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„Welche Schutzart gilt für Nordamerika?“

IP, NEMA oder UL type rating – das ist hier die Frage. Die richtige Auswahl für Anwendungen in Nordamerika muss gut begründet sein. Was man unbedingt wissen sollte:

  • IP-Schutzarten werden nach der internationalen Norm IEC 60529 mit zwei Kennziffern und gegebenenfalls weiteren ergänzenden Buchstaben für Gehäuse elektrischer Betriebsmittel angegeben und weltweit – wo nordamerikanische Standards nicht gelten – genutzt.
  • Für den nordamerikanischen Raum werden oft die NEMA-Schutzarten gefordert, die nicht 1:1 auf das IP-System übertragbar sind. Sowohl die Prüfungen als auch die Bezeichnungen bzw. Kennzeichnungen unterscheiden sich deutlich.
  • Für den Einsatz in Nordamerika benötigen Produkte meistens die UL-Approbation (z.B. Industrial Control Panel nach UL 508 A), bei der für Leergehäuse wiederum das UL type rating im Vordergrund steht, das auch im Typenschild wiedergegeben ist.

UL type rating und NEMA type rating sind nahezu identisch, da die NEMA-Festlegungen Grundlage für die entsprechenden UL-Prüfungen sind. Die NEMA-Angabe liegt in Herstellerverantwortung, die UL-Angabe wird unabhängig geprüft. Das heißt: Für Gehäuse, die nicht ausdrücklich für den nordamerikanischen Markt verwendet werden sollen und für die keine UL-Approbation gefordert wird, sind die IP- und NEMA-Angaben richtig. Für Gehäuse mit geforderter UL-Approbation – gleich für welchen Aufstellort – ist das UL type rating richtig.

Weitere Tipps und Tricks

Diese Frage wird von Maschinen- und Anlagenbauern oft gestellt. Etwa dann, wenn elektrische Komponenten im Schaltschrank auf Hutprofilschienen, die z. B. auf Montageplatten befestigt sind, aufgerastet werden.

DIN EN 61439-1/-2 und DIN EN 60204-1 geben die Antwort. Danach werden elektrisch leitende Konstruktionsteile als Teil der Schutzleiterverbindung nur dann zugelassen, wenn die Grundanforderungen der dauerhaft, gut leitenden und ausreichend stromtragfähigen Verbindung gegeben sind. Sind diese erfüllt, kann die Tragschiene über ihre Befestigung mit dem großflächigen Kontakt auf einer metallisch blanken Montageplatte, oder auch über die Befestigungsmittel (Haltewinkel, Distanzbolzen, etc.) bei einer Befestigung am Schranksystem (Gerüst, Ausbauschienen, etc.) ausreichend mit dem Schutzleiter verbunden sein. Dabei bedeuten:

  • dauerhaft: Die Kontaktstellen sind unter mechanischen Belastungen gegen Lösen gesichert und gegen Oxidation/Korrosion geschützt
  • gut leitend: Ein gemessener Widerstandswert zwischen dem Kontakt der Komponente auf der Hutschiene und dem Schutzleiteranschlusspunkt des äußeren Schutzleiters beträgt < 0,1 Ohm
  • ausreichend stromtragfähig: Muss im Kontakt-/Verbindungsquerschnitt einem erforderlichen separaten Kupfer-Schutzleiter entsprechen

Bei dieser Frage bringen Anlagenbauer oft allein die Schutzart IP 55 oder höher ins Spiel. Doch dabei bleiben andere wichtige Aspekte leicht außer Acht.

Grundsätzlich gilt: IP-Schutzarten werden nach der internationalen Norm IEC 60529 mit zwei Kennziffern und gegebenenfalls weiteren ergänzenden Buchstaben für Gehäuse elektrischer Betriebsmittel angegeben. Doch die Norm beschreibt Laborprüfungen, die nicht alle denkbaren Anwendungsfälle von elektrischen Betriebsmitteln exakt abbilden können.

Insbesondere sind langzeitige Witterungseinflüsse wie Schlagregen oder Eisbildung nicht berücksichtigt. Neben dem Schutz gegen Eindringen von Staub und Feuchtigkeit ist auch der Korrosionsschutz zu beachten. D. h. besondere Beschichtungen oder der Einsatz von Edelstahl können angebracht sein. Ein weiterer wichtiger Gesichtspunkt ist die Auslegung der Klimatisierung, um einem erhöhten Kondensat-Risiko oder einer direkten Sonneneinstrahlung als zusätzlicher Wärmebelastung zu begegnen.

Fazit: Gehäuse, die nicht ausdrücklich für den Außeneinsatz beschrieben sind, sind für diesen Anwendungsfall nicht grundsätzlich ausgeschlossen. Doch die Bedingungen, unter denen ein Einsatz im Freien möglich ist, sowie weitere sinnvolle „Ertüchtigungs“-Maßnahmen – wie beschrieben – müssen mit dem Hersteller geklärt werden.

Diese Frage stellt sich oft, wenn Steuerungen und Energieverteilungen in Schaltschränken mit den unterschiedlichsten Geräten und Komponenten bestückt werden sollen.

Bei Niederspannungs-Schaltgerätekombinationen erfolgt der Aufbau typischerweise mit Montageplatten. Dabei gilt es, nicht nur Sicherheitsgesichtspunkte, sondern auch funktionale Risiken wie Klimatisierung und EMV bei der Planung zu berücksichtigen. Dies ist insbesondere bei der Anwendung leistungselektronischer und steuerungs-/kommunikationstechnischer Baugruppen von Bedeutung, die über Schutz- und Schaltgeräte von einem Sammelschienensystem versorgt werden.

Gerade die Hersteller solcher Baugruppen stellen in ihren Montage- und Betriebsanleitungen häufig recht genaue Anforderungen an die Platzierung und Abstände zu anderen Baugruppen. Solchen Vorgaben ist unbedingt Folge zu leisten, damit in einem Stör- oder Schadensfall auch die Gewährleistungsansprüche bestehen.

Daher ist es, besonders bei vorgegebenen Platzverhältnissen etwa an einer kompakten Maschine, umso wichtiger, den Innenraum eines Schaltschrankes über eine breite Zubehörpalette von Montage-Systemteilen möglichst gut ausnutzen zu können.

Der feste oder schwenkbare Einbau von 19-Zoll-basierten Geräten sollte ebenso unterstützt werden, wie der Aufbau weiterer Montageebenen mittels Teilmontageplatten. Diese lassen sich seitlich im Schrank oder vor die Hauptmontageplatte schwenk- oder kippbar anordnen.

Entsprechende Abstände zur Vermeidung von Wärmenestern oder zur Verringerung elektromagnetischer Beeinflussungen sind damit leicht zu realisieren. Darüber hinaus ermöglichen metallisch blanke, korrosionsgeschützte und elektrisch leitfähige Zubehörteile für die EMV – über die Direktkontaktierung der Befestigung – einen sehr guten Potenzialausgleich von Gerätegehäusen, Kabelschirmen und ggf. EMV-Filtergehäusen.

Auch sehr schwere Einbauten, die nicht auf der Montageplatte befestigt werden können, sollten durch entsprechende Lastaufnahme-Einbauteile einfach und sicher auf dem Schaltschrankboden oder am horizontalen Rahmenprofil bei Gerüstschränken abgestützt werden können.

So lautet eine häufig gestellte Frage an Rittal, wenn Schaltschränke in unterschiedlichsten Anwendungen aufgestellt werden sollen. Zur Beantwortung sind drei wesentliche Einsatzfälle zu unterscheiden: erstens der Transport des Schaltschranks zum Aufstellort, zweitens die Gewährleistung der dortigen Sicherheit bzw. Befestigung und drittens die Zuführung der Kabel in den Schaltschrank. Diese drei Anwendungsfälle haben unmittelbaren Einfluss auf die Auswahl der notwendigen Zubehörteile. Schon hier zeigt sich, dass eine breite Palette an Aufstellhilfen gefordert ist, um praktisch für jeden Anwendungsfall eine Lösung zu erhalten.

Einsatzfall „Transport“

Muss ein Schaltschrank per Kran angehoben und weiterbewegt werden, ist kein Sockel erforderlich. Muss ein Schaltschrank per Stapler- oder Hubwagen transportiert werden, ist ein Sockel sinnvoll, sofern eine modulare Konstruktion aus tragfähigen Eckstücken sowie separaten Blenden vorliegt und der Schrankrahmen die Last aufnehmen kann.

Einsatzfall „Standsicherheit“

Ist eine möglichst starre Befestigung am Boden notwendig, um auch Schwingungs- und Schockbelastungen sicher entgegenzuwirken, wird auf einen Sockel verzichtet und der Schrankrahmen direkt am Boden verschraubt oder gar verschweißt. Alternativ gibt es Sonderformen zur mechanischen Entkopplung (Schwingungsdämpfer und Schockabsorber) oder zur besonders starren Verbindung mit dem Untergrund (z.B. Erdbebensockel).

Einsatzfall „Kabelzuführung“

Ist die Kabelzuführung im Aufstellbereich ohne Bodenkanäle erforderlich, wird der Sockel zwangsläufig notwendig. Durch modulare Konstruktion und mit geeignetem Zubehör kann der Sockel die Kabelführung unter Schrankreihen unterstützen sowie die mechanische Zugentlastung bereits außerhalb des geschützten Raumes ermöglichen. Außerdem bietet der Sockel dann auch Raum für eine möglicherweise erforderliche Überlängenablage der Kabel – die im Übrigen aus EMV-Gründen nicht ring- sondern mäanderförmig gestaltet werden sollte. Neben einem geschlossenen Sockel (durchaus mit perforierten Blenden zur Unterstützung der Schrankbelüftung in sauberen Umgebungen) können bei unebenen Böden auch Nivellierfüße – für sich oder mit dem Sockel kombiniert eine sinnvolle Ergänzung darstellen.

So oder ähnlich lautet eine Frage an Rittal, die immer wieder in heißen Sommermonaten oder im Zusammenhang mit der Schaltschrankaufstellung in tropischen Ländern gestellt wird. Grundlegende Bedenken bestehen dabei meist im Hinblick auf eine Kondenswasserbildung im Schrank und deren Folgen.

Bei der Beantwortung spielen drei wesentliche Aspekte eine Rolle: die Temperaturdifferenz zwischen der Soll-Innentemperatur und der maximalen Umgebungstemperatur (Muss unter die Umgebungstemperatur gekühlt werden?), die Betriebszeit des elektrischen Systems im Schrank (Gibt es Zeiten mit komplett ausgeschaltetem, elektrischem System?) und der Schutz des elektrischen Systems gegen Umgebungsbedingungen (Ist eine hohe Schutzart erforderlich?)

Meist beginnt die Antwort auf solche Fragen mit „Ja, aber ...“.

Wenn die Soll-Schrankinnentemperatur deutlich unter der Umgebung liegt, muss eine Kühlung bereitgestellt werden. Wird dann der Schaltschrank geöffnet, kann sich auf einzelnen Baugruppen oder Bauteilen, die etwa durch ein Kühlgerät kalt angeströmt werden, sofort Kondensat bilden.

Bei komplett ausgeschaltetem, elektrischem System kann sich durch schnellen Temperaturabfall in der Umgebung bei guter Schrankabdichtung (IP 55) Kondensat an den Innenflächen des Schranks bilden und sich im Bodenbereich sammeln.

Zur Vermeidung von Kondensat-Problemen im Schrank gibt es dementsprechend verschiedene Strategien:

  • Wärmeabführung durch aktive Belüftung mit der Akzeptanz einer mindestens 5°C höheren Innentemperatur
  • Ausreichende “Aufwärmzeit“ vor Öffnung der Tür nach Abschaltung der aktiven Kühlung
  • Einsatz einer „Stillstandsheizung“, die die Innentemperatur immer ausreichend über der Umgebungstemperatur hält und so die Wandbetauung verhindert

Ein weiterer Aspekt ist die Kondensbildung an Außenflächen durch eine zu stark herabgekühlte Innentemperatur mit dem Risiko von Korrosionsbildung an beschädigten Beschichtungen.

Die optimale Lösung zur Vermeidung der genannten Probleme lässt sich nur auf der Grundlage einer genauen Erfassung der jeweiligen Anforderungen bestimmen.

Dies ist zwar eine eher seltene Frage an Rittal, doch sie kommt von Zeit zu Zeit immer wieder auf, wenn es um Energieverteiler mit Leiterströmen > 200 A geht.

Für die punktuelle Erwärmung von Betriebsmitteln im Schaltschrank kommen unterschiedliche Ursachen in Frage. Bei Strom führenden Bauteilen, wie Leitern Klemmen, Schutz- und Schaltgeräten etc. sind häufig schlechter Kontakt, zu dichte Packung im Schrank, unzureichende Wärmeabgabeflächen oder schlichtweg falsche Dimensionierung (am Belastbarkeitslimit) der Grund dafür, dass die Strom-Wärmeverluste zu „Hot-Spots“ und in der Folge zu Isolationsschäden mit Kurzschlussfolge oder zu Brandauslösung führen.

Was kann aber die Ursache sein, wenn passive mechanische Bauteile wie beispielsweise die Flanschplatte eines Kompaktschaltschrankes oder die Befestigungstraversen eines Sammelschienensystems bei Infrarotinspektionen durch übermäßige Temperaturen auffallen?

In der wichtigen Norm für den Schaltschrankbauer, der DIN EN 61439-1, findet sich ein Hinweis im Unterpunkt 10.10.4 „Bauart Nachweis der Erwärmung ... durch Begutachtung“.

Dabei ist darauf zu achten, dass Leiter, die Ströme über 200 A tragen, und benachbarte Konstruktionsteile so angeordnet sind, dass Wirbelströme und Hystereseverluste minimiert werden. Hier werden die Effekte des Magnetfeldes, das jeden fließenden Strom umgibt, angesprochen. Dieses Magnetfeld steht senkrecht zur Stromrichtung und kann in leitenden Materialien Wirbelströme sowie Ummagnetisierung und eine damit einhergehende starke lokale Wärmeentwicklung verursachen.

In der Praxis bedeutet das, dass bei räumlich getrennter Führung von Hin- und Rückleitern (nicht als Kabel) z.B. in Form von Basis isolierten Einzelleitern oder Sammelschienen, die Abstände möglichst gering zu halten sind. Zudem sind Befestigungsteile und metallische Flächen, durch die solche Leiter senkrecht zur Fläche geführt werden, möglichst dünn und aus schlechter leitendem Material oder gar aus Isolierstoff auszuwählen.

Kabel, bei denen die Leiter sehr kompakt miteinander geführt werden, weisen Magnetfeld-Effekte nicht auf, da zu jedem Zeitpunkt die Summe der hin und rücklaufenden Ströme gleich ist. Da die Richtung der Magnetfelder dieser Teilströme entgegengesetzt verläuft, werden sie dadurch weitgehend kompensiert. Somit kommt es nicht oder nur in unmerklichem Ausmaß zur Wirbelstrom- und Ummagnetisierungserwärmung.

Eine „Dauerbrenner-Frage“ zum Thema EMV-gerechter Schaltschrank ist die Kabelschirmkontaktierung bzw. „-erdung“. Denn der Einsatz geschirmter Kabel ist heute sowohl im Schaltschrank als auch nach außen zu Betriebsmitteln eine unabdingbare Voraussetzung, die Verfügbarkeit eines leistungs-, steuerungs- und kommunikationstechnischen Systems in einer elektromagnetisch belasteten Umgebung sicher zu stellen.

Vereinfacht ausgedrückt soll der Kabelschirm ungewollte Abstrahlungen aus dem System ebenso wie Einstrahlungen in das System verhindern. Dieser Aufgabe kann er aber nur gerecht werden, wenn er an seinen Ein- und Austrittsstellen von Gehäusen auch mit diesen optimal elektrisch leitend verbunden ist (sofern die Gehäuse aus elektrisch leitendem Material sind). Ziel ist, ein komplett schirmendes Gebilde aus Schaltschrank, Kabelschirm und Komponentengehäuse zu erhalten.

Wenn als Komponentengehäuse bspw. ein Motoranschlussgehäuse aus Isolierstoff verwendet wird, sollte der Kabelschirm an diesem Ende (über das Klemmbrett) mit dem Motorengehäuse verbunden werden. Handelt es sich bei dem Gegengehäuse um ein Isolierstoffgehäuse bspw. eines Sensors, sollte der Kabelschirm dort wenn möglich an einer leitenden Struktur der Anlage mit dem Bezugspotenzial verbunden werden.

Auf der Schaltschrankseite sind möglichst alle geschirmten Kabel auf einer Seite des Schrankes optimal mittels EMV-Kabelverschraubungen leitend mit der Einbaufläche zu verbinden – damit ist auch ein optimaler Potenzialausgleich der Kabelschirme untereinander gegeben.

Können keine geeigneten EMV-Verschraubungen eingesetzt werden, sollten die Kabelschirme möglichst nahe an der Ein-/Austrittstelle über eine geeignete Kombination aus Schirmschiene und Kontaktschellen verbunden werden. Wichtig ist, dass dieses mit möglichst großer Kontaktfläche leitend miteinander und mit einem kurzen Geflecht-Erdungsband von der Schiene zur Montageplatte geschieht. Zu beachten ist zudem, dass die Schirmkontaktierung von der mechanischen Zugentlastung des Kabels getrennt ausgeführt sein muss.

Da es anlagenbedingt auch zu größeren Strömen auf dem Kabelschirm kommen kann, sollte auf ausreichende Stromtragfähigkeit geachtet werden. Metallische Kontaktsysteme sind dabei gegenüber leitend beschichteten Kunststoffsystemen im Vorteil.