Maschinensicherheit und elektrische Ausrüstung

Update für die DIN EN 60204-1 (VDE 0113-1)

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Bereits im Jahr 2016 wurde die Maschinensicherheitsnorm IEC 60204-1 
aktualisiert – vor kurzem ist nun die deutsche bzw. europäische Version 
erschienen [1]. Der folgende Beitrag gibt einen Überblick über wichtige 
Neuerungen für Maschinen- und Anlagenbauer sowie Hinweise, wie diese 
Anforderungen einfach umgesetzt werden können.

Die neueste, sechste Version der DIN EN 60204-1 (VDE 0113-1) „Sicherheit von Maschinen – Elektrische Ausrüstung von Maschinen – Teil 1: Allgemeine Anforderungen“ [1] vertieft die grundlegenden Sicherheitsanforderungen an elektrische Ausrüstung, legt aber innerhalb des Anwendungsbereiches keine besonderen oder zusätzlichen Anforderungen fest.

Einige Kapitel wie z. B. „Dokumentation“ wurden komplett überarbeitet und informative Anhänge als hilfreiche Leitfäden bei der Projektierung (z. B. Anhang B) und Dokumentation (z. B. Anhang I) ergänzt.

Bemessungskurzschluss-
strom ist zu ermitteln

Wichtigste Neuerung in Kapitel 7 ist, dass jetzt der Bemessungskurzschlussstrom der gesamten elektrischen Ausrüstung ermittelt und angegeben werden muss. Die Norm erlaubt dafür drei Verfahren:

  • die Anwendung von Konstruktionsregeln;

  • die Berechnung oder

  • Typprüfungen.

Der Nachweis der Kurzschlussfestigkeit durch eine Ableitung kann entsprechend der IEC 61439-1 bzw. DIN EN 61439-1 [2] erbracht werden. Dazu bietet die Tabelle 13 der Norm DIN EN 61439-1 eine entsprechende Checkliste. Diese Checkliste bezieht sich auf eine typgeprüfte Referenzanlage, der sogenannten Referenzkonstruktion. Können alle Punkte mit „Ja“ beantwortet werden, gilt die Kurzschlussfestigkeit als gegeben. Ist dies nicht der Fall, kann auf die Berechnungsmethode ausgewichen werden, wenn man eine Typprüfung der Anlage vermeiden möchte.

Zur Berechnung des Bemessungskurzschlussstroms empfiehlt es sich, auf Softwarelösungen zurückzugreifen, da diese die Berechnung der Kurzschlussströme mit grafisch orientierten Entwurfssystemen vereinfachen und beschleunigen. Eine Ausnahme bilden Stromkreise von Schaltgerätekombinationen. Für diese ist der Nachweis der Kurzschlussfestigkeit in folgenden Fällen nicht gefordert:

  • Schaltgerätekombinationen mit einer Bemessungskurzzeitstromfestigkeit oder einem bedingten Bemessungskurzschlussstrom von höchstens 10 kA Effektivwert;

  • Schaltgerätekombinationen oder Stromkreise von Schaltgerätekombinationen, geschützt durch strombegrenzende Einrichtungen, deren Durchlassstrom beim höchstzulässigen unbeeinflussten Kurzschlussstrom an den Anschlüssen der Einspeise- und der Schaltgerätekombination 17 kA nicht überschreitet.

Bemessungskurzschlussstrom 
mit Leistungsschaltern begrenzen

Beim Einsatz von Leistungsschaltern kann man sich gleich mehrere Eigenschaften des Schalters zu Nutze machen, die zur Erfüllung der normativen Anforderungen notwendig sind. So wurden in Kapitel 5 der DIN EN 60204-1 (VDE 0113-1, [1]), „Einrichtungen zum Trennen und Ausschalten“, vor allem Einrichtungen zur Unterbrechung der Energiezufuhr zur Verhinderung von unerwartetem Anlauf neu mitaufgenommen.

Bei der Auswahl des richtigen Hauptschalters können so mehrere Aspekte der Norm erfüllt werden:

Der Schalter kann als Trenner zur Verhinderung von unerwartetem Anlauf eingesetzt werden, wenn er alle Anforderungen an eine Netztrenneinrichtung nach DIN EN 60204-1 (VDE 0113-1, [1]) erfüllt.

Zusätzlich kann der Schalter als strombegrenzende Einrichtung eingesetzt werden, wodurch ein Nachweis der Kurzschlussfestigkeit über Ableitung oder Berechnung nicht mehr notwendig ist.

Hierzu ein Beispiel:

Ein Antriebsschrank (Bild 1) soll an einem Trafo mit einem maximalen Kurzschlussstrom von Icc = 35 kA betrieben werden. Um eine Kurzschlussprüfung zu vermeiden, soll der Durchlassstrom auf Id = 17 kA begrenzt werden. In diesem Fall wurde eine Kombination aus zwei strombegrenzenden Schaltern gewählt: Der erste Schalter begrenzt den Kurzschlussstrom auf Id = 30 kA und der dahinterliegende Schalter begrenzt dann auf die notwendigen 17 kA, womit für diesen Schrank keine Kurzschlussprüfung mehr notwendig wäre.

Beträgt der effektive Kurzschlussstrom nur ≤ 33 kA, können die 17 kA sogar mit nur einem Schalter erreicht werden.

Durch die Auswahl der richtigen Schaltgerätetechnik (Bild 2) lassen sich so nicht nur die Anforderungen der Norm leicht erfüllen, sondern es bieten sich auch Möglichkeiten, die erforderlichen Maßnahmen mit einer Erweiterung des Funktionsangebotes der Anlage zu verbinden. Neue digitale Leistungsschalter wie beispielsweise die der NZM-Reihe von Eaton erfüllen nicht nur die oben genannten Anforderungen an eine Netztrenneinrichtung und zur Strombegrenzung, sondern bieten z. B. auch eine hochgenaue Energiemessung und ein integriertes Lifecycle Management zur Erhöhung der Anlagenverfügbarkeit.

Fehlerstromschutz 
mit aufgenommen

Im Kapitel 7 „Schutz der Ausrüstung“ wurde das Thema Erdschluss-/Fehlerstromschutz mit aufgenommen.

In diesem Zusammenhang wird auch auf Fehlerstromschutzeinrichtungen (RCD) gemäß der IEC/TR 60755 [3] verwiesen. Sie sind ein wirkungsvolles Mittel zum Schutz vor elektrischen Schlägen und zur Verhütung von Bränden.

In der Vorgängerversion der DIN EN 60204-1 (VDE 0113-1, [1]) waren Fehlerstromschutzeinrichtungen (RCD) für Steckdosenkreise bis 20 A nur optional. In der neuen Version werden jetzt generell RCD mit einem Bemessungsdifferenzstrom von I∆n ≤ 30 mA gefordert (Kapitel 15.1). Eaton bietet mit der xEffect-Serie speziell für den Einsatz in Industrieanwendungen konzipierte Schutzschaltgeräte.

FI-Schutzschalter dieser xEffect-Serie erfüllen alle Anforderungen der DIN EN 60204-1 (VDE 0113-1, [1]). Zudem wird von Eaton eindeutig empfohlen – und in vielen Fällen ist dies bereits vorgeschrieben – Fehlerstromschutzschalter des Typs F und Bfq für Anwendungen mit Frequenzumrichtern einzusetzen. Sie ermöglichen einen sicheren und zuverlässigen Maschinenbetrieb bei einer hohen Verfügbarkeit der Anlage.

Frequenzumrichter-
Anwendungen sicher realisieren

Die sichere Einbindung von Frequenzumrichtern wird mit unterschiedlichen Aspekten in der neuen DIN EN 60204-1 (VDE 0113-1, [1]) aufgegriffen. Neu aufgenommen wurde die Prüfung von Power-Drive-Systemen. Zu überprüfen ist, dass ein Fehler im Feld auch dann zur Abschaltung führt, wenn ein Frequenzumrichter oder ein Servoantrieb im Stromkreis eingebaut ist.

Viele Umrichter der neuesten Generation mit internem Überlast- und Kurzschlussschutz können im Fehlerfall den Motor eigenständig abschalten, selbst dann, wenn ein Fehler im Umrichter selbst vorliegt (Bild 3).

Verfügt der Umrichter nicht selbst über eine entsprechende Schutzeinrichtung, muss eine „externe“ Schutzeinrichtung diese Aufgabe übernehmen. In diesem Fall ist auch die Schleifenimpedanz zu prüfen, damit sichergestellt ist, dass im Fehlerfall die zugeordnete Schutzeinrichtung wirklich anspricht.

Die Frequenzumrichter der PowerXL-Produktlinie von Eaton verfügen über einen normgerechten Schutz. Sie erkennen Fehler wie Erd- oder Kurzschlüsse im Motorstromkreis und schalten diesen dann automatisch ab.

Im Kapitel 10 der Norm wird unterschieden zwischen der Betätigung der Netztrenneinrichtung, um einen NOT-HALT oder ein NOT-AUS, zur Unterbrechung der Energiezufuhr, zu bewirken. Es wurde nun festgelegt, dass die Unterbrechung der Energiezufuhr durch die Netz-trenneinrichtung zur Aktivierung der STOP-Funktion eines Frequenzumrichters als Stopp der Kategorie 0 angesehen werden kann. Sie lässt sich damit dazu verwenden, eine Bewegung während eines NOT-AUS zu stoppen.

Wie Schaltungen zum NOT-HALT mit Frequenzumrichter fachgerecht ausgeführt werden, erläutert beispielsweise das neue Sicherheitshandbuch von Eaton anschaulich anhand mehrerer TÜV-geprüfter Schaltungsbeispiele für verschiedene Stopp-Kategorien.

In den Schaltungsbeispielen wird zum einen die Umsetzung im Detail erläutert, zum anderen ist auch die erreichbare Sicherheitskategorie genannt. Ist für eine Anwendung eine bestimmte Sicherheitskategorie gefordert, kann die notwendige Schaltung dafür sehr einfach ermittelt werden. Auch die notwendige Hardware und sonstige Randbedingungen sind im Handbuch angegeben, sodass die Umsetzung der Funktion in der entsprechenden Sicherheitskategorie zuverlässig gelingt.

Neue Festlegungen 
zur Anlagendokumentation

In der Anlagendokumentation ist neben der Angabe des Bemessungskurzschlussstromes in Kapitel 11 nun ebenfalls gefordert, eine Wärmeberechnung durchzuführen und eine Wärmebilanz zu erstellen. Ziel ist es, eine Überhitzung während des Betriebes der Maschine zu vermeiden.

Ein mögliches Verfahren zur Berechnung ist der Nachweis nach den Methoden der IEC 61439-1 bzw. DIN EN 61439-1 [2]. Während Schaltgerätekombinationen mit einem Anlagennennstrom größer 1 600 A nach IEC 61439 immer geprüft werden müssen, ist für Bemessungsströme InA bis 630 A, wie sie im Maschinenbau häufig vorkommen, eine Berechnung nach Absatz 10.10 der DIN EN 61439-1, dem sogenannten RDF-Verfahren, üblich. Liegt der Bemessungsstrom InA bei unter 1 600 A, erfolgt die Berechnung dann nach IEC 60890 [4].

Eaton nennt im Produktdatenblatt für alle seine Geräte die jeweiligen Verlustleistungen, sodass sich die Gesamtwärmewirkung schnell ermitteln lässt.

Zudem bieten die meisten Gerätehersteller, ECAD-Anbieter und Schaltschrankhersteller Software-Tools zur Berechnung der Temperatur. Das TC-Tool, welches auf der Internetseite von Eaton heruntergeladen werden kann, ist ein Programm für den normenkonformen Nachweis zur Erwärmung in der Schaltanlage nach DIN EN 61439-1 [2].

Eine weitere wichtige Ergänzung der neuen Norm in Bezug auf Dokumentation ist, dass EMV-Störfestigkeits- und Emissionstests obligatorisch werden. Darauf kann allerdings verzichtet werden, wenn die verwendeten elektrischen Komponenten bereits die relevanten EMV-Anforderungen erfüllen, was typischerweise durch deren CE-Kennzeichnung belegt ist.

Die Installation sowie Verdrahtung dieser Komponenten muss zudem entsprechend der Betriebsanleitungen der jeweiligen Hersteller erfolgt sein. Gleiches gilt, falls es keine relevanten EMV-Vorschriften gibt und die Maßnahmen des neuen EMV-Anhangs der Norm angewendet wurden.

Neu hinzugenommen wurde ebenfalls die Prüfung der Umgebungsbedingungen. So sind die verbauten Komponenten dahingehend zu überprüfen, dass sie bezüglich der Vibration-, Stoß- und Schockfestigkeit für die zu erwartenden Belastungen geeignet sind.

Auch die Höhenlage des zukünftigen Einsatzortes ist zu beachten.

Auswahl der elektrischen 
Ausrüstung entscheidend

Die „neue IEC 60204-1“ ist zwar in vielen Bereichen überarbeitet worden, doch bedeutet das nicht völlig neue Verfahren oder Maßnahmen bei der Projektierung. Wer bisher seine Maschinen und Anlagen normgerecht konstruiert und projektiert hat, wird durch die überarbeitete Version nicht vor allzu große Herausforderungen gestellt.

Wichtig ist nur, bei der Auswahl der elektrischen Ausrüstung und Schaltgerätetechnik auf normenkonforme Produkte zu setzen, die der neuesten Version der DIN EN 60204-1 (VDE 0113-1, [1]) entsprechen.

Nur so ist gewährleistet, dass Maschinen und Anlagen maximale Sicherheit und Verfügbarkeit bieten.

Literatur


Bilder:


(1) Am Beispiel eines Antriebsschrankes lässt sich zeigen, wie durch strombegrenzende Leistungsschalter der maximale Durchlassstrom auf 17 kA begrenzt werden kann und dadurch ein Nachweis des Kurzschlussstromes über andere Verfahren nicht mehr notwendig ist (Quelle: Eaton/ep)

(2) Über die Durchlasskennlinie lässt sich sehr einfach ein passender Leistungsschalter ermitteln, der einen bestimmten Kurzschlussstrom (hier 33 kA) auf die notwendigen 17 kA Durchlassstrom begrenzen kann (Quelle: Eaton/ep)

(3) Not-Halt Schaltungen mit Frequenzumrichtern, die über eine entsprechende Sicherheitsfunktion verfügen, lassen sich mit Hilfe des Eaton Sicherheitshandbuches sehr einfach nach der neuesten Version der DIN EN 60204-1 umsetzen (www.eaton.de/shb) (Quelle: Eaton/ep)

Literatur:

[1] DIN EN 60204-1 (VDE 0113-1):2019-06 Sicherheit von Maschinen – Elektrische Ausrüstung von Maschinen – Teil 1: Allgemeine Anforderungen.
[2] DIN EN 61439-1 (VDE 0660-600-1):2012-06: Niederspannungs-Schaltgerätekombinationen – 
Teil 1: Allgemeine Festlegungen (aktuell gibt es dazu einen neuen Entwurf von 2019-04).
[3] IEC 60755:2017-10: General safety requirements for residual current operated protective devices.
[4] IEC TR 60890:2014-05: A method of temperature-rise verification of low-voltage switchgear and controlgear assemblies by calculation. n

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