Von MVA zu kA/kV: Warum sich Leistungs-Schalter-Kennwerte geändert haben

Leistungsschalter-Kennwerte: Schaltvermögen, Einschaltvermögen, Spannungs- & Stromnennwerte, Schaltfolge & Kurzzeitbelastbarkeit

Früher sprach man von „500 MVA“ oder „1000 MVA“ Leistungsschaltern – diese Angaben finden sich auf modernen Geräten nicht mehr. Die Normen haben sich geändert: Heute wird das Schaltvermögen (Breaking Capacity) in kA (kiloampere) statt in MVA angegeben. Klären wir die Hintergründe.

Ein Leistungsschalter (CB) ist ein Steuer- und Schutzeinrichtung, die:

• Stromkreise manuell oder automatisch in Normal- und Fehlerzuständen ein- und ausschaltet
• Bei Kurzschluss/Überstrom automatisch ausschaltet und den Fehlerstrom führt
• Fehlerstrom für kurze Zeit führt, während nachgeschaltete Schalter den Fehler beseitigen

Basierend auf diesen Aufgaben gibt es sechs Hauptkennwerte:

1. Schaltvermögen (Breaking Capacity)
2. Einschaltvermögen (Making Capacity)
3. Schaltfolge / Nennbetriebsfolge (Duty Cycle / Rated Operating Sequence)
4. Nennspannung (Rated Voltage)
5. Kurzzeitbelastbarkeit (Short Time Withstand Current)
6. Nennstrom (Normal Current Rating)

Schaltvermögen (früher MVA, heute kA)

Das Schaltvermögen ist der maximale Fehler-/Kurzschlussstrom (RMS), den ein Leistungsschalter bei Nennwiederanlaufspannung durch Öffnen der Kontakte unterbrechen kann, ohne selbst oder angeschlossene Geräte zu beschädigen.

Es wird als RMS-Wert angegeben, da bei Kurzschlüssen symmetrische und asymmetrische Stromanteile (DC-Komponenten, Einschwingvorgänge) auftreten.

Früher wurde das Schaltvermögen in MVA angegeben, berechnet aus Nennschaltstrom und Nennbetriebsspannung:

Schaltvermögen (MVA) = √3 × V × I × 10⁻⁶

Beispiel: Ein Schalter mit 100 MVA Schaltvermögen bei 11 kV Nennspannung:
Schaltstrom = 100 × 10⁶ / (√3 × 11.000) = 52,48 kA

Warum nicht mehr MVA, sondern kA?

Während des Kurzschlusses liegt sehr niedrige Spannung am Schalter an (nahe 0 V), aber höchster Strom fließt. Erst nach dem Kontaktöffnen erscheint die Nennspannung als Wiederanlaufspannung (TRV) über den Kontakten. Die MVA-Rechnung (V × I) suggeriert, beide Größen lägen gleichzeitig in voller Höhe an – was physikalisch falsch ist.

Daher schreiben moderne Normen (IEC 62271-100, IEEE C37) das Schaltvermögen als symmetrischen Schaltstrom in kA bei Nennspannung vor, ergänzt um die Transient Recovery Voltage (TRV) für symmetrische und asymmetrische Fehlerströme.

Einschaltvermögen (Making Capacity)

Das Einschaltvermögen ist der Scheitelwert des Stroms (inkl. DC-Anteil und Asymmetrie) im ersten Halbzyklus nach dem Schließen der Kontakte auf einen bestehenden Kurzschluss.

• Schaltvermögen = RMS-Wert
• Einschaltvermögen = Scheitelwert (Peak)

Die elektromagnetischen Kräfte beim Einschalten sind proportional zum Quadrat des momentanen Stromwerts. Daher wird der Peak-Wert herangezogen.

Theoretisch kann der Fehlerstrom im ersten Zyklus auf das Doppelte des symmetrischen Werts ansteigen (maximale Asymmetrie). Daher gilt:

Einschaltvermögen = 2,55 × symmetrischer Schaltstrom (RMS)

Herleitung: √2 (RMS → Peak) × 1,8 (Asymmetriefaktor) ≈ 2,55

Merke: Das Einschaltvermögen ist immer größer als das Schaltvermögen.

Schaltfolge / Nennbetriebsfolge (Duty Cycle)

Zeigt die mechanische Beanspruchung des Schaltmechanismus:

O – t – CO – t' – CO

• O = Öffnen (Auslösen)
• t = 0,3 s für erste Auto-Wiedereinschaltung (falls nicht anders angegeben)
• t' = Zeit zwischen zwei Schaltvorgängen (Abkühlung, Wiederherstellung der Anfangsbedingungen)
• CO = Schließen (Einschalten) unmittelbar nach Öffnen ohne Zeitverzug

Nennspannung (Rated Voltage)

Die maximal zulässige Spannung, bei der der Schalter schadlos betrieben werden kann. Sie hängt von Isolierstoffdicke und -material ab.

Die Nennspannung bezieht sich auf die höchste Systemspannung, da bei Lastabwurf Spannungserhöhungen auftreten (Ferranti-Effekt, Resonanzen). Ein Schalter für 6,6-kV-Netze wird z. B. für 7,2 kV ausgelegt. Bei 400-kV-Systemen sind 5 % Überhöhung, bei 40-kV-Systemen 10 % zugrunde zu legen.

Ein 400-V-Schalter darf nicht an 1.000 V betrieben werden. Ein 1.000-V-Schalter darf an 400 V betrieben werden. Wird die Nennspannung überschritten, kann die Lichtbogenlöschung versagen (TRV > Dielektrische Festigkeit des Löschmediums) → Zerstörung.

Üblicherweise ist die Schalternennspannung höher als die Nennspannung von Sammelschienen und Lasten.

Unterscheidung:

• Niederspannungsschalter: bis 1 kV AC / 1,2 kV DC, meist Innenanwendung, komplexer, häufigere Schaltvorgänge
• Hochspannungsschalter: > 1 kV AC, Innen- & Außenanwendung, größere Luftstrecken, andere Prüfverfahren

Zusätzliche Spannungskennwerte:

1. Stoßspannungsfestigkeit (Impulse Voltage Rating): Widerstandsfähigkeit gegen Blitz- und Schaltüberspannungen (Dauer: µs-Bereich). Isolierung auf transienten Spitzenwert ausgelegt.
2. Netzfrequenz-Spannungsfestigkeit (Power Frequency Withstand Voltage): Widerstand gegen kurzzeitige (ca. 60 s) Überspannungen durch Lastabwurf oder Resonanzen.

Kurzzeitbelastbarkeit (Short Time Withstand Current / Rated Short-Time Current)

Der Zeitraum, in dem der geschlossene Schalter den Fehlerstrom führen kann, ohne thermisch oder mechanisch (elektrodynamische Kräfte) Schaden zu nehmen.

Bei kurzdauernden Störungen (z. B. vorübergehende Kurzschlüsse, Lastsprünge) soll der Schalter nicht auslösen, wenn der Fehler selbst erlischt. Wird die festgelegte Zeit (Sekunden/Millisekunden) überschritten, löst der Schalter zum Schutz aus.

Kennklassen (B, C, D / Klasse 1–3 nach IS 60898): Klasse 3 erlaubt max. 1,5 × I²t (Joule/s). Beispiel: Ölschalter 3 s Kurzzeitstrom – darf nicht überschritten werden.

Wichtig: Der Nenn-Kurzzeitstrom sollte dem Nenn-Schaltstrom entsprechen. Bei empfindlichen Geräten ist die Zeitkoordination kritisch.

Nennstrom (Normal Current Rating)

Der RMS-Strom, den der Schalter dauerhaft bei Nennspannung und -frequenz ohne unzulässige Erwärmung führen kann.

Der Nennstrom des Schalters sollte ≥ 125 % des Laststroms betragen.
Beispiel: Laststrom 24 A → Schalter ≥ 24 A × 1,25 = 30 A

Umgekehrt: Laststrom = Schalternennstrom × 0,8 → 25-A-Schalter für 20-A-Last (Beleuchtung).