alt=|mini|Fehlerstrom-Schutzschalter Fehlerstrom-Schutzschalter (RCCB, von ; sinngemäß auch als Differenzstrom-Schutzschalter bezeichnet) sind die am häufigsten verwendeten Geräte aus der übergeordneten Gruppe der Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen (RCD, von engl. ). Er überwacht den Differenzstrom zwischen allen betriebsmäßig stromführenden Leitern über einen Summenstromwandler. In den älteren, umgangssprachlich noch üblichen Bezeichnungen FI-Schutzschalter oder FI-Schalter steht „F“ für das Wort Fehler und „I“ für das Formelzeichen der elektrischen Stromstärke.Netzikon Durch die Harmonisierung in der Normung auf internationaler Ebene wird seit 2008 allgemein die Bezeichnung RCD auch in den deutschsprachigen Normen und der Literatur verwendet.
Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen jeder Bauform schalten bei gefährlich hohen Fehlerströmen gegen Erde die Spannung ab und tragen so maßgeblich zur Reduzierung lebensgefährlicher Stromunfälle in Niederspannungsnetzen bei. Sie werden den Überstromschutzeinrichtungen in Stromkreisverteilern vorgeschaltet. Es gibt auch die Kombination in Form des RCBO, welcher die Funktion der Fehlerstrom-Schutzeinrichtung und des Leitungsschutzschalters in einem Gerät vereint.
Grundlagen Schutzziele In den elektrotechnischen Normen werden Anforderungen zum Schutz von Personen und Nutztieren gegen elektrischen Schlag definiert. Dies wird erreicht durch eine Kombination aus: Basisschutz als Vorkehrung zum Schutz gegen direktes Berühren von aktiven Teilen durch eine Basisisolierung im fehlerfreien Zustand, Fehlerschutz bei indirektem Berühren von berührbaren Teilen, zum Beispiel des metallischen Gehäuses eines elektrischen Betriebsmittels, die bei einem Fehler zu gefährlichen aktiven Teilen werden können.
Der Einsatz von Fehlerstrom-Schutzschaltern dient als Zusatzschutz dem verbesserten Schutz gegen elektrischen Schlag sowie dem anlagentechnischen Brandschutz.
Ein RCD begrenzt nicht die Stromstärke des fließenden Fehlerstromes, er begrenzt dessen zeitliche Dauer.
Zusatzschutz mini|Zeit-/Stromstärke-Bereiche für Wechselspannung nach IEC/TS 60479-1 mod. mit Flimmerschwelle c1, Loslasschwelle b und Wahrnehmungsschwelle a sowie den Auslösepunkten eines Fehlerstrom-Schutzschalters mit IΔn = 30 mA
Als Zusatzschutz bezeichnet man eine Maßnahme unter bestimmten Bedingungen. Dazu gehört der Fehlerstrom-Schutzschalter mit seiner Schutzwirkung für den Fall eines gleichzeitigen Versagens des Basisschutzes und des Fehlerschutzes. Dies bedeutet, dass in der elektrischen Anlage bzw. dem elektrischen Betriebsmittel ein Doppel- oder sogar Mehrfachfehler auftritt. Der Fehlerstrom-Schutzschalter verhindert nicht den elektrischen Schlag und verringert auch nicht die Höhe des Fehlerstromes durch den menschlichen Körper. Je nach Höhe muss aber die Dauer einer Körperdurchströmung derart begrenzt werden, dass das Risiko des Eintretens von Herzkammerflimmern als einer unmittelbaren lebensbedrohlichen Herzrhythmusstörung auf ein Minimum reduziert wird. Der maximal zulässige Bemessungsfehlerstrom IΔn für den Personenschutz beträgt 30 mA. Die Verwendung des Fehlerstrom-Schutzschalters als alleinigen Schutz gegen elektrischen Schlag, d. h. ohne Vorkehrung des Basis- und Fehlerschutzes, ist nicht zulässig.
Ein Fehlerstrom-Schutzschalter mit einem Bemessungsfehlerstrom nicht größer als 30 mA muss vorgesehen werden für: Steckdosen in Endstromkreisen mit einem Bemessungsstrom nicht größer als 32 A, die für die Benutzung durch elektrotechnische Laien und zur allgemeinen Verwendung bestimmt sind Endstromkreise für im Außenbereich verwendete tragbare Betriebsmittel mit einem Bemessungsstrom nicht größer als 32 A für Leuchtenstromkreise (in Deutschland nur im Wohnungswesen) Ein Fehlerstrom-Schutzschalter kann in folgenden Fällen Zusatzschutz bieten: nicht bestimmungsgemäßer Umgang oder missbräuchliche Nutzung von elektrischen Betriebsmitteln Manipulationen an elektrischen Anlagen, z. B. durch Kleinkinder (Nagel in Steckdose) Beschädigungen an der elektrischen Anlage durch äußere Einflüsse (z. B. Feuchtigkeit, Schutzerde unterbrochen, Isolierstoff gebrochen) Durchströmung des Körpers gegen Erde wegen Nichteinhaltens der fünf Sicherheitsregeln durch Elektrofachkräfte Umgang mit geöffneten Elektrogeräten zu Ausbildungszwecken durch Laien oder nicht fachgerechte Arbeit von Fachkräften verursachte Fehler an einer elektrischen Anlage bzw. einem elektrischen Betriebsmittel
Fehlerschutz mini|Fehlerschutz im TT-System
Für den Fehlerschutz müssen Fehlerstrom-Schutzschalter verwendet werden, wenn die Bedingung zur automatischen Abschaltung der Stromversorgung mit Überstrom-Schutzeinrichtungen bei Erdschluss nicht erfüllbar ist. Dies ist häufig der Fall, wenn nach Art der Erdverbindung ein TT-System vorliegt. Durch die fehlende elektrische Verbindung zwischen Anlagenerder und Betriebserder wird der Fehlerstrom hauptsächlich durch den Ausbreitungswiderstand des Anlagenerders RA begrenzt. Für den Personenschutz gilt folgende Bedingung: mit
RA als Ausbreitungswiderstand des Anlagenerders einschließlich der Schutzleiter UT als Berührungsspannung mit maximal 50 V AC ohne zeitliche Begrenzung IΔn als Bemessungsfehlerstrom des Fehlerstrom-Schutzschalters
Somit wäre ein maximaler Ausbreitungswiderstand möglich von:
Da im Fehlerfall am Ausbreitungswiderstand näherungsweise die gesamte Außenleiter-Erde-Spannung U0 von 230 V abfällt, erhält man als Fehlerstrom mindestens den 4,6-fachen Bemessungsfehlerstrom. Damit wird die geforderte Abschaltzeit von 0,2 s im TT-System eingehalten.
In folgenden Fällen dürfen Fehlerstrom-Schutzschalter mit einem Bemessungsfehlerstrom größer 30 mA verwendet werden, bei: Verteilungsstromkreisen Endstromkreisen, wenn dies aus anderen Gründen als dem Schutz gegen elektrischen Schlag erforderlich ist. Unter der Randbedingung des 4,6-fachen Bemessungsfehlerstroms wären in Abhängigkeit von dem jeweiligen Fehlerstrom-Schutzschalter folgende Ausbreitungswiderstände möglich:
IΔn 10 mA 30 mA 100 mA 300 mA 500 mA 1 A RA 5 kΩ 1,67 kΩ 500 Ω 167 Ω 100 Ω 50 Ω
Brandschutz Zum Schutz gegen elektrisch gezündete Brände darf nach Vorgabe des VdS ein Fehlerstrom zwischen Außenleiter und Schutzleiter bzw. Erde nicht größer als 420 mA sein. Es können für diese Maßnahme Fehlerstrom-Schutzschalter mit einem Bemessungsfehlerstrom bis maximal 300 mA verwendet werden. In der DIN VDE 0100-705:2007-10 Abschnitt 705.422.7 [705.482.1.7] Brandschutz für landwirtschaftliche- und gartenbauliche Betriebsstätten findet man zum Beispiel auch diesen maximalen Bemessungsfehlerstrom von maximal 300 mA, die Fehlerstrom-Schutzeinrichtung muss dabei alle aktiven Leiter abschalten. In Abhängigkeit vom Bemessungsfehlerstrom können an einer Fehlerstelle folgende Wärmeleistungen auftreten:
Bemessungs-Fehlerstrom Wärmeleistung bei230 V Wechselspannung 30 mA 7 W 100 mA 23 W 300 mA 69 W
Diese Wärmeleistungen sind erheblich niedriger als sie mit Überstrom-Schutzeinrichtungen allein wären. Daneben sind für den Brandschutz auch eigene Fehlerlichtbogen-Schutzeinrichtungen verfügbar, welche zusätzlich zum Fehlerstrom-Schutzschalter angebracht werden müssen und Schutz gegen Kabelbrand, wie er bei Kabelbruch auftreten kann, bieten.
Funktionsprinzip Der Fehlerstrom-Schutzschalter löst spätestens bei Erreichen des Bemessungsfehlerstroms aus und schaltet den betroffenen Stromkreis allpolig vom vorgelagerten Netz ab – also auch den Neutralleiter bei vierpoligen Schaltern. Der interne Teststromkreis wird ebenfalls abgeschaltet, da dessen Strombegrenzungswiderstand nicht für Dauerbetrieb (Fehlbedienung) ausgelegt ist. Der Schutzleiter ist nicht Bestandteil der Fehlerstrom-Schutzschalter und wird nicht abgeschaltet.
Fehlerströme treten auf, wenn ein Teil des Stromes über einen unerwünschten Strompfad zurück zur Stromquelle fließt. Teil dieses Strompfades kann der Schutzleiter, das Gehäuse eines elektrischen Betriebsmittels, das Erdreich einschließlich aller metallischen Strukturen in elektrischen Kontakt mit Erde sowie der Körper eines Menschen oder Tieres sein. Der Fehlerstrom-Schutzschalter bildet die arithmetische Summe aller Augenblickswerte der Ströme in den Außenleitern und dem Neutralleiter. In einer Anlage ohne Erdschluss ist die Summe stets null.
Die Summenbildung erfolgt durch einen Summenstromwandler. Durch ihn führen je nach Polzahl zwei, drei oder vier Primärwicklungen. Sie sind konstruktiv so geführt, dass sich ihre Induktionswirkungen im fehlerfreien Zustand gegenseitig aufheben. Es wird kein magnetischer Fluss im Wandlerkern erzeugt und somit in der Sekundärwicklung auch keine Spannung induziert. Fließt nun ein Fehlerstrom über einen solchen unerwünschten Strompfad zurück zur Stromquelle, dann ist die Summe aller Ströme durch den Summenstromwandler nicht mehr null. Daraus resultiert ein magnetischer Fluss im Wandlerkern und induziert eine Spannung in der Sekundärwicklung. Der Sekundärstrom löst über den Haltemagnet-Auslöser ein Schaltschloss aus und schaltet den Stromkreis allpolig ab.
Summenstromwandler Der Summenstromwandler enthält einen Ringkern, gewickelt aus kristallinem oder nanokristallinem weichmagnetischem Band. Ferritkerne sind wegen der zu geringen Permeabilität und Sättigungsinduktion nicht geeignet. Um die notwendige Leistung für das Auslösen des Fehlerstrom-Schutzschalters zu erreichen, sind Ringbandkerne mit einer gewissen Größe und Masse notwendig, typisches Gewicht ca. 40 g. Die Kerne sind oft isolierend verkapselt, wobei keine Kraft durch eventuelle Schrumpfung von Harzen auf die Kerne ausgeübt werden darf, da hierdurch die magnetischen Eigenschaften geändert werden. Üblich sind auch Kunststoffgehäuse, in die die Kerne lose eingelegt werden.https://www.vacuumschmelze.de/fileadmin/docroot/medialib/documents/produkte/kb/FIKerne_dt.pdf Ringbandkerne für FI-Schutzschalter, Firmenschrift der VACUUMSCHMELZE GmbH & Co. KG, abgerufen am 29. Okt. 2018 Um den Kern gelegt (d. h. durchgefädelt) sind 2 bis 4 Arbeitsstromwicklungen aus dickem Kupferdraht sowie die Sekundärwicklung und ggf. eine Testwicklung, jeweils aus dünnem Draht.
Schaltschloss Das Schaltschloss ist die Mechanik, welche die Handbetätigung (Hebel oder Drücker) und den Auslöser des Summenstromwandlers mit den Schaltkontakten verbindet. In diesem befindet sich die Auslöse-Feder, welche beim Einschalten (per Hand) vorgespannt wird, und für die erforderliche Kraft und Geschwindigkeit zur sicheren Trennung sorgt. Außerdem ist hier die Mechanik für die Freiauslösung untergebracht. Das vorgespannte Schaltschloss kann mit minimalem Kraftaufwand ausgelöst und nicht von außen blockiert werden.
Auslöser Der Summenstromwandler wirkt auf das Schaltschloss zum Beispiel über einen Haltemagnet-Auslöser. Dieser ist an der Sekundärwicklung des Summenstromwandlers angeschlossen. Ein Haltemagnet-Auslöser besteht aus einem Dauermagneten, zwei Schenkeln mit magnetischem Nebenschluss und einem Anker aus weichmagnetischem Material sowie einer Erregerwicklung. Der magnetische Fluss des Dauermagneten führt über beide Schenkel und den Anker. Dadurch wird der Anker entgegen der zum Schaltschlossauslöser gerichteten Federkraft festgehalten. Fließt nun ein Strom in der Erregerwicklung, wird ein zweiter magnetischer Fluss erzeugt. In einer Halbwelle verstärkt sich der Gesamtfluss und in der anderen Halbwelle wird er so geschwächt, dass die Feder den Anker von den Polflächen der beiden Schenkel zieht. Es kommt zur Auslösung des Schaltschlosses und Abschaltung der betroffenen Stromkreise.
Grenzen der Schutzwirkung Die Schutzwirkung eines Fehlerstrom-Schutzschalters tritt in folgenden Fällen nicht ein: