Einführung
Bei der Auswahl eines Leitungsschutzschalter (LS-Schalter) Bei einer elektrischen Installation konzentrieren sich die meisten Ingenieure auf den Nennstrom – aber es gibt eine kritische Variable, die die Leistung drastisch beeinflussen kann: die Umgebungstemperatur. Ein LS-Schalter mit einem Nennstrom von 32 A muss nicht unbedingt in allen Umgebungen sicher 32 A führen. Tatsächlich kann derselbe LS-Schalter bei erhöhten Temperaturen bereits bei 28 A oder weniger auslösen, was zu unerwarteten Abschaltungen und Systemausfällen führt.
Das Verständnis der Umgebungstemperaturwerte und der Reduktionsfaktoren von LS-Schaltern ist für Elektrofachkräfte, die einen zuverlässigen Schutz unter verschiedenen Betriebsbedingungen gewährleisten müssen, von entscheidender Bedeutung. Ob Sie ein Bedienfeld für ein Wüstenklima entwerfen, Schutzschalter für einen geschlossenen Maschinenschrank spezifizieren oder Fehlalarme beheben, Temperaturbetrachtungen spielen eine entscheidende Rolle.
Dieser umfassende Leitfaden untersucht, wie sich die Umgebungstemperatur auf die Leistung von LS-Schaltern auswirkt, erläutert die Berechnungsmethodik für die Reduzierung und bietet praktische Anleitungen für reale Installationen. Am Ende werden Sie verstehen, wie Sie LS-Schalter in verschiedenen thermischen Umgebungen richtig auswählen und einsetzen, um sowohl Sicherheit als auch Betriebssicherheit zu gewährleisten.
Verständnis der Temperaturwerte von LS-Schaltern
Die Standard-Referenztemperatur
Jeder LS-Schalter wird bei einer bestimmten Referenzumgebungstemperatur kalibriert und getestet, die als Grundlage für seinen Nennstrom dient. Gemäß IEC 60898 - 1– der internationalen Norm für LS-Schalter für Haushalts- und ähnliche Installationen – beträgt diese Referenztemperatur 30 °C (86 °F). Bei dieser genauen Temperatur arbeitet ein LS-Schalter gemäß seiner Typenschildangabe.
Für industrielle Anwendungen, die robustere Schutzschalter erfordern, wie z. B. Kompaktleistungsschalter (MCCBs) gemäß IEC 60947-2, beträgt die Standard-Referenztemperatur typischerweise 40°C (104°F). Diese höhere Basislinie spiegelt die anspruchsvolleren thermischen Umgebungen wider, die in industriellen Umgebungen üblich sind.
Wie LS-Schalter bewertet werden
Der auf einem LS-Schalter angegebene Nennstrom (In) stellt den maximalen Dauerstrom dar, den das Gerät bei der Referenztemperatur unbegrenzt führen kann, ohne auszulösen. Diese Bewertung wird durch strenge Tests ermittelt, bei denen das thermische Auslöseelement des LS-Schalters – typischerweise ein Bimetallstreifen – so kalibriert wird, dass es sich biegt und den Auslösemechanismus bei bestimmten Überstromschwellenwerten aktiviert.
Der Bimetallstreifen ist das Herzstück des Überlastschutzes eines LS-Schalters. Er besteht aus zwei verschiedenen, miteinander verbundenen Metallen, die jeweils einen unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Wenn Strom durch den Streifen fließt, erzeugt er Wärme. Mit steigender Temperatur dehnen sich die Metalle unterschiedlich stark aus, wodurch sich der Streifen biegt. Sobald er sich ausreichend biegt, löst er den Auslösemechanismus aus und unterbricht den Stromkreis.
Dieses elegante thermisch-mechanische System funktioniert präzise bei der kalibrierten Referenztemperatur. Es reagiert jedoch auch empfindlich auf die Umgebungstemperatur um den LS-Schalter herum – weshalb die Reduzierung so wichtig ist.
Die Temperaturbereichsbegrenzung
LS-Schalter sind zwar typischerweise für den Betrieb in einem Bereich von -20 °C bis +70 °C ausgelegt, aber ihre Fähigkeit, den Nennstrom zu führen, nimmt mit steigender Umgebungstemperatur über den Referenzpunkt hinaus deutlich ab. Umgekehrt kann ein LS-Schalter in kälteren Umgebungen unterhalb der Referenztemperatur einen etwas höheren Strom zulassen, bevor er auslöst – dies ist jedoch selten eine Designüberlegung, da die angeschlossenen Kabel und Geräte ihre eigenen Temperaturbegrenzungen haben.
Wie sich die Umgebungstemperatur auf die Leistung von LS-Schaltern auswirkt
Die Physik der thermischen Auslösung
Der Zusammenhang zwischen Umgebungstemperatur und LS-Schalterleistung basiert auf grundlegender Thermophysik. Der Bimetallstreifen im Inneren eines LS-Schalters muss eine bestimmte Temperatur erreichen, um auszulösen. Diese Temperatur wird durch zwei Wärmequellen erreicht: die Wärme, die durch den Stromfluss durch den Streifen erzeugt wird (I²R-Erwärmung), und die Wärme aus der Umgebung (Umgebungstemperatur).
Wenn die Umgebungstemperatur steigt, beginnt der Bimetallstreifen bei einer höheren Ausgangstemperatur. Er benötigt daher weniger zusätzliche Erwärmung durch den Stromfluss, um seinen Auslösepunkt zu erreichen. In der Praxis bedeutet dies, dass der LS-Schalter bei einem niedrigeren Strom als seinem Nennwert auslöst.
Betrachten Sie einen LS-Schalter mit einem Nennstrom von 32 A bei 30 °C. Wenn derselbe LS-Schalter in einer 50 °C Umgebung betrieben wird, ist der Bimetallstreifen 20 °C heißer als die Kalibrierungsbasislinie. Um die Auslösetemperatur zu erreichen, benötigt er weniger strominduzierte Erwärmung – und löst möglicherweise bereits bei 29 A oder 30 A anstelle der Nennleistung von 32 A aus.
Reduzierung der Strombelastbarkeit
Als Faustregel gilt, dass sich bei thermisch-magnetischen LS-Schaltern die Strombelastbarkeit um ca. 6-10 % pro 10 °C Anstieg über der Referenztemperatur verringert. Dies ist keine lineare Beziehung über alle Temperaturbereiche hinweg und variiert je nach Hersteller und Produktserie, bietet aber einen nützlichen Schätzrahmen.
Zum Beispiel:
- Ein LS-Schalter bei 40 °C (10 °C über der Referenz von 30 °C) kann mit etwa 94 % seiner Nennleistung betrieben werden
- Bei 50 °C (20 °C über der Referenz) sinkt die Kapazität auf etwa 88-90 %
- Bei 60 °C (30 °C über der Referenz) kann die Kapazität auf 80-85 % reduziert sein
Ausfallarten durch unzureichende Reduzierung
Wenn LS-Schalter in höheren Umgebungstemperaturen ohne angemessene Reduzierung betrieben werden, treten zwei Hauptausfallarten auf:
FehlauslösungenFehlauslösung: Der LS-Schalter löst während des normalen Betriebs aus, weil der tatsächliche Strom, obwohl er innerhalb der Typenschildangabe liegt, die temperaturangepasste Kapazität überschreitet. Dies führt zu unerwarteten Ausfallzeiten, Produktivitätsverlusten und Frustration bei den Bedienern, die keine offensichtliche Überlastung feststellen.
Vorzeitige Alterung: Wenn der LS-Schalter in einer heißen Umgebung konstant nahe seiner temperaturreduzierten Grenze betrieben wird, erfahren die internen Komponenten eine beschleunigte thermische Belastung. Dies verschlechtert die Kalibrierung des Bimetallstreifens im Laufe der Zeit, wodurch die Lebensdauer des Geräts verkürzt und die Zuverlässigkeit des Schutzes möglicherweise beeinträchtigt wird.
Beide Szenarien untergraben den grundlegenden Zweck des LS-Schalters: zuverlässiger, vorhersehbarer Stromkreisschutz.
Erläuterung der Reduktionsfaktoren
Was ist ein Reduktionsfaktor?
Ein Reduktionsfaktor (auch Temperaturkorrekturfaktor oder Umgebungstemperaturkorrekturfaktor genannt) ist ein Multiplikator, der auf die Nennleistung eines LS-Schalters angewendet wird, um seine effektive Strombelastbarkeit bei einer bestimmten Umgebungstemperatur zu bestimmen. Dieser Faktor ist immer kleiner oder gleich 1,0 für Temperaturen bei oder über der Referenztemperatur.
Die mathematische Beziehung ist einfach:
Effektive Strombelastbarkeit = Nennstrom × Reduktionsfaktor
Wenn beispielsweise ein 25-A-LS-Schalter bei 50 °C einen Reduktionsfaktor von 0,88 hat:
- Effektive Kapazität = 25 A × 0,88 = 22 A
Dies bedeutet, dass der LS-Schalter in einer 50 °C Umgebung nicht über 22 A belastet werden sollte, um einen zuverlässigen Betrieb ohne Fehlauslösungen zu gewährleisten.
Wie Reduktionsfaktoren ermittelt werden
Reduktionsfaktoren sind keine theoretischen Berechnungen – sie werden empirisch durch umfangreiche Tests der Hersteller abgeleitet. Jede LS-Schalter-Produktserie wird thermischen Tests über einen Bereich von Umgebungstemperaturen unterzogen, um die tatsächlichen Auslösecharakteristiken zu messen. Die Ergebnisse werden in Reduzierungstabellen oder -kurven zusammengefasst, die für die jeweilige Produktlinie spezifisch sind.
Aus diesem Grund ist es wichtig, die technischen Dokumentationen des Herstellers zu konsultieren, anstatt sich ausschließlich auf allgemeine Branchenfaustregeln zu verlassen. Unterschiedliche LS-Schalter-Designs, interne Komponentenlayouts und Wärmemanagementfunktionen können zu unterschiedlichen Reduzierungseigenschaften führen, selbst bei Schutzschaltern mit der gleichen Nennleistung.
Die Reduzierungskurve
Hersteller stellen Reduzierungsinformationen typischerweise in zwei Formaten dar: tabellarische Daten und grafische Kurven. Eine Reduzierungskurve trägt die Umgebungstemperatur auf der X-Achse gegen entweder den Reduzierungsfaktor oder die effektive Strombelastbarkeit auf der Y-Achse auf.
Diese Kurven zeigen wichtige Eigenschaften:
- Die Beziehung ist im Allgemeinen nichtlinear, mit einer steileren Kapazitätsreduzierung bei höheren Temperaturen
- Einige LS-Schalter-Designs zeigen eine allmählichere Reduzierung, während andere stärker abfallen
- Die Kurven können sich bei sehr hohen Temperaturen abflachen und sich der absoluten maximalen Betriebsgrenze des LS-Schalters nähern
Praktische Berechnungsbeispiele
Beispiel 1: Grundlegende Reduzierung
Sie müssen einen LS-Schalter in einem Bedienfeld installieren, in dem die interne Umgebungstemperatur 55 °C erreicht. Der Stromkreis benötigt einen kontinuierlichen Schutz für eine 30-A-Last. Die Daten des Herstellers zeigen einen Reduzierungsfaktor von 0,85 bei 55 °C.
- Erforderliche LS-Schalter-Nennleistung = Laststrom ÷ Reduzierungsfaktor
- Erforderliche LS-Schalter-Nennleistung = 30 A ÷ 0,85 = 35,3 A
- Wählen Sie die nächstgrößere Standardgröße: 40-A-LS-Schalter
Beispiel 2: Verifikationsansatz
Sie haben einen 63-A-LS-Schalter für eine Anwendung spezifiziert. Die erwartete Umgebungstemperatur beträgt 60 °C. Die Tabelle des Herstellers zeigt, dass dieser LS-Schalter bei 60 °C 54 A führen kann (Reduzierungsfaktor von ca. 0,86).
Wenn Ihre tatsächliche Last 58 A beträgt:
- 58A > 54A (temperaturbereinigte Kapazität)
- Der 63A MCB ist für diese Anwendung unterdimensioniert; Upgrade auf 80A
Beispiel 3: Rückwärtsrechnung
Eine bestehende Installation verwendet einen 32A MCB. Die Sommertemperaturen im Inneren des Schaltschranks erreichen 65°C. Unter Verwendung eines Hersteller-Derating-Faktors von 0,78 bei 65°C:
- Effektive Kapazität = 32A × 0,78 = 25A
- Maximale sichere Dauerlast: 25A
Diese Beispiele zeigen, warum die Temperaturreduzierung ein integraler Bestandteil der MCB-Auswahl sein muss und nicht erst im Nachhinein berücksichtigt werden darf.
Standard-Derating-Tabellen & Richtlinien
Typische Derating-Werte
Während die spezifischen Derating-Faktoren je nach Hersteller und Produktlinie variieren, zeigen die Branchendaten konsistente Muster. Für thermisch-magnetische MCBs, die bei 30°C kalibriert sind (gemäß IEC 60898-1), gelten typischerweise folgende Derating-Faktoren:
| Temperatur in der Umgebung | Typischer Derating-Faktor | Beispiel: 32A MCB Effektive Kapazität |
|---|---|---|
| 30°C (Referenz) | 1.00 | 32A |
| 40°C | 0.94 – 0.97 | 30A – 31A |
| 50°C | 0.88 – 0.95 | 28A – 30A |
| 60°C | 0.76 – 0.90 | 24A – 29A |
| 70°C | 0.64 – 0.85 | 20A – 27A |
Für MCBs und MCCBs die bei 40°C kalibriert sind (gemäß IEC 60947-2), verschiebt sich die Basislinie entsprechend:
| Temperatur in der Umgebung | Typischer Derating-Faktor | Beispiel: 100A MCCB Effektive Kapazität |
|---|---|---|
| 40°C (Referenz) | 1.00 | 100A |
| 50°C | 0.90 – 0.94 | 90A – 94A |
| 60°C | 0.80 – 0.87 | 80A – 87A |
| 70°C | 0.70 – 0.80 | 70A – 80A |
Die Bereiche spiegeln die Unterschiede zwischen den Produktdesigns verschiedener Hersteller wider. Premium-MCB-Serien mit verbessertem Wärmemanagement können bei erhöhten Temperaturen eine bessere Leistung zeigen.
Herstellerspezifische Daten
Führende Hersteller stellen detaillierte Derating-Informationen in ihren technischen Katalogen zur Verfügung:
ABB S200 Serie (30°C Referenz): Für einen 80A MCB beträgt der maximale Betriebsstrom bei verschiedenen Temperaturen ungefähr 77,6A bei 50°C, 75,2A bei 60°C und 72,8A bei 70°C.
Schneider Electric Acti9 Serie: Ein 160A thermisch-magnetischer Schutzschalter, der bei 40°C kalibriert ist, zeigt effektive Kapazitäten von 150A bei 50°C, 140A bei 60°C und 130A bei 70°C – was eine Reduzierung von etwa 10A pro 10°C Inkrement demonstriert.
Eaton und Siemens: Beide Hersteller betonen die Bedeutung der Konsultation produktspezifischer Dokumentationen, da die Derating-Eigenschaften über ihre umfangreichen MCB-Portfolios hinweg erheblich variieren.
IEC-Standards Richtlinien
IEC 60898-1 und IEC 60947-2 legen die Testprotokolle und Referenztemperaturen fest, schreiben aber keine spezifischen Derating-Werte vor. Stattdessen müssen die Hersteller diese Daten auf der Grundlage von Typprüfungen ihrer Produkte bereitstellen. Die Normen schreiben vor, dass MCBs in ihrem spezifizierten Temperaturbereich sicher arbeiten müssen, aber eine Leistungsverschlechterung bei Temperaturextremen wird erwartet und muss bei der Anwendungsplanung berücksichtigt werden.
Wann konservativere Faktoren anzuwenden sind
In bestimmten Szenarien ist die Anwendung konservativerer Deratings ratsam:
- Unternehmenskritische Anwendungen bei denen jede Fehlauslösung schwerwiegende Folgen hat
- Installationen mit schlechter Temperaturüberwachung bei denen die tatsächliche Umgebungstemperatur die Designannahmen überschreiten kann
- Alternde Installationen bei denen die MCB-Kalibrierung im Laufe der Jahre abgedriftet sein kann
- Umgebungen mit großen Temperaturschwankungen die den Bimetallstreifen durch wiederholte thermische Zyklen belasten
Praktische Anwendung & Installationshinweise
Definition der Umgebungstemperatur in realen Installationen
Ein kritischer Punkt, der oft missverstanden wird: Die Umgebungstemperatur für MCB-Derating-Zwecke ist nicht Raumtemperatur. Es ist die Temperatur der Luft, die den MCB selbst unmittelbar umgibt. In geschlossenen Installationen kann diese deutlich höher sein als die allgemeine Umgebungstemperatur.
Ein Schaltschrank, der sich in einem klimatisierten Raum mit 25°C befindet, kann aufgrund der Wärme, die von anderen Geräten erzeugt wird, der Sonneneinstrahlung auf das Gehäuse oder einer unzureichenden Belüftung eine Innentemperatur von 45°C oder höher aufweisen. Messen oder berechnen Sie immer die tatsächliche Temperatur im Inneren des Gehäuses, in dem die MCBs montiert sind.
Gehäuseeffekte und Wärmestau
Elektrische Gehäuse erzeugen lokalisierte Hot Zones. Zu den Wärmequellen gehören:
- Netzteile und Transformatoren, die kontinuierlich Wärme erzeugen
- Frequenzumrichter (Variable Frequency Drives) mit Schaltverlusten
- Schütze und Relais mit erregten Spulen
- Die MCBs selbst, die I²R-Verluste verursachen
In einem dicht gepackten Panel ohne ausreichende Belüftung können die Innentemperaturen die äußere Umgebungstemperatur um 20-30°C übersteigen. Lüfter, Kühlkörper und ein angemessener Abstand sind wesentliche Vermeidungsstrategien.
Gruppierungsfaktoren und mehrere MCBs
Wenn mehrere MCBs nebeneinander in unmittelbarer Nähe montiert werden, erzeugt ihre kombinierte Wärmeabgabe gegenseitige Erwärmungseffekte. Dies erfordert die Anwendung eines zusätzlichen Gruppierungsfaktors oder Anordnungsfaktors zusätzlich zur Reduzierung aufgrund der Umgebungstemperatur.
Beispielsweise berücksichtigt die IEC 60947-2, dass in Reihen in einem Gehäuse montierte Schutzschalter höheren Betriebstemperaturen ausgesetzt sind als isolierte Einheiten. Einige Hersteller geben spezifische Anleitungen: Eine Reihe von 3-6 nebeneinander liegenden MCBs kann eine zusätzliche Reduzierung von 5-10 % über die Temperaturkorrektur hinaus erfordern.
Der kumulative Effekt kann erheblich sein:
- Reduzierung aufgrund der Umgebungstemperatur: 0,90 (bei 50°C)
- Gruppierungsfaktor: 0,95 (für 4 nebeneinander liegende MCBs)
- Kombinierter Faktor: 0,90 × 0,95 = 0,855
- Ein 32A MCB wird effektiv zu: 32A × 0,855 = 27,4A Kapazität
Belüftung und Wärmemanagement
Eine ordnungsgemäße Gehäusekonstruktion hat einen erheblichen Einfluss auf die thermische Leistung des MCB:
Natürliche Konvektion: Stellen Sie sicher, dass über und unter den MCB-Reihen ausreichend Platz vorhanden ist. Heiße Luft muss aus den oberen Lüftungsöffnungen entweichen, während kühlere Luft von unten eintritt.
Zwangslüftung: Geben Sie bei Installationen mit hoher Dichte oder in heißen Umgebungen Lüfter an, die so dimensioniert sind, dass akzeptable Innentemperaturen aufrechterhalten werden. Eine allgemeine Richtlinie ist, die Gehäuseinnentemperatur innerhalb von 10-15°C der äußeren Umgebungstemperatur zu halten.
Thermische Barrieren: Isolieren Sie Komponenten mit hoher Wärmeentwicklung (Frequenzumrichter, Netzteile) von MCB-Abschnitten mithilfe von Leitblechen oder separaten Fächern.
Koordination der Kabelreduzierung
Ein entscheidender, aber oft übersehener Punkt: Auch an MCBs angeschlossene Kabel erfordern eine Temperaturreduzierung. Das gesamte Stromkreisschutzsystem ist nur so zuverlässig wie sein schwächstes Element.
Wenn ein MCB aufgrund der Temperatur auf 28 A reduziert wird, das angeschlossene Kabel (das ebenfalls einer Temperaturreduzierung unterliegt) aber in derselben Umgebung nur sicher 26 A führen kann, ist der Stromkreis auf 26 A begrenzt – nicht auf 28 A. Koordinieren Sie immer die Berechnungen zur Reduzierung von MCB und Kabel.
Höhenlagenberücksichtigungen
In Höhenlagen über 2.000 Metern nimmt die Luftdichte ab, wodurch die Kühlwirkung verringert wird. Dies kann eine zusätzliche Reduzierung erforderlich machen, die typischerweise in der Herstellerdokumentation für Anwendungen in großer Höhe angegeben ist.
Fazit
Die Umgebungstemperatur ist ein kritischer, aber häufig unterschätzter Faktor bei der Auswahl und Anwendung von MCBs. Die Nennleistung eines MCB liefert zwar wichtige Informationen, stellt aber nur die Leistung bei der Standardreferenztemperatur dar – typischerweise 30°C für Geräte im Wohn- und Gewerbebereich oder 40°C für industrielle Anwendungen.
In realen Installationen, insbesondere in elektrischen Gehäusen oder in anspruchsvollen thermischen Umgebungen, kann die effektive Strombelastbarkeit eines MCB erheblich reduziert werden. Das Ignorieren der Temperaturreduzierung führt zu unerwünschten Auslösungen, einer beeinträchtigten Schutzzuverlässigkeit und vorzeitigem Geräteausfall.
Die wichtigsten Erkenntnisse für Elektrofachkräfte:
- Bestimmen Sie immer die tatsächliche Umgebungstemperatur am MCB-Standort, nicht nur die Raumtemperatur
- Konsultieren Sie herstellerspezifische Reduzierungstabellen, anstatt sich ausschließlich auf allgemeine Richtlinien zu verlassen
- Wenden Sie sowohl die Temperaturreduzierung als auch die Gruppierungsfaktoren für mehrere nebeneinander liegende MCBs an
- Koordinieren Sie die MCB-Reduzierung mit der Reduzierung der Strombelastbarkeit des Kabels
- Konstruieren Sie Gehäuse mit ausreichender Belüftung, um die Wärmeentwicklung zu steuern
Bei VIOX bieten wir umfassende technische Dokumentationen für alle unsere MCB-Produktlinien, einschließlich detaillierter Temperaturreduzierungskurven und Anwendungsrichtlinien. Unser technisches Support-Team steht Ihnen bei komplexen Installationen zur Seite, bei denen das Wärmemanagement von entscheidender Bedeutung ist. Die richtige MCB-Auswahl unter Berücksichtigung der Umgebungstemperatur stellt sicher, dass Ihr elektrisches Schutzsystem genau dann eine zuverlässige und langfristige Leistung erbringt, wenn es am dringendsten benötigt wird.
Technische Spezifikationen, Reduzierungstabellen und Anwendungsunterstützung für VIOX MCBs finden Sie in unseren Produktkatalogen oder wenden Sie sich an unser technisches Team.
