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==<!--13.4-->Prüfverfahren in der Energietechnik==

Die Prüfung von elektrischen Kontakten der Energietechnik dient einerseits der
laufenden Qualitätskontrolle und andererseits der Neu- und Weiterentwicklung
von Kontaktwerkstoffen. Um ein optimales Kontakt- und Schaltverhalten zu
erreichen, müssen Kontaktwerkstoffe und Schaltgeräte mit ihren Eigenschaften
im Rahmen elektrischer Prüfungen aufeinander abgestimmt werden. Der Erfolg
dieser Abstimmung wird durch Schaltprüfungen nachgewiesen.

Die Bewertung eines Kontaktwerkstoffes erfolgt durch Untersuchungen mit Hilfe
werkstoffkundlicher Prüfmethoden sowie durch Schaltversuche in Modellschaltern
und Serien-Schaltgeräten. Die physikalischen Eigenschaften, wie
Schmelz- und Siedetemperatur, elektrische Leitfähigkeit usw., sind maßgebend
für die Auswahl des Basiswerkstoffes und einzelner Komponenten, können
aber keine Aussage zum Kontakt- und Schaltverhalten geben.
Werkstoffkundliche Prüfmethoden eignen sich in erster Linie zur Aufdeckung
von Material- und Bearbeitungsfehlern. Das eigentliche Kontakt- und
Schaltverhalten eines Werkstoffes kann nur durch elektrische Schaltversuche
mit einem Modellschalter oder vorzugsweise mit einem Serien-Schaltgerät
erfasst werden.

Modellschalter bieten dabei die Möglichkeit, einen Kontaktwerkstoff schon innerhalb
kurzer Zeit z.B. bezüglich des Ein- und Ausschaltverhaltens zu beurteilen und grob zu
klassifizieren. Da Modellschalter von idealisierten Versuchsbedingungen ausgehen,
können sie keinesfalls die Prüfung im serienmäßigen Schaltgerät ersetzen.

Die Prüfung von Kontaktwerkstoffen in serienmäßigen Schaltgeräten sollte
möglichst nach DIN EN - bzw. IEC-Bestimmungen und -Regeln erfolgen. Für
jede Geräteart bestehen spezielle Prüf-Normen, die sich für die Beurteilung
eines Gerätes jeweils unterteilen lassen nach:

* Einschaltvermögen,
* Ausschaltvermögen,
* elektrische Lebensdauer,
* Übertemperatur.

Die nachfolgenden Ausführungen beschränken sich auf werkstoffkundliche
Prüfungen sowie die Prüfung der für Schaltgeräte besonders wichtigen
Kenngrößen elektrische Lebensdauer, Übertemperatur und Schaltvermögen. 

===<!--13.4.1-->Werkstoffkundliche Prüfungen===

Hauptmerkmal für die Beurteilung von Kontaktwerkstoffen der Energietechnik ist
die mikroskopische Gefügeuntersuchung anhand eines metallographischen
Schliffs. Sie gibt einen Einblick in die innere Struktur des Werkstoffes. Auf diese
Weise werden Gefügecharakteristiken, wie Korngröße, Oxidverteilung und auch
Gefügeinhomogenitäten, Korngrenzenanreicherungen, Risse, Materialtrennungen
oder fehlerhafte Lötverbindungen erkennbar. Allerdings ist die Betrachtung
auf die gewählte Schliffebene begrenzt.

<xr id="fig:Microstructure of a powder metallurgical Ag CdO material"/><!--(Fig. 13.11)--> zeigt das Gefüge eines Ag/CdO-Werkstoffes nach Lichtbogenbeanspruchung.
Im unteren Bildteil ist das Ausgangsgefüge des Kontaktwerkstoffes
zu erkennen. Im oberen Bildteil sind Werkstoffentmischungen zu sehen, die
durch Lichtbogeneinwirkung beim Schaltvorgang entstanden sind. Dieses
„Schaltgefüge“ weist in einigen Bereichen eine Verarmung von Metalloxid auf,
so dass beim Einschaltvorgang die Gefahr des Verschweißens der Kontaktstücke
besteht. Weitere Untersuchungen mittels Mikrosonde in Kombination mit
einem Raster-Elektronenmikroskop (REM) erlauben eine Analyse der an der
Oberfläche vorhandenen Elemente.
<figure id="fig:Microstructure of a powder metallurgical Ag CdO material">
[[File:Microstructure of a powder metallurgical Ag CdO material.jpg|right|thumb|Figure 1: Gefüge eines gesinterten Ag/CdOWerkstoffes nach intensiver Lichtbogenbeanspruchung]]
</figure>

===<!--13.4.2-->Prüfungen nach IEC/EN===

====<!--13.4.2.1-->Elektrische Lebensdauer====

Die elektrische Lebensdauer von in der Niederspannungs-Energietechnik
häufig eingesetzten Schützen, Motorschaltern und Hilfsstromschaltern wird
nach Gebrauchskategorien festgelegt, die in <xr id="tab:Important Use Categories and Their Typical Applications for Contactors and Power Switches"/><!--(Tab. 13.1)--> zusammengefasst sind.

Zur Prüfung der elektrischen Lebensdauer nach IEC/EN 60947-4-1 sind für die
einzelnen Gebrauchskategorien in <xr id="tab:Verification of Electrical Life Conditions for Make and Break Tests of Contactors and Motor Starters by Utilization Category"/><!--(Tab. 13.2)--> die Ein- und Ausschaltbedingungen
aufgeführt:

Die Lebensdauer eines Motorschalters wird in erster Linie vom Abbrand bestimmt,
der durch die Ein- und Ausschaltlichtbögen an den Kontaktstücken
entsteht. Bei der Prüfung nach der Gebrauchskategorie AC-3, bei
der der Einschaltstrom das 6-fache des Ausschaltstromes beträgt, ist für die
Höhe des Abbrandes weitgehend der Einschaltvorgang maßgebend, insbesondere
wenn häufig Prellungen > 2 ms Dauer auftreten. Die Charakteristik des
Prellvorganges beim Einschalten ist daher für den Abbrand der Kontaktstücke
in Schaltgeräten, die überwiegend im Normalbetrieb (AC-3) eingesetzt sind,
von außerordentlich großer Bedeutung. Wenn bei den Schaltgeräten die Einund
Ausschaltströme gleich groß sind, wie nach den Gebrauchskategorien
AC-1 und AC-4, überwiegt der Ausschaltabbrand so stark, dass der Einschaltabbrand
vernachlässigt werden kann.


<figtable id="tab:Important Use Categories and Their Typical Applications for Contactors
and Power Switches">
<caption>'''<!--Table 13.1:-->Wichtige Gebrauchskategorien und typische Anwendungsfälle für Schütze und Hilfsstromschalter'''</caption>

{| class="twocolortable" style="text-align: left; font-size: 12px"
|-
!colspan="6" style="text-align:left"| Schütze, Motorschalter (IEC/EN 60947-4-1)
|- 
!Stromart
!Gebrauchskategorie
!Typischer Anwendungsfall
|-
|Wechselstrom
|AC-1
|Nicht induktive oder schwach induktive Last. Widerstandsöfen
|-
|
|AC-2
|Schleifringläufermotoren: Anlassen, Ausschalten
|-
|
|AC-3
|Käfigläufermotoren: Anlassen, Ausschalten während des Laufes
|-
|
|AC-4
|Käfigläufermotoren: Anlassen, Gegenstrombremsen, Tippen, Reversieren
|-
|Gleichstrom
|DC-1
|Nicht induktive oder schwach induktive Last Widerstandsöfen
|-
|
|DC-3
|Nebenschlussmotoren: Anlassen, Gegenstrombremsen, Reversieren, Tippen, Widerstandsbremsen
|-
|
|DC-5
|Reihenschlussmotoren: Anlassen, Gegenstrombremsen, Reversieren, Tippen, Widerstandsbremsen
|-
!colspan="6" style="text-align:left"| Hilfstromschalter (IEC 60947-5-1)
|-
!Stromart
!Gebrauchskategorie
!Typischer Anwendungsfall
|-
|Wechselstrom
|AC-12
|Steuern von ohmscher Last und Halbleiterlast in Eingangskreisen von Optokopplern
|-
|
|AC-14
|Steuern von kleiner elektromagnetischer Last (max. 72VA)
|-
|
|AC-15
|Steuern von elektromagnetischer Last (größer als 72VA)
|-
|Gleichstrom
|DC-12
|Steuern von ohmscher Last und Halbleiterlast in Eingangskreisen von Optpkopplern
|-
|
|DC-13
|Steuern von Elektromagneten bei Gleichspannung
|-
|
|DC-14
|Steuern von elektromagnetischer Last bei Gleichspannung mit Sparwiderständen im Stromkreis
|}
</figtable>

Die elektrische Lebensdauer in den Gebrauchskategorien AC-3, DC-3 und
DC-5 muss mindestens 5% der mechanischen Lebensdauer betragen.
Die elektrische Lebensdauer von Hilfsstromschaltern ist i.d.R. von untergeordneter
Bedeutung, da diese Geräte nur gering belastet werden. Es ist jedoch zu
beachten, dass nach den Bestimmungen bezüglich des Ein- und Ausschaltvermögens
unter bestimmten Bedingungen die 10-fachen Werte der Bemessungs-Betriebsdaten verlangt werden, was hohe Anforderungen an die elektrische
Festigkeit der Schaltstrecke unmittelbar nach der Lichtbogen beanspruchung
bzw. an die Wiederverfestigungsspannung der Kontaktwerkstoffe stellt.


<figtable id="tab:Verification of Electrical Life Conditions for Make and Break Tests of Contactors and Motor Starters by Utilization Category">
<caption>'''<!--Table 13.2:-->Nachweis der elektrischen Lebensdauer. Bedingungen für das Ein- und Ausschalten von Schützen und Motorschaltern nach Gebrauchskategorien'''</caption>

{| class="twocolortable" style="text-align: left; font-size: 12px"
|-
!Gebrauchskategorie
!Nennbetriebsstrom
!colspan="3" style="text-align:center"| Einschalten
!colspan="3" style="text-align:center"| Ausschalten
|-
!
!I<sub>e</sub>/A
!I/I<sub>e</sub>
!U/U<sub>e</sub>
!cos &phi;  
!I<sub>c</sub>/I<sub>e</sub>
!U<sub>r</sub>/U<sub>e</sub>
!cos &phi; 
|-
|AC-1
|Alle Werte
|1
|1
|0.95
|1
|1
|0.95
|-
|AC-2
|Alle Werte
|2.5
|1
|0.65
|2.5
|1
|0.65
|-
|AC-3
|I<sub>e</sub> &le; 17<br />I<sub>e</sub> > 17
|6<br />6
|1<br />1
|0.65<br />0.35
|1<br />1
|0.17<br />0.17
|0.65<br />0.35
|-
|AC-4
|I<sub>e</sub> &le; 17<br />I<sub>e</sub> > 17
|6<br />6
|1<br />1
|0.65<br />0.35
|6<br />6
|1<br />1
|0.65<br />0.35
|-
!
!I<sub>e</sub>/A
!I/I<sub>e</sub>
!U/U<sub>e</sub>
!L/R [ms]
!I<sub>c</sub>/I<sub>e</sub>
!U<sub>r</sub>/U<sub>e</sub>
!L/R [ms]
|-
|DC-1
|Alle Werte
|1
|1
|1
|1
|1
|1
|-
|DC-3
|Alle Werte
|2.5
|1
|2
|2.5
|1
|2
|-
|DC-5
|Alle Werte
|2.5
|1
|7.5
|2.5
|1
|7.5
|}
</figtable>

I<sub>e</sub> = Bemessungs-Betriebsstrom<br /> 
I = Einschaltstrom<br />
I<sub>c</sub> = Ausschaltstrom<br />

U<sub>e</sub> = Bemessungs-Betriebsspannung <br />
U = Angelegte Spannung<br />
U<sub>r</sub> = Wiederkehrende Spannung

[[File:AC3 contact arc erosion of two differently produced Ag SnO2 contact materials.jpg|right|thumb|Figure 2: AC-3-Kontaktabband zweier unterschiedlich
hergestellter Ag/SnO2 -Werkstoffe in einem 37 
kW-Schütz; 
1 Ag/SnO2 88/12, konventionell 
pulvermetallurgisch hergestellter Werkstoff mit
MoO3-Zusatz, stranggepresst; 
2 Ag/SnO2 88/12, Pulverherstellung nach dem 
Reaktionssprühverfahren mit CuO- und Bi2O3 - 
Zusätzen, stranggepresst]]

====<!--13.4.2.2-->Erwärmung (Übertemperatur)====

Die Prüfung der Übertemperatur wird nur für Schaltgeräte im Neuzustand
vorgeschrieben. Während des Betriebes dürfen im Verlaufe der gesamten
Lebensdauer keine Schäden infolge zu hoher Temperatur im Gerät und an den
Anschlüssen auftreten.
<figure id="fig:Maximum movable bridge temperature rise for different contact materials">
[[File:Maximum movable bridge temperature rise for different contact materials.jpg|right|thumb|Figure 3: Maximale Brückenübertemperatur für verschiedene Silber- Metalloxid-Werkstoffe in einem 132 kWSchütz nach Schwerlastbeanspruchung (AC4-Betrieb). I = 300 A (Dauerstrom)
1 Ag/CdO 88/12 gesintert und stranggepresst
2 Ag/SnO27.5In2O32.5 innerlich oxidiert
3 Ag/SnO2 88/12 gesintert und stranggepresst
4 Ag/SnO2 11.5 WO3 0.5 gesintert und stranggepresst
5 Ag/SnO2 11.6 MO4 0.4 gesintert und stranggepresst]]

</figure>
Für eine Bewertung von Kontaktwerkstoffen wird häufig eine Erwärmungsprüfung
nach einer bestimmten Anzahl von Schaltspielen unter
Lichtbogenbeanspruchung durchgeführt (<xr id="fig:Maximum movable bridge temperature rise for different contact materials"/><!--(Fig. 13.13)-->). Besonders kritisch zu
bewerten ist dabei das Übertemperaturverhalten der Brückenkontaktstücke.
Bei Überschreiten eines gerätespezifischen oberen Grenzwertes der Temperatur
können bei benachbarten Kunststoffen irreversible Schäden auftreten.

====<!--13.4.2.3-->Analyse der Schaltvorgänge====

In Schaltgeräten, bei denen der Antriebsmagnet mit Wechselstrom erregt wird,
können die Kontaktstücke zu einem bestimmten Winkel, bezogen auf den Spannungs-
Nulldurchgang einer Netzphase, synchron schließen und öffnen. Von ähnlicher
Bedeutung ist, mit welcher Phasenfolge, d.h. Reihenfolge der drei Phasen eines
Gerätes, das Schließen und Öffnen der Kontaktstücke abläuft. Der dabei auftretende
Schließ- und Öffnungsverzug gibt an, mit welchem zeitlichen Abstand nach der
ersten Phase die beiden anderen folgen. 

Entsprechende Untersuchungen haben
gezeigt, dass die Überlagerung der Effekte Synchronismus, Phasenfolge und
Schaltverzug bei einer ungünstigen Konstellation zu einer extremen Beanspruchung der Kontaktstücke, besonders bei einer der drei Phasen führen kann. Die
Folgen sind Frühausfälle dieser Phase und somit des kompletten Schaltgerätes,
die unabhängig vom Kontaktwerkstoff bereits bei 30% der Nennlebensdauer
auftreten können. Aufgrund der teilweise starken Streuung der mechanischen
Kennwerte der Schalt-geräte innerhalb einer Fertigungscharge ist die Lebensdauerprüfung
in einem einzelnen Schaltgerät nicht aussagekräftig. Erst die
statistische Auswertung einer großen Zahl von Prüflingen könnte zu einem verwertbaren
Ergebnis führen. Diese Vorgehensweise ist aber sehr aufwendig.
Wird jedoch nach einem speziellen Messverfahren jede einzelne Schaltung bezüglich
des Prellvorgangs, der Ein- und Ausschalt-synchronismen, der damit
verbundenen Phasenfolgen und Schaltverzüge, der Lichtbogenlaufeigenschaften
und vor allem der Energie, die während der Ein- und Ausschaltvorgänge an
die Kontaktstücke abgegeben wird, analysiert, so kann schon die Prüfung in
einem einzelnen Schaltgerät zur Bewertung eines Kontaktwerkstoffes führen.

====<!--13.4.2.4-->Schaltvermögen====

Das sichere Beherrschen hoher Kurzschlusströme ist die Hauptaufgabe von
Niederspannungs-Leistungsschaltern. Das Kurzschlussschaltvermögen von
Leistungsschaltern wird nach den in IEC/EN 60947-2 festgelegten Prüfungen
bestimmt (<xr id="tab:Testing for the Short Circuit Breaking Capacity of Low Voltage Power Switches According to IECEN 60947-2 (Shortened Summary)"/><!--(Tab. 13.3)-->). Bei der Prüfung des Kurzschlussschaltvermögens wird nach IEC/EN 60947-2
zwischen dem Bemessungs-Grenzkurzschlussausschaltvermögen I<sub>CU</sub> und dem kleineren oder max. gleich hohen Bemessungs-Betriebskurzschlussausschaltvermögen I<sub>CS</sub> unterschieden.

Bei der Festlegung von I<sub>CU</sub> muss gewährleistet sein, dass Kurzschlussströme bis zur Höhe der Bemessungsgrenze sicher ausgeschaltet werden. Danach
muss es möglich sein, einmal auf den nicht beseitigten Kurzschluss zu schalten
und diesen Strom sicher auszuschalten. Der Schalter muss danach nicht mehr
für den weiteren Betrieb geeignet sein. Ein nach I<sub>CS</sub> bemessener Schalter muss die Anlage noch schützen können und kann mit Einschränkungen weiter
verwendet werden.

Um die Kurzschlussströme sicher zu beherrschen, werden hohe Anforderungen
an die Verschweißresistenz der eingesetzten Kontaktpaarung gestellt. Beim
Einschalten auf einen Kurzschluss wird die Kontaktkraft durch die Wirkung
elektrodynamischer Kräfte reduziert. Oberhalb eines gerätespezifischen Stromwertes
kommt es zu einem Abheben der Kontaktstücke. Dabei entsteht ein
Lichtbogen, an dessen Fußpunkten das Kontaktmaterial aufschmilzt. Beim
nachfolgenden Schließen der Kontaktstücke können Verschweißungen
auftreten, so dass der Schalter nicht mehr in der Lage ist, den Kurzschlussstrom
auszuschalten und somit seine Sicherheitsfunktion verliert.
<br style="clear:both;"/>





<figtable id="tab:Testing for the Short Circuit Breaking Capacity of Low Voltage Power Switches According to IECEN 60947-2 (Shortened Summary)">
<caption>'''<!--Table 13.3:-->Prüfung des Kurzschlussschaltvermögens von Niederspannungs-Leistungsschaltern nach IEC/EN 60947-2 (gekürzte Darstellung)'''</caption>

{| class="twocolortable" style="text-align: left; font-size: 12px"
|-
!Prüfmerkmale
!Bemessungsgrenzkurzschluss- ausschaltvermögen I<sub>CU</sub>
!Bemessungsgrenzkurzschluss- ausschaltvermögen I<sub>CS</sub>
|-
|Prüfbedingungen
|Ue<br />abhängig von der Höhe des Prüfstromes I in kA, z.B.

{| class="innertable" style=" border: none"
|6 < l &le; 10
|  cos&phi; 0.5
|- 
|10 < l &le; 20
|cos&phi; 0.3
|-
|20 < l &le; 50 
| cos&phi; 0.25 
|-
|  50 < l 
|cos&phi; 0.2 
|-
|}
|Ue<br />abhängig von der Höhe des Prüfstromes I in kA, z.B.

{| class="innertable" style=" border: none"
|6 < l &le; 10
|  cos&phi; 0.5
|- 
|10 < l &le; 20
|cos&phi; 0.3
|-
|20 < l &le; 50 
| cos&phi; 0.25 
|-
|  50 < l 
|cos&phi; 0.2 
|-
|}
|-
|Prüffolge
|O - t - CO
|O - t - CO - CO
|-
|anschließende Isolationsprüfung
|2 x U<sub>e</sub>, mindestens mit 1.000 V
|2 x U<sub>e</sub>, mindestens mit 1.000 V
|-
|anschließende Erwärmungsprüfung
|
|Die Übertemperaturen dürfen die Grenzübertemperaturen nicht übersteigen
|}
</figtable>

U<sub>e</sub> = Bemessungsbetriebsspannung<br />
U = Prüfstrom<br />
O = Ausschalten<br />
T = Pause<br />
CO = Ein- und Ausschalten

===<!--13.4.3-->Prüfungen nach UL und CSA===

Die nordamerikanischen Normen nach UL (USA) und CSA (Kanada) unterscheiden
sich teilweise erheblich von den IEC-Normen und den harmonisierten
Europa-Normen (EN). In den USA und Kanada wird zwischen Geräten für die
Energieverteilung z.B. Niederspannungs-Leistungsschalter nach UL 489
(UL=Underwriters Laboratories) bzw. CSA-C22.2 No. 5-02 (CSA= Canadian
Standard Association) und Industrieschaltgeräten z.B. Schützen nach UL 508
bzw. CSA-C22.2 No. 14 unterschieden. Nordamerikanische Normen legen
einen besonderen Schwerpunkt auf die Vermeidung von Bränden. Daraus ergeben
sich besondere Anforderungen an das Erwärmungsverhalten. Außerdem
sehen nordamerikanische Normen größere Luft- und Kriechstrecken vor als die
IEC- Normen. Beides hat erheblichen Einfluss auf die Bauweise der Schaltgeräte
und die Bemessung des Kontaktsystems.

==Referenzen==
[[Prüfverfahren#Referenzen|Referenzen]]

[[en:Testing_Procedures_for_Power_Engineering]]