Fehlerstrom-Schutzschalter

Fehlerstrom-Schutzschalter

Geöffneter Fehlerstrom-Schutzschalter für Drehstrom mit erkennbarem Summenstromwandler und rot-braunen Kupferdrahtwicklungen

Fehlerstrom-Schutzschalter (RCD, von engl. Residual-Current Device oder RCCB, von engl. Residual-Current Circuit Breaker, sinngemäß Differenzstrom-Schutzeinrichtung) sind die am häufigsten verwendeten Geräte aus der übergeordneten Gruppe der Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen. In der älteren, umgangssprachlich noch üblichen Bezeichnung FI-Schalter steht „F“ für das Wort Fehler und „I“ für das Formelzeichen der elektrischen Stromstärke. Durch den Einfluss der internationalen Normung wird seit 2008 allgemein das Kürzel „RCD“ auch in den deutschsprachigen Normen verwendet. Und Ewald hat ne Pussy

Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen jeder Bauform verhindern gefährlich hohe Fehlerströme gegen Erde und tragen so zur Reduzierung lebensgefährlicher Stromunfälle in Niederspannungsnetzen maßgeblich 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. Für den Fehlerstromschutz in Altanlagen sind auch SRCD (socket outlet RCD) Ortsfeste FI in Steckdosenform, verfügbar.

Grundlagen

Nach DIN VDE 0100-100 ist die Sicherheit von Personen, Nutztieren und Sachwerten hinsichtlich der Gefahren und Schäden sicherzustellen, die beim bestimmungsgemäßen Gebrauch elektrischer Anlagen entstehen können. Darunter fallen insbesondere Gefahren, die beim Berühren unter Spannung stehender Teile von elektrischen Anlagen entstehen können. Dieser Schutz kann durch folgende Maßnahmen erreicht werden:

• Verhindern, dass ein Fehlerstrom durch den Körper einer Person oder eines Nutztieres fließt
• Begrenzen des Fehlerstroms, der durch einen Körper fließt, auf einen ungefährlichen Wert
• Begrenzung des Fehlerstroms, der durch einen Körper fließt, auf eine ungefährliche Zeitdauer

Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen zielen ergänzend zu den Maßnahmen „Schutzerdung und Schutzpotentialausgleich“ (gemäß DIN VDE 0100-410) auf die zeitlich begrenzende Maßnahme ab. Sie schützen gegen das Bestehenbleiben – nicht das Entstehen – eines unzulässig hohen Berührungsstroms (siehe auch Berührungsspannung). Sie sind ein wirkungsvolles Mittel zur Vermeidung von gefährlichen Stromunfällen, insbesondere dem Erdschluss über den Körper.

Ein weiterer wesentlicher Aspekt für den Einsatz von Fehlerstromschutz-Einrichtungen ist der Brandschutz. In der Brandschutztechnik wird eine Fehlerleistung von mehr als 60 Watt bei längerer Einwirkdauer als möglicher Brandauslöser eingestuft. Unter bestimmten Voraussetzungen muss sogar bei geringeren Leistungen mit Brandgefahr gerechnet werden. Aus brandschutztechnischen Gründen werden daher Schutzeinrichtungen, Melde- oder Überwachungsgeräte mit einem Bemessungsfehlerstrom/Ansprechstrom ≤ 300 mA empfohlen. Solche Schutzeinrichtungen für den vorbeugenden Brandschutz haben typisch eine verzögerte Auslösung und eignen sich auch bedingt durch den hohen Bemessungsfehlerstrom nicht für den Personenschutz.

Im Gegensatz dazu dienen Überstromschutzeinrichtungen wie Leitungsschutzschalter oder Schmelzsicherungen, die allgemein als „Sicherungen“ bezeichnet werden, hauptsächlich dem Schutz von Geräten und Installationen und bieten deshalb keinen hinreichenden Schutz vor Stromschlag: „die Sicherung schützt die Leitung, die Fehlerstrom-Schutzeinrichtung den Menschen“.

Voraussetzung für ein verlässliches unmittelbares Auslösen der Fehlerstromschutz-Einrichtung bei einem unzulässig hohen Fehlerstrom ist eine normgerechte Auslegung der Anlage, speziell hinsichtlich Schutzerdung und Potentialausgleich. Bei einfachen Fehlern wird durch den Erdkontakt eines spannungsführenden Leiters ein Stromkreis über den Schutzleiter oder über die Erde gebildet. Die netzseitigen Voraussetzungen sind bei europäischen Niederspannungsnetzen (bis auf Ausnahmen wie z. B. in IT-Systemen, bei denen Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen nur zur Erkennung von Mehrfachfehlern eingesetzt werden können) generell gegeben und werden durch den jeweiligen Verteilnetzbetreiber (VNB) gewährleistet. In den Abschnitten eines TN-C-Systems, in dem der Schutzleiter (PE-Leiter) gleichzeitig Neutralleiter (N-Leiter) ist (und als PEN-Leiter bezeichnet wird), kann eine Fehlerstrom-Schutzeinrichtung erst nach der Aufspaltung in getrennte PE-Leiter und N-Leiter eingesetzt werden. Nach der Aufspaltung wird der N-Leiter über die Fehlerstromschutz-Einrichtung geführt. Diese Aufspaltung des PEN-Leiters erfolgt üblicherweise im Hausanschlusskasten.

Funktionsprinzip

Baugruppen eines zweipoligen Fehlerstrom-Schutzschalters 1: Schaltschloss; 2: Sekundärwicklung; 3: Summenstromwandler; 4: Prüftaste

vierpoliger Fehlerstrom-Schutzschalter in einer Drehstromanlage

Der Fehlerstrom-Schutzschalter löst spätestens bei Erreichen des Bemessungsfehlerstroms aus und schaltet den betroffenen Stromkreis allpolig vom vorgelagerten Netz ab. Der Schutzleiter ist davon ausgenommen.

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 fehlerfreien Anlage 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.

Grenzen der Schutzwirkung

Die Schutzwirkung eines Fehlerstrom-Schutzschalters ist in folgenden Fällen nicht gewährleistet:

• Eine Person berührt zwei aktive Teile unterschiedlichen Potentials. Es handelt sich dabei um zwei Außenleiter unterschiedlicher Phasenlage oder um einen Außenleiter und den Neutralleiter. Des Weiteren befindet sich die Person auf einem elektrisch relativ gut isolierenden Standort gegen Erde.
• wenn ein Transformator (wie etwa ein Trenntransformator) den Stromkreis trennt und eine Person auf der Sekundärseite beide Pole gleichzeitig berührt
• bei Auftreten eines Überstromes als Überlast oder Kurzschluss kann der Schutz durch automatische Abschaltung der Stromversorgung nur durch eine Überstromschutzeinrichtung sichergestellt werden
• ein Leiterschluss wird nicht erfasst, da kein Fehlerstrom gegen Erde fließt
• Je nach Art des Fehlerstromes besteht das Risiko, dass ein Fehlerstrom-Schutzschalter unwirksam wird. Er besitzt damit nicht die erforderliche Sensitivität.
• Ein Fehlerstrom-Schutzschalter vom Typ B+ für den gehobenen vorbeugenden Brandschutz erfasst Fehlerströme mit Frequenzen bis zu 20 kHz nur gegen Erde. Zur Erfassung eines derartigen Fehlerstromes zwischen zwei aktiven Leitern wäre zusätzlich eine Fehlerlichtbogen-Schutzeinrichtung erforderlich.

Summenstromwandler und Haltemagnet-Auslöser

Der Summenstromwandler enthält einen Ringkern, gewickelt aus kristallinem oder nanokristallinem weichmagnetischem Band. Ferritkerne sind wegen der zu geringen Permeabilität nicht geeignet. Um die notwendige Leistung für das Auslösen des Fehlerstrom-Schutzschalters 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. Dieser Kern ist typisch mit einer zweischaligen Isolierhülle verkapselt. Darüber kommen die gefädelten – 2 oder 4 – Wicklungen mit je 1 Windung aus dickem Kupferlackdraht.

Datei:Haltemagnet-Ausloeser.png

Funktionsprinzip eines Haltemagnet-Auslösers

Der Haltemagnet-Auslöser besteht aus einem Dauermagneten, zwei Schenkel mit magnetischem Nebenschluss und einem Anker aus weichmagnetischen Material sowie einer Erregerwicklung. Der magnetische Fluss des Dauermagneten führt über beide Schenkel und den Anker. Dadurch wird der Anker entgegen der Federkraft zum Schaltschloss 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.

Typen nach Art des Fehlerstroms

Unterschiedliche Fehlerströme und Typen von Fehlerstromschutz-Einrichtungen zur Erkennung

Es gibt in der Summe drei wesentliche Typen von Fehlerstrom-Schutzschaltern, welche je nach Art des Fehlerstroms, den sie erfassen können, wie laut nebenstehender Abbildung unterschieden werden:

1. Typ AC erfassen nur rein sinusförmige Fehlerströme. Bei Fehlerströmen, welchen ein Gleichstrom zufolge einer Gleichrichtung überlagert ist, kommt es aufgrund der magnetischen Sättigung im Kern des Stromwandlers zu keiner Auslösung. Diese Typen werden daher kaum eingesetzt und sind nach VDE 0100-530 in Deutschland nicht als Fehlerstrom-Schutzschalter zugelassen.
2. Typ A umfassen die handelsüblichen, pulsstromsensitiven Fehlerstrom-Schutzschalter. Dieser Typ erfasst sowohl rein sinusförmige Wechselströme als auch pulsierende Gleichfehlerströme. Die zusätzliche Empfindlichkeit wird durch spezielle Magnetwerkstoffe für die eingesetzten Ringbandkerne und Resonanzschaltungen zur Beeinflussung des Frequenzgangs erreicht. Pulsstromsensitive Fehlerstrom-Schutzschalter arbeiten netzspannungsunabhängig.
3. Typ F sind mischfrequenzsensitive Fehlerstrom-Schutzschalter. Sie erfassen alle Fehlerstromarten wie Typ A. Darüber hinaus sind sie zur Erfassung von Fehlerströmen, die aus einem Frequenzgemisch von Frequenzen bis 1 kHz bestehen, geeignet. Damit werden auch die möglichen Fehlerstromformen auf der Ausgangsseite von einphasig angeschlossenen Frequenzumrichtern (z. B. in Waschmaschinen, Pumpen) beherrscht. Glatte Gleichfehlerströme bis 10 mA beeinflussen die Auslöseeigenschaften nicht unzulässig. Typ F FI-Schutzeinrichtungen besitzen zusätzlich eine kurzzeitverzögerte Auslösung und erhöhte Stoßstromfestigkeit. Sie sind geeignet für elektronische Betriebsmittel mit Eingangsstromkreisen.
4. Typ B / B+ sind allstromsensitive Fehlerstrom-Schutzschalter, die neben Wechselfehlerströmen auch glatte Gleichfehlerströme erfassen. Diese Fehlerstrom-Schutzschalter besitzen einen zweiten Summenstromwandler mit Elektronikeinheit. Zur Erfassung von Gleichfehlerströmen benötigt die Elektronikeinheit eine Stromversorgung und ist somit netzspannungsabhängig. Der wechsel- bzw. pulsstromsensitive Teil für den ersten Summenstromwandler funktioniert wie beim Typ A netzspannungsunabhängig. Typ B erfasst Fehlerströme mit Frequenzen bis zu 1 kHz und Typ B+ sogar bis 20 kHz. Damit wird beim Typ B+ ein gehobener vorbeugender Brandschutz erreicht.

Der Einsatz von Typ B ist insbesondere bei Wechselrichtern und Frequenzumrichtern, welche im Bereich des Zwischenkreises mit Gleichrichtern arbeiten, wesentlich. Herkömmliche RCD vom Typ A würden bei einem Erdschluss hinter der Gleichrichterbrücke durch den dann vorhandenen Gleichfehlerstrom vormagnetisiert und funktionsunfähig.

Kombinierte Bauarten RCD/LS und RCD-Steckdose

Es gibt auch kombinierte RCD mit Leitungsschutzschaltern (LS) (z. B.: 30 mA RCD und 13 A Leitungsschutzschalter), welche als RCBO (umgangssprachlich „FI/LS“) bezeichnet werden. Ein RCBO mit der Polzahl 1P + N hat typisch die gleiche Einbaubreite (bzw. die gleiche Anzahl der Teilungseinheiten, Abkürzung TE), wie ein zweipoliger Leitungsschutzschalter oder wie ein zweipoliger FI Schutzschalter (zwei TE),

Um einzelne Steckdosen mit RCD abzusichern, sind auch RCD-Steckdosen (SRCD) (umgangssprachlich „FI-Steckdosen“) verfügbar. Allerdings stellen diese nur einen zusätzlichen Schutz dar und ersetzen nicht einen herkömmlichen RCD nach DIN EN 61008-1 (VDE 0664-10), wo dieser gefordert wird.

Kennwerte

Wichtigster Kennwert ist der Bemessungsfehlerstrom I_Δn, bei dem ein Fehlerstrom-Schutzschalter spätestens auslösen muss. Werte für I_Δn sind 10 mA, 30 mA, 100 mA, 300 mA, 500 mA und 1 A. In der Praxis erfolgt die Auslösung eines rein sinusförmigen Wechselfehlerstroms zwischen 0,6 · I_Δn und 0,8 · I_Δn.

Der Nichtauslösefehlerstrom I_Δn0 beträgt 0,5 · I_Δn für einen rein sinusförmigen Wechselfehlerstrom. Ein Fehlerstrom-Schutzschalter darf erst oberhalb des halben Bemessungsfehlerstroms auslösen.

Neben dem reinen Wechselfehlerstrom gibt es noch weitere Fehlerstromformen, für die folgende Auslösebereiche festgelegt sind:

• 0,35 · I_Δn bis 1,4 · I_Δn für pulsierende Gleichströme
• 0,25 · I_Δn bis 1,4 · I_Δn für angeschnittene Halbwellen mit Phasenanschnittswinkel von 90°
• 0,11 · I_Δn bis 1,4 · I_Δn für angeschnittene Halbwellen mit Phasenanschnittswinkel von 135°
• bis 1,4 · I_Δn für pulsierende Gleichströme überlagert mit einem glatten Gleichstrom von maximal 6 mA
• 0,5 · I_Δn bis 1,4 · I_Δn für Mischfrequenzströme
• 0,5 · I_Δn bis 2 · I_Δn für glatte Gleichströme

Der Bemessungsstrom I_n ist ein festgelegter Wert, der je Außenleiter von einem Fehlerstrom-Schutzschalter dauerhaft geführt werden kann. Vorzugswerte für I_n sind 10 A, 13 A, 16 A, 20 A, 25 A, 32 A, 40 A, 63 A, 80 A, 100 A und 125 A.

Zum Personenschutz ist ein maximaler Ansprechstrom von 10 mA oder 30 mA und für den Brandschutz einer von 300 mA vorgeschrieben. Die maximale Auslösezeit für nicht-selektive Fehlerstrom-Schutzschalter ist laut VDE-Norm DIN VDE 0100-410:2007 Tabelle 41.1 auf 400 ms im TN-Netz (bei Nennspannung 120 V bis 230 V) bei einfachem Nennfehlerstrom festgelegt. Bei 5-fachem Nennfehlerstrom muss der Fehlerstromschutzschalter unter 40 ms auslösen.

Abschaltzeiten:

• Für Fehlerstrom-Schutzschalter ohne Zeitverzögerung betragen die höchstzulässigen Abschaltzeiten 0,3 s bei einem Strom von I_Δn, 0,15 s bei 2 · I_Δn und 0,04 s bei 5 · I_Δn. Damit wird ein Auslösen von (tödlichem) Kammerflimmern sehr unwahrscheinlich, kann allerdings nicht vollkommen ausgeschlossen werden, u. a. weil der physiologische Effekt eines Strompulses von der Phase des Herzschlags abhängt, in die er fällt.
• für selektive Fehlerstrom-Schutzschalter - also mit Zeitverzögerung - betragen die höchstzulässigen Abschaltzeiten 0,5 s bei einem Strom von I_Δn, 0,2 s bei 2 · I_Δn und 0,15 s bei 5 · I_Δn

Nichtauslösezeiten sind nur für selektive Fehlerstrom-Schutzschalter definiert. Die kürzesten Nichtauslösezeiten betragen 0,13 s bei einem Strom von I_Δn, 0,06 s bei 2 · I_Δn und 0,05 s bei 5 · I_Δn.

Selektivität

Beispiel für Selektivität von Fehlerstrom-Schutzschaltern

Um Selektivität zu erreichen, können Fehlerstrom-Schutzschalter in Reihe geschaltet werden. Dabei soll nur der dem fehlerbehafteten Stromkreis unmittelbar zugeordnete Fehlerstrom-Schutzschalter ohne Zeitverzögerung auslösen. Dieser Schutzeinrichtung wird zusätzlich ein Fehlerstrom-Schutzschalter mit Zeitverzögerung vorgeschaltet und ist mit dem Symbol für Selektivität gekennzeichnet. Eine Selektivität liegt vor, wenn:

• die kürzeste Nichtauslösezeit des vorgeschalteten Fehlerstrom-Schutzschalters mit Zeitverzögerung höher ist, als die höchste Abschaltzeit des nachgeschalteten Fehlerstrom-Schutzschalters ohne Zeitverzögerung
• der Bemessungsfehlerstrom des vorgeschalteten Fehlerstrom-Schutzschalters mit Zeitverzögerung mindestens den dreifachen Wert eines nachgeschalteten Fehlerstrom-Schutzschalters ohne Zeitverzögerung beträgt (totale Selektivität)

Fehlerstrom-Schutzschalter mit Zeitverzögerung werden oft auch als selektiver oder zeitverzögerter Fehlerstrom-Schutzschalter bezeichnet. Wie bei Überstrom-Schutzeinrichtungen ist das Ziel, eine höhere Verfügbarkeit der elektrischen Anlage durch Selektivität zu erreichen. Des Weiteren ist noch zu beachten:

• Fehlerstrom-Schutzschalter mit Zeitverzögerung können nicht für die Maßnahme zusätzlicher Schutz verwendet werden, da der Bemessungsfehlerstrom mindestens 100 mA beträgt. Die Strom-Zeit-Kennlinie für die höchste Abschaltzeit befindet sich stets in einem Bereich, bei dem das Risiko des Eintretens von Herzkammerflimmern besteht.
• Der nachgeschaltete Fehlerstrom-Schutzschalter darf gegenüber dem vorgeschalteten Fehlerstrom-Schutzschalter keine höhere Sensitivität (Erfassung nach Fehlerstromform) besitzen. Ein Fehlerstrom-Schutzschalter vom Typ B darf beispielsweise nicht einem vom Typ A nachgeschaltet werden.

Störfestigkeit

Um ungewollte Auslösungen zu verhindern, werden Fehlerstrom-Schutzschalter mit Kurzzeitverzögerung verwendet. Ursachen für ungewollte Auslösungen können sein:

• Überspannungen durch Schalthandlungen und atmosphärischen Einwirkungen
• Ladevorgänge nach dem Zuschalten bzw. einer Laständerungen von kapazitiv bzw. induktiv wirkenden Betriebsmitteln

Die höchstzulässigen Abschaltzeiten sind gleich denen von Fehlerstrom-Schutzschaltern ohne Zeitverzögerung. Die Kennzeichnung erfolgt herstellerspezifisch, beispielsweise von:

• ABB mit der Angabe AP-R und der Verwendung des Begriffs kurzzeitverzögert
• Siemens mit dem Symbol und der Verwendung der Begriffe superresistent oder kurzzeitverzögert

Die Verwendung von Fehlerstrom-Schutzschaltern mit Zeitverzögerung (Selektivität) ist ebenfalls möglich, wenn auf die Maßnahme zusätzlicher Schutz verzichtet werden darf.

Bezeichnungen, Begriffsklärung

In deutschen Normen wurden früher folgende Begriffe verwendet:

• Fehlerstrom-Schutzschalter (FI) für netzspannungsunabhängige Geräte (ohne Hilfsspannungsquelle),
• Differenzstromschutzschalter (DI) für netzspannungsabhängige Geräte (mit Hilfsspannungsquelle).

Im Handel finden sich auch:

• Personenschutzautomat ist ein Marketingname und technisch nicht genau definiert.
• Personenschutzschalter ist eine Bezeichnung die für Fehlerstrom-Schutzschalter in Zuleitungen und Verlängerungen, sowie in Zwischensteckern verwendet wird und ansonsten nicht genau definiert ist. Die BGI608 macht für solche ortsveränderliche Schutzeinrichtungen Vorgaben bei der Verwendung als Speisepunkt für sogenannte kleine Baustellen.

Für Fehlerstrom-Schutzschalter, die mit Leitungsschutzschaltern kombiniert sind, wurden folgende Bezeichnungen verwendet:

• FI/LS-Schutzschalter, wenn sie netzspannungsunabhängig waren,
• DI/LS-Schutzschalter, wenn sie netzspannungsabhängig waren.

Die Unterscheidung in netzspannungsunabhängige und netzspannungsabhängige Schutzgeräte wird in englischsprachigen Normen nicht gemacht und auch in den IEC- und EN-Normen nicht benutzt. In den internationalen Gerätenormen werden folgende Bezeichnungen verwendet:

• RCCB = Residual Current operated Circuit-Breaker without over current protection, entspricht den reinen FI- bzw. DI-Schaltern, (ist gleichwertig zu RCD residual-current device)
• RCBO = Residual Current operated circuit-Breaker with integral Over current protection, entspricht den kombinierten FI/LS- und LS/DI-Schaltern
• SRCD = Socket outlet with Residual Current operated Device, sind FI- bzw. DI-Steckdosen (diese Schutzelemente sind für den Einbau in Steckdosen gedacht)
• PRCD = Portable Residual Current operated Device, sind ortsveränderlich, am häufigsten zu finden unter Personenschutz-Adapter
• RCU = Residual Current Units, sind Fehlerstrom-Auslöser zum Anbau an Leitungsschutzschalter

Geöffneter GFCI aus einer Steckdose

• CBR = Circuit-Breaker incorporating Residual current protection, sind Leistungsschalter mit Fehlerstromschutzfunktion
• GFCI = Ground Fault Circuit Interrupter, ist der in Nordamerika verwendete Begriff für RCCB

In den Errichtungsbestimmungen für elektrische Anlagen werden Fehlerstrom-Schutzschalter einheitlich unter einem übergeordneten Begriff RCD geführt. Eine Differenzierung zwischen FI, DI oder speziellen Bauformen wird in den Errichtungsbestimmungen für elektrische Anlagen nicht mehr vorgenommen. Hier ist das Schutzziel entscheidend. Dieses muss in Abhängigkeit vom Einsatzort mit unterschiedlichen Bauformen realisiert werden.

Vorschriften

Der Einsatz von Fehlerstrom-Schutzschaltern wird in vielen Ländern bei Neuinstallationen oder Änderungen im Haushalts- und Industriebereich zumindest für Steckdosen (bis 20 A oder 32 A) (etwa DIN VDE oder ÖVE) zusätzlich zu den installierten Überstromschutzorganen zwingend verlangt. Ein Fehlerstrom-Schutzschalter mit einer Auslösestromdifferenz von 300 mA wird als Brandschutz der gesamten elektrischen Anlage von einigen Energieversorgungsunternehmen oftmals vorgeschrieben, wenn die Hauseinspeisung nicht über Erdkabel, sondern über Dachfreileitungen erfolgt.

In Europa sind, bis auf Großbritannien, netzspannungsunabhängige FI-Schutzschalter (RCD) vorgeschrieben. Die dahinterstehende Sicherheitsphilosophie stellt die Zuverlässigkeit der elektronischen Verstärkerschaltungen in Frage, welche in den einfacheren und kleineren elektronischen DI-Schaltern (Differenzstrom-Schutzschalter) im englischsprachigen Raum angewendet werden.

Deutschland

In Deutschland sind Fehlerstrom-Schutzschalter seit dem 1. Mai 1984 für Räume mit Badewanne oder Dusche in Neubauten gefordert (einzige Ausnahme: fest angeschlossene Warmwasserbereiter). Seit dem 1. Februar 2009 müssen in Neubauten außerdem alle Steckdosen-Stromkreise mit einem Bemessungsstrom bis 20 A, welche für die Benutzung durch Laien und zur allgemeinen Verwendung bestimmt sind, mit einer Fehlerstrom-Schutzeinrichtung mit einem Bemessungsdifferenzstrom I_Δn von max. 30 mA ausgestattet sein (im Außenbereich für Endstromkreise bis 32 A).

Die dafür verbindlichen Normen sind die DIN VDE 0100-701:2008-10 (für Räume mit Badewanne oder Dusche) und die DIN VDE 0100-410:2007 (Abschnitt 411.3.3 – für Steckdosenstromkreise). Die Übergangsfrist für die vorhergegangene Ausgabe 1997-01 ist am 1. Februar 2009 abgelaufen.

Für überdachte Schwimmbäder und Schwimmbäder im Freien sowie für Räume und Kabinen mit Saunaheizungen gibt es ebenfalls die Forderung nach Fehlerstrom-Schutzschaltern.

Der oftmals missverständlich angewendete Begriff „Feuchtraum“ bezieht sich nicht auf Bäder oder Toiletten in Wohnräumen. Gemäß Definition in der DIN 68800 handelt es sich um einen Feuchtraum, wenn längerfristig eine Luftfeuchtigkeit oberhalb 70 % vorhanden ist. In der DIN VDE 0100-200:2008-06 Abschnitt NC.3.3 werden Küchen in Wohnungen und Baderäume in Wohnungen und Hotels in Bezug auf Installation explizit als trockene Räume eingestuft (da in diesen Räumen nur zeitweise Feuchtigkeit auftritt).

Für Altanlagen gibt es keine Nachrüstpflicht. Das heißt, eine Anlage darf weiter betrieben werden, wenn die Anlage zum Zeitpunkt ihrer Errichtung den damals geltenden Normen und Richtlinien entsprochen hat und diesen heute noch entspricht.

In Deutschland ist unter folgenden Umständen jedoch die Nachrüstung eines Fehlerstrom-Schutzschalters unumgänglich wenn:

• Nutzungsänderungen vorgenommen werden
• Nutzungserweiterungen, Umbaumaßnahmen oder Sanierungen, die in die Substanz eingreifen
• neue Rechtsverordnungen, die eine Nachrüstung fordern, TAB beachten
• abgelaufene Übergangsfristen
• unmittelbare Gefahren für Personen und Sachwerte

Anmerkung: Der bloße Austausch eines Betriebsmittels am Beispiel einer Steckdose erfordert keine Anpassung an neue Normen. Wird jedoch die Steckdose an eine andere Stelle versetzt oder ein Steckdosenstromkreis um eine weitere Steckdose erweitert, dann ist zumindest dieser Stromkreis an den aktuellen Stand der Technik (Normenlage) anzupassen.

Auch in der Landwirtschaft müssen, insbesondere bei Tierhaltung, Fehlerstrom-Schutzschalter verwendet werden. Die Reduzierung der dauernd zugelassenen Berührungsspannung auf 25 V Wechselspannung und 60 V Gleichspannung ist nach DIN VDE 0100-705:2007-10 entfallen.

Österreich

In Österreich ist ein Fehlerstrom-Schutzschalter mit einem Nennfehlerstrom von max. 30 mA nach ÖVE E8001-1/A1:2013-11-01 für alle Stromkreise vorgeschrieben, in denen sich Steckdosen befinden und deren Nennstrom 16 A nicht übersteigt.

Auf Baustellen ist für alle Steckdosenstromkreise mit einem Nennstrom bis 32 A und in landwirtschaftlichen sowie gartenbaulichen Betriebsstätten (nicht in den angrenzenden Wohnhäusern), in Saunabereichen, in Schwimmbädern, in Schwimmanlagen im Freien, in Experimentierständen in Unterrichtsräumen, in medizinisch genutzten Räumen, in Badezimmern, auf Campingplätzen, auf Bootsanlegestellen und in Wandlampen im Handbereich von Umkleidekabinen unabhängig von deren Nennstrom, ein Zusatzschutz vorzusehen.

Schweiz

In der Schweiz waren bis 2009 laut Niederspannungs-Installations-Norm (NIN) 2005 4.7.2.3.1-8 max. 30 mA vorgeschrieben für Bade- und Duschräume, Steckdosen im Freien, feuchte und nasse Räume, korrosive Umgebungen und explosionsfähige Atmosphären, Baustellen, Messeplätze, Jahrmärkte, Festplätze, elektr. Versuchsanordnungen. (jeweils alle Steckdosen ≤ 32 A).

300 mA 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 Fehlerstromschutzschaltern 30 mA ausgerüstet sein müssen.

Auf den 1. Januar 2010 trat die neue NIN 2010 in Kraft. Ab sofort muss jede frei zugängliche Steckdose ≤ 32 A mit einem max. 30-mA-FI-Schutzschalter geschützt sein. Ausnahmen sind zum Beispiel: Steckdosen in IT-Anlagen, bei denen die Betriebssicherheit wichtiger ist und der Raum mit Zutrittskontrolle nur von einem instruierten Personenkreis betreten werden kann.

Im Wohnungsbau wird grundsätzlich der Typ A für alle Anwendungen eingesetzt.

Für die Prüfung der zulässigen Abschaltzeit in der Installation gilt für Stromkreise ≤ 32 A 0,4 s. Die Prüfung mit dem halben und dem ganzen Differenzstrom mit einer Auslösezeit von < 0,3 s ist eine reine Geräteprüfung und hat für den SiNa keine Bedeutung.

Einsatzbereich

Im Stromkreisverteiler (Unterverteiler, Sicherungskasten) installierter Fehlerstrom-Schutzschalter

In IT-Systemen muss die gesamte Niederspannungsinstallation geschützt werden. Im Neubaubereich spricht heute nichts mehr dagegen, die komplette Stromversorgung abzusichern. Es ist empfohlen mindestens 2 RCDs in einen Wohnungsunterverteiler zu installieren, damit nicht die komplette Anlage im Fehlerfall abschaltet. Das kann unter Umständen hinderlich sein, so dass man die per Fehlerstrom-Schutzschalter geschützten Stromkreise eingrenzen sollte. Bei der Auswahl sind auch allfällige Leckströme elektronischer Verbraucher (z. B. EVG) oder deren mögliche Fehlerstromart (z. B. eingebauter Frequenzumrichter in Waschmaschine) zu beachten. Bei der Nachrüstung von Altbauwohnungen kommt es oft zu Fehlauslösungen des Fehlerstrom-Schutzschalters, 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.

Abschaltungen durch Fehlerstrom-Schutzschalter können auch durch externe Ereignisse hervorgerufen werden, beispielsweise durch Überspannungsimpulse durch Blitzschläge in Freileitungen. Das 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 in kurzem Abstand nach dem Auslösen zwei- bis dreimal selbständig nochmals die Spannung aufschalten. Nur wenn der Fehler weiterhin auftritt, bleiben sie endgültig abgeschaltet. Diese Modelle sind vor allem für ferngesteuerte Anlagen von Interesse, wo kein Personal vor Ort ist, welches den Schutzschalter wieder einschalten könnte.

Anlagenfehler können schneller gefunden werden, wenn die Endkreise geschaltete oder durch Trennklemmen unterbrechbare Neutralleiter haben.

Prüfen des Fehlerstrom-Schutzschalters

Fehlerstrom-Schutzschalter mit Prüftaste (T)

Der Profitest von Gossen Metrawatt eignet sich unter anderem zum Prüfen von RCDs nach DIN VDE 0100-600

Prüftaste (T) für die Funktionsprüfung

Am Fehlerstrom-Schutzschalter befindet sich eine Prüftaste (T), mit der die Funktion des Gerätes geprüft werden kann. Von einem Außenleiter führt ein Strompfad außerhalb am Summenstromwandler vorbei zum Neutralleiter. In diesem Strompfad befindet sich die Prüftaste und ein Widerstand, der die Höhe des Differenzstromes bestimmt. Bei Betätigung der Prüftaste wird ein Fehlerstrom simuliert, der den Ansprechwert des Fehlerstrom-Schutzschalters übersteigt und zur Auslösung bringt. Die Funktionsprüfung mittels Prüftaste gibt aber keinen Rückschluss auf den ordnungsgemäßen Zustand des nachgeführten Stromkreises. Die Wirksamkeit der Schutzmaßnahme in der Elektroinstallation einschließlich Ermittlung der Kennwerte des Fehlerstrom-Schutzschalters müssen mit geeigneten Prüfgeräten von einer Elektrofachkraft durchgeführt werden und sind in IEC 60364-6 (modifiziert; für Deutschland: DIN VDE 0100-600) beschrieben.

Hersteller empfehlen eine mindestens halbjährliche Prüfung durch den Nutzer. Oft wird vorgeschlagen, die Tage der Zeit-Umstellung als Gedächtnisstütze zu nutzen. Nach DGUV Vorschrift 3) können auch kürzere Zeitabstände gefordert sein.

Bestimmung des Auslösefehlerstroms

Der Auslösefehlerstrom (Ansprechwert des Fehlerstrom-Schutzschalters) muss zwischen 50 % und 100 % des Bemessungsfehlerstroms liegen. In der Praxis beträgt der Wert rund 70 %.

RCD-Prüfung nach DIN VDE 0100-600 (VDE 0100-600):2008-06

Nach DIN VDE 0100-600 ist die Wirksamkeit der Schutzmaßnahme „Automatische Abschaltung der Stromversorgung“ nachzuweisen. Dabei sind entsprechende Anforderungen nach DIN VDE 0100-410 einzuhalten.

Die maximale Abschaltzeit nach DIN VDE 0100-410 beträgt für Steckdosenstromkreise bis einschließlich 32 A in TN-Systemen 0,4 s (bei 230 V gegen Erde, im TT-System 0,2 s). In der Praxis liegt dieser Wert bei rund 20 ms –40 ms. Die Abschaltzeit für das Gerät selbst beträgt nach Baunorm (DIN EN 61008-1, VDE 0664-10) bei vollem I∆n 0,3 s, bei 2xI∆n 0,15 s und bei 5xI∆n 0,04 s.

Zusätzlich werden die Berührungsspannung sowie der Erdungswiderstand gemessen, diese dürfen in der Norm vorgegebene Werte nicht überschreiten. Die Wirksamkeit der automatischen Abschaltung der Stromversorgung durch Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen (RCDs) muss mit geeigneten Messgeräten nach DIN EN 61557-6 (VDE0413-6) geprüft werden. Die Messwerte sind in geeigneten Prüfberichten zu dokumentieren, das kann zum Beispiel ein ZVEH-Prüfprotokoll sein.

RCD-Prüfung Typ A (Schweiz)

Ein Elektrofachmann schaltet den Schalter immer mit der Prüftaste aus. Dann wird ein Strom in der Größe des Nennfehlerstromes simuliert und der Fehlerstromschutzschalter muss gemäß NIN 2010 Kapitel 4.1 innerhalb von 0,4 s auslösen. Es sind kleine Handprüfgeräte und Installationstester auf dem Markt, welche diese Prüfung vom Außenleiter zum Schutzleiter ermöglichen. Die Auslösezeit wird im Sicherheitsnachweis festgehalten, bei einem 30-mA-RCD sind das in der Praxis 20 bis 30 ms. Kurzzeitverzögerte Fehlerstrom-Schutzschalter benötigen 40 bis 100 ms.

Selektive Fehlerstrom-Schutzschalter 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 und Entwicklung

Spinnennetz FID 25/4

Der Fehlerstrom-Schutzschalter wurde bereits 1903 von Schuckert unter der Bezeichnung Summenstromschaltung zur Erdschlusserfassung patentiert (DRP-Nr. 160.069). Kuhlmann beschreibt bei der AEG eine Methode zur Messung der Erdschlussströme im Berliner Netz. Weiterentwickelt wird die Technik, auf der auch heutige Fehlerstrom-Schutzschalter basieren, von Nicholsen (1908, USA-Pat-Nr. 959.787).

Anfang der 1950er Jahre wird nach zahllosen Anregungen und technischen Studien zur grundsätzlichen Anwendbarkeit der Schaltung als Schutzeinrichtung erstmals ein ausgereifter Fehlerstrom-Schutzschalter für den breiten Einsatz beim Stromkunden präsentiert. Belegt ist darin für 1951 ein Fehlerstrom-Schutzschalter der Firma Schutzapparate-Gesellschaft & Co. mbH. KG, Schalksmühle/Westf. (Schupa) mit der Handelsbezeichnung Spinnennetz, der in zwei-, drei- und vierpoliger Ausführung für einen Nennstrom von 25 A und Spannungen bis 380 V bei einem Auslösefehlerstrom von 0,3 A ausgelegt war. Eine geringere Auslöseschwelle wurde diskutiert, jedoch als wirtschaftlich unvernünftig verworfen. Die damals zulässigen Ableitströme bei Wärmegeräten hätten bei einer geringeren Auslöseschwelle auch zu häufigen Fehlauslösungen geführt.

Im Jahr 1957 entwickelte Gottfried Biegelmeier in Österreich bei Felten & Guilleaume einen Fehlerstrom-Schutzschalter. Diese wurden in Österreich im Jahr 1980 in Privathaushalten gesetzlich vorgeschrieben, wobei die Auslösestromstärke schrittweise von ursprünglich 100 mA auf 70, 65 und 30 mA herabgesetzt wurde. Seit Anfang 1985 gilt dies mit dem Inkrafttreten der Vorschrift SEV 1000-1.1985 auch in der Schweiz.

Ähnliche Einrichtungen

• Schutzleitungssystem – Eine Isolationsprüfeinrichtung in speziellen Einrichtungen
• PRCD – Eine mobile Fehlerstrom-Schutzeinrichtung, die in die Zuleitung von Geräten geschaltet wird
• Residual Current Monitor (RCM) – Einrichtung zur Überwachung und Anzeige von Fehler-/Differenzströmen

Normen

• DIN EN 61008-1 (VDE 0664-10):2015-11 Fehlerstrom-/Differenzstrom-Schutzschalter ohne eingebauten Überstromschutz (RCCBs) für Hausinstallationen und für ähnliche Anwendungen – Teil 1: Allgemeine Anforderungen
• DIN EN 61009-1 (VDE 0664-20):2015-11 Fehlerstrom-/Differenzstrom-Schutzschalter mit eingebautem Überstromschutz (RCBOs) für Hausinstallationen und für ähnliche Anwendungen - Teil 1: Allgemeine Anforderungen
• DIN EN 62423 (VDE 0664-40):2013-08 Fehlerstrom-/Differenzstrom-Schutzschalter Typ F und Typ B mit und ohne eingebautem Überstromschutz für Hausinstallationen und für ähnliche Anwendungen
• DIN VDE 0100-100:2009-06 Errichten von Niederspannungsanlagen – Teil 1: Allgemeine Grundsätze, Bestimmungen allgemeiner Merkmale, Begriffe
• DIN VDE 0100-410:2007-06 Errichten von Niederspannungsanlagen – Teil 4-41: Schutzmaßnahmen – Schutz gegen elektrischen Schlag
• DIN VDE 0100-530:2011-06 Errichten von Niederspannungsanlagen – Teil 530: Auswahl und Errichtung elektrischer Betriebsmittel – Schalt- und Steuergeräte
• DIN VDE 0100-600:2008-06 Errichten von Niederspannungsanlagen – Teil 6: Prüfungen
• DIN VDE 0100-701:2008-10 Errichten von Niederspannungsanlagen – Teil 7-701: Anforderungen für Betriebsstätten, Räume und Anlagen besonderer Art – Räume mit Badewanne oder Dusche
• DIN VDE 0100-705:2007-10 Errichten von Niederspannungsanlagen – Teil 7-705: Anforderungen für Betriebsstätten, Räume und Anlagen besonderer Art – Elektrische Anlagen von landwirtschaftlichen und gartenbaulichen Betriebsstätten
• DIN EN 61557-6 (VDE 0413-6):2008-05 Elektrische Sicherheit in Niederspannungsnetzen bis AC 1 000 V und DC 1 500 V – Geräte zum Prüfen, Messen oder Überwachen von Schutzmaßnahmen - Teil 6: Wirksamkeit von Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen (RCD) in TT-, TN- und IT-Systemen
• ÖVE E8001-1/A1:2013-11-01 Errichtung von elektrischen Anlagen mit Nennspannungen bis AC 1000 V und DC 1500 V, Teil 1: Begriffe und Schutz gegen elektrischen Schlag (Schutzmaßnahmen)

Literatur

• NIN2005 4.7.2.3 /4.1.2.5.
• A. Senner: Fachkunde Elektrotechnik. 4. Auflage. Verlag Europa – Lehrmittel, 1965.
• Ernst Hörnemann, Heinrich Hübscher: Elektrotechnik Fachbildung Industrieelektronik. 1. Auflage. Westermann Schulbuchverlag, Braunschweig 1998, ISBN 3-14-221730-4.
• Günter Springer: Fachkunde Elektrotechnik. 18. Auflage. Verlag Europa – Lehrmittel, Wuppertal 1989, ISBN 3-8085-3018-9.
• M. Kampler, H. Nienhaus, D. Vogt: VDE Schriftenreihe 63, „Prüfung vor Inbetriebnahme von Niederspannungsanlagen“. 3. Auflage. VDE Verlag, Berlin/ Offenbach 2008, ISBN 978-3-8007-3112-1, S. 127 ff. 

Weblinks

Commons: Fehlerstromschutzschalter – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Wiktionary: Fehlerstromschutzschalter – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

• Simple Darstellung der Funktionsweise eines Fehlerstromschutzschalters
• Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen – BETA Niederspannungs-Schutzschalttechnik Technik-Fibel (Siemens AG; PDF; 1,6 MB)
• Schrack: Wandel der Elektrotechnik, abgerufen am 31. Januar 2012