Leitungsschutz

Warum braucht eine elektrische Leitung Schutz?

Stell dir eine Wasserleitung vor: Fließt zu viel Wasser durch ein zu enges Rohr, baut sich Druck auf – das Rohr kann platzen. Bei elektrischen Leitungen ist es ähnlich: Fließt mehr Strom durch einen Leiter, als dieser dauerhaft ableiten kann, erwärmt er sich. Überschreitet diese Erwärmung bestimmte Grenzwerte, schmilzt die Isolation, und es entsteht Brandgefahr. Genau hier setzt der Leitungsschutz an.

Es gibt zwei grundlegend verschiedene Ursachen, die ein Leitungsschutzelement zum Auslösen bringen:

Überlast entsteht, wenn an einen Stromkreis mehr Verbraucher angeschlossen werden, als er für seinen Nennstrom ausgelegt ist. Ein typisches Beispiel aus dem Alltag: Eine Steckdosenleiste mit Wasserkocher, Toaster und Mikrowelle gleichzeitig. Der Strom überschreitet den Nennwert des Leiters, aber nicht so dramatisch wie beim Kurzschluss. Die Leitung erwärmt sich langsam und kontinuierlich. Ein Überstrom von 20 % über dem Nennwert kann durchaus mehrere Minuten lang fließen, bevor das Schutzelement reagiert – dafür sorgt die sogenannte zeitverzögerte Auslösung.

Kurzschluss dagegen ist ein plötzliches, unkontrolliertes Zusammenbrechen des Leitungswiderstandes – etwa wenn Phase und Neutralleiter direkt miteinander verbunden werden. Der Widerstand sinkt nahezu auf null, der Strom steigt innerhalb von Millisekunden auf das Vielfache des Nennwerts (in Niederspannungsnetzen teils auf mehrere Kiloampere). Hier muss das Schutzelement blitzschnell reagieren, sonst schmelzen Leiter und Geräte in Sekunden. Für diesen Fall ist die unverzögerte Schnellauslösung zuständig.

Die ÖVE/ÖNORM E 8001 legt fest, welche Schutzeinrichtungen in österreichischen Gebäudeinstallationen eingesetzt werden müssen und wie deren Bemessung zu erfolgen hat. Sie bildet die rechtliche und normative Grundlage für alle Entscheidungen rund um den Leitungsschutz.

Wie funktionieren Schmelzsicherungen und welche Bauformen gibt es?

Das Prinzip einer Schmelzsicherung ist so einfach wie genial: Ein dünner Metalldraht – der Schmelzleiter – wird so bemessen, dass er bei Überschreitung eines definierten Stroms schmilzt und damit den Stromkreis dauerhaft unterbricht. Man denke an das schwächste Glied in einer Kette: Der Schmelzleiter ist bewusst das schwächste Element der elektrischen Installation, damit er zerstört wird – und nicht die viel teurere Leitung oder das angeschlossene Gerät.

Innerhalb einer modernen Schmelzsicherungspatrone ist der Schmelzleiter häufig in Quarzsand eingebettet. Dieser hat eine wichtige Doppelfunktion: Er leitet die im normalen Betrieb entstehende Wärme ab und verhindert so vorzeitiges Auslösen. Im Kurzschlussfall absorbiert er die beim Schmelzen entstehende Energie und kühlt den entstehenden Lichtbogen ab, sodass dieser sicher gelöscht wird. Ohne Quarzsand könnte der Lichtbogen unkontrolliert weiterbrennen und schwere Schäden verursachen.

DIAZED-Sicherung

Die DIAZED-Sicherung ist die klassische Schraubsicherung in österreichischen Hausinstallationen. Ihr kegelförmiger Sockel und der charakteristische Passeinsatz (Passhülse) machen sie unverwechselbar. Der Schmelzleiter in der Sicherungspatrone ist profiliert: Er besitzt einen langen, dünnen Abschnitt, der bei anhaltendem Überstrom thermisch träge aufschmilzt (Überlastabsicherung), sowie eine oder mehrere enge Einschnürungen, an denen bei hohem Kurzschlussstrom das Metall explosionsartig verdampft (Kurzschlussabsicherung). Durch diese Kombination in einem einzigen Schmelzleiter deckt die DIAZED-Sicherung beide Fehlerfälle zuverlässig ab.

Der Passeinsatz (auch Passhülse genannt) ist ein farbcodiertes Kunststoffelement, das in den Sockel eingesetzt wird. Er verhindert mechanisch, dass eine Sicherung mit zu hohem Nennstrom eingeschraubt wird – ein 25-A-Passeinsatz lässt nur Patronen bis 25 A einsetzen. So ist ein versehentliches „Reparieren“ mit einer überdimensionierten Sicherung ausgeschlossen.

NEOZED-Sicherung

Die NEOZED-Sicherung ist die kompaktere, modernere Variante. Ihr Aufbau entspricht dem DIAZED-Prinzip, jedoch ist die Bauform wesentlich kleiner und für den Einsatz auf Hutschienen (DIN-Schienen) konzipiert. Sie eignet sich besonders für den Einsatz in Unterverteilungen und Schaltschränken, wo Platzbedarf ein kritischer Faktor ist. Auch hier verhindert ein Passeinsatz die Verwendung überdimensionierter Sicherungen.

Glasrohrsicherung

Die Glasrohrsicherung besteht aus einem zylindrischen Glasrohr mit Metallkappen an beiden Enden, durch das der Schmelzdraht sichtbar gespannt ist. Ihr größter Vorteil: Man sieht auf den ersten Blick, ob sie defekt ist. Sie wird hauptsächlich in Geräten (Messgeräte, Laborausstattung, Kfz-Elektronik) und kleinen Anlagen eingesetzt, nicht jedoch in der Gebäude-Hauptverteilung.

Auslösecharakteristiken bei Glasrohrsicherungen

Glasrohrsicherungen werden nach ihrer Auslösegeschwindigkeit klassifiziert. Die Buchstabenkürzel beschreiben, wie schnell der Schmelzleiter auf einen Überstrom reagiert:

Farbcode der Schmelzsicherungen

Um die Größe einer Sicherung auch ohne Lesen der Aufschrift zu erkennen, gibt es eine genormte Farbcodierung nach ÖVE/ÖNORM EN 60269. Wichtig: Einige Farben kommen doppelt vor – die Unterscheidung erfolgt dann über die Baugröße (z. B. DIAZED-Größe DII vs. DIII):

Was sind NH- und HH-Sicherungen und wer darf sie tauschen?

NH steht für Niederspannungs-Hochleistungs-Sicherung. Der Begriff beschreibt treffend, worum es geht: Diese Sicherungsbauform ist für den Einsatz in Niederspannungsnetzen (bis 1.000 V Wechselspannung) ausgelegt, kann jedoch sehr hohe Kurzschlussströme sicher abschalten – bis zu 120 kA. Das entspricht dem 7.500-fachen eines typischen Haushalts-Nennstroms von 16 A. Zum Vergleich: Ein Blitzeinschlag erzeugt Ströme in ähnlichen Größenordnungen.

HH steht für Hochspannungs-Hochleistungs-Sicherung und wird in Mittel- und Hochspannungsanlagen eingesetzt. Im Ausbildungskontext des Mechatronikers ist die NH-Sicherung die relevante Bauform.

Aufbau einer NH-Sicherung

Der Aufbau ist dem Grundprinzip einer Schmelzsicherung ähnlich, jedoch erheblich robuster: Ein keramisches Gehäuse (Sicherungseinsatz) enthält mehrere parallel geschaltete Schmelzleiter aus Kupfer oder Silber, die in Quarzsand eingebettet sind. An beiden Enden des quaderförmigen Einsatzes befinden sich Messerklemmkontakte aus Kupfer, die für einen niederohmigen, sicheren Kontaktschluss in den NH-Sicherungsunterteilen sorgen. An der Schmalseite befindet sich der farbcodierte Kennmelder (Schlagbolzen), der beim Auslösen sichtbar herausspringt und die defekte Phase anzeigt – ein schnelles Diagnosemerkmal bei Sammelschienensystemen.

NH-Sicherungen werden nach Verwendungskategorie unterschieden: gG (allgemeine Verwendung: Kabel- und Leitungsschutz) und aM (begleitender Motorschutz: nur Kurzschlussschutz, kein Überlastschutz). In der Gebäude- und Industrieinstallation ist gG der Regelfall.

Wer darf NH-Sicherungen tauschen?

Hier gilt in Österreich eine klare Regel nach ÖVE/ÖNORM EN 50110 und der ESV 2012: NH-Sicherungen dürfen ausschließlich von elektrotechnischen Fachkräften oder unter ihrer Aufsicht getauscht werden. Eine Fachkraft ist eine Person, die durch ihre Ausbildung, ihr Wissen und ihre Erfahrung Gefahren erkennen und vermeiden kann.

Der Grund für die PSA-Pflicht liegt in der enormen Energie, die im Netz gespeichert ist: Auch bei nominell „kleinen“ 230 V / 400 V kann ein Lichtbogen Temperaturen von über 20.000 °C erreichen und schwere Verbrennungen verursachen. Die Schutzausrüstung muss auf die mögliche Lichtbogenenergie der jeweiligen Anlage abgestimmt sein – diese wird in Joule angegeben und bestimmt die Schutzklasse der Kleidung.

Wie ist ein Leitungsschutzschalter aufgebaut und wie löst er aus?

Der Leitungsschutzschalter (LSS) ist heute das am weitesten verbreitete Schutzelement in Niederspannungsanlagen. Im Gegensatz zur Schmelzsicherung zerstört er sich beim Auslösen nicht selbst – er kann nach Beseitigung des Fehlers einfach wieder eingeschaltet werden. Stell dir ihn wie einen selbst reparierenden Sicherungsdraht vor, der zusätzlich noch zwischen „zu viel für zu lang“ und „viel zu viel auf einmal“ unterscheiden kann.

Aufbau des Leitungsschutzschalters

Ein LSS vereint mehrere funktionale Baugruppen in einem kompakten Gehäuse:

Auslösung bei Überlast – der Bimetallauslöser

Das Bimetall besteht aus zwei fest verbundenen Metallstreifen mit unterschiedlichem Wärmeausdehnungskoeffizienten – ähnlich einem Thermostat im Backofen. Fließt zu viel Strom, erwärmt sich der Bimetallstreifen durch den Joule’schen Effekt (P = I² · R). Da sich beide Metalle unterschiedlich stark ausdehnen, biegt sich der Streifen. Ab einem definierten Durchbiegungswinkel gibt er den Verklinkungsmechanismus frei – der Schalter öffnet. Dieser Vorgang dauert bei knapper Überlast mehrere Sekunden bis Minuten. Der Bimetallauslöser ist temperaturkompensiert, d. h. er berücksichtigt die Umgebungstemperatur, um korrekt anzusprechen.

Auslösung bei Kurzschluss – der Magnetauslöser

Die Magnetspule im LSS erzeugt bei hohem Strom ein starkes Magnetfeld, das einen Eisenkern anzieht. Dieser Eisenkern schlägt mechanisch auf den Verklinkungsmechanismus und öffnet den Schalter innerhalb von Millisekunden. Das Ansprechen erfolgt schlagartig, sobald der Strom den Vielfachen des Nennstroms übersteigt (je nach Typ B, C oder D). Nach dem Auslösen – egal ob thermisch oder magnetisch – steht der Kipphebel in einer Mittelstellung zwischen EIN und AUS. Das ist das sichtbare Signal, dass ausgelöst wurde. Vor dem Wiedereinschalten muss der Kipphebel zunächst vollständig in die AUS-Stellung gedrückt werden (Verklinkung zurücksetzen), erst dann kann wieder eingeschaltet werden.

Was bedeuten die Auslösecharakteristiken B, C und D beim LSS?

Nicht jeder elektrische Verbraucher verhält sich beim Einschalten gleich. Ein Heizungsstab zieht sofort seinen vollen Nennstrom; ein Elektromotor hingegen nimmt beim Anlauf kurzzeitig das 5- bis 10-fache seines Nennstroms auf. Würde man einen für ruhige Lasten ausgelegten Schutzschalter an einem Motor einsetzen, würde er bei jedem Einschalten unnötig auslösen. Die Auslösecharakteristik des LSS muss daher zur Art der Last passen – wie ein Schuh, der zur Fußgröße passt.

Die Charakteristik beschreibt den Strombereich, bei dem der magnetische Schnellauslöser anspricht (in Vielfachen des Nennstroms I_N). Der thermische Bimetallauslöser verhält sich bei allen Typen ähnlich.

Kenndaten eines Leitungsschutzschalters – vollständige Übersicht