Begriffserklärungen, Rollenverteilung und Schnittstellendefinition
Die Normenreihe IEC 61439 befasst sich mit Anforderungen an Niederspannungs-Schaltgerätekombinationen und umfasst alle umgangssprachlichen „Verteilerschränke“ von der Hausinstallation über industrielle Niederspannungshauptverteilungen bis hin zu Schaltstellen im öffentlichen Niederspannungsnetz.
Erweiterung von Niederspannungs-Schaltgerätekombinationen
Nachweis der Erwärmung durch Berechnung
Sonderfälle Photovoltaik und E-Mobility
Rollen und deren Schnittstellen
Entwärmungsvermögen von Gehäusen
Niederspannungs-Schaltgerätekombinationen (NSGK) nach IEC 61439 müssen in ihrer Dokumentation eine klare Definition der Schnittstellen beinhalten, die sie mit ihrer Umwelt verbinden. Diese Verbindungen beinhalten z.B. die elektrische Anlage, deren Teil sie sind, aber auch Umgebungsbedingungen wie Temperatur und Luftfeuchte, sowie Anforderungen an Wartung und Bedienung.
In Bezug auf die Belastbarkeit sind diese Schnittstellen durch folgende Größen definiert:
Spannungen
Betriebsströme
Kurzschlussströme
Der Nennstrom ist eine übliche Kenngröße bestimmter Verteilerarten z.B. von Messwandlerschränken. Gemäß internationaler Definition dient der Nennstrom als Identifikationsmerkmal, beispielsweise als Teil der Artikelbezeichnung. Der Nennstrom ist ein gerundeter Wert, der klar, eindeutig identifizierbar und vergleichbar ist. Oft wurde in der Vergangenheit der Bemessungsstrom des Eingangsgerätes als Nennstrom für den Verteiler herangezogen.
Der im Rahmen der Betriebsmittelkennzeichnung anzugebende Bemessungsstrom der NSGK ist jener Strom, den das Betriebsmittel tatsächlich an der Erwärmungsgrenze führen kann. Er ist von der Art des Anschlusses (über NH-Lastschaltleiste oder direkt), von der Wahl der Gehäuseart und -größe, sowie von der Montageart und vom Aufstellungsort abhängig.
Der Bemessungsstrom Inc eines Stromkreises einer NSGK ist jener Strom, den ein einzelner Stromkreis dauerhaft ohne Überschreitung von festgelegten Grenztemperaturen (definiert in verschiedenen Normen) führen kann, wenn kein weiterer Abgang belastet ist.
In der Praxis wird selten ein Abgang allein belastet, es kommt zu einer bestimmten, vom Anwendungsfall abhängigen gemeinsamen Belastung mehrerer Stromkreise, die in den Errichtungsbestimmungen zur Auslegung der elektrischen Anlage als Gleichzeitigkeitsfaktor berücksichtigt wird. Werden beispielsweise von einer Hauptverteilung fünf Wohnungen versorgt, so sind diese Wohnungen gemäß TAEV (als vollelektrifizierte Wohneinheit, VWE) mit je 18 kW Anschlussleistung zu bewerten. Dies entspricht einem Strom von ca. 26 A bei dreiphasiger symmetrischer Last. Bei fünf Wohneinheiten ist weiters ein Gleichzeitigkeitsfaktor von 0,4 – 0,45 heranzuziehen, wodurch sich der gesamt zu erwartende Strom von 5 x 26 A = 130 A auf maximal 130 A x 0,45 = 58,5 A reduziert.
Bei der Kennzeichnung der NSGK beschreibt der Bemessungsbelastungsfaktor RDF (Rated Diversity Factor) die Gleichzeitigkeit. Für das Beispiel der fünf Wohneinheiten ist also ein Verteiler mit Stromkreisen von Inc = min. 26 A und einem RDF von min. 0,45 zu bemessen.
Beim Nachweis der Erwärmung von NSGK durch Prüfung wird einerseits der Inc für jeden Abgangsstromkreis unterschiedlicher Bemessung und andererseits für die gesamte NSGK nachgewiesen. Im zweiten Fall werden die Abgänge mit einem Betriebsstrom betrieben, der über den Inc und den RDF berechnet wird: IB = Inc x RDF, in obigem Beispiel also 26 A x 0,45 = 11,7 A.
Der Bemessungsstrom InA der NSGK ist der Gesamtstrom in der Einspeisung – oder bei größeren Anlagen in der Summe aller vorhandenen Einspeisungen – den die NSGK ebenfalls ohne Überschreitung der Temperaturgrenzwerte verteilen kann. Dieser Bemessungsstrom ist limitiert durch den Bemessungsstrom der in der Einspeisung verwendeten Geräte und/oder der Stromtragfähigkeit der Sammelschienen bei der sich einstellenden Umgebungstemperatur, wobei bei höheren Schrankinnenraumtemperaturen Abwertungsfaktoren bei den Betriebsmitteln berücksichtigt werden müssen. Zusätzlich kann der InA auch durch die Grenztemperaturen limitiert sein. Dies ist vor allem dann der Fall, wenn die Einspeisung zusammen mit vielen Abgängen in einem eher kleinen Gehäuse untergebracht ist, so dass es aus thermischen Gründen gar nicht möglich ist, den vollen Betriebsstrom in allen Abgangsstromkreisen zu verteilen. Im vorhin genannten Anwendungsbeispiel mit den fünf Wohneinheiten muss der Verteiler für einen Bemessungsstrom InA von mindestens 58,5 A ausgelegt werden und darf für einen sicheren Betrieb der Anlage diesen Wert nicht dauerhaft überschreiten.
Umgekehrt kann die Summe aller Betriebsströme auch kleiner sein als der InA, der dann nur durch die Einspeisegeräte definiert ist. In diesem Fall kann der Verteiler durch weitere Abgänge ergänzt werden, um mehr Energie verteilen zu können. Dabei sind jedoch einige Punkte zu beachten:
Der InA selbst kann durch das Hinzufügen weiterer Abgänge nicht vergrößert werden. Ist durch die Summe der theoretisch möglichen Betriebsströme der InA aufgebraucht oder überschritten, muss beim Hinzufügen weiterer Abgänge sichergestellt werden, dass der Verteiler nicht überlastet werden kann. Für die Einhaltung der angegebenen Bemessungsströme der Schaltgerätekombination ist der Anwender verantwortlich. Auf welche Art die Einhaltung sichergestellt wird, ist in IEC 61439 nicht geregelt. Es wird jedoch empfohlen, entsprechend dimensionierte Überstromschutzeinrichtungen zu verwenden.
Wird die Einhaltung der Temperaturgrenzen einer Bauart von Schaltgerätekombinationen durch eine Berechnung nachgewiesen, so ist für alle stromführenden Betriebsmittel eine Reduktion des Bemessungsstroms zu berücksichtigen, um punktuelle Überhitzungen zu verhindern. Diese sogenannten „Hot Spots“ können durch die Berechnung nicht ermittelt werden. Daher wird durch die Verringerung der Bemessungsströme aller verwendeten Betriebsmittel auf 80 % ihres ursprünglichen Wertes ein Grenzwert vorgeschrieben, der die Erfahrung aus Ergebnissen durch Prüfung einfließen lässt. Gibt der Betriebsmittelhersteller für die zu erwartende Umgebungstemperatur eine noch höhere Abwertung vor (z.B. 72 % bei 60 °C Schaltschrankinnentemperatur), dann ist diese Abwertung zu verwenden. Eine Berechnung wird immer mit dem Bemessungsstrom Inc durchgeführt, die Angabe eines RDF ist dann nicht erforderlich (bzw. RDF = 1).
Bemessungsströme für Schaltgeräte sind zulässige Dauerströme, die auch für 24 Stunden am Tag durchgehend auftreten dürfen. In der Praxis gibt es selten Anwendungen, die eine solche dauerhafte Belastung erzeugen. Aus Prüfungen im Labor kann abgeleitet werden, dass kurzfristige hohe Lasten, die nur wenige Minuten auftreten, aufgrund der trägen Erwärmungsvorgänge in üblichen Verteilern kein Problem darstellen. Allgemeine Richtwerte zu nennen ist nicht einfach, da diese stark von den verwendeten Betriebsmitteln (z.B. Leitungsschutzschalter oder NH-Sicherungsleisten), von der Gehäusegröße und von der Komplexität innerer Schottungen wie Berührungsschutzabdeckungen, Geräteabdeckungen etc. abhängen.
Einen Verteiler so zu bemessen, dass die kurzen Lastspitzen auch als Dauerstrom geführt werden könnten, ist weder technisch noch wirtschaftlich sinnvoll. Aus diesem Grund zeigt auch die IEC 61439 Möglichkeiten auf, wie z.B. von einem Aussetzbetrieb auf einen äquivalenten Dauerstrom umgerechnet werden kann.
Belastungen in der Höhe der Bemessungsströme, die über eine Stunde hinweg oder länger anliegen, führen bei vielen Produkten bereits zu einer Erwärmung, die mindestens 70 % der erwarteten Endtemperaturen bei dauerhafter Belastung mit dem Bemessungsstrom entsprechen. Auch das ist aber nur ein grober Richtwert, der wiederum von Betriebsmitteln, Leiterquerschnitten, Gehäuseabmessungen etc. abhängt. Um ein optimales Produkt bereitstellen zu können, müssen also bereits in der Planungsphase der Schaltgerätekombination viele Detailinformationen bereitstehen. Je mehr Details über die Charakteristik der Lasten, der gewählten Leiterquerschnitte für Zu- und Ableitungen sowie geplanter Besicherung bekannt sind, umso besser kann die Schaltgerätekombination auf den Anwendungsfall zugeschnitten werden. Unbekannte Größen, die für die Bemessung notwendig sind, müssen bei der Planung angenommen werden und ergeben dann die entsprechenden Bemessungsgrößen, die in der technischen Dokumentation der Produkte ersichtlich sind und schlussendlich mit der tatsächlichen Nutzung übereinstimmen müssen. Einige Arten von NSGK, insbesondere jene, die nicht sehr komplex aufgebaut sind, können in vielen verschiedenen Betriebsfällen verwendet werden, die sich durch die Angaben gemäß IEC 61439 nicht alle vollständig abbilden lassen. Ein gutes Beispiel dafür sind Kabelverteilerschränke oder Hauptsicherungskästen, die nur aus einem Kupferschienensystem und NH-Sicherungsleisten oder Sicherungslastschaltleisten bestehen. Die Bemessungsströme dieser Produkte sind nur bedingt von der Dimension der verwendeten Kupferschiene abhängig, viel mehr Einfluss haben z.B. die Sicherungseinsätze. Je nach Anschlussart, Verwendung von Trennmessern oder Sicherungseinsätzen, Vorhandensein einer Durchschleifmöglichkeit und der Anzahl und Art der Abgänge (dies beinhaltet auch die verwendeten Einspeise- und Abgangsquerschnitte und die dazugehörige Besicherung), können sich für das selbe Gehäuse mit identischen Kupferschienen unterschiedliche Bemessungsströme der Schaltgerätekombination ergeben. Eine einflussreiche Rolle spielen dabei auch die maximale Gehäuseinnentemperatur, bei der die verwendeten Geräte betrieben werden dürfen und die festgelegten Umgebungsbedingungen, insbesondere in Bezug auf die Aufstellung im Freien, die von den „üblichen Umgebungsbedingungen“ gemäß IEC 61439 abweichen können und dürfen.
Aktuelle Entwicklungen im Bereich der elektrischen Energieversorgungen führen zu Belastungsfällen, die nicht „üblich“ sind und auch bei der Bemessung von NSGK zu beachten sind. Die zwei häufigsten Fälle sind:
Die Energiewende in Europa führt zu einer Dezentralisierung der Erzeugung elektrischer Energie. Das bedeutet, dass Energieerzeugungsanlagen nicht mehr in den oberen Netzebenen, sondern immer häufiger in der Verteilnetzebene und damit in der Niederspannungsverteilung angeschlossen werden. Immer öfter finden sich in größeren Anlagen Schaltgerätekombinationen, die sowohl Abgänge für Verbraucher als auch Einspeisungen von Erzeugungsanlagen mit einem Netzanschluss und einer Energiezählung verbinden. Bei der Bemessung dieser Produkte ist darauf zu achten, dass die dezentrale Einspeisung – insbesondere bei Photovoltaikanlagen – über längere Zeit (mehrere Stunden) dauerhaft die volle Nennleistung liefern kann und in den Verteiler einbringt. Daher ist für solche Produkte die Bemessung des RDF = 1 vorzusehen. Ebenso ist im Kurzschlussfall auf die zusätzliche Stromquelle Rücksicht zu nehmen.
Bei der Versorgung von Elektrofahrzeugen ist die Bemessung der Endstromkreise mit einer Gleichzeitigkeit von 1 bereits vorgeschrieben. Dies ist auch für die vorgelagerte Energieverteilung gültig, sofern nicht geeignete Maßnahmen zur Laststeuerung vorhanden sind. Bei Abgangsstromkreisen, die für die Ladung von Elektrofahrzeugen konzipiert sind, gilt weiters die Besonderheit, dass aufgrund von möglichen Herstellervorgaben ein Überstromschutz mit einem Nennstrom in der Höhe des erwarteten Betriebsstromes (z.B. 32 A bei einem 3-phasigen Ladepunkt mit 22 kW) einzusetzen ist. Das bedeutet, dass das Betriebsmittel an der Grenze seiner nominellen Belastbarkeit betrieben wird und damit die Erwärmung des Bauteils maximal ist. Empfehlenswert ist, nach Absprache mit dem oder den Hersteller(n) eine höhere Dimensionierung vorzusehen, um das Erwärmungsverhalten zu verbessern. Ist dies nicht möglich, so kann z.B. auch mit konstruktiven Maßnahmen auf die Dauerbelastung reagiert werden.
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Einer der Hauptinhalte der IEC 61439 ist die Rollenverteilung mit klar definierten Pflichten für die jeweilige Rolle. Folgende Beispiele sollen die Rollenverteilung klären und damit die Verpflichtungen im jeweiligen Fall darstellen.
Die 61439er Normenreihe kennt diesen Begriff nicht. Im geschäftlichen Zusammenspiel ist der Komponentenhersteller aber eine wichtige Rolle. Er liefert die Komponenten, die zu einer NSGK zusammengestellt werden können. Eine Komponente ist ein Bauteil mit einer eigenen Produktgrundnorm, z.B. ein einzelnes Schaltgerät (IEC 60947, IEC 60269, etc.), ein Leergehäuse (IEC 62208), eine Zählerplatte etc. Diese Komponenten sind von Systemteilen zu unterscheiden, die bereits nach IEC 61439 (oder Teilen davon) hergestellt werden, oder für deren Anwendung geprüft sind, aber noch keine fertige NSGK darstellen.
Der ursprüngliche Hersteller einer NSGK stellt eben diese Systemteile her, die an sich bereits eine NSGK darstellen können, nur noch nicht fertig sind, d.h. nicht so wie sie sind einfach angeschlossen werden sollen. Damit sind eigentlich Serienfertigungsteile angesprochen, wie z.B. ein geprüftes Schienensystem1, eine Baugruppe auf einer Montageplatte als „Einsatz“ usw. Der ursprüngliche Hersteller muss dieses Serienbauteil gar nicht wirklich liefern, sondern kann die Fertigung auch auslagern (z.B. an den Hersteller der NSGK). Er ist aber verantwortlich für die Planung (das Design) des Systemteils und muss die Normkonformität durch die Punkte des Bauartnachweises bestätigen.
1 Unter Schienensystem wird ein geprüftes System aus Kupferschienen und Schienenhalter verstanden. Für ein solches System können bereits Anforderungen aus der IEC 61439 definiert werden, wie z.B. die Isolationsfestigkeit und die Kurzschlussfestigkeit!
Der Hersteller ist jener Akteur, der die Verantwortung für die fertige NSGK übernimmt, also als Letzter noch eine Veränderung daran vornimmt, bevor diese in Betrieb genommen wird. Setzt der Hersteller der Niederspannungs-Schaltgerätekombination ausschließlich Systemteile zusammen, deren Bauart bereits nachgewiesen ist, und bei denen der Nachweis auch den Zusammenbau beinhaltet (inklusive richtiger Verdrahtung, Gehäuse etc.), dann muss der Hersteller der NSGK lediglich mit dem Stücknachweis prüfen, ob beim Zusammenbau kein Fehler passiert ist und alle Anforderungen aus dem Bauartdesign eingehalten werden (z.B. Luft- und Kriechstrecken, IP-Schutzart, usw.). Werden in der fertigen NSGK den Systemteilen von ursprünglichen Herstellern (dies können auch mehrere verschiedene sein) noch andere Komponenten hinzugefügt, so muss der Hersteller für diesen Teil der NSGK den Bauartnachweis erbringen. Wenn der Hersteller der (fertigen) NSGK kein einziges Systembauteil eines ursprünglichen Herstellers, sondern nur Komponenten verwendet, übernimmt er damit auch alle Pflichten des ursprünglichen Herstellers, bleibt aber „formell“ der Hersteller der NSGK.
Der Hersteller der NSGK ist für die Kennzeichnung des Produktes verantwortlich. Sie umfasst auch das Typenschild und die notwendigen Daten darauf, also auch das Herstellerzeichen und die entsprechende Norm. Ebenso ist der Hersteller für die Konformität des fertigen Produktes mit den einschlägigen EU-Richtlinien verantwortlich. Nur er führt das Konformitätsbewertungsverfahren für die fertige NSGK durch und bringt das CE-Zeichen am Produkt an.
Der Anwender ist gemäß Normdefinition derjenige, der die Niederspannungs-Schaltgerätekombination „spezifizieren, kaufen, verwenden und/oder betreiben“ wird, oder „jemand, der in seinem Auftrag handelt“. Diese Definition umfasst also nicht einen bestimmten Akteur, sondern eine Gruppe möglicher Akteure: einen Betreiber, einen Errichter, einen
Planer (Ausschreibung = Spezifikation). Alle diese Akteure übernehmen gewisse Pflichten der Anwenderrolle, besonders wichtig ist jedoch die korrekte und ausreichende Spezifikation. Sie ermöglicht es dem Hersteller der NSGK, aus Systemteilen ursprünglicher Hersteller und/oder Komponenten die geeignete Niederspannungs-Schaltgerätekombination zusammenzusetzen. Nur wenn alle notwendigen Daten spezifiziert sind, kann diese Auswahl der Teile korrekt erfolgen. Werden gewisse Daten nicht spezifiziert, so kann der Hersteller der NSGK diese festlegen. Sie gelten damit als mit dem Anwender vereinbart (dies gilt auch für Angaben in Verkaufsdokumenten wie z.B. Katalogen). Die vereinbarten Spezifikationen müssen auch vom Anwender eingehalten werden, da die Niederspannungs-Schaltgerätekombination ansonsten in einem unzulässigen Betriebsbereich betrieben wird, was zu Schäden oder Ausfällen führen kann.
Aufstellungs- und Umgebungsbedingungen
Bedienen und Warten
Anschluss an das elektrische Netz
Stromkreise und Verbraucher
Der Komponentenhersteller ist verpflichtet, die jeweilige Komponente nach ihrer Produktnorm zu fertigen und die entsprechende Dokumentation bereitzustellen. Diese wird vom Hersteller der NSGK zu dessen Bauartnachweis hinzugefügt. Die Bedienungsanleitung, Wartungshinweise oder Teile davon können – wo sinnvoll – im Rahmen der Dokumentation dem Anwender zur Verfügung gestellt werden. Zur Dokumentation gehört auch die richtige und vollständige Kennzeichnung am Gerät, sowie die Deklaration der Konformität mit den zutreffenden europäischen EU-Richtlinien (CE).
Der Hersteller der Niederspannungs-Schaltgerätekombination verwendet die Montage- bzw. Zusammenbauanleitungen von Systemteilen aus einem NSGK-System zur Fertigung des vollständigen Produktes und als Vorgabe für die Stückprüfung. Er erstellt einen Bauartnachweis für alle weiteren Herstellungsschritte, die nicht gemäß den Montageanleitungen dieser Systemteile erfolgt sind. Auch dieser Bauartnachweis verbleibt beim Hersteller der NSGK. Nach erfolgter Stückprüfung wird die NSGK gekennzeichnet (Typenschild, CE-Kennzeichen etc.).
Der Hersteller der NSGK ist auch für das Erstellen der Dokumentation verantwortlich. Diese Dokumentation besteht neben der Bekanntgabe der kennzeichnenden Merkmale der Schnittstellen (z.B. als Datenblatt) auch aus Anweisungen zur Handhabung (Transport), Aufstellung, Betrieb und Wartung der NSGK und der darin enthaltenen Betriebsmittel. Schaltpläne und Klemmenpläne müssen nur dann Teil der Dokumentation sein, wenn die Schaltung aus der konstruktiven Anordnung der eingebauten Geräte nicht klar ersichtlich ist. Diese Dokumentationsunterlagen sind dem Anwender zur Verfügung zu stellen. Als Mindestdokumentation sind die kennzeichnenden Merkmale (Datenblatt) mit der NSGK mitzuliefern.
In ein Gehäuse kann nur eine gewisse beschränkte Verlustleistung eingebracht werden, damit die Temperatur innerhalb des Gehäuses unter dem erlaubten Limit bleibt. Als interne Festlegung ist das Entwärmungsvermögen der Gehäuse von ELSTA als jene Leistung angegeben, die eingebracht werden kann, um die Differenz zwischen Außentemperatur und Innentemperatur (ΔT) auf ΔT = 20 K zu begrenzen. Das bedeutet, dass bei einer Außentemperatur von 35 °C die Innentemperatur maximal 35 °C + 20 K = 55 °C beträgt. Eine Unterstützung durch passive oder aktive Kühlmaßnahmen (z.B. Lüftungsgitter, Lüfter) ist dabei noch nicht berücksichtigt.
Die Höhe der maximalen Innentemperatur wird durch den erlaubten Betriebstemperaturbereich der eingebauten Geräte festgelegt. Typische Werte sind z.B. 40, 55 oder 70 °C, abhängig von der Art und Robustheit der eingebauten Geräte. Dabei ist insbesondere im Außenbereich ebenso auf die untere zulässige Temperaturgrenze der eingebauten Geräte zu achten (-5 °C bzw. -25 °C)!
Die Wärmeabgabe aus dem Gehäuse nach außen ist von vielen Parametern abhängig. Generell gilt aber, dass bei einer Temperaturdifferenz von ΔT = 20 K weder der Unterschied zwischen den Schutzarten IP 44 und IP 54, noch das Material des Gehäuses eine wesentliche Rolle spielen. Durch die Verwendung von Kunststoff als Material für das Gehäuse entsteht also kein Nachteil im Wärmeabgabeverhalten. Bei höheren Temperaturdifferenzen zwischen Schrankinnentemperatur und Außentemperatur wird die Schutzart sowie die Wirkung passiver Belüftungsmaßnahmen deutlicher spürbar.
Die Temperaturdifferenz darf näherungsweise auch für andere Umgebungstemperaturen angepasst werden. Bei einer Außentemperatur 25 °C würde sich beim angegebenen Entwärmungsvermögen daher eine Innentemperatur von etwa 45 °C einstellen.