüfung wird oft ganz übersprungen: Hitze. Sicherungen verbrauchen Strom, und in einem versiegelten Gehäuse kann die Umgebungstemperatur deutlich über 35 °C liegen, wobei der Nennstrom einer NH-Sicherung herabgesetzt werden muss.

Das Präfix ist wichtig. Eine Sicherung der Kategorie g hat den gesamten Bereich und bewältigt sowohl Überlast als auch Kurzschluss. Eine Sicherung der Kategorie a ist Teilbereichssicherung und muss durch ein anderes Gerät unterstützt werden, normalerweise ein thermisches Überlastrelais in einem Motorstarter. Durch den Einbau einer aM-Sicherung als einzigen Schutz für ein Kabel wird der Überlastschutz vollständig aufgehoben.

Typen und Montageformate

• NH-Flachsicherungen: gebaut nach DIN 43620, Größen NH00 bis NH4, bis ca. 1250 A und 690 V AC, Standard in Industrieverteilern und Hauptschalttafeln.
• Zylindrische Sicherungen: Größen 10x38, 14x51 und 22x58, etwa 1 A bis 100 A, häufig in Steuerstromkreisen, Instrumentenversorgungen und kleinen Gehäusen.
• D- und D0-Sicherungen: Einschraubtypen mit Messringen, die physisch verhindern, dass eine Sicherung mit größerem Nennwert in denselben Halter passt. Dies ist nützlich, wenn die Gefahr einer unbefugten Vergrößerung besteht.
• BS 88-Sicherungen: werden häufig in britischen Industrieanlagen und Altgeräten verwendet und sind in Schraub- und Clip-in-Form erhältlich.
• Halbleitersicherungen: aR und ähnliche Klassen mit sehr niedrigem I2t für Antriebe, Gleichrichter und Softstarter.
• PV- und DC-Sicherungen: ausgelegt für 1000 V oder 1500 V DC für Strings und Batteriegestelle, mit interner Konstruktion, die für DC-Lichtbögen geeignet ist.

Die Halterkompatibilität ist Teil der Sicherungsbewertung und keine separate Zubehörentscheidung. Ein 120-kA-Sicherungseinsatz, der in einem Halter mit einer Nennleistung von 50 kA installiert ist, verleiht der gesamten Installation eine Fehlerbewertung von 50 kA, und das ist es, was der Prüfer aufzeichnet. Die gleiche Logik gilt für den Trennschalter und die Kabelanschlüsse.

Koordination von HRC-Sicherungen mit Relais in Schalttafeln

Eine Sicherung schützt den Stromkreis, nicht das Relais. Es begrenzt die Energie, die während eines Fehlers die Kontakte erreicht, ändert jedoch nichts am normalen Laststrom. Wenn eine 16-A-Heizung durch ein Relais mit 5-A-Kontakten geschaltet wird, fallen diese Kontakte aus, unabhängig davon, ob die vorgeschaltete Sicherung einen Nennwert von 100 kA hat oder nicht. Die Kontaktnennwerte müssen für den tatsächlichen Lasttyp abgelesen werden, wobei AC-1 für ohmsche Lasten, AC-3 für Motorschaltungen und oft ein viel niedrigerer Wert für Gleichstrom verwendet wird.

Bei höheren Lastströmen ist ein Leistungsrelais mit 30-A- oder 40-A-Kontakten und einer definierten Schaltkategorie die übliche Lösung, vorgeschaltet durch eine HRC-Sicherung, die für das Kabel und nicht für das Relais selbst ausgelegt ist. Die Sicherungskurve und die Kontaktleistung müssen zusammen betrachtet werden, da die Sicherung dafür sorgt, dass die Lichtbogenenergie am Kontakt in einem vertretbaren Bereich bleibt.

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Bei DIN-Schienen-Installationen kombinieren Relaismodule einen schienenmontierten Sockel mit einem steckbaren Relais, sodass Spulenstromkreis und Kontaktstromkreis separat geschützt und ausgetauscht werden können. Das Modul nimmt eine Standardschienenbreite ein und ein ausgefallenes Relais kann ausgetauscht werden, ohne dass die Schalttafel neu verkabelt oder die Sicherungsinstallation gestört werden muss.

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Stromstoßrelais decken ein anderes Risiko ab. Wenn eine Sicherung einen Fehler beseitigt, bricht normalerweise die Steuerspannung zusammen. Ein Standardrelais fällt ab und der Maschinenzustand wird undefiniert, während ein magnetisches Halterelais seine letzte Position behält und nur gezielt zurückgesetzt werden kann. Dieses Verhalten ist in Systemen von Bedeutung, in denen eine unerwartete Positionsänderung nach einer Auslösung einen Mechanismus bewegen oder eine Anzeige verlieren könnte.

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Für das Schalten niedriger Ströme und hoher Spannung werden Reed-Relais anstelle von Leistungsrelais verwendet, häufig in Gleichstromkreisen, die auch über eine Gleichstromsicherung verfügen. Die Schaltsituationen, in denen diese Paarung sinnvoll ist, werden in dieser Übersicht beschrieben Reed-Relais-Anwendungen .

Eine praktische Auswahlsequenz

1. Bestätigen Sie, ob es sich um einen Wechsel- oder Gleichstromkreis handelt, und zeichnen Sie die Systemspannung einschließlich der Übergangspegel auf.
2. Ermitteln Sie den voraussichtlichen Kurzschlussstrom an der Sicherungsposition aus den Daten des Versorgungsunternehmens, des Transformators oder des Wechselrichters.
3. Passen Sie die Nennspannung der Sicherung an den Stromkreis an und wählen Sie für Gleichstromsysteme eine DC-Serie.
4. Bestimmen Sie den Nennstrom der Last und wenden Sie dann eine Leistungsreduzierung für Umgebungstemperatur und Gehäusegruppierung an.
5. Stellen Sie sicher, dass das Ausschaltvermögen den voraussichtlichen Kurzschlussstrom mit einer gewissen Spanne übersteigt.
6. Überprüfen Sie I2t anhand der nachgeschalteten Belastbarkeit und prüfen Sie die Selektivität anhand der vorgeschalteten Schutzvorrichtung.
7. Stellen Sie sicher, dass der Halter, der Trennschalter und die Kabelanschlüsse die gleiche Fehlerbewertung aufweisen wie der Sicherungseinsatz.

Häufige Fehler im Feld

• Anwenden von Wechselspannungsdaten auf einen Gleichstromkreis, bei dem sich der Lichtbogen ganz anders verhält.
• Überdimensionierung der Sicherung, um lästiges Auslösen zu verhindern, anstatt die Ursache zu finden, wie z. B. eine falsche Kurve oder einen defekten Motor.
• I2t wird ignoriert, wenn das nachgeschaltete Gerät ein Halbleiter oder ein Relaiskontakt mit geringer Nennleistung ist.
• Ersetzen eines Sicherungseinsatzes, ohne den Halter auf Kriechspuren, Verfärbungen oder Risse in der Keramik zu prüfen.
• Behandlung von HRC als ein universeller Produkttyp, wenn NH-, Zylinder-, BS 88- und Halbleitersicherungen nicht austauschbar sind.
• Entfernen einer Sicherung unter Last ohne geeigneten Trennschalter.
• Angenommen, eine Teilbereichssicherung bietet allein einen Überlastschutz.

Standards, Datenblätter und Verifizierung

Eine Sicherung mit hoher Ausschaltkapazität ist nur so gut wie der Standard, anhand dessen sie getestet wird. IEC 60269 deckt Niederspannungssicherungen ab und ist nach Anwendungen unterteilt, darunter allgemeine Industriesicherungen, D-Typ-Sicherungen, Halbleitersicherungen und PV-Sicherungen. BS 88 deckt den britischen Bereich und UL 248 den nordamerikanischen Bereich ab. Wenn ein Lieferant ein Ausschaltvermögen angibt, fragen Sie nach, bei welcher Spannung es überprüft wurde und nach welcher Norm, da ein 120-kA-Wert bei 415 V Wechselstrom in einem 600-V-Gleichstrom-Batteriegestell kein Gewicht hat.

Verlustleistung, Umgebungs-Derating-Kurven und Durchlass-I2t-Diagramme sollten aus demselben Datenblatt stammen wie das Ausschaltvermögen. Durch das Mischen von Figuren aus verschiedenen Quellen schleichen sich Koordinationsfehler in eine Tafelzeichnung ein.

Den richtigen Schutz finden

Eine HRC-Sicherung verdient ihren Namen zu einem bestimmten Zeitpunkt, und dieser Zeitpunkt wird durch drei Zahlen bestimmt: Ausschaltvermögen gegenüber potenziellem Fehlerstrom, I2t gegenüber nachgeschalteter Belastbarkeit und Nennstrom gegenüber realer Last und realer Umgebung. Relais sind dieser Entscheidung nachgeschaltet und ihre Kontaktbelastbarkeit verdient die gleiche Sorgfalt wie die Sicherung. Wenn Sie ein Relais an einen geschützten Stromkreis anpassen und Kontaktwerte, Spulenspannungen oder Montage bestätigen müssen, werden die Fragen, die bei der Angebotserstellung am häufigsten auftauchen, auf unserer Website gesammelt FAQ-Seite .