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Kurz- und Erdschluss-Sicherheit

Leiterverlegung im Schaltschrank

Auf einen Blick Besonderheit im Schaltschrank Die Dimensionierung von Leiterquerschnitten steht im Zusammenhang mit der Art der Verlegung

Durchlassenergie und Back-up-Schutz Diese Parameter sind beim Nachweis der Kurzschlussfestigkeit zu beachten

Rechnerischer Nachweis Anhand konkreter Beispiele führt der Autor eine Dimensionierung des Leiterquerschnitts durch
Der »de«-Leser D. S. aus Baden-Württemberg wandte sich mit folgender Fragestellung an die Redaktion: »Unsere Schaltschränke führen wir mit Stromkreisen aus, die nicht von der Netz-Trenneinrichtung abgeschaltet und daher davor abgegriffen werden. Diese Stromkreise dienen dazu, Beleuchtung und Steckdosen für Instandhaltungs- und Reparaturzwecke zu versorgen. In der Regel schließen wir hierzu eine Leitung an der Einspeiseschiene an und führen sie zu einem Schutzorgan (z. B. Sicherungslasttrennschalter mit D01-Einsätzen). Als Leitung verwenden wir eine Gummileitung vom Typ H07RN-F, die sich für eine kurz- und erdschlusssichere Verlegung gemäß VDE100-520 eignet.

Kürzlich, auf einer Schulung zum Thema DIN EN 61439, teilte uns der Referent mit, dass wir für diese ›kurzschlussfeste Leitungen‹ einen rechnerischen Nachweis der Kurzschlussfestigkeit mit Hilfe der Formel t = (k · S/I)2 erbringen müssen. In einem aktuellen Projekt bin ich der Empfehlung des Referenten nachgekommen. Leider konnte ich den Nachweis der Kurzschlussfestigkeit nicht erbringen. So habe ich die Formel umgestellt, um den Mindestquerschnitt bei einen Kurzschlussstrom von 15 kA, einer Abschaltzeit von 5 s und einem k-Faktor von 143  A√s  / mm2. So habe ich einen Mindestquerschnitt von 240 mm2 errechnet. Da der Querschnitt mir etwas praxisfremd für Steckdosen und Beleuchtung erscheint und ich keinen geeigneten Sicherungslasttrennschalter für einen solch hohen Anschlussquerschnitt finde, bin ich etwas ratlos. Können Sie mir weiterhelfen?«

Abgriffe vor der Netz­trenneinrichtung

Es ist üblich, dass die Versorgung von Beleuchtung und Steckdosen für Schaltschränke, die der Ausrüstung von elektrischen Maschinen dienen, vor der Netztrenneinrichtung abgenommen werden. Dabei ergibt sich meist die Notwendigkeit, solche Abgriffe bis zu einer nachgeschalteten Überstromschutzeinrichtung kurz- und erdschlusssicher auszuführen, weil die vorgeschaltete Absicherung der Zuleitung meist sehr hoch ausfällt.

Normenvorgaben zur erd- und kurzschlusssicheren Verlegung

Für solche Anwendungsfälle gibt es in der DIN EN 61439-1 (VDE 0660-600-1):2012-06, Abs. 8.6.4, folgende Festlegung: »Aktive Leiter einer Schaltgerätekombination, die nicht durch Kurzschluss-Schutzeinrichtungen geschützt sind (siehe 8.6.1 und 8.6.2), müssen in ihrem gesamten Verlauf in der Schaltgerätekombination so ausgewählt und verlegt sein, dass zwischen den Außenleitern oder zwischen Außenleitern und geerdeten Teilen kein Kurzschluss zu erwarten ist. Beispiele für die Leiterarten und die Anforderungen an die Verlegung sind in 4 gegeben. Ungeschützte aktive Leiter, ausgewählt und installiert nach Tabelle 4, dürfen eine Gesamtlänge von 3 m zwischen der Hauptsammelschiene und jeder zugehörigen SCPD (SCPD ist Überstrom-Schutzeinrichtung) nicht überschreiten.«

Außerdem finden wir im Abs. 8.6.1 noch die folgende zusätzliche Anforderung: »Innerhalb eines Felds dürfen die Leiter (inklusive der Verteilschienen) zwischen den Hauptsammelschienen und der Einspeiseseite von Funktionseinheiten einschließlich der Bauteile dieser Einheiten für die verminderte Kurzschlussbeanspruchung bemessen sein, die auf der Ausgangsseite der Kurzschluss-Schutzeinrichtung dieser Einheit auftritt, vorausgesetzt, dass diese Verbindungen so angeordnet sind, dass unter bestimmungsgemäßen Betriebsbedingungen kein Kurzschluss zwischen Außenleitern und / oder geerdeten Teilen zu erwarten ist (siehe 8.6.4).«

Fazit aus diesen Festlegungen

Wenn von einer Anschlussstelle eine Verbindung zu einer nachgeschalteten Überstromschutzeinrichtung vorgesehen wird, die nicht für den Kurzschlussstrom bemessen ist, welcher auf der Einspeisestelle / Anschlussstelle (aufgrund der vorgeschalteten Schutzeinrichtung für den Schaltschrank) auftreten kann, dann muss diese Verbindung so ausgeführt werden, dass bei normaler Anwendung nicht mit einem Kurz- oder Erdschluss gerechnet werden muss. Die Notwendigkeit ergibt sich z. B., wenn eine Zuleitung zum Schaltschrank mit 250 A bei Kurzschluss / Überstrom geschützt ist und von dieser Zuleitung ein Abgang mit 2,5 mm2 Cu abgenommen werden soll. Dieser Querschnitt von 2,5 mm2 kann nicht durch die Schutzeinrichtung von 250 A bei Kurzschluss geschützt werden.

Somit muss diese Verbindung mit z. B. 2,5 mm2 Cu so verlegt bzw. eine Leitung so ausgewählt werden, dass bei einer solchen Ausführung nicht mit einem Kurz- oder Erdschluss gerechnet werden muss. Erfüllt werden kann die kurzschluss- und erdschlusssichere Verlegung unter Berücksichtigung von Tabelle 4 aus DIN EN 61439-1 (VDE 0660-600-1):2012-06, die u. a. Folgendes zulässt: »Leiter mit Basisisolierung, z. B. Leitungen nach lEC 60227-3, die eine zusätzliche zweite Isolierung haben, z. B. Leitungen, einzeln mit Schrumpfschlauch überzogen oder einzeln in Kunststoffrohren verlegt.«

In Deutschland erfüllt man diese Anforderungen meist durch Verwendung einer einadrigen Leitung des Typ NSGHFöu, wie sie auch im Abschnitt 521.11 von DIN VDE 0100-520 (VDE 0100-520) angegeben wird. Dieser Leitungstyp dürfte sogar ohne zusätzliche Einschränkung mit anderen Leitungen im Bündel oder Leitungskanal verlegt werden.

Die von Ihnen angeführte Leitung vom Typ H07RN-F erfüllt diese Anforderungen nur, wenn Sie als einadrige Gummischlauchleitung ausgeführt ist. Mehradrige Gummischlauchleitungen erfüllen diese Anforderungen nicht.

Koordinierter Schutz bei Überlast und Kurzschluss

Damit ließe sich die erste Forderung einhalten. Dass solche Leitungen nicht länger als 3 m sein dürfen, sollte in der Praxis auch kein Problem darstellen. Bliebe noch die Forderung, dass diese Verbindungen für die verminderte Kurzschlussbeanspruchung bemessen sein müssen, die auf der Ausgangsseite der Kurzschluss-Schutzeinrichtung auftritt.

Dieser Nachweis kann üblicherweise dadurch erbracht werden, dass der koordinierte Schutz bei Überlast und Kurzschluss zur Anwendung kommt, wie er im Abschnitt 435 von DIN VDE 0100-430 (VDE 0100-430) beschrieben wird. Man wird die Leitung also nach Überlast dimensionieren. So müsste man z. B. für einen Leitungsschutzschalter von 16 A nach Tabelle H.1 von DIN EN 61439-1 (VDE 0660-600-1):2012-06 einen Querschnitt von 4 mm2 Cu vorsehen. Bei Leitungsschutzschaltern als Überstromschutzeinrichtung muss allerdings beachtet werden, dass Leitungsschutzschalter nur ein begrenztes Kurzschluss-Ausschaltvermögen aufweisen, z. B. 6 kA oder 10 kA. Damit könnte es ggf. bei dem von Ihnen in Betracht gezogenen Kurzschlussstrom von 15 kA Probleme geben, sofern dieser an der Einbaustelle des Leitungsschutzschalters tatsächlich aufträte. Für den Extremfall von 15 kA müsste dann für den Leitungsschutzschalter ein Back-up-Schutz vorgesehen werden. Der max. zulässige Back-up-Schutz ist produkt-abhängig und muss daher beim Hersteller erfragt werden. Zum Beispiel benötigt ein Leitungsschutzschalter von 16 A (B und C), der Fa. ABB, einen Back-up-Schutz mit Sicherungen von max. 100 A oder mit einem Hauptleitungsschutzschalter von max. 100 A.

Verhalten von Schmelzsicherungen

Sicherungen können mindestens einen Kurzschluss von 50 kA abschalten. Hersteller geben hier meist höhere Werte vor, insbesondere bei NH-Sicherungen.

Sofern die Überstromschutzeinrichtung in der Zuleitung, zum in der Anfrage beschriebenen Schaltschrank, diesen Wert von 100 A übersteigt, ist es sinnvoll, für diesen Stromkreis Schmelzsicherungen als Über­strom­schutzeinrich­tung vorzusehen. Andernfalls müsste vor dem Leitungsschutzschalter noch ein Back-up-Schutz von max. 100 A zwischengeschaltet werden.

Fakt ist, dass der in der Anfrage erwähnte Referent nichts Falsches erzählt hat. Man kann bzw. muss den notwendigen Mindestquerschnitt, bezogen auf den Schutz bei Kurzschluss, auch mit der in der Anfrage angegebenen Formel berechnen.

Kurzschluss­festigkeit berechnen

Diese Formel ist so auch im Abschnitt 434.5.2 von DIN VDE 0100-430 (VDE 0100-430):2010-10 angeführt:

DE_4_14_EI-beitrag2-Formel1
DE_4_14_EI-beitrag2-Formel1

Dabei ist:
  • t – die Kurzschlussdauer in s
  • S – der Leiterquerschnitt in mm2
  • I – der wirksame Kurzschlussstrom in A, angegeben als Effektivwert
  • k – ein Faktor unter Berücksichtigung von Widerstand, Temperaturkoeffizient und Wärmekapazität des Leitermaterials und den entsprechenden Anfangs- und Endtemperaturen. Bei PVC-isolierten Cu-Leiter 115; bei gummiisolierten Cu-Leitern 141 (nicht 143, wie in der Anfrage aufgeführt).
Allerdings haben Sie bei Ihrer Berechnung die für die zulässige Anwendung der Formel maximal zulässigen 5 s als Abschaltzeit eingesetzt.

Leitungsschutzschalter lösen aber bei Kurzschluss (sofern der von der Charakteristik abhängige Kurzschlussstrom 5 · oder 10 · In mindestens zum Fließen kommt) in Zeiten unter 100 ms aus. Auch Sicherungen würden bei einem Kurzschlussstrom von 15 kA wesentlich schneller als in 5 s auslösen.

Kurzschlussstrom auf der Ausgangsseite

DE_4_14_EI-beitrag2-Bild

Die Abschaltzeiten der Sicherungen können nur aus den Sicherungskennlinien der Hersteller ermittelt werden. Sie haben vermutlich den Kurzschlussstrom eingesetzt, der am Eingang der Kurzschlussschutzeinrichtung zu erwarten ist. In die Formel ist aber der Kurzschlussstrom einzusetzen, der noch auf der Ausgangsseite auftreten kann.

Überstromschutzeinrichtungen verfügen über eine unterschiedlich wirksame Strombegrenzung, die bei Sicherungen sehr hoch ist. Bei Leitungsschutzschaltern – auch wenn sie der Strombegrenzungsklasse 3 entsprechen – ist die Durchlassenergie I2t jedoch wesentlich größer. Es ist also nur der Kurzschlussstrom zu berücksichtigen, der auf der Ausgangsseite der Schutzeinrichtung max. auftreten kann. Nur dieser Kurzschlussstrom wird die erd- und kurzschlusssicher verlegte Leitung bei Kurzschluss beanspruchen – z. B. direkt an den Abgangsklemmen des Leitungsschutzschalters –, weil ja auf der erd- und kurzschlusssicher verlegten Leitung (bzw.  auf den Leitern) kein Kurzschluss auftreten darf.

Kurzschlussstrom an der Einbaustelle

Mit der aufgeführten Formel / Bedingung wird nur der Nachweis der thermischen Kurzschlussfestigkeit erbracht. Für Sicherungen und Leitungsschutzschalter geben die Hersteller die jeweilige Durchlassenergie an. Außerdem gibt es für Leitungsschutzschalter Grenzwerte im normativen Anhang ZA in den Tabellen ZA.1 und ZA.2, die von den Herstellern heutzutage immer unterschritten werden. Beispielhaft möchte ich dazu eine Grafik der Fa. ABB darstellen (Bild), aus welchem die max. Durchlassenergie für Leitungsschutzschalter Charakteristik B und C – in Abhängigkeit vom zu erwartenden Kurzschlussstrom an der Einbaustelle – ermittelt werden kann. Für Sicherungen können die Grenzwerte aus der Tabelle 7 von DIN EN 60269-1 (VDE 0636-1):2010-03 entnommen werden.

Um den geforderten Nachweis der Kurzschlussfestigkeit zu vereinfachen, sollte die oben angeführte Formel umgestellt werden, um dann mit den von den Herstellern vorgegebenen I2t -Werten einfacher rechnen zu können:

I2 · t ≤ k2 · S2

Die k2 · S2-Werte für die Leitungen lassen sich sehr einfach ermitteln. Den Wert für k kann man aus der Tabelle 43A von DIN VDE 0100-430 (VDE 0100-430):2010-10 entnehmen. Der Querschnitt S ist die planerische Festlegung /Wunschvorstellung. Mit diesen Vorgaben kann nun der Nachweis erbracht werden.

Beispiel 1

Berechnung mit dem, nach Tabelle H.1 von DIN EN 61439-1 (VDE 0660-600-1):2012-06, notwendigen Querschnitt von 4 mm2 Cu, bezogen auf eine zulässige Belastbarkeit für Dreierbündel, bei einer Luft-Umgebungstemperatur von 55 °C um den Leiter:

In die Bedingung: I2 · t ≤ k2 · S2 werden die Werte für I2t eingesetzt, entnommen dem Bild der Fa. ABB: I2t = 22.000 A2s
  • k aus Tabelle 43A von DIN VDE 0100-430 (VDE 0100-430):2010-10 für gummiisolierte Leiter mit einer zulässigen Betriebstemperatur von 60 °C:
  • k = 141 A√s / mm2
  • → k2 = 19 881 A2 s  / mm4
Ermittelter Querschnitt aus Tabelle H.1 von DIN EN 61439-1 (VDE 0660-600-1):2012-06

S = 4 mm2 → S2 = 16 mm4

Lösung: 22.000 muss kleiner oder gleich sein als 19.881 · 16 → 22.000 ≤ 318.096, d. h. die Kurzschlussfestigkeit ist somit erfüllt.

Vermutlich wird D. S. aber nicht 4 mm2 für diese Verbindung verwenden, z. B. weil auf Grund einer Kühlung im Schaltschrank die Luft-Umgebungstemperatur niedriger ist. Somit kann z. B. ein Querschnitt von 2,5 mm2 ausreichend sein.

Beispiel 2

Hier dann auch noch mal zum Querschnitt von 2,5 mm2 der Nachweis:

22.000 ≤ 19 881 · 2,52 → 22.000 ≤ 124.256; auch für diesen Querschnitt ist die Bedingung erfüllt.

Beispiel 3

Oder einfacher den minimalen Querschnitt ermitteln, der noch unter Beachtung der Kurzschlussfestigkeit angewendet werden dürfte. Dazu die Formel / Bedingung nach S umstellen:

DE_4_14_EI-beitrag2-Formel2
DE_4_14_EI-beitrag2-Formel2

Wenn man also einadrige Gummischlauchleitungen, mit einem Querschnitt von 2,5 mm2, für die erd- und kurzschlusssichere Verlegung verwendet, ist man auf der sicheren Seite.

Um die Sache abzurunden, hier noch die max. zulässige Durchlassenergie I2t – normativ Schmelz-I2t-Werte genannt – einer Diazed-Sicherung gG 16 A aus Tabelle 7 von DIN EN 60269-1 (VDE 0636-1):2010-03: Die Durchlassenergie einer Diazed-Sicherung gG von 16 A beträgt beim max. Kurzschlussausschaltvermögen max. 1000 A2s, wobei die tatsächlichen Herstellerwerte weit darunter liegen können.

Fazit

Auf einen Blick

Normen zum Thema

  • DIN VDE 0100-430
  • DIN VDE 0100-520
  • DIN EN 61439-1 (VDE 0660-600-1)
  • DIN EN 60896-1 (VDE 0641-11)
  • DIN EN 60269-1 (VDE 0636-1)
Normalerweise müsste es ausreichend sein, die kurz- und erdschlusssicher verlegten Leiter im Querschnitt so zu bemessen, wie die Abgangsleitungen hinter der betreffenden Überstrom-Schutzeinrichtung.

Sie werden also nicht den von Ihnen ermittelten großen Querschnitt benötigen, sondern 2,5 mm2 können ausreichend sein. Aber den ggf. notwendigen Back-up-Schutz für den Leitungsschutzschalter – so Sie Leitungsschutzschalter verwenden – sollten Sie nicht vergessen.

PP13269
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Über den Autor
hoermann
Werner Hörmann

Gelernter Starkstrommonteur und dann viele Jahre als Projektant für Schaltan­lagen und Steuerungen bei Siemens tätig. Aktive Normung in verschiedenen Komitees und Unterkomitees der DKE. Seine Spezialgebiete sind u. a. die Er­richtungsbestimmungen nach DIN VDE 0100 (VDE 0100) – insbesondere Schutz gegen elektrischen Schlag –, die Niederspannungs-Schaltanlagen nach DIN EN 60439 (VDE 0660-500 bis -514) oder das Ausrüsten von elektrischen Maschinen nach DIN EN 60204-1 (VDE 0113-1). Werner Hörmann ist Verfasser zahlreicher Beiträge in der Fachzeitschrift »de« sowie Autor diverser Fachbücher.

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