Überstromschutzeinrichtung

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So sollte es nicht sein.
Exponate der
Fa. Elektro Köhne,
Halle a. T. W.
Foto: Rainer Schwarz
Sicherung in einer Laterne.
Foto: Rainer Schwarz
Fotograf oder Zeichner: Benutzer:Rainer_Bielefeld

Eine elektrische Sicherung, auch Schmelzsicherung, ist eine Überstromschutzeinrichtung, die einen Stromkreis bei zu hoher Stromstärke durch die thermische Wirkung des Stroms unterbricht und dadurch selbst zerstört wird.

Umgangssprachlich werden auch Leitungsschutzschalter und als Schutzelement verwendete Kaltleiter und Temperaturschalter als Sicherung bezeichnet.


Aufbau und Funktion

Sicherungen bestehen aus einem isolierenden Körper, der zwei durch einen Schmelzleiter verbundene elektrische Kontakte oder Drahtanschlüsse aufnimmt. Der Schmelzleiter wird durch den ihn durchfließenden Strom erwärmt und schmilzt, wenn der Bemessungsstrom der Sicherung deutlich überschritten wird. In diesem Fall wird die Sicherung unbrauchbar und muss durch eine neue ersetzt werden.

Der Schmelzleiter, in der Regel aus Elektrolytkupfer (E-CU) oder Feinsilber (Ag 1000/1000) hergestellt, ist von Luft oder Quarzsand als Lichtbogenlöschmittel umgeben. Quarzsand ist erforderlich, um den Lichtbogen zu löschen, der beim Unterbrechen des spezifizierten Abschaltstromes entsteht, der mehrere Größenordnungen höher als der Ansprechstrom sein kann. Der Schmelzleiter durchläuft während des Ansprechens die drei Aggregatzustände (fest, flüssig, gasförmig).

Im gasförmigen Zustand des Schmelzleiters entsteht ein Plasma, der Stromfluss erfolgt über dieses - es bildet sich ein Lichtbogen. Dabei schlägt sich der Metalldampf des Schmelzleiters auf der Oberfläche der Quarzsand-Körner nieder und kühlt dadurch den Lichtbogen stark ab. In der Folge wird der Widerstand im Inneren des Sicherungseinsatzes so groß, dass die Höhe der wiederkehrenden Spannung nicht ausreicht, den Stromfluss erneut herzustellen bzw. den Lichtbogen wieder zu zünden. Der Lichtbogen verlischt und die zu schützende Leitung ist damit von der versorgenden Strom-/Spannungsquelle getrennt.


Die korrekte Funktion der Lichtbogenlöschung ist im Wesentlichen abhängig von der Körnung, der Reinheit und der Packungsdichte des verwendeten Quarzsandes. Das Löschmittel muss absolut frei von organischen Verbindungen sein. Die den Quarzsand aus dem Vorkommen her oft begleitenden Feldspat-Bestandteile müssen vollständig entfernt werden, da Feldspat den Glasfluss des Sandes fördert. Die Annahme, der Quarzsand würde unter der Einwirkung der Lichtbogentemperatur einen Glasfluss erzeugen und dadurch die Lichtbogenlöschung einleiten, ist unzutreffend. Glasfluss im Inneren eines Sicherungseinsatzes darf nicht eintreten, weil Glas im glühenden Zustand elektrisch leitend wird. Dadurch würde sich der gegenteilige Effekt von dem einstellen, was erreicht werden soll.

Sicherungseinsätze werden in entsprechenden Sockeln eingesetzt. Auf Leiterplatten wird teilweise auf Sockel verzichtet und die Sicherungen werden durch Löten befestigt. In Einzelfällen dient ein Draht- oder Leiterbahnabschnitt als Sicherung; auch Widerstände können als Sicherung spezifiziert sein (sog. Sicherungswiderstand); sie besitzen dann neben ihrem Widerstandswert auch ein definiertes Abbrandverhalten bei Überlastung.

Früher gab es vereinzelt Sicherungshalter, die das Einlegen genau spezifizierten Drahtes als Schmelzsicherung ermöglichten; durch einen beigegebenen Vorrat war es möglich, ihn bei Bruch zu ersetzen.

In Glühlampen und Energiesparlampen für Netzbetrieb werden Glasrohr-Schmelzsicherungen mit Drahtanschlüssen eingesetzt.


Alter Sicherungskasten.
Foto: Rainer Schwarz

Standard-Bauformen; Schraubsicherungen für Hausinstallation

Ein Schraubsicherungshalter für eine D-Sicherung besteht aus einem festen Sicherungsunterteil mit dem Passelement (Passschraube) sowie einer abnehmbaren Schraubkappe mit Fenster. Der Sicherungseinsatz (Sicherung) hat einen farbigen Betriebszustandsanzeiger (Kennmelder), der bei eingeschraubter Sicherung hinter dem Fenster der Schraubkappe sitzt, und einen Fußkontakt, der zur Passschraube passen muss. Oft sind auch die Passschrauben zusätzlich farblich gekennzeichnet - sie müssen dann zur Farbe des Kennelementes der Sicherung passen (Tabelle siehe unten).

Der Sicherungseinsatz ist der reaktive, wechselbare Teil einer Sicherung.

Der wesentliche Unterschied zwischen den verschiedenen D-Sicherungstypen ist neben den verschiedenen Abmessungen die maximale Abschaltspannung: Während Standard-Dz-Sicherungen für eine Spannung bis 500 V und Sondertypen sogar bis zu 750 V Gleich- und Wechselspannung geeignet sind, ist das D0-System nur bis zu einer Spannung von 400 V Wechselspannung bestimmt.

Schraubsicherungen der Betriebsklasse gL werden heute in der Regel eingesetzt, um Leitungen zu Verteilern zu schützen (Leitungsschutzsicherungen). Vereinzelt werden sie auch noch in Verbindung mit Motorschutzschaltern zum Schutz von Motoren eingesetzt, wenn Maschinen mit besonders hohem Einschaltstrom betrieben werden.

Schraubsicherungen haben Fußkontakte mit nennstromabhängigen, unterschiedlichen Durchmessern. Je höher die Nennstromstärke ist, desto größer ist der Durchmesser. Im Unterteil des Sicherungshalters befindet sich ein entsprechendes Passelement (auch Passschraube, in der Skizze mit PE bezeichnet), das verhindern soll, dass Sicherungen mit höherem Bemessungsstrom als vorgesehen eingesetzt werden.

Merkmal von D-Sicherungen ist, dass sie von Laien gewechselt werden dürfen.

In der Mitte des Kopfkontakts des Sicherungseinsatzes befindet sich ein farbiges Plättchen aus Aluminium, der Kennmelder (in der Skizze mit KM bezeichnet). Er ist mit einer Feder unterlegt und wird von einem Draht mit hohem Widerstand gehalten, der am Fußkontakt des Sicherungseinsatzes befestigt ist. Nach Abschmelzen des Schmelzleiters schmilzt auch der Haltedraht des Kennmelders, worauf der Kennmelder ausgeworfen wird. Eine Glasscheibe in der Schraubkappe verhindert das Herausfallen der möglicherweise glühenden Kappe und damit eine mögliche Brandgefahr. Durch das Glas ist auch erkennbar, dass diese Sicherung den Stromkreis unterbrochen hat.


Als Faustregel für Sicherungen mit dem Reaktionsverhalten gl-Gg (der Standardtyp) gilt: Bei fünffacher Überschreitung des Bemessungsstromes reagiert die Sicherung innerhalb 5 Sekunden, bei zehnfacher Überschreitung beträgt die Reaktionszeit 0,2 Sekunden.

Schraubsicherungen werden in zwei verschiedenen Bauformen hergestellt:

DIAZED Sicherungselement D II (rechts) und Schraubkappe D-System (DIAZED)

Sicherungen der Bauform DIAZED (von diametral abgestufte zweiteilige Edison-Gewinde-Patrone) werden in fünf Baugrößen unterteilt. Die Bezeichnung einer Baugröße setzt sich aus dem Buchstaben D und einer römischen Ziffer zusammen. Es gibt Sondertypen mit erhöhten Trennungsabständen für Spannungen bis 750 V - diese werden bzw. wurden bei Bahnanwendungen eingesetzt, sie sind aufgrund der wesentlich längeren Bauform leicht von den Standardtypen zu unterscheiden.

Größe Bemessungsstrom Gewinde D I 2 A, 4 A, 6 A, 10 A, 16 A E* 16 D II 6 A, 10 A, 13 A, 16 A, 20 A, 25 A E 27 D III 35 A, 50 A, 63 A E 33 D IV 80 A, 100 A E 44 D V 125 A, 160 A, 200 A E 57

  • Das E steht für Edison Gewinde.

Die Baugrößen D IV und D V werden selten verwendet. D III kam früher häufig in Hausanschlusskästen zum Einsatz.


NEOZED-Sicherungseinsätze Neozed-Sicherungsblock für Dreiphasenwechelstrom


D0-System (NEOZED)

Sicherungen des Systems D0 (sprich D Null) oder NEOZED sind kleiner als DIAZED-Sicherungen und haben eine größere Verlustleistung. Werden sie längere Zeit mit Nennstromstärke betrieben, so werden sie sehr warm und können die Wärme auf Grund der geringen Grundfläche schlecht abgeben. Dies kann Schäden und Verbrennungen am Sicherungsblock hervorrufen.

NEOZED-Sicherungen werden in drei Baugrößen unterteilt. Die Bezeichnung einer Baugröße setzt sich aus „D0“ und einer weiteren arabischen Ziffer zusammen:


Größe Bemessungsstrom Gewinde D01 2 A, 4 A, 6 A, 10 A, 13 A, 16 A E 14 D02 20 A, 25 A, 35 A, 40 A, 50 A, 63 A E 18 D03 80 A, 100 A M 30 x 2

Die Bauform D03 wird sehr selten verwendet, weil sich bei diesen hohen Bemessungsströmen NH-Sicherungen als zuverlässiger erwiesen haben.

D-Sicherungen können unabhängig von ihrem Nennstrom Ströme von mehreren tausend Ampere abschalten. In den immer besser ausgebauten Netzen mit niedrigerem Innenwiderstand reichen deren Nenn- und Abschaltströme oft nicht aus, dann müssen die im folgenden beschriebenen NH-Sicherungen eingesetzt werden.

D-Sicherungen haben in der Regel bei Überlast und auch bei Kurzschluss höhere Abschaltzeiten als Leitungsschutzschalter mit magnetischem Kurzschlussauslöser. Letztere sollten daher bei Hausinstallationen nicht nur aufgrund der mehrfachen Verwendbarkeit den Schmelzsicherungen vorgezogen werden.

Sowohl für Diazed-, wie auch für Neozedsicherungen gibt es Sockel für Schraubmontage, für Hutschienenmontage und für Sammelschienenmontage ("Reitersockel"). Für Neozedsicherungen gibt es zusätzlich Sicherungs-Lasttrenner. Dies sind Sicherungssockel mit integriertem Lasttrennschalter. Vor jedem Wechsel einer Sicherung muss der Sockel durch eine vor den Sicherungen befindliche Klappe spannungsfrei geschaltet werden. Dieser Spannungs- und Lastfreie Wechsel erhöht die Betriebssicherheit und die Sicherheit für den Benutzer, da dieser in keinem Fall mit Spannungsführenden Bauteilen in Berührung kommen kann. Bei neuartigen Versionen dieser Lasttrenner werden die Sicherungspatronen nicht mehr geschraubt, sondern durch Federkraft kontaktiert.


Niederspannungs-Hochleistungs-Sicherung (NH-Sicherung)


NH-Sicherung 250 A mit Mittenkennmelder

zerlegte NH-Sicherung 200 A, zu sehen ist der Schmelzleiter und darüber der dünne Auslösedraht des Kennmelders (rechts)Niederspannungs-Hochleistungs-Sicherungen, kurz NH-Sicherungen, sind auch unter den Namen Messersicherung, Schwertsicherung und Panzersicherung bekannt. Sie haben ein größeres Volumen als Schraubsicherungen und massive Kontaktmesser an beiden Enden. Daher können sie größere Ströme führen und trennen. „Hochleistungssicherung“ bedeutet, dass diese Sicherungen Ströme von mehreren zehntausend Ampere (in der Regel 120 kA) abschalten können.

NH-Sicherungen werden im Hausanschlusskasten von Einfamilienhäusern für den Anschluss ans Stromnetz, vergleichbare und alle höheren Leistungen bei Niederspannung verwendet.

NH-Sicherungen besitzen einen Kennmelder, der standardmäßig stirnseitig als Klappmelder ausgeführt ist. Höherwertige Modelle haben einen Mittenkennmelder, der auch bei eingesetzter Sicherung erkennbar ist. NH-Sicherungseinsätze sind zur Handhabung mit Grifflaschen ausgestattet, die spannungsführend (sfü, Standardausführung) oder spannungsfrei (SGL) ausgeführt sein können. Um die Sicherungseinsätze einpolig in ein Sicherungsunterteil einzusetzen oder aus diesem herauszuziehen, ist ein Sicherungsausziehgriff notwendig. Sogenannte NH-Trenner haben einen Klappdeckel, der die Grifflaschen aufnimmt und den Sicherungshaltegriff ersetzt.


  • Diese Trenner gibt es in zwei Bauformen:

eine dreipolig schaltende Ausführung, bei der alle drei Sicherungselemente eines Drehstromabzweiges horizontal angereiht in einem Klappeinsatz untergebracht werden eine einpolig schaltende Ausführung, die aus drei übereinander angeordneten einzelnen Klappeinsätzen für die drei Phasen besteht. Sie ist in modernen Trafostationen sehr verbreitet.
NH-Sicherungseinsätze dürfen nur von einer Elektrofachkraft mit geeignetem Werkzeug (Ausziehgriff) und notwendiger Schutzausrüstung (in der Regel Helm mit Gesichtsschutz, Isolierschutzmatte und isolierende Handschuhe) ausgetauscht werden. Die Stromkreise, die bearbeitet werden sollen, müssen vor Beginn der Arbeiten freigeschaltet, also spannungsfrei gemacht werden. Beim Ziehen eines Sicherungseinsatzes in einer Verteilung kann unter Umständen durch Berühren eines nicht freigeschalteten Nachbarstromkreises ein Querkurzschluss mit Zünden eines Lichtbogens auftreten. Dadurch kann sehr heißes, flüssiges Kontaktmetall verspritzt werden, was schwere bis tödliche Verletzungen zur Folge haben kann.

NH-Sicherungen werden in fünf Größen für verschiedene Nennstrombereiche gefertigt:


Größe Bemessungsstrom:

C 00 6 A bis 100 A 0 35 A bis 160 A 1 63 A bis 250 A 2 125 A bis 400 A 3 315 A bis 630 A 4 500 A bis 1250 A


Hochspannungs-Hochleistungs-Sicherung (HH-Sicherung)


Ältere Hochspannungssicherung für 20-kV-Netze

Unterer Teil einer Mittelspannungssicherung (20 kV, 6A)Hochspannungs-Hochleistungs-Sicherungen, kurz HH-Sicherungen, sind selbstständig schaltende Schutzgeräte im Spannungsbereich bis 36 kV. Sie werden in Netzen der Energieversorgung und -verteilung verwendet, um die Auswirkungen von Überströmen (Kurzschlüssen) zu begrenzen. Die häufigste Anwendung findet sie in Transformatorstromkreisen, weitere Verwendungen sind in Motorstromkreisen und Kondensatorbänken.

Kommt es zu einem Kurzschluss, schmilzt der (oder die) im Innern der Sicherung befindliche(n) Schmelzleiter und unterbricht dadurch den Strom. Meist sind diese Sicherungen mit einem Schlagstift ausgerüstet. Dieser enthält eine kleine Treibladung, die durch einen zusätzlichen dünnen Draht in der Sicherung gezündet wird. Er tritt dann schlagartig aus der Stirnseite eines der Kontaktkappen der Sicherung aus. Der Schlagstift wirkt z.B. auf die Auslösemechanik eines Lastschalters, welcher dann den fehlerhaften Stromkreis dreipolig abschaltet.

„Hochleistungssicherung“ bedeutet, dass diese Sicherungen Ströme von mehreren tausend Ampere abschalten können, u.a. indem sie strombegrenzend wirken. Manche Hersteller haben ihre Sicherungen bis 63 kA Abschaltstrom geprüft.


Ein typisches Typenspektrum ist:

3–7,2 kV mit Nennströmen bis 500 A; 6–12 kV mit Nennströmen bis 355 A; 10–24 kV mit Nennströmen bis 200 A sowie 20–36 kV mit Nennströmen bis 100 A. Zum Schutz von Mittelspannungs-Transformatoren und -Leitungen werden bei größeren Nennströmen Netzschutzgeräte eingesetzt.

Die Abmessungen sind in DIN 43625 festgelegt, deshalb wird weltweit auch von der "DIN-Fuse" gesprochen. IEC 60282-1 bzw. die deutsche Übersetzung VDE 0670 Teil 4 sind die relevanten Normen, in denen die elektrischen Parameter und die Typenprüfung beschrieben sind. Das Zusammenspiel von Lastschaltern und Sicherungen ist in der IEC 62271-105 (entspricht VDE 0671-Teil 105) geregelt. Für die Zuordnung von Sicherung und Transformator ist auf deutscher Ebene die VDE 0670 Teil 402 maßgebend.


Geräte- und Feinsicherungen (G-Sicherungen)

Feinsicherung 5 x 20 mmG-Sicherungen bestehen aus einem kleinen Glas- oder Keramikrohr mit Metallkappen an beiden Enden, zwischen denen sich der Schmelzleiter befindet. Dieser Schmelzdraht ist freiliegend oder in Quarzsand eingebettet. Sie werden oft auch als Flimmrohrsicherungen oder Glasrohrsicherungen bezeichnet.


Einsatzgebiet: Geräteschutz und Kfz-Elektrik.



Auf den Metallkontakten ist neben der Nennstromstärke und der maximalen Spannung auch eingeprägt, wie schnell die Sicherung auf Überstrom reagiert:

Prägung Beschreibung (Deutsch) Übersetzung (Englisch) FF sehr flink very fast acting F flink fast acting M mittelträge medium time lag T träge time lag TT sehr träge long time lag

Kenngrößen für Geräteschutzsicherungen sind Nennstrom und Nennspannung, Abschaltverhalten und Abschaltvermögen. Das Abschaltverhalten ist durch Kennlinien festgelegt und unterscheidet flinke, mittelträge und träge Sicherungen. Beim 10-fachen Nennstrom schalten ab:

flinke Sicherungen in weniger als 20 ms mittelträge Sicherungen zwischen 50 und 90 ms träge Sicherungen zwischen 100 und 300 ms G-Sicherungen werden für Nennstromstärken von 0,032 ... 20 A eingesetzt.

Es gibt diese Sicherungen in verschiedenen Längen und Durchmessern. In Europa am gebräuchlichsten ist das Format 5 x 20 mm, in den USA ¼ × 1¼ Zoll, das entspricht in etwa 6,3 × 32 mm. Die Nennstrom-Definition und das Ansprechverhalten US-amerikanischer Sicherungen (6,3 x 32 mm) ist ein anderes als dasjenige europäischer Typen, sie sind daher meist nicht gegen gleiche Stromwerte austauschbar.

Standard-Flachsicherungen im Peugeot.
Foto: Rainer Schwarz

Standard-Flachsicherungen; Flachstecksicherung

Flachstecksicherungen werden nur für Kleinspannungen und hauptsächlich in Kraftfahrzeugen verwendet. Gängige Ausführungen sind die Standard-Flachsicherung und die Mini-Flachsicherung. Siehe Artikel: Fahrzeugbrand

Auch Varianten ohne Gehäuse zur Verwendung in Schraubklemmen sind in Gebrauch: dies sind lediglich Blechelemente mit aufgeprägtem Strom-Nennwert.

Die Bemessungsstromstärke von Standard- und Mini-Flachstecksicherungen wird durch die Farbe ihres Kunststoffkörpers gekennzeichnet. Folgende Übersicht zeigt die Farbcodierung:

1 A 2 A 3 A 4 A 5 A 7,5 A 10 A 15 A 20 A 25 A 30 A 35 A 40 A schwarz grau violett rosa hellbraun braun rot hellblau gelb weiß/farblos hellgrün blaugrün orange


Auslösecharakteristik

Schmelzsicherungen sind wie andere Sicherungselemente auch durch ihre Auslösecharakteristik gekennzeichnet. Sie ist zusammen mit dem Nennstrom und dem maximalen Abschaltstrom eine wichtige Kenngröße.

Die Auslösecharakteristik beschreibt u.a. in einem Zeit-Strom-Diagramm ein Toleranzfeld der Auslösezeit bei bestimmten auf den Nennstrom bezogenen relativen Überströmen. Verbal werden diese Kennwerte durch die Bezeichnung „flink“ (F), „mittelträge“ (MT) oder „träge“ (T) ausgedrückt, D-Sicherungseinsätze tragen für letztere Charakteristik zuweilen eine stilisierte aufgedruckte Schnecke als Symbol.

Zum Beispiel kann die Auslösezeit ein und derselben Sicherung beim 1,5-fachen des Nennstromes wenige Minuten bis zu einer Stunde betragen; beim 15-fachen des Nennstromes beträgt sie beispielsweise 50…100 ms. Charakteristisch für alle Zeit-Strom-Diagramme von Sicherungselementen ist, dass die Toleranzbreite bei geringem Überstrom größer als bei relativ hohen Überströmen ist. Sind enge Abschalttoleranzen erforderlich (z.B. zum Schutz eines Transformators gegen Überlast), ist eine Schmelzsicherung daher oft ungeeignet. Alternativ werden dann Temperatursicherungen oder Bimetall-Überstromschalter eingesetzt.

Europäische und US-amerikanische Sicherungen unterschieden sich hinsichtlich ihrer Nennstromdefinition und Auslösecharakteristiken.

Eng mit der Auslösecharakteristik verbunden ist die Selektivität einer Sicherungs- bzw. Verteileranlage: es muss vermieden werden, dass z.B. die Hauptsicherung bei Kurzschluss oder Überlast eher anspricht als die untergeordnete Sicherung im defekten Stromkreis. Daher müssen die Sicherungen hinsichtlich ihres Ansprechverhaltens aufeinander abgestimmt sein.

Bei Sicherungen für Verbraucher mit hohem Einschaltstrom ist der I2 t - Wert (Integral des quadrierten Stromes über die Zeit, kurz Stromintegral) wichtig. Es beschreibt bei Multiplikation mit dem ohmschen Widerstand der Sicherung denjenigen Energiewert, der gerade noch nicht zur Auslösung führt: die Wärmeleistung (Stromwärme) am Sicherungselement hängt vom Quadrat des Stromes ab und führt innerhalb einer bestimmten Zeit zu einer bestimmten, die Auslösung bewirkenden Temperatur.

Der I2 t - Wert sollte bei der Dimensionierung von Schmelzsicherungen nie ganz ausgeschöpft werden, da diese sich während vieler solcher Einschaltzyklen mit der Zeit thermisch bedingt verändern und ggf. vorzeitig ansprechen.


Sicherheit

Eine durchgebrannte Sicherung darf nicht repariert oder „geflickt“ werden. Sie darf auch auf keinen Fall überbrückt werden. Dadurch würde nicht nur der Schutz von Leitungen, Geräten und Schutzmaßnahmen außer Kraft gesetzt, sondern es kann auch ein Brand entstehen. Es besteht somit in mehrfacher Hinsicht Lebensgefahr. Versicherungen lehnen in diesem Fall den Ausgleich aller daraus folgenden Schäden ab.

Die Auswahl einer zum Geräte- und Personenschutz geeigneten Sicherung ist kompliziert und erfordert viel Erfahrung. Manche Verbraucher können nicht durch eine Schmelzsicherung geschützt werden, hierzu zählen insbesondere Netztransformatoren unter ca. 50 Watt Nennleistung; diese können nur durch thermische Sicherungen gegen Überlast und Kurzschluss geschützt werden, die in engem thermischen Kontakt zu den Wicklungen stehen bzw. in diesen untergebracht sind. Das können nicht rückstellende oder selbst rückstellende Sicherungselemente sein.


Begriffsdefinition für Niederspannungssicherungen

Eine Niederspannungssicherung ist laut EN 60269 ein, Zitat: Gerät, das durch das Abschmelzen eines oder mehrerer seiner besonders ausgelegten und bemessenen Bauteile den Stromkreis, in dem es eingesetzt ist, durch Unterbrechen des Stromkreises öffnet, wenn dieser einen bestimmten Wert während einer ausreichenden Zeit überschreitet.


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