Fehlerstromschutzschalter
Foto: Rainer Schwarz
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Der Fehlerstromschutzschalter ist eine Schutzeinrichtung in Stromnetzen. Er trennt den angeschlossenen, überwachten Stromkreis vom restlichen Stromnetz, wenn Strom auf falschem Weg, etwa durch den Körper einer Person, fließt. Dazu vergleicht der Fehlerstromschutzschalter die Stromstärke des ausgehenden Stromes mit der Stärke des zurückfließenden Stromes.
Fehlerstromschutzschalter werden im allgemeinen Sprachgebrauch FI-Schalter (F für Fehler, I für das Formelzeichen des Stroms), engl. Residual Current protective Device (RCD) oder (in USA und Kanada) Ground Fault Circuit Interrupter (GFCI) genannt. In der EU wurde die Bezeichnung RCD (Fehlerstromschutzeinrichtung ohne Hilfsenergie) Normung|genormt.
In Europa werden Fehlerstromschutzschalter heutzutage normalerweise im Sicherungskasten zusätzlich zu Überstrom-Schutzeinrichtungen (Leitungsschutzschalter, Schmelzsicherungen) installiert, in Nordamerika sind sie meist in Steckdosen integriert.
Funktionsprinzip
Die Funktion des RCD basiert auf einem Summen-Stromwandler, der alle zum und vom Verbraucher fließenden Ströme vorzeichenrichtig addiert. Wird irgendwo im Stromkreis ein Strom gegen Erde abgeleitet, so ist im Summenstromwandler die Summe von hin- und zurückfließendem Strom nicht mehr Null: es entsteht eine Stromdifferenz (, sprich: Delta I), die zum Ansprechen des RCD und damit zur Abschaltung der Stromzufuhr führt. Werden an dem Standard RCD Gleichrichter|B6-Gleichrichterschaltungen (etwa in Frequenzumrichtern) betrieben, wird dieser Schutzschalter bei einem Fehlerstrom hinter der Gleichrichterbrücke durch den dann vorhandenen Gleichfehlerstrom vormagnetisiert und totgelegt. Der RCD geht in Sättigung und kann auch Fehler an parallel betriebenen Geräten nicht mehr erkennen. Nur RCD Typ B, allstromsensitiv (mit Elektronik) sind dann noch funktionsfähig und zulässig. <ref>VDE 0160; EN 50178 Kap 5.2.11.</ref>
Aufbau des Summenstromwandlers
Der Summenstromwandler besteht aus einem Ringkern, gewickelt aus kristallinem oder nanokristallinem weichmagnetischem Band. Ferritkerne sind wegen der zu geringen Permeabilität (Magnetismus)|Permeabilität nicht geeignet. Um die notwendige Leistung für das Auslösen des RCD zu erreichen, sind Ringbandkerne mit einer gewissen Größe und Masse notwendig, typische Abmessungen sind Außendurchmesser etwa 25 mm, Innendurchmesser etwa 15 mm, Höhe 20 mm, typisches Gewicht 40 g.
Praxis, Vorschriften, Normen
Voraussetzung zum Einsatz des Fehlerstromschutzschalters ist, dass der Schutzleiter im normalen Betrieb keinen Strom führt. In einem Abschnitt eines TN-Systems, in dem der Schutzleiter gleichzeitig Neutralleiter ist (TN-C System), kann er daher nicht eingesetzt werden. Da jedoch der sogenannte PEN-Leiter (PE für Schutzleiter, N für Neutralleiter) im Hausanschlusskasten (HAK) in PE und N Leiter aufgeteilt wird, hat das keine Auswirkungen auf die normale Hausinstallation.
Bauarten
Fehlerstromschutzeinrichtungen vom Typ AC (wechselstromsensitiv) erfassen rein sinusförmige Fehlerströme. Diese Typen sind in Deutschland nicht zugelassen; hier sind pulsstromsensitive Fehlerstromschutzeinrichtungen vom Typ A üblich. Diese erfassen rein sinusförmige Wechselströme sowie pulsierende Gleichfehlerströme. Diese zusätzliche Sensibilität wird durch spezielle Magnetwerkstoffe für die eingesetzten Ringbandkerne erreicht. Pulsstromsensitive Fehlerstromschutzeinrichtungen arbeiten netzspannungsunabhängig.
Allstromsensitive Fehlerstromschutzschalter vom Typ B enthalten einen zweiten Summenstromwandler zur Erfassung glatter Gleichfehlerströme. Eine Elektronikeinheit gibt bei einem Fehler den Abschaltbefehl an den Auslöser weiter. Die Überwachung auf Gleichfehlerströme erfolgt netzspannungsabhängig. Sie benötigt also eine Versorgungsspannung, welche aus den Außenleitern und ggf. dem Neutralleiter abgenommen wird. Der pulsstromsensitive Schalterteil ist davon unabhänigig und arbeitet wie bei Typ A netzspannungsunabhängig.
Hierbei regelt die DIN VDE 0664 das Umfeld.
In Europa (bis auf GB) sind netzstromunabhängige FI-Schutzschalter (RCD) vorgeschrieben. Die dahinterstehende Sicherheitsphilosophie stellt die Zuverlässigkeit von Verstärkerschaltungen auf Basis von Halbleitern in Frage, welche in den einfacheren und kleineren elektronischen DI-Schaltern (Differenzstrom-Schutzschalter) im englischsprachigen Raum zur Anwendung kommen. Das Risiko, dass wegen eines Transistor-Ausfalls der FI im Fehlerfall nicht mehr funktioniert, entfällt bei den passiven Ausführungen in Europa.
Kennwerte
Handelsüblich sind RCD für Bemessungsdifferenzströme von 10 mA, 30 mA, 100 mA, 300 mA und 500 mA (Mittlerweile werden 500 garnicht mehr und 100er nur noch in Baustromverteilern eingesetzt). Die Toleranz des Differenzstromes eines RCD liegt laut VDE bei -50%, was garantieren soll, dass der Nenn-Auslösestrom bei keinem Exemplar überschritten wird. Die Auslösezeit war früher auf maximal 200 ms festgelegt. Genaue Angaben zu den zulässigen Auslösezeiten machen die entsprechenden VDE-Vorschriften.
Zum Personenschutz ist ein Bemessungsstrom von 10 mA oder 30 mA und für Brandschutz einer von 300 mA vorgeschrieben.
Zu beachten ist, dass ein RCD die Höhe des Fehlerstroms nicht begrenzt; er schaltet lediglich bei Erreichen der eingestellten maximalen Differenzstromhöhe den Fehlerstrom ab. Dies bedeutet, dass bis zum Abschalten (je nach Modell z. B. 30 ms) ein nur vom Netz begrenzter hoher Fehlerstrom fließen kann.
Vorschriften
In Deutschland wird vom VDE bei Neubau und Modernisierung ein RCD mit einer Auslösestromdifferenz von 30 mA für alle Steckdosenstromkreise verlangt, die für die allgemeine Benutzung durch Laien vorgesehen sind, (seit 1.Juni 2007 in der neuen VDE 0100 T 410 geregelt, vorher nur Feuchträume und Außenbereich). Ein RCD mit einer Auslösestromdifferenz von 300 mA wird oft als Brandschutz für das gesamte Haus eingesetzt und wird von einigen EVU sogar vorgeschrieben, wenn die Hauseinspeisung nicht über Erdkabel, sondern über Dachfreileitungen erfolgt.
In Österreich ist ein RCD mit einem Nennfehlerstrom von max 30mA nach Österreichischer Verband für Elektrotechnik|ÖVE E8001-1/A1:2002-04-01 für alle Stromkreise vorgeschrieben, in denen sich Steckdosen befinden und deren Nennstrom 16A nicht übersteigt.
Auf Baustellen ist für alle Steckdosenstromkreise mit einem Nennstrom bis 32A und in landwirtschaftlichen sowie gartenbaulichen Betriebsstätten (nicht in den angrenzenden Wohnhäusern), unabhängig von deren Nennstrom, ein Zusatzschutz vorzusehen.
In der Schweiz sind laut NIN2005 4.7.2.3.1-8 max. 30mA vorgeschrieben für Bade- und Duschenräume, Steckdosen im Freien, feuchte und nasse Räume, korrosive und Ex. Räume, Baustellen, Messeplätze, Jahrmärkte, Festplätze, elektr. Versuchsanordnungen. (jeweils alle Steckdosen <=32A).
300mA sind für Installationen in korrosiven Umgebungen, explosions- und feuergefährdeten Räumen, sowie in landwirtschaftlichen Betrieben für die gesamte Installation vorgeschrieben, wobei in der Landwirtschaft alle Steckvorrichtungen mit RCD 30mA ausgerüstet sein müssen.
Einsatzbereich
Der Einsatz von Fehlerstromschutzschaltern wird heute in vielen Ländern im Haushalts- und Industriebereich für Steckdosen (bis 20A oder 32A) (etwa DIN VDE oder ÖVE) zusätzlich zu den installierten Überstromschutzorganen zwingend verlangt. Seit dem 01. Juni 2007 fordert auch die VDE für Steckdosen (bis 20A, DIN VDE 0100-410 Nr. 411.3.3), die für die allgemeine Verwendung vorgesehen sind, einen RCD mit einem Bemessungsdifferenzstrom von kleiner gleich 30mA. Auch für Feuchträume und Anlagen im Freien werden RCDs bis auf wenige Ausnahmen gefordert. Für Altbauten gibt es einen Bestandschutz. Das heißt, wenn die Anlage zum Zeitpunkt ihrer Errichtung den damals geltenden Normen und Richtlinien entsprochen hat, darf sie weiter betrieben werden.
In Deutschland ist unter folgenden Umständen jedoch kein Bestandsschutz gegeben und die Nachrüstung eines RCD unumgänglich:
- wesentliche Änderungen an der Installation
- neue Rechtsverordnungen, die eine Nachrüstung fordern, TAB 2000|TAB beachten
- abgelaufene Übergangsfristen
- unmittelbare Gefahren für Personen und Sachwerte
FI-Schutzschalter bieten jedoch keinen Schutz, wenn beide Netzspannungsleitungen (L und N) berührt werden. Andere Schutzmaßnahmen (Schutz gegen direktes Berühren) können daher durch einen FI-Schutzschalter nicht ersetzt werden.
In IT-Systemen muss die gesamte Niederspannungs-Installation geschützt werden. Im Neubaubereich spricht heute nichts mehr dagegen, die komplette Stromversorgung abzusichern. Es sollte genau abgewogen werden, ob es wirklich sinnvoll ist, bei Gerätedefekten gleich die komplette Beleuchtungsanlage einer Wohnung mit abzuschalten. Dies kann unter Umständen hinderlich sein, so dass man die per RCD geschützten Stromkreise eingrenzen sollte. Bei der Nachrüstung von Altbauwohnungen kommt es oft zu Fehlauslösungen des RCD, deren Ursache teilweise schwer einzugrenzen ist. Oft sind falsche Verdrahtungen die Ursache, bei denen beispielsweise in Steckdosen oder Durchlauferhitzern Strom über die Schutzleiter statt über den Neutralleiter abfließt.
Auch in der Landwirtschaft müssen, insbesondere bei Tierhaltung, Fehlerstromschutzschalter verwendet werden.Hier ist allerdings die maximal zulässige Berührungsspannung auf die Hälfte, also 25 V AC oder 60 V DC begrentzt.
Abschaltungen durch RCD können auch durch externe Ereignisse hervorgerufen werden, beispielsweise durch Überspannungs-Impulse durch Blitzschläge in Freileitungen. Dies kann oft zu unangenehmen Nebenwirkungen führen, wie Abschaltungen von Heizungen oder Kühlanlagen, obwohl kein Fehler in der eigenen Anlage vorliegt. Aus diesem Grund wurden auch Schutzschalter entwickelt, die zwei bis dreimal selbständig in einem kurzen Abstand nochmals die Spannung aufschalten. Erst wenn der Fehler trotzdem auftritt, bleiben sie endgültig abgeschaltet. Diese Modelle sind vor allem für ferngesteuerte Anlagen von Interesse, wo kein Personal vor Ort ist und nur zum Einschalten vor Ort fahren müsste.
Prüfen des RCD
Test-Taste
Vorne am RCD befindet sich eine Test-Taste (T), mit der der Fehlerfall simuliert werden kann. So kann die ordnungsgemäße Funktion regelmäßig (VDE-Vorschrift jeden Monat) überprüft werden. Durch Drücken der Taste wird eine abgehende Phase über einen geeignet dimensionierten Widerstand mit dem Neutralleiter vor dem Fehlerstromschutzschalter verbunden und so gewollt ein Fehlerstrom erzeugt, der die Auslösestromstärke übersteigt. Wenn ein RCD beim Betätigen der Test-Taste ausschaltet, ist das jedoch lediglich ein Hinweis auf seine korrekte Funktion und nicht darauf, dass die Geräte in diesem Stromkreis richtig angeschlossen und geerdet sind.
Hersteller empfehlen eine monatliche Prüfung. Ortsveränderliche RCD müssen täglich vor Arbeitsbeginn auf Funktion geprüft werden.
RCD Prüfung nach DIN VDE 0100-610
Bei der Prüfung einer Neuinstallation verlangt die DIN VDE 0100-610 den Nachweis des Auslösefehlerstromes.Dieser soll zwischen 50 % und 100% des Nennfehlerstromes liegen. Zusätzlich können mit modernen Messgeräten die Auslösezeit, die Berührungsspannung sowie der Erdungswiderstand gemessen werden. Diese Werte müssen auch in das ZVEH-Protokoll eingetragen werden.
RCD Prüfung Typ A (Schweiz)
Ein Elektrofachmann schaltet den Schalter immer mit der Prüftaste aus. Er muss zusätzlich zur Test-Taste an einem 30mA-RCD einen Fehlerstrom von 50 % des Nennauslösestromes simulieren, der RCD muss halten, dann wird ein Strom in der Größe des Nennfehlerstromes simuliert und der RCD muss innerhalb von 0,3 Sekunden auslösen. Es sind kleine Handprüfgeräte und Installationstester auf dem Markt, welche diese Prüfung vom Polleiter zum Schutzleiter ermöglichen. Die Auslösezeit wird im Sicherheitsnachweis festgehalten, bei einem 30mA-RCD sind das in der Praxis 20 bis 30 ms. Kurzzeitverzögerte RCD benötigen 40 bis 100 ms.
Selektive RCD mit 300 mA für Brand- und Korrosionsschutz lösen bei der Impulsmethode (50 % und 100 % Fehlerstrom) etwa in 200 bis 400 ms aus, die Norm (NIN 6.1.3.9 / EN 61008-1 ) verlangt 130 bis 500 ms.
Historisches - Entwicklung
Entwickelt wurde der Fehlerstromschutzschalter von dem Österreicher Gottfried Biegelmeier im Jahr 1957 bei der Firma Felten & Guilleaume, der heutigen Moeller GmbH in Schrems (Niederösterreich) in Niederösterreich. In Österreich wurde er gesetzlich im Jahr 1980 auch in Privathaushalten vorgeschrieben. Schrittweise wurde die Auslösestromstärke von 100 auf 70, 65 und 30 mA herabgesetzt.
Seit dem Inkrafttreten der SEV 1000-1.1985 kann der obige Artikel 1:1 auch für CH-Vorschriften übernommen werden.
Weblinks
- Prinzip des RCD
- Simple Darstellung der Funktionsweise eines Fehlerstromschutzschalters
- Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen (RCDs) - Anforderungen für die Auswahl für elektrische Anlagen
Dieser Artikel basiert auf dem Artikel Fehlerstromschutzschalter aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der GNU-Lizenz für freie Dokumentation. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar.
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