Strombegrenzungsdiagramme lesen

In vielen Gebäuden für Gewerbe und Industrie legt der Betreiber anhand eigener Richtlinien fest, mit welchen Betriebsmitteln seine Anlagen zu schützen sind. Anhand eines Beispiels aus der Praxis beschäftigt sich der folgende Beitrag mit der konkreten Aufgabenstellung, wie der Betreiber mit den Angaben auf dem Typenschild eines Schaltschrankbauers umgeht, der sein externes Produkt in das Gebäude einbringt.

Wir gehen im Folgenden von dem realistischen Beispiel  eines Schaltschranks innerhalb eines gewerblichen Gebäudes aus. Auf dessen Typenschild sind folgende Angaben zu finden: \(I_{nA}= 27 A, I_{cc} = 6 kA, I_{kmin} = 88 A, I_{nc} = 13 A\) sowie max. Vorsicherung 35 A (gG). Dieser Schaltschrank ist innerhalb eines 400-V-TN-C-S-Systems errichtet. Als Anschlusskabel dient ein NYY-J 5 x 10. Der maximale Kurzschlussstrom am Anschlusspunkt beträgt \( i_{k3p} = 5,7 kA\).

Der generelle Anlagenbetrieb verläuft unter der Maßgabe, dass an diesem Unternehmensstandort keine NH-Sicherungen verwendet werden sollen. In der Regel kommen hier daher Leistungs- oder Leitungsschutzschalter zum Einsatz. Je nach verwendetem Schutzgerät unterscheiden sich deren Auslösekurven in gewissen Bereichen im Vergleich zu einer gG-Sicherung. Die Elektrofachleute dieses Betriebs müssen sich also mit der korrekten Auslegung der Schutz­organe auseinandersetzen.

Bemessungsstrom der Schaltgerätekombination: \( I_{nA}\)

Zur Lösung dieses Problems ist es hilfreich, dass wir zunächst einmal die verwendeten Abkürzungen mit Hilfe der Norm nachvollziehen. Anhand dessen versuchen wir dann die einzelnen Vorgaben des Schaltschrankherstellers zuzuordnen.

Nach Abschnitt 5.3.1 von DIN EN 61439-1 (VDE 0660-600-1):2021-10 stellt \( I_{nA}\)  den Bemessungsstrom der Schaltgerätekombina­tion dar. Hierzu ist Folgendes festgelegt: »Der Bemessungsstrom der Schaltgerätekombina­tion ist der kleinste Wert von:

• der Summe der Bemessungsbetriebsströme \( I_{ng}\) der (des) einspeisenden Stromkreise(s), der entweder der Bemessungsbetriebsstrom des einzelnen einspeisenden Stromkreises ist oder die Summe der Bemessungsbetriebsströme der einspeisenden Stromkreise, die parallel und gleichzeitig innerhalb der Schaltgerätekombination betrieben werden;
• dem Gesamtstrom, den die Hauptsammelschiene in dem jeweiligen Aufbau der Schaltgerätekombination verteilen kann.

Der Strom muss getragen werden können, ­ohne dass die Erwärmung der einzelnen Teile, die in 9.2 festgelegten Grenzwerte überschreitet.

Anmerkung 1: Der Bemessungsbetriebsstrom eines Einspeisestromkreises kann kleiner als der Bemessungsstrom (entsprechend der zutreffenden Gerätenorm) des in der Einspeisung der Schaltgerätekombination eingebauten Geräts sein.

Anmerkung 2:  Die Hauptsammelschiene in diesem Zusammenhang ist eine einzelne Sammelschiene oder eine Kombination einzelner Sammelschienen, die üblicherweise im Betrieb miteinander verbunden sind, z. B. durch Verwendung einer Kupplung.«

Dauerhaft verteilbare Summe der Ströme

Daraus abgeleitet stellt der Bemessungsstrom der Schaltgerätekombination \( I_{nA}\) die Summe der Ströme dar, die von einer Schaltgerätekombination – ohne Überschreiten der festgelegten Grenzübertemperaturen an den verschiedenen Betriebsmitteln – dauerhaft verteilt werden kann. Der im ersten Aufzählungsstrich des vorangegangenen Zitats verwendete Begriff Bemessungsbetriebsstrom \( I_{ng}\)  wurde erstmals in der Ausgabe der Norm im Jahr 2021 eingeführt. Dieser Wert ist für jeden Stromkreis (Einspeise- und Abgangsstromkreis) anzugeben und beschreibt die dauernde höchstzulässige Strombelastung des jeweiligen Stromkreises in einem voll belasteten Feld.

Im Gegensatz dazu gibt der Bemessungsstrom \( I_{nc}\)  den Strom an, den ein Abgangsstromkreis tragen kann, wenn er in einem Feld alleine betrieben wird. Dies gilt auch, wenn weitere Abgänge vorhanden sind. Statt \( I_{ng}\)  wurde in den früheren Ausgaben der Normen der Reihe DIN EN 61439 (VDE 0660-600) der Bemessungsbelastungsfaktor RDF angegeben, wobei Folgendes gilt: \( I_{nA}\)  = \(I_{nc}\)· RDF

Der bedingte Bemessungskurzschlussstrom: \( I_{cc}\)

Die Angabe des Stroms mit der Bezeichnung \( I_{cc}\)  ist nach Abschnitt 5.3.6 von DIN EN 61439-1 (VDE 0660-600-1):2021-10 der bedingte Bemessungskurzschlussstrom. Hierzu ist Folgendes festgelegt: »Der bedingte Bemessungskurzschlussstrom einer Schaltgerätekombination oder eines Stromkreises einer Schaltgerätekombination, wie vom Hersteller angegeben, ist der höchste Kurzschlussstrom, dem der Stromkreis, wenn er durch eine vom Hersteller festgelegte Kurzschlussschutzeinrichtung geschützt ist, über die Abschaltzeit dieses Gerätes unter den Prüfbedingungen nach 10.11 standhalten kann.

Der bedingte Bemessungskurzschlussstrom einer Schaltgerätekombination oder eines Stromkreises einer Schaltgerätekombination muss größer oder gleich als der unbeeinflusste Wert des Kurzschlussstroms (\( I_{cp}\) ) sein, und zwar für eine Dauer, die zeitlich begrenzt wird durch das Ansprechen der Kurzschlussschutzeinrichtung, die den Stromkreis oder die Schaltgerätekombination schützt. Der Hersteller der Schaltgerätekombination muss das Schaltvermögen und die Strombegrenzungs­eigenschaften \(I^{2}t\) , \( I_{lt}\)  der festgelegten Kurzschlussschutzeinrichtung angeben, unter Berück­sichtigung der Angaben des Geräteherstellers.«

Unbeeinflusster Kurzschlussstrom an der Anschlussstelle

Im Kontext zum eingangs genannten Beispiel stellt der bedingte Bemessungskurzschlussstrom \( I_{cc}\) also den maximal zulässigen, unbeeinflussten Kurzschlussstrom an der Anschlussstelle der Schaltgerätekombination dar. Der tatsächlich im Fehlerfall fließende Fehlerstrom ist hierbei aufgrund der strombegrenzenden Eigenschaften der festgelegten (meist in der Einspeisung oder in der Zuleitung vorgesehenen) Kurzschlussschutzeinrichtung in der Regel deutlich geringer als der unbeeinflusste Kurzschlussstrom (siehe Bilder 1­ und 2).

Im oben beschriebenen Fall darf laut Angaben des Schaltschrankhersteller der maximale Kurzschlussstrom an der Anschlussstelle der Schaltgerätekombination 6 kA nicht überschreiten. Die vorgeschaltete Schutzeinrichtung muss hierfür geeignet sein. Die vom Hersteller vorgegebene Schutzeinrichtung (gG-Sicherung 35 A) erfüllt die Begrenzung des Kurzschlussstromes, da ein solcher Sicherungseinsatz, bei einem Kurzschlussstrom von 6 kA, nur ca. 3,2 kA durchlässt – siehe Bild 2, welches die Strombegrenzungskennlinien eines Herstellers wiedergibt. Auch das notwendige Ausschaltvermögen der Schutzeinrichtungen dürfte ausreichend sein, da normativ Schraubsicherungen mindestens 50 kA und NH-Sicherungen mindestens 100 kA ausschalten können. Größere Kurzschlussströme dürften in der eingangs beschriebenen Anlage kaum auftreten.

Mindestens erforderlicher Kurzschlussstrom: \( I_{kmin}\)

Diese auf dem Typenschild des o. g Beispiels erwähnte Abkürzung gibt es weder in DIN EN 61439-1 (VDE 0660-600-1):2021-10 noch in den Normen der Reihe DIN VDE 0100. Wahrscheinlich ist damit der mindestens erforderliche Kurzschlussstrom \( I_{k erf}\) ­gemeint, der notwendig ist, die Auslösung bzw. Abschaltung einer Schutzeinrichtung bei Kurzschluss innerhalb der erforderlichen Abschaltzeit zu ermöglichen. Allerdings ist dafür der Wert von 88A suspekt. Er passt nicht zu Abschnitt 5.6.4.3 von Beiblatt 5 zu DIN VDE 0100:2021-06: »Mindestens erforderlicher Fehlerstrom \( I_{k erf}\)  bei einem Fehler am Ende des Stromkreises«.

Bemessungsstrom eines Abgangs-Hauptstromkreises: \( I_{nc}\)

Der \( I_{nc}\) ist nach Abschnitt 5.3.6 von DIN EN 61439-1 (VDE 0660-600-1):2021-10 der Bemessungsstrom eines Abgangs-Hauptstromkreises. Hierzu ist Folgendes festgelegt: »Der Bemessungsstrom eines Abgangs-Hauptstromkreises ist der Strom, der vom Abgangsstromkreis geführt werden kann, wenn alle anderen Abgangs-Hauptstromkreise im gleichen Feld keinen Strom tragen (siehe 10.10). Dieser Strom muss getragen werden können, ohne dass die Übertemperaturen der einzelnen Bauteile der Schaltgerätekombination die in 9.2 festgelegten Grenzwerte überschreiten.

Die Angabe des Bemessungsstroms eines Abgangs-Stromkreises \( I_{nc}\)  ist freiwillig, wenn der Bemessungsbetriebsstrom \( I_{ng}\)  des Stromkreises angegeben ist. Wenn \( I_{nc}\)  angegeben wird, kann die höchstzulässige dauernde Strombelastung eines einzelnen Stromkreises in einem schwach belasteten Feld abgeschätzt werden. Hierbei kann möglicherweise zugelassen werden, dass die Belastung dieses Stromkreises I_ng überschreitet. Sie darf aber niemals \( I_{nc}\)  überschreiten. (…) Anmerkung: \( I_{ng}\) repräsentiert die höchstzulässige dauernde Strombelastung in einem voll belasteten Feld.«

Dauernde Strombelastbarkeit

Im Kontext zum eingangs genannten Beispiel beträgt \( I_{nc}\)= 13 A. Dieser Strom darf aber nur fließen, wenn alle anderen Abgangsstromkreise im gleichen Feld stromlos bleiben, was allerdings nicht realistisch erscheint. Es ist damit zu rechnen, dass die dauernde Strombelastbarkeit bei Parallelbetrieb mehrerer Abgänge geringer ist.

Kommen wir an dieser Stelle noch zum Überstrom-Schutz durch Leistungsschalter, Leitungsschutzschalter oder Sicherungen. Da in diesem Gewerbebetrieb die Vorgabe existiert, dass Sicherungen in dieser Anlage nicht zum Einsatz kommen sollen, wird nachfolgend aufgezeigt, wie Leistungsschalter oder Leitungsschutzschalter entsprechend ausgewählt werden können.

Leistungsschalter, Leitungsschutzschalter und Sicherungen

Normale Leistungsschalter haben eine wesentlich geringere strombegrenzende Wirkung als Sicherungen. In den relevanten Normen gibt es dazu keine Festlegungen, daher sind diese Werte einschließlich des möglichen Bemessungsausschaltvermögens beim Hersteller des Leistungsschalters anzufragen.

Bei Leistungsschutzschaltern ist eine bessere strombegrenzende Wirkung gegeben, die aber ebenfalls der Hersteller vorgibt. Hierzu beziehen wir uns auf ein Diagramm der Fa. Hager, aus dem z. B. für einen Leitungsschutzschalter 32 A und 40 A abzulesen ist. Die Begrenzung auf 6 kA ist hier noch gegeben, wenn der Kurzschlussstrom an der Einbaustelle des LS ca. 11 kA beträgt (Bild 1). Im Übrigen sind Leitungsschutzschalter von 35 A in der DIN EN 60898-1 (VDE 0641-11) nicht genormt, werden aber von den meisten Herstellern geliefert.

Da jedoch bei Kurzschlussströmen von 11 kA meist ein Backup-Schutz notwendig wird, kann auch ein größerer Kurzschlussstrom am Backup-Schutz – der den Leitungsschutzschalter bei größeren Kurzschlussströmen schützen muss – gegeben sein. Schmelzsicherungen weisen die größte strombegrenzende Wirkung auf. Selbst bei einem Kurzschlussstrom von 100 kA (normative Grenze für das Kurzschlussausschaltvermögen von NH-Sicherungen) ist noch ­eine große strombegrenzende Wirkung gegeben (Bild 2).

Querschnitt der Zuleitung

Dieser Punkt soll im Folgenden nur beispielhaft angeführt werden. Fakt ist, dass für die Bemessung einige Punkte zu berücksichtigen sind z. B.:

• Strombelastbarkeit, Verlegeart, Umgebungstemperatur, Häufung;
• Schutz bei Kurzschluss;
• Fehlerschutz;
• ggf. Spannungsfall.

Ermittlung der Strombelastbarkeit

Die Strombelastbarkeit eines Kabels 5 x 10 mm² muss nach DIN VDE 0298-4:2013-06 ermittelt werden: Für eine Sicherung von 35 A muss wegen der Bedingungen \( I_{B}\) ≤ \( I_{n}\) ≤ \( I_{Z}\) und \( I_{2}\) ≤ 1,45 · \( I_{Z}\)die zulässige Strombelastbarkeit ca. 10 % höher ausgewählt werden, also für ca. 38 A. Somit wäre nach Tabelle 3, Spalte 11, von DIN VDE 0298-4:2013-06 bezüglich der Strombelastbarkeit, sogar ein Kabel 5 x 6 mm² ausreichend, bezogen auf eine Umgebungstemperatur von 30 °C. Dies gilt aber nur ohne Häufung. Für Leitungsschutzschalter und Leistungsschalter darf die Strombelastung direkt zugeordnet werden, d. h. die 10 % müssen nicht berücksichtigt werden.

Schutz bei Kurzschluss – Fehlerschutz

Sofern die Leitung nach Überlast dimensioniert ist, reicht es aus, den Fehlerschutz zu betrachten. Der Fehlerschutz ist bei fest angeschlossenen Betriebsmitteln / Verbrauchsmitteln erfüllt, wenn im TN-System ein Fehler innerhalb von 5 s abgeschaltet wird. Um dies zu erfüllen, muss an der entferntesten Fehlerstelle, abhängig von der Schutzeinrichtung, mindestens folgender Abschaltstrom, bezogen auf 10 mm² zum Fließen kommen:

• Sicherungen 35 A: \( I_{k erf}\) = 173 A
• Leitungsschutzschalter B 40 A: \( I_{k erf}\) = 200 A
• Leitungsschutzschalter C 40 A: \( I_{k erf}\) = 400 A
• Leistungsschalter 40 A mit einem Wert bei ca. 12 · \( I_{n}\): \( I_{k erf}\) = 480 A.

Der letzte Wert von 12 · \( I_{n}\) stellt bei Leistungsschaltern eine übliche Größenordnung dar, welche jedoch auch größer oder kleiner ausfallen kann. Dies muss beim Hersteller erfragt bzw. den Katalogdaten entnommen werden.

Die nun folgenden Widerstandswerte stammen aus der Tabelle A.1 des informativen Anhanges von DIN VDE 0100-600:2017-06: Um einen Fehler (Körperschluss) in den festgelegten Zeiten abzuschalten, darf die Schleifenimpedanz vom Netztransformator bis zum Verteileranschluss maximal 230 V / \( I_{k erf}\) betragen, d. h. bei Sicherungen ergeben sich ca. 1,33 Ω, bei LS-Schaltern des Typs B 1 ca. 15 Ω, bei Typ C ca. 0,575 Ω und bei den oben angeführten Leistungsschalter 0,48 Ω.

Unter Berücksichtigung eines Leitungswiderstandes von 1,8811 mΩ /m für 10 mm², d. h. 3,7622 mΩ pro Meter Entfernung, dürfte sich auch bei Einsatz eines Leistungsschalters noch eine genügend große Länge ergeben, sodass die Auswahl der Schutzeinrichtung unproblematisch sein dürfte.

Fazit

Mit den vom Hersteller vorgegebenen Daten müsste die Auswahl entsprechender Schutzeinrichtungen möglich sein. Das setzt voraus, dass auch die dafür notwendigen Anlagendaten bekannt sind. Hinsichtlich des eingangs genannten Typenschilds sei noch folgende Vorgabe aus Abschnitt 6.1 von DIN EN 61439-1 (VDE 0660-600-1) angeführt: »Der Hersteller der Schaltgerätekombination muss jede Schaltgerätekombination mit einer oder mehreren Aufschriften dauerhaft so versehen, dass diese bei angeschlossener Schaltgerätekombination im Betrieb lesbar sind. Übereinstimmung wird durch Prüfung nach 10.2.7 und durch Besichtigung festgestellt. Folgende Angaben zu Schaltgerätekombinationen müssen auf Bezeichnungsschildern angegeben werden:

a) Name des Herstellers der Schaltgerätekombination oder Warenzeichen (siehe 3.10.2);

b) Typbezeichnung oder Kennnummer oder ein anderes Kennzeichen, aufgrund derer die notwendigen Informationen vom Hersteller der Schaltgerätekombination angefordert werden können;

c) Kennzeichnung zur Feststellung des Herstellungsdatums;

d) Bemessungsstrom der Schaltgerätekombination \( I_{nA}\) (siehe 3.8.10.7 und 5.3.1);

e) Bemessungsspannung der Schaltgerätekombination \( U_{n}\) (siehe 3.8.9.1 und 5.2.1);

f) Bemessungsfrequenz der Schaltgerätekombination \( f_{n}\) (siehe 3.8.12 und 5.5);

g) IEC 61439-X (der zutreffende Teil »X« ist anzugeben).

Anmerkung: Die jeweilige Schaltgerätekombinationsnorm kann festlegen, ob weitere Angaben auf dem Bezeichnungsschild angegeben werden müssen.«

Die in DIN EN 61439-1 (VDE 0660-600-1):2021-10 enthaltenen Vorgaben und Anforderungen sind in erster Linie für den Hersteller von Energieverteilungen mit größeren Bemessungsströmen von großer Bedeutung. Bei dem eingangs genannten Verteiler dürften sich aber keine Probleme ergeben.        

Für Schnellleser

Die Auslösekurven unterscheiden sich je nach verwendetem Schutzgerät in gewissen Bereichen deutlich im Vergleich zu einer Schmelzsicherung

Die strombegrenzende Wirkung von Leistungsschaltern, Leitungsschutzschaltern und Schmelzsicherungen unterscheidet sich erheblich voneinander – deshalb muss auf die Angaben der Hersteller zurückgegriffen werden

QUELLE:

de – das elektrohandwerk

AUTOR:

Werner Hörmann, Autor  der Rubrik Praxisprobleme, Wendelstein