Wie ein AFDD funktioniert

Das Problem, das der AFDD löst

Europäische Statistiken zeigen, dass etwa 30–40 % der Brände mit elektrischer Ursache durch elektrische Lichtbögen an losen Verbindungen oder beschädigten Isolierungen ausgelöst werden. Der Strom, der durch einen seriellen Lichtbogen fließt, liegt meist unter dem Nennstrom des LS-Schalters — ein Lichtbogen von wenigen Ampere auf einem Stromkreis mit einem auf 16A bemessenen LS-Schalter löst nichts aus. Auch der RCD löst nicht aus, da die Ströme in L und N gleich sind. Der Lichtbogen brennt stundenlang im Stillen und überhitzt die umliegenden brennbaren Materialien.

Häufige Ursachen für Fehlerlichtbögen in Wohnungsinstallationen:

• Unter einer Schraube oder von Möbeln eingeklemmte Leiter (Isolationsschaden)
• Lose Verbindungen in Dosen, Verteilern oder Steckdosen (intermittierender Kontakt)
• Bei Renovierungen beschädigte Kabel (Bohren, mechanisches Scheuern)
• Abgenutzte Isolierung an alten Kabeln oder an flexiblen Abschnitten
• Nagetiere, die die Kabelisolierung annagen
• In Dosen oder Steckdosen eingedrungene Feuchtigkeit
• Steckdosen mit defekten oder falsch montierten Steckern

Was ein Fehlerlichtbogen ist

Ein elektrischer Lichtbogen ist eine kontinuierliche elektrische Entladung durch ein gasförmiges Medium — das ionisierte Plasma kann in Niederspannungsanlagen über 6.000°C erreichen, genug, um jedes nahe brennbare Material sofort zu entzünden. Fehlerlichtbögen treten in drei Formen auf:

Abb. 1 — Die drei vom AFDD erkannten Arten von Fehlerlichtbögen

Der Unterschied zum „normalen“ Lichtbogen (dem beim Öffnen eines LS-Schalters oder Relais):

• Der Schaltlichtbogen (LS-Schalter, Relais): dauert wenige Millisekunden, die Lichtbogenlöschkammer steuert ihn gezielt
• Der Fehlerlichtbogen: anhaltend, intermittierend, tritt an unerwarteten Stellen auf (Dosen, Steckdosen, hinter Geräten), nicht löschbar ohne Abschalten des Stroms

Wie der AFDD den Lichtbogen erkennt

Das Grundprinzip: ein elektrischer Lichtbogen erzeugt hochfrequentes elektromagnetisches Rauschen (100 kHz – 1 MHz), das der 50-Hz-Sinuskurve überlagert ist. Dieses Rauschen tritt besonders an den Nulldurchgängen der Sinuskurve auf — dem Moment, in dem der Lichtbogen erneut zünden kann. Der AFDD erfasst den Stromkreisstrom über einen Stromwandler (CT oder Rogowski-Spule), filtert die 50-Hz-Komponente heraus und analysiert digital, was übrig bleibt.

Ein DSP (Digitaler Signalprozessor) führt Pattern-Matching-Algorithmen aus, die die Signatur eines Lichtbogens erkennen und sie vom Rauschen normaler Lasten (Dimmer, Motoren, Schaltnetzteile) unterscheiden. Stimmt die Signatur mit einem Fehlerlichtbogen überein, befiehlt der AFDD das sofortige Auslösen des Stromkreises.

Der innere Aufbau eines AFDD

Ein kompakter AFDD mit kombinierter Funktion (AFDD + RCBO) vereint mehrere unterschiedliche physikalische Mechanismen:

Die Schlüsselbauteile in einem modernen AFDD:

• Die Rogowski-Spule — ein Stromsensor mit Ansprechen im HF-Bereich (100kHz–1MHz); sie erfasst die Lichtbogensignatur, ohne durch den netzfrequenten Strom gesättigt zu werden
• Die PCBA-Platine mit DSP-Mikroprozessor — führt die Analog-Digital-Wandlung durch und betreibt den Erkennungsalgorithmus; sie speichert die Profile normaler Lasten zur Unterscheidung
• Das Auslöserelais — vom Mikroprozessor angesteuert; es trennt den Stromkreis innerhalb einiger zehn Millisekunden
• Der Differenzstrom-Ringkern (in kombinierten Ausführungen) — erkennt den Fehlerstrom von 30mA, identisch wie im RCCB/RCBO
• Der Bimetallstreifen (in kombinierten Ausführungen) — thermische Auslösung bei Überlast, identisch wie im LS-Schalter
• Die Lichtbogenlöschkammer — löscht den Schaltlichtbogen beim Trennen, wie in jedem LS-Schalter

Abschaltzeiten gemäß IEC 62606

Die Norm IEC 62606 (SR EN 62606 in Rumänien) schreibt maximale Abschaltzeiten je nach Lichtbogenstrom vor — je stärker der Lichtbogen, desto schneller muss der AFDD reagieren:

Die Norm berechnet die Gesamtenergie des Lichtbogens, um die Brandgefahr zu bewerten. Der AFDD reagiert nicht beim ersten „Verdacht“, sondern erst, wenn die angesammelte Energie die Gefahrenschwelle überschreitet — so werden Fehlauslösungen durch zufällige Funken vermieden.

Die Herausforderung der Fehlauslösungen

Das Kernproblem beim Entwurf eines AFDD ist die Vermeidung von Fehlauslösungen. Einige normale Lasten erzeugen HF-Rauschen ähnlich dem eines Lichtbogens:

• Dimmer (Triac) — schneiden die Sinuskurve bei einem gesteuerten Winkel an und erzeugen HF
• Elektromotoren — Funken am Kollektor (Bürste) oder an den Kontakten der Anlaufrelais
• Schaltnetzteile (SMPS) — arbeiten gezielt bei zehn bis hundert kHz
• Föhne, Staubsauger — Universalmotor mit Bürsten
• Wechselrichter und Schnellladegeräte — abrupte Spannungsübergänge

AFDDs gemäß IEC 62606 verfügen über Datenbanken mit Profilen normaler Lasten und schließen sie von der Analyse aus. Die Norm fordert eine Fehlauslöserate unter 1 pro 6 Monate unter normalen Betriebsbedingungen.

Integrationsvarianten im Verteiler

IEC 62606 erlaubt drei Methoden zur Integration der AFDD-Funktion im Verteiler:

Die Variante AFDD + RCBO ist die vollständigste: ein einziges 2-Modul-Gerät bietet Schutz vor Lichtbögen (AFDD), elektrischem Schlag (RCD 30mA) und Überströmen (LS-Schalter). Es ersetzt drei separate Geräte und spart Platz im Verteiler.

Wo er empfohlen/vorgeschrieben ist

Die Norm IEC 60364-4-42 empfiehlt oder schreibt einen AFDD an den Endstromkreisen (Steckdosen ≤32A) vor in:

• Schlafzimmern — in Wänden verborgene Kabel, brennbare Materialien (Matratzen, Teppiche, Vorhänge)
• Wohnzimmern und Büros — hohe Gerätedichte, stark belastete Steckdosen
• Gebäuden mit brennbarer Tragstruktur — Holzhäuser, Dachböden, Dachstühle
• Bereichen mit hoher Brandgefahr — Lager mit brennbaren Materialien, Sammlungen unersetzbarer Güter
• Wohnungen vom Typ HMO (Houses in Multiple Occupation) und Studentenwohnheime
• Hohe Wohngebäude (über 18m oder 6 Geschosse) — eine UK-Vorschrift seit 2022, ein Vorbild für künftige europäische Aktualisierungen

Normative Referenz — die Aktualisierungen 2023

Die internationale Norm für AFDDs ist IEC 62606 (SR EN 62606 in Rumänien), die die Leistungsanforderungen, die Prüfverfahren und die Erkennungsschwellen festlegt.

Die Aktualisierungen 2023 zur I7-2011 führen den AFDD als Anforderung für neue Wohngebäude ein. Gemäß den am Normativ vorgenommenen Änderungen wird der Einbau eines AFDD an den Stromkreisen in Schlaf- und Wohnzimmern in Neubauten empfohlen, mit stufenweiser Umsetzung. Autorisierte Elektriker müssen den vollständigen Text der Aktualisierungen 2023 heranziehen, um die genaue Verbindlichkeit zum Zeitpunkt des Projekts festzulegen.

Empfohlene vorrangige Stromkreise: Schlafzimmer, Wohnzimmer, Büro — Bereiche, in denen Kabel ohne Sicht in Wänden verlaufen und in denen brennbare Materialien vorhanden sind.