Überstromschutz in Wechselstromnetzen

Erhalten Sie eine Einführung in den Überstromschutz und OCPDs (Overcurrent Protection Devices).

In diesem Artikel werden die Arten von Überstrom, die Überstromschutzgeräte und deren Platz in einem Stromkreis behandelt.

Arten von Überstrom

Die drei Hauptkategorien oder Arten von Überstrom sind Überlast, Kurzschluss und Erdschluss.

Überlastüberstrom

Überlastüberstrom ist selbstdefinierend: Jeder Strom, der den Nennlaststrom überschreitet, ist in der Tat eine Überlast. Eine Überlast tritt auf, wenn eine elektrische Schaltung, sei es durch das ursprüngliche Design einer neuen Schaltung oder durch Modifikation einer vorhandenen Schaltung, Laststrom über die Nennlastampazität der Schaltungsleiter übertragen muss.

Zum Beispiel wird eine 20-Ampere-Zweigschaltung mit einer zusätzlichen Lampe modifiziert, die den Laststrom auf 22 Ampere erhöht: Dies wäre eine Überlastung des Stromkreises.

Überlastungszustände können auf der Service-, Feeder- oder Branch-Circuit-Ebene des Stromverteilungssystems eines Gebäudes auftreten.

Ein elektrischer Überlastüberstrom tritt auch dann auf, wenn ein Motor mechanisch überlastet ist. Dies kann durch übermäßige Reibung innerhalb seiner inneren Lagerflächen, übermäßige Wärme (aufgrund hoher Umgebungstemperatur oder eines anderen Ausfalls) oder durch die Bindung oder eine andere mechanische Überlastung der von ihm angetriebenen elektrischen Ausrüstung verursacht werden. Überlast ist eine kontrollierte Überstromsituation, normalerweise von geringer Größe.

Kurzschlussüberstrom

Kurzschlussströme (sowie Erdschlussströme, auf die wir als nächstes eingehen werden) sind Fehlerüberströme hoher Größe, die in der Tat einen niedrigen Widerstand parallel zur Impedanz der angeschlossenen Last (en) legen. Bei einem Kurzschlussüberstrom handelt es sich normalerweise um eine versehentliche Querverbindung von mindestens zwei Stromkreisleitern (Vor- und Rücklauf). Dadurch wird ein Kurzschluss über die Versorgungstransformatorwicklung gelegt.

Die Abbildungen 1 und 2 stellen die häufigeren Transformatorversorgungen einer Struktur dar.

Abbildung 1 ist die Zeichnung einer einphasigen 3-Leiter-Wechselstromversorgung mit 120/240 Volt für ein Gebäude wie ein Privathaus oder eine kleine Industrieanlage. Eine einzelne Primärwicklung im Transformator versorgt (durch Induktion) zwei 120-Volt-Wicklungen, die in der Sekundärwicklung in Reihe geschaltet sind. Eine Last mit mehreren Geräten arbeitet mit 240 Volt, wenn sie zwischen die beiden Enden der beiden in Reihe geschalteten 120-Volt-Wicklungen geschaltet wird. Eine Last mit mehreren Geräten arbeitet mit 120 Volt, wenn sie zwischen einem der beiden in Reihe geschalteten 120-Volt-Wicklungen und dem dritten Draht, der von den beiden Wicklungen gemeinsam genutzt wird, angeschlossen wird (siehe Abbildung 1).

Abbildung 1. Spannungsverhältnisse der drei Versorgungsleitungen von der Sekundärseite eines einphasigen Wechselstrom-Leistungstransformators

Ein dreiphasiges Wechselstrom-Stromverteilungssystem, wie in Abbildung 2 gezeigt, weist normalerweise einen höheren Wert für Kurzschlussüberstrom auf, da der Kurzschluss normalerweise mehr als eine einphasige Wechselstrom-Transformatorwicklung umfasst.

Abbildung 2. Spannungsverhältnisse der vier Versorgungsleitungen von der Sekundärseite eines kommerziellen oder industriellen dreiphasigen Wechselstrom-Leistungstransformators

Erdschlussüberstrom

Erdschlussüberstrom ist auch ein Kurzschlusszustand, der normalerweise nur einen der Stromkreisleiter und die geerdete Metalllaufbahn oder das Gehäuse für elektrische Verteilungs- oder Nutzungsgeräte betrifft.

Erdschlussüberstrom kann nur auftreten, wenn das elektrische Energieverteilungssystem des Gebäudes oder der Struktur auf Erde bezogen ist. „Referenzerdung“ erfordert die gemeinsame Verbindung eines Endes einer oder mehrerer der einphasigen Wechselstromtransformatorwicklungen (Wye-Transformatorkonfiguration) mit einem Erdungselektrodensystem, wodurch sowohl geerdete als auch ungeerdete Stromkreis- / Versorgungsleiter erzeugt werden.

Die Größe des Erdschlussüberstroms ist normalerweise kleiner als die Größe des Kurzschlussüberstroms, der vom selben Transformator zur Verfügung steht. Der Kurzschluss kann über zwei oder mehr einphasige Wechselstromwicklungen des Transformators erfolgen. Der Erdschlussüberstrom betrifft normalerweise nur eine einphasige Wechselstromwicklung im Transformator, die den fehlerhaften Zustand mit Strom versorgt.

Sowohl Kurzschluss- als auch Erdschlussströme sind große Überströme, die durch eine unbeabsichtigte niederohmige Parallelschaltung zum angeschlossenen Lastwiderstand verursacht werden. Ohne irgendeine Form von Überstromschutzvorrichtung, die in Reihe mit den Stromkreisleitern installiert ist, ist die einzige Grenze des Fehlerüberstroms der Leiterwiderstand und die vom Transformator verfügbare Leistung.

Überstromschutz

Wie in Abbildung 3 dargestellt, kann ein vollständiger Überstromschutz für die Leiter und die angeschlossene Last nur durch eine Sicherung oder einen Leistungsschalter gewährleistet werden, die an der Stelle installiert sind, an der der Stromkreis entsteht (oder an der er versorgt wird).

Befindet sich ein OCPD stromabwärts der Versorgung, so ist der Überstromschutz technisch unterteilt mit Kurzschluss-, Erdschlussschutz stromaufwärts, sowie separatem Überlastschutz stromabwärts. Die nachgeschalteten Sicherungen oder Leistungsschalter bieten einen vollständigen Überstromschutz für alle Stromkreise oder Geräte, die sich auf ihrer Lastseite befinden, während sie nur einen Überlastschutz für ihre netz- oder versorgungsseitige Schaltung bieten.

Abbildung 3. Geteilter Überstromschutz für eine Transformatorschaltung

Die Form und Funktion von Überstromschutzgeräten

Es gibt drei Hauptkomponenten einer elektrischen Schaltung: eine Stromquelle, eine Last und eine Verbindung zwischen den beiden.

Diese drei Hauptkomponenten werden durch ein Mittel zur EIN/AUS-Steuerung und ein Mittel zur Grenzwertsteuerung ergänzt. Beide Arten der Steuerung beschränken die Strommenge, die in der Schaltung fließen kann. Die EIN / AUS-Steuerung erfolgt normalerweise in Form eines Schalters (entweder manuell, automatisch, elektronisch oder elektromechanisch). Das Mittel zur Grenzwertsteuerung ist normalerweise eine Überstromschutzvorrichtung, die auf der Ebene der elektrischen Energieverteilung eine Sicherung oder ein Leistungsschalter ist (siehe Abbildung 4).

Abbildung 4. Überstromschutzgeräte

Wie in Abbildung 5 gezeigt, weist das Stromverteilungssystem innerhalb eines Gebäudes oder einer anderen Struktur drei Hauptklassifizierungen auf: den Dienst, die Einspeisekreise und die Zweigkreise.

Im Allgemeinen müssen die Leiter aller dieser Stromkreise an der Stelle, an der sie ihre elektrische Versorgung erhalten, mit einem Überstromschutz versehen sein. Die OCPD muss gemäß den Anforderungen des National Electric Code installiert werden. Sowohl die Leiter als auch die angeschlossene Last, die sie versorgen, müssen mit der richtigen Stromstärke geschützt werden.

Abbildung 5. Das elektrische Energieverteilungssystem innerhalb eines Gebäudes

Die Nennstromstärke der Leiter, der Volllaststrom der angeschlossenen Last und die Größe oder Tragfähigkeit der OCPD hängen zusammen. Die Vollaststromstärke der angeschlossenen Last bestimmt die Größe (nach Nennstromstärke) der Versorgungsleiter und die Bewertung oder Einstellung der OCPD.

Aus dem gleichen Grund bestimmen die Bewertung oder Einstellung der OCPD und die Nennstromstärke der Schaltungsleiter den maximalen Volllaststrom, der von der Service-, Speise- oder Abzweigschaltung geliefert werden kann. Jede Stromgröße, die größer ist als die Nennstromstärke der Förderdrähte oder der Nennlaststrom der elektrischen Betriebsmittel – wie Leuchten, Motoren oder Transformatoren — wird als Überstrom bezeichnet.

Der Hauptzweck eines Stromkreisüberstromschutzgeräts (einer Sicherung, eines Leistungsschalters oder einer anderen Art von Strombegrenzungsgerät) besteht darin, die Temperatur der Stromkreisleiter auf einen Wert zu begrenzen, der die Leiter oder ihre Isolierung nicht beschädigt. Dies wird erreicht, indem die Menge (der Wert) des Stroms begrenzt wird, den die Leiter übertragen müssen. Der Schutz der Stromkreisleiter vor Überhitzung durch Begrenzung der Strommenge, die die Leiter fördern müssen, schützt die mitgelieferte elektrische Verteilungs- und Nutzungsausrüstung (die angeschlossene Last) von Natur aus vor den Auswirkungen von Überstrom.