Verteilung elektrischer Energie: Sicher ist sicher

Nun wissen wir, warum der Wechselstrom an der Steckdose nahezu unfehlbar zur Verfügung steht und wie es möglich ist, die Spannung weit gehend und die Frequenz nahezu absolut konstant zu halten, auch wenn die Last wechselt. Damit ist der Strom aber noch nicht genau am Einsatzort angelangt. Auch wenn die drahtlose Nachrichten-Übertragung heute gang und gäbe ist, lässt die drahtlose Energie-Übertragung noch auf sich warten. Wo etwas anderes behauptet wird, ist dies doch durchweg irgendwo zwischen Schabernack und Scharlatanerie einzuordnen. Wenn das alles so einfach wäre, wäre es schon vor 100 Jahren erfunden worden. Ist es aber nicht. Also muss die elektrische Energie innerhalb des Gebäudes über die so genannten Endstromkreise noch bis an die zahlreichen Einsatzorte fortgeleitet werden.

Das heißt: Zur Verfügung gestellt wird zunächst einmal die Spannung. Das ist der Druck in der Stromleitung. Ein Stromfluss wird daraus erst, wenn der Mensch oder ein Automatismus im angeschlossenen Gerät den Schalter schließt, also eine leitfähige Verbindung zwischen Hin- und Rückleitung des Stroms herstellt, so wie auch die Wasserleitung ständig unter Druck steht, aber nur Wasser fließt, wenn man den Hahn öffnet. Ein Schalter kann allerdings (fast) genau so gut in der Rückleitung des Stroms wie in seinem Hinweg angeordnet sein, wohingegen der Stöpsel in der Badewanne das Wasser nicht am Fließen und die Wanne auch nicht am Überlaufen hindert – eher im Gegenteil! Damit ist schon wieder der Punkt erreicht, an dem die Tragweite des Vergleichs zwischen Wasserstrom und Elektronenstrom endet. Mit dem Sprachgebrauch fängt es bereits an aufzuhören:

  • Wasserhahn offen: Wasser fließt.
  • Wasserhahn geschlossen: Kein Wasser fließt.

Aber:

  • Schalter offen: Kein Strom fließt.
  • Schalter geschlossen: Strom fließt.

Auch dient die Wasserleitung zur Versorgung mit Wasser und nicht zur Übertragung von Energie. Umgekehrt dient die Stromleitung nicht der Versorgung mit Elektronen, die dann vom Verbraucher in irgendeiner Form verbraucht werden. Auch baden kann man darin nicht, schon deshalb nicht, weil sie sich nicht vorübergehend in eine Wanne füllen lassen. Vielmehr sollen die Elektronen Energie übertragen und müssen hierzu umgehend wieder dorthin zurück fließen, woher sie gekommen sind. Wenn diese Möglichkeit nicht gegeben ist, verweigern sie die Rundreise von vornherein.

Leistung ist Energie pro Zeit, und die elektrische Leistung errechnet sich aus Spannung mal Strom. Das Element »pro Zeit« ist in der Größe der Stromstärke schon enthalten, da eine Stromstärke von 1 A prinzipiell bedeutet, dass pro Sekunde an einer beliebigen Stelle des Stromkreises 6,24*1018 Elektronen vorbei fließen. Dadurch kommt es oft zu Missverständnissen, da Leistung mit Energie verwechselt wird, oder auch »nur« zu falscher Ausdrucksweise, wobei das Falsche gesagt, aber das Richtige gemeint (und hoffentlich auch verstanden?) wird. Selbst gestandene Elektromeister sagen oft, sie hätten letztes Jahr 3500 Kilowatt verbraucht. Sie meinen natürlich Kilowattstunden. Dabei muss es wohl auch bleiben, denn sonst funktioniert der alte Witz nicht mehr, gemäß welchem die Ostfriesen angeblich Energie gewinnen sollen, indem sie mit einem Eimer ans Meer gehen und sich 10 Kilo Watt holen.

Nun haben wir aber schon festgestellt, dass der Kunde die Möglichkeit erwartet, zu jeder Zeit elektrische Energie nutzen zu können, sie aber bei weitem nicht ständig oder bei weitem nicht im verfügbaren Umfang nutzt. Insbesondere der deutsche Privatkunde verfügt zumeist über einen Hausanschluss, der die Entnahme von beinahe 24 kW ermöglicht, wovon dann im Jahresmittel nur 0,4 kW genutzt werden.

Also: Bereit gestellt wird vom Versorger zunächst einmal gar kein Strom, sondern nur Spannung – und damit die Möglichkeit, jederzeit auch Leistung zu beziehen, doch ist der Strom gleich null, so ist auch die Leistung gleich null und damit im betreffenden Zeitabschnitt die Energie gleich null. Nichts verkauft. Der Generator muss aber laufen, schon allein um die Spannung zu erzeugen, auch wenn im Moment kein Strom zum Fließen kommt. Die Maschine wird dann zwar nicht belastet und dreht sich daher sehr leicht, weil die magnetische Gegenkraft des Laststroms ausbleibt, aber Energie muss dennoch aufgewendet werden, um auch nur die Bereitschaft zur Abgabe von Energie sicher zu stellen.

Dies zieht also jedem Jammern und Wehklagen den Boden unter den Füßen weg, wenn man zu einer durchschnittlichen oder typischen Schwachlastzeit eine Kilowattstunde elektrischer Energie an einer der großen Strombörsen für weniger als 3 Cent erstehen kann, der Haushaltskunde dagegen konstant z. B. 27 Cent zahlt. Ein Großkunde mit einem vergleichsweise hohen, annähernd konstanten Verbrauch ist unter Umständen mit 6 Cent pro Kilowattstunde dabei. Schon wittert die Tagespresse wieder Ausbeuter und Kartelle unter den Stromversorgern am Werk: »Mit den kleinen Leuten kann man es ja machen!« In Wirklichkeit zahlt der Privatkunde etwa 3 Cent für die verbrauchte Kilowattstunde plus 24 Cent für die Möglichkeit, diese Kilowattstunde zu jeder beliebigen Tages- und Jahreszeit innerhalb von gut 2 Minuten aus dem Netz »herunter laden« zu können. Wenn man das nicht prompte Bedienung nennen kann, was denn dann? Dies ist gar nicht so selbstverständlich wie wir es immer nehmen, sondern stellt einen gewaltigen Komfort dar, und Komfort kostet Geld. Wäre diese Last von z. B. 23 kW – im Vorhinein nachweisbar oder durch Erfahrung erwiesen – bei einem Kunden ständig am Netz, so gewährte der Anbieter diesem Kunden selbstverständlich einen Preis um 5 Cent. Die Stromrechnung beliefe sich allerdings selbst zu diesem Preis noch auf über 10.000 € im Jahr. Bei einem solchen Betrag ist dann das Netz schon noch »mit drin«.

Nachdem wir nun gelernt haben, dass man Geld nicht essen kann, kommen wir sicher auch noch dahinter, dass Geld keinen elektrischen Strom erzeugt. Hinter der nahezu unbegrenzten und als selbstverständlich aufgefassten Verfügbarkeit elektrischer Energie steckt vielmehr ein sehr aufwändiges System, das seinen Preis hat, bis »der Strom endlich in die Steckdose kommt«. Hier soll es jetzt um die Verteilung im Gebäude gehen – und da steht die Sicherheit an erster Stelle, denn elektrischer Strom kann prinzipiell sehr schnell gefährlich werden. Dabei sind zwei Dinge zu unterscheiden:

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Grundzüge des Schutzes gegen Stromschlag

Zum einen reagiert der menschliche Körper empfindlich auf Durchströmung. Prinzipiell können Ströme ab 50 mA tödlich sein. Nun ist der menschliche Körper aber zum Glück auch kein sonderlich guter Leiter. Sein Widerstand hängt in entscheidender Weise von der Beschaffenheit der Kontaktflächen ab. Sind sie klein oder groß, trocken oder nass? – Wie auch immer, wird in der elektrischen Installationstechnik davon ausgegangen, dass eine Spannung von mindestens 50 V erforderlich ist, um einen Strom von 50 mA durch den Körper zu treiben. Was darunter liegt, bezeichnet man als »Schutzkleinspannung«, darf also ungestraft angefasst werden. Eine Ausnahme bildet eine »sehr nasse« Umgebung wie die Badewanne oder ein Schwimmbecken. Hier liegt die Grenze bei nur 12 V.

Ist Niederspannung gefährlich?

Ups – ja! Für den Elektriker ist alles »Niederspannung«, was sich im Bereich oberhalb der Schutzkleinspannung bis 1000 V abspielt! Erst dort beginnt die »Mittelspannung«, die bis 60 kV reicht. Von dort bis 150 kV spricht man von »Hochspannung« und darüber hinaus von »Höchstspannung«.

Bild 10: Niederspannung, Low voltage, Tension basse, Laagspanning – das klingt alles so niedlich, reicht aber fachsprachlich bis 1000 V Wechselspannung oder 1500 V Gleichspannung!
Bild 10: Niederspannung, Low voltage, Tension basse, Laagspanning – das klingt alles so niedlich, reicht aber fachsprachlich bis 1000 V Wechselspannung oder 1500 V Gleichspannung!

Aber nicht erst dort wird es höchst spannend! Wir wissen alle, dass an und mit der üblichen Gebrauchsspannung von 230 V schon tödliche Unfälle möglich sind. Etwa 60 Mal im Jahr ereignet sich ein solches Unglück in Deutschland. Das sind schon 60 zu viel, aber im Straßenverkehr sind 100 Mal so viele Opfer zu beklagen. Dies relativiert vielleicht die Gefahr ein wenig, legt aber vor allem beredtes Zeugnis davon ab, dass Technik, Normen und Gesetze heute für einen sehr weit gehend sicheren Gebrauch der Elektrizität sorgen. Man unterscheidet in der Elektrotechnik drei Schutzklassen nach der Art, wie der Schutz vor elektrischem Schlag sicher gestellt wird:

  • Schutzklasse I: Schutz durch Erdung und Potenzialausgleich. Jedes berührbare elektrisch leitfähige Teil, das nicht Teil des Stromkreises ist, wird leitfähig mit Erde verbunden, so dass es kein gefährliches Potenzial gegenüber der umgebenden Erde annehmen kann. Bei elektrisch leitfähigen Teilen, die Teile des Stromkreises darstellen, wird selbstverständlich vorausgesetzt, dass sie nicht berührbar sind – oder aber kein nennenswertes Potenzial gegen Erde annehmen können (Rückleiter N oder PEN des Stroms im »TN-System«).
  • Schutzklasse II: Schutzisolierung. Das Betriebsmittel hat überhaupt keine elektrisch leitfähigen Teile, die berührbar sind (das Gehäuse besteht beispielsweise komplett aus Kunststoffen) bzw. über doppelte oder verstärkte Isolierung gegenüber den Spannung führenden Teilen.
  • Schutzklasse III: Verwendung von Schutzkleinspannung.

Zur Schutzklasse I ist zu beachten, dass ein einzelnes Teil, und sei es noch so sehr elektrisch leitfähig, keine Spannung führen kann. Eine Spannung kann immer nur zwischen zwei Polen, also zwei leitfähigen Gegenständen, gemessen werden. Wenn nicht anders erwähnt, wird die uns alle umgebende Erde als Referenz heran gezogen, die als »Potenzial 0« definiert wird, so wie man Höhen fast immer auf den Meeresspiegel bezieht. Da das Erdreich wenigstens ein wenig elektrisch leitfähig ist, darf man annehmen, dass sich ein irgendwo bestehender »Elektronen-Überdruck« oder ein irgendwo anders bestehendes »Elektronen-Defizit« stets unverzüglich gleichmäßig verteilen und sich so gegeneinander ausgleichen werden, so wie es auch auf den Weltmeeren üblicherweise weder Wasserberge noch Wasserlöcher gibt. Somit bildet sich ein ziemlich klarer Bezugspegel »Normal-Null«. Die Spannung an einer bestimmten Stelle versteht sich also, wenn nicht anders angegeben, als zwischen dieser Stelle und Erde gemessen.

Nun, wenn das schon so ist, bietet es sich an, die Erde gleich mit dem Rückleiter des Stromkreises zu verbinden; sind doch beide Enden schon geerdet: Am Trafohäuschen ist der Rückleiter stets an ein mehrere 10 Meter langes Metallband angeschlossen, das im Erdboden vergraben ist. An dem versorgten Gebäude ist eine ähnliche Vorrichtung oder doch zumindest ein Fundamenterder errichtet. Dies bedeutet, dass alle Metallteile des Gebäudes leitfähig miteinander verbunden und an die Moniereisen im Beton angeschlossen sind.

Nicht, dass deswegen gleich das Erdreich den Rückleiter ersetzen und so einen Leiter einsparen könnte – dafür ist die Leitfähigkeit dessen, was der Elektrotechniker gemeinhin als Erde bezeichnet, zu schlecht. Das funktioniert nur z. B. bei der Eisenbahn, wo der Fahrweg aus massivem Metall besteht, oder in der Nachrichtentechnik, wo nur sehr kleine Ströme unterwegs sind – aber auch dort aus Gründen der EMV ziemlich schlecht. Der Elektrotechniker weiß aber immer gern, woran er ist. Ist die Rückleitung des Stroms mit Erde verbunden, so ist auch immer gleich klar, welches Potenzial (wie viel Spannung) die andere Leitung gegen Erde führt, also wie gefährlich eine Berührung für Mensch und Material werden kann. Ganz nebenbei wird dadurch auch klar, welches denn nun bei einem Wechselstromkreis als Hinweg und welches als Rückweg des Stroms anzusehen ist, denn es gibt hier keinen Plus- und Minuspol, sondern physikalisch nur einen hin und her fließenden Strom. Technisch wird dann die mit der Erde verbundene Leitung als Rückleitung und die gegenüber Erde Spannung führende als Zuleitung angesehen. So ist auch hier die Terminologie zu verstehen.

Vorteilhaft ist es aber, die beiden Erdungen im Gebäude und im Trafohäuschen miteinander zu verbinden (TN-System), denn erleidet ein Gerät mit geerdetem Metallgehäuse (Schutzklasse I) einen derartigen Fehler, dass das Gehäuse mit den metallenen Teilen der Stromzuleitung in Kontakt gerät, so liegt zunächst einmal eine gefährliche Spannung an dem Gehäuse. Da aber sowohl das Gehäuse als auch die Rückleitung der Stromquelle geerdet sind, schließt sich der Stromkreis, und es kommt zu einem Kurzschluss, d. h. der Strom findet einen kürzeren Weg nach Hause, nicht durch das angeschlossene Betriebsmittel, sondern daran vorbei. Diese Abkürzung hat sehr wenig Widerstand. Deshalb wird der Strom die zulässige Grenze – im Haushalt gewöhnlich 16 A – um ein Vielfaches übersteigen und daher die Sicherung zum Auslösen bringen. Der von dem Fehler betroffene Stromkreis wird sofort frei von Spannung und Strom.

In einem Netz (TT-System) ohne Verbindung zwischen der Erdung der speisenden Quelle und der Erdung des davon versorgten angeschlossenen Gebäudes schließt sich bei solch einem Fehler der Stromkreis nur über das Erdreich. Wie gesagt, hat dieses einen so hohen Widerstand, dass die Spannung von 230 V kaum jemals einen hinreichend großen Strom treiben wird, um den eingebauten Überstromschutz zum Ansprechen zu bringen. Der Strom würde zwar das Erdreich entsprechend erwärmen, aber die gefährliche Spannung bliebe auf dem Gehäuse.

Bild 11: Dieser Fehlerstrom-Schutzschalter kann Ströme bis 40 A abschalten, und das tut er spätestens, wenn zwischen Hinweg und Rückweg des Stroms eine Differenz von 0,5 A auftritt
Bild 11: Dieser Fehlerstrom-Schutzschalter kann Ströme bis 40 A abschalten, und das tut er spätestens, wenn zwischen Hinweg und Rückweg des Stroms eine Differenz von 0,5 A auftritt

Deshalb muss ein solches Gebäudenetz (TT-System) zusätzlich durch mindestens einen Fehlerstrom-Schutzschalter (RCD) geschützt werden. Dieser vergleicht den Strom in der Zuleitung mit dem Strom in der Rückleitung. Bemerkt er eine auch nur kleine Differenz, so schaltet er ab, denn ein Teil des Stroms, der durch die Zuleitung geliefert wird, muss einen anderen Weg gefunden haben als den vorgesehenen durch den Rückleiter. Einen Elektronenschwund kann es physikalisch nicht geben! Also könnte der gefundene »Schleichweg« einen menschlichen Körper beinhalten.

Es ist jedoch ratsam und heute in besonders gefährdeten Bereichen (z. B. Badezimmern) auch vorgeschrieben, einen Fehlerstrom-Schutzschalter auch in einem Netz mit verbundenen Erdungssystemen (TN-System) einzusetzen, da diese hier für zusätzliche Sicherheit sorgen, falls etwa der Anschluss des Schutzleiters an das Erdungssystem unterbrochen sein sollte – was schließlich erst auffällt, wenn es zu spät ist. Im vorliegenden Fall bliebe die Spannung am Gehäuse des defekten Gerätes genau so lange anstehen und der Fehler unentdeckt, bis ein Mensch das Gehäuse anfasst, der gleichzeitig mit einem anderen Körperteil hinreichenden Kontakt zur Erde hat (barfuß auf feuchtem Boden, Wasserrohr, Heizungsrohr). Jetzt kommt es zu einer Körperdurchströmung, die aber durch den Fehlerstrom-Schutzschalter sofort wieder abgeschaltet wird, ehe Herzkammerflimmern eintritt.

In besonderen Fällen bildet man auch Netze ganz ohne Erde (IT-System). Hier kann man eine Ader getrost anfassen, denn hierdurch schließt sich noch kein Stromkreis. Auch der Vogel, der sich auf eine 380 kV gegen Erde führende Höchstspannungsleitung setzt, lebt dort froh und wohlgemut, solange er nur diese Leitung und nicht die Erde (oder die benachbarte Leitung) gleichzeitig berührt. Auch Eisenbahnschienen elektrifizierter Strecken darf man ungestraft berühren (solange kein Zug kommt), obwohl hierüber der Strom zurück fließt, den die Lokomotive aus dem Fahrdraht entnimmt.

Grundzüge des Brandschutzes

Bild 12: Ein üblicher Leitungsschutzschalter für die Wohnraum-Installation lässt einen Laststrom von (gut) 16 A zu und kann Ströme bis zu 6000 A abschalten
Bild 12: Ein üblicher Leitungsschutzschalter für die Wohnraum-Installation lässt einen Laststrom von (gut) 16 A zu und kann Ströme bis zu 6000 A abschalten

Elektrizität ist nützlicher und vielseitiger als jede andere Form von Energie, doch sie kann auch brandgefährlich werden. In der Elektrotechnik unterscheidet man zwei verschiedene Gründe, die zu Überhitzung von Stromleitungen führen können. Entsprechend muss in einer Verteilungs-Anlage zweierlei in jeweils den Umständen angemessener Dimensionierung vorgesehen sein:

Schutz bei Kurzschluss

Bild 13: Leitungsschutzschalter bei der Arbeit
Bild 13: Leitungsschutzschalter bei der Arbeit

In der Tagespresse und im alltäglichen Sprachgebrauch wird oft jede Störung der Stromversorgung als »Kurzschluss« bezeichnet. Für uns Elektrofachkräfte ist aber der Kurzschluss nur einer mehrerer möglicher Fehler. Ein Kurzschluss ist, wie der Name sagt und wie in »Grundzüge des Schutzes gegen Stromschlag« beschrieben, ein – in diesem Zusammenhang stets ungewolltes – Vorbeifließen des Stroms an der Last über eine nahezu widerstandslose Abkürzung. Der Strom wird dann fast nur noch durch den inneren Widerstand der speisenden Quelle und die Widerstände des Leitungsnetzes begrenzt, und die sind in der Regel sehr gering. Der Strom steigt also schlagartig auf ein Zig-Faches des Werts an, für den die betroffene Verteilungs-Anlage bemessen ist. Ein Meter üblicher Installationsleitung von 1,5 mm² Leiterquerschnitt hat einen Widerstand von R = 0,012 Ω und ist in der Regel mit einem Strom von I = 16 A belastbar. Die in der Leitung erzeugte Wärmeleistung P errechnet sich dann zu:

P = I² * R = (16 A)² * 0,012 Ω = 3 W.

Je nach Verlegeart (wie gut oder wie schlecht diese Wärme abgeführt werden kann) und Häufungsfaktor (wie viele solcher Adern gemeinsam in einer Trasse liegen) erwärmt diese Wärmeleistung die Leitung von der angenommenen Umgebungstemperatur von 30°C auf die höchstzulässige Dauer-Gebrauchstemperatur von üblicherweise 70°C, also um etwa 40 K. So weit, so gut. Bei einem Kurzschluss direkt an der Steckdose kann der Strom aber auch auf 1000 A ansteigen. Die in einem Meter Leitung freigesetzte Wärmeleistung beträgt dann:

P = I² * R = (1000 A)² * 0,012 Ω = 12000 W = 12 kW!

Hui! Das sind 24 kW/m, wenn man Hin- und Rückweg zusammenrechnet! Ist diese Steckdose 10 m hinter dem Sicherungskasten angeordnet, kommen schon 240 kW zusammen! Dies entspricht einer Leistung, die ausreichen würde, um 20 bis 30 Häuser zu beheizen! Wie lange macht die Leitung das mit?

Mal sehen: Also dieser eine Meter Leitung enthält (Hinweg plus Rückweg) 26 g Kupfer. Die spezifische Wärmekapazität von Kupfer beträgt c = 0,4 Ws/(g*K). Das betreffende Stück Leitung hat also eine Wärmekapazität von gut 10 Ws/K. Es wird sich somit bei einer Wärmebelastung von 24 kW mit einer Geschwindigkeit von etwa 2400 K/s erwärmen! Mit anderen Worten: Nach etwa 0,4 s schmilzt das Kupfer. Nach 0,2 s sind bereits etwa 500°C erreicht. Das dürfte genügen, um die Leitung in ihrem gesamten Verlauf gleichzeitig in Brand zu stecken!

Warum brennen dann so wenige Häuser ab? Schließlich kann ein Kurzschluss nie ganz ausgeschlossen werden. Mit Bedacht sprechen die VDE-Bestimmungen vom »Schutz bei Kurzschluss« und nicht vom »Schutz vor Kurzschluss«, denn diesen kann es nicht geben! Es gilt, einen Schutz aufzubauen, der beim Auftreten eines Kurzschlusses das Eintreten solcher Katastrophen sicher verhindert. Hierzu werden Schmelzsicherungen oder Leitungsschutzschalter (Sicherungsautomaten – Bild 12, Bild 13) eingesetzt. Da dann, wenn ein solches Schutzorgan anspricht, der Kurzschlussstrom bereits in voller Höhe fließt, muss das Gerät also in der Lage sein, diesen starken Strom zu unterbrechen, also abzuschalten. Das Schaltvermögen ist deswegen ein entscheidendes Kriterium bei der Auswahl und Dimensionierung des Schutzes. Wehe, wenn es einem solchen Leitungsschutzschalter, den man für 2,50 € im Baumarkt kaufen kann, einmal nicht gelingen sollte, den Kurzschlussstrom zu unterbrechen! Was dann?

Dann tut es das nächste »stromaufwärts« vorgelagerte Schutzorgan, zumeist eine der drei Sicherungen am Drehstromzähler. Aus Gründen der Selektivität soll diese stets mindestens zwei »Nummern« größer gewählt werden als der nachgeordnete Schutz, da die zulässigen Toleranzbreiten relativ groß sind und jeweils an die Toleranz-Bereiche der nächsten Normgröße stoßen. Ansonsten kann es sein, dass bei einem Fehler in einem Endstromkreis die Vorsicherung unnötigerweise ausgelöst wird, obwohl der Leitungsschutzschalter des Endstromkreises in Ordnung war und ebenfalls »fiel«. Dann wird mehr dunkel als auf Grund des Fehlers nötig gewesen wäre. Die Kunst, dies zu vermeiden, bezeichnet man als Selektivität.

Und wenn die Zählersicherung auch versagt oder eigenmächtig »geflickt«, also überbrückt (kurzgeschlossen) wurde, indem man z. B. ein Metallteil in die Fassung gewürgt hat? Ebenso gut könnte man die Bremsleitungen eines KFZ ansägen – obwohl selbst dieser wahnwitzige Regelverstoß von einer ansonsten ordnungsgemäß aufgebauten Haus-Installation noch abgefangen wird. Im Haus-Anschlusskasten, der üblicherweise an jener Stelle angeordnet ist, wo die Leitung des Netzbetreibers in das Gebäude eintritt, befinden sich nämlich noch einmal 3 Sicherungen von z. B. 63 A Nennstrom oder mehr, je nach Größe des Gebäudes. Diese dreifache Sicherheit ist erforderlich, um unter allen, auch grob fahrlässig herbei geführten Umständen zu vermeiden, dass der Kurzschlussstrom von möglicherweise 1000 A länger als etwa 0,1 s fließt – denn wie oben gezeigt: Danach wird’s schlagartig brenzlig!

Nun kann die Leitung aber auch länger sein. Dann ist ihr Widerstand größer und der Strom im Falle eines Kurzschlusses kleiner – und wenn die Haussicherung beispielsweise mit einem Nennwert von 63 A ausgewiesen ist, heißt dies noch lange nicht, dass sie bei 64 A abschaltet. Selbst einen Strom von fast 100 A wird sie noch nicht notwendigerweise unterbrechen – und wenn, dann erst nach längerer Zeit. Bis dahin brennt der Endstromkreis mit 1,5 mm² Leiterquerschnitt aber schon. Diese Sicherung ist im Prinzip nur zum Schutz des vorgelagerten Erdkabels mit z. B. 16 mm² Querschnitt geeignet; die von dort zum Zähler führende Leitung ist meist mit 6 mm² oder 10 mm² ausgeführt und wird durch die Zählersicherung geschützt.

Fazit: Die Längen der Endstromkreise unterliegen bestimmten Obergrenzen, da es ansonsten im Kurzschlussfall bei gleichzeitigem Versagen des unmittelbar dem Endstromkreis zugeordneten Schutzorgans, womit gerechnet werden muss, unweigerlich zum Brand kommt. Zur Einhaltung der Längen müssen unter Umständen mehr Unterverteilungen eingebaut werden. Alternativ kann für größere Längen ein größerer Querschnitt gewählt werden. Auch wenn es auf den ersten Blick paradox erscheint: Der Kurzschlussstrom muss abgeschaltet werden, weil es sich um einen für die betroffene Anlage viel zu großen Strom handelt. Gleichzeitig ist aber dafür zu sorgen, dass der Strom im Falle eines Kurzschlusses auch groß genug wird, damit der Kurzschlussschutz – und zwar hinreichend schnell – reagiert.

Die durch eine entsprechende Auslegung erreichte Begrenzung der Leiterwiderstände hat im regulären Betrieb auch den Vorteil, dass der Rückgang der Spannung bei Belastung gering bleibt. So wird also nicht das Licht merklich dunkler bzw. heller, wenn sich am selben Stromkreis ein großer Verbraucher ein- oder ausschaltet.

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Schutz vor Überlast

Ein anderes Thema ist der Überlastschutz. Wie viele Geräte kann man denn an einen Stromkreis anschließen, ohne ihn zu überlasten? Was, wenn das doch geschieht?

Oftmals wird hier mit der Anzahl der Geräte argumentiert – »zu viele« an einem Stromkreis. Dabei kommt es überhaupt nicht auf die Anzahl der Geräte an. 2 Waschmaschinen wären schon zu viel, 600 Handy-Ladegeräte dagegen nicht. Der Einsatz der dazu notwendigen Anzahl Tischverteiler ist auch kein elektrisches Problem, sondern vielmehr ein Arsenal von Stolperfallen. Jeder solche Verteiler muss für eine Belastung von 16 A ausgelegt sein, müsste also die gesamte Last allein tragen können, sonst hat man Schund gekauft, gegen den man ggf. mit rechtlichen Schritten vorgehen kann. Dieser Schund lässt sich aber mit einer einzigen Waschmaschine ganz genau so überlasten wie mit 600 Handy-Ladegeräten. Entscheidend ist der in der Summe von allen angeschlossenen Geräten gleichzeitig aufgenommene Strom, und der wird jeweils auf jedem Gerät angegeben. Ist der Strom nicht angegeben, so findet man zumindest die Leistung, die man dann nur noch durch 230 V teilen muss, um auf den Strom zu kommen.

Elektrotechnische »Spitzfindigkeiten« wie Blindleistung kann man im Zusammenhang mit elektrischen Hausgeräten meist vernachlässigen, oder es ist statt der Wirkleistung (in Watt) die Scheinleistung (in VA) angegeben, in der die Blindleistung bereits enthalten ist. Hieraus lässt sich der Strom errechnen.

Der Leitungsschutzschalter ist zum Schutz der Leitung bei Kurzschluss mit einer sehr flinken elektromagnetischen Auslösung versehen (Bild 13), die jedoch nur bei erheblicher Überschreitung des Nennstroms anspricht. Bei einem Hausautomaten z. B., der die Charakteristik B aufweist, wird die magnetische Auslösung erst oberhalb vom 2,5-Fachen des Bemessungsstroms aktiv. Der 16-A-Automat löst also erst ab 40 A magnetisch – das heißt schnell – aus. Darunter schützt die thermische Auslösung die zu schützende Leitung vor Überlastung. Dazu dient ein Bimetallstreifen, der vom Stromdurchgang erwärmt wird.

Bild 14: Leistungs-Aufnahme einer Waschmaschine über einen Waschgang
Bild 14: Leistungs-Aufnahme einer Waschmaschine über einen Waschgang

Doch auch hier gelten relativ weite Toleranzgrenzen. Die Norm gibt vor, dass ein Leitungsschutzschalter zwischen dem 1,1-Fachen und dem 1,45-Fachen des Nennstroms auslösen muss. Tatsächlich können der Schalter und damit die angeschlossene Leitung also mindestens bis 17,6 A belastet werden. Wirklich zwingend kommt es erst ab 23,2 A zur Abschaltung – und auch das kann dauern.

Bei mäßiger Überlastung erwärmt sich das Bimetall nur langsam, was ebenso für die Leitung gilt, und so wird – in Anpassung an die Eigenschaften der Leitung – eine gewisse Überlastung für eine gewisse Zeit zugelassen. Schließlich erwärmt sich auch die Leitung bei geringer Überlast nur langsam, und eine gewisse Reserve ist außerdem vorhanden. Auch würde eine geringfügige Überschreitung der zulässigen Temperatur nicht unmittelbar zu Schäden, Ausfällen oder Gefahren führen, sondern lediglich die Alterung der Leitungen beschleunigen. In der Praxis wird aber davon ausgegangen, dass solch hohe Auslastungen im Haushalt nur selten vorkommen und dann von kurzer Dauer sind.

Davon kann man in der Tat ausgehen, denn was man auf dem Gerät aufgedruckt findet, ist der so genannte Anschlusswert und damit kein Maß für den Energie-Verbrauch, sondern die im bestimmungsgemäßen Betrieb höchstenfalls auftretende Leistungs-Aufnahme, auch wenn diese nur für Sekunden vorkommen sollte. So kann z. B. eine Waschmaschine (Bild 14) durchaus mit einer Leistungs-Aufnahme (einem Anschlusswert) von 3,5 kW ausgewiesen sein, und 3500 W / 230 V = fast 16 A. Für einen Wäschetrockner gilt das Gleiche. Deswegen finden sich in modernen Waschküchen – ab etwa Baujahr 1980 – nicht weniger als drei Stromkreise, die alle separat mit 16 A abgesichert sind: Einer speist nur die eine Steckdose für die Waschmaschine, der zweite nur die eine Steckdose für den Wäschetrockner und der dritte den Rest, also das Licht und alle anderen Steckdosen, sofern vorhanden.

Bild 15: Durchlauf-Erhitzer erwärmen Wasser »in Echtzeit«
Bild 15: Durchlauf-Erhitzer erwärmen Wasser »in Echtzeit«

Das Wohnzimmer wird indes nur von einem einzigen Stromkreis gespeist, denn hieran hängen nur elektrische Lampen und Leuchten, Audio- und Videogeräte, elektrische Uhren und (bislang immer noch weit weniger als 1000) Handy-Ladegeräte. Diese Verbraucher bewegen sich alle im Bereich von 1 W bis höchstens 300 W. Die höchste vorkommende Belastung ist in der Regel der Staubsauger, und der ist da noch »mit drin«.

Dennoch kommt es auch in alten Waschküchen nur selten oder nie zu unliebsamen Abschaltungen, da der Löwenanteil des Stroms, den eine Waschmaschine aufnimmt, für das Heizen benötigt wird, und das Aufheizen des Wassers nimmt nur einen begrenzten Teil des Waschgangs ein. Im Bild ist die Wirkleistung (rot), die für den Energieverbrauch verantwortlich zeichnet, und die Scheinleistung (blau), in der die Blindleistung mit enthalten ist und die für den Betriebsstrom zuständig ist, über einen Vollwaschgang aufgezeichnet. Es zeigt sich, dass diese Maschine sich mit weniger als 2000 W begnügt, doch dafür ist dieses Exemplar auch ziemlich langsam und benötigt volle zwei Stunden für einen Waschgang. Man sieht jedoch, dass kaum jemals »etwas passiert«, wenn zwei solche Geräte an einem gemeinsamen, mit 16 A abgesicherten Stromkreis betrieben werden: Entweder ist der Strom im einen Gerät gerade mäßig, wenn er im anderen groß ist. Vielleicht tritt eine kurze zeitliche Überschneidung auf, aber ehe die Leitung zu warm wird und das Bimetall auslöst … – siehe oben. Oder es handelt sich um zwei »Schleichgang-Waschmaschinen«, die zusammen auch nicht mehr als 4000 VA Scheinleistung aufnehmen, und 4000 VA / 230 V = noch nicht einmal 17,6 A. Oder Sie haben einen Leitungsschutzschalter vom oberen Rand des Toleranzrahmens erwischt, der erst bei 23,2 A auslöst. Dann passiert nie etwas; anderenfalls nur dann, wenn sich nach Jahren durch Zufall einmal eine unwahrscheinliche Konstellation ergibt. Das ist dann kein Fehler, weder ein plötzlich aufgetretener noch ein durch Alterung schleichend entstandener, sondern einfach nur Zufall. Ihre Hauselektrik ist eben so derbe, dass sie alles bisher Vorgekommene mit sich hat machen lassen. Das ist normal und normkonform.

Noch etwas Typisches zeigt das Bild: Der Unterschied zwischen der Wirkleistung und der Scheinleistung, dessen Erklärung an dieser Stelle zu sehr ans Eingemachte ginge, ist nur dann wesentlich, wenn die Leistung gering ist. Solange die Leistung hoch ist, sind die Werte ähnlich. Dies ist charakteristisch für im Haushalt betriebene Geräte. Diejenigen mit einer vierstelligen Leistungs-Aufnahme sind fast ausschließlich Heiz- und Wärmegeräte: Herd, Backofen, Toaster, Grill und dergleichen. Wenn sich zwei Damen ein Hotelzimmer teilen, das üblicherweise mit nur einem 16-A-Stromkreis versorgt wird, und sich gleichzeitig die Haare trocknen, geht das gerade noch. Beim dritten Föhn wird es kritisch – aber ob die drei Haartrockner an drei vom selben Stromkreis gespeisten Steckdosen liefen oder in Ermangelung der zweiten und dritten Steckdose mittels Verteiler an einer einzigen betrieben wurden, bis es dunkel wurde, spielt aus elektrotechnischer Sicht keine Rolle. Die Abschaltung musste so oder so jetzt – nicht früher und nicht später, sondern jetzt – erfolgen, um eine brandgefährliche Situation zu vermeiden. Ob die Damen über ihre Verlängerungsschnüre stolpern und auf diese Art in eine gleichwohl gefährliche Situation geraten, ist eine Frage des Knauserns mit Leitungen und Steckdosen beim Bauen und Renovieren, nicht des elektrischen Schutzes der bestehenden Leitungen.

Die höchste Leistung wird benötigt, wenn man nicht Brot, Haare oder Luft, sondern Wasser anwärmen möchte. Elektrische Durchlauf-Erhitzer (Bild 15), die kein heißes Wasser speichern, sondern es im Moment des Verbrauchs »in Echtzeit« erwärmen, haben Leistungs-Aufnahmen von 18 kW bis 27 kW und benötigen einen separaten Anschluss mit 4 Adern, die je 4 mm² stark und entsprechend höher abgesichert sein müssen, sonst klappt die Sache nicht.

Außerdem findet sich in der Küche eine Herd-Anschlussdose mit drei separat, meist ebenfalls mit jeweils 16 A, abgesicherten Leitungen: Je zwei Kochplatten können eine solche Leitung relativ mühelos voll auslasten, und der Backofen schafft die dritte. Darüber hinaus findet sich noch einmal eine Steckdose mit eigener Leitung für die Spülmaschine, denn deren Lastprofil und Lastspitze gleicht jenem der Waschmaschine.

Diese Elektro-Wärmegeräte stellen aber (fast) alle so genannte ohmsche Verbraucher dar, bei denen Leistung gleich Leistung (also gleich Spannung mal Strom) ist. Die Diskrepanz zwischen Wirk- und Scheinleistung ist typisch für elektronische Geräte, doch deren Leistungs-Aufnahme, so zahlreich sie in einem modernen Haushalt auch vorkommen mögen, ist insgesamt immer noch vergleichsweise gering, weswegen aus Gründen des Leitungsschutzes diese so genannten »nicht linearen« Verbrauchsmittel nicht gesondert betrachtet werden müssen.

Ihr Unwesen treiben sie vielmehr in Bürogebäuden und zum Teil in der Industrie, wo sie noch wesentlich diffizilere Risiken und Nebenwirkungen mit sich bringen. Das ist aber kein Thema für Herzkranke und wird unter EMV ganz detailliert behandelt.