Diese Oberwellenspannungen führen letztlich zum unkontrollierten Auslösen/Abschmelzen der Sicherung, d.h. zur Zerstörung des Sicherungskörpers.
Folgender Beitrag erklärt die Problematik und macht Vorschläge zur Risikominderung und Lösung.

NH-Sicherungseinsätze nach DIN EN 60269 (VDE 0636) sind grundsätzlich für eine Nennspannung bis 500 V ausgelegt; nur in Einzelfällen bis 690 V und 1.000 V. Für allgemeine Anwendungen werden NH-Sicherungseinsätze der Betriebsklasse gL/gG AC 500V als Ganzbereichssicherungen gemäß unten stehender Tabelle eingesetzt.

Zum Kurzschlussschutz von Motorstromkreisen werden nach DIN VDE 0636 Teil 2011 entsprechende Sicherungen für eine Bemessungsspannung von 1.000 V angeboten; Betriebsklasse aM, AC 1.000 V. Die Sicherung muss für die:

• Stromart (Gleich- oder Wechselstrom)

• Spannung (Spannungshöhe, z.B. 400 V, 500 V oder 690 V)

• Frequenz (50 Hz, 60 Hz, 400 Hz)

des jeweiligen Niederspannungs-Versorgungsnetzes geeignet sein. Eine Eignung für Gleichstrom und Wechselstrom muss getrennt beachtet werden.

Ohne weitere Angaben sind Frequenzen von 45 Hz bis 62 Hz zulässig.

 
Unkontrolliertes Auslösen

Das Ausschaltvermögen einer Schmelzsicherung muss größer sein als der unbeeinflusste Kurzschlussstrom an der Einbaustelle. Insbesondere beim Betrieb von Niederspannungsanlagen in Kombination mit elektronischen Betriebsmitteln, hier mit zu erwartenden Oberwellen, sind bei nicht ordnungsgemäß gestalteten Netzen (fehlende oder mangelhaft gestaltete Verdrosselung) Oberwellenströme und auch Oberwellenspannungen feststellbar, letztere eben höher als die angegebene Nennspannung (z.B. bis über 1.000 V) und Frequenz (z.B. bis zu 100 kHz).

Diese Oberwellenspannungen führen letztlich zum unkontrollierten Auslösen/Abschmelzen der Sicherung, d. h. zur Zerstörung des Sicherungskörpers.

Es findet eine „unkontrollierte Abschaltung“ statt; der entstehende Lichtbogen wird von dem den Schmelzleiter umgebenden Sand nicht gelöscht, was zur Zerstörung des umgebenden Keramikkörpers führt.

Oberwellenströme erzeugen an den Impedanzen der Versorgungsnetze Oberwellenspannungen, die sich der sinusförmigen 50-Hz-Netzspannung überlagern. Der entstehende Überstrom kann zusammen mit den höheren Frequenzen der Oberwellen zu einer Überhitzung und damit zur Zerstörung des angeschlossenen Betriebsmittels führen.

Wachsender Bedarf zum Schutz von Gleichstromkreisen

Unterbrechungsfreie Stromversorgungsanlagen (USV), Photovoltaik-Anlagen, Brennstoffzellen-Anlagen und weitere verlangen verstärkt „Gleichstrom-Sicherungen“. Die Leistungsdaten für Gleichstrom- und Wechselstrom-Anwendungen sind unterschiedlich; Wechselstromdaten sind nicht einfach in Gleichstromdaten umzurechnen; sie müssen durch Prüfungen ermittelt und bei den Herstellern erfragt werden. Bei gG-Sicherungen kann – als Faustregel – jeweils der halbe Wechselstromwert als Gleichstromwert angenommen werden.

Kondensatorschutz in Kompensationsanlagen

Die Bestimmung DIN VDE 0636 definiert NH-Sicherungen zum Unterbrechen induktiver Ströme. Leistungsfaktoren < 0,1 und kapazitive Stromkreise sind nicht erfasst. Trotzdem ist der Einsatz von gL/gG-Sicherungen zum Schutz von Kondensator-Stromkreisen, z.B. von Kompensationsanlagen, gängige Praxis. Doch hier müssen bestimmte Anwendungsregeln beachtet werden:

• Sicherungen sollen niemals unter Einfluss kapazitiver Ströme auslösen!

• Sicherungen müssen den maximalen Betriebsstrom der Kondensatoren von 1,5•IN dauernd führen können; empfohlen ist daher ein Sicherungsnennstrom, der mindestens das 1,6- bis 1,8-fache des Kondensatornennstromes beträgt.

• Sicherungen müssen Kondensator-Einschaltströme unbeschadet durchlassen.

Zur Erläuterung: Das Einschalten von Kondensatoren ist mit sehr hohen Einschaltströmen bis zum 100-fachen des Kondensatornennstromes verbunden. Abhilfe ist möglich durch ausreichend dimensionierte Sicherungen (mindestens 1,6- bis 1,8-facher Kondensatornennstrom) sowie voreilende, widerstandsbehaftete Einschaltkontakte des Kondensatorschützes oder Thyristorschalters, die im Stromnulldurchgang „sanft“ einschalten.

• Sicherungen und Kondensatoren dürfen nicht übermäßig durch Oberwellenströme oder Resonanzen belastet werden.

Nichtlineare Verbraucher, insbesondere elektronische Steuerungen, Geräte und Betriebsmittel, erzeugen Oberwellenströme, welche die Kondensatoren und Sicherungen zusätzlich belasten; Oberwellen können hier leicht den Effektivwert des Kondensatornennstromes verdoppeln. Mögliche Folgen sind Überhitzung und Fehlfunktion von Sicherungen mit zu kleinem Bemessungsstrom; ein Beispiel für diese Folgen ist unser Titelbild.

Bei Stromkreisen, für die nur ein Kurzschlussschutz gefordert ist, z.B. bei der Absicherung von Kondensatoren in Netzen mit Oberwellenströmen, sind generell Sicherungen mit größerem Bemessungsstrom einzusetzen.

Netzanalyse und Verdrosselung helfen

Grundsätzlich hilft in Oberwellen behafteten Netzen nur eine gründliche Netzanalyse und eine Verdrosselung, d.h. Vorschalten erforderlicher Induktivitäten/Drosseln, um die Kondensatoren vor unzulässiger Überlast zu schützen.

Sicherungen in diesen Netzen sollten möglichst hohe wiederkehrende Spannungen beherrschen.

Resonanzen und Rückzündungen beim Ausschalten von Kondensatoren können wiederkehrende Spannungen erzeugen, welche die Netzspannung und damit die Bemessungswerte der Sicherung übersteigen. Die wiederkehrende Spannung an der Sicherung UF erreicht dabei innerhalb von 5 ms den doppelten Scheitelwert, in Drehstromsystemen sogar den 2,5-fachen Wert, weshalb es zu Rückzündungen kommen kann. In diesem Fall wird der Kondensator schlagartig auf die entgegen gesetzte Polarität umgeladen und die wiederkehrende Spannung steigt weiter an, bis zur Zerstörung der Sicherung und benachbarter Anlagenteile.

Das bestehende Risiko wird gemindert durch die Wahl einer gegenüber der Betriebsspannung höheren Bemessungsspannung der Sicherung und die Verwendung größerer Baugrößen (z.B. statt Größe 00 grundsätzlich die Größe I oder II bzw. III).

Die Tabelle zeigt eine Übersicht der von Sicherungsherstellern empfohlenen NH-Sicherungseinsätze der Gebrauchskategorie gL/gG für gängige Blindleistungen und verschiedene Betriebsspannungen von Kompensationsanlagen.

Fazit: Die empfohlenen Maßnahmen minimieren unter Berücksichtigung der oben genannten Kriterien das Risiko unerwünschter Fehlereignisse.

--------------------------------------------------------

Dipl.-Ing. Hans J. Rübsam

Dozent und beratender Ingenieur

Mehr Artikel zum Thema DIN VDE.