Rechtsvorschriften Nordamerika, Bild: Eaton

Zahlreiche Rechtsvorschriften stellen insbesondere für Maschinen- und Anlagenbauer, die nach Nordamerika exportieren, eine Herausforderung dar. Bild: Eaton

Geräte mit einem unzureichenden Short Circuit Current Rating (SCCR, auch Kurzschlussfestigkeit genannt) können ein Risiko für Mitarbeiter und Anlagen oder eine Brandgefahr darstellen. Die neuen Vorschriften des NEC 2017 (National Electrical Code der USA) sehen die Angabe des verfügbaren Kurzschlussstroms am Installationspunkt und die Kennzeichnung einer Schaltanlage mit seinem Short Circuit Current Rating vor.

Damit kann vermieden werden, dass eine Geräteinstallation nicht normengerecht ist und nicht abgenommen werden darf. Studien zeigen, dass 50 Prozent der Maschinen- und Anlagenbauer bei der Herstellung von Schaltanlagen nur den typischen minimalen SCCR von fünf Kiloampere einhalten, was zu Problemen führt, wenn der Kurzschlussstrom der Einspeisung diesen um ein Vielfaches übersteigt.

Eine Behebung vor Ort kann kostspielig und manchmal aufwendig sein. Die Entwicklung eines Schaltplans oder die Implementierung einer High-Fault-SCCR-Lösung kann schwierig sein, dies ist aber nicht zwangsläufig der Fall. Das SCCR ist ein entscheidendes Sicherheitskriterium gewerblicher und industrieller Installationen, mit dem Risiken bei Störungen minimiert werden sollen. Dieses Rating gibt den maximalen Kurzschlussstrom an, dem eine Komponente oder eine Anlage sicher standhalten kann, ohne Mitarbeiter einer Brandgefahr, umherfliegenden Trümmern oder einem Stromschlag auszusetzen.

Aktuelle Normen und erwartete Änderungen

Handbuch Eaton, Bild: Eaton
Das Handbuch berät Anlagen- und Maschinenbauer, wie sie die Anforderung bei der Entwicklung von Anlagen mit erhöhter Sicherheit und Zuverlässigkeit erfüllen können, um ihren Endkunden einen besseren Support zu liefern. Bild: Eaton

Der NEC, das US-Bundesamt für Arbeitsschutz und -gesundheit (OSHA) und die Underwriters Laboratories (UL) erstellen Richtlinien bezüglich des SCCR. Sie haben die Risiken von Störungen erkannt und Anforderungen daran in ihre Normen aufgenommen, um die Arbeitsplatzsicherheit zu erhöhen, und dabei Anforderungen an das SCCR von Anlagen für industrielle Anwendungen und andere Anlagen festgelegt.

Für Control Panels enthält der Anhang SB des Standards UL 508A eine anerkannte Methode zur Ermittlung des SCCR. Die Norm sieht auch die Möglichkeit der Erhöhung des SCCR von Komponenten durch strombegrenzende Sicherungen oder Leistungsschalter vor, aber die Regeln rund um die Anwendung von Strombegrenzungsgeräten können verwirrend sein.

Markierte strombegrenzende Schutzgeräte begrenzen den verfügbaren Kurzschlussstrom zwar, sie dürfen aber nicht das Schaltvermögen nachgeschalteter Schutzgeräte erhöhen, sofern sie nicht gemeinsam getestet wurden (sogenanntes Serien-Rating). Der Standard UL 508A untersagt jedoch die Nutzung eines Serien-Ratings innerhalb des Industrial Control Panel und verlangt, dass alle Überstromschutzgeräte ein ausreichendes Schaltvermögen für den verfügbaren Kurzschlussstrom aufweisen. Andernfalls ist die Verwendung der Strombegrenzungseigenschaften eines strombegrenzenden Überstromschutzgerätes nicht akzeptabel beziehungsweise führt nicht zum erforderlichen SCCR für die Anlage.

Die für 2017 erwarteten Änderungen des NEC erstrecken sich auf Kennzeichnungs- und Dokumentationsanforderungen, die es für Anlagen- und Maschinenbauer, Betreiber und Inspektoren einfacher machen, das korrekte SCCR zum Schutz von Schaltanlagen zu verifizieren. Der verfügbare Kurzschlussstrom muss an dem Ort gekennzeichnet werden, wo die folgenden Gerätetypen installiert werden, also Maschinen, HVAC-Anlagen, Aufzugssteuerungen, Generatorsteuerungen, Netzumschaltungen, Energiespeicher oder Batteriesysteme. Und er muss an dem Ort gekennzeichnet werden, wo sich die folgenden Anlagentypen befinden: Motor Control Center (MCC) und andere Anlagen mit einer Industriesteuerung.

Bestimmung des SCCR von Geräten

SCCR-Anforderungen. Bild: Eaton
Mehrere Designoptionen für unterschiedliche SCCR-Anforderungen. Bild: Eaton

In der Steuerung befinden sich Komponenten, die keinen Überstromschutz bieten, wie Motorstarter, Reihenklemmen und Schalter. Diese haben einen als SCCR bekannten Kurzschlusswert, der den Grad des Kurzschlussstroms definiert, dem das jeweilige Gerät sicher standhalten kann, wenn es durch ein bestimmtes Überstromschutzgerät gemäß SCCR-Kennzeichnung geschützt ist.

Komponenten, die Überstromschutz bieten, wie Leistungsschalter und Sicherungen, haben ein Schaltvermögen, das den Kurzschlussstrom sicher abschalten kann. Einige Überstromschutzgeräte sind als strombegrenzend gekennzeichnet und können verwendet werden, um das SCCR einer Komponente im Branch Circuit zu verbessern. Im Falle eines Kurzschlusses reagieren diese Geräte schneller als übliche (nicht strombegrenzende) Überstromschutzgeräte.

Das SCCR kann entweder durch Tests oder Analysen bestimmt werden. Da Tests oft kostspielig sind, ist die Analyse die gängigste Methode. In Anhang SB des Standards UL 508A ist eine Analysemethode dargelegt, die die schwächste Komponente als Basis für die Bestimmung des SCCR von Anlagen berücksichtigt.

Es gibt drei entscheidende Kriterien zur Bestimmung: das SCCR der Komponenten, die Schaltleistung des Schutzgeräts und die Auswirkung der strombegrenzenden Schutzgeräte im Feeder Circuit. Der Kurzschlusswert von Komponenten ist in den Produktkennzeichnungen oder Installationsanweisungen des Herstellers aufgeführt, während die Schaltleistung in den Kennzeichnungen der Schutzgeräte zu finden ist.

Gemäß UL 508A SB4.3 können Geräte zur Strombegrenzung im Feeder Circuit verwendet werden, um die Werte im Branch Circuit zu erhöhen, aber nicht für Komponenten im Feeder Circuit. Der Spitzendurchlassstrom eines strombegrenzenden Überstromschutzgerätes im Feeder Circuit ist zu vergleichen mit dem SCCR von nachgeschalteten Komponenten im Branch Circuit. Wenn der Spitzendurchlassstrom bei einem bestimmten erwarteten Kurzschlussstrom geringer oder gleich dem SCCR der Komponenten ist, kann das SCCR der Komponenten auf den jeweiligen erwarteten Kurzschlussstrom erhöht werden.

Weil beim Austausch einer Sicherung leicht Fehler auftreten können, ist eine Verwendung der vom Hersteller veröffentlichten Daten zum Durchlassstrom nicht zulässig. Bei Leistungsschaltern, die als strombegrenzend gekennzeichnet sind, können die Daten des Herstellers verwendet werden.

Der Kurzschlusswert eines Schützes, eines Überlastrelais, eines Frequenzumrichters oder anderer Komponenten im Branch Circuit kann verbessert werden. Eine Verbesserung der Schaltleistung für Leistungsschalter und Sicherungen oder des SCCR für Typ E/F Combination Motor Starter durch ein vorgeschaltetes Strombegrenzungsgerät ist nicht möglich, selbst wenn sie sich im Branch Circuit befinden.

Eine andere Methode besteht darin, das SCCR des Branch Circuits mit Leistungstransformatoren zu erhöhen, diese kommt jedoch im Allgemeinen aufgrund von Größenbeschränkungen nicht in der Steuerung zum Einsatz. Für andere Anwendungen kann diese Lösung aufgrund der Verringerung des verfügbaren Kurzschlussstroms geeignet sein. Abhängig vom Transformator kann der verfügbare Kurzschlussstrom bei der Sekundärwicklung unter fünf Kiloampere liegen, wodurch der typische SCCR von fünf Kiloampere akzeptabel wird.

Guter Zeitpunkt für die Ermittlung des SCCR

Eaton Moeller Serie NZM. Bild: Eaton
Der Leistungsschalter der Eaton Moeller Serie NZM. Bild: Eaton

Es ist empfehlenswert, das SCCR möglichst früh zu berücksichtigen, vorzugsweise in der Entwicklungsphase, weil eine Erhöhung des SCCR nach der Installation von Schaltanlagen schwierig, zeitaufwendig und teuer ist. Bei US-Installationen kann es besonders schwierig sein, das vorgeschriebene SCCR zu erreichen, vor allem, wenn Anlagen in Standardausführung geliefert werden, da der tatsächlich verfügbare Strom variieren kann. Es empfiehlt sich, für den schlimmsten Fall zu planen – den größten zu erwartenden, verfügbaren Kurzschlussstrom.

Das lässt sich auf zweierlei Weise umsetzen. Die erste Möglichkeit ist, Komponenten auszuwählen, deren SCCR insgesamt für den schlimmsten Fall ausreicht. Die zweite Möglichkeit ist, die Steuerung so zu gestalten, dass der Anlage eine bestimmte strombegrenzende Sicherung oder ein bestimmter Leistungsschalter vorschaltet ist (und es ist entsprechend zu kennzeichnen). Dieser Ansatz kann zu mehr Effizienz bei den Gerätekosten und zu mehr Flexibilität in Bezug auf die Komponentenauswahl führen, wobei Installateure der Steuerung ein Vorschaltschutzorgan anbringen können, ohne den Hersteller zu Rate zu ziehen.

Fazit

Industriesteuerungen, die die SCCR-Richtlinien erfüllen, sind darauf ausgelegt, Stromschlag, Feuer und Folgegefahren zu verhindern, die bei einem Kurzschluss auftreten. Durch Berücksichtigung des SCCR zu Beginn eines Projekts können Anlagen- und Maschinenbauer die Projektkosten und -dauer besser steuern. Einfach nur die Standardanforderungen (normalerweise mindestens fünf Kiloampere) an das SCCR von Anlagen zu erfüllen, wird voraussichtlich nicht ausreichen. Als internationale Firma verfügt Eaton über Erfahrungen darin, Kunden beim Erfüllen von Normanforderungen mit seinen Vertriebsmitarbeitern und technischen Ressourcen zu unterstützen. Zum Sortiment an richtlinienkonformen Produkten und Lösungen gehört beispielsweise ein komplettes Portfolio an Schmelzsicherungen aus der Bussmann-Serie sowie Leistungsschaltern, Motorschutzschaltern und Combination Motor Startern sowie strombegrenzenden Überstromschutzgeräten.  kk