Einfluss der Umgebungstemperatur auf hydraulisch-magnetische und thermische Schutzschalter

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Sowohl die hydraulisch-magnetischen als auch die thermischen Schutzschalter sind für den Schutz gegen elektrische Störungen wesentlich. Bei Anwendungen unter rauen Umgebungsbedingungen und bei möglichen großen Umgebungstemperaturbereichen besitzen die hydraulisch-magnetischen Schutzschalter Vorteile für den Stromkreisschutz, die von thermischen Schutzschaltern nicht sichergestellt werden können.

UNTERSCHIEDE IN DER KERNBAUFORM

Thermische Schutzschalte

Im Normalbetrieb der thermischen Schutzschalter wird bei Ablenkung eines thermischen Sensorelements (z. B. Bimetall) der Stromkreis geöffnet, wenn eine vordefinierte Kalibriertemperatur erreicht ist. Der Temperaturanstieg im Sensorelement ist hauptsächlich auf die Erwärmung des Laststroms 12R zurückzuführen. Das Thermoelement liefert ebenfalls Wärme- oder Kühleffekte von externen Quellen.

Die Stromkapazität des Schutzschalters ist durch die Größe des Thermoelements, seine Konfiguration sowie seine physische Form und elektrische Widerstandsfähigkeit bestimmt. In einigen Fällen wird eine Heizspirale in der Nähe des Thermoelements angeordnet, die elektrisch in Reihe geschaltet ist, um die Eigenerwärmung des thermischen Auslösers zu erhöhen. Dies trifft insbesondere auf Stromwerte unter fünf Ampere zu.

Am häufigsten wird ein "Sandwich" von zwei oder drei verschiedenen Metallen als Thermoelement verwendet. An der Seite mit geringer Wärmeausdehnung kann Invar (Eisen-Nickel-Legierung) und in der Mitte Kupfer für niedrige Widerstandsfähigkeit oder Nickel für hohe Widerstandsfähigkeit verwendet werden. An der Seite mit hoher Wärmeausdehnung kommen unterschiedliche Metalle zum Einsatz.

Hydraulisch-magnetische Schutzschalter

Die hydraulisch-magnetischen Schutzschalter besitzen eine andere Funktionsweise. Der zeitverzögerte magnetische Schutzschalter funktioniert nach dem Prinzip eines Magnetventils, bei dem ein beweglicher Kern, der mit einer Feder in einer Hülse gehalten und mit einem Fluid gedämpft wird, über das Magnetfeld einer in Reihe geschalteten Spule bewegt werden kann.

Solange der durch das Gerät fließende Strom bei maximal 100 Prozent des Nennstroms bleibt, wird der Mechanismus nicht ausgelöst und die Kontakte bleiben geschlossen. Wenn der Strom auf einen Punkt zwischen 100 und 125 Prozent des Nennstroms des Geräts erhöht wird, ist der in der Spule generierte magnetische Fluss ausreichend hoch, um den auszulösenden Kern gegen die Feder zu bewegen und dann in eine Ruhestellung am Polstück zu bringen. Die Bewegung dieses Kerns gegen das Polstück lässt den Fluss im Magnetkreis auf einen ausreichend hohen Wert ansteigen, um den Anker aus dessen Normalstellung wegzudrehen. Bei Rotation des Ankers wird ein Zapfen ausgelöst, der die zusammenklappbare Verbindung des Mechanismus entriegelt und die Kontakte somit öffnet.

Die Auslösehülse ist mit einem Silikonflüssigkeit angefüllt, die die Bewegungsgeschwindigkeit des auszulösenden Kerns innerhalb der Auslösehülsen-Konstruktion festlegt, wobei unterschiedliche Auslösekurven unter Einsatz verschiedener Flüssigkeiten mit jeweils anderer Viskosität erhalten werden können.

Bei hohen Spitzenströmen in einem Stromkreis sollte die Größenordnung des im Magnetkreis erzeugten Flusses ausreichend hoch sein, um das Gerät ohne Positionsänderung des auszulösenden Kerns auszulösen. Zum Schutz der UL-Geräte, wie weiter oben aufgelistet, sollten Auslösekurven der Schutzvorrichtung mit sofortigem Auslösen bei Spitzenströmen von mindestens 600 Prozent angewendet werden.

FOKUS AUF DEN EINFLUSS DER UMGEBUNGSTEMPERATUR

Das Auslösen thermischer Schutzschalter hängt vom Temperaturanstieg im Sensorelement ab. Diese Schalter sind somit alle von Natur aus von der Umgebungstemperatur abhängig. Obwohl (umgebungs) temperaturkompensierte Schutzschalter eingesetzt werden können, bei denen ein thermisch empfindliches Element integriert wird, um Änderungen der Außentemperaturen auszugleichen, bleibt das zugrundeliegende Problem bestehen.

Insgesamt ist die Auswahl des richtigen Schutzschalters komplexer als die einfache Abstimmung der Schalterleistung auf die Drahtwerte. Dabei müssen ebenfalls die Umgebungstemperatur im Betrieb, der zulässige Spannungsabfall und der bereitgestellte Kühlkörper berücksichtigt werden.

Die Herausforderung ist noch größer, wenn der wichtigste Faktor – die Umgebungstemperatur – nicht bekannt ist.

Gerätehersteller versenden Produkte weltweit von mehreren Produktionsstandorten und wissen nicht, in welcher Umgebung das Produkt verwendet wird. Dies bedeutet, dass ein Schutzschalter mit 10 A Nennleistung in Umgebungen mit hoher Temperatur schon bei 7 A oder in einem kühleren Umfeld erst bei 13 A ausgelöst wird.

Die Leistung der thermischen Schutzschalter muss je nach Umgebungstemperatur herabgesetzt werden. In warmen Umgebungen ist der Stromwert überdimensioniert, um ein störendes Auslösen zu verhindern, und beinhaltet ein Risiko bezüglich Elektroschutz. Um in kälteren Umgebungen eingesetzt zu werden, kann der Schutzschalter eine langsamere Auslösezeit und somit eine zu niedrige Leistung aufweisen, was sich wiederum nachteilig auf den eigentlichen Zweck des elektrischem Schutzes auswirkt.

Im Vergleich dazu ist ein hydraulisch-magnetischer Schutzschalter nicht denselben Herausforderungen ausgesetzt und besitzt eine gleichbleibende Nennleistung und Performance bei einer Temperatur zwischen –40° C und +85°C.

Unter den Schutzschaltern besitzt der hydraulisch-magnetische Schutzschalter ebenfalls zahlreiche Optionen, wie die Anpassung der Spulenwicklungen, damit ein genauer Stromwert erreicht werden kann.

Der hydraulisch-magnetische Schutzschalter kann auch zusätzliche Komponenten aufweisen, die den elektromagnetischen Fluss bei Einschaltströmen dämpfen, um ein störendes Auslösen zu vermeiden, wie eine ShuntPlatte aus Stahl an der Oberseite der Spule, um die Auswirkungen hoher Einschaltströme abzuleiten, oder mechanische Methoden mit einem Trägheitsrad am Anker, um die Ankerbewegung bei hohen Einschaltströmen zu dämpfen. Diese Optionen können sinnvoll sein, um ein störendes Auslösen bei Stromkreisen mit hohen Einschaltströmen zu vermeiden.

Zudem können diese Komponenten einen integrierten AUX-Schalter, verzögertes Auslösen und Spannungsspulen ggf. mit ferngesteuertem Auslösen beinhalten, wobei thermische Schutzschalter ein zusätzliches 1/2-poliges Modul besitzen.

Jedes Gerät erfüllt eine bestimmte Funktion. Aber für den weltweiten Versand von Ausrüstungen ist eine temperaturstabile Lösung ausschlaggebend – aus diesem Grund sind hydraulisch-magnetische Schutzschalter die effektivsten Komponenten zur Leistungssteuerung in Bereichen wie Telekommunikation, Daten und Server, Transport und Schienenverkehr, Verteidigung, Seeverkehr, Stromerzeugung und vieles mehr