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[Eaton Bussmann Sicherungen Technischer Leitfaden]

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AC-Sicherung in DC-Stromkreisen: Kann eine Wechselstromsicherung für Gleichstrom verwendet werden?

Sicherungen spielen eine entscheidende Rolle für die elektrische Sicherheit. Sie schützen Stromkreise und elektrische Geräte vor Überströmen und Kurzschlüssen. Allerdings ist die Auswahl der richtigen Sicherung genauso wichtig wie ihre fachgerechte Installation.

Eine häufig gestellte Frage von Elektrikern, Elektroingenieuren und Technikern lautet: Kann eine AC-Sicherung (Wechselstromsicherung) auch in einem DC-Stromkreis (Gleichstromkreis) verwendet werden?

Obwohl AC- und DC-Sicherungen ähnlich aussehen und grundsätzlich dieselbe Schutzfunktion erfüllen, unterscheiden sie sich hinsichtlich ihrer elektrischen Eigenschaften und ihrer Fähigkeit zur Lichtbogenlöschung.

Der Einsatz einer ausschließlich für Wechselstrom ausgelegten Sicherung in einem Gleichstromkreis kann erhebliche Sicherheitsrisiken verursachen. Dazu gehören anhaltende Lichtbögen, Schäden an elektrischen Geräten und im schlimmsten Fall Brandgefahr.

In diesem Artikel erfahren Sie, wie AC- und DC-Sicherungen funktionieren, worin ihre wichtigsten Unterschiede bestehen, warum Wechselstromsicherungen nicht automatisch für Gleichstromanwendungen geeignet sind und worauf Sie bei der Auswahl der richtigen Sicherung achten sollten.

1. Was ist eine elektrische Sicherung?

Eine elektrische Sicherung ist eine Schutzvorrichtung, die den Stromfluss unterbricht, wenn in einem Stromkreis ein Überstrom oder Kurzschluss auftritt.

Eine herkömmliche Schmelzsicherung enthält einen metallischen Schmelzleiter, durch den unter normalen Betriebsbedingungen elektrischer Strom fließt. Überschreitet die Stromstärke einen bestimmten Wert, erwärmt sich der Schmelzleiter übermäßig und schmilzt schließlich. Dadurch wird der Stromkreis unterbrochen.

Zu den wichtigsten Aufgaben einer elektrischen Sicherung gehören:

• Schutz elektrischer Geräte vor Überströmen.

• Vermeidung von Schäden durch Kurzschlüsse.

• Verringerung der Brandgefahr.

• Schutz von Leitungen, Kabeln und empfindlichen Bauteilen.

• Zuverlässige Unterbrechung fehlerhafter Stromkreise.

Sicherungen werden in zahlreichen Bereichen eingesetzt, darunter Haushaltsinstallationen, gewerbliche Gebäude, industrielle Anlagen, Fahrzeuge, Photovoltaikanlagen, Batteriespeichersysteme und Stromverteilungsanlagen.

Allerdings ist nicht jede Sicherung für jede elektrische Anwendung geeignet. Bei der Auswahl müssen insbesondere die Bemessungsspannung, der Bemessungsstrom, das Ausschaltvermögen und die Stromart berücksichtigt werden.

2. Der Unterschied zwischen AC- und DC-Strom

Bevor wir uns mit der Verwendung von AC-Sicherungen in DC-Stromkreisen beschäftigen, sollten wir zunächst den grundlegenden Unterschied zwischen Wechselstrom und Gleichstrom verstehen.

Was ist AC (Wechselstrom)?

AC steht für „Alternating Current“ und bezeichnet elektrischen Wechselstrom.

Bei Wechselstrom ändern sich die Stromrichtung und der momentane Stromwert regelmäßig. In den meisten europäischen Stromnetzen beträgt die Frequenz 50 Hz.

Das bedeutet, dass der Strom innerhalb einer Sekunde 50 vollständige Perioden durchläuft.

Eine wichtige Eigenschaft von Wechselstrom ist, dass der Strom bei jeder Periode regelmäßig den Nulldurchgang erreicht.

Dieser natürliche Nulldurchgang erleichtert die Unterbrechung des Stromflusses und die Löschung eines entstehenden Lichtbogens.

Was ist DC (Gleichstrom)?

DC steht für „Direct Current“ und bezeichnet elektrischen Gleichstrom.

Im Gegensatz zum Wechselstrom fließt Gleichstrom kontinuierlich in eine Richtung. Er besitzt keinen periodischen Nulldurchgang wie Wechselstrom.

Typische Anwendungen von Gleichstrom sind:

• Photovoltaikanlagen und Solarsysteme.

• Batteriespeicher und Energiespeichersysteme.

• Elektrofahrzeuge.

• Telekommunikationsanlagen.

• Industrielle Gleichstromversorgungen.

• Elektronische Steuerungs- und Regelungssysteme.

Da Gleichstrom keinen natürlichen periodischen Nulldurchgang besitzt, ist das sichere Unterbrechen eines DC-Stromkreises technisch anspruchsvoller.

Dieser Unterschied ist einer der wichtigsten Gründe, weshalb bei Gleichstromanwendungen spezielle Anforderungen an die Auswahl von Sicherungen gelten.

3. Kann eine AC-Sicherung in einem DC-Stromkreis verwendet werden?

Eine AC-Sicherung ist nicht automatisch für den Einsatz in einem DC-Stromkreis geeignet.

Ob eine Wechselstromsicherung auch für Gleichstrom verwendet werden kann, hängt von ihrer spezifischen DC-Bemessungsspannung, ihrem Ausschaltvermögen, ihrer Bauweise und den Herstellerangaben ab.

Einige Sicherungen sind sowohl für AC- als auch für DC-Anwendungen zugelassen. Andere wurden ausschließlich für den Wechselstrombetrieb entwickelt.

Entscheidend ist, ob die Sicherung den möglichen Fehlerstrom sicher unterbrechen und den dabei entstehenden Lichtbogen zuverlässig löschen kann.

Eine Sicherung kann beispielsweise eine Bemessungsspannung von 600 V AC und eine separate DC-Bemessungsspannung von 300 V DC besitzen. Dies ist lediglich ein vereinfachtes Beispiel. Die tatsächlichen Werte hängen von der jeweiligen Sicherungskonstruktion ab.

Deshalb gilt:

Die AC-Bemessungsspannung darf nicht automatisch als DC-Bemessungsspannung betrachtet werden.

Prüfen Sie vor der Verwendung immer das technische Datenblatt und die Freigaben des Herstellers.

4. Warum ist die Verwendung einer AC-Sicherung in einem DC-Stromkreis gefährlich?

Die größte technische Herausforderung bei der Verwendung einer AC-Sicherung in einem DC-Stromkreis ist die zuverlässige Lichtbogenlöschung.

Um dieses Problem besser zu verstehen, betrachten wir zunächst, was beim Auslösen einer Sicherung passiert.

Wie unterbricht eine Sicherung einen Stromkreis?

Unter normalen Betriebsbedingungen fließt der Strom durch den Schmelzleiter, ohne dass dieser schmilzt.

Kommt es zu einer Überlastung oder einem Kurzschluss, läuft folgender Vorgang ab:

1. Ein übermäßig hoher Strom fließt durch den Schmelzleiter.

2. Die Temperatur des Schmelzleiters steigt an.

3. Der Schmelzleiter erreicht seinen Schmelzpunkt.

4. Das Metall schmilzt und der Strompfad wird unterbrochen.

5. Zwischen den getrennten Enden kann ein elektrischer Lichtbogen entstehen.

6. Die Sicherung muss diesen Lichtbogen löschen, um den Stromfluss sicher zu unterbrechen.

Die Fähigkeit zur Lichtbogenlöschung ist entscheidend für die sichere Funktion einer elektrischen Sicherung.

Warum ist die Lichtbogenlöschung bei Wechselstrom einfacher?

Bei einem Wechselstromkreis erreicht der Strom während jeder vollständigen Periode zweimal den Wert null.

Bei einer Frequenz von 50 Hz geschieht dies 100-mal pro Sekunde.

Erreicht der Strom seinen Nulldurchgang, sinkt die Energieversorgung des Lichtbogens vorübergehend ab. Dadurch kann der Lichtbogen leichter erlöschen.

Geeignete AC-Sicherungen sind so konstruiert, dass sie diesen Vorgang unterstützen und eine erneute Lichtbogenbildung verhindern.

Warum ist die Lichtbogenlöschung bei Gleichstrom schwieriger?

Bei Gleichstrom gibt es keinen periodischen Nulldurchgang.

Wenn der Schmelzleiter einer Sicherung in einem DC-Stromkreis schmilzt, kann zwischen den getrennten Enden weiterhin ein Lichtbogen bestehen bleiben.

Der Grund dafür ist, dass der Gleichstrom kontinuierlich in dieselbe Richtung fließt und den Lichtbogen weiterhin mit Energie versorgen kann.

Wird dieser Lichtbogen nicht ordnungsgemäß gelöscht, können folgende Probleme auftreten:

• Übermäßige Wärmeentwicklung.

• Beschädigung des Sicherungsgehäuses.

• Ausfall elektrischer Geräte.

• Anhaltende Lichtbogenbildung.

• Erhöhte Brandgefahr.

• Schäden an benachbarten elektrischen Komponenten.

DC-Sicherungen werden deshalb speziell für die sichere Unterbrechung von Gleichstrom entwickelt.

Ihre Konstruktion, die verwendeten Lichtbogenlöschmaterialien und ihre Abmessungen werden auf die jeweiligen Spannungs- und Ausschaltanforderungen abgestimmt.

Aus diesem Grund sollte eine ausschließlich für AC zugelassene Sicherung niemals ohne vorherige Prüfung ihrer DC-Eignung in einem Gleichstromkreis eingesetzt werden.

5. AC-Sicherung vs. DC-Sicherung: Die wichtigsten Unterschiede

Obwohl AC- und DC-Sicherungen grundsätzlich dieselbe Schutzfunktion erfüllen, bestehen wichtige Unterschiede hinsichtlich ihrer Konstruktion und ihrer Betriebseigenschaften.

Wichtig ist, dass das äußere Erscheinungsbild einer Sicherung nicht darüber entscheidet, ob sie für AC- oder DC-Anwendungen geeignet ist.

Maßgeblich sind ausschließlich die technischen Spezifikationen und die vom Hersteller angegebenen Einsatzbedingungen.

6. Verschiedene Arten von AC- und DC-Sicherungen

Sicherungen sind in unterschiedlichen Bauformen erhältlich, um den Anforderungen verschiedener elektrischer Systeme gerecht zu werden.

Gängige Arten von AC-Sicherungen

AC-Sicherungen werden häufig in privaten, gewerblichen und industriellen Elektroinstallationen eingesetzt.

Zu den wichtigsten Typen gehören:

1. Zylindersicherungen

Zylindersicherungen besitzen einen Schmelzleiter, der sich in einem isolierenden Gehäuse befindet. Sie werden häufig in elektrischen Verteilungen, Steuerungsschränken und Industrieanlagen verwendet.

2. NH-Sicherungen und Hochleistungssicherungen

NH-Sicherungen gehören zu den wichtigen Schutzkomponenten industrieller Stromverteilungssysteme. Sie verfügen über ein hohes Ausschaltvermögen und können hohe Fehlerströme sicher unterbrechen, sofern sie für die jeweiligen Betriebsbedingungen ausgelegt sind.

3. Schmelzdrahtsicherungen

Diese Sicherungen verwenden einen austauschbaren Schmelzdraht, der bei einem zu hohen Stromfluss schmilzt und dadurch den Stromkreis unterbricht.

4. HH-Sicherungen

HH-Sicherungen werden insbesondere in Mittelspannungsanlagen eingesetzt. Sie dienen dem Schutz elektrischer Betriebsmittel vor Kurzschlussströmen.

Gängige Arten von DC-Sicherungen

DC-Sicherungen werden speziell für Gleichstromanwendungen ausgewählt, bei denen eine zuverlässige Stromunterbrechung und Lichtbogenlöschung erforderlich sind.

Zu den wichtigsten Typen gehören:

1. DC-Zylindersicherungen

Diese Sicherungen sind für die sichere Unterbrechung von Gleichstrom ausgelegt. Sie werden beispielsweise in Batteriesystemen, industriellen DC-Anlagen und Stromversorgungssystemen eingesetzt.

2. Kfz-Sicherungen

Kfz-Sicherungen schützen elektrische Fahrzeugstromkreise vor Überlastungen und Kurzschlüssen. Sie sind in unterschiedlichen Bauformen und Stromstärken erhältlich.

3. Photovoltaik-Sicherungen

PV-Sicherungen schützen Solarmodule, Modulstränge und weitere DC-Komponenten einer Photovoltaikanlage vor unzulässig hohen Fehlerströmen.

Sie sind speziell auf die elektrischen Anforderungen von Photovoltaiksystemen abgestimmt.

4. Batteriesicherungen

Batteriesicherungen schützen Energiespeichersysteme vor Überströmen und Kurzschlüssen.

Dabei müssen insbesondere die DC-Bemessungsspannung und das Ausschaltvermögen auf die Eigenschaften des Batteriesystems abgestimmt sein.

5. Halbleiterschutzsicherungen

Halbleiterschutzsicherungen sind für besonders schnelle Abschaltvorgänge ausgelegt. Sie schützen empfindliche elektronische Leistungskomponenten wie Wechselrichter, Gleichrichter und Stromrichter.

7. Wie wählt man die richtige Sicherung für einen DC-Stromkreis aus?

Die Auswahl der richtigen DC-Sicherung ist entscheidend für die elektrische Sicherheit und den zuverlässigen Betrieb einer Anlage.

Bei der Auswahl sollten die folgenden Faktoren berücksichtigt werden.

1. DC-Bemessungsspannung

Die DC-Bemessungsspannung der Sicherung muss mindestens der maximalen Betriebsspannung des Stromkreises entsprechen.

Wird eine Sicherung mit einer zu niedrigen Spannungsbemessung verwendet, kann sie den Stromkreis im Fehlerfall möglicherweise nicht sicher unterbrechen.

2. Bemessungsstrom

Der Bemessungsstrom gibt an, welchen Strom eine Sicherung unter festgelegten Betriebsbedingungen dauerhaft führen kann, ohne auszulösen.

Die Auswahl sollte sich nach folgenden Faktoren richten:

• Normaler Betriebsstrom des Stromkreises.

• Belastbarkeit der verwendeten Leitungen.

• Eigenschaften des angeschlossenen Verbrauchers.

• Anwendbare elektrische Normen.

• Betriebsbedingungen der Anlage.

Eine Sicherung sollte niemals ausschließlich anhand des Nennstroms eines angeschlossenen Geräts ausgewählt werden.

3. Ausschaltvermögen

Das Ausschaltvermögen bezeichnet den maximalen Fehlerstrom, den eine Sicherung bei ihrer angegebenen Spannung sicher unterbrechen kann.

Dieser Wert ist besonders bei DC-Anwendungen mit Batterien und Energiespeichersystemen wichtig, da dort sehr hohe Kurzschlussströme auftreten können.

Das Ausschaltvermögen der Sicherung muss ausreichend hoch sein, um den am Einbauort möglichen Kurzschlussstrom sicher zu unterbrechen.

4. Zeit-Strom-Kennlinie

Unterschiedliche elektrische Anwendungen erfordern unterschiedliche Auslösezeiten.

Einige Geräte erzeugen beispielsweise beim Einschalten kurzzeitig hohe Einschaltströme. Eine zu schnell auslösende Sicherung könnte deshalb unnötig abschalten.

In solchen Anwendungen können Sicherungen mit träger Auslösecharakteristik sinnvoll sein.

Für empfindliche Halbleiterbauteile werden dagegen häufig besonders schnell auslösende Sicherungen benötigt.

Die Zeit-Strom-Kennlinie muss daher zur jeweiligen Anwendung passen.

5. Betriebstemperatur

Die Umgebungstemperatur beeinflusst das Betriebsverhalten einer Sicherung und ihre Strombelastbarkeit.

Hohe Umgebungstemperaturen können dazu führen, dass eine Sicherung bereits bei niedrigeren Stromwerten auslöst.

Deshalb sollten bei der Auswahl auch die Temperatur-Derating-Angaben des Herstellers berücksichtigt werden.

6. Anwendbare Normen und Zertifizierungen

Wählen Sie ausschließlich Sicherungen, die den relevanten Normen und Zertifizierungsanforderungen der jeweiligen Anwendung entsprechen.

Dadurch wird sichergestellt, dass die Sicherung für die angegebenen Betriebsbedingungen geprüft wurde.

8. Wo werden DC-Sicherungen eingesetzt?

DC-Sicherungen sind wichtige Schutzkomponenten in zahlreichen modernen Energie- und Elektrosystemen.

Zu ihren wichtigsten Anwendungsbereichen gehören:

Photovoltaikanlagen

Photovoltaikanlagen erzeugen Gleichstrom. DC-Sicherungen schützen beispielsweise PV-Strings und weitere Komponenten auf der Gleichstromseite vor unzulässig hohen Fehlerströmen.

Batteriespeichersysteme

Batteriespeicher benötigen geeignete DC-Sicherungen, um Batteriemodule, elektrische Verbindungen und angeschlossene Komponenten vor Überströmen und Kurzschlüssen zu schützen.

Elektrofahrzeuge

Elektrofahrzeuge verfügen über Hochvoltbatterien und elektrische Antriebssysteme. DC-Sicherungen schützen die entsprechenden Stromkreise und Komponenten vor gefährlichen Fehlerströmen.

Telekommunikationsanlagen

Telekommunikationssysteme verwenden häufig Gleichstromversorgungen und Batterie-Backup-Systeme. Zuverlässige DC-Sicherungen sind daher ein wichtiger Bestandteil ihrer elektrischen Schutzkonzepte.

Industrielle Anlagen

In industriellen Anwendungen kommen unter anderem Gleichstrommotoren, Stromrichter, Steuerungssysteme und weitere elektrische Betriebsmittel zum Einsatz.

Diese Systeme benötigen geeignete DC-Schutzkomponenten, um einen sicheren und zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten.

In allen diesen Anwendungen müssen die DC-Bemessungsspannung und das Ausschaltvermögen der Sicherung auf die jeweiligen elektrischen Anforderungen abgestimmt sein.

9. Häufig gestellte Fragen zu AC-Sicherungen in DC-Stromkreisen

Frage 1: Kann eine AC-Sicherung mit Gleichstrom betrieben werden?

Eine AC-Sicherung kann nur dann in einem DC-Stromkreis verwendet werden, wenn der Hersteller eine entsprechende DC-Bemessungsspannung und ein ausreichendes Ausschaltvermögen für die jeweilige Anwendung angibt.

Eine reine AC-Bemessung garantiert keine sichere Verwendung in Gleichstromkreisen.

Frage 2: Warum unterscheiden sich AC- und DC-Sicherungen?

Der wichtigste Unterschied liegt in der Lichtbogenlöschung.

Bei Wechselstrom erreicht der Strom regelmäßig den Nulldurchgang. Dadurch kann ein entstehender Lichtbogen leichter erlöschen.

Bei Gleichstrom fehlt dieser periodische Nulldurchgang. Deshalb müssen DC-Sicherungen speziell für die sichere Unterbrechung von Gleichstrom ausgelegt sein.

Frage 3: Was passiert, wenn man eine AC-Sicherung in einem DC-Stromkreis verwendet?

Wird eine ausschließlich für Wechselstrom ausgelegte Sicherung außerhalb ihrer zulässigen DC-Betriebsbedingungen verwendet, kann sie den Fehlerstrom möglicherweise nicht sicher unterbrechen.

Ein anhaltender Lichtbogen kann zu starker Wärmeentwicklung, Schäden an elektrischen Geräten und im schlimmsten Fall zu einem Brand führen.

Frage 4: Haben DC-Sicherungen einen Plus- und Minuspol?

Die meisten herkömmlichen Schmelzsicherungen sind nicht polaritätsabhängig und können in beiden Einbaurichtungen verwendet werden.

Bei speziellen Schutzgeräten können jedoch bestimmte Einbaurichtungen vorgeschrieben sein.

Beachten Sie deshalb immer die Installationshinweise des Herstellers.

Frage 5: Kann eine DC-Sicherung in einem AC-Stromkreis verwendet werden?

Eine DC-Sicherung kann auch für bestimmte AC-Anwendungen geeignet sein, wenn ihre technischen Spezifikationen die entsprechende AC-Spannung, den Betriebsstrom und die erforderlichen Abschaltbedingungen ausdrücklich abdecken.

Eine Eignung sollte jedoch niemals allein aufgrund der DC-Bemessungsspannung angenommen werden.

Frage 6: Ist die Spannungsangabe einer Sicherung wichtig?

Ja. Die Bemessungsspannung ist ein entscheidendes Auswahlkriterium.

Sie gibt an, unter welchen Spannungsbedingungen die Sicherung den Stromkreis sicher unterbrechen kann.

Die Sicherung muss für die jeweilige Stromart eine ausreichende Bemessungsspannung besitzen.

Frage 7: Warum benötigen DC-Stromkreise einen besonderen Lichtbogenschutz?

Bei Gleichstrom gibt es keinen natürlichen periodischen Nulldurchgang.

Deshalb kann ein Lichtbogen nach dem Schmelzen des Sicherungsleiters weiterhin bestehen bleiben.

Speziell entwickelte DC-Sicherungen verfügen über geeignete Konstruktionen und Löschmechanismen, um den Lichtbogen zuverlässig zu unterbrechen.

10. Fazit: Ist eine AC-Sicherung für DC-Stromkreise geeignet?

Die Verwendung einer AC-Sicherung in einem DC-Stromkreis erfordert eine sorgfältige Prüfung der elektrischen Bemessungswerte und der Abschaltfähigkeit.

Obwohl AC- und DC-Sicherungen grundsätzlich dieselbe Schutzfunktion erfüllen, unterscheiden sie sich erheblich hinsichtlich ihrer Fähigkeit, Fehlerströme sicher zu unterbrechen.

Da Gleichstrom keinen natürlichen periodischen Nulldurchgang besitzt, ist die Lichtbogenlöschung technisch anspruchsvoller. Deshalb ist die Auswahl einer Sicherung mit geeigneter DC-Bemessungsspannung, passendem Bemessungsstrom und ausreichendem Ausschaltvermögen besonders wichtig.

Ob in Photovoltaikanlagen, Batteriespeichersystemen, Elektrofahrzeugen oder industriellen DC-Anlagen: Die technischen Herstellerangaben müssen vor dem Einbau einer Sicherung sorgfältig geprüft werden.

Die wichtigste Regel lautet: Gehen Sie niemals davon aus, dass eine AC-Sicherung automatisch für DC-Anwendungen geeignet ist. Verwenden Sie ausschließlich Sicherungen, deren technische Spezifikationen für den vorgesehenen Gleichstromkreis ausgelegt sind.