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Aus dem Facharchiv: Elektropraxis
Die fünf Sicherheitsregeln – Ihre Anwendung sowohl in AC- als auch DC-Niederspannungs-Anlagen

Die „fünf Sicherheitsregeln“ sind eine wichtige Grundlage für das sichere Arbeiten an elektrischen Anlagen. In ihrer sicheren Anwendung haben Fachkräfte umfangreiche Erfahrungen.

Die 5 Sicherheitsregeln der Elektrotechnik

Die 5 Sicherheitsregeln

Die „fünf Sicherheitsregeln“ sind eine wichtige Grundlage für das sichere Arbeiten an elektrischen Anlagen. In ihrer sicheren Anwendung haben Fachkräfte umfangreiche Erfahrungen.

Dieses gilt besonders bei AC-Anlagen. Da in den vergangenen Jahren zunehmend DC-Anlagen für neu entwickelte Anwendungsfelder errichtet wurden, wird in diesem Fachbeitrag auf die Besonderheiten hingewiesen, die für das Beachten der „fünf Sicherheitsregeln“ bei DC-Anlagen von Bedeutung sind.

Fast unbemerkt von der breiteren Öffentlichkeit gibt es Anwendungsfelder, in denen Gleichstrom (DC; direct current) seit vielen Jahrzehnten erfolgreich eingesetzt wird. Beispiele hierfür sind die Bereiche Telekommunikation, Automatisierung, Bahntechnik und Photovoltaik. Für diese Anwendungen existieren umfangreiche Praxiserfahrungen, sodass einerseits ein sicherer Betrieb möglich ist und andererseits eine hohe Verfügbarkeit erreicht wird.

In Zukunft ist zu erwarten, dass Gleichstrom vermehrt zur Energieverteilung in Privathaushalten, im öffentlichen Bereich und bei kommerziellen Anwendungen eingesetzt wird. Als Beispiele für neue Anwendungsfelder von Gleichstrom seien hier exemplarisch Haushaltsgeräte, Beleuchtungseinrichtungen, Computer, Unterhaltungselektronik, aber auch Rechenzentren genannt.

Für den sicheren Betrieb von DC-Anlagen und für das sichere Arbeiten an DC-Anlagen ist es von großer Bedeutung, dass DC-Anlagen – und auch alle einzelnen DC-Betriebsmittel – so aufgebaut sind, dass die „fünf Sicherheitsregeln“ fehlerfrei angewandt werden können.

Hohes Sicherheitsniveau auch für DC-Anlagen

Für viele der neu entstehenden DC-Anwendungsfelder liegen jedoch nur wenige Praxiserfahrungen für den sicheren Betrieb und für die Anwendung der „fünf Sicherheitsregeln“ vor. Zudem sind solche neuartigen DC-Anlagen leider manchmal so aufgebaut, dass die „fünf Sicherheitsregeln“ u. U. nicht fehlerfrei angewandt werden können.

Auch das Sicherheitsniveau von neuartigen DC-Pilotanlagen erreicht häufig noch nicht das von AC-Anlagen bekannte Sicherheitsniveau. Gründe hierfür sind unter anderem (noch) fehlende Normen für den Betrieb von DC-Anlagen und DC-Betriebsmitteln, mangelnde Betriebsbewährung von einigen DC-Betriebsmitteln und grundlegende Unterschiede im Aufbau und im Betriebsverhalten von AC- und DC-Anlagen. Insbesondere bei Schalthandlungen, beim Löschen von Lichtbögen und beim Verhalten unter Kurzschlussbedingungen gibt es häufig erhebliche Unterschiede zwischen AC- und DC-Anlagen, die einen großen Einfluss auf den sicheren Anlagenbetrieb haben können.

Bei vielen in AC-Anlagen vorhandenen Schaltgeräten oder Überstromschutzeinrichtungen wird der Nulldurchgang der Spannung genutzt, um Betriebsströme oder Kurzschlussströme wirkungsvoll zu unterbrechen. In AC-Systemen verlöschen energiearme Lichtbögen, beim Nulldurchgang der Spannung, häufig von selbst. Das ist bei DC-Anlagen leider nicht unbedingt der Fall. Bei DC-Anlagen gibt es keinen Nulldurchgang der Betriebsspannung. Das Unterbrechen von DC-Strömen, mit elektromechanischen Schaltgeräten oder Überstromschutzeinrichtungen, ist deshalb schwieriger als das Unterbrechen von AC-Strömen vergleichbarer Amplitude.

In den meisten AC-Anlagen kann mit Kurzschlussströmen gerechnet werden, die erheblich höher sind als die jeweiligen Nennströme. Hohe Kurzschlussströme ermöglichen ein sicheres Erkennen von Kurzschlüssen, und es ist vergleichsweise leicht, hohe AC-Kurzschlussströme so schnell abzuschalten, dass die maximal zulässigen Abschaltzeiten nicht überschritten werden. Bei vielen DC-Anlagen liegen die Kurzschlussströme nur wenig über den Nennströmen. So ist es bei niedrigen Kurzschlussströmen unter Umständen schwierig, Kurzschlüsse sicher zu erkennen und so rechtzeitig abzuschalten, dass die maximal zulässigen Abschaltzeiten nicht überschritten werden.

Schutz bei Arbeiten an elektrischen Anlagen

Arbeiten an elektrischen Anlagen sind z. B. zur Wartung, zum Umbau, und zur Beseitigung von Störungen und Fehlern erforderlich. Im VDE-Vorschriftenwerk werden beim Arbeiten an elektrischen Anlagen folgende Arbeitsmethoden unterschieden (DIN VDE 0105-100 (VDE 0105-100), Abschnitt 6) [1]:

  • Arbeiten im spannungsfreien Zustand;
  • Arbeiten unter Spannung;
  • Arbeiten in der Nähe unter Spannung stehender Teile.

Die sicherste Arbeitsmethode ist das „Arbeiten im spannungsfreien Zustand“. Bei dieser Arbeitsmethode müssen die „fünf Sicherheitsregeln“ konsequent angewandt werden (siehe DIN VDE 0105-100 (VDE 0105-100), Abschnitt 6.2.1) [1]:

  1. Freischalten
  2. Gegen Wiedereinschalten sichern
  3. Spannungsfreiheit feststellen
  4. Erden und Kurzschließen
  5. Benachbarte, unter Spannung stehende Teile abdecken oder abschranken.

Alle Betriebsmittel, aus denen eine elektrische Anlage besteht, müssen so ausgewählt und angeordnet werden, dass die „fünf Sicherheitsregeln“ fehlerfrei angewandt werden können.

Damit Arbeiten an elektrischen Anlagen sinnvoll geplant und sicher durchgeführt werden können, müssen alle an der Planung und an den Arbeiten beteiligten Personen hinreichende Kenntnis über den Aufbau, die Funktion und den Zustand der Anlage haben. Nur so können mögliche Gefahren erkannt und eingeschätzt werden und entsprechende Maßnahmen zur Gefahrenvermeidung und ggf. zur Gefahrenabwehr getroffen werden.

Freischalten

Allseitig freischalten

Alle Teile einer elektrischen Anlage, an denen gearbeitet werden soll, müssen allseitig von allen Einspeisungen (Energiequellen) freigeschaltet werden. In elektrischen Anlagen mit mehreren Einspeisungen muss das Freischalten grundsätzlich für jede einzelne Einspeisung separat erfolgen.

Freischalten erfolgt immer durch Ausschalten oder Abtrennen eines Stromkreises oder mehrerer Stromkreise. Beim Freischalten werden Trennstellen gebildet, die in der Lage sind, den zu erwartenden Spannungsunterschieden standzuhalten. Nicht alle Betriebsmittel, die einen Stromfluss unterbrechen können, sind auch zum Freischalten geeignet. Bevor freigeschaltet werden darf, müssen deshalb diejenigen Betriebsmittel identifiziert werden, die zum Freischalten geeignet sind. Alle diejenigen Betriebsmittel, die zum Freischalten geeignet sind, werden nachfolgend als „Freischalteinrichtung“ bezeichnet. Zum Freischalten geeignete Betriebsmittel sind:

  • Leistungsschalter;
  • Leitungsschutzschalter;
  • Schmelzsicherungen;
  • Lasttrennschalter (mit/ohne Sicherungen);
  • Fehlerstromschutzeinrichtungen (RCDs);
  • Steckvorrichtungen.

Bei komplexeren Anlagen sind Schaltpläne und Anlagendokumentation eine wichtige Informationsquelle (DIN VDE 0100-510 (VDE 0100-510) [2]. Sie geben Auskunft über Art und Aufbau von Stromkreisen und dienen zur Identifizierung von Betriebsmitteln mit Schutz-, Trenn- und Schaltfunktion.

In AC-Anlagen gibt es häufig nur eine einzige Einspeisung (Energiequelle). Manche AC-Anlagen verfügen jedoch über mehrere Einspeisungen. Beispiele sind:

  • mehrere Trafos/Einspeisungen;
  • Ersatzstromversorgungen;
  • PV-Wechselrichter (mit/ohne Speicher);
  • Ringleitungen.

In DC-Anlagen gibt es häufig mehr als eine Einspeisung (Energiequelle). Beispiele sind:

  • mehrere Gleichrichter/Einspeisungen;
  • mehrere Spannungswandler;
  • Batterien;
  • Ladegeräte;
  • Ersatzstromversorgungen;
  • PV-Wandler (mit/ohne Speicherbatterie);
  • Ringleitungen.

In AC- und DC-Anlagen können Energiequellen vorhanden sein, die aufgrund ihres Aufbaus nicht abgeschaltet bzw. spannungsfrei gemacht werden können (z. B. Batterien, PV-, USV-Anlagen). Bei solchen Anlagen oder Anlagenteilen muss deshalb vor dem Beginn von Arbeiten eine gesonderte Gefährdungsbeurteilung durchgeführt werden. Bei der Gefährdungsbeurteilung und bei der Festlegung von Arbeitsmethoden müssen insbesondere die möglichen Auswirkungen von Lichtbögen berücksichtigt werden. Deshalb wird zum sicheren Arbeiten in solchen Anlagen oder Anlagenteilen – mit nicht abschaltbaren Energiequellen – stets eine Kombination der o. g. drei Arbeitsmethoden angewandt.

Schaltvermögen beachten

Das Schaltvermögen einer Freischalteinrichtung muss hoch genug sein, um ein gefahrloses Freischalten – bei den möglicherweise während des Freischaltens auftretenden Strömen und Spannungen – zu ermöglichen.

In DC-Anlagen gibt es, im Gegensatz zu AC-Anlagen, keinen Nulldurchgang der Spannung. Deshalb ist das DC-Schaltvermögen eines Schaltgeräts oder einer Überstromschutzeinrichtung (Leitungsschutzschalter, Sicherung, Lasttrennschalter, etc.) im Regelfall niedriger als das jeweilige AC-Schaltvermögen. Zudem kann das DC-Schaltvermögen von Schaltgeräten polaritätsabhängig sein. Das DC-Schaltvermögen muss besonders bei der Auswahl von Schaltgeräten, Überstromschutzeinrichtungen und anderen Schalteinrichtungen/Schutzeinrichtungen für DC-Anlagen beachtet werden.

Wird eine Sicherung oder ein Sicherungstrenner als Freischalteinrichtung verwendet, so muss die mögliche Lichtbogenbildung während des Freischaltens beachtet werden. Das gilt insbesondere beim Freischalten (und Wiederzuschalten) von DC-Stromkreisen mit Hilfe von Sicherungen und Sicherungstrennern.

Rückspannungen beachten

Beim Freischalten muss auf Betriebsmittel geachtet werden, bei denen Rückspannungen auftreten können. Mit Rückspannungen muss insbesondere bei solchen Betriebsmitteln gerechnet werden, die Kondensatoren in ihren Eingangsschaltungen besitzen oder die (rekuperativ) elektrische Energie zurückspeisen können.

In AC- und in DC-Anlagen werden heutzutage häufig elektronische Betriebsmittel eingesetzt, deren Eingangsschaltungen und Zwischenkreise mit Kondensatoren ausgestattet sind. Insbesondere in DC-Anlagen, mit modernen elektronischen Betriebsmitteln, muss davon ausgegangen werden, dass es zum Auftreten von Rückspannungen kommen kann.

Freischalteinrichtung mit Luft-Trennstrecke

Freischalten bedeutet, dass eine Trennstrecke in Luft (oder gleichwertiger Isolation) hergestellt wird (DIN VDE 0105-100 (VDE 0105-100), Abschn. 6.2.2) [1]. Die Trennstrecke muss groß genug sein, um ungewollte Überschläge verhindern zu können.

Bei der Dimensionierung von Trennstrecken müssen die für das sichere Freischalten erforderlichen Luft- und Kriechstrecken eingehalten werden. Deshalb werden für das Freischalten stets elektromechanische Einrichtungen eingesetzt (z. B. Leistungsschalter, Leitungsschutzschalter, (Last-)Trennschalter, Sicherungstrenner).

Hinweise:

  • Halbleiterbauelemente dürfen nicht als „Geräte zum Trennen“ eingesetzt werden, und sie dürfen deshalb nicht zum Freischalten verwendet werden (E DIN VDE 0100-537 (VDE 0100-537), Abschn. 537.2.2) [3]. Ausschließlich aus Halbleiterbauelementen aufgebaute Schaltvorrichtungen sind nicht für das Freischalten zulässig.
  • Eine Hybrid-Schaltvorrichtung, bestehend aus Halbleiterbauelementen und Trennstrecken – mit ausreichenden Luft- und Kriechstrecken – kann für das Freischalten geeignet sein. Häufig sind Hybrid-Schaltvorrichtungen jedoch lediglich in der Lage, Betriebsströme abzuschalten. In solch einem Fall ist mindestens eine zusätzliche externe Überstromschutzeinrichtung erforderlich, um den Schutz gegen Überströme bzw. Kurzschlussströme sicherstellen zu können.

Betätigung der Freischalteinrichtung von Hand

In Niederspannungsanlagen muss eine Freischalteinrichtung von Hand betätigt werden können. Deshalb sind Freischalteinrichtungen im Regelfall mit geeigneten Hebeln, Knebeln, Knöpfen o. Ä. ausgestattet.

Eindeutigkeit des Schaltzustands der Freischalteinrichtung

Eine Freischalteinrichtung muss so konstruiert sein, dass solche Schaltzustände, bei denen das Schaltglied zwischen offenem und geschlossenem Zustand verharren kann, sicher vermieden werden.

Jede Freischalteinrichtung muss so aufgebaut sein, dass der Schaltzustand zweifelsfrei erkennbar ist. Deshalb verfügen Freischalteinrichtungen im Regelfall über eine Betätigungsvorrichtung (z. B. Hebel, Knebel), an deren Stellung sich der Schaltzustand erkennen lässt. Eine Betätigungsvorrichtung, und eine ggf. zusätzlich vorhandene mechanischen Anzeige des Schaltzustands, müssen so konstruiert sein, dass der angezeigte Schaltzustand immer dem wirklichen Schaltzustand der entsprechenden Freischalteinrichtung entspricht. Eine Leuchtanzeige allein ist deshalb im Regelfall nicht geeignet, um einen Schaltzustand zweifelsfrei anzuzeigen. Auch eine Hybrid-Schaltvorrichtung – die als Freischalteinrichtung eingesetzt werden soll – benötigt deshalb eine Betätigungsvorrichtung bzw. eine mechanische Anzeige, um den Schaltzustand zweifelsfrei anzeigen zu können.

Literatur: [1] DIN VDE 0105-100 (VDE 0105-100):2015-10 – Betrieb von elektrischen Anlagen – Teil 100: Allgemeine Festlegungen.
[2] DIN VDE 0100-510 (VDE 0100-510):2014-10 Errichten von Niederspannungsanlagen – Teil 5-51: Auswahl und Errichtung elektrischer Betriebsmittel – Allgemeine Bestimmungen.
[3] E DIN VDE 0100-537 (VDE 0100-537):2015-11 Errichten von Niederspannungsanlagen – Teil 5: Auswahl und Errichtung elektrischer Betriebsmittel – Kapitel 53: Schaltgeräte und Steuergeräte – Abschnitt 537: Geräte zum Trennen und Schalten.

Autor: H. Heckler

Der vollständige Artikel ist in unserem Facharchiv nachzulesen.

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