Fehlerstrom-Schutzschalter
Der Fehlerstromschutzschalter, kurz 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, 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 FI-Schalter die Stromstärke des ausgehenden Stromes mit der Stärke des zurückfließenden Stromes. In Europa werden FI-Schalter heutzutage normalerweise im Sicherungskasten zusätzlich zu Überstrom-Schutzeinrichtungen (Leitungsschutzschalter, Schmelzsicherungen) installiert, in Nordamerika sind sie meist in Steckdosen integriert.
Funktionsprinzip
Die Funktion des FI-Schalters 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 zur Auslösung des FI-Schalters und damit zur Abschaltung der Stromzufuhr führt. Werden an dem Standard FI-Schalter B6-Gleichrichterschaltungen (etwa in Frequenzumrichtern) betrieben wird dieser FI bei einem Fehlerstrom hinter der Gleichrichterbrücke durch den dann vorhandenen Gleichfehlerstrom vormagnetisiert und totgelegt. Der FI geht in Sättigung und kann auch Fehler an parallel betriebenen Geräten nicht mehr erkennen. Nur FI- Schalter Typ B, allstromsensitiv (mit Elektronik) sind dann noch funktionsfähig und zulässig. [1]
Aufbau des Summenstromwandlers
Der Summenstromwandler besteht aus einem 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 FI-Schalters 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 FI-Schalters ist, dass der Schutzleiter im normalen Betrieb keinen Strom führt. In einem Abschnitt eines TN-Systems, in dem der Schutzleiter gleichzeitig Neutralleiter ist, kann er daher nicht eingesetzt werden.
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 netzspannungsunabängig.
Allstromsensitive Fehlerstromschutzschalter vom Typ B erfassen zusätzlich einen glatten Gleichfehlerstrom. Die Überwachung auf Gleichfehlerströme erfolgt netzspannungsabhängig, benötigt also eine Versorgungsspannung.
Hierbei regelt die DIN VDE 0664 das Umfeld.
In Europa (bis auf GB) sind netzstromunabhängige FI-Schutzschalter 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 FI-Schalter für Bemessungsdifferenzströme von 10 mA, 30 mA, 100 mA, 300 mA und 500 mA (500-mA-Typ unüblich geworden). Die Toleranz des Differenzstromes eines FI-Schalters 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 30 mA und für Brandschutz einer von 300 mA vorgeschrieben.
Zu beachten ist, dass ein FI-Schalter nicht die Höhe des Fehlerstroms begrenzt. Die Schutzwirkung beruht ausschließlich auf der schnellen Abschaltung der Stromzufuhr. Die unempfindlicheren Modelle sind als Brandschutz und zur Realisierung einer Schutzmaßnahme bei problematischen Erdungsverhältnissen in TT-Systemen gedacht.
Personenschutz
Da es vorgeschrieben ist, dass alle metallischen Gehäuse elektrischer Geräte mit einem Schutzleiter versehen sind, fließt im Falle einer leitenden Verbindung zwischen einem Außenleiter (L) und einem vom Menschen berührbaren Gehäuseteil ein Strom über den Schutzleiter. Die Höhe dieses Stromes hängt von der Größe des Erdungswiderstandes bzw. der Schleifenimpedanz ab.
Um zu gewährleisten, dass bei einem spannungsführenden Gehäuse (Körperschluss) der Strom abgeschaltet wird um einen korrekten Personenschutz zu bekommen, muss der Fehlerstromschutzschalter auf den entsprechenden Erdungswiderstand/Schleifenimpedanz angepasst sein. Bei einem großen Erdungswiderstand/Schleifenimpedanz fließt bei einem Körperschluss über den Schutzleiter nur ein geringer Strom (I=U/R), weshalb hier ein FI-Schalter mit einem geringen Auslösestrom erforderlich ist. Wenn der Erdungswiderstand hingegen gering ist,ist ein FI-Schalter mit einem größeren Auslösestrom ausreichend.
Da durch den RCD(FI) das Auftreten und nicht das Bestehenbleiben einer nicht zulässigen Berührungsspannung verhindert werden soll (Zulässig beim Menschen 50V AC/ 120V DC bei Tieren 25V AC/ 60V DC), muss mit der höchst zulässigen Berührungsspannung anstatt mit der Netzspannung (230V) gerechnet werden.
RAz = höchstzulässiger Erdungswiderstand
UL = höchstzulässige Berührungsspannung
IDN= Bemessungs-Differenzstrom des RCD (0,5 A ; 0,3 A ; 0,1 A ; 0,03 A ; 0,01 A
RAz = UL / IDN
Beispiel:
In einer normalen Wohnung (zul. Berührungsspannung 50 V) wurde ein 0,1 RCD verbaut und ein Erdungswiderstand (RAz) von 620 Ohm festgestellt.
RA = 50V / 0,1 A
RA = 500 Ohm
Dieses Beispiel ist nicht zulässig, da RAz größer ist als RA.
In der Schweiz wäre es zulässig, da ein Erdungswiderstand (RAz) max. 20 Ohm haben darf (prüfen nach NIN 2005, Seite 24).
Vorschriften
In Deutschland wird bei Neubau und Modernisierung ein FI-Schalter mit einer Auslösestromdifferenz von 30 mA vor allem für Stromkreise in Feuchträumen und im Außenbereich vom VDE verlangt. Ein FI-Schalter 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 FI-Schalter nach ÖVE EN 61008 für alle Stromkreise, in denen sich Steckdosen befinden, vorgeschrieben.
In der Schweiz laut NIN2005 4.7.2.3.1-8 sind max. 30mA vorgeschrieben für Bade- und Duschenräume, Steckdosen im Freien, feuchte und nasse Raume, korrosive und Ex. Räume, Baustellen, Messeplätze, Jahrmärkte, Festplätze, elektr. Versuchsanordnungen. (jeweils alle Steckdosen <=32A). 300mA sind für Installationen in korrosiven, Ex und feuergefährlichen Räumen, so wie in landwirtschaftlichen Betrieben für die gesamte Installation vorgeschrieben, wobei in der Landwirtschaft alle Steckvorrichtungen mit RCD 30mA ausgerüstet sein müssen.
Einsatzbereich
Der Einsatz von FI-Schutzschaltern wird heute in vielen Ländern im Haushaltsbereich für Steckdosen in Feuchträumen, wie zum Beispiel Badezimmer, sowie für Steckdosen im Außenbereich von den einschlägigen Normen (etwa DIN VDE oder ÖVE) zusätzlich zu den installierten Überstromschutzorganen zwingend verlangt. Dazu zählen auch Innensteckdosen, an denen Geräte im Freien betrieben werden. 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 FI-Schutzschalters unumgänglich:
- wesentliche Änderungen an der Installation
- neue Rechtsverordnungen, die eine Nachrüstung fordern, TAB beachten
- abgelaufene Übergangsfristen
- unmittelbare Gefahren für Personen und Sachwerte
Laut VDE wird ein FI-Schalter darüber hinaus für Kinderzimmer, Labor-Arbeitsplätze und für Steckdosen in der Küche empfohlen!
FI-Schutzschalter bieten jedoch keinen Schutz, wenn beide Netzspannungsleitungen (L und N) berührt werden. Andere Schutzmaßnahmen (beispielsweise kindersichere Steckdosen) 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 FI-Schalter geschützten Stromkreise eingrenzen sollte. Bei der Nachrüstung von Altbauwohnungen kommt es oft zu Fehlauslösungen des FI-Schalters, 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.
Abschaltungen von FI-Schutzschaltern 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.
Test-Taste
Mit der am FI-Schalter von vorn zugänglichen Test-Taste (T) kann der Fehlerfall simuliert werden, um die ordnungsgemäße Funktion regelmäßig (VDE Vorschrift jeden Monat) zu überprüfen. Durch Drücken der Taste wird eine abgehende Phase über einen geeignet dimensionierten Widerstand mit dem Neutralleiter vor dem FI-Schalter verbunden und so gewollt ein Fehlerstrom erzeugt, der die Auslösestromstärke übersteigt. Hersteller empfehlen eine monatliche Prüfung. Ortsveränderliche FI-Schalter müssen täglich vor Arbeitsbeginn auf Funktion geprüft werden. Achtung: Schaltet ein FI-Schalter beim Betätigen der Prüftaste aus, ist nur seine Funktionalität sichergestellt und nicht ob die Geräte richtig angeschlossen und geerdet sind.
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 in Niederösterreich. In Österreich wurde er gesetzlich im Jahr 1980 auch in den Haushalten vorgeschrieben.
Seit dem Inkrafttreten der SEV 1000-1.1985 kann der obige Artikel 1:1 auch für CH-Vorschriften übernommen werden.
Quellen
- ↑ VDE 0160; EN 50178 Kap 5.2.11.
NIN2005 4.7.2.3 /4.1.2.5
