Elektrische Prüfungen für Reihenklemmen

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Kurzzeitstromfestigkeit an einer Schraubklemme

Elektrische Prüfungen

Die elektrischen Prüfungen beziehen sich überwiegend auf den Stromfluss in der Klemme. Hierzu werden verschiedene Szenarien imitiert, in denen die Klemmen auf maximal zulässige Kurzschlussströme oder auf die Erwärmung bei Nennstrom getestet werden. Damit die Effizienz der Klemmen gewährleistet werden kann, wird der Spannungsfall geprüft. Um ausreichende elektrische Isolation zu gewährleisten, werden die Klemmen außerdem auf elektrischen Durchschlag, Kriechstrecken und Isolationseigenschaften geprüft.
Auf dieser Seite finden Sie verschiedene elektrische Prüfungen zum Thema Reihenklemmen.

Prüfaufbau zur Ermittlung der Strombelastbarkeit

Prüfaufbau zur Ermittlung der Strombelastbarkeit am Beispiel der PP-H-2,5/5-COMBI-Stecker

Derating Steckverbinder (DIN EN 60512-5-2)

Die Derating-Kurve stellt die Strombelastbarkeit eines Bauteils in Abhängigkeit zu Umgebungstemperatur und benachbarten Kontakten dar. Sie wird durch die Kontaktwerkstoffe und Isoliergehäuse beeinflusst. Zur Bestimmung der Strombelastbarkeit von steckbaren Reihenklemmen werden verschiedenpolige Anordnungen gewählt, die mit Leitern gleichen Querschnitts elektrisch in Reihe geschaltet sind. Für die praxisgerechte Ermittlung der Derating-Kurven wird die Strombelastbarkeit für die steckbaren Reihenklemmen gemäß DIN EN 60512-5-1 ermittelt. Hierbei wird bei Belastung mit unterschiedlichen Stromstärken und nach Einstellung des Temperaturgleichgewichts die maximal an den Prüflingen auftretende Temperaturerhöhung gemessen. Unter Berücksichtigung der oberen Grenztemperatur des Isolierstoffs s (hier und in der Regel mit 100 °C angenommen) ergibt sich eine von der Umgebungstemperatur abhängige Strombelastbarkeitskurve (die „Basiskurve“). Nach DIN EN 60512-5-2 wird eine korrigierte Belastbarkeitskurve, die „Derating-Kurve“, erstellt. In Übereinstimmung mit dieser Norm beträgt hierbei der zulässige Belastungsstrom das 0,8-fache des jeweiligen Basisstroms. Der Reduktionsfaktor „berücksichtigt Exemplarstreuungen im Kontaktsystem von Steckverbindern. Weiterhin berücksichtigt er Unsicherheiten bei der Temperaturmessung und in der Messanordnung“. Für steckbare Reihenklemmen von Phoenix Contact werden Derating-Kurven mit 2-, 5-, 10- und 15-poligen Anordnungen angegeben.

Erwärmungsprüfung an einer Reihenklemme

Erwärmungsprüfung

Erwärmungsprüfung (IEC 60947-7-1/2 und UL 1059)

Die Erwärmung einer Reihenklemme durch Stromwärme ist so gering wie möglich zu halten. Dazu muss der Übergangswiderstand möglichst niedrig sein. In dieser Prüfung wird die Erwärmung bei Raumtemperatur unter Belastung mit Prüfstrom dokumentiert.

IEC 60947-7-1/-2
Hierbei werden fünf Klemmen horizontal auf einer Schiene montiert und mit 1 m bzw. 2 m langen Leiterschleifen des Bemessungsquerschnitts in Reihe beschaltet. Die Reihenklemmen werden mit einem Prüfstrom in Höhe der Stromtragfähigkeit des Bemessungsquerschnitts belastet. Dokumentiert wird die Erwärmung an der mittleren Klemme. Ausgehend von etwa +20 °C Raumtemperatur sind maximal 45 K (Kelvin) Erwärmung in der Klemme zulässig. Abschließend ist eine Spannungsfallprüfung an der Klemme durchzuführen.

UL 1059
Der Ablauf entspricht im Wesentlichen der IEC-Prüfung, jedoch weichen die Leiterlängen ab. Bei der UL 1059 werden drei Klemmen horizontal nebeneinander montiert. Die Messung erfolgt bei 25 °C Umgebungstemperatur, wobei eine maximale Erwärmung von 30 K (gemessen möglichst nahe an der Klemmstelle) zulässig ist. Aufgrund der hochwertigen Kontaktwerkstoff e in den Phoenix Contact-Reihenklemmen bieten alle Anschlusstechniken geringere Erwärmungswerte als in den genannten Normen gefordert. Hochwertige Kupferwerkstoffe und zuverlässige Kontaktübergänge garantieren niedrige Übergangswiderstände in den Reihenklemmen.

Isolationsprüfung mit Stehwechselspannung (IEC 60947-7-1/2 und UL 1059)

Diese elektrische Prüfung dient zum Nachweis ausreichender Kriechstrecken. Die ausreichenden Strecken zwischen den Potenzialen zweier benachbarter Reihenklemmen sowie zwischen Reihenklemme und Montageschiene werden durch Anlegen einer entsprechenden Prüfspannung getestet. Definition: Bemessungsisolationsspannung (Ui) Ist der Effektiv- oder Gleichspannungswert, der höchstens dauerhaft bei bestimmungsgemäßem Gebrauch auftreten darf. Die Prüfspannung wird über 60 s gehalten. Als Basis gilt die Zuordnung gemäß abgebildeter Tabelle.

IEC 60947-7-1/-2
Dabei darf kein Überschlag bzw. Durchschlag während der Prüfung erfolgen. Kriechströme müssen unter 100 mA bleiben.

UL 1059
Prüfspannung = 1.000 V plus zweimal Bemessungsisolationsspannung Ui. Die Phoenix Contact-Reihenklemmen mit 800 V Bemessungsisolationsspannung bestehen durchgängig die Isolationsprüfung mit 2.000 V~.

Prüfwerte der Isolationsprüfung

Die folgende Tabelle zeigt die Prüfwerte der Isolationsprüfung an. Hier wird die Prüfspannung der Bemessungsisolationsspannung zugeordnet.

Prüfspannung (effektive) [V]

Bemessungsisolationsspannung Ui [V]
Ui <= 60 1000
60 < Ui <= 300 1500
300 < Ui <= 690 1890
690 < Ui <= 800 2000
800 < Ui <= 1000 2200
1000 < Ui <= 1500
Prüfung der Kurzzeitstromfestigkeit an einer Push-in-Reihenklemme

Hohe Kontaktsicherheit auch bei extremer Überlast

Kurzzeitstromfestigkeit (IEC 60947-7-1/-2)

Reihenklemmen müssen in der Praxis auch Kurzschlussströme unbeschadet überstehen, bis die jeweilige Schutzeinrichtung den Strom abschaltet. Dies kann einige Zehntelsekunden dauern und in Höhe des mehrfachen Nennstroms auftreten. Für die Prüfung wird eine Reihenklemme auf der Befestigungsauflage montiert und mit einem Leiter des Bemessungsquerschnitts verdrahtet. Schutzleiter-Reihenklemmen werden in drei Durchgängen für 1 s mit einer Stromdichte von 120 A/mm² des Bemessungsquerschnitts belastet. Die Anforderungen werden erfüllt, wenn nach der Prüfung keine Beschädigung der Einzelteile aufgetreten und der weitere Gebrauch gewährleistet ist. Vor und nach der Prüfung muss die Reihenklemme die Spannungsfallprüfung bestehen. Dabei darf der Spannungsfall vor und nach der Prüfung 3,2 mV je Reihenklemme sowie das 1,5-fache des vor der Prüfung gemessenen Werts nicht übersteigen. Im Fall einer 240-mm²-Hochstromklemme von Phoenix Contact wird ein Prüfstromstoß von 28.800 A eine Sekunde lang ohne Qualitätsverlust durch die Klemme geleitet.

Kriechstrecke anhand einer Zeichnung

Kriechstrecke

Luft- und Kriechstrecken (IEC 60664-1)

Die maßliche Kontrolle der Luft- und Kriechstrecken belegt ausreichende elektrische Isolationseigenschaften hinsichtlich

  • Konstruktion
  • zu erwartender Verschmutzung
  • zu erwartender Umgebungsbedingungen

Der Nachweis wird zwischen zwei benachbarten Reihenklemmen sowie zwischen stromführenden Metallteilen und Befestigungsauflage unter Betrachtung der kürzesten Abstände durchgeführt. Dabei wird zum einen die Isolation der Luft als Luftstrecke betrachtet und zum anderen die Entfernung entlang der Oberfläche als Kriechstrecke. Festgelegt sind die Mindeststrecken in der IEC 60947-1.

Für die Luftstrecke gilt:
Sie ist der kürzeste Weg zwischen zwei elektrischen Potenzialen durch die Luft. Maßgebend für die Bemessung der Mindestluftstrecke ist die Bemessungsstoßspannung, die Überspannungskategorie der Reihenklemme und der zu erwartende Verschmutzungsgrad. Die Bemessungsstoßspannung leitet sich aus der Neutralleiterspannung in Bezug auf die Überspannungskategorie ab. Wenn nicht anders dokumentiert, wird für Reihenklemmen die Überspannungskategorie III angenommen. Die Kategorie beschreibt Betriebsmittel in festen Installationen und für Fälle, in denen besondere Anforderungen an die Zuverlässigkeit und die Verfügbarkeit gestellt werden. Die zugehörige Luftstrecke wird in der Tabelle 2 (Auszug) der IEC 60664-1 beschrieben. Weitere Vorgaben dabei sind das generell inhomogene Feld für die Anwendung und der Verschmutzungsgrad 3 (leitfähige Verschmutzung tritt auf bzw. siehe Tabelle 2 der IEC 60664-1: eine nicht leitfähige Verschmutzung, die leitfähig wird, da Betauung zu erwarten ist).

Für die Kriechstrecke gilt:
Sie ist der kürzeste Weg zwischen zwei Potenzialen entlang der Oberfläche der Isolation. Maßgebend für die Ermittlung der Mindestkriechstrecke ist der Effektivwert des Gleich- oder Wechselspannungssystems (Leiter zu Leiter, Leiter zu Erde, Leiter zu Neutralleiter), siehe Tabelle 3a und 3b der IEC 60664-1. Tabelle 4 der IEC 60664-1 zeigt den Zusammenhang vom Effektivwert der Spannung, dem Verschmutzungsgrad (3) und der Isolierstoffgruppe (I.) des Reihenklemmengehäuses.

Überspannungskategorien

Überspannungskategorien zugeordnet zu der jeweiligen Neutralleiter-Leiterspannung

Überspannungskategorie I

Überspannungskategorie II

Überspannungskategorie III

Überspannungskategorie IV

Neutralleiter-Leiterspannung [V]
300 1500 V 2500 V 4000 V 6000 V
600 2500 V 4000 V 6000 V 8000 V
1000 4000 V 6000 V 8000 V 12000 V

Verschmutzungsgrad nach Bedingung A: inhomogenes Feld

In der Tabelle ist der Verschmutzungsgrad der erforderlichen Stehstoßspannung zugeordnet. Es gilt der Verschmutzungsgrad nach Bedingung A: inhomogenes Feld.

Verschmutzungsgrad 1

Verschmutzungsgrad 2

Verschmutzungsgrad 3

Erforderliche Stehstoßspannung
4000 V 3,0 mm 3,0 mm 3,0 mm
5000 V 4,0 mm 4,0 mm 4,0 mm
6000 V 5,5 mm 5,5 mm 5,5 mm
8000 V 8,0 mm 8,0 mm 8,0 mm

Isolierstoffgruppen des Verschmutzungsgrads 3

In der Tabelle sind die Isolierstoffgruppen des Verschmutzungsgrads 3 dem Effektivwert der Spannung zugeordnet.

Isolierstoffgruppe I

Isolierstoffgruppe II

Isolierstoffgruppe III

Effektivwert der Spannung
500 V 6,3 mm 7,1 mm 8,0 mm
630 V 8,0 mm 9,0 mm 10,0 mm
800 V 10,0 mm 11,0 mm 12,5 mm
1000 V 12,5 mm 14,0 mm 16,0 mm

Luft- und Kriechstrecken (UL 1059)

Die UL 1059 beschreitet in der Zuordnung von Luft- und Kriechstrecken andere Wege. Wenn auch die Luft- und Kriechstreckendefinition physikalisch gleich sind, gelten hier eigene Streckentabellen sowie eine Zuordnung nach Use groups und Spannungsbereichen. Bei der Use group C handelt es sich in diesem Fall um die Default-Einstellung.

Luftstrecken (UL 1059)

Abstände der Luftstrecken in Inch und Millimeter zwischen unisolierten Potenzialen.

Applikation

Nennspannung

Luftstrecke (Inch)

Luftstrecke (mm)

USE GROUP
A Bedienelemente, Konsolen, Service Ausrüstung u. ä. 51 V … 150 V 1/2 12.7
A 151 V … 300 V 3/4 19.1
A 301 V … 600 V 1 25.4
B Handelsübliche Geräte, einschließlich Büro- und elektronische Datenverarbeitungsgeräte u. ä. 51 V … 150 V 1/16 1.6
B 151 V … 300 V 3/32 2.4
B 301 V … 600 V 3/8 9.5
C Industrielle Anwendungen ohne Einschränkungen 51 V … 150 V 1/8 3.2
C 151 V … 300 V 1/4 6.4
C 301 V … 600 V 3/8 9.5
D Industrielle Anwendungen, Betriebsmittel mit begrenzten Leistungsdaten (Limited Rating) 151 V … 300 V (10A) 1/16 1.6
D 301 V … 600 V (5A) 3/16 4.8
E Reihenklemmen mit Nennspannung 601 V - 1500 V 601 V … 1000 V 0.55 14.0
E 1001 V … 1500 V 0.70 17.8
F Industrielle Geräte mit alternativem Ansatz für Abstände nutzen 51 V … 1500 V Wie durch Auswertung ermittelt Wie durch Auswertung ermittelt
G LED-Beleuchtung 51 V … 300 V 1/16 1.6
G 301 V … 600 V 1/16 - 3/16 1.6 - 4.8

Kriechstrecken (UL 1059)

Abstände der Kriechstrecken in Inch und Millimeter zwischen unisolierten Potenzialen.

Applikation

Nennspannung

Kriechstrecken (Inch)

Kriechstrecken (mm)

USE GROUP
A Bedienelemente, Konsolen, Service Ausrüstung u. ä. 51 V … 150 V 3/4 19,1
A 151 V … 300 V 1-1/4 31,8
A 301 V … 600 V 2 50,8
B Handelsübliche Geräte, einschließlich Büro- und elektronische Datenverarbeitungsgeräte u. ä. 151 V … 300 V 1/16 1,6
B 51 V … 150 V 3/32 2,4
B 301 V … 600 V 1/2 12,7
C Industrielle Anwendungen ohne Einschränkungen 51 V … 150 V 1/4 6,4
C 151 V … 300 V 3/8 9,5
C 301 V … 600 V 1/2 12,7
D Industrielle Anwendungen, Betriebsmittel mit begrenzten Leistungsdaten (Limited Rating) 151 151 V … 300 V 1/8 3,2
D 301 V … 600 V 3/8 9,5
E Reihenklemmen mit Nennspannung 601 V - 1500 V 601 V ... 1000 V 0,85 21,6
E 1001 V ... 1500 V 1,20 30,5
F Industrielle Geräte, die den alternativen Ansatz für Abstände nutzen 51 V ... 1500 V Wie durch Auswertung ermittelt Wie durch Auswertung ermittelt
G LED-Beleuchtung 51 V … 300 V 1/8 3,2
G 301 V … 600 V 1/8 - 3/8 3,2 - 9,5
Hochspannungslabor für das SCCR-Rating

Hochspannungslabor

SCCR-Rating (NEC und UL 508 A)

Im NEC (National Electrical Code) wird seit April 2006 für Industriesteuerungen die Angabe der Kurzschlussfestigkeit gefordert. Die Berechnung dieser SCCR-Werte (Short Circuit Current Rating) kann mit Hilfe der UL 508 A erfolgen. Die Berechnung muss in den USA auf dem Leistungsschild jeder Industrieschaltanlage zusammenfassend angegeben sein, für alle Hauptstromkreise sowie für die Einspeisung der Steuerspannungsversorgung. In der UL 508 A (Tabelle SB 4.1) werden Standardwerte für nicht spezifizierte Komponenten aufgeführt. Für Reihenklemmen wird hier ein Standardwert von 10 kA angegeben. Dieser SCCR-Wert beschreibt den Kurzschlussbemessungsstrom einer Anlage oder Komponente unter Vorgabe einer Bemessungsspannung. Das ist der maximal zulässige, symmetrische Fehlerstrom, der zu keiner signifikanten Beschädigung führt, die ggf. den Gebrauch beeinträchtigt oder zu einer gefährdenden Handhabung führt. Seitens einer kompletten Anlage basiert der SCCR-Wert auf der schwächsten verbauten Komponente in dem zugehörigen Verteiler- oder Einspeisestromkreis. Reihenklemmen des CLIPLINE complete-Systems sind mit 100 kA SCCR in der UL-File XCFR2_ E60425 dokumentiert. Sie helfen Ihnen, leistungsfähige Anlagen mit höher bemessenen SCCR-Werten zu erstellen.

Für Stromkreise, in denen der Einbau höher dokumentierter Komponenten nicht möglich ist, kann durch das Vorschalten einer entsprechenden hochstromig gelisteten Sicherungsklemme der gesamte Stromkreis aufgewertet werden. Die Sicherungsklemmen UK 10,3-CC HESI N ermöglichen die Aufwertung des SCCR für nachgeschaltete Stromkreise auf 200 kA.

Prüfaufbau: Spannungsfallprüfung

Prüfaufbau: Spannungsfallprüfung

Spannungsfallprüfung (IEC 61984)

In jeder Klemmstelle einer Reihenklemme werden je nach Anschlusstechnik ein oder mehrere Leiter kontaktiert. Der Stromübertrag wird stark von dem elektrischen Widerstand zwischen Leiter und Strombalken beeinflusst. Hochwertige Kontakte erzeugen eine gasdichte Verbindung. Somit wird eine dauerhafte und zuverlässige Verbindung garantiert. Diese elektrische Prüfung ermittelt deshalb den Spannungsfall an einer Reihenklemme (zwei Klemmstellen), woraus Rückschlüsse auf den Übergangswiderstand und die Kontaktqualität gezogen werden. Die Reihenklemmen werden mit dem Bemessungsquerschnitt verdrahtet. Für die Messungen werden die Klemmen mit einem Prüfgleichstrom belastet, der dem 0,1-fachen der Stromtragfähigkeit des Bemessungsquerschnitts entspricht. Der Spannungsfall wird bei einem Abstand ≤10 mm von der Mitte der Klemmstelle abgegriffen (siehe Skizze). Bei etwa +20 °C Raumtemperatur darf der Spannungsfall vor und nach der Prüfung 3,2 mV sowie das 1,5-fache des zum Prüfungsbeginn gemessenen Werts nicht überschreiten. Phoenix Contact-Reihenklemmen unterschreiten die normativ geforderten Grenzwerte um bis zu 60 %.

Spannungsfallprüfung

Prüfwerte der Spannungsfallprüfung

Stromtragfähigkeit [A]

Bemessungsquerschnitt AWG

Stromtragfähigkeit [A]

Bemessungsquerschnitt [mm²]
0,2 4 24 4
0,5 6 20 8
0,75 9 18 10
1 13,5 - -
1,5 17,5 16 16
2,5 24 14 22
4 32 12 29
6 41 10 38
10 57 8 50
16 76 6 67
35 125 2 121
50 150 0 162
95 232 0000 217
150 309 00000 309
240 415 500 MCM 415

Steckzyklen (IEC 61984)

Die IEC 61984 liefert ein komplettes Prüfszenario für Steckverbinder im Leistungsbereich 50 V – 1.000 V mit bis zu 500 A Stromtragfähigkeit. Dazu werden konstruktive Schutzeigenschaften (z. B. IP-Klasse) sowie mechanische und elektrische Merkmale klassifiziert und je nach Anwendung vorgegeben. Geprüft wird in den Gruppen A - E (siehe Tabelle). Eine wesentliche Aussage aus der Prüfgruppe A ist die Angabe der Steckzyklen als Lebensdauerprüfung. Bevorzugte Zyklen für Steckverbinder ohne Schaltleistung (COC) als auch mit Schaltleistung (CBC) sind 10, 50, 100, 500, 1.000, 5.000. In der Prüfung mit Schaltleistung werden drei bis vier Steckzyklen pro Minute absolviert. Die Geschwindigkeit ist auf 0,8 ± 0,1 m/s eingestellt. Nach der Prüfung ist darauf zu achten, dass keine Schädigung, die den weiteren Gebrauch beeinträchtigt, aufgetreten ist. Dazu gehört eine optische Kontrolle der Korrosionsschutzbeschichtung und ein Spannungsfalltest. Reihenklemmen und Stecker aus den CLIPLINE complete-COMBI-Baureihen sind generell für 100 Steckzyklen qualifiziert.

Prüfgruppe B

Prüfgruppe C

Prüfgruppe D

Prüfgruppe E

Prüfgruppe A
Mechanische Prüfungen Lebensdauerprüfungen Thermische Prüfungen Klimatische Prüfungen Schutzgrad Prüfungen
Diagramm eines zeitlichen Verlaufs eines Stoßspannungsimpulses bei einer Stoßspannungsprüfung

Zeitlicher Verlauf eines Stoßspannungsimpulses

Stoßspannungsprüfung (IEC 60947-7-1/2)

Mittels Stoßspannungsprüfung werden ausreichend große Luftstrecken zwischen zwei benachbarten Potenzialen nachgewiesen. Dazu wird die Prüfung mit der Stoßspannung bei jeder Polarität in Abhängigkeit zur Bemessungsisolationsspannung fünfmal durchgeführt. Die Zeitabstände liegen dabei mindestens bei 1 s. Betrachtet wird die Strecke zwischen benachbarten Reihenklemmen bzw. zwischen Reihenklemme und Schiene. Unbeabsichtigte Überschläge dürfen während der Prüfung nicht erfolgen. Bemessungsstoßspannungen für Phoenix Contact-Reihenklemmen liegen bei 6 bis 8 kV nach IEC 60664. Die jeweilige Höhe ist aus der Nennspannung abgeleitet. Die dokumentierten Betriebsspannungen der Klemmen werden somit wirkungsvoll auf ihre betriebssichere Anwendung hin geprüft. Die Kategorie III der Überspannungskategorie 4 bildet die Default-Einstellung ab.

Stoßspannungstabelle

Die Kategorie III der Überspannungskategorie 4 bildet die Default-Einstellung ab.

Nennspannung des Stromversorgungssystems (Netz) nach IEC 60038 - Einphasig [V]

Spannung Leiter zu Neutralleiter abgeleitet von der Nennwechsel- oder Nenngleichspannung bis einschließlich [V]

Bemessungsstoßspannung [V]

Nennspannung des Stromversorgungssystems (Netz) nach IEC 60038 - Dreiphasig
- 120-240 50 800
- 120-240 100 1500
- 120-240 150 2500
230/400 | 277/480 120-240 300 4000
400/690 120-240 600 6000
1000 120-240 1000 8000
Kompetenz in Verbindungstechnik - CLIPLINE quality
Broschüre
Über die Standard-Reihenklemmennorm hinausgehend werden die Reihenklemmen von Phoenix Contact verschiedenen Prüfungen und Normen unterzogen. Aufgrund entsprechender konstruktiver Maßnahmen und dem Einsatz hochwertiger Materialien übertreffen die Reihenklemmen deutlich die normativen Anforderungen.
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