Schaltanlagen- und Steuerungsbau gemäß DIN EN 61439

Der Bauartnachweis für Schaltschränke

Stücknachweis für Schaltschränke
Stücknachweis für Schaltschränke Bild: Weidmüller
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Für Schaltschränke und Gehäuse gilt: Erfüllen sie bereits die Anforderungen der Leergehäusenorm DIN EN 62208 bezüglich ihrer Eigenschaften sowie der verwendeten Werkstoffe, gilt dies ebenfalls als Nachweis für die DIN EN 61439. Dabei wird vorausgesetzt, dass keine wesentlichen Änderungen durchgeführt wurden. Erforderlich ist jedoch eine Dokumentation der mechanischen Eigenschaften gemäß DIN EN 62208. Mit dem Schutzart-Nachweis wird auch der Schutz der elektrischen Ausrüstung dokumentiert. Um den Bauartnachweis im Rahmen der DIN EN 61439 zu erbringen, ist dafür jedoch eine separate Prüfung vorgesehen.

Inhaltsverzeichnis

1. Verlustleistung von Schaltgerätekombinationen
2. Wichtige Angaben im Bauartnachweis
3. Einhaltung erforderlicher Luft- und Kriechstrecken
4. Ermittlung und Nachweis der zulässigen Erwärmung im Schaltschrank
5. Nachweis gemäß DIN EN 61439
6. Die Nachweise im Einzelnen
7. Addition der Verlustleistungen ergibt Gesamtverlustleistung
8. Mechanische Betriebsmittel dürfen Luftkonvektion nicht beeinflussen
9. Nachweis der Kurzschlussfestigkeit
10. Niederspannungs-Schaltgerätekombinationen
11. Wer erstellt den Bauartnachweis

Wichtiges Kriterium sind dabei die Isolationseigenschaften der Betriebsmittel im Schaltschrank. Das gilt insbesondere für Sammelschienen. Hochwertige Kunststoffe stellen hier sicher, dass bei der Herstellung der Komponenten die Anforderungen an die Isolationseigenschaften im Rahmen der DIN EN 61439 sichergestellt werden. Die Prüfung von Sammelschienen wird innerhalb der Schaltschränke durchgeführt, da nur so auch alle mechanischen Eigenschaften in das Ergebnis einfließen.

Verlustleistung von Schaltgerätekombinationen

Bei Schaltanlagen bis 1600 A erlaubt es die DIN EN 61439, den Nachweis mittels Erfassung und Berechnung der Verlustleistungen der einzelnen Betriebsmittel zu erbringen. Dabei muss belegt werden, dass die Verlustleistung abgeführt wird, sodass im Inneren des Schaltschranks keine zu hohe Temperatur auftritt.

Die gemäß der DIN EN 61439 zu erbringenden Nachweise beziehen sich auf die Kombination verschiedener Geräte und Komponenten (Schaltgeräte-Kombination/SK) in einem Schaltschrank. Soll die Funktionalität des Schutzleiters nachgewiesen werden, so ist die Prüfung einer definierten Schutzleiteranordnung in einer definierten Schaltschrankkonstruktion unerlässlich. Bereits geprüfte Systemtechnik erlaubt hier eine deutliche Vereinfachung der Nachweise. Definierte Regeln bei der Konstruktion sowie der Einsatz standardisierter Geräte und Komponenten vereinfachen den systematischen Aufbau von Schaltanlagen und gleichzeitig auch den Nachweis der Funktion. Werden dagegen individuelle Schaltanlagen gebaut, ist die Nachweisführung bezüglich Kurzschlussfestigkeit und Erwärmung deutlich aufwendiger.

Gemäß DIN EN 61439 ist eine Niederspannungsschaltanlage ein komplettes System aus Schrank oder Gehäuse, aus diversen Schaltgeräten, Frequenzumrichtern (SK) sowie Sammelschienen und Klimatisierungs-Komponenten. Dass ein solches System ordnungsgemäß funktioniert, ist durch eine Vielzahl einzelner Nachweise zu bestätigen und im Bauartnachweis zu dokumentieren. Um die Einzelnachweise zu erbringen, müssen Prüfungen an vergleichbaren Mustern entweder durch definierte Begutachtungsmethoden oder durch einen strukturierten Vergleich mit einer bereits geprüften Schaltgerätekombination durchgeführt werden.

Wichtige Angaben im Bauartnachweis

Sinn und Zweck des Bauartnachweises ist es, als Dokumentation zu bestätigen, dass die Vorgaben der Norm umfassend eingehalten wurden. Der Bauartnachweis setzt sich aus einer bestimmten Anzahl Einzelnachweisen zusammen, für die zum Teil weitere untergeordnete Nachweise erforderlich sind. Alle wichtigen Angaben im Bauartnachweis sind zu dokumentieren, wobei die verwendeten Prüfmethoden, die Ergebnisse sowie die Nummern der einzelnen Prüfberichte in die Dokumentation aufzunehmen sind. Das gilt insbesondere auch für den Nachweis der Werkstoffeigenschaften, der ebenfalls in weitere Unterpunkte aufgeteilt ist.

Wesentlich für die Funktionssicherheit von Schaltschränken ist die Widerstandsfähigkeit der mechanischen Komponenten gegenüber Hitze und Feuer, verursacht beispielsweise durch Kurzschlüsse oder außergewöhnlich hohe Ströme innerhalb des Schaltschranks. Mit der sogenannten Glühdrahtprüfung sind die Eigenschaften sicherzustellen. Es gelten die Grenzwerte von 960 °C für Teile, die stromführende Leiter in ihrer Lage halten, 850 °C für Gehäuse, die in Hohlwänden eingebaut werden sollen und 650 °C für alle anderen Komponenten. Die UV-Beständigkeit ist nur für Gehäuse oder äußere Teile der Schaltgerätekombination nachzuweisen, die im Freien betrieben werden. Hier kann der Nachweis entweder durch eine Prüfung oder auf der Basis der Daten des ursprünglichen Materialherstellers geführt werden. Die Korrosionsbeständigkeit wiederum setzt eine Prüfung voraus. Beschriftungen durch Gravuren oder Prägungen sowie Etiketten mit laminierten Kunststoffoberflächen sind von der Prüfung ausgenommen. Andere Beschriftungsverfahren müssen dagegen geprüft werden. Art und Weise der Beschriftungen sollten im Bauartnachweis dokumentiert werden.

Einhaltung erforderlicher Luft- und Kriechstrecken

Die Einhaltung der erforderlichen Luft- und Kriechstrecken kann nur durch eine Prüfung erfolgen. Im Bauartnachweis sind hierzu die Methode und die erforderliche Mindestluft- bzw. Kriechstrecke anzugeben. Die Dokumentation sollte alle relevanten Bemessungswerte enthalten. Der Schutz gegen elektrischen Schlag und die Durchgängigkeit von Schutzleiterkreisen sowie die Durchgängigkeit der Verbindung zwischen den Geräte-Körpern und den Schutzleiterstromkreisen ist ebenfalls durch einzelne Nachweise zu erbringen. Die Kurzschlussfestigkeit kann durch eine Prüfung oder durch den Vergleich mit einer Referenzkonstruktion nachgewiesen werden. Im Bauartnachweis sind dafür die Methode und das Ergebnis zu dokumentieren. Der sichere Einbau von Betriebsmitteln kann nur durch eine Begutachtung nachgewiesen werden. Die Einhaltung der Bauanforderungen ist gemäß der Norm zu bestätigen.

Die korrekte Ausführung der elektrischen Stromkreise und der Verbindungen der Geräte untereinander kann nur mittels der Begutachtung nachgewiesen und bestätigt werden. Die korrekte Ausführung der Anschlüsse für von außen eingeführte Leiter kann ebenfalls nur begutachtet werden. Der Bauartnachweis sollte die entsprechenden Dokumentationen enthalten. Der Nachweis der sogenannten betriebsfrequenten Spannungsfestigkeit lässt sich ausschließlich durch eine Prüfung erbringen. Die Stoßspannungsfestigkeit kann dagegen begutachtet oder geprüft werden.

Ermittlung und Nachweis der zulässigen Erwärmung im Schaltschrank

Um hier aussagefähige Informationen zu erhalten, ist ein hoher Aufwand erforderlich, und die Nachweisführung stellt besondere Anforderungen an den Hersteller. Der Aufwand ist dabei unabhängig von der verwendeten Methode Prüfung, Ableitung oder Begutachtung. Bei der Methode Prüfung stehen drei Alternativen zur Auswahl: Der „Nachweis der vollständigen Schaltgerätekombination“ durch eine umfassende Prüfung der vollständigen Schaltgerätekombination zeichnet sich dabei durch den geringsten Prüfaufwand aus. Diese Methode eignet sich jedoch nur für Serienanlagen.

Mit dem „Nachweis unter separater Betrachtung individueller Funktionseinheiten sowie der kompletten Schaltgerätekombination“ werden die einzelnen Abgänge im Schaltschrank einzeln und separat geprüft. Danach erfolgt eine weitere Prüfung der Abgänge im Parallelbetrieb. So kann der Hersteller eine Aussage über den maximalen Bemessungsstrom der einzelnen Abgänge und einen Bemessungsbelastungsfaktor im Parallelbetrieb der Abgänge treffen.

Nachweis gemäß DIN EN 61439

Ein „Nachweis unter separater Betrachtung individueller Funktionseinheiten, Hauptsammelschienen, der Verteilschienen einschließlich der kompletten Schaltgerätekombination“ gemäß DIN EN 61439 ist für Anlagen vorgesehen, bei denen sowohl die Anzahl der Schaltschrankfelder als auch ihre Bestückung modular veränderbar ist. Um hier den entsprechenden Nachweis zu erbringen, ist zusätzlich zu den beschriebenen Prüfungen der einzelnen Stromkreise auch die Funktion des Hauptsammelschienensystems und des Verteilsammelschienensystems auf die extremste Belastung zu prüfen. Daraus resultieren Angaben, die eine Aussage zur maximalen Strombelastung der einzelnen Stromkreise treffen, die sich abhängig von den Prüfbedingungen durchaus von den Bemessungsdaten der Schaltgeräte unterscheiden können. Obwohl diese Angaben nicht Bestandteil des Bauartnachweises sind, müssen sie für eine normkonforme Auslegung einer Schaltanlage dem Hersteller einer Niederspannungs-Schaltgerätekombination vorliegen. In der Anlagendokumentation muss für jeden Stromkreis der zulässige Bemessungsstrom angegeben werden.

Unterschieden wird hier in zwei Fälle: Schrank oder Gehäuse mit einer Abteilung bis 630 A oder mit mehreren Abteilungen bis 1600 A. Der Nachweis mittels der Methode „Ableitung der Bemessungswerte ähnlicher Varianten“ gemäß DIN EN 61439 wird für Schaltgerätekombinationen und Funktionseinheiten über verschiedene Regelwerke geführt. Erforderlich sind jedoch die Ergebnisse und die Dokumentation der Ursprungsprüfungen. Die Berechnung der Erwärmung beschränkt sich auf Niederspannungs-Schaltgerätekombinationen bis 1600 A. Die Berechnung des Erwärmungsverhaltens eines Schranks oder Gehäuses bzw. einer Niederspannungs-Schaltgerätekombinationen gilt bis 630 A und ist auf einteilige Gehäuse und 60 Hz beschränkt. Bei einem Bemessungsstrom von maximal 1600 A sowie mehreren Abteilen und einer Frequenz von bis zu 60 Hz liefert die Norm ebenfalls entsprechende Vorgaben.

Die Nachweise im Einzelnen

Unterschieden wird zwischen einem einfacheren Verfahren für Niederspannungs-Schaltgerätekombinationen mit Bemessungsströmen bis 630 A, die in einem einzelnen Schrank untergebracht sind und einem etwas ausführlicheren Verfahren, bei dem der Bemessungsstrom der Anlage maximal 1600 A betragen darf. Bei diesem Vorgehen dürfen auch mehrere Schränke verwendet werden.

Bei der Berechnung der Erwärmung eines Schranks bis 630 A müssen die Angaben der Verlustleistungen aller vorgesehenen Betriebsmittel vorliegen. Zu beachten ist, dass die Schaltgeräte und weitere Verlustleistungserzeuger annähernd gleichmäßig verteilt sind. Die Betriebsmittel sind so zu dimensionieren, dass sie durch den vorgesehenen Bemessungsstrom des Stromkreises nur zu maximal 80 % belastet werden. Zu beachten ist auch, dass die mechanischen Einbauteile die Luftkonvektion nicht beeinflussen. Stromführende Leiter für mehr als 200 A müssen so verlegt sein, dass diese möglichst keine zusätzliche Erwärmung durch Wirbelstrome und Hystereseverluste verursachen. Die verwendeten Leiter der Hauptstrombahnen müssen auf mindestens 125 % des vorgesehenen Bemessungsstroms ausgelegt werden. Außerdem sollte bekannt sein, wie der verwendete Schaltschrank die Verlustwärme an die Umgebung abgibt. Bei aktiver Kühlung muss der Hersteller entsprechende Daten über die Leistung der Kühlgeräte liefern.

Addition der Verlustleistungen ergibt Gesamtverlustleistung

Werden die Verlustleistungen aller im Schaltschrank verbauten Komponenten addiert, ergibt sich die Gesamtverlustleistung. Zu beachten ist jedoch, dass der gesamte Laststrom den Bemessungsstrom nicht überschreiten darf. Das thermische Verhalten eines Schaltschranks sowie der eingesetzten Komponenten resultiert letztendlich aus dem Wärmeabgabevermögen des Gehäuses sowie der Kühlung. Der Nachweis der Funktionsfähigkeit gilt als erbracht, wenn die aus der Verlustleistung ermittelte Innentemperatur die maximal zulässigen Betriebstemperaturen der Schaltgeräte nicht überschreitet.

Wird die Niederspannungs-Schaltgerätekombination in einem Schrank oder auch mehreren aneinander gereihten Schrankfeldern montiert, muss die Temperaturberechnung des Schaltschrankinnenraumes in Übereinstimmung mit der IEC 60890 erfolgen. Als Bemessungsstrom gilt hier allerdings 1600 A. Auch in diesem Fall müssen die Angaben der Verlustleistungen aller vorgesehenen Gerate vorliegen und die Schaltgeräte sollten in den Schränken gleichmäßig verteilt sein. Auch in diesem Fall müssen alle Betriebsmittel so dimensioniert werden, dass sie nur zu maximal 80 % belastet werden.

Mechanische Betriebsmittel dürfen Luftkonvektion nicht beeinflussen

Alle mechanischen Betriebsmittel dürfen auch hier die Luftkonvektion nicht wesentlich beeinflussen und stromführende Leiter für mehr als 200 A müssen so verlegt sein, dass diese möglichst keine zusätzliche Erwärmung verursachen. Die verwendeten Leiter der Hauptstrombahnen müssen auf mindestens 125 % des vorgesehenen Bemessungsstroms des Stromkreises ausgelegt werden. Wird eine natürliche Belüftung vorgesehen, so soll die Flache der Luftaustrittsöffnung mindestens das 1,1-fache der Lufteintrittsöffnung betragen. Hat die Niederspannungs-Schaltgerätekombination einzelne Abteilungen bzw. sogenannte Compartments und soll mit natürlicher Belüftung gekühlt werden, so müssen die Lüftungsöffnungen für jede horizontale Unterteilung mindestens 50 % des Querschnitts der Grundfläche des Compartments betragen.

Durch die Addition aller ermittelten Verlustleistungen wird die Gesamtverlustleistung bestimmt. Die Erwärmung der Niederspannungs-Schaltgerätekombination wird mit der ermittelten Gesamtverlustleistung unter Anwendung des Verfahrens nach IEC 60890 berechnet. Die Berechnung der Schaltschrank-Innentemperatur muss mit einem Verfahren nach IEC 60890 erfolgen. Der Nachweis gilt als erbracht, wenn die aus der Verlustleistung ermittelte Innentemperatur die maximal zulässigen Betriebstemperaturen der Schaltgeräte nicht überschreitet. Abweichend zum Verfahren bis 630 A werden bei diesem Verfahren verschiedene Temperaturen über ein Diagramm ermittelt, sodass für die Prüfung der Schaltgeräte und ihrer maximalen Betriebstemperatur im oberen Bereich einer Schaltanlage höhere Temperaturen ermittelt werden als im unteren Bereich eines Feldes. Das bedeutet bei der Bewertung, dass die Betrachtung der maximal zulässigen Temperaturen für unterschiedliche Bereiche der Schaltanlage anzuwenden ist.

Nachweis der Kurzschlussfestigkeit

Die DIN EN 61439 erfordert auch einen Nachweis der Kurzschlussfestigkeit und empfiehlt dafür die Methoden „Nachweis durch Prüfung“, „Nachweis durch Vergleich, mit einer Referenzkonstruktion mittels einer Checkliste“ oder „Nachweis durch Vergleich, mit einer Referenzkonstruktion mittels Berechnung“. Der „Nachweis durch Vergleich, mit einer Referenzkonstruktion mittels einer Checkliste“ setzt voraus, dass der referenzierte Ursprungstyp mit allen erforderlichen Informationen, Parametern und Ergebnissen dokumentiert wird. Beim „Nachweis durch Vergleich, mit einer Referenzkonstruktion mittels Berechnung“ sind im Bauartnachweis ebenfalls die Methode, der referenzierte Ursprungstyp sowie die entsprechenden Daten und Ergebnisse zu dokumentieren. Wird die Methode „Prüfung“ gewählt, so sind neben der Angabe der Methode, der maximale geprüfte Bemessungswert und der Bericht in den Bauartnachweis aufzunehmen. Auch hier gilt, dass die Details aus den Prüfberichten, Berechnungen oder Vergleichen nicht Bestandteil des Bauartnachweises sind, jedoch für die spätere Nachvollziehbarkeit beim ursprünglichen Hersteller archiviert werden sollten.

Der Nachweis der Kurzschlussfestigkeit darf über einen Vergleich mit einer Referenzkonstruktion, speziell durch Berechnung oder Anwendung einer Checkliste oder durch Prüfung erfolgen. Dabei ist es wichtig zu wissen, dass nicht alle Stromkreise separat nachgewiesen werden müssen, sondern unter Beachtung einiger Regeln nur einige ausgewählte Stromkreise durch die genannten Verfahren nachzuweisen sind. Unter bestimmten Voraussetzungen ist der Nachweis gar nicht erforderlich.

Niederspannungs-Schaltgerätekombinationen

Insbesondere Niederspannungs-Schaltgerätekombinationen mit einer Bemessungskurzzeitstromfestigkeit oder einem bedingten Bemessungskurzschlussstrom bis maximal 10 kA müssen nicht nachgewiesen werden. Wird eine Niederspannungs-Schaltgerätekombination oder auch nur ein Stromkreis durch ein strombegrenzendes Gerät geschützt, das auf maximal 17 kA Durchlassstrom begrenzt, so ist der Nachweis ebenfalls nicht erforderlich. Das gilt auch für Hilfsstromkreise, die an Transformatoren angeschlossen sind, mit einer Bemessungsleistung von maximal 10 kVA, sowie Hilfsstromkreise mit weniger als 110 V und einer Bemessungsleistung von maximal 1,6 kVA. Somit ist für viele kleinere Verbraucherabgänge kein Nachweis erforderlich, da bei vielen Schutzgeräten bis 630 A, wie Kompaktleistungs- oder Motorschutzschaltern, bereits strombegrenzende Funktionen vorhanden sind, die den Durchlassstrom auf einen Wert unter 17 kA begrenzen. Unter Berücksichtigung der Angabe für den am Einspeisepunkt vorhandenen Kurzschlussstrom kann über die Durchlasskennlinien der Gerate relativ einfach geprüft werden, ob für den jeweiligen Stromkreis ein Nachweis erforderlich ist oder nicht.

Ist bei einer Niederspannungs-Schaltgerätekombination der Wert des unbeeinflussten Kurzschlussstroms des Versorgungsnetzes nicht bekannt und die Anlage soll für einen maximalen Durchlassstrom von 17 kA gefertigt werden, so ist in der Dokumentation festzulegen, dass die Versorgung dieser Niederspannungs-Schaltgerätekombination auf maximal 17 kA Durchlassstrom begrenzt ist. Dabei ist sicher zu stellen, dass der Strom auch tatsächlich erreicht werden kann.

Eine weitere Möglichkeit zu erkennen, welche Stromkreise tatsächlich einer Prüfung unterzogen werden müssen, ergibt sich aus der Checkliste gemäß DIN EN 61439-1. Ist bereits eine geprüfte Niederspannungs-Schaltgerätekombination als Referenz vorhanden, so kann mittels dieser Checkliste geprüft werden, ob der Nachweis über diese Methode erbracht werden kann. Auch das sollte dokumentiert werden. Gemäß der Norm ist es aber nicht zulässig, von einem geprüften Schaltgerät auf ein nicht geprüften abzuleiten. Beim Nachweis der Kurzschlussfestigkeit einer Niederspannungs-Schaltgerätekombination als Referenz ist zu beachten, dass gleiche Funktionseinheiten nicht erneut geprüft werden, wenn diese als vergleichbar bezeichnet werden können. Bei Prüfung von Stromkreisen mit Sicherungen muss der Typ in der Dokumentation der Niederspannungs-Schaltgerätekombination beschrieben werden. Die Prüfung von Neutralleitern kann mit verminderten Kurzschlussströmen erfolgen, darf aber 60 % des dreiphasigen Kurzschlussstromes nicht unterschreiten. Nachzuweisen ist auch, dass kein Fehlerstrom mit mehr als 1500 A über das Gehäuse abfließen kann. Der Nachweis der elektromagnetischen Verträglichkeit kann mittels Prüfung oder Begutachtung erfolgen. Im Bauartnachweis sind die Methode, die Umgebungsbedingung sowie die Ergebnisse zu dokumentieren.

Wer erstellt den Bauartnachweis

Wird laut Definition der Hersteller einer Schaltgerätekombination zum ursprünglichen Hersteller, muss er den Bauartnachweises erstellen. Diese Aufgabe fällt in der Regel den Konstruktionsabteilungen zu, da dort die Auswahl und Dimensionierung der Produkte vorgenommen wird und daraus erfoderliche Angaben ermittelt werden. In der Produktion wiederum muss auf die Einhaltung der Fertigungsvorgaben geachtet werden, die Produktion ist dann auch für die Erstellung des Stücknachweises zuständig. Insbesondere bei individuellen Schalt- und Steuerungsanlagen sollte der Bauartnachweis neben den Angaben zu den Einzelnachweisen auch Informationen zum Hersteller der Schaltgerätekombination, eine Typenbezeichnung oder eine Kenn-Nummer sowie das Datum der Bauartnachweiserstellung und den Namen des Erstellers enthalten.

www.rittal.de

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