Brandschutzschalter AFDD

Achtung: elektrischer Strom ist lebensgefährlich! Zum Arbeiten an elektrischen Anlagen sind Fachkenntnisse und eine spezielle Ausbildung erforderlich.  Ich übernehme keine Haftung für die Korrektheit meiner Beiträge. Auch für Sach- oder Personenschäden, die durch das Arbeiten an elektrischen Anlagen entstehen können, übernehme ich keine Haftung!

In einem Stromkreisverteiler sind eine Vielzahl an Schutzeinrichtungen vorhanden. Die geläufigsten Varianten dürften Leitungs- sowie Fehlerstromschutzschalter sein, deren Funktion und Aufbau in separaten Abschnitten auf dieser Webseite bereits ausführlich erläutert wurden.
In einigen Neubauten ist möglicherweise ein weiterer Schutzschalter zu finden. Gemeint ist hiermit die Fehlerlichtbogenschutzeinrichtung, die oft auch als Brandschutzschalter bezeichnet wird.
Doch wieso ist eine weitere Schutzeinrichtung erforderlich und wovor schützt sie eigentlich?
Diese und weitere wichtige Fragen sollen in diesem Artikel geklärt werden.

Zahlen und Statistiken

Laut Deutschem Feuerwehrverband wurden in der Vergangenheit jährlich zwischen 150.000 und 200.000 Brandeinsätze gemeldet.

Einsätze_Feuerwehr

Gemäß der Brandursachenstatistik des „Instituts für Schadenverhütung und Schadenforschung der öffentlichen Versicherer“ ist zu entnehmen, dass allein im vergangenen Jahr 2018 31% der untersuchten und ausgewerteten Brände elektrischen Ursprungs waren. Von 2002 bis 2018 sind sogar 32% und damit knapp ein Drittel der Brände auf Elektrizität als Ursache zurückzuführen.

Brandursachen

Mehr als die Hälfte dieser Brände wurde hierbei durch Elektrogeräte verursacht, dicht gefolgt von der Elektroinstallation mit 27%.

Brandursache_Elektrizitaet

Dabei wird oft angenommen, dass die bisherigen Maßnahmen bereits einen ausreichenden Brandschutz gewährleisten.
So bieten etwa Leitungsschutzschalter bereits seit Jahren einen effektiven Schutz vor Überlast sowie Kurzschluss, während die Gefahren von Fehlerströmen durch Fehlerstromschutzeinrichtungen eingedämmt werden.

Arten von Fehlerlichtbögen

Eine weitere, oft unterschätzte Gefahr geht jedoch von Fehlerlichtbögen aus. Diese können vielseitige Ursachen haben und in unterschiedlicher Form auftreten. So unterscheidet man grundsätzlich zwischen parallelen und seriellen Fehlerlichtbögen.

Ein paralleler Lichtbogen kann etwa zwischen einem Außenleiter und dem Schutzleiter bzw. einem geerdeten Bauteil auftreten. Er liegt somit parallel zu einem elektrischen Betriebsmittel.
Sofern der elektrische Widerstand, in Wechselstromkreisen wird dieser auch als Impedanz bezeichnet, nicht ausreichend klein bzw. niederohmig ist (niederohmig: geringer Widerstandswert gemäß der Einheit Ohm), was in der Praxis häufig der Fall ist, wird hier eine Überstromschutzeinrichtung, wie etwa ein Leitungsschutzschalter, nicht auslösen.
Eine Fehlerstromschutzeinrichtung kurz RCD würde jedoch schon bei geringen Fehlerströmen von wenigen Milliampere (je nach RCD z.B. < 30mA) den Stromkreis abschalten. Daher werden Fehlerstromschutzeinrichtung oft auch als Brandschutzmaßnahme z.B. mit einem Bemessungsdifferenzstrom von 300mA eingesetzt, wo eine RCD mit einem üblichen Bemessungsdifferenzstrom von 30mA nicht explizit gefordert ist.

Ein paralleler Fehlerlichtbogen kann ebenso zwischen Außenleiter und Neutralleiter auftreten. Eine RCD kann hier keinen Schutz bieten, da kein Strom über den Schutzleiter oder geerdete Bauteile abfließen kann. Für das Ansprechen der Überstromschutzeinrichtung muss auch hier eine ausreichend niederohmige Impedanz (sprich ein Kurzschluss) vorliegen, woraus ein entsprechend hoher Stromfluss resultiert. Nur dann wird durch eine kurze Abschaltzeit die Energie an der Fehlerstelle auf ein ungefährliches Limit begrenzt. Ein Leitungsschutzschalter allein würde somit nur einen eingeschränkten Brandschutz bieten.

Die größte Gefahr geht jedoch von einem seriellen Fehlerlichtbogen aus, da hier weder eine Überstrom- noch eine Fehlerstromschutzeinrichtung auslösen würde. In diesem Fehlerfall tritt ein Lichtbogen im Außenleiter oder im Neutralleiter in reihe bzw. seriell zum elektrischen Verbraucher auf. Somit wird der Stromfluss durch den Verbraucher selbst begrenzt, sodass weder eine Überlast noch ein Kurzschluss vorliegt, bei denen ein Leitungsschutzschalter ansprechen würde. Auch ein Fehlerstrom tritt nicht auf, weshalb ebenfalls ein Fehlerstromschutzschalter nicht auslöst.

In allen genannten Fehlerfällen kann die Fehlerlichtbogenschutzeinrichtung, durch frühzeitiges Erkennen und Abschalten des betroffenen Stromkreises, einen erweiterten Schutz vor einem Brand bieten und stellt somit eine Ergänzung zu den etablierten Schutzmaßnahmen dar.

Fehlerlichtboegen

Ursache von seriellen Fehlerlichtbögen

Insbesondere ein serieller Fehlerlichtbogen kann vielseitige Ursachen haben. So sind oft Leitungsbrüche oder beschädigte Leiter, z.B. durch mechanische Beanspruchung wie zu enge Biegeradien, Quetschungen oder unsachgemäße Handhabung, die Ursache für Fehlerlichtbögen. Ebenfalls schlechte Kontakt- und Klemmstellen, etwa durch gelöste Schraubverbindungen, sind eine häufige Fehlerquelle.
Dass es sich hierbei grundsätzlich nicht um eine rein theoretische Problematik handelt zeigen beispielhaft zwei Bilder aus der Praxis.

Fehlerfaelle

So ist links die verschmorte Anschlussleitung eines Föns zu sehen, die auf einen seriellen Fehlerlichtbogen schließen lässt, welcher durch einen Kabelbruch in einer Ader verursacht wurde.
Das rechte Bild zeigt eine verschmorte Anschlussklemme eines Leitungsschutzschalters. Auch wenn die genaue Fehlerursache in diesem Fall viele Gründe haben kann, ist oft eine lose Schraubverbindung (und damit verbundene Fehlerlichtbögen) die Ursache.

Ursache von parallelen Fehlerlichtbögen

Parallele Fehlerlichtbogen beruhen hingegen in erster Linie auf beschädigter Isolierung zwischen Leitern die beispielsweise durch Nägel und Schrauben, Nagetiere oder Umwelteinflüsse (UV-Strahlung / Temperaturschwankungen) verursacht werden können.
Auch der Alterungsprozess von Isolationsmaterialien sollte nicht unterschätzt werden, wie diese gealterte Gummischlauchleitung eindrucksvoll zeigt.

Gummischlauchleitung

Während der äußere Mantel noch weitestgehend unbeschadet ist, offenbart ein Lenksschnitt, dass die Aderisolierung mit der Zeit völlig porös geworden ist.

Bezeichnung AFCI, AFDD und AFD-Einheit

In weiten Teilen Nordamerikas ist daher eine Fehlerlichtbogenschutzeinrichtung bereits vorgeschrieben und wird hier als „Arc Fault Circuit Interrupter“ (kurz AFCI) vertrieben.
Im europäischen Raum ist hingegen die Bezeichnung „Arc Fault Detection Device“ (kurz AFDD) geläufig.
Hierbei wird grundsätzlich zwischen „AFD-Einheit“ und „AFDD“ als eigenständige Geräte unterschieden. So bietet die „AFD-Einheit“ keine eigene Abschaltvorrichtung und wird daher in der Regel mit einer weiteren Schutzeinrichtung, wie etwa einem Leitungsschutzschalter oder einem kombinierten FI/LS-Schalter (auch RCBO genannt), verbunden.
Ein „AFDD“ besitzt hingegen neben der „AFD-Einheit“ intern eine eigene Abschaltvorrichtung und verfügt zudem meist über einen Leitungsschutzschalter als weitere Schutzeinrichtung. Somit kann der Schutz vor Kurzschlüssen, Überlastungen und Fehlerlichtbögen mit nur einem Schutzgerät pro Stromkreis in der Verteilung realisiert werden.

AFDD_und_AFD

Normen und Vorschriften

Hinweis: Mit der Änderung der Norm sind seit Oktober 2019 viele vorgeschriebene Einbauorte in Empfehlungen umgewandelt worden. Konkrete und aktuelle Informationen hierzu finden sich in der neuesten Norm.

Nach der DIN VDE Norm 0100-420 (vom Februar 2016) sind AFDDs grundsätzlich nur in einphasigen Endstromkreisen mit einem Bemessungsstrom bis 16A vorzusehen.
Folgende Räume müssen demnach bei Neuerrichtung, Erweiterung oder Änderung mit einer Fehlerlichtbogenschutzeinrichtung abgesichert werden:

  • Schlaf- oder Aufenthaltsräume von Heimen oder Tageseinrichtungen für Kinder behinderte oder alte Menschen
  • Schlaf- oder Aufenthaltsräumen von barrierefreien Wohnungen (nach DIN 18040-2)
  • Räume oder Orte:
    • mit einem Feuerrisiko durch verarbeitete oder gelagerte Materialien (wie z.B. Scheunen, Papierfabriken oder Werkstätten zur Holzbearbeitung)
    • mit (hauptsächlich) brennbaren Baustoffen
    • mit Gefährdungen für unersetzbare Güter (wie z.B. Museen, Galerien oder Baudenkmäler)

Empfohlen wird der Einsatz grundsätzlich für einphasige Endstromkreise mit einem Bemessungsstrom bis 16A für Räume mit Schlafgelegenheiten, Räume mit Feuer verbreitenden Strukturen und Stromkreise für Verbrauchsgeräte mit hoher Leistungsaufnahme.
Da die Fehlerlichtbogenschutzeinrichtung laut Produktnorm erst ab einem Stromfluss von 2,5 Ampere, was bei einer Netzspannung von 230V einer Wirkleistung von knapp 600 Watt entspricht, auslösen muss, hat insbesondere der letzte Punkt durchaus seine Berechtigung.

Elektrogeräte nach Brandhäufigkeit

Dies wird ebenfalls bekräftigt, wenn man die Statistik des IFS-Reports vom Juni 2018 betrachtet. Denn neben der bereits erwähnten Tatsache, dass mehr als die Hälfte der elektrisch verursachten Brände auf elektrische Geräte zurückzuführen sind, brennen häufig leistungsstarke Elektrogeräte. So liegt der Wäschetrockner auf Platz eins, Kühl- und Gefriergeräten auf Platz zwei, gefolgt von Geschirrspüler und Waschmaschine auf Platz drei und vier. Die Platzierung wurde mit beispielhaften Leistungswerten ergänzt.

Brandhaufigkeit_Elektrogeraete

Neben der hohen elektrischen Leistung fällt bei diesen Geräten außerdem auf, dass sie betriebsbedingten Erschütterungen oder Vibrationen ausgesetzt sind, wodurch sich etwa Kontaktstellen lösen können und so Fehlerlichtbögen begünstigt werden. Zudem werden sie in der Regel unbeaufsichtigt betrieben, was im Fehlerfall eine schnelle Brandausbreitung ermöglicht.

Auf Platz fünf findet sich die Mehrfachsteckdose, deren Brandgefahren in einem separaten Artikel bereits ausführlich dargelegt wurden.

Rechtliche Situation

Laut Norm ist der Einsatz in Drehstromkreisen hingegen nicht vorgesehen und auch eine Nachrüstpflicht für bestehende Anlagen wird nicht gefordert.
Obwohl die Fehlerlichtbogenschutzeinrichtung somit im VDE-Normenwerk aufgeführt wird, wurde diese nicht in die Landesbauordnung als technische Baubestimmung aufgenommen. Derzeit ist der Einbau dieser Schutzmaßnahme daher nicht rechtsverbindlich und somit freiwillig (vgl. Quelle[5]).

Dennoch werden Normen bei Rechtsstreitigkeiten oft als Entscheidungshilfe herangezogen.
Um rechtlich somit auf der sicheren Seite zu sein, sollte der Verzicht dieses Schutzgerätes, insbesondere bei öffentlichen Gebäuden, etwa durch eine Risiko- und Sicherheitsbewertung (wie sie vom Arbeitskreis Maschinen- und Elektrotechnik staatlicher und kommunaler Verwaltungen kurz AMEV aufgestellt wurde), gut begründet werden können (vgl. Quelle[6]).

Vorsicht ist ebenfalls geboten, wenn der Auftraggeber bzw. Vertragspartner die Einhaltung der genannten Norm vorschreibt.
Um Rechtsstreitigkeiten aus dem Weg zu gehen ist im Zweifelsfall somit auch der vorsorgliche Einbau der Fehlerlichtbogenschutzeinrichtung zu empfehlen.

Funktionsweise des Brandschutzschalters

Doch wie funktioniert die Schutzeinrichtung grundsätzlich.
Der AFDD überprüft mithilfe von zwei Sensoren den Außenleiter auf Signale unterschiedlicher Frequenz. Die anschließend leicht modifizierten Signalverläufe werden von einem Mikrokontroller kontinuierlich ausgewertet. Sofern die Kriterien, die einen Fehlerlichtbogen charakterisieren, erfüllt sind, wird der Auslöseimpuls gegeben und der Stromkreis vom Netz getrennt (vgl. Quelle[7]).

Testen und Prüfen des Brandschutzschalters

Mit der Testtaste kann eine manuelle Prüfung der Schutzeinrichtung vorgenommen werden, bei der der AFDD auslöst. Somit werden hierbei sowohl die elektronischen, als auch die mechanischen Komponenten getestet. Zudem erfolgt intern regelmäßig ein automatischer Selbsttest, der bei einer bestandenen Prüfung der elektronischen Komponenten hingegen nicht zur Auslösung der Schutzeinrichtung führt.
In beiden Testfällen wird ein Fehlerlichtbogen lediglich elektronisch simuliert, es wird jedoch kein tatsächlicher Lichtbogen innerhalb der Schutzeinrichtung erzeugt, wie es teils fälschlicherweise angenommen wird.

Neben der manuellen bzw. automatischen Prüfung bestehen derzeit keine Vorgaben für eine anderweitige Funktionsprüfung durch eine Elektrofachkraft (etwa mittels Installationsprüfgerät), wie man es beispielsweise von einer Fehlerstromschutzeinrichtung kennt.
Daher kursiert im Netz eine Vielzahl an Videos, in denen auf unkonventionelle Weise versucht wird die Schutzeinrichtung zum Auslösen zu bringen, was oft nicht von Erfolg geprägt ist.
Dies liegt schlicht und ergreifend daran, dass diese Kontaktlichtbögen sehr instabil bzw. kurzweilig und damit weitestgehend ungefährlich sind. Sie werden zwar vom Schutzgerät erfasst, dürfen jedoch die Schutzeinrichtung nicht zum Auslösen bringen, da Lichtbögen dieser Art ebenfalls etwa in mechanischen Schaltern auftreten (vgl. Quelle[8]).

Auch Geräte mit Motoren wie Waschmaschinen, Bohrmaschinen und andere Haushaltsgeräte verursachen (ungefährliche) betriebsbedingte Lichtbögen in Form des sogenannten Bürstenfeuers.
Des Weiteren können elektronische Bauteile hochfrequente Störeinflüsse verursachen, die einem Fehlerlichtbogen ähneln können.

Ein im wahrsten Sinne des Wortes brandgefährlicher Fehlerlichtbogen muss jedoch eine gewisse Stabilität und damit Energie aufweisen. Diese Stabilität erreicht der Lichtbogen dadurch, dass er in einem Isolierstoff auftritt, wobei es zur sogenannten Karbonisierung bzw. Verkohlung des Isolationsmaterials kommt. Über die karbonisierte (und damit halbleitende Stelle) kann der Lichtbogen stabil fortbestehen, womit eine hohe Energie und Temperatur an der Fehlerstelle verbunden ist, die zum Brand führen kann (vgl. Quelle[7]).

Einen solchen Lichtbogen muss der AFDD von den betriebsbedingten Einflüssen unterscheiden können, sodass die Ansprüche an eine Fehlerlichtbogenschutzeinrichtung sehr hoch sind.
Um die Störeinflüsse daher möglichst gering zu halten und die fehlerfreie Funktion des AFDD zu gewährleisten, ist derzeit pro abzusichernden Stromkreis eine eigene Fehlerlichtbogenschutzeinrichtung erforderlich.

Auslöseversuche des Brandschutzschalters

Achtung: Auslöseversuch keinesfalls Nachmachen!

Mit einem einfachen Versuchsaufbau wird die korrekte Funktion einer Fehlerlichtbogenschutzeinrichtung anschaulich demonstriert.

Versuchsaufbau

Als elektrische Last kam hierbei ein Heizluftföhn mit einer Leistungsaufnahme von 2.000 Watt zum Einsatz. Der Außen- und der Neutralleiter wurden zunächst durch einen Fehlerstromschutzschalter geführt. Hinter diesem befand sich die Fehlerlichtbogenschutzeinrichtung mit internem Leitungsschutzschalter. Der Neutralleiter wurde von hier direkt auf die Verteiler-Einbausteckdose geführt, während im Außenleiter ein Leitungsbruch simuliert wurde. Über die Fehlstelle wurde hierzu das Stück eines Kabelmantels platziert.

Fehlstelle

Nach dem der Versuchsaufbau unter Spannung gesetzt wurde, konnte ein Lichtbogen erzeugt werden. Sobald der Mantel ausreichend verkohlt und der Lichtbogen eine gewisse Stabilität erreicht hatte, löste die Schutzeinrichtung aus und verringerte so die Gefahr eines elektrisch gezündeten Brandes.

Häufig kam es jedoch auch dazu, dass die Kupferenden durch die Hitze verschweißten oder der geschmolzene Mantel die Kotaktflächen isolierte, sodass in beiden Fällen der Fehlerlichtbogen nicht ausreichend lange bestehen konnte.

Für das Auslösen des Brandschutzschalters ist es grundsätzlich egal, ob die Fehlstelle in der Elektroinstallation, der Anschlussleitung eines Betriebsmittels oder in einem, mit Netzspannung betriebenen, elektrischen Gerät vorliegt.

Fazit

Zusammenfassend lässt sich somit sagen, dass eine Fehlerlichtbogenschutzeinrichtung, trotz des verhältnismäßig hohen Preises (verglichen mit einem einfachen Leitungsschutzschalter) eine sinnvolle Ergänzung zu den bestehenden Schutzeinrichtungen darstellt, die die Gefahr vor elektrisch gezündeten Bränden eindämmen kann.

Trotzdem bestehen bei dieser noch recht jungen Schutzeinrichtung unter Elektrofachkräften erheblich Meinungsverschiedenheiten und teils berechtigte Zweifel, wie etwa (derzeit) noch fehlende Prüfgeräte zur Wirksamkeit der Schutzeinrichtung, weshalb ein standardmäßiger Einbau in Neuanlagen vermutlich die Ausnahme bleiben dürfte.

Quellen

Quelle [1]: Deutscher Feuerwehrverband e.V.: Einsätze nach Tätigkeitsbereichen (entsprechend des Abfragebogens FEU 905)
http://www.feuerwehrverband.de/statistik.html

Quelle [2]: Institut für Schadenverhütung und Schadenforschung der öffentlichen Versicherer e.V.: Ursachenstatistik Brandschäden 2018
https://www.ifs-ev.org/schadenverhuetung/ursachstatistiken/brandursachenstatistik/

Quelle [3]: Hoyer, Jürgen (2018): Brände in Elektroverteilungen. Schadenprisma 2 | 2018: S. 13
https://www.schadenprisma.de/wp-content/uploads/sp_2018_2_2.pdf

Quelle [4]: Institut für Schadenverhütung und Schadenforschung der öffentlichen Versicherer e.V.: IFS-Report Ausgabe 2 – Juni 2018
https://www.ifs-ev.org/archiv/report/ifs_report_2018_2.pdf

Quelle [5]: Zentralverband Deutsches Baugewerbe: Klarstellung: DIN Norm zum Einbau von Brandschutzschaltern ist gesetzlich nicht verpflichtend
https://www.zdb.de/zdb-cms.nsf/id/brandschutzschalter-de

Quelle [6]: Arbeitskreis Maschinen- und Elektrotechnik staatlicher und kommunaler Verwaltungen: AMEV Risiko- / Sicherheitsbewertung zum Einsatz von AFDDs (öffentliche Gebäude)
https://www.amev-online.de/AMEVInhalt/Planen/Elektrotechnik/EltAnlagen%202015/

Quelle [7]: Siemens AG: Brandschutzschalter 5SM6. Technik-Fibel
https://www.siemens.de/brandschutzschalter

Quelle [8]: Siemens AG: FAQs – Brandschutzschalter 5SM6
https://support.industry.siemens.com/cs/document/109740461/informationen-zum-brandschutzschalter-5sm6?dti=0&lc=de-WW