Home Elektroinstallation Blitz- und Überspannungsschutz Querschnittsreduzierung innerhalb eines Zählerschrankes

Schutz bei Kurzschluss

Querschnittsreduzierung innerhalb eines Zählerschrankes

Auf einen Blick Schaltschrank oder Zählerschrank In beiden Fällen sind im Inneren geringere Querschnitte möglich, die auf den ersten Blick viel zu klein erscheinen mögen

Rechnerisch oder Grafisch Der Autor zeigt, wie sich anhand von Diagrammen in Normen bzw. Herstellerdatenblättern Querschnitte und Längen alternativ zur Rechenmethode ermitteln lassen
Der »de«-Leser R. K. aus Bayern wandte sich mit folgender Fragestellung an die Redaktion »de«: »Ich hatte eine kleine Diskussion mit einem Mitarbeiter von M-Net. Dieser hat in dem Mehrfamilienhaus, wo ich arbeite, den Übergabepunkt von Glasfaser auf Kupfer installiert. Für diese Einrichtung wird eine Absicherung von B 16  A benötigt. Folgender Aufbau ist im Haus gegeben: HAK NH-50 A-Abgang mit ca. 4 x 16 mm2. Dieser geht in eine Verteilungsdose und von dort weiter zu den einzelnen Zählerplätzen. Vom Allgemeinzähler (Ausführung Wechselstrom) gehen die Abgangsklemmen auf eine gL-Sicherung 35 A. Vom Abgang geht ein 10 mm2 auf die Leitungsschutzschalter. Der M-Net-Mitarbeiter geht nun von der unteren Anschlussklemme der gL-Sicherung 35 A in den kleinen Sicherungskasten, wo sich der Leistungsschutzschalter B16A befindet. Von dort dann weiter in den Übergabeanschlusskasten. Die abgehende Leitung von der 35 A-Sicherung auf die 16 A führt er mit 1,5 mm2 durch. Somit ist die Leitung 1,5 mm2 über die NH-Sicherung mit 50 A abgesichert. Meine Frage: Ist dies so überhaupt zulässig?«

Mehrere Möglichkeiten des Schutzes gegen Kurzschluss

Auf einen Blick

Fachbeiträge zum Thema

Hörmann, W.: Zulässige Querschnitts­reduzierung in Schaltschränken »de« 7.2011 ¬ S. 17f.

Hörmann, W.: Querschnittsreduzierung im Zuge eines Stromkreises »de« 12.2012 ¬ S. 21ff.
Das von R. K. angeführte Problem ist immer wieder Gegenstand von Anfragen. Fakt ist aber, dass man den Schutz bei Kurzschluss für einen Leiter in bestimmten Umfang anders zuordnen kann, als dies beim koordinierten Schutz (Zuordnung nach Schutz bei Überlast) der Fall ist. Ein bestimmter Querschnitt kann auch durch eine Schutzeinrichtung geschützt werden, deren Nennstrom größer ist, als die zulässige Dauerstrombelastbarkeit IZ des betreffenden Leiters. Das setzt voraus, dass dieser Querschnitt im Zuge der Leitung bei Überlast geschützt ist oder aber, dass eine Überlastung aufgrund der angeschlossenen Verbraucher nicht auftreten kann.

Diese Aussage gilt auch unter dem Gesichtspunkt, dass ein scheinbarer Widerspruch zum Abschnitt 434.2 von DIN VDE 0100-430:2010-10 besteht. In diesem Abschnitt ist Folgendes festgelegt: »Eine Einrichtung, die den Schutz bei Kurzschluss sicherstellt, muss an dem Punkt angeordnet werden, an dem eine Reduzierung des Querschnitts der Leiter oder eine andere Änderung erfolgt, die zu einer Änderung der Kurzschlussstrombelastbarkeit der Leiter führt, ausgenommen, wenn 434.2.1, 434.2.2 oder 434.3 zur Anwendung kommt.«

Die meisten aber überlesen dabei die Aussage hinter dem Komma, die da lautet: »... die zu einer Änderung der Kurzschlussstrombelastbarkeit der Leiter führt«. Die Kurzschlussbelastbarkeit eines Leiters liegt aber weit höher als sie sich aus der Zuordnung der Schutzeinrichtung nach Überlast ergibt.

Vereinfacht gesagt: Der Schutz bei Kurzschluss ist dadurch sicherzustellen, dass eine Schutzeinrichtung den größtmöglichen Kurzschlussstrom abschaltet, bevor die zulässige Kurzschlusstemperatur des Kabels oder der Leitung erreicht wird. Bei PVC-isolierten Kupferleitern sind das 160 °C, bezogen auf eine max. Abschaltzeit von 5 s.

Erläuterung der grafischen ­Methoden

Um uns die etwas komplizierte Berechnung mit den im Beiblatt 5 von DIN VDE 0100 (VDE 0100) angegeben Formeln zu ersparen, habe ich vor Jahren schon eine Tabelle erstellt. Hier sind die erforderlichen Kurzschlussströme aufgeführt – bezogen auf Querschnitt der Leiter und Nennstrom der Schutzeinrichtung. Der jeweils relevante Kurzschlussstrom, der im gescannten Tabellenausschnitt gemäß Bild 1 angegeben ist, führt zur Auslösung der entsprechenden Kurzschlussschutzeinrichtung, ohne dass der Leiter unzulässig hoch erwärmt wird. Aus diesem Tabellenausschnitt ist zu erkennen, dass der Querschnitt 1,5 mm2 auch durch eine Sicherung mit größerem Nennstrom noch bei Kurzschluss geschützt werden kann, wenn aufgrund der Schleifenimpedanz der entsprechend  notwendige Kurzschlussstrom zum Fließen kommen kann.
Bild 1: Ausschnitt einer gescannten, vom Autoren vor Jahren erstellten Tabelle
Bild 1: Ausschnitt einer gescannten, vom Autoren vor Jahren erstellten Tabelle
Hinweis: Auf die Beifügung der kompletten Tabelle in Bild 1 habe ich verzichtet, da diese Tabelle von mir noch auf den Kennlinien von gL-Sicherungen erarbeitet wurde. Somit können sich auch kleinere Differenzen zu den Werten aus den Stromtoren von Tabelle 3 der gültigen Norm DIN EN 60269-1 (VDE 0636-1):2010-03 ergeben. Diese Tabelle 3 bezieht sich auf gG-Sicherungen und gM-Sicherungen. Die erwähnten Differenzen sind aber kaum von Bedeutung. Um für Sicherungen der Charakteristik gG eine analoge Überprüfung maximaler Zuordnungen durchführen zu können, müssen nun die Kennlinien der Hersteller zugrunde gelegt werden. In der Norm sind nämlich nur noch Eckwerte in Form von Stromtoren vorgegeben. Dafür ergeben die Kennlinien der Hersteller meist günstigere Werte, da diese meist eine geringere »Bandbreite« aufweisen.

Anwendung der Methode

Bezogen auf den Schutz bei Kurzschluss für den Kupferquerschnitt von 1,5 mm2 wäre, bei einer Sicherung von 50 A, ein erforderlicher Kurzschlussstrom von 860 A notwendig (siehe hierzu den roten Pfeil in Bild 1). Fraglich ist aber, ob dieser Kurzschlussstrom aufgrund der in der Anlage auftretenden Schleifenimpedanz zum Fließen kommen kann.

Daher muss durch Messung oder Rechnung nachgewiesen werden, ob diese Konfiguration gegeben ist. Aus der Tabelle ist auch zu erkennen, dass selbst eine Sicherung von 63 A (blauer Pfeil) den Cu-Querschnitt von 1,5 mm2 rein theoretisch noch schützen kann. Damit hierbei der notwendige Kurzschlussstrom zum Fließen kommt, darf nur noch eine sehr geringe Schleifenimpedanz (ca. 120 mΩ) auftreten, die in der Praxis kaum zu erwarten / zu erreichen ist.

Im Tabellenauszug in Bild 1 sind die erforderlichen Kurzschlussströme bezogen auf gL-Sicherungen aufgeführt, um den Leiter bei Kurzschluss zu schützen. Die Werte unter der roten Linie sind zu berücksichtigen, wenn die Zuordnung der Schutzeinrichtung über die normale Strombelastbarkeit hinausgeht. Die Werte für Sicherungen von 2 A bis 16 A sind darüber hinaus die 5-s-Werte. Für gG-Sicherungen können geringfügige Abweichungen bei den erforderlichen Kurzschlussströmen gegeben sein, daher sollte der Leser die Herstellerkennli­nien – analog zu Bild 1 – »bearbeiten«. Die im Bild 1 ange­führten Werte wurden übrigens aus den Sicherungs­kennlinien der inzwischen ungültigen DIN VDE 0636-21 (DIN VDE 0636-21):1984-05 ermittelt – siehe hierzu auch Bild 2.
Bild 2: Anwendung der Zeit / Strom-Bereiche für NH-Sicherungseinsätze der Betriebsklasse gL (siehe DIN VDE 0100-430:2010-10)
Bild 2: Anwendung der Zeit / Strom-Bereiche für NH-Sicherungseinsätze der Betriebsklasse gL (siehe DIN VDE 0100-430:2010-10)
Zum Nachweis, dass die Leitung 1,5 mm2 bei Kurzschluss durch eine Sicherung von 50 A geschützt werden kann, stelle ich nachfolgend die Ermittlung mit einem der beiden Bilder (Sicherungskennlinien) dar, die in der, inzwischen ungültigen, DIN VDE 0636-21 (DIN VDE 0636-21):1984-05 enthalten waren.

Hinweis zu Bild 2

Hierzu gibt es auch weitere Informationen im Beitrag »Elektroanlagen planen und projektieren (4)« in »de« 7.2009, Seiten 28 bis 33. Das Bild 2 zeigt Sicherungskennlinien gemäß Bild 2 aus DIN VDE 0636-21:1984-05 mit Einfügung der relevanten Schnittpunkte. Aus den Linien in hellblau ist zu erkennen, dass die Sicherung 50 A bei einem Kurzschlussstrom von 860 A innerhalb von 40 ms auslöst.

Die grüne Linie zeigt die Grenzlinie aus der Gleichung vom Abschnitt 434.5.2 von DIN VDE 0100-430 (VDE 0100-430):2010-10, die für Abschaltzeiten bis max. 5 s angewendet werden darf, für den Querschnitt von 1,5 mm2. Analog ist die braune Linie für 2,5 mm2 ermittelt. Der Schnittpunkt mit der »Max.-Kennlinie« (obere Bandbreite) für die jeweilige Sicherung ergibt den erforderlichen Abschaltstrom, damit die Sicherung in der Zeit auslöst, in welcher der Leiter nicht unzulässig hoch erwärmt wird.

Die Gleichung von Abschnitt 434.5.2 von DIN VDE 0100-430 (VDE 0100-430):2010-10 lautet:

028_DE_2014_8_EI42-Formel1
028_DE_2014_8_EI42-Formel1

 Darin bedeuten:
  • k – materialspezifischer Wert, vorgegeben durch das Leitermaterial, der Leiterisolierung usw., z. B. für PVC isolierte Kupferleiter beträgt dieser Wert: 115
  • S – Leiterquerschnitt
  • I – der aufgrund der Schleifenimpedanz, maximal mögliche Kurzschlussstrom
  • t – Zeit, in welcher der Kurzschlussstrom durch die Schutzeinrichtung abgeschaltet werden muss.
Daraus ermittelt man rechnerisch die max. zulässige Abschaltzeit für den Querschnitt 1,5 mm2 beim Schutz bei Kurzschluss durch eine Sicherung 50 A:
028_DE_2014_8_EI42-Formel2
028_DE_2014_8_EI42-Formel2
Die zulässige Abschaltzeit bei einem Querschnitt von 1,5 mm2 beträgt, berechnet nach der obigen Gleichung, 40,2 ms. Somit kann es nicht zu einer unzulässigen Erwärmung des Querschnittes 1,5 mm2 kommen, da die Sicherung in 40 ms abschaltet und damit der zulässigen Zeit für den Querschnitt entspricht.

So stellt sich nun als nächstes die Frage, ob der erforderliche Kurzschlussstrom in ­diesem Fall überhaupt zum Fließen kommen kann. Bei einer Spannung von 230 V (Körperschluss oder Kurzschluss gegen Neutralleiter) und einem erforderlichen Kurz­schlussstrom ergibt sich eine maximal zulässige Schleifenimpedanz von 230 V :   860 A = 0,267 Ω bzw. 267 mΩ.

Wäre dieser Zählerplatz / Schrank sehr »trafonah« errichtet, könnte man eine Vor­impedanz für den Transformator selbst und für die Verbindung zum Zählerplatz von insgesamt ca. 100 mΩ annehmen, so dass noch 167 mΩ für die Verbindung von der Sicherung 50 A bis zum Leitungsschutzschalter 16 A zur Verfügung stehen würden.

Berücksichtigt man die Tabelle NA.4 aus der DIN VDE 0100-600:2008-06, in der ein Widerstand von 12,575 mΩ pro m für einen Querschnitt von 1,5 mm2 angegeben ist, und somit 25,15 mΩ für die Entfernung (es muss ja Hin- und Rückleitung beachtet werden), ergibt sich eine maximal zulässige ­Entfernung (Hin- und Rückleitung) zwischen einer Sicherung 50 A und einem Leitungsschutzschalter 16 A von 167 mΩ  : 25,15 mΩ = ca. 6,6 m. Selbst bei einer Vorimpedanz von 200 mΩ ergäbe sich für die Verbindung innerhalb eines Verteilers, noch eine tatsächlich brauchbare Entfernung von 2,6 m.

Zusätzlicher grafischer Nachweis

Um meine Ausführungen dieses Beitrags zu untermauern, stelle ich hier ein Diagramm (Bild 3) vor, das aus der seit langem ungültigen DIN VDE 0100-430 (VDE 0100-430):1981-06 stammt. Auch wenn hier die Zuordnung für 1,5 mm2 bei einer Sicherung 35 A endet, kann dennoch zumindest die Vorgehensweise bestätigt werden. Auf die Zuordnung zu größeren Nennströmen wurde verzichtet, da die Normen der Reihe DIN VDE 0100 (VDE 0100) Errichtungsbestimmungen sind. Bei der Errichtung werden solche Zuordnungen kaum relevant sein. Solche Konfigurationen sind üblicherweise nur in Verteilern relevant, für die aber entsprechende andere Normen zutreffend sind. Überhaupt ist die »nennstromhöhere« Zuordnung einer Schutzeinrichtung für den Schutz bei Kurzschluss in der elektrischen Anlage heute kaum mehr notwendig, da diese Zuordnung in erster Linie für Motoranläufe notwendig war, was heute meist durch Frequenzumrichter usw. realisiert wird.
Bild 3
Bild 3

Fazit

Der Querschnitt 1,5 mm2 ließe sich durch eine Sicherung von 50 A bei Kurzschluss schützen, wenn
  • die Entfernung zwischen der 50-A-Sicherung und dem 16-A-Leitungsschutzschalter ca. 6,6 m nicht überschreitet und
  • die berechnete oder gemessene Schleifenimpedanz einen Wert aufweist, der den erforderlichen Kurzschlussstrom von 860 A fließen lässt (siehe Beispiel oben).
Auf einen Blick

Normen zum Thema

  • Beiblatt 5 von DIN VDE 0100
  • DIN VDE 0100-430
  • DIN EN 60269-1 (VDE 0636-1)
  • DIN VDE 0636-21 (DIN VDE 0636-21) (zurückgezogene Norm)
  • DIN VDE 0100-600 (VDE 0100-600)
Würde anstelle der vorgeschalteten Sicherung von 50 A ein Leitungsschutzschalter von 50 A vorhanden sein, dann müsste die Betrachtung unter Beachtung der ­geringeren strombegrenzenden Wirkung von Leitungsschutzschaltern nochmals analysiert werden. Hierzu wäre dann der Abschnitt 434.5.2 von DIN VDE 0100-430:2010-10 zu beachten, wo Folgendes festgelegt ist: »Für Ansprechzeiten der Schutzeinrichtungen < 0,1 s, wenn die Asymmetrie des Kurzschlussstromverlaufs von Bedeutung ist, und für strombegrenzende Schutzein­richtungen muss k2s2 größer sein als der vom Hersteller der Schutzeinrichtung angegebene Wert der Durchlassenergie (I2t).«

Schlussbemerkung zum Sinn einer solchen Querschnittsreduzierung

Es wird bei einer solchen Vorgehensweise – wie auch im Falle des »de«-Lesers R. K. – immer zu Diskussionen kommen. Besser wäre es daher, hierfür Leiter oder Leiteranordnungen zu verwenden, welche die Anforderungen an erd- und kurzschlusssichere Verlegung erfüllen – siehe hierzu DIN VDE 0100-520 bzw. DIN EN 61439-1 (VDE 0660-600-1). Es ließe sich aber auch natürlich der Querschnitt entsprechend erhöhen.

13179D
Artikel als PDF herunterladen

Sollte es Probleme mit dem Download geben oder sollten Links nicht funktionieren, wenden Sie sich bitte an kontakt@elektro.net

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.

Newsletter

Das Neueste von
elektro.net direkt in Ihren Posteingang!