Fehlerstromschalter

Fehlerstromschutzschalter

geöffneter Fehlerstromschutzschalter

In der Unterverteilung (Sicherungskasten) eingebauter Fehlerstromschutzschalter

Fehlerstromschutzschalter

1: Schaltschloss; 2: Auslösespule; 3: Summenstromwandler; 4: Prüftaste

Ein Fehlerstromschutzschalter, FI-Schutzschalter oder FI-Schalter, neue Bezeichnung RCD (Residual Current protective Device), ist eine Schutzeinrichtung in Stromnetzen. In Europa werden Fehlerstromschutzschalter normalerweise zusätzlich zu den (in Deutschland vorgeschriebenen) Überstromschutzeinrichtungen im Sicherungskasten installiert. In Deutschland sind Fehlerstromschutzschalter seit 1984 für Feuchträume in Neubauten vorgeschrieben. Seit 1. Februar 2009 müssen außerdem alle Steckdosen-Stromkreise, welche durch elektrotechnische Laien genutzt werden, mit einem RCD ausgestattet sein (in Innenräumen Stromkreise bis 20 Ampere, im Außenbereich bis 32 Ampere).

Grundlagen

Ein Fehlerstromschutzschalter schützt gegen das Bestehenbleiben, nicht das Entstehen, eines unzulässig hohen Berührungsstroms (siehe auch Berührungsspannung). Er ist ein effizientes Mittel zur Vermeidung von gefährlichen (zum Teil tödlichen) Verletzungen bei Stromunfällen und dient zusätzlich der Brandverhütung.

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, der FI-Schalter den Menschen“.^[1].

Bezeichnungen, Begriffsklärung

In der EU ist die englische Bezeichnung RCD (Residual Current Protective Device, wörtlich Reststromschutzgerät) die Norm und daher auch in der deutschen Fachsprache üblich; im allgemeinen Sprachgebrauch sind auch die Begriffe FI-Schutzschalter oder kurz FI-Schalter (F für Fehler, I als Formelzeichen des elektrischen Stromes) gebräuchlich.

Eine genauere, technischere Bezeichnung ist Fehlerstromschutzeinrichtung ohne Hilfsenergie.

In den USA und Kanada spricht man von einem Ground Fault Circuit Interrupter (GFCI); dort sind sie meist in Steckdosen integriert.

Bei einem RCBO (Residual Current-Operated Circuit-Breaker with Overcurrent Protection“) sind dagegen FI-Schalter und Leitungsschutzschalter zusammengefasst. (Auch als FI/LS-Schalter oder „Personenschutzautomat" bezeichnet – letztere Bezeichnung ist als Marketingname technisch nicht genau definiert; es kann auch nur ein einfacher FI-Schalter sein).

Ein FI-Schalter ohne integrierten Leitungsschutzschalter wird auch als RCCB (Residual Current-Operated Circuit Breaker) bezeichnet.

Vorschriften

Der Einsatz von Fehlerstromschutzschaltern wird in vielen Ländern 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 RCD mit einer Auslösestromdifferenz von 300 mA wird als Brandschutz der gesamten elektrischen Anlage von einigen EVU oftmals vorgeschrieben, wenn die Hauseinspeisung nicht über Erdkabel, sondern über Dachfreileitungen erfolgt.

Deutschland

Für Feuchträume und Anlagen im Außenbereich sind RCDs in Deutschland seit 1984 vorgeschrieben. Laut DIN 68800 handelt es sich um einen Feuchtraum, wenn längerfristig eine Luftfeuchtigkeit oberhalb 70 % vorhanden ist. Damit handelt es sich bei Bädern, Duschen, Küchen und Toiletten nicht um Feuchträume. Jedoch ergibt sich aus der VDE für Räume mit Badewanne oder Dusche, für überdachte Schwimmbäder und Schwimmbäder im Freien, für Räume und Kabinen mit Saunaheizungen die Forderung nach RCDs.

Seit dem 1. Juni 2007 gilt eine VDE-Norm, die bis auf wenige Ausnahmen zusätzlich auch für alle anderen Steckdosenstromkreise, die für elektrotechnische Laien zugänglich sind, bis 20 A im Gebäude und 32 A im Freien (DIN VDE 0100-410:2007-06, Abschnitt 411.3.3), einen RCD mit einem Bemessungsdifferenzstrom von maximal 30 mA fordert.^[2][3] Die Übergangsfrist zur Anwendung der Vorgängerausgabe ohne diese Forderung ist am 1. Februar 2009 abgelaufen.

Für Altanlagen gibt es durch den Bestandsschutz keine Nachrüstpflicht. 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 beachten
• abgelaufene Übergangsfristen
• unmittelbare Gefahren für Personen und Sachwerte

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

Österreich

In Österreich ist ein RCD mit einem Nennfehlerstrom von max. 30 mA nach ÖVE E8001-1/A1:2002-04-01 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), unabhängig von deren Nennstrom, ein Zusatzschutz vorzusehen.

Schweiz

In der Schweiz sind laut NIN2005 4.7.2.3.1-8 max. 30 mA vorgeschrieben für Bade- und Duschenräume, Steckdosen im Freien, feuchte und nasse Räume, korrosive Umgebungen und explosionsfähige Atmosphären, Baustellen, Messeplätze, Jahrmärkte, Festplätze, elektr. Versuchsanordnungen. (jeweils alle Steckdosen $\le$ 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 RCD 30 mA ausgerüstet sein müssen.

Funktionsprinzip

Der RCD (FI-Schalter) trennt bei Überschreiten einer bestimmten Differenzstromstärke (in Hausanlagen meist 30 mA) den überwachten Stromkreis allpolig, d. h. alle Leiter bis auf den Schutzleiter, vom restlichen Netz.

Differenzströme können auftreten, wenn etwa durch den menschlichen Körper oder über eine schadhafte Isolierung ein (Fehler-)Strom fließt. Dazu vergleicht der RCD die Höhe des hin- mit dem des zurückfließenden Stromes. Die vorzeichenbehaftete Summe aller durch den RCD fließenden Ströme muss bei einer intakten Anlage Null betragen. (Siehe auch: Kirchhoffsche Regeln)

Der Vergleich erfolgt in 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 ungleich Null: es entsteht eine Stromdifferenz (ΔI, sprich: Delta I), die zum Ansprechen des RCD und damit zur Abschaltung der Stromzufuhr führt.

Der Schutz gegen direktes Berühren (Basisschutz durch Isolierung) und Kurzschluss bzw. Überlast (Schutz durch Sicherungen) kann durch einen RCD nicht ersetzt, sondern nur ergänzt werden. Sie bieten keinen Schutz gegen Stromschlag, wenn eine Person auf einer isolierenden Unterlage beide Netzspannungsleitungen (L und N) berührt, da hier (aus „Sicht" des FI-Schalters) kein Fehlerstrom auftritt.

Werden an dem Standard-RCD 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. ^[4]

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 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.

Verwendung, Ausführung

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 unabhängig und arbeitet wie bei Typ A netzspannungsunabhängig.

Hierbei regelt die DIN VDE 0664 das Umfeld. Nach VDE 0530 ist keine Anordnung von RCD's Typ A vor Typ B zulässig.

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.

Typische Bauformen für die Montage auf Hutschienen in Verteilerkästen sind ein- und dreiphasige Ausführungen. Da der Neutralleiter immer mitgeführt werden muss, belegen diese typischerweise zwei oder vier Modulplätze.

Kennwerte

Handelsüblicher sind RCD für Bemessungsdifferenzströme von I_ΔN=10 mA, 30 mA, 100 mA, 300 mA und 500 mA. 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. Sie ist abhängig vom Fehlerstrom und verkürzt sich bei höheren Fehlerströmen auf unter 50 ms^[5]. Genaue Angaben zu den zulässigen Auslösezeiten machen die entsprechenden VDE-Vorschriften.
Es gibt zur Selektivität und zum Betrieb von Geräten mit Netzfiltern (höherer Ableitstrom beim Einschalten) ansprechverzögerte Typen.

Zum Personenschutz ist ein maximaler Ansprechstrom von 10 mA oder 30 mA und für den 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 bzw. Überlastschutzorgan begrenzter hoher Strom fließen kann.

Einsatzbereich

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^[6]. 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.

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

Taste für Funktionsprüfung (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 halbjährlich) 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 mindestens halbjährliche Prüfung.^[7] Ortsveränderliche RCD (z.B. in Baustromverteilern) müssen täglich vor Arbeitsbeginn auf Funktion geprüft werden.

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RCD Prüfung nach DIN VDE 0100-600

Bei der Prüfung einer Neuinstallation verlangt die DIN VDE 0100-600 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 von Phase 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

Der Fehlerstromschutzschalter wurde bereits 1903 von Schuckert unter der Bezeichnung Summenstromschaltung zur Erdschlusserfassung patentiert (DRP-Nr. 160.069) ^[8]. Kuhlmann beschreibt bei AEG eine Methode zur Messung der Erdschlussströme im Berliner Netz. Weiterentwickelt wird die Technik, auf der auch heutige Fehlerstromschutzschalter basieren, von Nicholsen (1908, USA-Pat-Nr. 959.787). ^[9]

Anfang der 50er Jahre wird nach zahllosen Anregungen und technischen Studien zur grundsätzlichen Anwendbarkeit der Schaltung als Schutzeinrichtung erstmals ein ausgereifter Fehlerstromschutzschalter für den breiten Einsatz beim Stromkunden präsentiert.^[10] Belegt ist darin für 1951 ein Fehlerstromschutzschalter der Firma Schutzapparate-Gesellschaft & Co. mbH. KG, Schalksmühle/Westf. mit der Handelsbezeichnung Spinnennetz, der in Zwei-, Drei- und Vierpoliger Ausführung für eine Nennleistung 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.

Für Österreich folgte Gottfried Biegelmeier im Jahr 1957 diesen Anregungen und entwickelte bei der Firma Felten & Guilleaume den ersten österreichischen Fehlerstromschutzschalter.

In Österreich wurde der Fehlerstromschutzschalter 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.

Literatur

Fachbücher

• 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 GmbH, Braunschweig, 1998, ISBN 3-14-221730-4
• Günter Springer: Fachkunde Elektrotechnik. 18.Auflage, Verlag - Europa - Lehrmittel, Wuppertal, 1989, ISBN 3-8085-3018-9

Einzelnachweise

1. ↑ Uni München: FI-Schalter
2. ↑ „Schutz gegen elektrischen Schlag beim Errichten von Niederspannungsanlagen (1)“ aus „de 13-14/2007“ (abgerufen am 18. März 2008 um 13:55)
3. ↑ „Schutz gegen elektrischen Schlag beim Errichten von Niederspannungsanlagen (2)“ aus „de 15-16/2007“ (abgerufen am 18. März 2008 um 13:55)
4. ↑ VDE 0160; EN 50178 Kap 5.2.11.
5. ↑ http://www.prcd-s.de/Schulung.pdf FI-Auslösecharakteristik: Seite 30
6. ↑ Laut DIN 18015-2 (Gilt für Wohnungsanlagen in Deutschland) ist die Zuordnung zu Fehlerstrom-Schutzschaltern so vorzunehmen, dass das Abschalten eines Fehlerstrom-Schutzschalters nicht zum Ausfall aller Stromkreise führt.
7. ↑ ABB-Katalog: Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen
8. ↑ Schossig, Walter: Geschichte der Schutz- und Leittechnik . Vortrag anlässlich des Internmationalen ETG-Kongresses 2001 in Nürnberg.
9. ↑ Schossig, Walter: Die Geschichte der Elektrizität. In: VDI-Nachrichten. 1/2008. (S.22 ff)
10. ↑ Schwenkhagen, H. F.: Die Fehlerstromschutzschaltung, eine neue Form der Schutzerdung. In: Elektro-Anzeiger Zeitschrift für die gesamte Elektro- und Rundfunkwirtschaft . Ausgabe 51/52 vom 29.12.1951, (S.488 ff.)

Siehe auch

• Gefährliche Ströme
• Schutzleitungssystem
• PRCD-S
• Residual Current Monitor

Weblinks

• Prinzip des RCD
• Simple Darstellung der Funktionsweise eines Fehlerstromschutzschalters
• Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen (RCDs) - Anforderungen für die Auswahl für elektrische Anlagen