Selektivität (Stromkreis)

Grundidee und Zweck

Selektivität in einem Stromkreis bedeutet, dass bei einem Fehler in einer Reihe von Überstrom- oder Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen nur das Schutzgerät auslöst, das der Fehlerstelle unmittelbar vorgeschaltet ist. Sie ist eine Funktion des Netzschutzes. In einem Strahlennetz, also einem Netz, das von einem zentralen Punkt aus gespeist wird, sorgt Selektivität dafür, dass trotz eines Fehlers möglichst viele Teile der Anlage weiter in Betrieb bleiben und nur der betroffene Abschnitt abgeschaltet wird.

Man unterscheidet zwei Grundformen: Stromselektivität wird durch unterschiedlich hohe Auslöseströme der Schutzeinrichtungen erreicht. Zeitselektivität wird durch unterschiedliche zeitliche Verzögerungen beim Auslösen erreicht. Beide Verfahren dienen demselben Ziel: Die Gefahr soll begrenzt werden, ohne unnötig große Teile des Netzes abzuschalten.

Schutzziele und Fehlerarten

Schutzeinrichtungen sollen Ströme verhindern, die elektrische Anlagen und Sachwerte beschädigen oder die Gesundheit und das Leben von Mensch und Tier gefährden können. Dabei werden unerwünschte Ströme grob in drei Gruppen eingeteilt.

Fehlerströme können schon bei geringen Stromstärken für Lebewesen gefährlich sein, wenn sie durch den Körper fließen. Ihr Betrag liegt oft unter den Strömen, die im Normalbetrieb einer Anlage auftreten; entscheidend ist hier der falsche Stromweg, also dass der Strom nicht über die vorgesehenen Leitungen fließt.

Überströme übersteigen die Leistungsfähigkeit der Elektroinstallation. Sie können Leitungen durch Überhitzung zerstören oder einen Brand auslösen. Sie beginnen grob bei einem einstelligen Mehrfachen des vorgesehenen Betriebsstroms.

Kurzschlussströme setzen am Entstehungsort schlagartig hohe Energien frei. Sie können unmittelbare Brandquellen bilden und durch heiße Gase schwere Verletzungen verursachen. Bei Kurzschlussströmen denkt man in der Regel an Ströme, die zwei oder mehr Größenordnungen über den zulässigen Strömen liegen. Die Übergänge zwischen diesen Gruppen sind physikalisch fließend und hängen auch von Größe und Aufbau der Anlage ab.

Schmelzsicherungen und Leistungsschalter, zu denen auch Leitungsschutzschalter gehören, werden so ausgewählt, dass sie Überströme und Kurzschlussströme normgerecht unterbinden. Fehlerstromschutzschalter erfassen Fehlerströme. Heute werden sie häufig mit Leitungsschutzschaltern in einem gemeinsamen Gehäuse kombiniert und können dann alle drei Gruppen unerwünschter Ströme erfassen.

Warum Selektivität nötig ist

Elektrische Energie wird in Netzen nicht über getrennte Leitungen von jedem Erzeuger zu jedem Verbraucher geführt. Aus technischen und wirtschaftlichen Gründen werden Leitungen zunächst zu leistungsstärkeren Leitungen gebündelt und danach wieder zu Gruppen von Verbrauchern und schließlich zu einzelnen Verbrauchern verzweigt. Auch wenn große Netze zusätzliche Maschen aus parallelen Leitungen oder Transformatoren enthalten, bleibt das Grundproblem gleich.

Für nahezu jeden unverzweigten Leitungsabschnitt werden Schutzelemente eingebaut. Sie sollen genau den Abschnitt oder das Gerät schützen, für den oder das sie ausgewählt wurden. Ein unzulässiger Strom auf dem Weg von der Stromquelle zur Fehlerstelle durchfließt jedoch alle Schutzgeräte auf dieser Strecke. Wenn mehrere gleich oder ähnlich dimensionierte Schutzeinrichtungen vorhanden sind, können mehrere Geräte gleichzeitig auslösen, sobald ihre Abschaltkriterien erfüllt sind.

In einer Baumstruktur würde eine solche Mehrfachabschaltung auch Bereiche vom Netz trennen, in denen gar kein unzulässiger Strom aufgetreten ist. Deshalb müssen Schutzgeräte so aufeinander abgestimmt werden, dass nur die zur Eindämmung der Gefahr unbedingt nötigen Abschnitte abgeschaltet werden. Genau diese Eigenschaft nennt man Selektivität.

Abschaltkriterien und Berechnung

Schutzeinrichtungen nutzen verschiedene Kriterien, um einen Fehler zu erkennen. Ein mögliches Kriterium ist der momentane Strom: Wird eine feste Grenze überschritten, wird unmittelbar abgeschaltet. Häufiger wird jedoch die über eine bestimmte Zeitspanne gemittelte übertragene Leistung betrachtet. Hohe Leistungen führen dann nach kurzer Zeit, niedrigere Leistungen nach längerer Zeit zur Abschaltung, sofern der Schwellwert überschritten wird. Das passt zum Verhalten von Leitungen: Bei starker Überschreitung des Nennstroms erwärmen und beschädigen sie sich schneller als bei geringer Überschreitung. Unterhalb des Nennstroms kann die Verlustwärme schadlos an die Umgebung abgegeben werden.

Für die Untersuchung der Selektivität werden meist zuerst die Kurzschlussströme bestimmt, idealerweise exakt. Dabei spielen die Netzimpedanz des speisenden Netzes und die Impedanzen der Leitungsabschnitte zwischen den Schutzelementen sowie zwischen dem letzten Schutzelement und dem Kurzschluss eine Rolle. Die Impedanz ist der Wechselstromwiderstand eines Leitungsabschnitts. Bei kleinen Netzsegmenten kann die Netzimpedanz unter Umständen vernachlässigt werden.

Die Impedanzen der Leitungen begrenzen Kurzschlussströme und ermöglichen dadurch oft erst Selektivität. Ein Kurzschluss direkt an einem Verbraucher führt im Allgemeinen zu einem niedrigeren Strom als ein Kurzschluss in der nächstgelegenen Unterverteilung desselben Netzes. Grund sind der längere Leitungsweg über die Anschlussleitung und meist der kleinere Leitungsquerschnitt. Wegen des steilen Stromanstiegs bei einem Kurzschluss spielt auch der Induktivitätsbelag der Leitung eine Rolle. Die Impedanz wird mit komplexer Wechselstromrechnung bestimmt und erlaubt die Berechnung des Kurzschlussstroms.

Bei Überströmen, die deutlich unter einem Kurzschlussstrom liegen, spielt die Leitungsimpedanz meist keine große Rolle. Solche Überströme werden vor allem durch die Innenwiderstände fehlerhafter Geräte bestimmt. Für eine vollständige Untersuchung wird am netzfernen Ende jedes Leitungssegments der Kurzschlussstrom berechnet und geprüft, welche Schutzelemente von ihm durchflossen werden und wie sie reagieren. Ziel ist, dass an jeder Kurzschlussstelle nur ein Schutzelement auslöst. Falls die Berechnung eine mehrfache Auslösung ergibt, werden Dimensionierung und Einstellungen der Schutzelemente angepasst.

Schmelzsicherungen und Schutzschalter

Bei Schmelzsicherungen gilt als Beispiel: Zwei hintereinander geschaltete Schmelzsicherungen verhalten sich selektiv, wenn sich ihr Bemessungsstrom um den Faktor 1,6 unterscheidet. Weil das Auslöseverhalten von Sicherungen Toleranzen hat, sind Sicherungen unmittelbar benachbarter Nennstromstufen nicht selektiv. Zuverlässig lässt sich die Selektivität nur anhand der Zeit-Strom-Kennlinien beurteilen. Als Faustregel gilt, dass Sicherungen selektiv sind, wenn sich ihre Nennströme um zwei Nennstromstufen unterscheiden.

In Anlagen werden deshalb meist Sicherungen mit unterschiedlichen Nennströmen eingebaut, zum Beispiel 16 A und 63 A. Durch diese Abstufung soll nur die Sicherung auslösen, die unmittelbar vor der Fehlerquelle eingebaut ist. Bei Schmelzsicherungen müssen die Bemessungsströme mindestens im Verhältnis 1:1,6 stehen, damit sie in ihrem gesamten Abschaltbereich selektiv arbeiten können.

Normale Leitungsschutzschalter lösen bei einem Kurzschluss unabhängig von ihrem Nennstrom und ihrer Charakteristik sofort aus. Selektivität ist bei ihnen nur bis zu einem bestimmten Überstrom im Bereich der thermischen Auslösung erreichbar; darüber kann sie nicht mehr allein durch die Wahl der Auslösecharakteristik sichergestellt werden.

Für vollständige Selektivität kann ein selektiver Leitungsschutzschalter vor andere Leitungsschutzschalter oder Sicherungen geschaltet werden. Seine Auslösung ist verzögert. Gleichzeitig begrenzt er elektromagnetisch sofort den Kurzschlussstrom und kann dadurch auch als Backup-Schutz dienen. Normale Leitungsschutzschalter können zwar als vorgeordnete Sicherungen verwendet werden, doch ist mit ihnen kaum sicherzustellen, dass nur die dem Fehler unmittelbar vorgeschaltete Sicherung auslöst. Je nach Gerätetyp können beide auslösen, oder es kann sogar vorkommen, dass die letzte Sicherung vor dem Kurzschluss gar nicht auslöst.

Besondere Netze und Nachweis

In vermaschten Netzen oder Ring-Netzen ist die Selektivität schwieriger als in Strahlennetzen, weil eine Fehlerstelle von zwei oder mehr Stellen gespeist werden kann. Zusätzlich zum verzögerten Ansprechverhalten werden dann weitere Auslösekriterien genutzt: die Energieflussrichtungen an den einzelnen Schutzeinrichtungen und die Distanzen zum Fehlerort. Diese Distanzen werden automatisch über die Schleifenimpedanz ermittelt. Die Schutzfunktion übernehmen eigene Messgeräte wie das Distanzschutzrelais; die eigentliche Schalthandlung führen ferngesteuerte Leistungsschalter aus.

Wegen der Selektivitätsproblematik werden Ringleitungen im Mittelspannungsnetz im fehlerfreien Zustand oft als offener Ring betrieben. Erst im Fehlerfall werden sie zur Aufrechterhaltung der Versorgung bis vor die Fehlerstelle geschlossen.

Der Nachweis der Selektivität muss laut VDE in bestimmten Fällen erbracht werden: bei medizinisch genutzten Bereichen nach DIN VDE 0100-710 und bei öffentlichen Einrichtungen nach DIN VDE 0100-718, früher als bauliche Anlagen für Menschenversammlungen bezeichnet. Bei anderen Anlagen kann der Anlagenbetreiber einen solchen Nachweis fordern. Grundsätzlich ist es sinnvoll, bei der Errichtung oder Änderung einer Anlage Selektivität zu erreichen.