Auswahl des Sicherungsautomaten nach Belastungsleistung, Kabelquerschnitt und Strom: Grundsätze und Formeln für Berechnungen

Für die Organisation einer zuverlässig funktionierenden Hausstromversorgung ist es notwendig, separate Zweige zu verlegen. Jede Leitung muss mit einem eigenen Schutzgerät ausgestattet werden, das die Kabelisolierung vor dem Schmelzen bewahrt. Allerdings weiß nicht jeder, welches Gerät man kaufen soll. Sind Sie einverstanden?

Alles über die Auswahl von Schutzschaltern nach Lastleistung erfahren Sie in dem von uns vorgestellten Artikel. Wir erklären, wie man den Nennstrom bestimmt, um den Schutzschalter der erforderlichen Klasse zu finden. Die Beachtung unserer Empfehlungen garantiert den Kauf der benötigten Geräte, die gefährliche Situationen beim Betrieb der Verkabelung ausschließen können.

Leitungsschutzschalter für Haushaltsnetze

Die Energieversorgungsunternehmen führen den Anschluss von Häusern und Wohnungen durch, indem sie die Arbeiten zum Verlegen des Kabels zum Verteilerkasten ausführen. Alle Maßnahmen zur Installation der Verkabelung in den Räumlichkeiten werden von den Eigentümern oder beauftragten Fachleuten durchgeführt.

Um einen Schutzschalter für den Schutz jedes einzelnen Stromkreises auszuwählen, müssen Sie seinen Nennstrom, seine Klasse und einige andere Eigenschaften kennen.

Grundlegende Parameter und Klassifizierung

Haushalts-Leitungsschutzschalter werden am Eingang eines Niederspannungsstromkreises installiert und sind für folgende Aufgaben vorgesehen:

• manuelles oder elektronisches Ein- oder Ausschalten des Stromkreises;
• Schutz des Stromkreises: Abschaltung des Stroms bei geringer, länger andauernder Überlast;
• Schutz des Stromkreises: sofortige Abschaltung des Stroms bei Kurzschluss.

Jeder Schalter hat eine in Ampere ausgedrückte Kenngröße, die als Bemessungsstrom (I_n) oder “Nennwert” bezeichnet wird.

Das Wesen dieses Wertes lässt sich anhand des Überlastfaktors leichter verstehen:

K = I / I_n,

wo I der tatsächliche Strom ist.

• K < 1.13: Die Abschaltung (Auslösung) erfolgt nicht innerhalb einer Stunde;
• K > 1.45: Die Abschaltung erfolgt innerhalb einer Stunde.

Diese Parameter sind in Abschnitt 8.6.2 der Norm GOST R 50345-2010 festgelegt. Um zu erfahren, nach welcher Zeit die Abschaltung bei K>1.45 erfolgt, muss das Diagramm verwendet werden, das die Auslösekennlinie des jeweiligen Schutzschaltermodells zeigt.

Bei dauerhafter Überschreitung des Nennstroms um das Zweifache erfolgt die Auslösung innerhalb von 8 Sekunden bis 4 Minuten. Die Ansprechzeit hängt von der Modelleinstellung und der Umgebungstemperatur ab.

Außerdem hat jeder Schutzschaltertyp einen bestimmten Strombereich (I_a), bei dem der Momentanauslöser anspricht:

• Klasse “B”: I_a = (3 * I_n .. 5 * I_n];
• Klasse “C”: I_a = (5 * I_n .. 10 * I_n];
• Klasse “D”: I_a = (10 * I_n .. 20 * I_n].

Geräte des Typs “B” werden hauptsächlich für Leitungen mit großer Länge verwendet. In Wohn- und Büroräumen werden Schutzschalter der Klasse “C” eingesetzt, und Geräte mit der Kennzeichnung “D” schützen Stromkreise, in denen Geräte mit hohem Einschaltstromfaktor vorhanden sind.

Die Standardreihe der Haushaltsschutzschalter umfasst Geräte mit Nennströmen von 6, 8, 10, 16, 20, 25, 32, 40, 50 und 63 A.

Aufbau der Auslöser

Im modernen Leitungsschutzschalter gibt es zwei Arten von Auslösern: thermisch und elektromagnetisch.

Der Bimetallauslöser hat die Form einer Platte aus zwei stromführenden Metallen mit unterschiedlicher Wärmeausdehnung. Diese Konstruktion führt bei dauerhafter Überschreitung des Nennstroms zur Erwärmung des Bauteils, seiner Verbiegung und zur Auslösung des Unterbrechungsmechanismus.

Bei einigen Schutzschaltern kann mit einer Einstellschraube der Stromwert geändert werden, bei dem die Abschaltung erfolgt. Früher wurde diese Methode häufig zur “Feinabstimmung” des Geräts verwendet, jedoch erfordert dieser Vorgang fundierte Fachkenntnisse und die Durchführung mehrerer Tests.

Durch Drehen der Einstellschraube (mit rotem Rechteck markiert) gegen den Uhrzeigersinn kann eine längere Ansprechzeit des thermischen Auslösers erreicht werden.

Heutzutage sind auf dem Markt viele Modelle mit Standardnennwerten verschiedener Hersteller erhältlich, deren Zeit-Strom-Kennlinien sich geringfügig unterscheiden (jedoch den Normvorgaben entsprechen). Daher besteht die Möglichkeit, einen Schutzschalter mit den gewünschten “Werks”einstellungen auszuwählen, was das Risiko einer Fehlkalibrierung ausschließt.

Der elektromagnetische Auslöser verhindert eine Überhitzung der Leitung infolge eines Kurzschlusses. Er reagiert praktisch augenblicklich, jedoch muss der Stromwert dabei ein Vielfaches des Nennstroms betragen. Konstruktiv ist dieses Bauteil ein Solenoid. Der Überstrom erzeugt ein Magnetfeld, das den Kern verschiebt und den Stromkreis öffnet.

Einhaltung der Selektivitätsprinzipien

Bei einem verzweigten Stromkreis kann der Schutz so organisiert werden, dass bei einem Kurzschluss nur der Zweig abgeschaltet wird, in dem der Fehler aufgetreten ist. Dazu wird das Selektivitätsprinzip der Schutzschalter angewendet.

Anschauliches Schema, das das Funktionsprinzip eines Systems von Leitungsschutzschaltern mit realisierter Selektivitätsfunktion (selektive Auslösung) bei Auftreten eines Kurzschlusses zeigt.

Um eine selektive Abschaltung zu gewährleisten, werden auf den unteren Stufen Schutzschalter mit unverzögerter Auslösung installiert, die den Stromkreis innerhalb von 0,02 bis 0,2 Sekunden unterbrechen. Der auf der übergeordneten Stufe angeordnete Schalter hat entweder eine Auslöseverzögerung von 0,25 bis 0,6 s oder ist nach einer speziellen “selektiven” Schaltung gemäß der Norm DIN VDE 0641-21 ausgeführt.

Um die selektive Arbeitsweise der Schutzschalter zu gewährleisten, sollten Schutzschalter desselben Herstellers verwendet werden. Für Schalter einer gemeinsamen Modellreihe gibt es Selektivitätstabellen, die mögliche Kombinationen angeben.

Einfache Installationsregeln

Der durch einen Schutzschalter zu schützende Stromkreisabschnitt kann ein- oder dreiphasig sein, einen Neutralleiter sowie einen PE-Leiter (“Erde”) aufweisen. Daher haben Schutzschalter 1 bis 4 Pole, an die die stromführende Ader angeschlossen wird. Bei Erfüllung der Auslösebedingungen werden alle Kontakte gleichzeitig getrennt.

Die Schutzschalter im Verteiler werden auf einer eigens dafür vorgesehenen DIN-Schiene befestigt. Diese gewährleistet eine kompakte und sichere Installation sowie einen bequemen Zugang zum Schalter.

Die Schutzschalter werden wie folgt installiert:

• einpolige auf die Phase;
• zweipolige auf Phase und Neutralleiter;
• dreipolige auf 3 Phasen;
• vierpolige auf 3 Phasen und Neutralleiter.

Dabei ist Folgendes verboten:

• einpolige Schutzschalter auf den Neutralleiter installieren;
• den PE-Leiter in den Schutzschalter einführen;
• anstelle eines dreipoligen Schutzschalters drei einpolige installieren, wenn an den Stromkreis mindestens ein dreiphasiger Verbraucher angeschlossen ist.

Alle diese Anforderungen sind in der PUE festgelegt und müssen eingehalten werden.

In jedem Haus oder Raum, an das Elektrizität angeschlossen ist, wird ein Hauptschutzschalter installiert. Sein Nennwert wird vom Versorger festgelegt und ist im Stromliefervertrag angegeben. Der Zweck eines solchen Schalters ist der Schutz des Abschnitts vom Transformator bis zum Verbraucher.

Nach dem Einspeiseschutzschalter wird an die Leitung ein Zähler (ein- oder dreiphasig) und eine Fehlerstrom-Schutzeinrichtung angeschlossen, deren Funktionen sich von denen eines Leitungsschutzschalters und eines Differenzialschutzschalters unterscheiden.

Wenn im Raum eine Verteilung auf mehrere Stromkreise erfolgt ist, wird jeder von ihnen durch einen eigenen Schutzschalter geschützt, dessen Leistung auf dem Typenschild angegeben ist. Deren Nennwerte und Klassen legt der Eigentümer des Raums unter Berücksichtigung der vorhandenen Verkabelung oder der Leistung der angeschlossenen Geräte fest.

Der Stromzähler und die Sicherungsautomaten werden in einem Verteilerkasten installiert, der allen Sicherheitsanforderungen entspricht und sich leicht in die Raumgestaltung integrieren lässt.

Bei der Wahl des Standorts für die Platzierung der Verteilerplatte ist zu beachten, dass die Eigenschaften des thermischen Auslösers von der Lufttemperatur beeinflusst werden. Daher ist es wünschenswert, die Hutschiene mit den Schutzschaltern im Raum selbst zu platzieren.

Berechnung des benötigten Nennstroms

Die primäre Schutzfunktion des Sicherungsautomaten bezieht sich auf die Verkabelung, daher erfolgt die Auswahl des Nennwerts nach dem Kabelquerschnitt. Dabei muss der gesamte Stromkreis den ordnungsgemäßen Betrieb der angeschlossenen Geräte gewährleisten. Die Berechnung der Systemparameter ist nicht kompliziert, aber es sind viele Nuancen zu beachten, um Fehler und Probleme zu vermeiden.

Bestimmung der Gesamtleistung der Verbraucher

Einer der wichtigsten Parameter eines Stromkreises ist die maximal mögliche Leistung der daran angeschlossenen elektrischen Verbraucher. Bei der Berechnung dieses Werts dürfen die Daten aus den Geräteunterlagen nicht einfach addiert werden.

Wirk- und Nennkomponente

Für jedes elektrisch betriebene Gerät ist der Hersteller verpflichtet, die Wirkleistung (P) anzugeben. Diese Größe bestimmt die Energiemenge, die durch den Betrieb des Geräts unwiderruflich umgewandelt wird und für die der Benutzer über den Zähler bezahlt.

Bei Geräten mit Kondensatoren oder Induktionsspulen gibt es jedoch noch eine weitere Leistung mit einem Wert ungleich Null, die als Blindleistung (Q) bezeichnet wird. Sie gelangt zum Gerät und kehrt fast sofort zurück.

Die Blindkomponente wird bei der Berechnung der verbrauchten elektrischen Energie nicht berücksichtigt, bildet aber zusammen mit der Wirkkomponente die sogenannte “Schein-“ oder “Nennleistung” (S), die die Belastung des Stromkreises darstellt.

cos(f) – ein Parameter, mit dem man die Schein- (Nenn-)leistung aus der Wirk- (verbrauchten) Leistung ermitteln kann. Wenn er nicht gleich 1 ist, wird er in den technischen Unterlagen des elektrischen Geräts angegeben.

Der Beitrag eines einzelnen Geräts zur Gesamtbelastung der stromführenden Leiter und des Automaten muss nach seiner Scheinleistung berechnet werden: S = P / cos(f).

Erhöhte Anlaufströme

Ein weiteres Merkmal einiger Arten von Haushaltsgeräten ist das Vorhandensein von Transformatoren, Elektromotoren oder Kompressoren. Solche Geräte verbrauchen beim Start einen Anlaufstrom (Startstrom).

Sein Wert kann die Standardwerte um ein Vielfaches übersteigen, aber die Betriebszeit mit erhöhter Leistung ist kurz und beträgt normalerweise 0,1 bis 3 Sekunden. Ein solcher kurzzeitiger Anstieg führt nicht zur Auslösung des thermischen Auslösers, aber die elektromagnetische Komponente des Schutzschalters, die für den Kurzschluss-Überstrom zuständig ist, kann reagieren.

Diese Situation ist besonders relevant für separate Leitungen, an die Geräte wie Holzbearbeitungsmaschinen angeschlossen werden. In diesem Fall muss der Strom berechnet werden, und möglicherweise ist es sinnvoll, einen Schutzschalter der Klasse “D” zu verwenden.

Berücksichtigung des Gleichzeitigkeitsfaktors

Für Stromkreise, an die eine große Anzahl von Geräten angeschlossen ist und kein Gerät vorhanden ist, das den größten Teil des Stroms verbraucht, wird der Gleichzeitigkeitsfaktor (ks) verwendet. Der Sinn seiner Anwendung besteht darin, dass nicht alle Geräte gleichzeitig in Betrieb sind, daher würde die Summierung der Nennleistungen zu einem überhöhten Wert führen.

Der Gleichzeitigkeitsfaktor für Gruppen von Stromverbrauchern ist in Abschnitt 7 der SP 256.1325800.2016 festgelegt. Auf diese Werte kann man sich auch bei der eigenen Berechnung der maximalen Leistung stützen.

Dieser Koeffizient kann einen Wert gleich oder kleiner als Eins annehmen. Die Berechnung der Anschlussleistung (P_r) jedes Geräts erfolgt nach der Formel:

P_r = ks * S

Die gesamte Anschlussleistung aller Geräte wird zur Berechnung der Stromkreisp Parameter verwendet. Die Verwendung des Gleichzeitigkeitsfaktors ist sinnvoll für Büros und kleine Geschäftsräume mit einer großen Anzahl von Computern, Bürogeräten und anderen Geräten, die von einem Stromkreis versorgt werden.

Bei Stromkreisen mit einer geringen Anzahl von Verbrauchern wird dieser Koeffizient nicht in reiner Form angewendet. Aus der Leistungsberechnung werden diejenigen Geräte entfernt, deren gleichzeitiger Betrieb mit energieintensiveren Geräten unwahrscheinlich ist.

So besteht beispielsweise in einem Wohnraum eine geringe Wahrscheinlichkeit, dass ein Bügeleisen und ein Staubsauger gleichzeitig betrieben werden. In Werkstätten mit wenigen Mitarbeitern werden für die Berechnung nur die 2-4 leistungsstärksten Elektrowerkzeuge herangezogen.

Berechnung der Stromstärke

Die Auswahl des Schutzschalters erfolgt nach dem maximalen Stromwert, der im Stromkreisabschnitt zulässig ist. Dieser Wert muss ermittelt werden, indem man die Gesamtleistung der Verbraucher und die Netzspannung kennt.

Gemäß GOST 29322-2014 soll der Spannungswert seit Oktober 2015 für normale Netze 230 V und für Drehstromnetze 400 V betragen. In den meisten Fällen gelten jedoch noch die alten Parameter: 220 V bzw. 380 V. Daher sind für genaue Berechnungen Messungen mit einem Voltmeter erforderlich.

Sie können die Spannung im Hausnetz mit einem Voltmeter oder Multimeter messen. Dazu stecken Sie einfach seine Kontakte in die Steckdose.

Ein weiteres Problem, das besonders für Elektroinstallationen im privaten Sektor relevant ist, ist die Bereitstellung einer Stromversorgung mit unzureichender Spannung. Messungen an solchen problematischen Objekten können Werte anzeigen, die außerhalb des durch GOST festgelegten Bereichs liegen.

Darüber hinaus kann der Spannungswert je nach Stromverbrauch der Nachbarn innerhalb kurzer Zeit stark schwanken.

Dies stellt nicht nur ein Problem für die Funktion der Geräte dar, sondern auch für die Berechnung der Stromstärke. Bei Spannungsabfall verlieren einige Geräte einfach an Leistung, während andere, die einen Eingangsstabilisator besitzen, den Stromverbrauch erhöhen.

Unter solchen Bedingungen ist es schwierig, die erforderlichen Schaltungsparameter qualitativ zu berechnen. Daher müssen Sie entweder Kabel mit einem von vornherein größeren Querschnitt verlegen (was teuer ist) oder das Problem durch die Installation eines Eingangsstabilisators oder den Anschluss des Hauses an eine andere Leitung lösen.

Der Stabilisator wird neben dem Verteilerkasten installiert. Oft ist dies die einzige Möglichkeit, die normgerechten Spannungswerte im Haus zu erreichen.

Nachdem die Gesamtleistung der Elektrogeräte (S) ermittelt und der Spannungswert (U) festgestellt wurde, erfolgt die Berechnung der Stromstärke (I) nach Formeln, die aus dem Ohmschen Gesetz abgeleitet sind:

I_f = S / U_f  für einphasige Netze

I_l = S / (1.73 * U_l) für dreiphasige Netze

Hier bezeichnet der Index “f” die Phasenparameter und “l” die Leitungsparameter.

Die meisten dreiphasigen Geräte verwenden die Schaltungsart “Stern” (Y-Schaltung), und auch der Transformator, der den Strom für den Verbraucher liefert, funktioniert nach diesem Schema. Bei symmetrischer Last sind der Leiterstrom und der Phasenstrom identisch (I_l = I_f), und die Spannung wird nach folgender Formel berechnet:

U_l = 1.73 * U_f

Nuancen bei der Auswahl des Kabelquerschnitts

Die Qualität und Parameter von Drähten und Kabeln werden durch GOST 31996-2012 geregelt. Auf der Grundlage dieses Dokuments werden für die hergestellten Produkte technische Bedingungen (TU) entwickelt, in denen ein gewisser Bereich von Basisparametern zulässig ist. Der Hersteller ist verpflichtet, eine Tabelle mit der Zuordnung von Leiterquerschnitt und maximalem sicheren Strom bereitzustellen.

Der maximal zulässige Strom hängt vom Querschnitt der Leitungsadern und der Verlegeart ab. Sie können verdeckt (in der Wand) oder offen (in einem Rohr oder Kabelkanal) verlegt werden.

Das Kabel ist so zu wählen, dass ein sicherer Stromfluss entsprechend der berechneten Gesamtleistung der Elektrogeräte gewährleistet ist. Gemäß der PUE (Regeln für Elektroinstallationen) muss der minimale Berechnungsquerschnitt der Leitungen, die in Wohnräumen verwendet werden, mindestens 1,5 mm² betragen.

Die Standardgrößen haben folgende Werte: 1,5; 2,5; 4; 6 und 10 mm².

Manchmal ist es sinnvoll, Leitungen mit einem um einen Schritt größeren Querschnitt als dem minimal zulässigen zu verwenden. In diesem Fall besteht die Möglichkeit, zusätzliche Geräte anzuschließen oder vorhandene durch leistungsstärkere zu ersetzen, ohne teure und zeitaufwändige Arbeiten zur Verlegung neuer Kabel durchführen zu müssen.

Berechnung der Parameter des Schutzschalters

Für jeden Stromkreis muss die folgende Ungleichung erfüllt sein:

I_n <= I_p / 1.45

Hier ist I_n der Nennstrom des Schutzschalters und I_p der zulässige Strom für die Leitung. Diese Regel gewährleistet eine garantierte Auslösung bei längerer Überschreitung der zulässigen Last.

Die Ungleichung “In <= Ip / 1.45” ist die Hauptbedingung bei der Zusammenstellung des Paares “Schutzschalter – Kabel”. Die Missachtung dieser Regel kann zu einem Kabelbrand führen.

Den Nennwert des Schutzschalters kann man sowohl nach der Gesamtlast als auch nach dem Querschnitt der bereits verlegten Leitungen berechnen. Nehmen wir an, es gibt einen Anschlussplan für Elektrogeräte, aber die Verkabelung ist noch nicht verlegt.

In diesem Fall ist die Reihenfolge der Schritte wie folgt:

1. Berechnung des Gesamtstroms der an das Netz angeschlossenen Elektrogeräte.
2. Auswahl eines Schutzschalters mit einem Nennwert, der nicht kleiner als der berechnete Wert ist.
3. Auswahl des Kabelquerschnitts entsprechend dem Nennwert des Schutzschalters.

Beispiel:

1. S = 4 kW; I = 4000 / 220 = 18 A;
2. I_n = 20 A;
3. I_p >= I_n * 1.45 = 29 A; D = 4 mm².

Wenn die Verkabelung bereits verlegt ist, ist die Reihenfolge der Schritte eine andere:

1. Ermittlung des zulässigen Stroms bei bekanntem Querschnitt und bekannter Verlegeart der Leitung anhand der vom Hersteller bereitgestellten Tabelle.
2. Auswahl des Leitungsschutzschalters.
3. Berechnung der Leistung der anzuschließenden Geräte. Zusammenstellung der Gerätegruppe so, dass die Gesamtlast im Stromkreis kleiner als der Nennwert ist.

Beispiel: Es wurden zwei einadrige Kabel offen verlegt, D = 6 mm², dann:

1. I_p = 46 A;
2. I_n <= I_p / 1.45 = 32 A;
3. S = I_n * 220 = 7,0 kW.

In Punkt 2 des letzten Beispiels gibt es eine geringfügig zulässige Annäherung. Der genaue Wert I_n = I_p / 1.45 = 31,7 A wurde auf 32 A gerundet.

Auswahl zwischen mehreren Nennströmen

Manchmal ergibt sich die Situation, dass mehrere Schutzschalter mit unterschiedlichen Nennwerten für den Schutz eines Stromkreises ausgewählt werden können. Zum Beispiel wurde bei einer Gesamtleistung der Elektrogeräte von 4 kW (18 A) eine Verkabelung mit einem Querschnitt der Kupferadern von 4 mm² mit Reserve gewählt. Für diese Kombination können Schutzschalter mit 20 und 25 A installiert werden.

Wenn der Elektroverteilungsplan eine mehrstufige Absicherung vorsieht, sollten die Automaten so gewählt werden, dass der Nennwert des übergeordneten (im Bild rechts mit 25 A) größer ist als der der Schutzschalter der niedrigeren Ebenen.

Ein Vorteil der Wahl eines Automaten mit dem höchsten Nennwert ist die Möglichkeit, zusätzliche Geräte anzuschließen, ohne die Elemente des Stromkreises ändern zu müssen. Meistens wird so verfahren.

Für die Wahl eines Automaten mit einem kleineren Nennwert spricht die Tatsache, dass sein thermischer Auslöser schneller auf einen erhöhten Stromwert reagiert. Der Grund ist, dass bei einigen Geräten ein Fehler auftreten kann, der zu einem erhöhten Energieverbrauch führt, aber nicht bis zur Höhe eines Kurzschlusses.

Zum Beispiel führt ein Lagerdefekt im Motor einer Waschmaschine zu einem plötzlichen Anstieg des Stroms in der Wicklung. Wenn der Automat schnell auf die Überschreitung der zulässigen Werte reagiert und abschaltet, brennt der Motor nicht durch.

Fazit und nützliche Videos zum Thema

Aufbau und Klassifizierung eines Leitungsschutzschalters. Das Konzept der Zeit-Strom-Kennlinie und die Auswahl des Nennstroms nach Kabelquerschnitt:

Berechnung der Geräteleistung und Auswahl des Automaten nach den PUE-Bestimmungen:

Die Auswahl eines Leitungsschutzschalters sollte verantwortungsvoll erfolgen, da die Sicherheit des elektrischen Systems im Haus davon abhängt. Bei all den vielen Eingangsparametern und Nuancen der Berechnung ist zu bedenken, dass die primäre Schutzfunktion des Automaten der Verkabelung gilt.

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