Selektivität (Stromkreis)

Selektivität bedeutet, dass bei einem Fehler in einem Stromkreis von in Reihe geschalteten Überstrom- oder Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen nur das Gerät auslöst, das der Fehlerstelle unmittelbar vorgeschaltet ist. Sie ist eine Funktion des Netzschutzes. Die Selektivität gewährleistet in einem Strahlennetz – also in einem Stromnetz, welches von einem zentralen Punkt aus gespeist wird – dass trotz des Fehlers möglichst viele Teile der elektrischen Schaltung oder Anlage in Betrieb bleiben und nur das Sicherungselement vor der Fehlerstelle auslöst.

Man unterscheidet dabei

• Stromselektivität, die durch unterschiedlich hohe Auslöseströme der Schutzeinrichtungen erreicht wird, und
• Zeitselektivität, die durch eine unterschiedliche zeitliche Verzögerung der Auslösung der Schutzeinrichtungen erreicht wird.

Grundlagen

Schutzziele

Bei einem Fehler in einem elektrischen Netz sollen Ströme verhindert werden, die die elektrischen Anlagen samt umgebender Sachwerte beschädigen oder die Gesundheit und das Leben von Mensch und Tier gefährden könnten. Man unterteilt nach ihrer Stärke grob in

• Fehlerströme, die auch bei geringen Stärken schon Gefahren für Lebewesen darstellen, wenn diese von diesen durchströmt werden,
• Überströme, die die Leistungsfähigkeit der Elektroinstallation übersteigen und diese durch Überhitzung zerstören oder in Brand setzen könnten und
• Kurzschlussströme, die am Ort ihres Entstehens schlagartig hohe Energien freisetzen, unmittelbare Brandquellen darstellen und durch heiße Gase zudem Lebewesen schwere Verletzungen zufügen können.

Diese Unterteilung und deren Grenzen sind nicht eindeutig einzelnen Ursachen zuzuordnen. Die Grenzen hängen zudem von der Größe der Elektroanlage ab. Die Abgrenzung ergibt sich vielmehr aus dem Aufbau von Elektroanlagen und den zur Verfügung stehenden Schutzmöglichkeiten. Fehlerströme liegen vom Betrag oft unterhalb der Ströme, die in der Anlage im Normalbetrieb auftreten, der Unterschied wird hier durch den Weg des Stroms deutlich, der nicht über die vorgesehenen Leitungen führt. Überströme beginnen grob bei einem einstelligen Mehrfachen des vorgesehenen Betriebsstroms, während man sich bei Kurzschlussströmen in der Regel Ströme vorstellt, die zwei oder mehr Größenordnungen über den zulässigen Strömen liegen. Der Übergang ist aber aus Sicht der Physik fließend. Schmelzsicherungen und Leistungsschalter, zu denen auch die Leitungsschutzschalter gehören, werden in Anlagen so gewählt, dass sie Überströme und Kurzzschlussströme normgerecht unterbinden können. Fehlerstromschutzschalter, die Fehlerströme erfassen, werden heute häufig mit Leitungsschutzschaltern in einem gemeinsamen Gehäuse kombiniert und erfassen dann alle drei Gruppen unerwünschter Ströme.

Problemstellung

Die Frage der Selektivität entsteht durch die Art und Weise, wie elektrische Energie in Netzen verteilt wird. Aus technischen und monetären Gründen werden Energieerzeuger und Energieverbraucher in Netzen nie direkt mit eigenen Leitungen verbunden. Grob vereinfacht werden die Leitungen von Energieerzeugern baumförmig zu leistungsstärkeren Leitungen gebündelt und von dort aus wieder baumförmig zunächst zu Gruppen von Verbrauchern und schließlich zu einzelnen Verbrauchern in immer dünneren Leitungen verzweigt. Die Ströme der Erzeuger addieren sich auf dem Weg zu den Verbrauchern zunächst um sich dann wieder aufzuteilen. Auch wenn in großen Netzen zusätzlich Maschen aus parallelen Leitungen und Elemente wie Transformatoren dazwischen liegen, ändert sich an der Betrachtung nichts. Um die Leitungen in solchen Netzen zu schützen, werden praktisch für jeden unverzweigten Leitungsabschnitt Schutzelemente eingebaut, die eine Überlastung genau dieses Leitungsabschnittes durch Abschaltung verhindern. Solche Schutzelemente sollen und können somit immer nur genau einen Abschnitt oder ein Gerät im Netz schützen für den oder das sie entsprechend ausgewählt wurden.

Ströme, die für einen bestimmten Leitungsabschnitt als unzulässig betrachtet werden, durchlaufen aber stets das gesamte Netz von den Stromerzeugern zur Fehlerstelle und zurück. Das bedeutet, dass an jedem Schutzgerät, das auf dieser Wegstrecke liegt, der unerwünschte Strom erfasst wird. Sind auf diesem Weg mehrere gleiche oder ähnlich dimensionierte Schutzeinrichtungen eingebaut, können auch mehrere dieser Geräte eine Unterbrechung ihrer Leitungsstrecke auslösen, wenn der Fehlerstrom die Abschaltkriterien erfüllt. Eine Abschaltung mehrerer Elemente trennt in einer Baumstruktur aber auch Leitungsabschnitte oder ganze Bereiche vom Netz, in denen gar kein unzulässiger Strom aufgetreten war. Daher müssen Vorkehrungen getroffen werden, die solche Fälle verhindern. Die Eigenschaft eines mit Schutzeinrichtungen versehenen Netzes, nur die zur Eindämmung der Gefahr unbedingt nötigen Abschnitte abzuschalten, nennt man die Selektivität.

Abschaltkriterien

Zur Feststellung einer Fehlerbedingung, die ein Abschalten rechtfertigt, werden verschiedene Kriterien herangezogen. Ein Messwert kann der momentane Strom sein. Bei Überschreiten einer festen Grenze wird eine Abschaltung unmittelbar ausgelöst. Die häufigste Messgröße für die Feststellung eines Fehlers ist jedoch die über eine gewisse Zeitspanne gemittelte Leistung, die übertragen wird. Hohe Leistungen führen bei dieser Logik nach kurzer Zeit und niedrige Leistungen nach langer Zeit zur Abschaltung, sofern diese gemittelte Leistung den festgelegten Schwellwert übersteigt. Dies passt zu den Eigenschaften von Leitungen, die bei starker Überschreitung des Nennstroms schneller erhitzen und beschädigt werden, als bei geringer Überschreitung. Unterhalb des Nennstroms kann die Verlustwärme in einer Leitung schadlos an die Umwelt abgegeben werden.

Berechnung

Zur Untersuchung des Selektivitätsverhaltens einer Gruppe von Schutzeinrichtungen werden in der Regel zunächst die Kurzschlussströme bestimmt, im Idealfall exakt. Der Kurzschluss stellt einen Extremfall dar, bei dem sehr hohe Ströme fließen können. Hier geht die Netzimpedanz mit ein, die das zu untersuchende Netz speist, ebenso wie die Impedanzen der Leitungsabschnitte zwischen den Schutzelementen und zwischen dem letzten Schutzelement und dem Kurzschluss. Bei der Betrachtung kleinerer Netzsegmente kann unter Umständen die Netzimpedanz vernachlässigt werden.

Die Impedanzen der Leitungsabschnitte begrenzen die Kurzschlussströme und ermöglichen so in vielen Fällen erst eine Selektivität. Tritt ein Kurzschluss direkt an einem Verbraucher auf, ist der Strom im Allgemeinen niedriger, als wenn ein Kurzschluss im selben Netz in der nächstgelegenen Unterverteilung auftritt. Der Grund ist der um die Anschlussleitung verlängerte Leitungsweg und der in der Regel geringere Leitungsquerschnitt dieses Abschnitts. Da der Stromanstieg bei einem Kurzschluss sehr steil ist, spielt aber auch der Induktivitätsbelag der Leitung eine Rolle. Die Impedanz der Leitungsabschnitte wird mittels komplexer Wechselstromrechnung bestimmt und erlaubt die Berechnung des Kurzschlussstromes.

Bei Überströmen, z. B. verursacht durch fehlerhafte Geräte oder Fehlschaltungen, die deutlich unter einem Kurzsschlussstrom an der Fehlerstelle liegen, spielt die Leitungsimpedanz meist keine Rolle. Solche Überströme werden überwiegend durch die Innenwiderstände der fehlerhaften Geräte bestimmt. Das Verhalten der Schutzgeräte lässt sich damit relativ einfach bestimmen, weshalb das Augenmerk vor allem auf den Kurzschlussströmen liegt, die sich von Netzsegment zu Netzsegment teils extrem unterscheiden können.

Für eine vollständige Untersuchung der Selektivität wird am netzfernen Ende eines jeden Leitungssegments der Kurzschlussstrom berechnet und das Verhalten der Schutzelemente, die von ihm durchflossen werden, bestimmt. Ziel ist es, dass an allen Kurzschlussstellen je nur ein Schutzelement auslöst. Ergibt die Berechnung eine mehrfache Auslösung, werden die Dimensionierungen und Einstellungen der Schutzelemente entsprechend angepasst.

Schmelzsicherungen

Datei:Selektivität.jpg

Beispiel zur Selektivität in einem Strahlennetz

„Zwei hintereinander geschaltete Schmelzsicherungen verhalten sich selektiv, wenn sich ihr Bemessungsstrom um den Faktor 1,6 unterscheidet.“<ref>Hermann Wellers: Fachkunde Elektroberufe Gesamtband für Betriebstechnik, Energie- und Gebäudetechnik sowie Automatisierungstechnik, Troisdorf, 2009, S. 563</ref> Weil das Auslöseverhalten von Sicherungen Toleranzen unterliegt, sind Sicherungen unmittelbar benachbarter Nennstromstufen nicht selektiv. Zuverlässig kann die Selektivität von Sicherungen nur anhand ihrer Zeit-Strom-Kennlinien beurteilt werden. Als Faustregel gilt, dass Sicherungen selektiv sind, wenn sich ihre Nennströme um zwei Nennstromstufen unterscheiden.

In elektrischen Anlagen sind in der Regel Sicherungen mit unterschiedlichen Nennströmen eingebaut, z. B. 16 A und 63 A. Durch diese Abstufung erreicht man, dass nur die Sicherung auslöst, die unmittelbar vor der Fehlerquelle eingebaut ist. Deren Bemessungsströme, welche (mindestens) im Verhältnis von 1:1,6 stehen (nur bei Schmelzsicherungen), müssen so gewählt sein, dass die Sicherungen in ihrem gesamten Abschaltbereich „selektiv“ arbeiten.

Schutzschalter

Normale Leitungsschutzschalter lösen unabhängig von ihrem Nennstrom und ihrer Charakteristik bei einem Kurzschluss sofort aus.

Die Selektivität ist nur bis zu einem bestimmten Überstrom im Bereich der thermischen Auslösung erreichbar und darüber nicht mehr durch die Wahl der Auslösecharakteristik sicherzustellen.

Um vollständige Selektivität zu erreichen, kann ein selektiver Leitungsschutzschalter vor andere Leitungsschutzschalter oder Sicherungen geschaltet werden; seine Auslösung ist verzögert. Er begrenzt jedoch elektromagnetisch sofort den Kurzschlussstrom und kann so auch als Backup-Schutz dienen.

Normale Leitungsschutzschalter können als vorgeordnete Sicherungen verwendet werden, mit ihnen ist jedoch kaum sicherzustellen, dass nur die Sicherung auslöst, die dem Fehler unmittelbar vorgeschaltet ist. je nach verbauten Gerätetypen lösen beide aus, oder es kann sogar vorkommen, dass die letzte Sicherung vor dem Kurzschluss überhaupt nicht auslöst.

Erweiterung

In vermaschten oder Ring-Netzen besteht im Gegensatz zu Strahlennetzen das Problem, dass eine Fehlerstelle von zwei oder mehr Stellen gespeist wird. Als zusätzliche Auslösekriterien zum verzögerten Ansprechverhalten der Schutzeinrichtungen dienen dann die bei den einzelnen Schutzeinrichtungen vorliegenden Energieflussrichtungen und die Distanzen (Entfernungen) zum Fehlerort, welche automatisch mittels der Schleifenimpedanz ermittelt werden. Die Schutzfunktion wird durch eigene Messgeräte wie das Distanzschutzrelais übernommen, die eigentliche Schalthandlung durch ferngesteuerte Leistungsschalter vorgenommen.

Wegen der Selektivitätsproblematik werden Ringleitungen im Mittelspannungsnetz im fehlerfreien Fall oft als offener Ring betrieben und erst im Fehlerfall zur Aufrechterhaltung bis vor die Fehlerstelle geschlossen.

Nachweispflicht

Der Nachweis der Selektivität muss laut VDE erbracht werden

• bei medizinisch genutzten Bereichen (DIN VDE 0100-710) oder
• bei öffentlichen Einrichtungen (ehemals Bauliche Anlagen für Menschenversammlungen) (DIN VDE 0100-718).

Bei Anlagen, die nicht darunter fallen, kann der Anlagenbetreiber das fordern. Grundsätzlich ist es sinnvoll, bei der Errichtung/Änderung einer Anlage Selektivität zu erreichen.

Literatur

• Gerhard Kiefer: VDE 0100 und die Praxis. 1. Auflage. VDE-Verlag, Berlin und Offenbach 1984, ISBN 3-8007-1359-4. 
• Ernst Hörnemann, Heinrich Hübscher: Elektrotechnik Fachbildung Industrieelektronik. 1. Auflage. Westermann Schulbuchverlag, Braunschweig 1998, ISBN 3-14-221730-4. 
• Gerhard Brechmann u. a.: Elektronik Tabellen Betriebs- und Automatisierungstechnik. 1. Auflage. Bildhaus Schulbuchverlag, Braunschweig 2006, ISBN 978-3-14-235035-6. 
• Hermann Wellers: Fachkunde Elektroberufe Gesamtband für Betriebstechnik, Energie- und Gebäudetechnik sowie Automatisierungstechnik. Troisdorf 2009, ISBN 3-8242-4290-7. 

Fußnoten

<references />