Auswahl von Überstromschutzeinrichtungen — MCB, gG-Sicherungen und RCD Schritt für Schritt

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Die Auswahl des Leitungsquerschnitts ist erst die halbe Arbeit — die Leitung muss zusätzlich geschützt werden. Ein falsch gewählter Leitungsschutzschalter oder eine falsche Sicherung ergibt einen Stromkreis, der entweder grundlos abschaltet oder — was deutlich gefährlicher ist — im Kurzschlussfall nicht auslöst und zulässt, dass sich das Kabel bis zum Brand überhitzt. Die Überstromschutzeinrichtung ist das Glied, das den berechneten Aderquerschnitt mit der realen Sicherheit der Anlage verbindet.

Wenn Du gleich einen Leitungsschutzschalter oder eine Sicherung für einen konkreten Stromkreis auswählen und überprüfen möchtest, nutze den Rechner zur Auswahl von Überstromschutzeinrichtungen. Im Folgenden erklären wir, woher die Auswahlbedingungen kommen, wodurch sich die Charakteristiken B, C und D unterscheiden und wann ein Fehlerstromschutzschalter erforderlich ist.

Wovor schützt die Überstromschutzeinrichtung?

Die Überstromschutzeinrichtung reagiert auf zwei verschiedene Arten von Überstrom, von denen jede einen anderen Teil der Charakteristik erfordert:

• Überlast — ein Strom, der mäßig größer als der Nennstrom ist (z. B. 1,2–3 × $I_n$) und durch den Anschluss zu vieler Verbraucher entsteht. Er steigt langsam an und droht mit einer langanhaltenden Überhitzung der Isolierung. Darauf reagiert der Überlastteil der Charakteristik — er wirkt mit umso kürzerer Verzögerung, je größer der Strom ist.
• Kurzschluss — ein Strom, der ein Vielfaches des Nennstroms beträgt (von einigen hundert Ampere bis zu mehreren Kiloampere) und bei einer direkten Verbindung der Leiter entsteht. Er sollte sehr schnell abgeschaltet werden. Darauf reagiert der Kurzschlussteil der Charakteristik — er wirkt praktisch unverzögert.

Im Leitungsschutzschalter MCB ist für jeden dieser Bereiche ein eigenes Element zuständig: das thermische (Bimetall) bei Überlast und das elektromagnetische (Spule) bei Kurzschluss. Die gG-Schmelzsicherung erfüllt beide Funktionen mit einem einzigen Schmelzeinsatz, dessen Strom-Zeit-Charakteristik beide Bereiche vereint. Eine richtig gewählte Schutzeinrichtung muss beide Szenarien korrekt beherrschen: bei Überlast auslösen, bevor sich die Leitung überhitzt, und ein ausreichend großes Schaltvermögen besitzen, um den größtmöglichen Kurzschlussstrom sicher zu unterbrechen.

Zwei Überlastbedingungen nach PN-HD 60364-4-43

Die Norm PN-HD 60364-4-43 (Schutz bei Überstrom) definiert zwei Bedingungen, die gleichzeitig erfüllt sein müssen, damit die Schutzeinrichtung die Leitung vor Überlast schützt:

dabei ist:

• $I_b$ — der Betriebsstrom des Stromkreises (der Strom, den die Last tatsächlich aufnimmt),
• $I_n$ — der Nennstrom der Schutzeinrichtung (Einstellung des Schutzschalters oder Wert der Sicherung),
• $I_z$ — die dauernd zulässige Strombelastbarkeit der Leitung (der maximale Strom, den die Leitung führt, ohne die Grenztemperatur zu überschreiten, nach Berücksichtigung der Verlegeart und der Korrekturfaktoren),
• $I_2$ — der große Prüfstrom der Schutzeinrichtung, also der Strom, der ihr Auslösen innerhalb der konventionellen Zeit sicherstellt (beim Schutzschalter aus der Produktnorm abgelesen, bei der Sicherung — aus der Charakteristik des Schmelzeinsatzes).

Die erste Bedingung ist intuitiv: Die Schutzeinrichtung muss „größer" als die Last sein, aber nicht größer als die Belastbarkeit des Kabels. Die zweite Bedingung wird oft übersehen, doch gerade sie entscheidet in Grenzfällen — denn $I_2$ hängt vom Typ des Geräts ab:

Praktische Schlussfolgerung: Für den MCB-Schutzschalter ist die zweite Bedingung immer dann erfüllt, wenn die erste erfüllt ist — deshalb genügt es bei Schutzschaltern, $I_b \le I_n \le I_z$ zu prüfen. Bei der gG-Sicherung muss man zusätzlich sicherstellen, dass $I_n$ etwa 91 % der Belastbarkeit der Leitung nicht überschreitet — andernfalls löst der Schmelzeinsatz bei leichter Überlast möglicherweise nicht schnell genug aus, obwohl formal $I_n \le I_z$ gilt.

Das Vielfache $1{,}6$ gilt dabei für Schmelzeinsätze mit einem Strom von $I_n \ge 16$ A. Für kleinere Werte ist der große Prüfstrom höher — gemäß der Tabelle der Prüfströme PN-EN 60269-1 beträgt er $1{,}9 \cdot I_n$ für $4 < I_n < 16$ A und $2{,}1 \cdot I_n$ für $I_n \le 4$ A — die Bedingung wird also noch strenger (entsprechend $I_n \le 0{,}76 \cdot I_z$ und $I_n \le 0{,}69 \cdot I_z$). Das ist eine häufige Falle beim Schutz dünner Leitungen mit kleinen Sicherungen.

Arten von Schutzeinrichtungen: MCB, gG-Sicherungen und RCBO

In Niederspannungsanlagen begegnen Dir drei grundlegende Lösungen für den Überstromschutz:

Die gG-Sicherung hat zwei wesentliche Vorteile: ein sehr hohes Schaltvermögen (bis zu 100 kA) und eine günstige Charakteristik im Kurzschlussbereich, weshalb sie häufig dort eingesetzt wird, wo die Kurzschlussströme hoch sind (in der Nähe des Transformators). Nachteilig sind die Einmaligkeit und die Notwendigkeit, einen Vorrat an Schmelzeinsätzen vorzuhalten.

MCB-Charakteristiken: B, C und D

Der Buchstabe in der Bezeichnung des Schutzschalters (z. B. C16) beschreibt den magnetischen Auslösebereich — das Vielfache des Nennstroms, bei dem der (unverzögerte) Kurzschlussteil auslöst. Die Wahl der Charakteristik muss zum Anlaufstrom des Verbrauchers passen: Eine zu „empfindliche" Charakteristik führt zu Fehlauslösungen beim Einschalten, eine zu „harte" gewährleistet möglicherweise keinen Schutz gegen elektrischen Schlag.

Die obere Grenze des magnetischen Bereichs hat eine zweite, entscheidende Bedeutung — es ist der kleinste Strom, der eine unverzögerte Auslösung garantiert. Für die Charakteristik B beträgt er $5 \cdot I_n$, für C — $10 \cdot I_n$, für D — $20 \cdot I_n$. Dieser Wert wird bei der Prüfung des Schutzes gegen elektrischen Schlag verwendet (siehe unten). Deshalb gilt: Je „härter" die Charakteristik, desto größer muss der Kurzschlussstrom sein, um eine schnelle Auslösung zu erreichen — und das ist am Ende eines langen Stromkreises nicht immer möglich.

Kurzschlussbedingung — Schaltvermögen

Bei einem Kurzschluss fließt durch das Gerät ein Strom, der nur durch die Impedanz des Stromkreises von der Quelle bis zur Kurzschlussstelle begrenzt wird. Die Schutzeinrichtung muss diesen Strom sicher unterbrechen, ohne dabei zerstört zu werden. Daraus ergibt sich die Bedingung:

dabei ist $I_{cn}$ das Bemessungsschaltvermögen des Geräts und $I_{k,max}$ — der größte zu erwartende Kurzschlussstrom am Einbauort (dreipoliger oder zweipoliger Kurzschluss unmittelbar hinter dem Gerät). Typische Werte für $I_{cn}$ bei MCB-Schutzschaltern sind 6 kA (Wohnungsanlagen) und 10 kA (Anlagen, die größeren Kurzschlüssen ausgesetzt sind). gG-Sicherungen bieten deutlich höhere Werte, weshalb sie in der Nähe der Quelle eingesetzt werden.

Das Schaltvermögen allein genügt nicht — die Leitung muss zudem die durch die Schutzeinrichtung durchgelassene Energie thermisch aushalten, bevor diese auslöst. Gemäß PN-HD 60364-4-43 (Pkt. 434.5.2) darf das Joule-Integral des Kurzschlusses die zulässige Wärmeenergie der Ader nicht überschreiten:

dabei ist $I^2 t$ die durchgelassene spezifische Energie der Schutzeinrichtung (aus dem Datenblatt), $S$ — der Aderquerschnitt und $k$ — der Materialfaktor der Isolierung (z. B. 115 für Kupfer in PVC, 143 für XLPE). Diese Bedingung ist besonders bei dünnen Leitungen mit hohen Kurzschlussströmen von Bedeutung — dann entscheidet gerade die energetische Begrenzung, nicht der Strom selbst, über das zulässige Gerät.

Schutz gegen elektrischen Schlag — löst die Schutzeinrichtung bei einem Erdschluss aus?

Das zweite, „untere" Ende des Kurzschlussproblems ist der kleinste Kurzschlussstrom $I_{k,min}$ — meist ein einpoliger Kurzschluss am Ende eines langen Stromkreises. Gemäß PN-HD 60364-4-41 erfüllt die Überstromschutzeinrichtung gleichzeitig die Rolle des Schutzes gegen elektrischen Schlag durch automatische Abschaltung der Stromversorgung. Die Wirksamkeitsbedingung:

dabei ist $Z_s$ die Impedanz der Fehlerschleife, $U_0$ — die Außenleiterspannung gegen Erde (230 V) und $I_a$ — der Strom, der die Abschaltung innerhalb der geforderten Zeit sicherstellt. Im TN-System beträgt diese Zeit bei 230 V 0,4 s für Endstromkreise (Steckdosen bis 63 A sowie fest angeschlossene Verbraucher bis 32 A) und 5 s für Verteilungsstromkreise sowie übrige Endstromkreise. Vereinfacht und projektseitig sicher wird angenommen, dass der einpolige Kurzschlussstrom die obere Grenze des magnetischen Bereichs des Schutzschalters überschreiten sollte — das ist der Wert, der eine unverzögerte Auslösung garantiert (üblicherweise unter 0,1 s):

Ist der einpolige Kurzschlussstrom am Ende des Stromkreises kleiner als $I_a$, löst die Schutzeinrichtung nicht unverzögert aus — sie kann noch innerhalb der geforderten Zeit (z. B. 0,4 s) auf Basis der Strom-Zeit-Kennlinie des Herstellers auslösen, doch die Wirksamkeit muss dann ausdrücklich überprüft werden, indem man den Auslösestrom für diese Zeit abliest. Die sichersten Lösungen sind eine „weichere" Charakteristik (B statt C), ein größerer Leitungsquerschnitt (kleineres $Z_s$) oder der Einsatz eines Fehlerstromschutzschalters, der bei einem Erdschluss (L–PE) die Abschaltung unabhängig von der Schleifenimpedanz gewährleistet — wobei zu beachten ist, dass der RCD nicht vor einem L–N-Kurzschluss schützt und auch den Überstromschutz nicht ersetzt.

Fehlerstromschutzschalter RCD und RCBO

Der Fehlerstromschutzschalter (RCD) reagiert auf die Differenz der Ströme in den aktiven Leitern — also auf den zur Erde „abfließenden" Strom, z. B. durch den menschlichen Körper. Es handelt sich um einen ergänzenden Schutz zum Überstromschutz, nicht um einen Ersatz dafür. Die Norm fordert einen RCD mit einem Differenzstrom $I_{\Delta n} \le 30$ mA als zusätzlichen Schutz unter anderem für:

• Steckdosen bis 32 A, die für gewöhnliche Benutzer zugänglich sind,
• Beleuchtungsstromkreise in Wohnräumen (gemäß PN-HD 60364-4-41:2017),
• Stromkreise in Räumen mit Badewanne oder Dusche,
• ortsveränderliche Verbraucher bis 32 A, die außerhalb des Gebäudes verwendet werden.

Wesentlich ist der Typ des RCD, der an die Form des Differenzstroms angepasst ist, der im Stromkreis auftreten kann:

Die Kombination von Überstrom- und Fehlerstromschutz in einem Modul ist der RCBO — praktisch dort, wo wir möchten, dass das Auslösen eines Stromkreises die übrigen nicht von der Versorgung trennt (anders als bei einem gemeinsamen RCD für eine Gruppe von Stromkreisen).

Selektivität der Schutzeinrichtungen

In einer ausgedehnten Anlage bilden die Schutzeinrichtungen eine Kaskade: Das Gerät vor dem Zähler oder der Schutz der Steigleitung steht „über" den Schutzeinrichtungen der einzelnen Stromkreise. Selektivität bedeutet, dass bei einem Kurzschluss in einem Endstromkreis nur das Gerät am nächsten zur Fehlerstelle auslöst, während das übergeordnete eingeschaltet bleibt. Die bloße Differenz der Nennströme genügt nicht — die Selektivität, insbesondere die Kurzschlussselektivität, wird anhand der Strom-Zeit-Charakteristiken, der Joule-Integrale $I^2 t$ und der Koordinationstabellen des Herstellers bestätigt (z. B. eine gG-Sicherung vor dem Zähler, selektiv gegenüber den Schutzschaltern der Stromkreise). Fehlende Selektivität äußert sich darin, dass ein kleiner Kurzschluss in einem Raum den Strom in der gesamten Wohnung abschaltet.

Auswahlbeispiel Schritt für Schritt

Steckdosenstromkreis für allgemeine Zwecke 230 V, Kupferleitung 3 × 2,5 mm² in einem Rohr in der Wand verlegt:

1. Die Belastbarkeit der Leitung $I_z$ lesen wir aus den Tabellen der PN-HD 60364-5-52 für die Verlegeart B2 und PVC-Isolierung ab — sie hängt von der Anzahl der belasteten Adern ab: für einen einphasigen Stromkreis (zwei belastete Adern) etwa 23–24 A, für drei belastete Adern etwa 20 A. Wir nehmen den konservativen Wert $I_z = 20$ A an (und nach Berücksichtigung der Korrekturfaktoren — Temperatur, Häufung — kann er niedriger sein).
2. Der Betriebsstrom der Last $I_b = 16$ A.
3. Auswahl von $I_n$: Wir suchen ein Gerät, das $16 \le I_n \le 20$ erfüllt → standardmäßig MCB B16 oder C16 ($I_n = 16$ A). Die Bedingung $I_2 \le 1{,}45 \cdot I_z$ ist für den MCB automatisch erfüllt.
4. Charakteristik: Steckdosenstromkreis mit typischen Verbrauchern — B genügt (geringerer erforderlicher Kurzschlussstrom, besserer Schutz gegen elektrischen Schlag). Wenn im Stromkreis Geräte mit hohem Einschaltstrom betrieben werden, kann man C in Erwägung ziehen — dann muss jedoch der Schutz gegen elektrischen Schlag erneut geprüft werden.
5. Kurzschluss: Wir prüfen das Schaltvermögen $I_{cn} \ge I_{k,max}$ (für eine Wohnung üblicherweise 6 kA, sofern der berechnete $I_{k,max}$ dies bestätigt) sowie die thermische Festigkeit der Leitung $I^2 t \le k^2 S^2$.
6. Schutz gegen elektrischen Schlag: Für B16 beträgt der erforderliche einpolige Kurzschlussstrom $I_a = 5 \cdot 16 = 80$ A; wir prüfen, ob $I_{k,min}$ am Ende des Stromkreises größer ist.
7. RCD: Steckdosenstromkreis → zusätzlicher Schutz RCD/RCBO Typ A, 30 mA.

Das ist ein vereinfachter Ablauf — die vollständige Auswahl umfasst zusätzlich die Prüfung von $Z_s$, des Spannungsfalls und der Korrekturfaktoren. Alle Bedingungen der Norm (beide Überlastbedingungen, die Kurzschlussbedingung und die RCD-Auswahl) überprüft der Rechner zur Auswahl von Überstromschutzeinrichtungen. Wenn Du die Belastbarkeit $I_z$ noch nicht berechnet hast, beginne mit dem Rechner zur Auswahl des Leitungsquerschnitts und übertrage das Ergebnis in die Auswahl der Schutzeinrichtung.

Häufigste Fehler

• Übersehen der zweiten Bedingung bei gG-Sicherungen — $I_n \le I_z$ reicht nicht aus; es muss $I_n \le 0{,}91 \cdot I_z$ gelten.
• Charakteristik C dort, wo B genügt — erschwert die Erfüllung der Bedingung für den Schutz gegen elektrischen Schlag bei langen Stromkreisen.
• Zu geringes Schaltvermögen in Verteilungen nahe dem Transformator.
• Fehlender RCD 30 mA an Steckdosen-, Badezimmer- und Außenversorgungsstromkreisen.
• Falscher RCD-Typ — Typ AC bei Stromkreisen mit Frequenzumrichtern oder EV-Ladegerät (erforderlich ist Typ A, F oder B).

Zusammenfassung

Die Auswahl der Überstromschutzeinrichtung ist nicht die Wahl eines „runden" Werts aus dem Bauch heraus, sondern die Erfüllung mehrerer Bedingungen zugleich. Die wichtigsten Grundsätze:

• Prüfe beide Überlastbedingungen — $I_b \le I_n \le I_z$ sowie $I_2 \le 1{,}45 \cdot I_z$ (für gG-Sicherungen ist die zweite entscheidend),
• Passe die Charakteristik (B/C/D) an den Anlaufstrom des Verbrauchers an,
• Überprüfe den Kurzschluss mehrseitig — Schaltvermögen gegenüber $I_{k,max}$, thermische Festigkeit der Leitung $I^2 t \le k^2 S^2$ sowie Schutz gegen elektrischen Schlag gegenüber $I_{k,min}$,
• Setze einen RCD 30 mA als zusätzlichen Schutz ein und wähle den richtigen Typ (A/F/B),
• Sorge für Selektivität in der Kaskade der Schutzeinrichtungen.

Nutze den Rechner zur Auswahl von Überstromschutzeinrichtungen, um einen MCB-Schutzschalter oder eine gG-Sicherung für die Leitung auszuwählen und alle Bedingungen der Norm PN-HD 60364 an einem Ort zu prüfen.

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