Elektroinstallation
DIN VDE 0100–420 verlangt den Einbau von Fehlerlichtbogen-Schutzeinrichtungen, sogenannten Brandschutzschaltern. Nach Ablauf der Übergangsfrist am 18. Dezember 2017 ist der Einbau von Fehlerlichtbogen-Schutzeinrichtungen in Endstromkreisen von einphasigen Wechselspannungssystemen mit Betriebsströmen bis 16 A Pflicht. Dies schreibt die seit dem 1. Februar 2016 in Kraft befindliche Fassung der DIN VDE 0100–420:2016–2 verbindlich vor. Durch den Einsatz solcher Schutzgeräte soll der Brandschutz in definierten Anwendungsbereichen verbessert werden.
Die Norm DIN VDE0100–420 (IEC 60364–4–42 (HD 60364–4–42)) ist eine Installationsnorm zur Errichtung von Niederspannungsanlagen. Sie beschreibt in Teil 4–42 geeignete Schutzmaßnahmen, die gegen thermische Auswirkungen aufgrund von Fehlerlichtbögen zu ergreifen sind. Die Norm bezieht sich dabei ausschließlich auf Endstromkreise von einphasigen Wechselspannungssystemen mit Betriebsströmen bis 16 A, nicht jedoch auf dreiphasige Wechselspannungssysteme (Drehstromkreise). Anzuwenden ist die Norm ausschließlich bei Neuanlagen beziehungsweise bei Bestandsanlagen, die umfassend geändert oder erweitert werden. Das heißt: Altanlagen müssen daher auch nach dem Ende der Übergangsfrist nicht zwingend mit Fehlerlichtbogen-Schutzeinrichtungen – umgangssprachlich auch Brandschutzschalter genannt – an die neue Normenlage angepasst werden. Da die Vorgängerausgabe DIN VDE 0100–420:2013–02 ohnehin noch bis zum Ende der Übergangsfrist gültig ist, können somit bis zu zum 17. Dezember 2017 beide Normfassungen angewendet werden. Erst ab dem 18. Dezember 2017 ist der Einsatz von Brandschutzschaltern dann in den oben genannten Endstromkreisen verbindlich vorgeschrieben.
Die Norm unterscheidet dabei jedoch Bereiche, in denen eine Ausstattung mit Brandschutzschaltern zwingend vorgeschrieben ist und solche, in denen lediglich eine Empfehlung für den Einbau besteht.
Zwingend vorgeschrieben ist der Einbau von Brandschutzschaltern unter anderem in Endstromkreisen von Schlaf- und Aufenthaltsräumen in Kindertagesstätten oder Seniorenheimen. Gleiches gilt für barrierefreie Wohnungen nach DIN 18040–2. Befinden sich in einem Mehrparteienhaus jedoch nur einzelne barrierefreie Wohnungen, ist der Einsatz von Brandschutzschaltern ausschließlich in den Endstromkreisen dieser Wohnungen verpflichtend. In all diesen Bereichen ist es das Ziel der Norm, Personen vor einem Brand zu schützen, die sich selbst nicht in Sicherheit bringen können. Daher ist der Einsatz von Brandschutzschaltern beispielsweise in Grundschulen nicht zwingend vorgeschrieben, weil dort regelmäßig Feuer-Alarmübungen mit Schulräumung durchgeführt werden. Darüber hinaus besteht Einbaupflicht in Räumen oder Orten mit einem Feuerrisiko durch verarbeitete oder gelagerte Materialien. Dazu zählen Papierfabriken, Druckereien, Schreinereien, Sägewerke und Scheunen. Gleiches gilt für Gebäude, die überwiegend aus brennbaren Baustoffen bestehen wie zum Beispiel Holzhäuser und Gebäude in Leichtbauweise (Fertighäuser). Aber auch für Einrichtungen mit unersetzbaren Gütern wie Museen, Nationaldenkmäler, Laboratorien oder Rechenzentren gilt die Einbaupflicht sowie außerdem für öffentliche Gebäude mit Gütern von hohem Wert wie Bahnhöfe oder Flughäfen.
Lediglich empfohlen hingegen ist der Einsatz in Endstromkreisen von Räumen mit Schlafgelegenheiten sowie in Räumen und Orten mit Feuer verbreitenden Strukturen bzw. in Gebäuden, bei denen die Form und Ausdehnung die Ausbreitung von Feuer erleichtert – beispielsweise durch den Kamineffekt bei Hochhäusern. Aber auch für anlagentechnische Einrichtungen wie Zwangsbelüftungen empfiehlt die Norm den Einsatz von Brandschutzschaltern.
In der Produktnorm VDE 0665–10:2014–8 (IEC/EN 62606) sind die allgemeinen Anforderungen an Fehlerlichtbogen-Schutzeinrichtungen beschrieben, mit denen sich der in der DIN VDE0100–420 geforderte Schutz erzielen lässt. Neben dem in der Norm verwendeten Begriff der „Fehlerlichtbogen-Schutzeinrichtung“ sind für diese Geräte zwei weitere Begrifflichkeiten gebräuchlich: die hier vorwiegend verwendete Bezeichnung „Brandschutzschalter“ sowie die englische Abkürzung „AFDD“ für Arc Fault Detection Devices.
Bei diesen Geräten unterscheidet die Produktnorm zwei zulässige Ausführungen. Dies sind zum einen kompakte Einrichtungen, die aus einer Fehlerlichtbogen-Erfassungseinheit und einer Ausschaltvorrichtung oder einer Überstrom- und/oder Fehlerstrom-Schutzeinrichtung bestehen. Solche Geräte bietet beispielsweise der Hersteller Hager an. Das Produktangebot von Hager umfasst dazu zwei Fehlerlichtbogen-Schutzeinrichtungen inklusive integriertem Leitungsschutzschalter mit Nennströmen von 10 A und 16 A jeweils in B-Charakteristik. Die hier verwendete Kompaktbauweise erlaubt eine besonders schnelle Montage vor Ort, bei der die Einspeisung oben links erfolgt, der Abgang unten rechts. Alternativ sind auch separate Fehlerlichtbogen-Erfassungseinheiten zulässig, die nachträglich mit einer auslösenden Schutzeinrichtung zusammengebaut werden.
Die Funktionsweise ist bei beiden Ausführungen identisch: Die Fehlerlichtbogen-Erfassungseinheiten überwachen die Sinusschwingungen von Strom und Spannung. Werden ab einem Stromwert von 2,5 A charakteristische Strom- und Spannungsverläufe detektiert, die einen gewissen Energieinhalt mit Brandrisiko überschreiten und auf einen Fehlerlichtbogen als Folge einer schlechten Kontaktstelle hinweisen, schaltet der Brandschutzschalter den Stromkreis ab. Als Schwellwert für eine Abschaltung wird ein Energiegehalt von 450 Joule zugrundegelegt. Dieser ist in der Lage, ein PVC-Kabel zu entzünden. Jeder Abschaltung geht eine mikroprozessorgestützte Analyse voraus, bei der von der integrierten Software des Brandschutzschalters 120 verschiedene Parameter überwacht und ausgewertet werden.
Für die Entstehung von Fehlerlichtbögen kommt eine ganze Reihe von Ursachen in Betracht. Auslöser können schadhafte Leitungen, Isolationsfehler oder lose Kontaktstellen sein, die durch mechanische beziehungsweise thermische Belastungen, Alterung oder Verschmutzungen auftreten können. Typische Fälle sind angebohrte Leitungen, unzulässige Biegeradien von Leitungen, Vibrationen, durch Möbel unachtsam abgeklemmte Kabel oder auch Bisse durch Nagetiere. Hierbei werden generell serielle und parallele Schadstellen unterschieden:
Serielle Fehlerlichtbögen entstehen, wenn ein defekter Leiter oder eine lose Kontaktstelle in Reihe mit dem Verbraucher im Stromkreis liegt. Überschreitet die Sinusschwingung der Wechselspannung aus dem Nulldurchgang kommend den Schwellwert, ab dem sich der Lichtbogen über die Fehlerstelle entzündet, fließt der Strom darüber. Da dieser durch den Widerstand der Last begrenzt ist, erwärmt sich in der Folge die Fehlerstelle. Dieser Vorgang wiederholt sich bei jeder Halbwelle der Netzspannung. LS- und FI-Schutzschalter können solche Fehler nicht erkennen und schalten daher auch nicht ab. Brandschutzschalter hingegen detektieren diesen Verlauf der Sinusschwingungen von Strom und Spannung und schalten den Stromkreis über das angeschlossene Schutzgerät ab.
Parallele Fehlerlichtbögen können zwischen Außenleiter und Neutralleiter sowie zwischen Außenleiter und Schutzleiter auftreten. Der Fehlerlichtbogen entsteht hier also durch einen Überschlag zwischen zwei Leitern. Die Höhe des Fehlerstroms wird dabei nur durch die Impedanzen im Stromkreis und in der Fehlerstelle selbst begrenzt. Je nach Fehlerstromhöhe schaltet auch ein LS-Schalter bei Überschlag zwischen Außenleiter und Neutralleiter ab. Liegt der Fehlerstrom allerdings unterhalb des Auslösestroms des LS-Schalters, schaltet dieser nicht ab. Da Brandschutzschalter wie oben beschrieben bereits charakteristische Strom- und Spannungsverläufe ab einem Stromwert von 2,5 A erkennen, bieten diese jedoch auch bei solch einem Fehlerfall Schutz.
Parallele Fehlerlichtbögen zwischen Außenleiter und Schutzleiter werden allerdings auch von FI-Schutzschaltern erkannt, die damit für diesen Fehlerfall ebenfalls einen zuverlässigen Brandschutz bieten. Ist in einem Endstromkreis allerdings kein FI-Schalter installiert, sorgen AFDDs für den Brandschutz. Bei diesen Geräten müssen im Gegensatz zu FI-Schaltern jedoch keine regelmäßigen Funktionsprüfungen durchgeführt werden, da sie diese entsprechend der Produktnorm in zyklischen Tests selbst durchführen.
Neben Fehlerlichtbögen sind in der Praxis zudem sogenannte betriebsbedingte Lichtbögen anzutreffen. Diese treten unter anderem im normalen Betrieb von Elektromotoren in Form des sogenannten Bürstenfeuers auf, wie es beispielsweise bei Bohrmaschinen der Fall ist. Aber auch Schalthandlungen von elektronischen Komponenten können den Strom- und Spannungsverlauf der Sinuswellen derart beeinflussen, dass sie dem Verlauf ähneln, der durch einen Fehlerlichtbogen hervorgerufen wird. Brandschutzschalter können aufgrund ihrer „Software-Intelligenz“ zwischen betriebsbedingten Lichtbögen und Fehlerlichtbögen sicher unterscheiden.
Autor: Stefan Fritzenwanker, Marktmanager Zweckbau der Hager Vertriebsgesellschaft mbH & Co. KG, Blieskastel
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