Das Schütz, auch Schaltschütz, ist ein elektrisch oder Elektromagnetisch betätigter Schalter für große elektrische Leistungen und ähnelt einem Relais. Das Schütz kennt zwei Schaltstellungen und schaltet ohne besondere Vorkehrungen im Normalfall monostabil.

Elektromechanisches Schütz

Fließt ein Steuerstrom durch die Magnetspule eines elektromechanischen Schützes, zieht das Magnetfeld die mechanischen Kontakte in den aktiven Zustand. Ohne Strom stellt eine Feder den Ruhezustand wieder her, alle Kontakte kehren in ihre Ausgangslage zurück. Die Anschlüsse für Steuerstrom für die Magnetspule sowie die Kontakte für Hilfskreise (falls vorhanden) und zu schaltende Ströme sind im Schütz gegeneinander isoliert ausgeführt: Es gibt keine leitende Verbindung zwischen Steuer- und Schaltkontakten. Im Grunde ist ein Schütz ein Relais mit wesentlich höherer Schaltleistung. Typische Lasten beginnen bei etwa 500 Watt bis hin zu mehreren hundert Kilowatt.

Spezielle Bauformen, die sich nach der Anwendung und dem Aufbau richten, sind das Heizschütz und das Durchkuppelschütz.

Geschichte

Schütze wurden entwickelt, damit ein Verbraucher mit großer Leistungsaufnahme (z. B. Motor) aus der Ferne über einen handbetätigten Schalter mit kleiner Schaltleistung geschaltet werden kann. Schütze ermöglichten schnellere und sicherere Schaltvorgänge, als dies mit rein mechanischen oder handbetätigten Schaltkonstruktionen möglich ist. Die Leitungslängen von Lastkreisen mit großem Leitungsquerschnitt können damit verringert werden.

Einsatzgebiete

Mit einem Schütz sind wie beim Relais Schaltvorgänge aus der Ferne über Steuerleitungen mit relativ geringem Leiterquerschnitt möglich. Zu den typischen Anwendungsbereichen des Schützes gehört daher die Steuerungs- und Automatisierungstechnik. Konkrete Anwendungsbeispiele sind unter anderem die Motorsteuerung, Steuerung elektrischer Heizelemente und das Schalten lichttechnischer Anlagen sowie die Sicherheitsabschaltung von Maschinen. Mittels Hilfskontakten sind logische Funktionen realisierbar. Beispiele sind die Selbsthalteschaltung oder die Stern-Dreieck-Schaltung. Die möglichen Anwendungsbereiche eines Schützes sind in der Norm durch Gebrauchskategorien festgeschrieben.

Unterschied zum Relais

Schütze unterscheiden sich in folgenden Merkmalen von Relais^[1]:

• Relais sind für geringere Schaltleistung ausgelegt, sie besitzen meist keine Funkenlöschkammern.
• Die Schaltkontakte von Relais sind einfach unterbrechend, während sie bei Schützen immer doppelt unterbrechend sind.
• Relais benutzen oft Klappanker, Schütze hingegen meist Zuganker zwecks größerer mechanischer Schaltkraft, die für die höheren Schaltleistungen und massiveren Kontakte erforderlich ist.

Alle vorstehenden Unterscheidungsmerkmale sind jedoch nicht zwingend, eine klare Abgrenzung ist nicht möglich. Ein allgemein gültiges Unterscheidungsmerkmal ist, dass Schütze nur Öffner- und Schließerkontakte haben, Relais dagegen auch Wechslerkontakte (Umschalter) besitzen können.

Einbau

Schütze gibt es für unterschiedliche Montagearten, beispielsweise für Hutschienenmontage, Montageplatte oder in Gehäusen mit Bohrungen zur Einzelmontage.

Wegen der hohen Schaltleistungen und der dazu erforderlichen massiven Kontakte, deren schneller Betätigung und hoher Kontaktkraft des starken Elektromagneten, verursacht ein Schütz mechanische Erschütterungen. Oft sind die Betätigungsmagnete federnd gelagert, sodass der Körperschall etwas gedämpft wird. Die Einbaulage ist meist beliebig.

Im Gegensatz zu Halbleiterschützen benötigen mechanische Schütze keine wärmeableitende Kühlkörper-Montage. Mechanische Schütze verursachen geringere Verlustleistungen als Halbleiterschütze.

Varianten

Man unterscheidet zwischen Leistungsschützen (Schütze mit hoher Schaltleistung) und Hilfsschützen zur Realisierung logischer Verknüpfungen, für die Ansteuerung von Leistungsschützen oder zum Schalten von Anzeigen oder kleinen Verbrauchern.

Wechselspannungs- und Gleichspannungsschütz

Die Betätigungsspulen von Schützen können für den Betrieb mit Wechselspannung oder Gleichspannung ausgelegt sein. Für Wechselspannungsbetrieb haben ihre Elektromagneten einen Kern, dessen einer Teil von einer Kurzschlusswindung umschlossen ist und als Spaltpol bezeichnet wird. Dieser verursacht eine Phasenverschiebung und damit einen zeitverzögerten Magnetfluss in einem Teil des Eisenkerns, der die Haltekraft während der Zeit aufbringt, in der die Kraft des Hauptfeldes zum Halten des Ankers nicht ausreicht.

Bei Gleichspannungsschützen ist dies nicht erforderlich, hier kann die Rückstellkraft der Feder durch einen Permanentmagneten unterstützt sein. Oft besitzen Gleichspannungsschütze Zwischenlagen oder einen nichtmagnetische Niet, um ein Kleben aufgrund der Restmagnetisierung zu verhindern. Teilweise werden Hilfskontakte und Vorwiderstände verwendet, um den Stromfluss nach dem Anziehen zu reduzieren.

Hilfsschütz

Die Betätigungsspule verursacht als induktiver Verbraucher beim Abschalten durch Selbstinduktion eine störende Spannungsspitze. Zur Schonung der Ansteuerelektronik und zur Vermeidung von Störemissionen kann daher im Steuerkreis eine Schutzbeschaltung gegen diese Abschalt-Überspannung notwendig sein. Bei Wechselstromschützen besteht diese meist aus einer Reihenschaltung eines Widerstandes mit einem Kondensator, die parallel zur Ankerspule angebracht werden (siehe Snubber). Bei Gleichstromschützen kann eine Freilaufdiode eingesetzt werden, um steuernde Kontakte oder die Ansteuer-Elektronik zu schützen.

Zur Entstörung kann in beiden Fällen auch ein Varistor oder eine bidirektionale Suppressordiode, bei Gleichspannung auch eine Zenerdiode oder eine unidirektionale Suppressordiode dienen. Insbesondere bei Gleichspannungsbetätigung verringert sich dadurch gegenüber Freilaufdioden die Abschaltzeit, die Steuerschaltung muss dafür jedoch eine höhere Schaltspannung vertragen.

Einige Schütze verfügen zum leichten Montieren über eine Steckvorrichtung, zu der passende Entstörglieder geliefert werden.^[2]

Vermeidung des Schaltlichtbogens

Beim Trennen der Kontakte treten Abreißfunken oder ein Schaltlichtbogen auf – besonders, wenn induktive Lasten oder Gleichstrom geschaltet werden. Dies führt zu Kontaktabbrand und elektrischen Störemissionen. Luftschütze verfügen über Lichtbogen-Löschkammern bzw. Deionkammern, in die sich der Lichtbogen aufgrund seines Magnetfeldes ausbreitet und dort gekühlt wird, sodass er erlischt. Die Blasmagnete sind bei Wechselspannungsschützen vom Schaltkontaktstrom durchflossene Spulen, jedoch bei Gleichspannungsschützen mit vorgegebener Stromrichtung sind sie Dauermagnete. In besonderen Einsatzbereichen (Explosionsgefährdete Bereiche) kann es notwendig sein, die Kontakte komplett zu kapseln. Auch ein Halbleiterschütz (solid state relay) kann dann verwendet werden.

Es gibt auch Vakuumschütze für Anlagen, die hohe Anforderungen an die Verfügbarkeit erfüllen. Hier befinden sich die Schaltkontakte in einer evakuierten Schaltröhre. Da ein Vakuum eine sehr große Spannungsfestigkeit hat, reißen Lichtbögen beim Öffnen schon bei kleinem Kontaktabstand sehr schnell ab. Somit entsteht weniger Abbrand an den Schaltkontakten.

Seltener sind heute Ölschütze, deren Schaltkontakte in einem Ölbad arbeiten.

Um Abreißfunken und Schaltlichtbögen von vornherein zu vermeiden, können Entstörglieder eingesetzt werden. Typisch sind R-C-Kombinationen (siehe Boucherot-Glied), die über die Kontakte oder den Verbraucher geschaltet werden und kurzzeitig während der beginnenden Kontaktunterbrechung den Stromfluss übernehmen.

Kontaktarten

Hauptkontakte:

• Schließer (Arbeitskontakte; kurz: NO von engl. Normally Open)
• Öffner (Ruhekontakte; kurz: NC von engl. Normally Closed)
• Umschaltkontakte/Wechsler (Kombination eines Öffners mit einem Schließer)
• Folgewechsler (Umschaltkontakt, bei dem alle drei Kontakte kurzzeitig beim Schalten verbunden werden.)

Hilfskontakte zur Schützsteuerung und Signalanzeige

• ebenso Schließer, Öffner und Umschaltkontakte
• voreilende Schließer und verzögerte Öffner, u. a.

Anschlussbezeichnungen

Die Kontakte unterteilen sich in zwei Gruppen: Hauptkontakte für die zu schaltende Leistung und Hilfskontakte als Meldeleitung.

Hauptstromkontakte eines Schützes werden mit einstelligen Ziffern bezeichnet. Dabei führen üblicherweise die ungeraden Ziffern (1, 3, 5) zum Stromnetz, die geraden Ziffern (2, 4, 6) führen zum Verbraucher. Auf dem Schütz selbst steht oft 1_L1 3_L2 5_L3 bzw. 2_T1 4_T2 6_T3. Das L steht für live wire / load oder line, also für die (strom-/)spannungsführende Leitung. Das T für throw, also abwerfen / betätigen sprich den Ausgang. Das kann je nach Aufbau aber auch andersherum genutzt werden. Im Falle von Öffnern als Hauptstromkontakt wird den Klemmenbezeichnungen dabei bei manchen Herstellern ein R vorangestellt. Die Hilfs- bzw. Steuerkontakte haben eine zweistellige Bezeichnung. An der ersten Stelle steht die Ordnungsziffer, mit der die Hilfskontakte fortlaufend nummeriert werden. An der zweiten Stelle steht die Funktionsziffer, die die Aufgabe des jeweiligen Hilfskontaktes angibt (z. B. 1–2 für Öffner(NC), 3–4 für Schließer(NO)).^[3] Auf dem Bauteil selbst steht meist auch noch zusätzlich das Kurzzeichen also z. B. 31_NC bzw. 32_NC oder 53_NO bzw. 54_NO. Die zusätzlichen Bezeichnungen (L1-3, T1-3, NO/NC) werden in der Regel nicht im Schaltplan verwendet, dort werden nur die Ziffern genutzt.

Außerdem gibt es noch die Bezeichnungen 5–6 und 7–8. Diese sind für Kontakte mit besonderer Funktion (zum Beispiel zeitverzögernd öffnen bzw. schließen) vorgesehen.

Beispiele (im Bild farbig gekennzeichnet):

• 1–2: Hauptstromkontakt, schließend (rot)
• R3–R4: Hauptstromkontakt, öffnend
• 13–14: Hilfskontakt, schließend (gelb)
• 21–22: Hilfskontakt, öffnend (violett)
• A1–A2: Spulenanschluss
• T1–T3: Motoranschlüsse (rot unten)

Schaltarten

Die Kontakte können entweder überlappend (MBB, von engl.: make before break) oder nichtüberlappend (normgerecht) schalten. Überlappend bedeutet: Der Schließer schließt während des Umschaltvorgangs bereits, während der Öffner noch nicht getrennt hat; der Eingang und beide Ausgänge sind kurzzeitig miteinander verbunden. Damit sind im Gegensatz zur nichtüberlappenden Schaltart, bei welcher der Öffner trennt, bevor der Schließer Kontakt herstellt, unterbrechungsfreie Umschaltvorgänge möglich. Überlappende Schütze werden als Ü-Schütze, nichtüberlappende als E-Schütze bezeichnet.

Funktionsüberwachung

Sicherheitsrelevante Schütze werden mit zwangsgeführten Kontakten ausgeführt: Öffner und Schließer können nie gleichzeitig geschlossen sein. Das bedeutet z. B., dass ein durch Überlastung verschweißter, das heißt bei stromloser Spule nicht öffnender Schließer dazu führt, dass kein Öffner schließt. Ein solches Schütz kann daher anhand dessen Öffner überwacht werden, ob es abgefallen ist. Mit einem weiteren redundanten Schütz und einem Sicherheits-Schaltgerät kann damit gewährleistet werden, dass eine Anlage dennoch sicher abschaltet. Sie kann bei einem klebenden (defekten) Schütz dann nicht wieder eingeschaltet werden, indem der Startkreis über die Öffner beider Schütze führt (siehe auch Not-Aus-Schaltgerät).

Zur Funktionsüberwachung (Schutz vor hängenden oder festgebrannten Kontakten) kann auch ein Hilfsrelais verwendet werden, das hinter dem jeweiligen Leistungskontakt des Schützes angeschlossen ist und damit einen Hilfsstrom schaltet, sobald der Schaltvorgang vom Schütz zuverlässig ausgeführt wurde. Das Hilfsrelais kann im Gehäuse des Schützes integriert sein, ist jedoch mechanisch unabhängig.

Kenndaten

Daten der Schaltkontakte:

Schaltleistung

die Leistung, die ein elektromagnetisch betätigter Kontakt ein- oder ausschalten kann

Schalt- oder Nennspannung

die Spannung, die geschaltet werden kann

Ismetkontakt

der Strom, den ein Kontakt schalten kann

Gebrauchskategorie

Art der Last, die geschaltet werden darf, wovon auch die Schaltleistung, -spannung und der -strom abhängig ist. (z. B. AC1 für rein ohmsche Last (Glühlampe, Heizung) oder AC3 für Käfigläufermotoren (induktive Last))

Kontaktdauerstrom

der Strom, der bei normalen Betriebsbedingungen ohne Schaltvorgang über die Kontakte fließen kann. Er wird auch thermischer Nennstrom genannt, da er nur durch die thermischen Verluste des Kontakt-Übergangswiderstandes begrenzt ist.

Daten der Betätigungsspule:

Spulennennspannung

der Nennwert der Betätigungsspannung, für welche die Wicklung der Spule und der Magnetkreis bemessen sind. Es gibt mit Gleich- oder mit Wechselspannung zu betätigende Schütze.

Ansprechspannung

die Mindestspannung, ab der das Relais oder Schütz sicher anzieht

Haltespannung

die Mindestspannung, bei der das Relais oder Schütz gerade noch sicher geschlossen bleibt

Die Ansprechspannung ist größer als die Haltespannung.

Selbsthaltung und bistabile Schütze

Soll ein Schütz nach einem Steuerstromimpuls (zum Beispiel ein Tastendruck) in der geschlossenen Schaltstellung verbleiben, statt in die Ruhestellung zurückzufallen, kommt eine Selbsthalteschaltung zum Einsatz, die am Schütz einen Hilfskontakt erfordert. Solche Hilfskontakte können üblicherweise seitlich oder oben an das Schütz montiert werden oder sind bereits integriert. Auch das Verwenden eines nicht benötigten Leistungskontakts als Hilfskontakt ist möglich. Die Selbsthalteschaltung ermöglicht den Einsatz eines Tastschalters statt eines Ausschalters zur Ansteuerung. Das Abschalten erfolgt mit einem weiteren, jedoch öffnenden Taster. In dessen Stromkreis können weitere Öffner geschaltet sein, zum Beispiel Bimetallschalter zur Temperaturüberwachung. Die Selbsthalteschaltung hat gegenüber einem mechanischen Schalter den Vorteil, dass eine Maschine nach Netzausfall nicht wieder von selbst anläuft.

Es gibt auch bistabile Schütze und Stromstoßschalter, die keinen andauernden Haltestrom für den Elektromagneten benötigen.

Pneumatisches Schütz

Das Pneumatische Schütz, auch Druckluftschütz, ist dem elektromechanischen Schütz von der Wirkung her gleich, es wird jedoch mit Druckluft anstelle eines Elektromagneten betätigt: Der Elektromagnet wird durch pneumatische Stellglieder (Druckdosen) ersetzt, welche über den Anker auf die Schaltkontakte wirken. Statt durch Anlegen eines Steuerstromes erfolgt das Umschalten in den aktiven Zustand hier durch Druckerhöhung. Druckluftschütze finden häufig in der Mittelspannungstechnik ihre Anwendung, da ein großer Abstand zwischen Arbeits- und Steuerkreis eingehalten werden kann. Außerdem sind pneumatische Schütze im Gegensatz zu ihren magnetischen Pendants in der Lage, größere Schaltwege (Kontaktabstände) zu überbrücken. Dies ist in der Mittelspannungstechnik elementar. In der Hochspannungstechnik wird hier auf ebenfalls pneumatisch betriebene Kontaktscheren gesetzt.

Halbleiterschütz

Um bei häufiger Betätigung die Abnutzung (Kontaktabbrand, Verschleiß beweglicher Bauteile etc.) zu vermeiden, wurden Schütze auf Basis von Leistungshalbleitern entwickelt (siehe Solid State Relais). Anders als beim mechanischen Schütz ist beim Halbleiterschütz keine sichere Trennung der Leistungskontakte in der geöffneten Schaltstellung gegeben. Es fließt ein kleiner Reststrom und die Spannungsfestigkeit ist oft niedriger als diejenige offener mechanischer Kontakte.

Der Steuerkreis ist jedoch üblicherweise mittels Optokoppler galvanisch vom Laststromkreis getrennt, sodass auch beim Halbleiterschütz eine sichere Trennung gegeben ist. Die Ansteuerung erfolgt mit Schutzkleinspannung. Üblich sind 3 bis 30 V.

Halbleiterschütze müssen sorgfältiger in Bezug auf den Belastungsfall ausgewählt werden:

• für ohmsche Lasten gibt es Nullspannungsschalter; sie verursachen weniger Störemissionen
• für induktive Lasten gibt es Halbleiterrelais, die die beim Abschalten auftretenden Spannungsspitzen verkraften bzw. bedämpfen

Halbleiterschütze erfordern bei Nennstrom die Montage auf einem passend dimensionierten Kühlkörper – ihre Verlustleistung ist höher als diejenige mechanischer Schalter.

1. ↑ Fachkunde Elektroberufe. Bildungsverlag EINS, Troisdorf 2006, S. 231
2. ↑ Schaltungsbuch.de der Moeller GmbH
3. ↑ Tabellenbuch Elektrotechnik. Verlag Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten 2005, S. 342.
4. ↑ moeller (PDF; 508 kB): Mit mechanischen Hilfskontakten normenkonform und funktionssicher Projektieren, 4-polig Schalten mit den Schützen DILMP, selber Hersteller

• Walter Baumann et al.: NS-Schaltgeräte-Praxis: Funktion, Auswahl, Einsatz. (Redaktionell bearbeitet von Roland Werner), VDE-Verlag, Berlin 1984, ISBN 3-8007-1353-5.

Weblinks