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Was sind Fehlerstromschutzschalter?

1. Grundlagen von Fehlerstrom Schutzschaltern

 

Der Fehlerstrom Schutzschalter, kurz FI Schutzschalter auch als RCD (residual current device, deutsch: Reststromschutzgerät) genannt, sorgt dafür, dass bei einem Fehlerstrom der Stromkreis in Millisekunden unterbrochen wird, wenn Personen in Berührung mit einem  defekten Gerät oder einer defekten Leitung kommen.

FI Schalter: „F“ steht für Fehler und „I“ steht für das Formelzeichen der elektrischen Stromstärke

FI-Schalter sind die am häufigsten verwendeten Geräte aus der übergeordneten Gruppe der Schutzeinrichtungen bei Fehlerstrom und die bieten folgende Sicherheitsaspekte:

  • Schutz bei indirektem Berühren, als Fehlerschutz durch Abschaltung bei unzulässig hoher Berührungsspannung durch Körperschluss an den Betriebsmitteln.
  • Schutz bei direktem Berühren, als Zusatzschutz durch Abschaltung beim Berühren spannungsführender Leiter. Gefährliche Körperströme werden innerhalb kürzeste Zeit abgeschaltet, wenn der Bemessungsfehlerstrom des Schutzschalters In 30 Ma ist.
  • Schutz bei Brandschutz, als Schutz gegen das Entstehen elektrisch gezündeter Brände, wenn der Bemessungsfehlerstrom des Schutzschalters In 300 mA ist.

2. Vorteile FI-Schalter

  • Im Fehlerfall wird stets allpolig abgeschaltet
  • Der Schutz durch Abschalten erfolgt bei sehr geringen Strömen
  • Im TN-System kann der Schleifenwiederstand gegenüber Anlagen mit Überstromschutzeinrichtungen wesentlich Höheren Wert aufweisen
  • Mit hochempfindlichen FI-Schalter (0.01A bis 0.03 A) kann ein Zusatzschutz bei direktem Berühren erreicht werden
  • Kompakte Bauweise
  • Benötigt keine Hilfsspannung

3. Bauform von FI-Schutzschalter (RCDs)

 

a) Das Innere des FI-Schutzschalters

Der Aufbau eines FI Schutzschalters ist relativ einfach. Man findet neben dem Gehäuse, den Anschlussklemmen und inneren Verdrahtungsleitung noch ein Parr spezielle Bauteile wie die Prüftaste und den Prüfwiederstand. Das „Herzstück“ eines FI Schalters ist der so genannte Summenstromwandler Auf diesem sitzt die Auslösespule mit der der Schaltkontakt betätigt wird.

Abbildung 1: Innenaufbau eines FI Schalters

b) Nennwerte des des FI-Schutzschalters

 

Fehlerstromschutzschalter:

Abbildung 2: Fehlerstromschutzschalter

4. Funktionsprinzip des Schutzschaltermechanismus

Der FI Schalter funktioniert nach dem Ersten Kirchhoff´schen Gesetz. Jeder stromdurchflossene Leiter baut um sich ein Magnetfeld auf. Je nach Stromrichtung mit oder gegen den Uhrzeigersinn. Ist die Summe der zufließenden und abfließenden Ströme gleich, so heben sich die Magnetfelder im Summenstromwandler auf.

Sollte jedoch ein Fehlerstrom in der Anlage gegen Erde abfließen, so erkennt dies der Fehlerstromschutzschalter. Die Magnetfelder im Summenstromwandler sind nicht mehr gleich. In der Auslösespule, die am Summenstromwandler sitzt, wird eine Spannung induziert. Die Induziert Spannung hat einen Strom zur Folge, welcher das Schaltschloss betätigt. Der FI-Schalter schaltet ab.

In der Praxis beträgt die Abschaltzeit beim Personenschutz zwischen 10 ms bis 30 ms und für den Brandschutz einer von 300mA vorgeschrieben.

Fehlerstromschutzschalter (Innenaufbau):

Abbildung 3: Innenaufbau eines FI Schalters

Die Auslösung von FI-Schalter wird vom Bemessungsfehlerstrom I∆n bestimmt –

Typische Wert für I∆n sind 10 mA, 30mA, 100 mA, 300 mA, 500 Ma; und 1 A

Auslöseströme gemäß VDE 0664-10/-20/-100/-200:

Art des Fehlerstroms

Zulässiger Auslösestrombereich

sinusförmiger Wechselstrom

0.5 bis 1 I∆n

pulsierender Gleichstrom

0.35 bis 1.4 I∆n

Phasenwinkelgesteuerte Halbwellenströme mit Phasenwinkel von 90° el

0.25 bis 1.4 I∆n

Phasenwinkelgesteuerte Halbwellenströme mit Phasenwinkel von 135° el

0.11 bis 1.4 I∆n

Pulsierender Gleichstrom überlagert mit glattem Gleichfehlerstrom von 6 mA

Max 1.4 I∆n +6 mA

Glatter Gleichstrom

0.5 bis 2 I∆n

5. Typen von FI-Schutzschaltern (RCDs)

Nach den Normen in der Reihe DIN VDE 0100 (VDE 0100) gibt es verschiedenen Typen von Fehlerstrom-Schutzschalter Schutzgeräten und -Schutzeinrichtungen (RCDs). Die wesentlichen Typen sind wie folgendes gelistet:

  • FI-Schutzschalter Typ A

FI-Schutzschalter vom Typ AC erfasst sowohl rein sinusförmige Wechselströme als auch pulsierende Gleichfehlerströme. Die zusätzliche Empfindlichkeit wird durch spezielle Magnetwerkstoffe für die eingesetzten Ringbandkerne und Resonanzschaltung zur Beeinflussung des Frequenzgangs erreicht. Nach DIN EN 61008-1 (VDE 0664 Teil 10): und DIN EN 61008-2-1 (VDE 0664 Teil 11): existiert diese Art ohne eingebaute Überstrom-Schutzeinrichtung (RCCBs) und nach DIN EN 61009-1 (VDE 0664 Teil 20) und DIN EN 61009-2-1 (VDE 0664 Teil 21) mit eingebauter Überstrom-Schutzeinrichtung (RCBOs).

  • FI-Schutzschalter Typ B

Dieser Typ entspricht allstromsensitive Fehlerstrom-Schutzschalter, die bei Wechsel- und pulsierenden Gleich-Fehlerströmen und auch bei glatten Gleich-Fehlerströmen netzspannungsabhängig nach Entwurf DIN VDE 0664-100 ohne eingebaute Überstrom-Schutzeinrichtung arbeiten. Eine wesentliche Eigenschaft dieser Fehlerstrom-Schutzschalter ist die Nutzung eines zweiten Summenstromwandlers mit Elektronikeinheit. Zur Erfassung von Gleichfehlerströmen braucht die Elektronikeinheit eine Stromversorgung und ist somit netzspannungsabhängig.

Typ B benötigt Frequenzen bis zu 1 kHz zu erfassen die Fehlerströme.

Typ B+ benötigt eine Frequenz bis 20 kHz.

  • FI-Schutzschalter Typ F

FI-Schutzschalter vom Typs F sind für den Schutz vor elektrischen Schlägen bei Fehlerströmen geeignet dazu bieten die auch eine erhöhte Fehlauslösungs- und Stoßstromfestigkeit. Die können in Privathaushalten, Büros und öffentlichen Gebäuden eingesetzt werden.

  • FI-Schutzschalter Typ AC

Fehlerstrom-Schutzschalter vom Typ A dienen zur Auslösung nur bei Wechsel-Fehlerströmen.

Ein besonderes Merkmal bei diesen Fehlerströmen, welchen ein Gleichstrom zufolge einer Gleichrichtung überlagert ist kommt es aufgrund der magnetischen Sättigung im Kern des Stromwandlers zu keiner Auslösung. Daher sind FI-Schutzschalter vom Typ AC in Deutschland durch „Besondere Nationale Bedingungen“ in den obenstehenden Normen ausgeschlossen und nach den Errichtungsbestimmungen nicht zugelassen.

Tabelle 1 fasst die Unterschiedlichen Fehlerströme und Typen von Fehlerstromschutz-Einrichtungen zur Erkennung zusammen.

Typen nach Art des Fehlerstroms:

Abbildung 4: Typen nach Art des Fehlerstroms

6. Möglichkeiten zur Auslösung von FI-Schutzschaltern

Nach VDE 0664-10/-20 ist die Auslösung von FI-Schutzschalter in 2 Typen unterteilt, abhängig von der Verzögerungszeit, die beim Auftreten von Fehlerströmen zugelassen ist.

  • FI-Schutzschalter ohne Zeitverzögerung

Diese Typen von Schutzschalter sind der Standardtyp. In den Produktnormen sind die Abschaltzeiten in Abhängigkeit von der Höhe und Art des Fehlerstromes definiert.

  • FI-Schutzschalter mit Zeitverzögerung

FI-Schutzschalter mit Zeitverzögerung sind so gebaut, dass sie einen vordefinierten Grenzwert für die Nichtauslösezeit einhalten, der sich auf den Bemessungswert des Fehlerstromes bezieht.