Leitungsschutzschalter und Sicherungen

Jeder Leiter hat einen elektrischen Widerstand — wenn auch einen kleinen. Fließt Strom durch ihn hindurch, fällt an diesem Widerstand Leistung ab und wird in Wärme umgesetzt. Bei normaler Belastung ist das harmlos. Steigt der Strom aber über das vorgesehene Maß, wird die Erwärmung schnell zum Problem.

Wärme im Leiter

Die Verlustleistung im Leiter folgt dem Zusammenhang:

Entscheidend ist der quadratische Faktor: Verdoppelt sich der Strom, vervierfacht sich die Wärmeleistung. Verdreifacht sich der Strom, steigt die Wärmeleistung auf das Neunfache. Genau deshalb wird ein leicht überlasteter Stromkreis nicht „etwas wärmer“, sondern überproportional heiß.

Jede Leitung hat eine zulässige Strombelastbarkeit — den Strom, den sie dauerhaft tragen kann, ohne dass die Isolierung Schaden nimmt. Dieser Wert hängt vom Querschnitt, vom Leitermaterial und von der Verlegungsart ab (in der Wand, im Rohr, frei verlegt). Wird die Strombelastbarkeit überschritten, beginnt das Isoliermaterial zu altern, weich zu werden, im schlimmsten Fall zu schmelzen oder zu brennen.

Überlast und Kurzschluss

Es gibt zwei Arten, wie eine Leitung gefährlich erwärmt werden kann:

• Überlast entsteht im funktionstüchtigen Stromkreis, wenn zu viele oder zu starke Verbraucher gleichzeitig angeschlossen sind. Der Strom liegt nur moderat über dem zulässigen Wert — etwa das 1,5- bis 5-fache. Die Erwärmung baut sich über Sekunden bis Minuten auf.
• Kurzschluss entsteht, wenn zwei aktive Leiter (oder ein Leiter und der Schutzleiter) direkt verbunden werden. Der einzige verbleibende Widerstand ist die Leitung selbst, der Strom wird nur noch durch den Innenwiderstand der Quelle und die Leitungsimpedanz begrenzt. Die Werte erreichen das Hundert- bis Tausendfache des Normalstroms innerhalb von Millisekunden.

Beide Fälle muss der Überstromschutz erkennen und abschalten — aber mit unterschiedlicher Geschwindigkeit. Eine kurzfristige, geringe Überlast soll noch nicht sofort den Stromkreis trennen (etwa beim Einschalten eines Motors), ein Kurzschluss dagegen muss in Bruchteilen einer Sekunde unterbrochen werden, bevor die Leitung verglüht oder das Schutzgerät selbst zerstört wird.

Wichtig zur Abgrenzung: Überstromschutz ist Leitungsschutz und mittelbar Brandschutz. Den Schutz von Personen gegen elektrischen Schlag bei Fehlerströmen übernimmt der FI-Schutzschalter — ein eigenständiges Schutzgerät mit anderer Wirkweise.

Die Schmelzsicherung ist das älteste und einfachste Überstromschutzgerät: ein dünner Leiter, der bei zu hohem Strom durchbrennt und so den Stromkreis unterbricht. Trotz ihres Alters spielt sie auch heute noch eine wichtige Rolle, besonders bei hohen Strömen.

Aufbau

Eine Schmelzsicherung besteht aus einem keramischen Hohlkörper, in dem ein dünner Schmelzleiter aus Silber oder versilbertem Kupfer gespannt ist. Der Hohlraum ist mit reinem Quarzsand gefüllt. An beiden Enden sitzen Kontakte, mit denen die Sicherung in den Stromkreis eingebunden wird.

Wenn der Strom den zulässigen Wert übersteigt, erhitzt sich der Schmelzleiter so weit, dass er schmilzt und verdampft. Dabei entsteht ein Lichtbogen, der den Strom kurzzeitig weiter führen würde. Der Quarzsand absorbiert die Wärme und löscht den Lichtbogen — der Stromkreis ist dauerhaft unterbrochen. Eine durchgebrannte Schmelzsicherung muss ersetzt werden, sie ist nicht wieder einschaltbar.

Bauformen

Im Niederspannungsbereich finden sich vor allem drei Bauformen:

Bei den D- und D0-Sicherungen erkennt man den Strombemessungswert an Form und Farbe des Passeinsatzes (zum Beispiel rot für 10 A, grau für 16 A, blau für 20 A, gelb für 25 A) — so kann keine zu starke Sicherung in einen Sockel mit niedrigerem Bemessungsstrom eingeschraubt werden. NH-Sicherungen (Niederspannungs-Hochleistungs-Sicherungen) werden mit einem isolierten Aufsteckgriff in offene Sicherungs-Lasttrennleisten eingesetzt und tragen sehr hohe Ströme.

Betriebsklassen

Schmelzsicherungen unterscheiden sich nicht nur im Bemessungsstrom, sondern auch im Auslöseverhalten. Die Betriebsklasse wird mit zwei Buchstaben bezeichnet — der erste sagt, ob das Gerät einen Vollbereichsschutz oder nur einen Teilbereichsschutz bietet, der zweite gibt den Anwendungsbereich an:

• gG — Vollbereichsschutz für allgemeine Anwendungen. Schützt sowohl gegen Überlast als auch gegen Kurzschluss. Standard für die Absicherung von Leitungen und Stromkreisen.
• gM — Vollbereichsschutz für Motorschaltgeräte. Eine Spezialvariante mit zwei Stromangaben.
• aM — Teilbereichsschutz für Motorstromkreise. Schützt nur gegen Kurzschluss, nicht gegen Überlast. Der Überlastschutz wird separat über ein Motorschutzrelais sichergestellt.
• aR — Teilbereichsschutz für Halbleiter, sehr schnelle Auslösung im Kurzschlussfall.

Wo die Schmelzsicherung nach dem Durchbrennen ausgetauscht werden muss, lässt sich der Leitungsschutzschalter (kurz LS-Schalter, in der internationalen Bezeichnung MCB für Miniature Circuit Breaker, umgangssprachlich auch „Sicherungsautomat“) nach dem Auslösen einfach wieder einschalten. Er hat in Hausverteilungen die klassische Schmelzsicherung weitgehend abgelöst.

Doppeltes Auslöseprinzip

Ein LS-Schalter erkennt Überlast und Kurzschluss über zwei getrennte Auslöser im selben Gerät:

• Thermischer Auslöser (Bimetall) — ein Streifen aus zwei verschweißten Metallen mit unterschiedlicher Wärmeausdehnung. Fließt zu viel Strom, erwärmt sich der Streifen, biegt sich durch und betätigt das Schaltschloss. Dieser Vorgang ist verzögert — kurze Stromspitzen werden ignoriert, anhaltende Überlast schaltet nach Sekunden bis Minuten ab. Er ist zuständig für den Überlastschutz.
• Magnetischer Auslöser (Elektromagnet) — eine Spule, durch die der Laststrom fließt. Übersteigt der Strom einen festen Vielfachwert des Bemessungsstroms, zieht das Magnetfeld einen Anker an, der ebenfalls das Schaltschloss auslöst. Diese Auslösung erfolgt in wenigen Millisekunden und ist zuständig für den Kurzschlussschutz.

Beide Auslöser wirken auf dasselbe mechanische Schaltschloss, das den Stromkreis durch sprungartiges Öffnen des Kontakts trennt. Beim Auslösen entsteht ein Lichtbogen, der in einer integrierten Lichtbogenlöschkammer mit metallischen Löschblechen aufgeteilt und rasch gelöscht wird.

Aufbau im Überblick

Der schematische Aufbau zeigt, wie die einzelnen Bauteile in Reihe im Strompfad liegen:

Strom fließt von der Eingangsklemme über den Schaltkontakt durch das Bimetall und die Spule des Magnetauslösers zur Ausgangsklemme. Beide Auslöser sitzen im selben Strompfad und überwachen kontinuierlich den fließenden Strom.

Beschriftung am Gerät

Auf der Frontseite eines LS-Schalters findet sich der wichtigste Aufdruck in Form eines Buchstaben-Zahlen-Codes — zum Beispiel B16. Der Buchstabe steht für die Auslösecharakteristik (mehr dazu im nächsten Kapitel), die Zahl für den Bemessungsstrom in Ampere. Zusätzlich sind die Bemessungsspannung (typisch 230 V für einpolige, 400 V für drei-/vierpolige Ausführungen) und das Bemessungskurzschlussausschaltvermögen angegeben — der maximale Kurzschlussstrom, den der Schalter sicher abschalten kann, üblicherweise zwischen 6 kA und 25 kA für haushaltsübliche Ausführungen.

Für den Wohn- und Haushaltsbereich sind Leitungsschutzschalter nach ÖNORM EN 60898 ausgeführt; für industrielle Anwendungen gilt ÖNORM EN 60947-2 für Leistungsschalter mit erweiterten Eigenschaften.

Die Auslösecharakteristik beschreibt, wie der LS-Schalter auf verschiedene Stromstärken reagiert — wie schnell und ab welcher Höhe er abschaltet. Sie wird in einem Strom-Zeit-Diagramm dargestellt, das den Auslösezeitpunkt in Abhängigkeit vom Stromverhältnis I/I_n zeigt (also wie viel größer der tatsächliche Strom verglichen mit dem Bemessungsstrom ist).

Aufbau der Kennlinie

Im linken Bereich der Kennlinie (kleine Vielfache von I_n) wirkt der thermische Auslöser: je größer die Überlast, desto schneller schaltet das Bimetall. Bei großen Vielfachen kippt die Kennlinie in den magnetischen Auslösebereich — der Schalter trennt in Millisekunden. Wo dieser senkrechte Abfall passiert, hängt von der Charakteristik ab:

Die Kennlinie ist üblicherweise mit doppelt-logarithmischen Achsen dargestellt. Die thermische Kurve verläuft von oben links nach unten rechts und ist für die Charakteristiken B, C und D identisch — sie hängt nur am thermischen Auslöser. Erst die Lage des senkrechten Abfalls (der magnetische Auslöser) unterscheidet die Typen.

Thermischer Auslösebereich

Der thermische Auslöser folgt für alle Charakteristiken denselben Grenzwerten nach ÖNORM EN 60898:

• Bei 1,13 · I_n darf der LS-Schalter innerhalb der konventionellen Prüfzeit (1 Stunde bei Bemessungsströmen ≤ 63 A) nicht auslösen.
• Bei 1,45 · I_n muss er innerhalb derselben Prüfzeit auslösen.

Konkret: Ein B16 verträgt 18 A stundenlang ohne abzuschalten, bei 23 A muss er innerhalb einer Stunde fallen. Das ist die Grundlage des Überlastschutzes — er reagiert nicht punktgenau am Bemessungsstrom, sondern in einem definierten Streifen darüber.

Magnetischer Auslösebereich

Die fünf gängigen Charakteristiken unterscheiden sich darin, ab welchem Vielfachen des Bemessungsstroms der Magnetauslöser anspricht:

Die Auswahl richtet sich nach dem zu erwartenden Einschaltstrom des Verbrauchers. Eine Glühlampe oder Steckdose verursacht kaum Einschaltspitzen — Charakteristik B passt. Ein Trafonetzteil zieht beim Einschalten kurzzeitig das Vielfache seines Nennstroms — bei B würde der Automat sofort fallen, mit C oder D bleibt er stehen. Empfindliche Elektronik, die schon bei kleinen Überströmen geschützt werden soll, bekommt einen Z-Automaten.

Der schönste LS-Schalter nützt nichts, wenn der falsche Bemessungsstrom gewählt oder die Verteilung nicht durchdacht aufgebaut ist. Drei Größen müssen zusammenpassen: der Strom, den die Verbraucher ziehen, der Bemessungsstrom des Schutzgeräts und die Strombelastbarkeit der verlegten Leitung.

Die Auswahlregel

Für die richtige Dimensionierung gilt nach den Schutzbestimmungen für Niederspannungsanlagen:

Diese Ungleichung enthält die ganze Logik:

• I_B ≤ I_n — das Schutzgerät darf den normalen Betriebsstrom nicht abschalten. Wäre I_n kleiner als I_B, würde der Schalter ständig fallen.
• I_n ≤ I_z — die Leitung muss den Bemessungsstrom des Schutzgeräts dauerhaft tragen können. Wäre I_n größer als I_z, wäre die Leitung erst gefährdet, bevor der Schutz reagiert.

Hinzu kommt eine zweite Bedingung, damit auch eine zulässige Überlast (bis 1,45 · I_n) noch von der Leitung verkraftet wird: I_2 ≤ 1,45 · I_z, wobei I_2 der große Prüfstrom des Schutzgeräts ist. Bei standardgemäßen LS-Schaltern ist diese Bedingung automatisch erfüllt, weil I_2 = 1,45 · I_n.

Querschnitt und Bemessungsstrom in der Praxis

In Hausinstallationen sind Querschnitt und Bemessungsstrom über die Verlegungsart fest miteinander verknüpft. Die folgenden Werte sind übliche Richtwerte für Kupferleitungen bei Verlegung in der Wand oder im Rohr:

Die Werte in der Tabelle sind übliche Richtwerte für Standardverlegung (zum Beispiel in der Wand, Verlegeart C). Sobald die Verlegung in wärmegedämmten Hohlwänden erfolgt, mehrere Stromkreise gebündelt verlegt sind oder die Umgebungstemperatur erhöht ist, sinkt die zulässige Strombelastbarkeit deutlich. In solchen Fällen kann auch für 1,5 mm² eine Absicherung mit B13 oder B10 statt B16 nötig sein. Die maßgeblichen Werte stehen in den Strombelastbarkeits- und Reduktionsfaktor-Tabellen der ÖVE/ÖNORM E 8101 — bei der Anlagenplanung zwingend dort nachsehen.

Selektivität

In jeder größeren Verteilung sind Schutzgeräte hintereinander angeordnet: vor dem Zähler sitzt ein Hauptsicherungsblock, danach kommen Vor- und Endsicherungen für einzelne Verbraucherkreise. Tritt irgendwo ein Fehler auf, soll möglichst nur das Schutzgerät auslösen, das dem Fehler am nächsten ist — alles davor soll weiterhin funktionieren. Genau das beschreibt Selektivität.

Damit Selektivität funktioniert, muss das vorgeschaltete Schutzgerät:

• einen höheren Bemessungsstrom haben (z. B. 35 A NH-Sicherung vor 16-A-LS-Schaltern), und
• eine trägere Auslösecharakteristik haben (NH-Sicherung gG ist deutlich träger als ein LS-Schalter B).

Im Kurzschlussfall ist Selektivität allerdings nicht garantiert, sondern hängt vom Kurzschlussstrom und den Auslösekennlinien beider Geräte ab. Hersteller liefern Selektivitätstabellen, die für konkrete Gerätekombinationen angeben, bis zu welchem Kurzschlussstrom Selektivität gewährleistet ist.

Abgrenzung zu anderen Schutzgeräten

Zwei Schutzgeräte werden in der Verteilung häufig zusammen mit LS-Schaltern verbaut, sind aber eigene Themen: Der Motorschutzschalter übernimmt den Überlast- und Phasenausfallschutz von Motoren, der FI-Schutzschalter (RCD) reagiert auf Fehlerströme im Personenschutz — beide ersetzen den LS-Schalter nicht, sondern ergänzen ihn.