Funktionskleinspannung mit sicherer Trennung

Als Kleinspannung, umgangssprachlich auch Niedervolt oder Schwachstrom, werden in der Elektrotechnik Wechselspannungen bis 50 Volt Effektivwert und Gleichspannungen bis 120 Volt bezeichnet. Sie ist ein Teilbereich der Niederspannung. Die europäische Niederspannungsrichtlinie gilt daher auch für den oberen Bereich der Kleinspannung, nämlich Wechselspannungen über 50 Volt Effektivwert und Gleichspannungen über 75 Volt.

Es wird unterschieden zwischen:

SELV (Safety Extra Low Voltage)

Symbol Schutzklasse III (SELV)

Symbol für sichere elektrische Trennung

SELV (früher „Schutzkleinspannung“) ist eine kleine elektrische Spannung, die aufgrund ihrer geringen Höhe und der Isolierung im Vergleich zu Stromkreisen höherer Spannung besonderen Schutz gegen einen elektrischen Schlag bietet.

Mit SELV betriebene Geräte, die selbst keine höheren Spannungen erzeugen, werden gemäß DIN EN 61140 (VDE 0140-1) mit der Schutzklasse III bezeichnet.

Die Spannung ist so klein, dass elektrische Körperströme im Normalfall ohne Folgen bleiben. Die Spannungsquelle kann entweder ein Generator sein, zum Beispiel ein Fahrraddynamo, oder eine Batterie.
Andernfalls müssen besondere Anforderungen an die Isolierung gegenüber netzspannungsführenden Teilen (z. B. Primärwicklung eines Transformators) eingehalten werden, die als sichere Trennung bezeichnet werden.
Bei SELV-Spannungsquellen gemäß EN 60960 ist kein Schutzleiter vorhanden. Metallische Gehäuse dürfen nicht geerdet werden.

Netz-Transformatoren zur Erzeugung von SELV müssen z. B. so gebaut werden, dass ein Kurzschluss zwischen Primärwicklung und Sekundärwicklung sowie deren Anschlüssen nicht möglich ist. Die Wicklungen können nur dann übereinander liegen, wenn dazwischen eine doppelte oder verstärkte Isolierung liegt. Diese Trennung wird als galvanische Trennung bezeichnet. Oft werden die Wicklungen über- oder nebeneinander in getrennten Isolierstoffkammern untergebracht. Solche Transformatoren mit sicherer elektrischer Trennung werden als Sicherheitstransformatoren (EN 62558-2-6 gemäß VDE-Verlag) bezeichnet.

Die Prüfspannung (Bemessungsstoßspannung) hängt von der Überspannungskategorie und der Nennspannung des Stromversorgungssystems ab (IEC EN 60664-1, Tabelle 1; Fachgrundnorm). So beträgt diese im Falle der Überspannungskategorie II für einen einphasigen Anschluss an einem 230V-Wechselstromnetz (Spannung Leiter-Neutralleiter zwischen 150 und 300V) 2,5kV. Bei der doppelten Isolation müssen beide Basisisolationen dieser Bemessungsstoßspannung standhalten. Häufiger wird für die sichere Trennung die verstärkte Isolierung verwendet. Dabei wir die Bemessungsstoßspannung eine Klasse höher angesetzt, das sind im genannten Beispiel 4kV (IEC EN 60664-1, Tabelle 1).

Mit der o. g. Bemessungsstoßspannung und dem Verschmutzungsgrad kann die erforderliche Mindestluftstrecke für die sichere Trennung (SELV) ermittelt werden (IEC EN 60664-1, Tabelle 2). Es wird dabei empfohlen, die Bedingung inhomogenes Feld auszuwählen. Im o. g. Beispiel ergeben sich dabei 3mm (Stoßspannung 4kV, inhomogenes Feld, Verschmutzungsgrad 2).

Die Mindestkriechstrecken für die elektrische Trennung werden mit Hilfe der Tabellen 3a, 3b und 4 der IEC EN 60664-1 ermittelt. Dazu wird neben der Kenntnis der o. g. Arbeitsspannung (im o. g. Beispiel Klasse bis 250V) und des o. g. Verschmutzungsgrades auch die Kenntnis der Isolierstoffgruppe benötigt (z. B. Isolation im Trafo, CTI-Wert). Diese beträgt im o. g. Beispiel 1,8 mm (IG II, 250V, Verschmutzungsgrad 2). Für die sichere Trennung (SELV) muss dieser Wert verdoppelt werden (im Beispiel nun 3,6mm).

Ist die Nennspannung bei Wechselspannung kleiner als 25 V beziehungsweise bei Gleichspannung kleiner als 60 V, so erübrigt sich bei SELV ein Schutz gegen direktes Berühren. Beispiele sind Kleinspannungs-Halogenglühlampen (z. B. Seilsysteme) oder Modelleisenbahn-Transformatoren.
Ist die Spannung höher, muss ein Schutz gegen direktes Berühren sichergestellt werden, zum Beispiel durch Isolierung, Abdeckungen oder Umhüllungen.

Bekannte Quellen von SELV sind Batterien sowie Klingeltransformatoren und Trafos für die Modelleisenbahn sowie Netzteile in Geräten der Schutzklasse II (z. B. Steckernetzteile oder Ladegeräte).

Bei Kinderspielzeug darf eine Wechselspannung nicht 50 V, sondern maximal 24 V betragen.

Bei Arbeiten in engen Räumen und gefährdeten Bereichen zum Beispiel im Innern von Kesseln und Tanks ist für Elektro-Handgeräte u. a. eine Schutzkleinspannung von 42 V üblich.

PELV (Protective Extra Low Voltage)

PELV (Schutzkleinspannung, früher „Funktionskleinspannung mit sicherer Trennung“) bietet ebenfalls Schutz gegen elektrischen Schlag. Sie wird in EN 50178 behandelt.

Aktive Teile und Körper der Betriebsmittel müssen jedoch im Gegensatz zu SELV geerdet und mit dem Schutzleiter verbunden sein.

Sichere Trennung bedeutet wie bei SELV-Spannungsquellen, dass der Primärstromkreis von Netz-Transformatoren vom Sekundärstromkreis durch eine doppelte oder verstärkte Isolierung getrennt sein muss. Für die Ermittlung der erforderlichen Bemessungsstoßspannungen sowie der Mindestkriech- und Luftstrecken gilt das im Kapitel "SELV" besagte.

PELV wird eingesetzt, wenn aus betrieblichen Gründen aktive Leiter der Kleinspannung oder die Körper der Betriebsmittel geerdet werden müssen. Das ist beispielsweise der Fall, wenn man einen Potentialausgleich zur Vermeidung von Funkenbildung in Behältern und explosionsgefährdeten Räumen realisieren muss.
Ein weiteres Beispiel sind Audiogeräte und -verstärker, bei denen die Gehäuse aus Gründen der Abschirmung von Störungen geerdet sein müssen. Die Erdung dient hier nicht als Schutzmaßnahme bzw. Schutzerdung, sondern der Funktion. Dementsprechend bezeichnet man sie als Funktionserdung.

Durch die Gehäuseerdung können unabhängig von der Kleinspannung gefährliche Ableitströme über den Körper fließen, wenn Störungen an anderen Geräten oder Einrichtungen auftreten, bei denen deren berührbare leitfähige Teile Netzspannung annehmen.

FELV (Functional Extra Low Voltage)

FELV (früher „Funktionskleinspannung ohne sichere Trennung“) ist eine kleine elektrische Spannung, die hinsichtlich ihrer Höhe an sich keine Gefahr beim Berühren darstellt, ihre Erzeugung beinhaltet jedoch keine Schutzmaßnahmen, die im Fehlerfall Gefahren ausschließen.
Doppelte oder verstärkte Isolierungen sind hier nicht vorgesehen.
Erdungen und Verbindungen der Stromkreise mit Schutzleitern sind zulässig. Gehäuse und Körper müssen mit dem Schutzleiter der Primärseite verbunden sein.

Typische Anwendungen sind Steuerungen von Maschinen.

Um den Schutz gegen direktes Berühren gewährleisten zu können muss die Isolierung entsprechend der Nennspannung des Primärstromkreises der Stromquelle gewählt werden oder wahlweise auch durch Abdeckungen oder Umhüllungen (Abdeckungen oder Umhüllungen sind dafür bestimmt, das Berühren aktiver Teile zu verhindern). Die Körper der Betriebsmittel des FELV-Stromkreises müssen mit dem Schutzleiter des Primärstromkreises der Stromquelle verbunden werden. (DIN VDE 0100-410)

Die Erdung des Sekundärkreises kann jedoch bei Masseschlüssen zur Selbsteinschaltung von Schützen führen. In nicht geerdeten Sekundärkreisen sind dagegen doppelte Körper- oder Erdschlüsse nötig (zum Beispiel vor und hinter den Schaltgeräten), um Selbsteinschaltung hervorzurufen. Ein Körperschluss oder Erdschluss spannungsführender Leiter führt jedoch bei geerdetem Sekundärkreis zu einer Abschaltung der Überstromschutzorgane, sodass auch ein einzelner Fehler erkannt werden kann.

Bei der Konstruktion von Maschinen muss daher zwischen diesen Fällen abgewogen werden.

Literatur

• DIN VDE 0100 Teil 470 (1992-10) zurückgezogen; Ersetzt durch DIN VDE 0100 Teil 410 (2007-06) [1]