Thermischer vs. magnetischer Auslöser: Wie ein Leistungsschalter einen Stromkreis wirklich schützt

In jedem Leitungsschutzschalter (MCB) gibt es nicht nur einen, sondern zwei Schutzmechanismen, die das System gegen verschiedene Arten von Fehlern schützen. Das Verständnis der Bedeutung von thermischem und magnetischem Auslöser hilft Ihnen zu verstehen, wie ein Leitungsschutzschalter funktioniert, um ein Gebäude sicher zu halten, und dies ist eine der häufigsten Fragen von Verbrauchern, Elektrikern und Qualitätskontrolleuren in Fabriken.

Dieser Leitfaden erklärt in einfachen Worten die Grundfunktionen von thermischem Auslöser und magnetischem Auslöser, wie sie sich unterscheiden und wie Unternehmen diese Auslöser mithilfe von thermischer Kalibrierung und magnetischen Auslösetests überprüfen, bevor ein bestimmter Schutzschalter das Werk verlässt. Der Leitfaden behandelt auch, wie Benlong Automation die Systeme herstellt, die die Tests an den Geräten von MCB- und MCCB-Herstellern weltweit durchführen.

Die thermischen sowie magnetischen Auslöser

In thermisch-magnetischen Leitungsschutzschaltern sind zwei verschiedene Auslösesysteme eingebaut. Der thermische Teil des Auslösers schützt vor Überlast. Der Begriff Überlast wird hier verwendet, weil der Strom zu hoch ist, aber nicht gefährlich genug, um Schäden zu verursachen. Der magnetische Teil des Auslösers reagiert auf einen Kurzschluss. Jeder Leitungsschutzschalter verfügt über einen Auslösemechanismus, der den Betrieb des Schutzschalters sicher macht.

Die schnellste Möglichkeit, sich den thermischen Auslöser im Vergleich zum magnetischen zu merken, ist die Geschwindigkeit. Die Bewegung des thermischen Auslösers ist langsam, da es keinen Grund gibt, bei kleiner Überlast anders zu reagieren – die Tatsache, dass eine Überlast vorliegt, stellt keinen Notfall dar. Die Bewegung des magnetischen Auslösers erfolgt in Millisekunden sofort.

Was ist der thermische Auslöser? (Überlastschutz)

Der thermischen Auslöser Er basiert auf einem Bimetallstreifen – zwei Metalle, die miteinander verbunden sind und sich bei Erwärmung unterschiedlich ausdehnen. Wenn ein Strom, der die Kapazität des Schutzschalters überschreitet, über längere Zeit den Grenzwert überschreitet, wird der Streifen erhitzt, verbiegt sich und löst schließlich den Mechanismus aus, der den Stromkreis öffnet. Je höher der Strom, desto schneller erfolgt die Biegung des Streifens, was dem Schutzschalter seine einzigartige Eigenschaft der inversen Zeitreaktion verleiht: Bei kleiner Überlast stoppt der Schutzschalter den Strom nicht sofort, während er bei großer Überlast nahezu verzögerungsfrei reagiert.

Eine so langsame Reaktion funktioniert perfekt bei Überlastungen. Wenn ein Haushaltsstromkreis mehr Strom führt, als vorgesehen, weil mehrere Geräte gleichzeitig Strom verbrauchen, besteht keine Notfallsituation, da die Verkabelung einfach nicht überhitzen darf. Ein thermischer Auslöser erlaubt einen sehr kurzen Stromstoß, wie den Einschaltstrom beim Start eines Generators, schützt aber gleichzeitig die Leitung vor längerer Überlastung. Üblicherweise tritt ein solcher Fall innerhalb von Bruchteilen einer Sekunde bis zu mehreren Minuten auf, abhängig vom Ausmaß der Überlast.

Die Abhängigkeit von Wärme hat bestimmte Auswirkungen, wie die Bedeutung der Umgebungstemperatur. Ein bereits auf einem heißen Fabrikboden erhitzter Bimetallstreifen wird sich verbiegen, noch bevor sich derselbe Streifen auf einem kühlen Boden verbiegt, was allein eine präzise Kalibrierung des Geräts unter kontrollierten Bedingungen erforderlich macht, während jedes moderne Gerät eine Temperaturkompensation beinhaltet. Darüber hinaus wird der thermische Auslösewert als Band definiert und nicht als Einzelwert; das bedeutet, dass die Norm den Betriebszeitraum genehmigt, sodass normale Temperaturschwankungen einen guten Schutzschalter nicht zu einem Fehler machen.

Was ist der magnetische Auslöser? (Kurzschlussschutz)

Der magnetischer Auslöser funktioniert nach einem völlig anderen Prinzip: Elektromagnetismus. Eine Spule im Schutzschalter erzeugt ein Magnetfeld, das der Menge des durchfließenden Stroms entspricht. Wenn der Strom normal ist, ist das Magnetfeld schwach und es erfolgt keine Aktion. Wenn jedoch ein Kurzschluss eine enorme Strommenge durchleitet – oft das Nennwert um ein Vielfaches überschreitend – wird die magnetische Schwelle stark genug, um einen Anker umzuschwingen und den Schutzschalter fast sofort auszulösen.

Da ein Kurzschluss ein echter Notfall ist, wird er in Millisekunden gemessen, nicht in Sekunden. Es gibt keine Verzögerung und keine sanfte inverse Zeitkurve im Sofortmodus. In dem Moment, in dem der Strom die magnetische Schwelle überschreitet, öffnet der Schutzschalter so schnell, wie der Mechanismus es zulässt. Dies ist der Mechanismus, der Feuer verhindert und Geräte vom Moment des Stromkreisfehlers an schützt, der den Widerstand auf fast null senkt und den Strom auf gefährliche Werte erhöht.

Die magnetische Schwelle wird im Design eingestellt und bestimmt die Auslösekennlinie des Schutzschalters. Wenn sie zu niedrig eingestellt ist, löst der Schutzschalter jedes Mal aus, wenn der Motor den enormen Anlaufstrom zieht; ist sie zu hoch, verzögert sich die Reaktion bei einem Fehler. Die Hersteller stimmen daher die Spule und den Anker auf ein Vielfaches des Nennstroms ab und prüfen dann am Prüfstand, ob der Schutzschalter in diesem Rahmen funktioniert.

Der Hauptunterschied zwischen thermischem und magnetischem Auslöser

Der direkte Vergleich macht den Kontrast deutlich. Sie reagieren auf unterschiedliche Fehler, auf unterschiedlichen Zeitskalen, mit unterschiedlicher Physik – leben jedoch im selben Schutzschalter und teilen sich dasselbe Kontaktpaar, weshalb das Gerät als thermisch-magnetischer Schutzschalter bezeichnet wird.

Ein Punkt sorgt für endlose Verwirrung, daher ist es wert, ihn klar zu sagen: Die B-, C- und D-Kurven, die auf einem Schutzschalter aufgedruckt sind, beziehen sich nur auf den magnetischen (sofortigen) Auslösebereich – nicht auf die thermische Überlastreaktion. Ein B-Kurven-Leistungsschalter löst magnetisch bei etwa dem 3- bis 5-fachen des Nennstroms aus, ein C-Kurven-Leistungsschalter bei etwa dem 5- bis 10-fachen und ein D-Kurven-Leistungsschalter bei etwa dem 10- bis 20-fachen. Ihr thermisches Überlastverhalten ist im Wesentlichen gleich; es ändert sich die Kurzschlussempfindlichkeit. Deshalb verwendet ein Motorstromkreis, der zu großen Anlaufströmen neigt, eine C- oder D-Kurve anstelle einer B-Kurve, die bei jedem Motorstart störend auslösen würde.

Wie Hersteller den thermischen Auslöser testen: Thermische Kalibrierung

Thermische Kalibrierung ist der Fabrikprozess zur Überprüfung und Feinabstimmung des Überlastauslösers, damit jeder Leistungsschalter innerhalb des von der Norm erlaubten Zeitfensters auslöst. Nach IEC 60898-1 legt ein Prüfstand zwei Schlüsseströme an: 1,13-facher Nennstrom, bei dem der Leistungsschalter innerhalb einer konventionellen Zeit nicht auslösen darf, und 1,45-facher Nennstrom, bei dem er innerhalb der erlaubten Zeit auslösen muss. Liegt die gemessene Auslösezeit außerhalb des Fensters, justiert ein Techniker die Position des Bimetallstreifens und testet erneut, bis sie innerhalb der Spezifikation liegt.

Benlongs halbautomatischer Prüfstand zur thermischen Auslöserkalibrierung ist genau für diese Aufgabe gebaut. Er legt den programmierten Überlaststrom – bis zu 200 A – an, misst die Auslösezeit automatisch und zeigt auf einem Touchscreen „Bestanden“ oder „Nicht bestanden“ im Vergleich zum IEC-Fenster an, während ein Schaltmechanismus es ermöglicht, viele verschiedene MCB-Gehäuse ohne Umverdrahtung an einem Prüfstand zu bearbeiten. Da der Strom automatisch angelegt und die Zeit gemessen wird, anstatt von einem Bediener mit einer Stoppuhr, sind die Ergebnisse viel reproduzierbarer, und jede Messung kann für Qualitätsaufzeichnungen exportiert werden. Das ist der Unterschied zwischen einem Leistungsschalter, der nur korrekt aussieht, und einem, der nachweislich rechtzeitig auslöst.

Wie Hersteller den magnetischen Auslöser testen: Der magnetische Auslösetest

Der magnetic trip test überprüft die andere Hälfte des Leistungsschalters: seine sofortige Kurzschlussreaktion. Hier liefert ein Prüfstand einen kurzen Hochstromimpuls – typischerweise das 5-, 7,5- oder 10-fache des Nennstroms, abhängig von der zu überprüfenden Auslösekurve – und misst, wie viele Millisekunden der Leistungsschalter zum Öffnen benötigt. Der Impuls muss einen schnellen, sauberen Anstieg haben, damit die gemessene Auslösezeit den Leistungsschalter selbst und nicht die Prüfausrüstung widerspiegelt.

Benlongs halbautomatischer Prüfstand für magnetische Auslösetests erzeugt programmierbare Vielfache des Nennstroms, bis zu mehreren tausend Ampere Spitzenstrom, und misst die Auslösezeit auf die Millisekunde genau, mit derselben Touchscreen-Steuerung und automatischer Datenprotokollierung wie der thermische Prüfstand. Da der Strommultiplikator am HMI wählbar ist, kann ein Prüfstand B-, C- und D-Kurven-Leistungsschalter einfach durch Auswahl der richtigen Einstellung überprüfen. Ein typischer Test dauert nur wenige Sekunden pro Leistungsschalter, was wichtig ist, wenn eine Produktionslinie täglich Tausende von Einheiten prüfen muss, ohne zum Engpass zu werden.

Klärung einiger häufiger Verwirrungen

Oft als austauschbar betrachtet, sind die MCB- und RCCB-Komponenten tatsächlich recht unterschiedlich in Bezug auf ihre Funktionen. Das Erste, was man bei der Unterscheidung zwischen ihnen beachten sollte, ist, dass der MCB keinen Schutz gegen Stromschläge durch Erdschluss bietet – diese Aufgabe übernimmt vielmehr der RCCB oder der Fehlerstromteil eines RCBO, der Erdschluss erkennt, anstatt Überlast oder Kurzschluss. Die thermischen und magnetischen Auslösemechanismen schützen die Installation und die Ausrüstung; der Fehlerstromschutz hingegen ist für diesen Zweck vorgesehen.

Eine weitere Klarstellung ist, dass das Auslösen niemals als Problem mit dem Leistungsschalter missverstanden werden sollte. Manchmal löst der Leistungsschalter aus, weil er seine Aufgabe gut erfüllt. Daher ist eine der Hauptaufgaben der Qualitätsabteilungen zu verstehen, ob der Leistungsschalter unter den richtigen Strombedingungen auslöst und innerhalb des angemessenen Zeitrahmens reagiert – weder zu früh, um Fehlalarme zu vermeiden, noch zu spät, um einen Fehler zuzulassen. Dank dieser beiden Punkte wird die thermische Kalibrierung durchgeführt und ein magnetischer Auslösetest vorgenommen.
Außerdem sollten wir uns daran erinnern, dass die Nennstromstärke des Leistungsschalters (zum Beispiel 16A oder 32A) den maximalen Dauerstrom bezeichnet, der durch den Leistungsschalter fließen kann, jedoch nicht mit dem Stromniveau zusammenhängt, das das Auslösen verursacht.

Warum beide Tests für Qualität und Sicherheit wichtig sind

Ein Leistungsschalter, der einen der Tests besteht, könnte gefährlicher sein als einer, der beide Tests nicht besteht, da er ein falsches Sicherheitsgefühl erzeugt. Ein Leistungsschalter mit einwandfreier magnetischer Reaktion, aber fehlerhafter thermischer Reaktion kann bei mäßiger Überlastung eine Überhitzung der Kabel verursachen. Ein anderer Leistungsschalter hat eine perfekte thermische Reaktion, aber eine schwache magnetische Reaktion, wodurch er einen Kurzschluss nicht rechtzeitig abschalten kann, um einen Brand zu verhindern. Aus diesem Grund prüfen seriöse Hersteller beide Reaktionen für jede Charge und oft für jedes produzierte Gerät.

Die relevanten Normen – IEC 60898-1 für Haushalts-Leistungsschalter und IEC 60947-2 für industrielle – legen genau fest, welche Ströme anzulegen sind und welche Auslösefenster akzeptabel sind. Diese Normen sind die Grundlage, damit ein Hersteller CE-, UL- oder CB-Zertifizierungen für Exportmärkte erhält. Für ein umfassenderes Verständnis, wie diese Tests in einen vollständigen Qualitätsprozess eingebettet sind, bietet Benlongs Leitfaden was ein MCB-Prüflabor macht einen vollständigen Überblick über das gesamte Testprogramm und die dahinterstehenden Normen.

Hersteller, die Produkte in anspruchsvolle Märkte wie Europa, die Golfstaaten, Indien oder Lateinamerika exportieren, wissen, dass Compliance nicht nur ein Konzept ist.

Immer mehr Käufer verlangen Daten zu den an jeder Einheit durchgeführten Tests, und wenn im Feld ein Fehler auftritt – zum Beispiel ein Leistungsschalter, der auslösen sollte, es aber nicht tat – könnte der Hersteller mit einer Prüfung, einem Rückruf oder sogar dem Verlust des Vertrags konfrontiert werden.

Daher ist eine konsequente dokumentierte thermische und magnetische Prüfung eine kostengünstige Form der Versicherung für den Leistungsschalterhersteller und steht in keinem Verhältnis zu den Kostenfolgen, Produkte ohne Nachweis ihrer ordnungsgemäßen Leistung in Märkte zu versenden.

Vom Prüfstand zur Linie: Automatisierung der thermischen und magnetischen Prüfung.

Im Fall der Kleinserienfertigung führt ein Labor oder Werk die thermische Kalibrierung und den magnetischen Auslösetest an zwei getrennten halbautomatischen Arbeitsstationen durch, wobei der Schalter manuell in die Prüfung eingesetzt und entnommen wird.

Mit zunehmender Produktion werden diese beiden Tests in eine automatisierte Linie integriert, die als Förderband bezeichnet wird, wobei die Schalter von einer Station zur nächsten über ein Förderband transportiert werden und folgende Abläufe durchlaufen: thermische Kalibrierung, magnetischer Auslösetest, Isolationsfestigkeitsprüfung, Schaltaktivität Ein-Aus, gefolgt von der Sortierung basierend auf den Ergebnissen – all dies ohne manuelle Handhabung jedes einzelnen Stücks.

Der Hauptunterschied zwischen thermischen Auslösern und magnetischen Auslösern liegt in den Fehlern, vor denen sie die elektrischen Stromkreise schützen. Der thermische Auslöser schützt vor langsamen und allmählichen Überlastungen mittels eines wärmeempfindlichen Bimetallstreifens und benötigt daher Zeit zum Reagieren, im Gegensatz zum magnetischen Auslöser, der für sofortige Kurzschlüsse durch die Wirkung der elektromagnetischen Kraft verantwortlich ist. Beide Auslösertypen sind in Leistungsschaltern zu finden, entsprechen den internationalen Normen und müssen jeweils das Temperaturprüfverfahren für den thermischen Auslöser oder die Prüfung des magnetischen Auslösers bestehen, um ordnungsgemäß funktionieren zu können.

Benlong Automation bietet eine Vielzahl von thermischen Kalibrierbänken, Ausrüstungen zur Durchführung eines magnetischen Auslösetests sowie vollautomatisierte Lösungen für Leistungsschalterhersteller weltweit an. Teilen Sie uns Ihre Leistungsschaltermodelle und Anforderungen sowie die Zielnormen mit, und unsere Ingenieure empfehlen die besten Prüflösungen für Ihre Bedürfnisse und geben Ihnen eine Bewertung des ROI basierend auf unserer Technologie.

Huang Xiaolei | Benlong Automatisierung