HENGSTLER

Bemessung nach der Isolationskoordination


Die Regeln der Isolationskoordination zur Isolationsbemessung haben in immer mehr Gerätenormen Gültigkeit.
Konstrukteure können damit auf ein ausgezeichnetes Tool zur Lösung spezieller Anforderungen an die elektrische Sicherheit zugreifen. Gestaltungsspielraum besteht z.B. durch die Beeinflussung verschiedener Größen wie Verschmutzungsgrad und Überspannungskategorie.

Inzwischen ist die Überarbeitung der IEC EN 61810-1:2003 (Allgemeine und sicherheitsgerichtete Anforderungen) abgeschlossen und ratifiziert. Damit steht eine Norm zur Verfügung, in welche die Isolationskoordination einbezogen ist (bislang IEC EN 61810-5), ergänzt mit Anforderungen zur Funktionsisolierung, einschließlich Mikro- und Volle Abschaltung. Die Mindestforderungen an die Isolation im Relaisinneren sind gleichfalls festgelegt.



Vorteile für den Relaisanwender

Geräteentwickler können ein Relais in Zukunft als definierte „Black Box“ behandeln. Der Relaishersteller stellt über die Beschreibung der Isolationsart zwischen den Anschlüssen (unter Angabe der Einflussgrößen) alle erforderlichen Daten. Beispiel: Basisisolierung bis 230/400 VAC, bei V 2, Ü III.

Die Qualität des Isolierstoffes (Isolierstoffgruppe) ist durch die geometrischen Angaben zu den Abständen zwischen den Anschlüssen einbezogen.
Die Eignung eines Relais wird bestimmt durch die betroffene Gerätenorm und die Norm, die den Einbau in eine Anlage regelt. Bei einer durchgängig einheitlichen Bemessungsregel, ist ein Anschluss an die IEC EN 618101:2003 gegeben.

Um die Isolationsbemessung anforderungskonform durchführen zu können, müssen die erforderliche Isolationsart und die entscheidenden Einflussgrößen festgelegt sein.
Die Isolation ist in folgende Arten unterteilt:
  • Funktionsisolierung (F-I)
  • Basisisolierung (B-I)
  • Zusätzliche Isolierung (Z-I)
  • Doppelte Isolierung (D-I)
  • Verstärkte Isolierung (V-I)


Grundlagen zur Bemessung

Relais werden häufig als Schnittstelle verwendet, typischerweise betrieben mit einer Kleinspannung (SELV oder PELV). Die Kontakte schalten Nieder- oder Kleinspannung. Falls das Relais mit mehr als einem Kontakt ausgestattet ist, kommen für die einzelnen Stromkreise auch unterschiedliche Potentiale vor.

Klicken Sie hier, um Bemessungsbeispiele für unterschiedliche Anforderungen, Tabellen zur Auswirkung der Überspannungskategorie, der Isolierstoffgruppe und des Verschmutzungsgrads auf das Bemessungsergebnis zu öffnen.

Wichtige Einflussgrößen zur Bemessung

  • Verschmutzungsgrad
    Der Verschmutzungsgrad (V) bestimmt vorzugsweise die erforderliche Kriechstrecke der Isolierung. Standardvorgabe ist der Verschmutzungsgrad 2 (siehe z.B. EN 50178).
    Diese Standardvorgabe ist sinnvoll, da sich bei höherem Verschmutzungsgrad die erforderliche Kriechstrecke – besonders deutlich bei Leiterplatten - verlängert.
    Ist eine Einsatzumgebung nach V 3 [Feuchtigkeit] vorhanden, so kann die Einwirkung auf das Relais und andere Bauteile z.B. durch ein geeignetes Gehäuse gemindert werden. Im Gehäuse selbst bzw. für die Leiterplatte kann dann V 2 – mit reduzierten Kriechstrecken – angewendet werden.


  • Überspannungskategorie
    Die Überspannungskategorie (Ü) bestimmt die erforderliche Luftstrecke der Isolierung. Ü III gilt als Standardvorgabe (EN 50178). Besondere Sorgfalt ist hier in Verbindung mit Gerätenormen notwendig, da z.B. für bestimmte Geräte die Ü II als Standard vorgegeben ist.
    Dies schließt nicht aus, dass die Relaiskontakte der Schnittstelle – stromkreisabhängig – gemäß Ü III ausgeführt sein müssen.
    In derartigen Fällen gilt: Die Isolation zwischen den, vom Gerät erfassten, zu den nicht erfassten Stromkreisen, wird immer für Ü III bemessen.


  • Isolation zwischen Kontakten
    Bei Relais mit mehreren Kontakten können die einzelnen Kontakte unterschiedliche Stromkreise schalten. Die Isolation zwischen den Kontakten ist dementsprechend zu gewährleisten.
    Anmerkung: Eine universelle Verwendbarkeit wäre durch eine doppelte (verstärkte) Isolierung (D/VI) ermöglicht.


  • Funktionsisolierung
    Innerhalb eines Stromkreises ist typischerweise Funktionsisolierung in Verbindung mit Mikroabschaltung erforderlich. Basisisolierung mit Kontaktabstand gleich Luftstrecke wird dann vorgegeben, wenn eine Volle Abschaltung verlangt ist.

    Generell gilt für den Mittenabstand zwischen den Relaisanschlüssen, dass dieser größer sein muss, als der Mindestabstand für die geforderte Isolation.
    Typisch wäre z.B. ein Aufmass von 2 mm als Lötaugendurchmesser.[Anmerkung: Die Bemessungstabelle 1 zeigt, dass dieser Zuschlag teilweise durch die reduzierbaren Kriechstrecken auf der Leiterplatte gegeben ist; die genannten 2 mm verringern sich entsprechend].

    Allgemein gilt, dass eine Luftstrecke nicht kleiner als eine Kriechstrecke sein kann. Wo die Bemessung eine solche Konstellation ergibt, ist der Wert der Luftstrecke ausschlaggebend.


Zusammenfassung

Die Isolationskoordination ermöglicht eine weitergehende Miniaturisierung.
Um diese Chance auszuschöpfen, ist eine genaue Kenntnis der Einflussgrößen und der gestellten Anforderungen zwingend. Mit der zunehmenden Übernahme der Regeln der Isolationskoordination in das Normenwerk und der IEC EN 618101:2003 verbessert sich die Situation. Die deutschen Relaishersteller haben sich frühzeitig auf die geänderten Anforderungen eingestellt und sind dementsprechend gewappnet, die Produkte damit zeitgemäß. Auch zusätzliche Anforderungen an eine Funktionsisolierung stellen kein Problem dar, da hier in der Vergangenheit in der Regel die Bemessung wie für eine Basisisolierung durchgeführt wurde.

Ralph Eberhard Kirsch





ANHANG

Funktionsisolierung (F-I), früher auch Betriebs-Isolierung genannt
Isolierung zwischen leitenden Teilen, die nur für die bestimmungsgemäßen Funktionen des Betriebsmittels nötig ist.
Keine Anforderungen an die Luft- und Kriechstrecken
Achtung: Einige Gerätenormen weichen hiervon ab
Keine Anforderung an die Dicke der festen Isolierung
Anforderung an die Spannungsfestigkeit

Basisisolierung (B-I)
Isolierung unter Spannung stehender Teile, zum grundlegenden Schutz gegen gefährliche Körperströme.
Anforderungen an die Luft- und Kriechstrecken
Keine Anforderung an die Dicke der festen Isolierung
Anforderung an die Spannungsfestigkeit

Zusätzliche Isolierung (Z-I)
Isolierung, unabhängig und zusätzlich zur Basis-Isolierung, die den Schutz gegen gefährliche Körperströme im Falle eines Versagens der Basis-Isolierung sicherstellt.
Anforderungen an die Luft- und Kriechstrecken
Anforderung an die Dicke der Isolierung
Keine Anforderungen an die Dicke der festen Isolierung
Achtung: Einige Gerätenormen weichen hiervon ab
Anforderung an die Spannungsfestigkeit

Doppelte Isolierung (D-I)
Isolierung, die aus Basis-Isolierung und zusätzlicher Isolierung besteht.
Anforderungen an die Luft- und Kriechstrecken
Anforderung an die Dicke der Isolierung
Keine Anforderungen an die Dicke der festen Isolierung
Achtung: Einige Gerätenormen weichen hiervon ab
Anforderung an die Spannungsfestigkeit

Verstärkte Isolierung (V-I)
Einzige Isolierung, die den gleichen Schutz gegen gefährliche Körperströme bietet, wie eine doppelte Isolierung.
Damit ist nicht ausgesagt, daß eine verstärkte Isolierung homogen sein muss. Sie kann aus mehreren Lagen bestehen, die jeweils nicht als Basis- oder zusätzliche Isolierung geprüft werden.
Anforderungen an die Luft- und Kriechstrecken
Anforderung an die Dicke der Isolierung
Keine Anforderung an die Dicke der festen Isolierung
Achtung: Einige Gerätenormen weichen hiervon ab.
Anforderung an die Spannungsfestigkeit

Mikroumgebung
Die Mikro-Umgebung ist die unmittelbare Umgebung der Isolierung, die im besonderen die Bemessung der Kriechstrecken beeinflusst.

Verschmutzungsgrad (V)
Der Verschmutzungsgrad ist ein Zahlenwert, der die zu erwartende Verschmutzung der Mikro-Umgebung angibt.
Verschmutzungsgrad 1: Es tritt keine oder nur trockene, nicht leitfähige Verschmutzung auf. Die Verschmutzung hat keinen Einfluss.
Verschmutzungsgrad 2: Es tritt nur nicht leitfähige Verschmutzung auf; gelegentlich muss jedoch mit vorübergehender Leitfähigkeit durch Betauung gerechnet werden.
Verschmutzungsgrad 3: Es tritt leitfähige Verschmutzung auf oder trockene, nicht leitfähige Verschmutzung, die leitfähig wird, da Betauung zu erwarten ist.

Kriechstromfestigkeit
Kriechstromfestigkeit ist die Widerstandsfähigkeit gegen elektrochemische und thermische Einwirkungen gegen die Bildung von Kriechspuren - Widerstandsfähigkeit gegen Kriechspurbildung (CTI - comperativ tracking index).
PTI Spezifizierter Zahlenwert der Prüfspannung in Volt, bei dem der Werkstoff 50 Auftropfungen der Prüflösung ohne Kriechstrombildung widersteht
CTI Ermittelter Zahlenwert der höchsten Prüfspannung in Volt, bei dem der Werkstoff 50 Auftropfungen der Prüflösung ohne Kriechstrombildung widersteht

Isolierstoffgruppe
Isolierstoffgruppe ist ein Zahlenwert, dem eine Kriechstromfestigkeit (CTI) zugeordnet ist.

Überspannungskategorie (Ü)
Zahlenwert, der eine Steh-Stossspannung festlegt. Es werden die Kategorien I, II, II und IV unterschieden. Als Standard wird die Kategorie III unterstellt.



ANMERKUNG:
Die nachstehende Beschreibung der Überspannungskategorien dient der Orientierung. Die tatsächlich zutreffende Überspannungskategorie ist der für die Anwendung der Relais gültigen Produktnorm zu entnehmen.
Überspannungskategorie I gilt für solche Geräte, die zum Anschluss an die feste elektrische Installation eines Gebäudes bestimmt sind, wobei (entweder in der festen Installation oder dem Gerät) Maßnahmen zur Begrenzung der transienten Über-spannungen auf den betreffenden Wert getroffen worden sind.
Überspannungskategorie II gilt für solche Geräte, die zum Anschluss an die feste elektrische Installation eines Gebäudes bestimmt sind.
Überspannungskategorie III gilt für solche Geräte, die Bestandteil der festen Installation sind, und an-dere Geräte, bei denen ein höherer Grad der Verfügbarkeit erwartet wird.
Überspannungskategorie IV gilt für Geräte für den Einsatz an oder in der Nähe der Einspeisung in die elektrische Installation von Gebäuden, und zwar von der Hauptverteilung aus in Richtung zum Netz hin gesehen.

Kleinspannung PELV
Kleinspannung, die einen Effektivwert bei Wechselspannung von AC 25 V oder bei Gleichspannung einen Wert von DC 60 V (ober-schwingungsfrei) zwischen Leitern und einem beliebigen Leiter und Erde in einem Stromkreis, der vom Netz getrennt und mit Erd(Schutz-)Leiter verbunden ist, nicht überschreitet.

Kleinspannung SELV
Kleinspannung, mit verminderten Spannungswerten), die einen Effektivwert der Wechselspannung von 25 V oder bei Gleichspannung einen Wert von 60 V (oberschwingungsfrei) zwischen Leitern in einem Stromkreis, der vom Netz und Erde isoliert ist, nicht überschreitet
Sie ist eine ungeerdete, galvanisch vom Netz sicher getrennte Kleinspannung mit einfacher Trennung zur Erde und ohne Vorkehrungen zur Erdung. Es darf keine Verbindung zu aktiven Teilen anderer Stromkreise bestehen.

Niederspannung (LV)
Eine Spannung oberhalb AC 50 V bzw. DC 120 V (bis 1.000 V).

Bemessungsisolationsspannung (BIS)
Zur Bemessung von Isolation der Nennspannung des Versorgungssystems zugeordneter Spannungswert.
Die Nennspannung kann L-E (Leiter-Erde) oder L-L (Leiter-Leiter) sein.

Mikroabschaltung
Angemessene Kontaktöffnung in mindestens einem Kontakt, um Funktionssicherheit zu liefern.
ANMERKUNG: Es gibt für die Kontaktöffnung eine Anforderung für die Spannungsfestigkeit, aber keine für die Abmessungen.

Volle-Abschaltung
Kontaktöffnung zur Trennung von Leitern, um eine der Basisisolierung gleichwertige Isolierung zwischen denjenigen Teilen zu liefern, die abgeschaltet werden.
ANMERKUNG Es gibt Anforderungen für Spannungsfestigkeit und Abmessungen.

Im Web publiziert - 11/2003

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