UL 891 gegenüber IEC 61439 in der Schienenfertigung

Schaltschrankbauer, die aus einem IEC-Markt nach Nordamerika exportieren, entdecken den Unterschied zwischen diesen beiden Normen meist in der falschen Reihenfolge. Sie konstruieren die Kombination, weisen sie nach IEC 61439 nach und stellen dann fest, dass sich nichts davon in etwas übersetzen lässt, das ein US-Prüfer anerkennt. Der umgekehrte Weg ist nicht leichter. Die beiden Dokumente erfassen vergleichbare Produkte und erreichen vergleichbare Sicherheitsergebnisse über Mechanismen, die strukturell verschieden sind, und die Unterschiede reichen bis in die Lochbearbeitung und die Beschichtung der Sammelschiene hinunter.

Wo die eine und die andere endet

UL 891 gilt für Switchboards in Dead-front-Bauweise mit einer Nennspannung von 1000 V oder weniger, die nach dem Canadian Electrical Code Part I, dem National Electrical Code (ANSI/NFPA 70) und der mexikanischen Errichtungsnorm NOM-001-SEDE errichtet werden, bei einem verfügbaren Kurzschlussstrom bis 200.000 A. Ausgenommen sind Bühnen-Vorwahl- und Dimmersteuerungen, Bauweisen mit frei liegenden spannungsführenden Teilen, Steuer- und Bahnstromausrüstungen sowie Bauformen, die ausschließlich zur Aufnahme von Einschüben für Motor Control Center bestimmt sind.

IEC 61439 erfasst Niederspannungs-Schaltgerätekombinationen bis 1000 V AC und 1500 V DC und wird als Teil 1 (allgemeine Festlegungen) zusammen mit einem Produktteil angewendet. Teil 2 erfasst Energie-Schaltgerätekombinationen, das nächste Gegenstück zu einem Switchboard nach UL 891.

Die Kategorien decken sich nicht, und diese Abweichung hat kaufmännische Bedeutung. UL 891 ist eine von mehreren nordamerikanischen Produktnormen, die einen Raum aufteilen, den IEC mit einer einzigen Reihe abdeckt. Die Bauweise mit ausfahrbaren Niederspannungs-Leistungsschaltern fällt unter UL 1558 und nicht unter UL 891. Industrielle Steuerungstafeln fallen unter UL 508A. Eine einzige Konstruktion nach IEC 61439-2 kann zwei oder drei dieser nordamerikanischen Kategorien überspannen, und jede Kategorie ist ein eigener Listungsvorgang. Zu entscheiden, in welcher Sie sich befinden, ist die erste konstruktive Entscheidung im Projekt und kein Papierdetail am Ende. Die größere Übersicht steht in Welche Norm für Stromschienen für Ihren Auftrag gilt.

Der Konformitätsnachweis: der Unterschied, der alles Übrige bestimmt

Der Unterschied ist hier verfahrensmäßig und nicht technisch, und er bestimmt alles, was danach kommt.

Nach IEC 61439 erklärt der Hersteller die Eigenschaften der Kombination und hält einen Bauartnachweis vor, der belegt, dass die erklärten Werte eingehalten werden. Der Nachweis erfolgt durch Prüfung, durch Ableitung aus einer geprüften Konstruktion oder durch Berechnung innerhalb der von der Norm gesetzten Grenzen. Eine dritte Stelle ist nicht erforderlich. In der EU wird die Erklärung nach der Niederspannungs- und der EMV-Richtlinie abgegeben, mit EN 61439 als harmonisiertem Weg. Fachkunde, Nachweis und Haftung liegen bei Ihnen.

Nach UL 891 wird das Produkt von einem national anerkannten Prüflaboratorium gelistet. Das NRTL bewertet die Bauweise, begleitet oder führt die Prüfungen durch und hält die Listung anschließend durch Nachinspektionen in Ihrem Werk aufrecht: unangekündigte Besuche, die prüfen, ob das, was Sie bauen, noch dem entspricht, was gelistet wurde. Das Zeichen an der Tür ist keine Aussage über eine Prüfung, die einmal stattgefunden hat. Es ist die Aussage, dass ein Werk unter laufender Überwachung steht.

Daraus folgen drei Dinge, über die Exporteure stolpern.

Ihre Nachweisakte lässt sich nicht übertragen. IEC-Prüfdaten können in die Bewertung eines NRTL einfließen, sie ersetzen die Listung aber nicht. Planen Sie den nordamerikanischen Weg von Anfang an als eigenes Programm mit eigenem Terminplan ein.

Änderungen sind anders eingeschränkt. Nach IEC können Sie eine Konstruktion in eigener Zuständigkeit überarbeiten und Ihre Nachweisakte fortschreiben, innerhalb der Ableitungsregeln. Unter einer Listung bedeutet eine bauliche Änderung außerhalb der gelisteten Ausführungen den Weg zurück zum NRTL. Ein Betrieb, der die Flexibilität von IEC gewohnt ist, muss sich hier in der Praxis am stärksten umstellen.

Änderungen auf der Baustelle funktionieren noch einmal anders. Ein Schienenabgriff, der vor Ort an einer IEC-Kombination ergänzt wird, ist eine Frage, die der ursprüngliche Hersteller zu bewerten hat. Derselbe Abgriff an einem gelisteten Switchboard kann die Listung ungültig machen und eine Feldbegutachtung auslösen. Das hat unmittelbare Folgen für die Fertigung: Sehen Sie Reserveflächen und Vorrichtungen für Abgriffe bereits im Werk vor, denn sie später nachzurüsten ist unverhältnismäßig teuer.

Erwärmung und die Beschichtungsentscheidung, die daraus folgt

Beide Normen begrenzen die Erwärmung. Sie wählen dafür sehr unterschiedliche Zahlen, ausgehend von unterschiedlichen Bezugsbedingungen und aus unterschiedlichen Gründen. Das ist der Unterschied, der ändert, was Sie mit dem Kupfer tun.

IEC 61439-1 legt ihre Grenzwerte in Tabelle 6 fest. Anschlussstellen für äußere isolierte Leiter sind auf 70 K begrenzt, und die Fußnote ist wichtig: Diese 70 K sind ein Wert auf der Grundlage der konventionellen Prüfung, und wo die Anschlussstelle eines eingebauten Bauteils zugleich die Anschlussstelle für einen äußeren Leiter ist, gilt der niedrigere Wert aus dem Grenzwert des Bauteilherstellers und 70 K.

Für die Sammelschienen selbst nennt Tabelle 6 keinen einzelnen Zahlenwert. Die Zeile besagt, dass der Grenzwert bestimmt wird durch die mechanische Festigkeit des Leiterwerkstoffs, die mögliche Auswirkung auf benachbarte Betriebsmittel, die zulässige Temperaturgrenze der mit dem Leiter in Berührung stehenden Isolierstoffe, die Wirkung der Leitertemperatur auf das daran angeschlossene Gerät und, bei Steckkontakten, die Art und Oberflächenbehandlung des Kontaktwerkstoffs. Der Wert von 105 K, den alle zitieren, steht in Anmerkung g als Obergrenze über diesen Kriterien: Unter der Voraussetzung, dass alle aufgeführten Kriterien erfüllt sind, darf eine Erwärmung von 105 K für blanke Sammelschienen und Leiter aus Kupfer nicht überschritten werden. Anmerkung 1 erklärt, woher die 105 K stammen: Es ist die Temperatur, oberhalb derer eine Entfestigung des Kupfers wahrscheinlich wird. Es ist eine metallurgische und keine elektrische Grenze.

Die Bezugsumgebung ist ein Mittelwert von 35 °C im Betrieb, wobei die Umgebungstemperatur während der Prüfung zwischen 10 °C und 40 °C liegen darf.

Die nordamerikanische Praxis setzt an einer ganz anderen Stelle an. Die Grenzwerte leiten sich aus der Strombelastbarkeit der angeschlossenen Geräte und Leiter ab, vorgegeben über NEC Article 110.14(C). IEC 61439-1 führt sie im informativen Anhang M selbst tabellarisch auf, und die beiden Werte für Sammelschienen sind die, die man sich merkt: 50 K für unbeschichtete und 65 K für beschichtete Sammelschienen. Anschlussstellen sind auf 50 K begrenzt, außer in den Fällen, die der Anhang einschränkt. Die Bezugsumgebung in der nordamerikanischen Switchboard-Praxis ist 40 °C.

Stellen Sie beide nebeneinander. Die IEC-Obergrenze für blankes Kupfer liegt bei 105 K; der nordamerikanische Grenzwert für dieselbe unbeschichtete Schiene bei 50 K. Das ist weniger als die Hälfte, noch vor jeder Diskussion über die Bezugsumgebung. Eine Beschichtung holt davon 15 K zurück.

Daraus folgen zwei Konsequenzen für die Fertigung, und sie weisen in entgegengesetzte Richtungen.

Bei einem nordamerikanischen Auftrag wird die Beschichtung bei jeder ernsthaften Stromdichte zu einer konstruktiven Anforderung. Der Abstand von 15 K zwischen 50 K und 65 K bringt über ein ganzes Switchboard hinweg einen erheblichen Teil einer Schienengröße. Zinn auf Kupfer ist die gebräuchliche Wahl; Silber wird dort verwendet, wo die Beständigkeit des Kontaktwiderstands schwerer wiegt als die Kosten.

Bei einem IEC-Auftrag läuft die übliche Empfehlung in die andere Richtung. Die Copper Development Association rät davon ab, Verbindungsflächen Kupfer auf Kupfer zu beschichten, sofern die Umgebung es nicht verlangt, weil eine weiche Beschichtung bei erhöhter Temperatur fließen und die Kontaktpressung abbauen kann, auf die die Verbindung angewiesen ist. Diese Empfehlung ist für das IEC-Regelwerk richtig und für das nordamerikanische falsch, und der Grund ist keine metallurgische Meinungsverschiedenheit. Die beiden Regelwerke begrenzen Verschiedenes. IEC schützt das Kupfer vor der Entfestigung; Nordamerika schützt die angeschlossene Leitung und die Geräte vor der Wärme, die aus der Kombination herausgeleitet wird.

Wenn Sie für beide Märkte bauen, ist die Beschichtung eine Entscheidung je Projekt, gebunden an das Bestimmungsland, und sie gehört auf den Laufzettel und nicht in eine stehende Werksanweisung.

Spacings gegenüber Luft- und Kriechstrecken

UL 891 legt Spacings fest: Mindestabstände durch Luft und über die Oberfläche, zwischen Teilen entgegengesetzter Polarität und von spannungsführenden Teilen zur Erde, abgelesen aus einer nach Spannungsbändern gegliederten Tabelle. Die Werte stehen in Zoll, die Bänder sind diskret, und ein Interpolieren zwischen ihnen ist nicht zulässig.

IEC tabelliert Abstände nicht auf diese Weise. Luft- und Kriechstrecken in IEC 61439 werden über IEC 60664-1 abgeleitet: die Luftstrecke aus der Bemessungs-Stoßspannung zusammen mit Verschmutzungsgrad und Höhe, die Kriechstrecke aus der Arbeitsspannung, dem Verschmutzungsgrad und der Vergleichszahl der Kriechwegbildung des Isolierstoffs.

Der praktische Unterschied liegt darin, worauf das jeweilige System reagiert. Zwei IEC-Kombinationen bei derselben Nennspannung können unterschiedliche Mindestabstände tragen, weil die eine in einer schmutzigeren Umgebung oder in größerer Höhe steht. Eine UL-Spacing-Tabelle stellt diese Fragen auf dieser Ebene nicht. Einige UL-Normen lassen inzwischen UL 840, die an IEC 60664 angelehnt ist, als Alternative zur überlieferten Tabelle zu, doch bewertet wird Ihre Listung an den Bauanforderungen der UL 891 selbst.

Für einen Fertiger ist die Folge die Schienenanordnung. Eine Konstruktion, die auf IEC-Luftstrecken beim Verschmutzungsgrad 3 ausgelegt ist, erfüllt üblicherweise auch die UL-Spacings, und eine Konstruktion, die auf UL-Spacings bei 600 V ausgelegt ist, erfüllt üblicherweise auch IEC beim Verschmutzungsgrad 2. „Üblicherweise“ ist in beiden Richtungen keine Konstruktionsmethode. Muss eine einzige physische Konstruktion beides bedienen, legen Sie sie auf die Hüllkurve aus beiden aus und nehmen Sie die zusätzliche Breite in Kauf.

An dieser Stelle ist auch eine verbreitete Lieferantenbehauptung richtigzustellen: IEC 61439 schreibt das Anfasen nicht vor. Es gibt keine Festlegung, die einen Kantenradius verlangt. Die Kantengeometrie ist ein technisches Mittel, die Festlegungen zu Luftstrecken, Kriechstrecken und Isolationsfestigkeit einzuhalten, und sie rechtfertigt sich dadurch, dass sich die Feldstärke an einer scharfen Ecke konzentriert. Sie ist aus guten Gründen eine gute Idee, und die Gründe halten stand, wenn der Ingenieur eines Kunden nachfragt.

Aussteifung und Kurzschlussfestigkeit

Beide Normen verlangen, dass die Kombination dem Fehlerstrom standhält, und sie beschreiben ihn unterschiedlich.

IEC 61439 erklärt den Bemessungs-Kurzzeitstrom (Icw) für eine angegebene Dauer, den Bemessungs-Stoßkurzschlussstrom (Ipk) und, sofern zutreffend, den bedingten Bemessungs-Kurzschlussstrom (Icc). Die Prüfung an Hauptsammelschienen ist in der Geometrie vorschreibend: Die geprüfte Länge der Hauptsammelschiene ist auf (2 ± 0,4) m festgelegt und muss mindestens eine Verbindung einschließen, wenn die Schienen verlängerbar sein sollen. Die Abnahmekriterien sind ebenso genau: Luft- und Kriechstrecken müssen nach der Prüfung weiterhin eingehalten sein, Schienenstützer dürfen sich nicht gelöst haben und nicht durchgerissen sein, und es dürfen sich keine Teile gelockert haben, die zum Anschluss von Leitern dienen.

UL 891 weist einen Kurzschlussstrom-Bemessungswert bis 200.000 A zu, ermittelt mit den festgelegten Überstromschutzeinrichtungen an Ort und Stelle, und der Wert eines Switchboard-Abschnitts ist auf den niedrigsten Wert im Reihenpfad begrenzt. Die Aussteifung ist ein gekennzeichnetes Baumerkmal und kein erklärter elektrischer Kennwert; und wenn durch das Switchboard geführte Kabel während der Prüfung eine Abstützung brauchten, wird diese Anforderung am Betriebsmittel gekennzeichnet. Die Standardprüfung ist kurz, einige Perioden, abgestimmt auf die Ausschaltzeit eines Kompaktleistungsschalters, mit längerer Dauer dort, wo für die Selektivität ein Kurzzeitwert benötigt wird. UL 891 bietet in Anhang G außerdem einen Weg über Bauregeln zu einem Wert von 100.000 A ohne Kurzschlussprüfung; das ist das nächste nordamerikanische Gegenstück zu den Nachweismöglichkeiten der IEC ohne Prüfung.

Für eine Schienenfertigung ist die Folge unter beiden Regelwerken dieselbe, und das ist der nützliche Teil: Die Verbindung ist die Schwachstelle. IEC sagt es ausdrücklich in ihrem Abnahmekriterium, und die Aussteifungsphilosophie von UL sagt bautechnisch dasselbe. Eine abgebaute Schraubenvorspannung, eine Verbindungsfläche, die nie vollen Kontakt hatte, ein gelängtes Loch aus zu geringem Randabstand: Jedes davon macht aus einer bestehenden Konstruktion ein durchfallendes Muster.

Was sich an der Maschine ändert

• Lochbilder: Europäische Zeichnungen arbeiten mit metrischen Lochbildern, die aus DIN 43673-1 abgeleitet sind. Nordamerikanische Zeichnungen arbeiten mit der NEMA-Konvention mit zwei Löchern: ½-Zoll-Schrauben im Abstand von 1¾ Zoll (44,45 mm), mit Löchern von 0,562 Zoll. Keines lässt sich durch Runden in das andere überführen. Wer beide Märkte bedient, hält beide Werkzeugsätze vor, und die Zahl der Werkzeugstationen an der Maschine wird zu einer kaufmännischen Beschränkung. Das ist das Argument für ein Bearbeitungszentrum mit 24 Stationen wie das IMAC-CENTER 80, erweiterbar auf 36 Stationen, gegenüber einer Linie mit festen Werkzeugen, die bei jedem Wechsel des Bestimmungsmarktes umgerüstet werden muss. Die Seite zum Stanzen behandelt die Werkzeugseite.

• Vorbereitung der Verbindung: Unter beiden Regelwerken entscheidet die Verbindung über das Erwärmungsergebnis, aber die nordamerikanischen Grenzwerte lassen weit weniger Reserve, um eine schlechte aufzufangen. Ebene, unmittelbar vor dem Zusammenbau frisch aufgeraute Flächen, ein kontrolliertes Anziehdrehmoment mit einem Reibungsbeiwert, der dazu passt, ob die Gewinde geschmiert sind, und Scheiben, die die Last vom Loch weg verteilen. Unter IEC überstehen Sie eine mittelmäßige Verbindung bei 105 K möglicherweise; bei 50 K an unbeschichteter Schiene in einem nordamerikanischen Switchboard nicht.

• Beschichtung: vom Bestimmungsland bestimmt, keine stehende Praxis. Wo sie vorgegeben ist, muss die Schiene sauber und gratfrei aus Ihrer Fertigung gehen, denn eine Beschichtung über einem Grat schließt den Fehler dauerhaft ein.

• Kanten- und Gratzustand: Ein Grat in einer Verbindungsfläche hält die beiden Schienen auseinander, und die Kontaktfläche, mit der Sie gerechnet haben, ist nicht die Kontaktfläche, die Sie bekommen. Deshalb gehört das Entgraten in den Arbeitsablauf und nicht in die Hand des Monteurs, und deshalb gibt es Linien wie die BND800-2 für Schienen von 0,5 bis 50 mm Dicke und 100 bis 800 mm Breite.

• Kennzeichnung: Der Inhalt des Typenschilds unterscheidet sich, und ebenso, wer dafür zuständig ist. Ein UL-Listungszeichen wird nach den Bedingungen der Listung angebracht, mit dem von der Norm festgelegten Feldinhalt. Ein IEC-Typenschild trägt die vom Hersteller erklärten Eigenschaften, darunter den Belastungsfaktor, für den es in Nordamerika überhaupt kein Gegenstück gibt.

Die Schiene für zwei Märkte auslegen

Weil die Erwärmungsbudgets so stark auseinanderliegen, ergibt dieselbe Aufgabe in den beiden Regelwerken unterschiedliche Schienen, und der Unterschied ist keine kleine Reserve. Arbeiten Sie von den Grenzwerten her und nicht aus Gewohnheit: Ermitteln Sie die anwendbare Erwärmung, setzen Sie die richtige Bezugsumgebung an und legen Sie dann anhand einer Belastbarkeitsquelle mit unversehrten Korrekturfaktoren aus. DIN 43671 mit ihren Korrekturen für Umgebung und Anordnung ist die übliche Arbeitsreferenz, und unser Rechner für die Strombelastbarkeit wendet diese Korrekturen an, statt Bezugsbedingungen anzunehmen.

Auf der IEC-Seite derselben Rechnung ist der Nachweisweg, den Sie verwenden dürfen, durch den Bemessungsstrom begrenzt, und oberhalb von 1600 A schließt der Rechenweg vollständig. Diese Einschränkung ist zusammen mit den übrigen Randbedingungen in unserem Beitrag zum Erwärmungsnachweis dargelegt.