Wie wirkt sich die Sicherungsauswahl auf die Gesamtsystemsicherheit aus?
Die Auswahl eines BS 88-Sicherungseinsatzes, dessen Amperezahl dem Laststrom entspricht, ist keine Sicherheitsentscheidung. Es handelt sich um eine als Spezifikation getarnte Vermutung. Das Gerät, das in der Halterung landet, führt möglicherweise den richtigen Strom, besteht eine Durchgangsprüfung und erfüllt dennoch nicht die einzige Funktion, die seine Existenz rechtfertigt: die Unterbrechung eines Fehlers, bevor das Kabel oder die dahinter liegende Ausrüstung beschädigt wird. Die Lücke zwischen „installiert“ und „schützend“ ist die Ursache für die meisten sicherungsbedingten Sicherheitsausfälle und sie ist größer, als der Katalog vermuten lässt.
Der erste Punkt, an dem sich die Lücke öffnet, ist die Nutzungskategorie. BS 88-2 und die harmonisierte IEC 60269-2 unterteilen Vollbereichsverbindungen in gG für den allgemeinen Leiter- und Geräteschutz und gM für Motorstromkreise. Auf einem Datenblatt können diese beiden austauschbar aussehen – gleiches Gehäuse, ähnliche Nennströme, gleiches Ausschaltvermögen von 80 kA bei 415 V AC. Das sind sie nicht. Eine gM-Verbindung ist so konstruiert, dass sie durch den Spannungsstoß eines Direkt-Online-Motors bei blockiertem Rotor läuft, und ihre Zeit-Strom-Kurve ist so verschoben, dass sie diesen Spannungsstoß ohne Öffnen toleriert. Setzen Sie eine gM-Verbindung auf eine Einspeisung, die keinen Motoreinschaltstrom erkennt – einen Eingang für einen Antrieb mit variabler Drehzahl, ein Verteilernetz, einen Beleuchtungskreis – und schon wurde die Sicherung für eine Aufgabe ausgewählt, die es nicht gibt. Das Kabel dahinter wird jetzt durch ein Gerät geschützt, dessen Überlastkennlinie für dieses Kabel nie gezeichnet wurde.
Ich habe gesehen, dass dieser Fehler mit der Begründung gerechtfertigt wurde, dass der gM-Link „eine höhere Marge hat“. Das ist nicht der Fall. Es verfügt über einen anderen Spielraum, der dort platziert wird, wo der Anlaufstoß des Motors dies erfordert, und entfernt von dem Bereich, in dem eine anhaltende Überlastung eines nicht motorischen Abzweigs beseitigt werden müsste. Eine 63-A-gG-Verbindung und eine 63-A-gM-Verbindung sind nicht zwei Stufen desselben Schutzes. Es handelt sich um Antworten auf zwei unterschiedliche Fragen, und wenn man die motorische Antwort auf eine nicht motorische Frage anwendet, bleibt der Leiter im Überlastbereich ungeschützt.
Spannung und Ausschaltvermögen weisen eine eigene Version dieses Kategoriefehlers auf. In der Dokumentation der Kempston-Reihe sind die gG-Links aufgeführt, die bei 415 V AC und 250 V DC getestet wurden, mit 80 kA bei 415 V AC und 40 kA bei 250 V DC. Diese Zahlen sind nicht übertragbar. Eine Nennspannung von 250 V DC an einer Verbindung macht sie nicht für einen 550 V DC-String oder ein 1000 V DC-Array geeignet. Das Lichtbogenlöschverhalten, das das Ausschaltvermögen erzeugt, hängt von der Elementgeometrie, der Füllpackung und der Spannung ab, bei der die Verbindung getestet wurde. Eine Sicherung, die 40 kA bei 250 V DC auslöst, kann bei einer höheren DC-Spannung, bei der es keinen natürlichen Stromnullpunkt gibt, der sie unterstützt, über einen längeren Zeitraum einen Lichtbogen erzeugen oder überhaupt nicht erlöschen. Die DC-Spalte im Datenblatt ist ein Beweis für einen Test und keine Lizenz zur Extrapolation.
Die Gehäusetemperatur ist die Variable, die bei der Auswahlarithmetik am häufigsten weggelassen wird. BS 88-Links beziehen sich auf eine Umgebungslufttemperatur von nicht mehr als 40 °C, mit einem 24-Stunden-Mittelwert von 35 °C. Die Norm legt direkt fest, was als nächstes passiert: Wenn Links in Gehäuse eingebaut werden, ist es die Temperatur im Inneren des Gehäuses, die darüber entscheidet, ob eine Leistungsreduzierung erforderlich ist. Veröffentlichte Derating-Tabellen für Verbindungen vom Typ „T“ zeigen den Umfang der Korrektur. Eine Verbindung mit einer Nennleistung von 63 A bei 40 °C wird mit 48 A in einem 55 °C-Gehäuse, 30 A bei 60 °C und noch weniger bei 65 °C und mehr angegeben. Ein Verteilerschrank oder ein Generatorgehäuse mit einer internen Temperatur von 55–60 °C ist kein Extremfall; An einem warmen Tag ist es ein beladenes Gehege. Eine auf dem Typenschild ausgewählte und in diesem Kasten installierte 63-A-Verbindung ist effektiv eine 48–30-A-Verbindung. Liegt die Last in der Nähe der ursprünglichen Nennleistung, befindet sich die Sicherung bereits auf der Schulter ihrer Kurve, bevor ein Fehler auftritt, und die darauf folgende Verschlechterung – Elementoxidation, Anstieg des Kontaktwiderstands, eine Sicherung, die ohne Fehler öffnet – ist ein thermisches Ergebnis, kein elektrisches.
Durch die Koordinierung kommt eine zweite Ebene hinzu, die die aktuellen Ratings allein nicht erfassen können. Bei der adiabatischen Prüfung gemäß BS 7671 Regulation 434.5.2 wird die thermische Belastbarkeit des Kabels, k²S², mit der Durchlassenergie der Schutzvorrichtung, I²t, verglichen. Für ein 35 mm² Cu/PVC-Kabel mit k = 115 beträgt k²S² etwa 16,2 × 10⁶ A²s. Die Sicherung muss beim voraussichtlichen Fehlerstrom weniger Energie durchlassen als diesen Wert. Eine Verbindung, die die Dauerstromprüfung besteht, kann die adiabatische Prüfung dennoch nicht bestehen, wenn ihr Gesamt-I²t auf der Fehlerebene der Installation die Belastbarkeit des Kabels übersteigt. Das Umgekehrte ist auch möglich: Eine Sicherung mit einer sehr schnellen Kennlinie und einem niedrigen I²t-Wert schützt das Kabel großzügig, kann aber möglicherweise nur eine geringe Unterscheidung gegenüber vorgeschalteten Geräten treffen, und eine Koordinationsstudie, die von einer Kurve ausgeht, ist ungültig, wenn die installierte Verbindung einer anderen Klasse oder einer anderen Nennspannung angehört, da der I²t-Durchlass spannungsabhängig ist und der veröffentlichte Wert bei 415 V das Gerät nicht bei 550 V oder bei einer Gleichspannung beschreibt.
Der Fall eines PV-Strings zeigt, was passiert, wenn Polarität und Sicherungsauswahl als unabhängige Entscheidungen behandelt werden. Eine 500-kW-Anlage in Japan wurde während der Inbetriebnahme mit umgekehrter Gleichstrompolarität an einem der neun Generatoranschlusskästen, die einen einzelnen Wechselrichter speisen, mit Strom versorgt. Als der letzte Schalter geschlossen wurde, öffnete sich die Rückstromsicherung in diesem Kombinierer. Der Strom, der floss, wurde auf mehrere Hundert Ampere geschätzt und wurde nicht von der fehlerhaften Kette, sondern von den acht intakten Kombinierern, die den umgekehrten Pfad speisten, angetrieben. Die Sicherung hat ihre Aufgabe erfüllt, und das ist der Punkt: Die Sicherung war die Komponente, die einen Verdrahtungsfehler erkannt hat, der bei der Inbetriebnahme nicht erkannt wurde. Dieses Ergebnis hängt jedoch davon ab, dass die Sicherung die richtige Polarität aufweist und für den Rückstrom ausgelegt ist, den die Parallelanordnung liefern kann. Eine Verbindung, die nur für den String-Vorwärtsstrom ausgewählt oder unter der Annahme, dass eine Polarität ausreichend ist, weggelassen wird, entfernt den Erkennungsmechanismus zusammen mit dem Schutz.
Gefälschte und falsch markierte Glieder greifen dieselbe Sicherheitskette von der physischen Seite an. Die veröffentlichten Indikatoren sind spezifisch und ohne Labor überprüfbar: Gefälschte BS 88-Links sind häufig leichter als echte Einheiten, oft unter 2,2 g und manchmal sogar nur 1,7 g, weil die Quarzsandfüllung fehlt oder ersetzt wurde; die Keramik ist weißer als der Originalkörper; und die Endkappen könnten lose sein. Der Sand ist keine inerte Verpackung. Es ist das Lichtbogenlöschmedium, das das veröffentlichte Ausschaltvermögen und I²t ermöglicht. Eine Verbindung ohne diese Funktion führt möglicherweise auf unbestimmte Zeit den Nennstrom und versagt dennoch bei einem Fehler explosionsartig, da das Element nirgendwo die Lichtbogenenergie übertragen kann. Die Auswahlberechnung, die die echte Kurve verwendet hat, beschreibt nun ein Gerät, das sich nicht in der Halterung befindet.
Allen diesen Fehlerarten ist gemeinsam, dass der Nennwert der Sicherung auf dem Typenschild zwar erforderlich, aber nicht ausreichend ist. Die Auswahlfrage lautet nicht „Welchen Strom zieht die Last?“ Aber „verhält sich diese Verbindung unter den tatsächlich vorhandenen Spannungen, Temperaturen, Fehlerpegeln und physischen Installationsbedingungen immer noch wie das kalibrierte Element, das ihre Kurve beschreibt?“ Die gG/gM-Kategorie muss zur Belastungsklasse passen. Die Nennspannung muss der maximalen Gleich- oder Wechselspannung des Stromkreises entsprechen, ohne Extrapolation von einer niedrigeren Prüfspannung. Das Ausschaltvermögen muss bei dieser Spannung anhand des voraussichtlichen Fehlerstroms überprüft werden. Die Gehäusetemperatur muss als Leistungsminderungseingang verwendet werden und darf nicht als Fußnote behandelt werden. Der I²t-Wert auf der Fehlerebene der Installation muss anhand der adiabatischen Belastbarkeit des Kabels überprüft werden. Und die physische Quelle des Links muss nachweisbar sein, denn ein gefälschtes Element weist eine Kurve auf, die nur auf dem Etikett vorhanden ist. Eine Sicherung, die die aktuelle Prüfung besteht und bei allen anderen durchfällt, ist keine Sicherung, die „fast in Ordnung“ ist. Es handelt sich um eine Komponente, deren Schutzfunktion eher angenommen als nachgewiesen wurde, und diese Annahme wird in dem Moment überprüft, in dem es am wichtigsten ist.
