Leitungsschutz und Sicherungen in Stromversorgungen – Normen & Praxis

Was ist Leitungsschutz? – präzise Definition und technischer Hintergrund

Leitungsschutz umfasst sämtliche konstruktiven, elektromechanischen und elektronischen Maßnahmen, die elektrische Leitungen vor thermischer Überlast, mechanischer Fehlbeanspruchung und den Auswirkungen von Kurzschlussströmen schützen. Grundlage ist die Joulesche Wärmeentwicklung: Jeder Stromfluss erzeugt Wärme, wobei die Erwärmung proportional zu I²·R steigt. Bereits geringe Überlasten führen durch das Quadratgesetz zu stark erhöhter Temperatur – mit Folgen wie Isolationsalterung, Kontaktschäden und potenziellen Kabelbränden.

Normativ ist Leitungsschutz festgelegt in:

• DIN VDE 0100‑430:2010‑10 – Schutz bei Überstrom.
• DIN EN 60364‑4‑43:2010 – Schutzmaßnahmen gegen Überstrom.
• EN 60204‑1:2018‑06 – elektrische Ausrüstung von Maschinen.

Der Leitungsschutz stellt sicher, dass Leitungen in jedem Fehlerfall innerhalb definierter Grenzwerte geschützt sind.

Normen & regulatorische Anforderungen

Wichtige Normen – mit Ausgabejahr und Anwendungsbereich

DIN VDE 0100‑430:2010‑10 – zentrale Norm für Überstromschutz in Niederspannungsanlagen.

DIN EN 60204‑1:2018‑06 – verbindlich für Maschinenbau, Automatisierung, Robotik.

IEC 60127 (aktuelle Ausgabe) – Geräteschutzsicherungen in Elektronik und Stromversorgungen.

IEC 60947‑2:2020 – Leistungsschalter mit thermisch-magnetischer oder elektronischer Auslösung.

UL 248 / UL 489 – internationale Kompatibilität für Exportanlagen.

DIN IEC/TR 60269‑5:2023‑05 – aktuelles Technisches Regelwerk für Niederspannungssicherungen; zentrale Grundlage moderner Auslegung.

Erweiterte normative Forderungen

Normen schreiben detailliert vor:

• Zeit-Strom-Kennwert muss Leitung schützen, aber Betrieb nicht unnötig unterbrechen.
• Abschaltbedingungen müssen innerhalb der vorgeschriebenen Zeit erfüllt sein.
• Betriebstemperatur, Bündelung, Verlegeart und Umgebungseinflüsse müssen berücksichtigt werden.
• Anforderungen an Selektivität, Kurzschlussleistung, Schaltvermögen und Koordination zwischen mehreren Sicherungsorganen.
• Maschinen nach EN 60204‑1 benötigen separate Absicherung für Steuerstromkreise, Motorabgänge und Leistungsteile.

Sicherungsarten

Schmelzsicherungen nach DIN IEC/TR 60269‑5:2023‑05

Der neue Technische Bericht behandelt:

• Auswahlkriterien für gG-, aM‑Einsätze.
• Charakteristische Schmelz‑I²t‑Werte.
• Selektivitätsdiagramme bei mehrstufigen Anlagen.
• Altersverhalten und mechanische Lebensdauer.
• Kurzschluss-Ausschaltverhalten im Millisekundenbereich.

Schmelzsicherungen erfordern keinen mechanischen Auslösemechanismus, wodurch sie sehr zuverlässig und temperaturstabil sind. Ihr Nachteil – Austausch nach Auslösung – wird in Industrieumgebungen durch hohe Abschaltleistung überkompensiert.

Leitungsschutzschalter (LS)

Thermische Auslösung basiert auf Bimetallverformung (langsame Überlast), während der magnetische Schnellauslöser Kurzschlüsse im Millisekundenbereich abschaltet. Unterschiedliche Kennlinien ermöglichen präzise Anpassung an Lastverhalten.

Zusatz: Physikalische Hintergründe

• Magnetische Auslösung reagiert auf magnetische Flussdichte (B ~ I).
• Thermische Auslösung ist abhängig von Umgebungstemperatur und Erwärmungsklasse.

Feinsicherungen – Auslegung in Netzteilen

Feinsicherungen schützen sowohl Transformatorvorschaltkreise als auch moderne Schaltnetzteile. Relevante Faktoren:

• Einschaltstrom (Inrush) bis 40× Nennstrom.
• benötigtes träge oder superträge Schmelzverhalten.
• UL‑ und IEC‑Zulassungen abhängig vom Exportmarkt.

PTC‑Sicherungen – Einsatzgrenzen

PTC sind ideal für:

• Sensorleitungen,
• Kommunikationsbusse,
• Niedrigstromkreise.

Begrenzung:

• nicht ausreichend für hohe Kurzschlusswerte,
• teils thermisch instabil bei Dauerlast.

Elektronische Sicherungen (E‑Fuses)

E‑Fuses bieten:

• präzise Strombegrenzung,
• digitale Überwachung,
• Condition Monitoring,
• Anlagenintegration (Profinet/IO‑Link möglich),
• automatische Reset‑Funktion.

Moderne Industrieanlagen nutzen elektronische Sicherungstechnik, um Stillstände zu minimieren und vorausschauende Wartung einzuführen.

Praxisleitfaden

Auswahlkriterien im Detail

Neben Querschnitt, Verlegeart und Temperatur müssen auch berücksichtigt werden:

• Leiterwerkstoff (Cu/Al) und dessen Temperaturkoeffizient.
• real vorkommende Einschaltströme.
• Motoranlaufströme und Lastträgheit.
• Leitungslänge (Einfluss auf Kurzschlussstrom).
• Umgebungshöhe (Luftdichte beeinflusst Kühlung).

Beispielrechnung – Kurzschlussstrom

Ein 20‑m‑Leitungslauf 2,5 mm² Cu führt im Kurzschlussfall zu begrenzten Ik‑Werten. Aus Normtabellen ergibt sich ein Spannungsfall, der den maximal möglichen Kurzschlussstrom reduziert.

Konsequenz: Sicherung muss ausreichend empfindlich sein, aber gleichzeitig das geforderte Schaltvermögen besitzen.

Erweiterte Tabelle – zulässige Ströme nach VDE 0298‑4

Querschnitt Cu	Verlegeart C	Izul	typische Anwendung
1,5 mm²	18 A	18 A	Beleuchtung, Steuerung
2,5 mm²	24 A	24 A	Versorgung von Maschinen
4 mm²	32 A	32 A	Leistungsteile, Motorabgänge
6 mm²	40 A	40 A	Industrieverteiler

Häufige Fehler

• Sicherungsnennstrom zu hoch → Leitung überhitzt → Isolationsversagen.
• Temperaturkorrekturen ignoriert → Sicherung löst nicht aus.
• Falsche Kennlinie → fälschliche Auslösung oder fehlende Absicherung.
• Keine Selektivität → gesamter Anlagenstillstand.
• Mangelhafte Dokumentation → keine Nachweisführung im Audit.
• Fehlende Wartung → Schaltgeräte altern, Auslöseverhalten verändert sich.

Praxisbeispiele aus Industrie & Maschinenbau

Beispiel 1 – Automatisierungslinie

Ein Bussystem versorgt 30 Sensoren. Ein einzelner Kurzschluss würde ohne E‑Fuse die gesamte Linie stoppen. Durch kanalweise Sicherung bleiben alle anderen Sensoren aktiv.

Beispiel 2 – Werkzeugmaschine

Ein Motor mit schwerem Anlauf benötigt Kennlinie D. Wird B oder C verwendet, führt jeder Start zu Fehlauslösung.

Beispiel 3 – Schaltschrank in warmer Umgebung

Im Schaltschrank herrschen 50 °C statt der Normtemperatur 30 °C. Die Sicherung löst nicht mehr innerhalb der geforderten Zeit aus.

Primär- und Sekundärschutz

Primärschutz

• Absorption von Netztransienten.
• Berücksichtigung von Netzeinspeiseimpedanz.
• Anforderungen an Stoßstromfestigkeit.
• Koordination mit vorgeschalteten LS‑Schaltern.

Sekundärschutz

• Absicherung kleiner Querschnitte bis 0,14 mm².
• Schutz von Bussystemen (ProfiBus, CAN, IO‑Link).
• Vermeidung von Leitungsbrand durch Hotspots.

Erweiterte Tabellen & Prüfhinweise (FNN‑orientiert)

Vergleich Sicherungstechnologien – erweitert um Einsatzkriterien

Typ	Vorteil	Nachteil	Anwendung
Schmelzsicherung	höchste Abschaltleistung, temperaturstabil	Austausch nach Auslösung	Hauptverteilungen, Motorabgänge
LS‑Schalter	kombinierte thermisch/magnetische Auslösung	empfindlich bei falscher Kennlinie	Maschinen, Automatisierung
Feinsicherung	ideal für Inrush‑Begrenzung	begrenzte Selektivität	Elektronik, Netzteile
PTC	selbstzurückstellend	begrenztes Ik	Sensorik, Bussysteme
E‑Fuse	selektiv, messbar, fernwartbar	höhere Kosten	Industrie 4.0, modulare Maschinen

Zusätzliche technische Tiefe

Thermische Belastung und Wärmeabfuhr – detailliert

Die maximale Strombelastbarkeit ergibt sich aus der Gleichung:

ΔT = I² · R · t / (m · c)

mit:

• ΔT: Temperaturerhöhung der Leitung
• I: Strom
• R: Widerstand der Leitung
• t: Zeit
• m: Masse des Leiters
• c: spezifische Wärmekapazität

Insbesondere bei Dauerlast in Kabelbündeln steigt die Temperatur schneller, da Wärme schlechter abgeführt wird. Normen wie VDE 0298‑4 definieren deshalb Korrekturfaktoren für Bündelung, Umgebungstemperatur und Häufung.

Kurzschlussstromberechnung

Der prospective short circuit current (PSC) wird berechnet aus:

Ik = U₀ / Zges

Zges setzt sich zusammen aus:

• Netzinnenimpedanz
• Leitungslänge × Leitungsimpedanz
• Übergangs- und Kontaktwiderständen

Je größer die Leitungslänge, desto kleiner Ik – und desto empfindlicher muss die Sicherung im Kurzschlussfall reagieren.

Beispiel:

• Netz: 230 V
• Leitungslänge: 40 m
• Querschnitt: 1,5 mm² Cu
• ZLeitung: 0,0175 Ω/m × 40m → 0,7 Ω
• Zges ≈ 0,9 Ω

Ergebnis: Ik ≈ 255 A – deutlich niedriger als typische Netzkurzschlusspegel.

Das muss bei der Wahl des Schaltvermögens (z. B. LS‑Schalter mit 6 kA oder 10 kA) berücksichtigt werden.

Selektivität

Selektivität bedeutet, dass nur der fehlerhafte Stromkreis abgeschaltet wird. Dazu müssen Zeit‑Strom‑Kennlinien zweier Sicherungen sich nicht überschneiden.

Selektivitätstypen:

• volles selektives Verhalten: nachgewiesen über Kennlinienüberlagerung
• energetische Selektivität: I²t‑Vergleich von Schmelzsicherungen
• spezifische Selektivität: Kombination aus LS‑Schalter und Sicherung

Der FNN‑Leitfaden beschreibt Selektivitätsdiagramme, die speziell für industrielle Mehrstufenanlagen relevant sind.

I²t‑Werte – Energiegrenzwerte moderner Sicherungen

Der I²t‑Wert beschreibt die Energie, die bis zum Schmelzen umgesetzt wird. Je niedriger der I²t‑Wert, desto schneller reagiert die Sicherung.

Formel:

I²t = ∫ I(t)² dt

Schmelzsicherungen haben konstante I²t‑Profile, LS‑Schalter dagegen abhängig von:

• Umgebungstemperatur
• Lastcharakteristik
• Erwärmungsverhalten

Hochfrequente Lasten & Schaltnetzteile

Moderne Schaltnetzteile erzeugen:

• hohe Einschaltströme,
• getaktete Anteile im Hochfrequenzbereich,
• asymmetrische Lastprofile.

Diese beeinflussen das Auslöseverhalten mechanischer Sicherungen.

Lösung:

• träge Feinsicherungen (T)
• superträge Typen (TT)
• elektronische Schutzmodule

Einfluss der Umgebung auf das Auslöseverhalten

Temperatur

Sicherungen sind für 30 °C normiert. Bei 50 °C verringert sich die Auslösecharakteristik um bis zu 25 %.

Höhe über NN

In >2 000 m Höhe sinkt die Luftdichte → schlechtere Wärmeabfuhr → reduzierte Strombelastbarkeit.

Vibration

In Maschinen mit hoher Vibration können LS‑Schalter ungewollt auslösen.

Digitale Schutztechnik

Elektronische Sicherungen liefern:

• Live‑Monitoring von Kanalströmen,
• Diagnosefunktionen,
• Protokollierung von Auslösungen,
• Predictive Maintenance.

Industrieanlagen mit modularen Stromversorgungen (24 V‑Systeme) nutzen zunehmend IO‑Link‑fähige Schutzmodule, um:

• Lastverhalten zu analysieren,
• Ausfallwahrscheinlichkeiten zu berechnen,
• Warnungen vor Überlast auszugeben.

Fehlerlichtbogen-Schutz (AFDD)

Fehlerlichtbogen-Schutzeinrichtungen erkennen serielle und parallele Lichtbögen, die durch beschädigte Adern, lose Klemmen oder gealterte Isolation entstehen. Lichtbögen erzeugen sehr hohe Temperaturen, ohne zwingend hohe Ströme zu verursachen – daher sprechen klassische Sicherungen häufig nicht an. AFDDs analysieren hochfrequente Signaturen und schalten bei charakteristischen Mustern ab. In Industrieanlagen sind sie besonders relevant in Bereichen mit Vibration, Schleifketten, bewegten Leitungen oder erhöhtem Staubaufkommen.

Schutzgerätekoordination Typ 1 / Typ 2

Die Koordination beschreibt, wie Sicherungen und Schaltgeräte im Fehlerfall zusammenwirken.

• Typ 1: Das nachgeschaltete Gerät darf beschädigt werden, jedoch keine Gefahr verursachen. Nacheinsatzprüfung notwendig.
• Typ 2: Das nachgeschaltete Gerät muss nach Fehlerbeseitigung weiterhin funktionsfähig sein. Erfordert exakte Abstimmung von Sicherung, Schaltgerät, I²t-Energie und Kurzschlussvermögen.
  Typ 2 wird im Maschinenbau bevorzugt, da Stillstandszeiten erheblich reduziert werden.

Kurzschlussstromberechnung

Kurzschlussströme hängen in der Praxis stark ab von:

• Netzform (TN‑S, TN‑C‑S, IT, TT)
• Transformatorleistung und Kurzschlussspannung Uk
• Entfernung zur Unterverteilung
• Leiterquerschnitt und Material

Beispiel:

• Trafo: 630 kVA, Uk = 4 %
• Netz: TN‑S
• Entfernung zur Maschine: 65 m
• Querschnitt: 4 mm² Cu

Berechnung des Transformator‑Ik:

IkTrafo = (In / Uk) ≈ (630000 VA / (400 V·√3)) / 0,04 ≈ 22 kA

Berücksichtigung der Leitung reduziert Ik auf wenige kA. LS‑Schalter müssen daher mindestens 6 kA, besser 10 kA Schaltvermögen besitzen.

Schutzsystem-Topologien in der Industrie

Industrieanlagen nutzen unterschiedliche Netz- und Schutzsystem-Topologien, die jeweils eigene Anforderungen an Sicherungen und Leitungsschutz stellen.

Strahlennetze

Hier wird ein zentraler Verteiler speisend nachgeschaltet. Vorteil: einfache Planung, hohe Übersichtlichkeit. Nachteil: empfindlich gegenüber Einzelfehlern – fehlende Selektivität kann ganze Produktionslinien beeinträchtigen.

Ringnetze

Ring- oder vermaschte Strukturen bieten Redundanz. Kurzschlussströme können jedoch aus zwei Richtungen eintreffen. Sicherungen und Leistungsschalter müssen daher auf bidirektionale Fehlerströme ausgelegt sein, inklusive entsprechender Selektivitätsnachweise.

Redundante Versorgungssysteme (A/B-Netz)

In kritischen Anlagen (Pharma, Lebensmitteltechnik, Fertigung) wird häufig ein A- und ein B-Netz parallel betrieben. Beide Netze müssen einzeln abgesichert, selektiv ausgelegt und gegen gegenseitige Rückspeisung geschützt werden.

Schutz in IT-, TN- und TT-Netzen

TN-S und TN-C-S Netze

Diese Netzformen bieten hohe Kurzschlussströme – ideal für effiziente Abschaltung. Sicherungen sprechen zuverlässig an, wenn die Schleifenimpedanz niedrig ist.

TT-Netze

Hier ist der Kurzschlussstrom aufgrund der Erdungssysteme deutlich kleiner. Folge: klassische Sicherungen reagieren nicht zuverlässig. RCDs sind zwingend erforderlich.

IT-Netze

Isoliertes Netz – erster Fehler führt nicht zum Abschalten. Schutzmaßnahmen:

• Isolationsüberwachungseinrichtungen (IMD),
• selektive Fehlerortung,
• spezielle LS/RCD-Kombinationen.

IT-Netze sind in Industrien mit hoher Verfügbarkeit üblich (Chemie, Prozessindustrie).

Fehlerstromschutz (RCD) – Typ A, F, B, B+

RCDs ergänzen Sicherungen und schützen vor Fehlerströmen, die nicht zwingend durch Überstromschutzeinrichtungen erkannt werden.

Typ A

Erkennt sinusförmige AC-Fehlerströme und pulsierende Gleichfehlerströme.

Typ F

Für Frequenzumrichter und moderne Antriebe. Reagiert auf Mischfrequenzen.

Typ B

Erfordert bei allen Anlagen mit DC-Anteilen (Schaltnetzteile, Antriebstechnik). Erkennt glatte Gleichfehlerströme.

Typ B+

Erweiterter Frequenzbereich, ideal im modernen Maschinenbau.

Schutz langer Leitungswege – Mindestkurzschlussstrom sicherstellen

Bei Leitungslängen >100 m sinkt der Kurzschlussstrom oft unter die Auslösegrenze von Sicherungen.

Lösungen:

• größere Leiterquerschnitte,
• Einsatz von Vorsicherungen näher an der Last,
• elektronische Sicherungen mit Strombegrenzung,
• Verringerung der Schleifenimpedanz.

Beispiel: Eine 120 m lange 1,5 mm² Leitung kann Ik < 100 A verursachen – viele Sicherungen lösen hier nicht mehr aus.

Prüffristen & Instandhaltung nach DGUV und EN

Industrieanlagen unterliegen strengen Prüfpflichten:

DGUV V3

• Wiederholungsprüfungen jährlich oder nach Gefährdungsbeurteilung.
• Dokumentation aller Messwerte (Riso, Zs, Ik, RCD-Auslösezeit).

EN 60204-1

Verlangt:

• Funktionsprüfung aller Schutzschalter,
• Messung der Schleifenimpedanz,
• Prüfung der Kurzschlussabschaltbedingungen,
• thermische Messungen an belasteten Leitern.

Fehlende Dokumentation führt bei Audits zum sofortigen Handlungsbedarf.

EMV-Einflüsse auf Sicherungs- und Schutztechnik

Moderne Produktionsumgebungen erzeugen hochfrequente Emissionen (Frequenzumrichter, Robotik, PWM), die Sicherungen beeinflussen können.

Typische Effekte:

• magnetische Fehlauslösungen bei LS-Schaltern,
• Triggern von AFDDs bei starker HF-Einstrahlung,
• thermische Scheinbelastungen bei PTCs.

Lösungen:

• Schirmung der Leitungen,
• EMV-gerechter Aufbau (TN-S bevorzugt),
• Verwendung von EMV-geprüften LS-Schaltern.

Normgerechter Leitungsschutz verlangt mehr als die Wahl einer passenden Sicherung. Die technische Tiefe aktueller Normen (DIN IEC/TR 60269‑5:2023‑05, DIN VDE 0100‑430, EN 60204‑1) erfordert ein Verständnis von physikalischen Grundlagen, Leitungserwärmung, Kurzschlussstromberechnung, Selektivität und modernen digitalen Schutztechnologien. Nur ein systematisch ausgelegter, dokumentierter und regelmäßig geprüfter Leitungsschutz stellt sicher, dass Anlagen auch unter anspruchsvollen Betriebsbedingungen zuverlässig, sicher und wirtschaftlich bleiben.