Wie ein AFDD funktioniert

Das Problem, das der AFDD löst

Elektrische Lichtbögen an gelockerten Verbindungen oder beschädigten Isolierungen sind einer der Mechanismen, mit denen eine Anlage die Materialien in ihrer Umgebung entzündet. 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, der die Signatur des Lichtbogens vom Rauschen gewöhnlicher Lasten unterscheidet
• 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 vollständige Tabelle der Norm hat zwei weitere Stufen: 16 A → 0,15 s und 63 A → 0,12 s. Alle Werte betreffen den seriellen Lichtbogen, dessen Strom durch die Last begrenzt ist. Der parallele Lichtbogen (Außenleiter–Neutralleiter oder Außenleiter–PE) wird getrennt geprüft, bei viel höheren unbeeinflussten Strömen und mit einem Kriterium, das auf der Anzahl der Lichtbogen-Halbwellen in einem bestimmten Zeitraum beruht.

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

Die IEC 62606 legt keine statistische Fehlauslöserate fest. Die Störfestigkeit wird durch Prüfungen mit typischen Lasten nachgewiesen — Staubsauger, Triac-Dimmer, Schaltnetzteile, Werkzeuge mit Universalmotor — sowie durch Maskierungsprüfungen, bei denen der Lichtbogen auch bei laufenden Lasten erkannt werden muss. Wie das Gerät den Lichtbogen genau von deren Rauschen unterscheidet, ist Sache des Algorithmus des jeweiligen Herstellers.

Integrationsvarianten im Verteiler

Die SR EN 62606, auf die sich die Aktualisierungen 2023 (Punkt 4.1.5.8.3) beziehen, beschreibt drei Bauformen: a) ein einzelnes Gerät mit einem System, das den geschützten Stromkreis öffnet; b) ein einzelnes Gerät, das eine Schutzeinrichtung integriert — einen Leitungsschutzschalter nach SR EN 60898-1 oder einen Fehlerstrom-Schutzschalter nach SR EN 61008-1, SR EN 61009-1, SR EN 62423; c) eine getrennte Einheit, die vor Ort mit einer erklärten Schutzeinrichtung zusammengebaut wird. Im Verteiler tauchen sie meist als die unten stehenden Produkte auf:

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 (Abschnitt 421.7) empfiehlt einen AFDD in Wechselstrom-Endstromkreisen in:

• Schlafzimmern — in Wänden verborgene Kabel, brennbare Materialien (Matratzen, Teppiche, Vorhänge)
• Wohnzimmern und Büros — nicht in der Liste der Norm, aber als Planungsempfehlung erwägenswert: 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 — ein Beispiel aus der britischen Vorschrift BS 7671 (A2:2022), nicht aus IEC 60364-4-42
• 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 (Erlass MDLPA Nr. 959/2023, Monitorul Oficial Nr. 512 vom 12. Juni 2023) machen den AFDD verbindlich. Art. 4.2.2.10 verlangt ihn „als besondere Maßnahme“ an allen Wechselstromkreisen mit einem Bemessungsstrom von höchstens 32 A in den zum Schlafen eingerichteten Räumen von Wohngebäuden — Steckdosen und Beleuchtung gleichermaßen. Dieselbe Pflicht gilt in Beherbergungsbetrieben, Krippen, Kindergärten, Grundschulen und in Holzbauten der Feuerstabilitätsstufe III–V. Art. 4.2.2.11 nimmt die Stromkreise von Verbrauchern mit Brandschutzfunktion aus, und Art. 4.2.2.12 verlangt, dass der AFDD am Anfang des Stromkreises installiert wird, den er schützt.

In einer gewöhnlichen Wohnung bedeutet das einen AFDD an jedem Stromkreis, der ein Schlafzimmer versorgt, Steckdosen und Beleuchtung gleichermaßen. Wohnzimmer und Büro stehen nicht in der Liste; dort bleibt der AFDD eine Entscheidung des Planers.