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.
mini|Schaltschütz auf DIN-Schiene TS35
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 und 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.
Geschichte mini|Schaltschütz, ca. 1960er Jahre. Zu sehen sind die Funkenlöschkammern mit Ausblasschlitzen, die den Schaltlichtbogen kühlen und löschen
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 mit rein mechanischen oder handbetätigten Schaltkonstruktionen. 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. Beispiele sind das Schalten von Motoren, Heizungen und Beleuchtung sowie die Sicherheitsabschaltung von Maschinen. Mittels Hilfskontakten sind logische Funktionen realisierbar. Beispiele sind die Selbsthalteschaltung oder die Stern-Dreieck-Schaltung.
Unterschied zum Relais Schütze unterscheiden sich in folgenden Merkmalen von Relais:Fachkunde Elektroberufe. Bildungsverlag EINS, Troisdorf 2006, S. 231 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.
Abgrenzung zu weiteren Schaltgeräten
Schütze sind von ihrem Aufbau dazu vorgesehen, im Betrieb vorkommende Ströme zu schalten. Geräte, die gleichzeitig Schutzfunktionen übernehmen, aber unter Umständen ähnlich wie Schütze durch eine Steuerspannung oder einen Impuls betätigt werden können, können in der Regel unter deutlich extremeren Bedingungen den Schaltvorgang ausführen. Prominenteste Beispiele sind fernsteuerbare Leistungsschalter. Diese übernehmen in der Energietechnik oft die Schaltfunktion von Schützen, erlauben es aber, auch Kurzschlussströme zu unterbrechen, die um drei Größenordnungen über dem Nennstrom liegen können. Auch fernsteuerbare Lasttrennschalter können die Funktion von Schützen übernehmen. Viele Schutzgeräte wie Leitungsschutzschalter, FI-Schutzschalter und deren Kombinationen können entweder durch Hinzufügen eines Unterspannungsauslösers einen Abschaltvorgang oder durch einen Motorbetrieb eine Schaltfunktion übernehmen. Diese Schutzeinrichtungen stellen jedoch, ebenso wie Trennschalter und Lasttrennschalter, eine Trennung her. Dies unterscheidet sie allgemein von Schützen.
Da Schütze hier nur schalten und nicht trennen, gilt der durch ein Schütz abgeschaltete Teil einer Schaltung nicht als sicher. Ein geöffneter Schützkontakt reicht also nicht aus, um am abgeschalteten Anlagenteil Wartungsarbeiten vorzunehmen. Aus dem gleichen Grund darf auch ein Schütz nicht zur Unterbrechung der Spannung in einer Not-Aus-Schaltung verwendet werden, da hier die Normung eine sichere Trennung erfordern.
Einbau Schütze gibt es für unterschiedliche Montagearten, beispielsweise für die Hutschiene, auf Montageplatten 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 vom Hersteller vorgeschrieben und meist nicht beliebig.
Im Gegensatz zu Halbleiterschützen benötigen mechanische Schütze keine wärmeableitende Kühlkörper-Montage. Mechanische Schütze verursachen geringere Verlustleistungen als Halbleiterschütze.
Varianten Es gibt Leistungsschütze, also Schütze mit hoher Schaltleistung, sowie Hilfsschütze zur Realisierung logischer Verknüpfungen, für die Ansteuerung von Leistungsschützen oder zum Schalten von Anzeigen oder kleineren Verbrauchern bis etwa 10 Ampere.
Die Gebrauchskategorien sagen aus, für welche Art der Last und Stromart die Kontakte ausgelegt sind. Für jede der aufgeführten Gebrauchskategorien ist ein maximaler Schaltstrom angegeben.
Betätigungsspule Die Betätigungsspulen von Schützen können für den Betrieb mit Wechselspannung oder Gleichspannung ausgelegt sein. Für Wechselspannungsbetrieb haben sie einen Magnetkern, dessen einer Teil von einer Kurzschlusswindung umschlossen ist und der 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.
Oft besitzen Gleichspannungsschütze Zwischenlagen oder einen nichtmagnetischen Niet, um ein Kleben aufgrund der Restmagnetisierung zu verhindern.
Gleichspannungsspulen besitzen eine höhere Windungszahl und einen höheren ohmschen Widerstand als Wechselspannungsspulen für die gleiche Spannung. Eine Betätigung wahlweise mit Gleich- oder Wechselspannung ist in der Regel nicht möglich. Da der Scheinwiderstand einer Wechselspannungs-Betätigung im Moment des Anziehens wegen des geöffneten Magnetkreises sehr klein ist, fließt ein hoher Einschaltstrom in der Spule. Daher ziehen Wechselstrombetätigungen stärker an. Gleichstromspulen verursachen hingegen nur einen sanften Stromanstieg, der den Dauerstrom nicht übersteigt. Teilweise werden jedoch Hilfskontakte und Vorwiderstände verwendet, um den Stromfluss nach dem Anziehen zu reduzieren.
Zur Verringerung des Typenspektrums und zur Energieeinsparung sind Betätigungsspulen bzw. Schütze mit integrierter Elektronik entwickelt worden, die mit wenigen Typen einen breiteren Betätigungs-Spannungsbereich und den Betrieb mit Gleich- oder Wechselspannung erlauben. Die Geräte verursachen keine Abschalt-Spannungsspitzen und benötigen daher keine Entstörung.
Entstörung der Betätigungsspule Die Betätigungsspule verursacht beim Abschalten durch Selbstinduktion eine störende Spannungsspitze. Zur Schonung der Ansteuerelektronik und zur Vermeidung von Störemissionen kann daher eine Schutzbeschaltung gegen diese Abschalt-Überspannung notwendig sein. Die Wahl der Schutzbeschaltung bzw. Entstörung der Betätigungsspule ist abhängig von der Spannungsart.
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.Schaltungsbuch.de der Moeller GmbH
Kontaktbelastung mini|Magnetische Lichtbogenlöschung an einem älteren Schütz: Der Laststrom durchfließt eine Spule (unten), die den Bogen mit ihrem Magnetfeld „ausbläst“ mini|Aufbau eines elektromechanischen Schützes, wie es in den 1940er-Jahren in Schützensteuerungen von Straßenbahn-Motorwagen eingebaut wurde
Ausschalten/Schaltlichtbogen 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 zur Funkenlöschung, 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, bei Gleichspannungsschützen mit vorgegebener Stromrichtung auch Dauermagnete.
Vakuum-Schütze sind teurer, haben jedoch eine große Lebensdauer, hohes Schaltvermögen und geringen Kontakt-Übergangswiderstand. Die Schaltkontakte sind in einer evakuierten Schaltröhre. Da das Vakuum eine sehr große Spannungsfestigkeit hat und Metalldampf sich schnell ausbreitet, reißen Lichtbögen beim Öffnen schon bei kleinem Kontaktabstand sehr schnell ab. Auch beim Schließen kommt es zu weniger Kontaktabbrand. Der höheren Verschweißneigung im Vakuum muss jedoch mit höherer Trennkraft und Werkstoffen mit geringer Verschweißneigung begegnet werden. Kontaktwerkstoffe sind sinter- bzw. pulvermetallurgisch hergestellte Gemische aus Kupfer und Nickel sowie Tränklegierungen aus Wolfram oder Molybdän mit Kupfer oder Silber.
Bei Ölschützen arbeiten die Schaltkontakte in einem Ölbad. Solche Schütze werden nicht mehr gefertigt, unter anderem weil sie eine vorgeschriebene Betriebslage hatten und das Öl eine Brandlast darstellt.
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.