Jorge Bonilla, Carlos Amado Najera, David Ichaso Iñigo ABB Electrification, Smart Buildings, Madrid, Spain, jorgejuan.bonillahernandez@es.abb.com, carlos.amadonajera@es.abb.com, david.ichaso@es.abb.com;
Massimiliano Amato, Luca Ghezzi ABB Electrification, Smart Buildings, Milan, Italy, massimiliano.amato@it.abb.com, luca.ghezzi@it.abb.com;
Jean-Philippe Garzon ABB Electrification, Smart Buildings, Bagnères-de-Bigorre, France, jean-philippe.garzon@fr.abb.com
Der Wunsch nach einer präziseren Kontrolle und mehr Sicherheit sorgt nicht nur dafür, dass die Zahl der Stromkreise in elektrischen Niederspannungsinstallationen steigt, auch die Menge und Art der verwendeten Leistungsschalter ändert sich grundlegend. Eine Folge dieser rasanten Entwicklung ist, dass immer mehr elektrische Geräte in elektrischen Verteilern untergebracht werden müssen. Dies stellt Schalterhersteller wie ABB vor die große Herausforderung, ihre Produkte zu verkleinern. Der Trend betrifft hauptsächlich Endleitungen mit Verbrauchern, die über eine Phase und einen Neutralleiter versorgt werden.
Vor diesem Hintergrund erklärt sich der enorme Marktzuspruch, den der neue DS301C von ABB erfährt. Der DS301C ist ein extrem kompakter FI/LS-Schalter für eine Phase und einen Neutralleiter (1P+N), der Schutz gegen Kurzschlüsse, Überlast und Fehlerströme in einem einzigen Schalter bietet. Dabei besitzt er nur die Breite eines Moduls (bzw. einer Teilungseinheit TE) – im Gegensatz zu aktuellen Lösungen, die die Breite von zwei Modulen einnehmen. Vor allem aber ist der Schalter spannungsunabhängig, d. h. er funktioniert ohne eine externe Spannungsquelle.
Platzsparend durch gezielte Spezifikation
Um eine optimale Raumnutzung zu ermöglichen, sind die elektrischen Kennwerte des DS301C genau auf die Zielanwendungen – zum Beispiel Wohnbauten, Zweckbauten, Schiffe und Schienenfahrzeuge – abgestimmt. Der DS301C zeichnet sich durch einen Bemessungsstrom von bis zu 20 A, ein mehr als respektables Kurzschluss-Ausschaltvermögen von 6 kA und den klassischen maximalen Bemessungsfehlerstrom von 30 mA aus. Der Schalter erkennt nicht nur Fehlerströme mit sinusförmigem Verlauf, sondern auch abgehackte oder verzerrte Wellenformen, wie sie für elektronische Geräte wie LED-Leuchten, Computer usw. typisch sind. Ein kompaktes Produkt wie der DS301C ermöglicht auch kompaktere Verteiler – ein Vorteil, der besonders bei der Erweiterung oder Nachrüstung elektrischer Anlagen in Krankenhäusern, Booten, Zügen usw. zum Tragen kommt.
Innenleben und Funktionsweise
Beim DS301c ist die Phase auf der einen und der Neutralleiter auf der anderen Seite untergebracht →02. Der Überstromschutz – also Kurzschluss- und Überlastschutz – befindet sich auf der Phasenseite. Kurzschlüsse werden mithilfe einer Auslösespule erkannt: Fließt ein hoher Kurzschlussstrom von mehreren Kiloampere durch die Spule, wird ein starkes Magnetfeld erzeugt, das wiederum über einen ferromagnetischen Auslöser den Schutzschalter betätigt. Bei Überlastungen (die weniger plötzlich auftreten als Kurzschlüsse) erwärmt und verformt sich ein Bimetallstreifen und löst die Abschaltung aus.
Bei einem Erdschluss sorgt der Fehlerstrom gegen Erde für ein Ungleichgewicht zwischen dem Phasen- und Neutralleiterstrom auf der Neutralleiterseite des Schalters. Ein Summenstromwandler erkennt diese Differenz und speist eine kleine Platine, auf der das Signal gefiltert wird, um zum Beispiel unerwünschte Abschaltungen durch Spannungsspitzen zu verhindern. Ein empfindliches Relais erfasst das Ausgangssignal und löst die Abschaltung aus.
Um die kompakte Größe zu erreichen, sind der Fehlerstromschutz und die sperrigsten Komponenten über die beiden Hälften des Schalters verteilt untergebracht.
Ein per Schalthebel betätigter Mechanismus bestimmt die Stellung beweglicher Kontakte, die durch die Aktoren ausgelöst werden. Der zum Patent angemeldete Aufbau des Mechanismus basiert auf zwei miteinander verbundenen und interagierenden Teilen: Die Lichtbogenlöschung in einer Löschkammer beendet den Abschaltvorgang am Phasenleiter, um die Trennung des fehlerhaften Stromkreises vom vorgelagerten Netz abzuschließen, während der Neutralleiter ohne die Hilfe einer Löschkammer getrennt wird.
Fehlerstromschutz
Der Fehlerstromschutz ist eine besonders wich-tige Eigenschaft des Schalters, da schon ein Fehlerstrom von wenigen Milliampere, der durch den menschlichen Körper gegen Erde abfließt, tödlich sein kann.
Bemerkenswert angesichts der erreichten Kompaktheit ist die Tatsache, dass der Fehlerstromschutz durch eine spannungsunabhängige Technologie gewährleistet wird. Spannungsunabhängige Geräte nutzen ausschließlich die (sehr geringe) Energie des Fehlerstroms für die Erkennung und die anschließende Abschaltung, sodass keine externe Energieversorgung erforderlich ist. Trotz der Herausforderungen bei der Miniaturisierung von spannungsunabhängigen FI/LS-Schaltern ist der DS301C genauso kompakt wie ein elektronischer FI/LS-Schalter, der für seine Versorgung von einer Spannungsdifferenz zwischen der Phase und dem Neutralleiter abhängig ist. Dies bedeutet, dass elektronische FI/LS-Schalter nicht funktionstüchtig sind, wenn der Neutralleiter vor dem Schalter unterbrochen ist und jemand die Phase hinter dem Schalter berührt. Der DS301C hingegen schützt auch vor einem solchen potenziell tödlichen Fehlerstrom.
Hohe Selektivität
Zur Verdeutlichung der Vorteile des DS301C soll im Folgenden eine Beispielinstallation mit 18 Stromkreisen betrachtet werden →03.
Bei einer traditionellen Lösung werden die 18 Stromkreise in drei Gruppen zu je sechs zusammengefasst. Die sechs Stromkreise jeder Gruppe werden durch einen mindestens zwei Module breiten FI-Schalter gegen Fehlerströme und durch sechs Leitungsschutzschalter (LS-Schalter) in Modulbreite gegen Kurzschlüsse geschützt →03a. Nicht selten wird für den Fehlerstromschutz ein vierpoliger (3P+N) FI-Schalter verwendet, der die Breite von vier Modulen einnimmt. Nur so können die drei Phasen auf maximal sechs Stromkreise aufgeteilt werden (zwei pro Phase wie von den einschlägigen Normen gefordert), die jeweils einzeln durch einphasige LS-Schalter abgesichert sind. Zur Installation der Geräte sind drei DIN-Hutschienen erforderlich. Bei dieser Anordnung würde ein Fehlerstrom in einem Stromkreis den entsprechenden FI-Schalter auslösen und somit auch die fünf fehlerfreien Kreise abschalten.
Selektivität spielt beim Fehlerschutz in elektrischen Installationen besonders dann eine wichtige Rolle, wenn ein durchgängiger Betrieb gewährleistet sein muss. Eine alternative herkömmliche Methode wäre die Installation von 18 FI/LS-Schaltern mit der Breite von jeweils zwei Modulen zum Schutz jedes Stromkreises →03b. Das bedeutet einen selektiven Fehlerstrom-, Kurzschluss- und Überlastschutz für jeden Kreis, aber es werden weiterhin drei DIN-Schienen benötigt.
Da der DS301C nur halb so breit ist wie ein standardmäßiger FI/LS-Schalter, würde eine entsprechende Installation mit 18 Schaltern nur eineinhalb DIN-Schienen belegen und dennoch selektiven Fehlerstrom-, Kurzschluss- und Überlastschutz für jeden Stromkreis bieten →03c.
Schnelle und einfache Installation
Eine schnelle und einfache Installation war eine der Hauptanforderungen bei der Entwicklung des DS301C, um den Installationsvorgang zu beschleunigen und fehlersicher zu gestalten.
Zur Verdrahtung des Schalters können flexible Kabel oder feste Phasenschienen verwendet werden. Außerdem ist der DS301C in Varianten erhältlich, die mit dem neuen Schnellbefestigungssystem von ABB kompatibel sind, das ein Mischen verschiedener Produkte auf einer DIN-Schiene erlaubt. Das System bietet den zusätzlichen Vorteil, dass die elektrischen Verbindungen, die den Strom in vertikaler Richtung von einer DIN-Schiene zur nächsten speisen, durch den ersten Leistungsschalter in der Reihe hergestellt werden können, ohne dass spezielle Produkte oder besonders geformte Phasenschienen erforderlich sind, die die Art und Anzahl der zu montierenden Produkte einschränken.
Fehlersichere Anschlussklemmen verhindern ein Einführen des elektrischen Leiters in die falsche Öffnung, und das Clipsystem des DS301C ermöglicht eine einfache Montage auf der DIN-Schiene, ohne dass Phasenschienen von benachbarten Schaltern entfernt werden müssen.
Mit einer Höhe von nur 85 mm ist der DS301C kleiner als vergleichbare Geräte, was die Verdrahtung besonders in Verteilern mit einem geringen Schienenabstand von 125 mm erleichter →04–05.
Kompakte Größe, starke Merkmale
Trotz seiner Kompaktheit bietet der DS301C dem Kunden einige herausragende Merkmale – wie etwa eine optische Anzeige für den Grund einer Abschaltung. Erfolgt die Abschaltung aufgrund eines Fehlerstroms, wird dies durch eine mechanische Fahne (das blaue Rechteck in →01) angezeigt – ein Merkmal, das es bei anderen Kompaktschaltern nicht gibt. Sollte es beim Auslösen zu einer Kontaktverschweißung kommen, verbleibt der Schalthebel zwischen der geöffneten und geschlossenen Stellung, sodass die „On“- und „Off“-Anzeigen nicht sichtbar sind, was den Kontaktzustand anzeigt.
Entsprechend den gültigen Normen gibt es eine Taste, die eine regelmäßige Prüfung der Fehlerstromerkennung und -auslösung durch Einspeisung eines künstlichen Fehlerstroms ermöglicht.
Das umfangreiche Angebot von ABB an Zubehör für DIN-Schienen (die System Pro M Reihe), das unter anderem Signal- und Hilfskontakte, Auslösespulen und einen Motor-Recloser umfasst, ergänzt den DS301C und unterstützt auch komplexe Verteilerinstallationen.
Sämtliche Beschriftungen auf dem Gehäuse sind per Laser gedruckt, um dauerhaft eine gute Lesbarkeit zu gewährleisten. Über einen QR-Code an der Vorderseite des Schalters können jederzeit per Smartphone Datenblätter und technische Informationen von ABB abgerufen werden.
Grünes Licht für Nachhaltigkeit
Nachhaltigkeit spielte bei der Entwicklung des DS301C eine wichtige Rolle (das Produkt ist Bestandteil des ABB EcoSolutions™-Portfolios). So sind zum Beispiel alle Kunststoffteile des leichten Schalters aus recycelbarem Thermoplast gefertigt. Zudem sind durch das kombinierte Schalterdesign die Leistungsverluste geringer als bei alternativen Konfigurationen mit getrennten LS- und FI-Schaltern, da die resistiven Elemente wie Kontakte und elektrische Anschlüsse nicht doppelt vorhanden sind. Auch die Kühlanforderungen sind geringer. Dies bedeutet erhebliche ökologische Vorteile, da über die Lebensdauer von mehreren Jahrzehnten hinweg ständig Strom durch die Geräte fließt und Leistungsverluste einen großen Teil ihres ökologischen Fußabdrucks ausmachen
Bekanntes innovativ weiterentwickelt
Die Entwicklung des DS301C ist ein erstklassiges Beispiel dafür, wie auch lange bekannte Produkte und Technologien durch Innovation profitieren können. Der Schlüssel liegt in der Verfolgung eines ganzheitlichen Ansatzes, der sich nach den Bedürfnissen des Markts richtet, die Wünsche der Nutzer erfüllt und dabei die Nachhaltigkeit über den gesamten Produktlebenszyklus hinweg berücksichtigt. Der kompakte DS301C bietet Schaltschankbauern nun die Möglichkeit, auch die entferntesten und am meisten genutzten Zweige des Niederspannungsnetzes mit einem Höchstmaß an Sicherheit und Kontrolle auszustatten.
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