Theorie und Praxis der Bordelektrik E-Book

Jens Feddern

• Herausgeber: Delius Klasing
• Kategorie: Lebensstil
• Sprache: Deutsch
• Veröffentlichungsjahr: 2021

Seitenzahl: 319

Beschreibung

Bord-Elektrik bedienen, warten und reparieren Ohne Strom geht heute an Bord einer Yacht gar nichts mehr. Ob Radar oder Funkgerät, Logge oder Kartenplotter, GPS oder Lot, oder auch ganz einfach die Beleuchtung: Elektrik hat Seglern das Leben so viel einfacher gemacht. Wer so viel Ausrüstung an Bord hat, muss sie allerdings auch bedienen können. Hier ist Jens Fedderns Theorie und Praxis der Bordelektrik ein Must-Have für jeden Segler, Skipper und Yachtbesitzer: Bootselektrik selbst machen für Skipper und Yachtbesitzer Auf vielen Fotos, Zeichnungen, Schaubildern und Tabellen erklärt der erfahrene Elektroingenieur für Neulinge und erfahrene Bord-Elektriker alles rund um den Strom auf dem Boot. Dabei wird behandelt: • Grundlegendes zur Bord-Elektrik • Umgang mit Schiffsbatterien • Ladetechnik: Wie wird Strom an Bord richtig und sicher aufgeladen? • das richtige Material für die Bordinstallation • die Arbeit des Bordelektrikers: Was ist wann wo zu tun? • Gleichstromverteilung: Was ist das und wie funktioniert es? • Energiemanagement an Bord: Bord-Elektrik effektiv einsetzen und Strom sparen • Beleuchtung: Sicher ausgerüstet für Abende und Nachtfahrten • Motor-Elektrik • Entstörung und elektromagnetische Verträglichkeit • Wartung, Troubleshooting und Reparaturtipps: Was tun, wenn etwas nicht mehr funktioniert? • Was sind die internationalen Sicherheitsbestimmungen und Standards zur Elektrik an Bord und wie bringe ich meine Yacht auf den neuesten Stand? Hierbei geht es um Wartung und Reparatur aller elektrischen Bordgeräte von Beleuchtung bis Schiffsbatterie, Logge, Lot und Plotter, aber auch um Tipps und Tricks, wie die Bootselektrik an die individuellen Wünsche und Bedürfnisse des Yachtbesitzers angepasst werden kann. Theorie und Praxis der Bordelektrik erscheint mit 20.000 verkauften Exemplaren bereits in der 8. Auflage. Jetzt mit neuen und aktualisierten Bildern, Zeichnungen, Anleitungen und Tipps. Mit einer so ausgerüsteten Yacht kann es nur noch heißen: Volle Kraft voraus!

Leseprobe

Inhalt

1.Grundlagen

1.1Spannung, Strom, Leistung und ihr Zusammenhang

1.212 V oder 24 V – die richtige Wahl der Bordspannung

1.3Minus und Masse – wo ist der Unterschied?

1.4Galvanische Ströme – was verbirgt sich dahinter?

1.5Kabelarten

1.6Kabelquerschnitte und ihre Berechnung

1.7Schaltpläne lesen und zeichnen

1.8Messtechnik – wie misst man was?

1.8.1Prüfen

1.8.2Messen

1.8.2.1Gleichspannungsmessung

1.8.2.2Wechselspannungsmessung

1.8.2.3Strommessung

1.8.2.4Widerstandsmessung

1.8.2.5Diodenprüfung

1.8.2.6Sicherheitshinweise

2.Schiffsbatterien

2.1Batteriearten

2.2Dimensionierung der Batterie

2.2.1Batterieschaltungen

2.2.1.1Parallelschaltung

2.2.1.2Reihenschaltung

2.2.1.3Reihen-Parallelschaltung

2.2.2Ermittlung der Kapazität

2.3Montage

2.4Wie hält man die Batterie am Leben?

2.4.1Diagnose

2.4.1.1Spannungsmessung

2.4.1.2Messung der Säuredichte

2.4.1.3Messung unter Belastung

2.4.1.4Messung mit Spezialgeräten

2.4.1.5Diagnose mit Batteriemonitor

2.4.2Wartung

2.4.3Batterieauffrischer

2.4.4Batterien und Umwelt

3.Ladetechnik

3.1Lichtmaschinen für den Bordgebrauch

3.1.1Gerätevarianten

3.1.2Anschluss der Drehstromlichtmaschine

3.1.3Eine Lichtmaschine für mehrere Batterien

3.2Ladegeräte für den Bordeinsatz

3.2.1Geräte und Kennlinien

3.2.2Auswahl des Ladegerätes

3.3Gleichstromgenerator

3.4Brennstoffzelle

3.5Solartechnik für den Bordeinsatz

3.5.1Funktion der Solarzelle

3.5.2Kennlinien der Solarzellen

3.5.3Solarmodule für den Bordgebrauch

3.5.4Solarladeregler

3.5.5Auswahlkriterien

3.6Windgeneratoren

4.Das richtige Material für die Bordinstallation

4.1Schutzarten und PG-Verschraubungen

4.2Leitungsverbindung

4.2.1Crimpverbindung

4.2.2Adernendhülsen

4.2.3Steckverbindungen

4.3Verteilung

4.3.1Klemmen

4.3.2Verteilerdosen

4.3.3Sammelschienen

4.3.4Hochstromverteiler

4.4Schalter

4.4.1Schalterarten

4.4.2Batterietrennschalter

4.4.3Batteriewahlschalter

4.4.4Fernbedienbare Schalter (Relais)

4.5Sicherungen

5.Die Arbeiten des Bordelektrikers

5.1Werkzeug

5.2Kabelverlegung

5.3Praxis der Schaltpaneele

5.3.1Zugänglichkeit und Montage

5.3.2Erstellung eines Schaltpaneels

6.Bordnetzwerke

6.1LAN-Netzwerk an Bord

6.1.1Stromversorgung über das Netzwerk

6.1.2Verbindung mit dem Internet

6.1.3Fernzugriff – aber sicher

6.2CAN-Bus

6.2.1NMEA 2000

6.2.2NMEA 0183

7.Gleichstromverteilung

7.1Struktur des Gleichstromnetzes

7.2Einfaches Gleichstromnetz mit zwei Batteriesätzen

7.3Komfortables Gleichstromnetz mit zwei Batteriesätzen

7.4Komfortables Gleichstromnetz mit drei Batteriesätzen

7.5Gleichstromverteilung über BusSysteme

7.5.1MasterBus

7.5.2CZone auf NMEA-2000-Basis

7.5.3P-Bus

7.6Zentrale Gleichstromverteilung mit Stromstoßrelais

7.7Automation der Bordelektrik im Eigenbau

7.7.1Programmierbares Steuerungsmodul Logo

7.7.2Smart Home an Bord mit Homematic

7.7.3Hardcore-Programmierung und Elektronik im Eigenbau

8.Energiemanagement an Bord

8.1Analyse des Bordnetzes

8.1.1Spannungsmessung

8.1.2Strommessung

8.1.3Batteriecomputer

8.2Lastabwurf

9.Beleuchtung

9.1LED-Technologie

9.2Navigationslichter

9.2.1Montage

9.2.2Der elektrische Anschluss

9.2.3Funktionsüberwachung

9.3Suchscheinwerfer

9.4Decksbeleuchtung

9.5Innenbeleuchtung

10.230 V an Bord – aber sicher

10.1Aufbau des Netzes

10.2Die Gefahr von Elektrounfällen

10.3Normen und Richtlinien

10.4Schutzeinrichtungen

10.4.1Schutzerdung

10.4.2Trenntransformator

10.4.3Fehlstromschutzschalter RCCB

10.4.4Schutzschalter

10.4.5Polaritätsanzeiger

10.5Landanschluss

10.5.1Kennzeichnung

10.5.2Steckverbindungen

10.5.3Landanschlusseinheit

10.6Wechselstrominstallation

10.6.1Einfaches Wechselstromnetz nur mit Ladegerät

10.6.2Das TN-S-Netz

10.6.3Das TN-S-Netz mit Trenntransformator

10.6.4Das TN-S-Netz mit mehreren Spannungserzeugern

10.7Wechselstromgeneratoren

10.7.1Benzingeneratoren

10.7.2Dieselgeneratoren

10.7.3Montage und Betrieb

10.7.4Inverter-Generator

10.8Wechselrichter

10.8.1Wechselrichtertypen

10.8.2Dimensionierung

10.8.3Kombiniertes Power-Paket

10.9110-V-Installationen

11.Motorelektrik

11.1Digitale Motorüberwachung

11.2Analoge Motorbedienung und -überwachung

11.2.1Vorglühen und Starten

11.2.2Stoppeinrichtung für Dieselmotoren

11.2.3Bedienen und Beobachten

11.2.4Warnanlage

11.2.5Der zweite Steuerstand

11.3Elektrischer Bootsantrieb

11.3.1Dimensionierung

11.3.2Elektrische Installation

12.Entstörung und elektromagnetische Verträglichkeit

12.1Reduzierung des Einflusses von elektromagnetischen Störungen

12.2Vermeidung von Störaussendungen an der Quelle

13.Wartung und Fehlersuche

13.1Wartung

13.2Fehlersuche

13.2.1Der Verbraucher arbeitet nicht, obwohl er eingeschaltet ist

13.2.2Der Verbraucher arbeitet, obwohl er ausgeschaltet ist

13.2.3Der Verbraucher arbeitet manchmal bzw. nicht mit voller Leistung

13.2.4Eine Sicherung löst immer wieder aus

Bildverzeichnis

Literatur

Register

Vorwort zur 8. Auflage

Was gibt es Schöneres, als mit einem Boot auf einem See oder besser noch auf dem Meer bei steifer Brise hoch am Wind zu segeln oder mit dem Kajütkreuzer gemütlich die Flüsse und Kanäle zu erkunden? Ein echtes Stück Freiheit und Unabhängigkeit. Diese bedeuten aber auch Eigenverantwortung und die Möglichkeit, sich selbst helfen zu können.

Sowohl Segel- als auch Motorboote sind heutzutage mit einer Unmenge an elektrischen Hilfseinrichtungen versehen, die viel Komfort und Sicherheit bieten. Allen gemeinsam ist die Abhängigkeit vom Strom, der – im Gegensatz zur Installation an Land – an Bord erzeugt, gespeichert und verteilt werden möchte.

Als Skipper an Bord reicht es nicht, diese Systeme bedienen zu können, sondern man sollte auch seine Elektrik kennen und verstehen, um im Fehlerfall eine Diagnose oder sogar Reparaturen vornehmen zu können.

Noch schöner als das Fahren – oder zumindest genauso schön – ist für viele Skipper das Selbermachen. Wenn man nicht gerade zwei linke Hände hat und sich der Chancen, aber auch der Risiken von Strom an Bord bewusst ist, kann man vieles in der Bordelektrik selbst bewerkstelligen.

Von der Erweiterung oder Modernisierung der Ausrüstung bis zur Runderneuerung der elektrischen Installation gibt es viel Gestaltungsraum für die dunklen Monate im Winterlager.

Auf diesem Weg möchte ich Sie mit »Theorie und Praxis der Bordelektrik« in der nun aktualisierten 8. Auflage unterstützen. Entdecken Sie auf mehr als 240 Seiten komprimiertes Wissen sowie praxiserprobte Anregungen. Die Themenvielfalt rund um die Bordelektrik (und der installierten Systeme an Bord) ist so ausgeufert, dass ein umfassender Ein- und Überblick diesen Platz benötigt: Innovative Energiespeicher, diverse Lademöglichkeiten, Kommunikation der Geräte untereinander, Beleuchtungskonzepte, Antriebssysteme und vieles mehr wollen beschrieben werden.

Das Gemeinsame an all diesen Systemen ist die Abhängigkeit von wenigen, aber sehr wichtigen Grundlagen: Wie komme ich von der Leistung zum notwendigen Kabelquerschnitt? Welche Batteriekapazität brauche ich? Welche Risiken hat Strom an Bord? Und welche Vorschriften muss ich beachten, um weder das Schiff, die Besatzung noch den Versicherungsschutz zu gefährden?

Kommt Ihnen die ein- oder andere Frage bekannt vor? Dann willkommen an Bord: Hier bekommen Sie Antworten!

Das Buch unterstützt Sie, sich mit der Materie vertraut zu machen, um in Fachgesprächen mit einer Werft und Handwerkern klar Ihre Interessen vertreten zu können.

Es bietet Ihnen Sicherheit, sich z. B. auf dem nächsten Chartertörn selbst zu helfen, wenn in der abgelegenen Ankerbucht die elektrische Ankerwinsch nicht laufen will.

Sie werden wissen, welche Batterietypen und -größen für Ihre Anwendung und Bedürfnisse die optimale Lösung bei Ihnen an Bord sein werden.

Und es dient Ihnen als treuer Begleiter, um spezifische Themen rund um die Bordelektrik bei Bedarf nachzuschlagen.

Ich wünsche Ihnen viel Vergnügen bei der Lektüre und noch mehr Spaß bei der erfolgreichen Umsetzung an Bord.

Jens Feddern

1. Grundlagen

1.1 Spannung, Strom, Leistung und ihr Zusammenhang

Die Bordelektrik kann relativ komplexe Formen annehmen, lässt sich aber auf wenige Gesetzmäßigkeiten zurückführen. Kennt man diese, so sieht man die Planung, Nachrüstung und Fehlersuche mit ganz anderen Augen.

Die Elektrizität ist eine Energieform, die sich relativ einfach erzeugen (z. B. durch einen Generator), speichern (Batterie) und transportieren (Leitungen) lässt. Am Verbraucher wird diese Energie in mechanische Bewegung (Elektromotor), Licht oder Wärme umgewandelt.

Die erste wichtige Größe ist die Leistung, die mit dem Buchstaben P abgekürzt und in Watt (W) gemessen wird. Die Leistung gibt an, wie viel elektrische Energie an einem Verbraucher benötigt wird, z. B. 25 W für eine Positionslaterne, 100 W für eine Trinkwasserpumpe oder 1.000 W für eine Kaffeemaschine. Für die Auslegung der Bordelektrik muss man die Leistung der Verbraucher kennen, denn die dafür erforderliche Energie muss an Bord zur Verfügung gestellt und transportiert werden.

Die Energie wird häufig in Batterien gespeichert. Eine wichtige Kenngröße der Batterie ist die Spannung, die mit U abgekürzt und in Volt (V) gemessen wird. Von der Batterie muss die elektrische Energie zum Verbraucher transportiert werden. Hierfür werden Leitungen verwendet, durch die der Strom mit der Abkürzung I fließt, gemessen in Ampere (A).

Die drei Größen stehen im folgenden Zusammenhang und bilden praktisch das erste Grundgesetz für die Bordelektrik:

Kennt man die Leistung (z. B. vom Typenschild) sowie die Spannung (Batterie), so lässt sich einfach durch Umstellung der fließende Strom berechnen:

Der Strom ist eine sehr wichtige Kenngröße für den Bordelektriker, denn durch ihn wird entschieden, ob die Bordelektrik funktioniert oder in Rauch aufgeht. Kennt man den Strom, so kann man die Leitungen und Sicherungseinrichtungen entsprechend korrekt dimensionieren.

Der elektrische Strom, der durch die Zuleitung zur Positionslampe fließt, erhitzt die dünne Drahtwendel in der Lampe bis zur Weißglut. Die gleiche Stromstärke erwärmt die dicke Zuleitung aber kaum. Demnach hängt die Erwärmung von der Dicke (besser gesagt Querschnittsfläche), der Länge und dem Material der Leitung ab.

Die Erwärmung der Leitung ist ebenfalls eine Form von Energie, die durch den Widerstand der Leitung verursacht wird. Der Widerstand hat den Buchstaben R und wird in Ohm (Ω) gemessen.

Der spezifische Widerstand ist materialbedingt und beträgt für Kupfer z. B. 0,0178 Ω • mm2/m.

Je länger die Leitung wird, desto größer ist der Widerstand, und je dicker die Leitung ist, desto kleiner ist der Widerstand. Die Auswirkungen des Widerstands werden im zweiten Grundgesetz der Bordelektrik deutlich, dem ohmschen Gesetz:

Bei der Spannung handelt es sich um den Spannungsabfall, der an dem Leitungswiderstand abfällt und somit für den eigentlichen Verbraucher nicht mehr zur Verfügung steht.

Je größer der Widerstand ist (d.h. je dünner und länger die Leitung ist) und je höher der Strom ist, desto größer werden die Verluste in den Leitungen. Die Erwärmung der Leitung durch diese Verluste kann durchaus so groß werden, dass die Isolierung schmilzt und ein Brand verursacht wird!

Im 230-V-Netz zu Hause hat ein Toaster eine Leistungsaufnahme von 1.500 W.

Abbildung 1–1: Mit der Wärmebildkamera können die Leitungsverluste gut veranschaulicht werden. (TLC Elektronik)

Durch die Zuleitung fließt daher ein Strom von ca. 7 A. Für diesen Strom ist ein Kabel mit einer Querschnittsfläche von 0,75 mm2 ausreichend. Im 12-V-Bordnetz entspricht aber der gleiche Strom gerade mal einer Leistung von 84 W! Ein Scheinwerfer mit einer Leistung von 150 W hat bereits eine Stromaufnahme von 12,5 A, der die 0,75-mm2-Leitung überlasten würde.

Daraus wird deutlich, dass an Bord dickere Kabelquerschnitte notwendig sind – Materialien für die Hausinstallation können nur bedingt verwendet werden.

1.2 12 V oder 24 V – die richtige Wahl der Bordspannung

Die Gleichspannungsnetze an Bord werden grundsätzlich aus Batterien gespeist, deren Spannung 12 V beträgt. Die Bordnetzspannung kann somit ganzzahlige Vielfache von 12 betragen: 12, 24, 36 oder 48 V.

Die Betriebsspannung der angeschlossenen Verbraucher gibt die Anforderungen an das Bordnetz vor. Viele Geräte aus dem Kfz-Umfeld sind für eine Betriebsspannung von 12 V ausgelegt, daher hat sich dieses Spannungsniveau häufig an Bord etabliert.

Abbildung 1–2: Getaktete Gleichspannungswandler für den Bordbetrieb. (Mastervolt)

In der Berufsschifffahrt sind die Leitungslängen deutlich länger, daher ist hier eine Bordnetzspannung von 24 V üblich.

Ein Vorteil von vielen 24-V-Geräten der Berufsschifffahrt besteht darin, dass sie zum Großteil für den Einsatz an Bord konzipiert worden sind.

Elektrische Großverbraucher bekommen an Bord immer mehr Bedeutung. Ob elektrische Ankerwinde, das Bugstrahlruder oder die elektrische Winsch – sobald diese Geräte eine echte Hilfe sein sollen, äußern sie einen gnadenlosen Durst nach Strom.

Die Auswirkungen auf die Installation sind erheblich, denn das gesamte Material muss für diese Ströme ausgelegt sein: Die Batterie muss in der Lage sein, den erforderlichen Strom abzugeben, die Kabelquerschnitte bewegen sich häufig bei mehr als 100 mm2, die Schalter und Schütze müssen mit dem Abrissfunken der hohen Ströme klarkommen, und der Rotor muss über die Kohlebürsten den hohen Strom aufnehmen. Hier stoßen 12-V-Anlagen sehr schnell an ihre Grenzen.

Elektrische Bugstrahlanlagen in 12 V gibt es bis maximal 5,7 kW. Für höhere Leistungen werden 24- oder 48-V-Systeme installiert.

Die Erzeugung von 230-V-Wechselspannung an Bord über einen Wechselrichter ist heute kein Luxus mehr, sondern fast Standard. Schnell die Espressomaschine anzuwerfen oder mit dem Staubsauger durchs Vorschiff zu saugen, sind Grundbedürfnisse.

Die Kaffeemaschine mit Effizienzklasse A benötigt trotzdem eine Leistung von 1.260 W, was einem Strom von weit über 100 A entspricht, den der Wechselrichter aus der 12-V-Batterie ziehen muss.

Abbildung 1–3: Parallel- und Reihenschaltung von elektrischen Widerständen.

Je höher die Ströme, desto aufwendiger und teurer wird die Installation. Geräte, die mit höherer Spannung betrieben werden, sind in der Regel kostspieliger. Aus diesem Grund werden häufig Mischformen an Bord installiert, z. B. 12-V-Systeme für das »normale« Bordnetz und separate 24-V-Installationen für das Bugstrahlruder und die Maschinenanlage.

Um Geräte mit unterschiedlicher Betriebsspannung im gleichen Netz verwenden zu können, sind elektronische Spannungswandler erforderlich. Es ist nicht zu empfehlen, die 12 V direkt an der Batterie abzuzapfen, da die Batterien damit ungleichmäßig entladen werden und sich ihre Lebensdauer deutlich verringert.

Spannungswandler sollten zusammen mit dem Verbraucher abgeschaltet werden, um Verluste durch Ruheströme zu vermeiden.

Bei der Auswahl geeigneter Spannungswandler bieten sich getaktete Geräte an, die im Vergleich zu linearen Wandlern einen erheblich besseren Wirkungsgrad haben. Während lineare Wandler einen Großteil ihrer Energie in Wärme abgeben, erreichen getaktete Wandler einen Wirkungsgrad von mehr als 90 %. Der Schaltungsaufwand ist bei getakteten Systemen höher, um schädliche Störungen zu minimieren.

1.3 Minus und Masse – wo ist der Unterschied?

Zwei Begriffe, die häufig verwechselt werden, stehen in diesem Abschnitt im Vordergrund. Als Minus bezeichnet man grundsätzlich den negativen Pol einer Spannungsquelle.

Bei der Bordnetzbatterie ist diese der kleinere Anschlusspol. Viele Geräte werden an den Anschlussklemmen mit dem Plus- und Minuseingang gekennzeichnet.

Ganz unabhängig davon ist die Bezeichnung Masse. Im ursprünglichen Sinne ist die Masse nur ein Potenzial, auf das man alle anderen Spannungen bezieht. Daher liegen an der Masse 0 V an. Dies ist nur eine Vereinbarung, um u. a. angegebene Spannungen zwischen den gleichen Punkten zu messen.

In der DIN EN ISO 13297 wird die Masse gleich der Erde des Wasserfahrzeugs gesetzt, und sie bedeutet eine leitende Verbindung (beabsichtigt oder unbeabsichtigt) mit der allgemeinen Erde, einschließlich jedes leitenden Teils der benetzten Oberfläche des Rumpfes.

Tabelle 1–1: SI-Vorsätze für dezimale Vielfache und Teile (Auswahl).

Abbildung 1–4: Massesammelschiene. (BlueSea) Die Massesammelschiene dient als zentraler Erdungspunkt an Bord. Von hier aus werden alle Masseleiter sternförmig zu den Verteilungen bzw. Verbrauchern geführt.

Bei elektrischen Anlagen und Verbrauchern bildet das Gehäuse die Masse. Wir sind es gewohnt, dass der Minuspol an der Masse angeklemmt ist und alle anderen Spannungen auf dieses Potenzial bezogen werden. Das bedeutet, dass man z. B. zwischen dem Pluspol der Batterie und der Masse – sprich dem Rumpf oder dem Gehäuse – eine Spannung von 12 V misst. Viele Geräte haben bereits vom Hersteller aus den Minuspol auf Masse – sprich auf dem Gehäuse. Dies trifft man besonders bei Autoradios, Motoren und Radaranlagen an.

Würde man nun den Pluspol an Masse klemmen, so würde man von einem heftigen Funkenregen überrascht werden, da auf diese Weise ein perfekter Kurzschluss aufgebaut wird.

Wenn schon ein Potenzial an die Masse geklemmt werden muss, dann auf jeden Fall der Minuspol!

Die DIN EN ISO 13297 schreibt entweder ein vollständig isoliertes Zweileiter-Gleichstromsystem vor oder eines mit negativer Masse. Die Betonung liegt hierbei aber auf »Zweileitersystem«, d. h. jeder Verbraucher erhält ein Kabel mit einem Plus- und einem Minusleiter. Der Rumpf des Bootes darf – im Gegensatz zum Kfz – nicht als stromführender Leiter genutzt werden.

Die beste Lösung wäre, die elektrische Anlage komplett massefrei aufzubauen. Das hieße, dass überhaupt kein Potenzial am Rumpf anliegen würde. Dies wäre in der Praxis aber nur mit erheblichem Aufwand zu verwirklichen, da viele Geräte und Motoren bereits den Minuspol auf Masse haben.

Massefreie Anlagen sind z. B. bei Tankschiffen Vorschrift und sollten besonders bei Aluminium-Booten angestrebt werden, um die galvanische Korrosion zu vermeiden. Da viele Geräte und Maschinen für den Bordeinsatz aus der Kfz-Industrie kommen, sind sie grundsätzlich auch für einen Betrieb mit »Minus an Masse« ausgelegt. Massefreie Geräte sind somit fast »Exoten«, zumindest für den Markt der Sportschifffahrt. Mittlerweile werden aber viele Geräte für den Bordeinsatz auch massefrei angeboten, wie z. B. die gesamte Sensorik für die Motorüberwachung und isolierte Lichtmaschinen.

Problematischer wird es beim Anlasser, der in der Regel die Masse am Gehäuse hat. Da dieser den Strom aber nur beim Anlassen benötigt, könnte man den Minusanschluss für die Motormasse im Moment des Startens über einen Leistungsschütz zuschalten. Dieser muss dann aber den gesamten Anlassstrom (mehrere Hundert Ampere) verkraften. Aufpassen muss man beim elektrischen Absteller. Hier kommen zum Teil Ventile mit Masseanschluss zum Einsatz, die während der gesamten Laufzeit des Motors Strom benötigen. Und somit ist die Anlage schon wieder nicht massefrei. Der Teufel einer massefreien Anlage liegt im Detail, und sobald wir zusätzlich die Erdung der 230-V-Installation betrachten, wird es noch eine Spur schwieriger. Daher wird man häufig einen Kompromiss finden müssen.

Bei massefreien Systemen müssen alle Schalter und Sicherungen grundsätzlich zweipolig ausgeführt werden. Verbraucher, die bereits Minus auf Masse haben, müssen besonders gute Minusverbindungen haben, da sie den Stromkreis sonst einfach über die Masse fortsetzen. An allen Anschlussklemmen können sich mit der Zeit durch Korrosion Übergangswiderstände bilden. Daher müssen die Klemmen regelmäßig kontrolliert und gegebenenfalls gereinigt werden.

Auch die Maschinenanlage muss über eine ausreichende Leitung mit dem Minuspol der Batterie verbunden sein, da besonders hier durch den Anlasser und die Lichtmaschine hohe Ströme auftreten können.

Befinden sich an Bord mehrere Batteriesätze, so müssen die einzelnen Minuspole auf einer Sammelschiene verbunden werden, von der aus die Einspeisung zu den Verbrauchern erfolgt. Alle geerdeten Geräte an Bord werden mit einem zentralen Erdanschluss mit ausreichendem Querschnitt verbunden. Nach den Vorschriften der Schiffsuntersuchungskommission (SUK) müssen Navigationslichter allpolig abgesichert werden. Auch für die UKW-Funkanlage gelten ähnliche Vorschriften, die besagen, dass sowohl der Plus- als auch der Minuspol abgesichert und abschaltbar sein müssen.

Die Schäden, die durch falsche Minus- und Masseverkabelung entstehen, werden häufig unterschätzt, obwohl diese erheblich sein können – bis hin zum Verlust des gesamten Fahrzeugs. So praktisch eine Kfz-Verkabelung an Land ist, an Bord hat sie nichts zu suchen!

1.4 Galvanische Ströme – was verbirgt sich dahinter?

Ende des 18. Jahrhunderts beobachtete der italienische Arzt und Naturforscher Luigi Galvani, dass seine leblosen Frösche, die er auf eine Leine gespannt hatte, bei Regen auf einmal zuckten. Nach genauerer Untersuchung stellte er fest, dass zwei unterschiedliche Metalle, die leitend miteinander verbunden sind und sich in einem Elektrolyten (einer leitenden Flüssigkeit) befinden, einen Gleichstrom erzeugen. Diese Entdeckung prägt noch heute unsere gesamte Bordelektrik, auch wenn wir keine Frösche an Bord haben. Der galvanische Effekt wird zum einen verwendet, um elektrische Energie speichern zu können.

Die andere Seite des Effekts ist die Zersetzung von Metall unter dem Einfluss der Elektrizität. Beim Galvanisieren nutzt man diesen Effekt aus, um eine Oberfläche sehr dünn (0,001 bis 0,05 mm) zu veredeln, z. B. beim Vergolden. Und wie sieht es am Schiff aus? Häufig ist es aus einem Metall (Stahl, Aluminium) oder hat Metallteile (Welle, Propeller, Antrieb), die sich im Wasser befinden. Hier lohnt es sich, einen Blick hinter die Kulissen zu werfen.

Jedes Metall verhält sich unterschiedlich in einem galvanischen Element. Tabelle 1–2 gibt einen Überblick über die elektrochemische Spannungsreihe.

Die unterschiedlichen Metalle haben verschiedene Referenzspannungen. Wenn zwei verschiedene Metalle miteinander kurzgeschlossen werden und sich in einer leitenden Flüssigkeit befinden (Elektrolyt), beginnt ein elektrischer Strom zu fließen. Hierbei werden elektrisch geladene Metallteilchen transportiert. Der Strom fließt so lange, bis das Metall mit dem niedrigsten Potenzial (Spannung) verbraucht ist. Die Abnutzung des Metalls wird galvanische Korrosion genannt. Besonders zu beachten ist, dass der beliebte Werkstoff Aluminium aus galvanischer Sicht einer der unedelsten (–0,9 V) ist und daher geradezu prädestiniert dafür, sich aufzulösen.

Auf einem Schiff gibt es drei Situationen, in denen verschiedene Metalle in einen Elektrolyten getaucht werden. Salzwasser und sogar verschmutztes Frischwasser sind hervorragende Elektrolyten.

Der erste Effekt steht nicht im direkten Zusammenhang mit dem elektrischen System, ist aber dennoch sehr wichtig. Der Propeller, der z. B. aus Manganbronze (-0,3 V) besteht, ist mit dem Motor über den Propellerschaft und das Getriebe verbunden. Bei einem Stahlschiff liegt die Spannungsdifferenz zwischen Rumpf und Propeller bei 0,3 V (-0,6 bis -0,3 V), bei Aluminium bei 0,6 V. Normalerweise ist das Schiff durch eine Lackierung geschützt. Durch einen Kratzer in der Lackierung kann jedoch ein elektrischer Strom zwischen zwei Metallen, die in einen Elektrolyten (Wasser) eingetaucht sind, zu fließen beginnen, und das unedlere Metall (in diesem Fall der Rumpf) löst sich auf. Die einzige Lösung dieses Problems besteht in der Installation einer Opferanode. Diese Anode besteht in der Regel aus Zink und hat ein niedrigeres Potenzial als Propeller oder Rumpf. Sie wird daher anstelle dieser »geopfert«. Besonders vorsichtig muss man beim Einsatz unterschiedlicher Metalle unterhalb der Wasserlinie sein. So schön Kühlschlangen, Ruderschaft, Stabilisatoren u. Ä. aus Edelstahl sind, verbunden mit Stahl oder Aluminium im Wasser kann man dort böse Überraschungen erleben.

Tabelle 1–2: Elektrochemische Spannungsreihe. (Mastervolt)

Abbildung 1–5: Ein galvanisches Element besteht aus zwei unterschiedlichen Metallen mit einer leitenden Verbindung, die sich in einem Elektrolyten befinden.

Abbildung 1–6: Opferanoden aus Zink oder Magnesium werden anstatt des Rumpfes abgetragen.

Im zweiten Fall sind die Batterien die »Schuldigen«. Der Minuspol der Batterie wird normalerweise geerdet, indem der Rumpf mit einem zentralen Erdanschluss verbunden wird.

Wenn andere Minuspole ebenfalls geerdet werden (z. B. vom Motor), kommt es zu kleinen Spannungsunterschieden zwischen den Erdanschlüssen, durch die ebenfalls der oben beschriebene elektrochemische Prozess verursacht wird. Noch schlimmer wird es, wenn man den Rumpf entgegen der geltenden Vorschriften als stromführenden Leiter verwendet. Alle geerdeten Geräte an Bord sollten daher mit einem zentralen Erdanschluss mit ausreichendem Querschnitt verbunden und der Rumpf nicht als stromführender Leiter verwendet werden.

Abbildung 1–7: Galvanisches Element über den Landanschluss. (Mastervolt)

Der dritte Fall steht im Zusammenhang mit der Erdung des Landstroms, durch die ebenfalls Elektrolyse in Form einer galvanischen Korrosion entstehen kann. Der Landstrom wird über eine Stahlstütze im Boden geerdet und ist dadurch mit dem Grundwasser (also auch dem Oberflächenwasser) verbunden. Wenn ein Aluminiumschiff neben einer Stahlwand anlegt oder ein Stahlschiff neben einem Schiff mit einem Bronzepropeller, sind wieder zwei verschiedene Metalle in einen Elektrolyten getaucht und über die Erdung des Landanschlusses verbunden. Hierbei wird aber nicht die rostige Spundwand geopfert, sondern das elektrisch unedle Aluminium in seine Bestandteile zersetzt. Um diesen Effekt zu vermeiden, muss man also die leitende Verbindung über die Erdung des Landanschlusses loswerden. Halt – das grün-gelbe Kabel einfach abzuklemmen, ist nicht die Lösung des Problems! Ohne Erdung funktionieren die Schutzmaßnahmen im 230-V-Netz nicht richtig. Daher empfiehlt es sich, das Landanschlusskabel direkt auszustecken, wenn man es nicht mehr braucht, und den Landanschluss auch nicht während der Abwesenheit eingesteckt zu lassen. Die beste Lösung ist jedoch die Installation eines Isolations- oder Trenntransformators, die in Abschnitt 10.4.2 genauer beschrieben ist.

1.5 Kabelarten

Bei der Bordinstallation wird zwischen Kabel und Leitungen unterschieden: Leitungen sind grundsätzlich Einzeladern, in einem Kabel sind mehrere Einzeladern zusammengefasst und von einem Mantel umgeben.

Die Leitung oder Ader besteht aus einem festen Draht oder aus vielen Einzeladern (Litzen), die die Leitung flexibel machen.

Starre Leitungen oder Kabel sind nur für feste Verlegung vorgesehen und können daher an Bord nicht verwendet werden. Die dort herrschenden ständigen Bewegungen, Schwingungen und Erschütterungen können zu einem Kabelbruch führen.

Das Kabel wird durch folgende Eigenschaften charakterisiert:

•Anzahl der Leiter (Adern)

•Querschnittsfläche der Leiter

•Material des Leiters

•Einzeldrähte eines Leiters

•Farbe der Leiter

•Material und Art der Ummantelung des Kabels

•Spannungsfestigkeit des Leiters

•Temperaturbeständigkeit des Kabels

Gemäss den internationalen Normen für elektrische Gleich- und Wechselstromanlagen für kleine Wasserfahrzeuge (DIN EN ISO 13297:2021) wird die Auswahl der Leiter an Bord eingeschränkt, denn nach ihr dürfen nur isolierte Litzenleiter aus Kupfer verwendet werden. Zusätzlich muss die Isolierung aus feuerhemmendem Werkstoff sein. Die Mindestquerschnittsfläche beträgt 1 mm2, nur für die Verdrahtung innerhalb einer Verteilertafel dürfen auch 0,75 mm2 verwendet werden.

Abbildung 1–8: Gummischlauchleitung. (SVB)

Beim Refit älterer Installationen hat der ein oder andere Skipper bereits festgestellt, dass das Kupfer in seinen Leitungen nicht mehr rötlich, sondern schwarz ist. Durch Sauerstoffeinfluss hat sich auf den Einzeladern Kupferoxid gebildet. Dieses ist wasserunlöslich, elektrisch leitend und braun bzw. schwarz. Möchte man diesen Effekt umgehen, so bietet sich der Einsatz von verzinnten Kupferleitungen an, die deutlich korrosionsbeständiger sind.

Abbildung 1–9: Verzinnte Einzelader. (SVB)

Kabel, die fest (durch Kabelkanäle geschützt) installiert werden, können mit zweipoligen, einfach isolierten Kabeln durchgeführt werden. Werden die Kabel anderen Einflüssen wie UV-Licht oder mechanischer Beanspruchung ausgesetzt, so müssen diese zusätzlich ummantelt sein. Bei geschützter Installation unter Deck bietet sich PVC-Ummantelung an, für Leitungen an Deck sollte es PUR-Ummantelung sein. PUR-Kabel sind für höhere mechanische und UV-Licht-Beanspruchung ausgelegt und haben eine gute Öl- und Chemikalienbeständigkeit. Bei PUR-Leitungen kommt der Kunststoff Polyurethan zum Einsatz, womit sich eine deutliche Abgrenzung von klassischen PVC-Kabeln ergibt. PUR-Kabel zählen zu den halogenfreien Kabeln, zeichnen sich durch eine gute Widerstandsfähigkeit gegenüber UV-Strahlen, Chemikalien sowie mineralischen Ölen aus und sind aufgrund ihrer gummiähnlichen Eigenschaften überaus dehnbar. Die Verkabelung der Maschinenanlage bedarf besonderer Aufmerksamkeit. Die elektrische Installation muss für Umgebungstemperaturen von 70 °C dimensioniert werden, und es ist davon auszugehen, dass die Kabel mit Öl, Fett und Lösungsmitteln in Verbindung kommen. Zusätzlich sind die Leitungen, die direkt an die Maschine führen, ständiger mechanischer Beanspruchung und Vibrationen ausgesetzt.

Abbildung 1–10: Ummanteles Kabel mit Abschirmung schützt auch vor mechanischer Beanspruchung. (LAPP Kabel)

PVC als Kabelmantel wird mit der Zeit hart und bruchgefährdet, und die oben genannten Einflüsse beschleunigen den Prozess. Außerdem ist PVC brennbar und sollte daher im Maschinenraum nicht installiert werden.

Für die Verkabelung der Maschine empfiehlt sich feindrahtige, verzinnte Kupferlitze mit Silikonmantel.

Abbildung 1–11: Silikonkabel für die Maschinenverkabelung. (kabeltronik)

Ab einer Querschnittsfläche von 6 mm2 werden die Adern meistens als Einzelleiter ausgeführt, da mehradrige Kabel aufgrund der Dicke an Bord schwer zu verlegen sind.

Abbildung 1–12: Große Querschnitte sind meistens Einzelleiter. (Vetus)

In den oben genannten Beispielrechnungen wurden teilweise erforderliche Kabelquerschnitte von bis zu 100 mm2 ermittelt. Hierbei ist zu beachten, dass man der Versuchung widerstehen muss, den erforderlichen Querschnitt durch das Parallelschalten mehrerer dünnerer Leitungen zu erreichen. Nur bei einer korrekten Absicherung jeder einzelnen Leitung ist dieser Ansatz denkbar, sonst besteht die große Gefahr, dass die gesamte Elektrik samt Boot in Rauch aufgeht.

Für viele Geräte kommen konfektionierte Steuerleitungen zum Einsatz. Hierbei handelt es sich um Kabel, die bis zu 100 Einzelleiter in einem Mantel vereinen. Je nach Anwendungszweck werden diese Kabel häufig geschirmt ausgeführt, um vor äußeren elektromagnetischen Einflüssen geschützt zu sein.

Ist an den Enden bereits ein Stecker befestigt, so erleichtert dies den Anschluss enorm. Bei der Verlegung kann dieser jedoch hinderlich sein. Sollte das konfektionierte Kabel zu lang sein, so muss es nicht zwangsläufig gekürzt werden, sondern kann in großen Buchten mit Kabelbindern zusammengebunden werden. Dies ist besonders hilfreich, wenn man das Gerät zur Überprüfung auch im ausgebauten Zustand anschließen möchte.

Reicht die Kabellänge nicht aus, so lohnt es sich, beim Hersteller nach geeignetem, ebenfalls konfektioniertem, Verlängerungskabel zu fragen. Dort erfährt man auch, welche maximale Länge zulässig ist und mit welchem Kabeltyp ggf. eine Verlängerung durchzuführen ist.

Abbildung 1–13: Koaxkabel. (SVB)

Kabel für die Übertragung von hochfrequenten Signalen (z. B. Anschluss von Antennen) unterscheiden sich grundlegend im Aufbau und in den elektrischen Eigenschaften. Das Signal wird von einem Mittelleiter übertragen, der von einem äußeren Drahtgeflecht abgeschirmt wird. Neben dem Ohmschen Widerstand, der die Signale dämpft, spielt der Wellenwiderstand (Impedanz) eine noch größere Rolle. Dieser setzt sich aus der Induktivität und der Kapazität des Koaxialkabels zusammen.

Das hochfrequente Signal wird im Koaxialkabel als Welle übertragen. Wird ein Stein ins Wasser geworfen, so sieht man Wellen in Form konzentrischer Kreise, die sich um die Eintrittsstelle des Steins bilden und mit einer bestimmten Geschwindigkeit ausbreiten. Befindet sich bei der Ausbreitung der Welle etwas im Weg, z. B. eine Stange im Wasser, so sieht man, dass die Welle an dieser Stelle reflektiert wird und sich mit der Originalwelle überlagert.

Ähnliche Effekte treten im Koaxialkabel auf und führen zu Fehlanpassungen und Verlusten, wenn der Wellenwiderstand nicht durch das gesamte System bestehend aus Antenne, Steckverbindung, Kabel und Empfänger abgestimmt (= identisch) ist. Bei Fehlanpassungen kommt es zu Reflexionen, und der Empfang wird deutlich schlechter bis unmöglich bzw. das Senden erheblich verschlechtert. Die beste Sende- und Empfangsanlage sowie die besten Antennen nützen daher wenig, wenn nicht die korrekte Impedanz der Kabel sowie der Steckverbindungen gewählt wurde. Zusätzlich wird bei den Kabeln auch der minimale Biegeradius angegeben, der für die korrekte Ausbreitung der Welle nicht unterschritten werden darf.

Das Gemeine an Koaxialkabeln ist, dass die Impedanz sich mit der Frequenz verändert und mit Bordmitteln praktisch nicht gemessen werden kann. Mit dem Multimeter kann nur der Ohmsche Widerstand ermittelt werden, der aber nichts über die Impedanz aussagt (auch wenn beide die Einheit Ohm haben). Die korrekte Anpassung merkt man an Bord praktisch erst, wenn der Empfang am Gerät optimal ist. Also Augen auf bei der korrekten Materialwahl:

UKW-Funkgeräte, GSM-Empfänger, GPS-, DAB- und WLAN-Antennen benötigen meistens eine Impedanz von 50 Ohm. Als Kabel wird häufig der Typ RG58 verwendet.

Die Steckverbindungen für diese Anwendungen müssen ebenfalls eine Impedanz von 50 Ohm haben. Die UKW-Funkantenne wird grundsätzlich mit einem UHF-Stecker angeschlossen. Der Anschluss muss für das RG58-Kabel geeignet sein und wird je nach Ausführung entweder gelötet, gekrimpt oder geschraubt. In die Steckverbindungen und in die Kabel darf keine Feuchtigkeit eindringen, da diese die elektrischen Eigenschaften und somit die Impedanz verändert.

Für die anderen oben genannten Geräte werden häufig SMA-Steckverbindungen verwendet, die eine Impedanz von 50 Ohm haben und deutlich kleiner sind als die UHF-Steckverbindungen.

DAB-Antennen verfügen häufig über SMB-Stecker, die noch eine Nummer kleiner sind.

Der Anschluss der SMA- und SMB-Stecker wird meistens mit Löten und Krimpen ausgeführt.

Fernsehen und Rundfunk sowie Kameras benötigen häufig eine Impedanz von 75 Ohm. An Land ist diese Verkabelung in 75 Ohm ausgeführt. An Bord muss in dem technischen Datenblatt der Geräte wie TV-Antenne, Satellitenantenne etc. nachgesehen werden, welche Impedanz erforderlich ist. Als Kabel mit 75 Ohm Impedanz wird häufig der Typ RG59 verwendet.

Die verwendeten Steckverbindungen müssen ebenfalls eine Impedanz von 75 Ohm haben und sollten gegen selbstständiges Lösen gesichert sein. Hier findet man z. B. den F-Stecker oder BNC-Steckverbindungen (die es aber auch in 50 Ohm gibt!).

Analogkameras übertragen ihr Signal ebenfalls über Kabel mit 75 Ohm Impedanz und haben einen BNC-Stecker als Anschluss.

Als Bordradio wird häufig ein Autoradio eingesetzt. Dieses verfügt bei DAB-Funktion über einen kleinen SMB-Anschluss für die 50-Ohm-DAB-Antenne sowie einen Antennenanschluss für die FM-Antenne. Und hier gibt es zwei Varianten, die nicht wirklich kompatibel sind:

Radios, die eine Antenne mit einem langen, schlanken Stecker (DIN) haben möchten, verfügen über eine Impedanz von 150 Ohm. Diese muss dann auch die Steckverbindung, das Kabel sowie die Antenne haben.

Verfügt das Radio jedoch über einen flachen, runden Stecker (ISO), so handelt es sich um einen 50-Ohm-Anschluss, der diese Impedanz auch von Kabel, Stecker und Antenne erwartet.

Es gibt auf dem Markt Adapter von einem zum anderen Steckertyp. Hierbei handelt es sich jedoch nur um eine mechanische Anpassung und nicht um eine Anpassung der Impedanz.

Digitale Netzwerke wie NMEA 2000 und LAN werden ebenfalls mit speziellen Kabeln aufgebaut, deren Impedanz an die speziellen Anforderungen angepasst sind. Bei NMEA 2000 (CAN-Bus) beträgt die Impedanz z. B. 120 Ohm, bei LAN-Netzwerkkabeln 100 Ohm. Da bei dieser Übertragung mehrere Adern benötigt werden, bestehen die Kabel aus mehreren, verdrillten Aderpaaren, die pro Paar und zusätzlich insgesamt abgeschirmt sind.

Für die Verkabelung der 230-V-Anlage dürfen nur Kabel mit einer Nennspannung von 300/500 V bzw. 300/300 V bei flexiblen Leitungen eingesetzt werden. Grundsätzlich sollten die Leiter an der Farbe ihrer Isolierung erkennbar sein. Bei den nach DIN EN ISO 13297 zulässigen Farben für die einzelnen Leiter gelten folgende Regeln:

Die Schutzleiterisolierung der 230-V-Verkabelung muss grün oder grün mit gelben Streifen sein. Keine der beiden Farben darf für stromführende Leiter verwendet werden.

Das Gleiche gilt auch für alle Potenzialausgleichsleiter der Gleichstromverkabelung. Hierbei ist aber zu beachten, dass dies nicht die stromführenden Minusleitungen sind!

Tabelle 1–3: Beispiel einer Leistungsbilanz.

Weiter gelten für die Verkabelung des Wechselstromnetzes folgende Zuordnungen:

grün/grün-gelb

braun

blau oder weiß

Bei der Gleichstromverkabelung wird es gemäß DIN EN ISO 13297 mit den Farben etwas schwieriger:

Alle negativen Leiter müssen durch schwarze oder gelbe Isolierung gekennzeichnet sein. Wird die Farbe Schwarz bereits für das Wechselstromnetz verwendet, so muss für den negativen Leiter die Farbe Gelb verwendet werden. Schwarze oder gelbe Isolierung darf nicht für positive Leiter eines Gleichstromsystems verwendet werden. In Wasserfahrzeugen mit Gleich- und Wechselspannungs-Systemen sollte der Gebrauch von braunen, weißen oder hellblauen Leiterisolationen in den Gleichstromsystemen vermieden werden […]

Andere Mittel der Kennzeichnung als Farben für positive DC-Leiter sind erlaubt, wenn diese im elektrischen Schaltplan für das Wasserfahrzeug genau beschrieben sind […] Die Leiterisolation (für den negativen Leiter) darf zusätzlich mit einem Farbstreifen gekennzeichnet sein, um den Leiter im System identifizieren zu können.

Eine annehmbare Alternative könnte somit in der zusätzlichen Kennzeichnung des Leiters an ausgewählten Orten mit einer entsprechenden Notiz in den Schaltplänen bestehen.

1.6 Kabelquerschnitte und ihre Berechnung

Die Strombelastbarkeit von Leitern und Kabeln wird von den beiden folgenden Bedingungen bestimmt:

•der höchsten zulässigen Leitertemperatur bei höchstmöglichem Dauerstrom unter normalen Bedingungen und

•der höchsten zulässigen kurzzeitigen Leitertemperatur unter Kurzschlussbedingungen

In die Berechnung des Kabelquerschnittes gehen mehrere Faktoren ein:

•Stromaufnahme des angeschlossenen Verbrauchers

•Länge des Kabels

•zulässiger Spannungsabfall

•Umgebungstemperatur

•maximal zulässige Erwärmung des Leiters

•verwendetes Leitermaterial

Als Erstes fertigt man sich eine sogenannte Leistungsbilanz an, in der alle gängigen Verbraucher aufgelistet werden (Tabelle 1–3). Diese Liste kann man beliebig erweitern, und sie richtet sich natürlich nach dem Ausrüstungszustand des Bootes.

Neben der Leistung, die am Verbraucher abgenommen wird, setzt auch der Kabelwiderstand elektrische Energie in Wärme um. Dadurch besteht bereits am Kabel ein Spannungsabfall, sodass die Spannung am Verbraucher niedriger ist als die eingespeiste. Die Spannungsabfälle dürfen bestimmte Werte nicht überschreiten. Der Spannungsabfall berechnet sich aus der Stromaufnahme des Verbrauchers und dem Leitungswiderstand, wobei beim Leitungswiderstand die doppelte Länge zu berücksichtigen ist, da die Hin- und Rückleitung einen Widerstand haben.

Der zulässige Spannungsabfall zwischen Stromquelle und Verbraucher ist festgelegt und darf folgende Werte nicht überschreiten:

Die Formel für den Spannungsabfall kann man nun nach dem erforderlichen Kabelquerschnitt umstellen:

Somit ergibt sich eine vereinfachte Faustformel (für 12-V-Anlagen):

Der gewählte Kabelquerschnitt muss immer größer oder gleich dem errechneten sein, das Ergebnis darf nicht abgerundet werden.

Beispiel:

Die Topplaterne eines Segelbootes mit einer Leistungsaufnahme von 25 W wird mit 12-V-Gleichspannung gespeist. Die Länge der Zuleitung von der Schalttafel bis zum Mast beträgt 13 m. Was für ein Kabelquerschnitt muss gewählt werden?

Nun kann man noch den tatsächlichen Spannungsabfall an dem gewählten Kabel bestimmen:

Berücksichtigt wurde in diesem Beispiel nur der Spannungsabfall, der von der Schalttafel bis zum Navigationslicht auftreten darf. Dies setzt natürlich voraus, dass die Zuleitung zur Schalttafel so dick ist, dass die bis dort auftretenden Verluste vernachlässigbar klein sind. Von der Schalttafel werden in der Regel fast alle Verbraucher gespeist. Die Stromaufnahme addiert sich sehr schnell:

Ein regnerischer Tag erfordert unter anderem das Navigationslicht, Scheibenwischer, Heizung, Navigationsgeräte und vieles mehr. Die Stromaufnahme kann sehr schnell größer als 25 A sein. Ein Kabel von 10 mm2 würde bereits bei einer Länge von nur 5 m einen Spannungsabfall von 0,4 V ergeben (3,3 %!). Während der Fahrt steigt die Batteriespannung durch das Laden mit der Lichtmaschine auf ca. 14 V an. Dieser Effekt darf bei der Berechnung des erforderlichen Kabelquerschnitts nur bedingt berücksichtigt werden, da Geräte auch am Ankerplatz funktionieren sollen. Zusätzliche Spannungsverluste an Klemmen, Sicherungen und Schaltern berücksichtigt die Berechnung nicht.

Mastervolt gibt in seinem Powerbook eine vereinfachte Dimensionierung der Batteriekabel in einem 12-V-Netz an: Der Durchmesser der Kabel wird errechnet, indem 1 mm2 pro drei Ampere genommen werden. Ein 60-Ampere-Batterielader erfordert also ein Kabel von 60 geteilt durch 3, also 20 mm2, und in diesem Fall sollte die nächste Standardgröße, also 25 mm2 gewählt werden. Diese Regel gilt für Kabel mit einer maximalen Länge von zweimal 3 Metern zwischen Lader und Wechselrichter.

Eine Querschnittserhöhung durch das Parallelschalten von mehreren, dünnen Leitern, ist eine gefährliche Sache. Löst sich nämlich nur eine der Leitungen und verursacht einen Kurzschluss, dann kann es sein, dass der Kurzschlussstrom nicht groß genug ist, um die vorgeschaltete Sicherung auszulösen. Die Leitung wird im wahrsten Sinne des Wortes in Rauch aufgehen und u. U. erheblichen Schaden anrichten.

Werden Kabel im Maschinenraum verlegt (Umgebungstemperatur 60 °C), so muss der in der Tabelle 1–4 angegebene maximal zulässige Strom mit dem Faktor 0,75 multipliziert werden.

1.7 Schaltpläne lesen und zeichnen

Schaltpläne erläutern die Arbeitsweise, die Leitungsverbindung, die räumliche Anordnung der Betriebsmittel und deren Zusammenwirken.

Diese Formulierung aus der DIN 40719 trifft den Nagel auf den Kopf. Es ist nicht das Ziel dieses Kapitels, alle interessierten Skipper zu vorbildlichen technischen Zeichnern auszubilden, sondern ein wenig Übersicht in die Elektrik zu bringen.

Fast jeder, der bereits im Bereich der Bordelektrik aktiv gewesen ist, hat auch schon den ein oder anderen Schaltplan angefertigt. Selbst die Skizze auf dem Schmierpapier kann man bereits als Plan ansehen, auch wenn der Kreis der Kenner, die diese Hieroglyphen entziffern können, klein ist.

Daher hat man sich auf eine Reihe von logischen Symbolen geeinigt, die für jeden (fast) unmissverständlich dieselbe Funktion ausdrücken. Dabei lassen diese Schaltzeichen nur die Wirkungsweise, nicht aber den konstruktiven Aufbau der einzelnen Komponenten (oder »Betriebsmittel«) erkennen. Für den Schaltplan ist es nahezu gleich, ob ein Schalter von Bosch oder ETA eingebaut wird, solange die Funktion die gleiche ist.

In diesem Bereich beschränke ich mich auf die einpolige Darstellung, angenähert an die DIN 40717.

Tabelle 1–4: Zulässiger Dauerstrom und Nennstromsicherung. (Germanischer Lloyd)

Der Vorteil an dieser Vereinbarung liegt darin, dass die Zeichnungen auch von anderen Fachleuten gelesen werden können und man sich selbst auch nach einiger Zeit noch zurechtfindet. Teilweise muss man die vorhandene Technik nach den Plänen anderer an neue Geräte anpassen. Für diesen Fall sollte man die gängigsten Schaltzeichen kennen.

Abbildung 1–14: Aufbau eines Schaltplans.

Abbildung 1–15: Schaltplansymbole.

Zusätzlich werden den Symbolen auch Buchstaben beigegeben. Diese verdeutlichen nochmals die Funktion und ermöglichen eine eindeutige Zuordnung. Jeder Schalter hat z. B. einen Buchstaben und eine Nummer, die sowohl im Schaltplan als auch am Schalter selbst auftaucht. Die Nummern für die einzelnen Komponenten werden in sinnvoller Reihenfolge vergeben, wobei eine Doppelvergabe innerhalb einer Schaltung nicht sinnvoll ist.

Tabelle 1–5: Kennbuchstaben für die Kennzeichnung der Art elektrischer Betriebsmittel (DIN 40719).

Ergänzt wird die Betriebsmittelkennzeichnung noch durch die vorangestellte Seitennummer, sodass man einen direkten Bezug zur Blattnummer des Schaltplans hat. Liest man z. B. am Scheibenwischermotor die Bezeichnung 61M2, so weiß man, dass dieser im Schaltplan Nr. 61 dokumentiert und dort der zweite Motor ist. Somit muss man sich bezüglich der Nummernvergabe nur auf ein Blatt konzentrieren, da ab dem nächsten Blatt diese wieder bei 1 startet. Ist dort auch ein Motor verschaltet, so würde dieser die Kennzeichnung 62M1 erhalten etc.

Abbildung 1–16: Klarsichtscheibe und Scheibenwischer der MS TÜMMLER zum Schaltplan Abb. 1–14.