Ratgeber
Wissenswertes zu Schutzschaltern
Von elektrischen Anlagen können trotz ordnungsgemässem Aufbau Gefahren sowohl für die hiermit betriebenen Geräte und Betriebsmittel als auch für die Umgebung sowie die damit in Berührung kommenden Menschen ausgehen. Aus diesem Grund sind diese Anlagen zum Schutz vor potentiellen Gefährdungen mit wirksamen Einrichtungen auszurüsten, die unter den Begriff „Schutzschalter“ fallen, weil diese beim Auftreten unzulässiger Betriebszustände zur Sicherheit automatisch die weitere Strom- bzw. Spannungszufuhr unterbrechen
Leitungsschutzschalter
Auch „LS-Schalter“ werden landläufig als „Sicherung“ bezeichnet: Diese trennen bei Überschreiten eines vorgegebenen Stromwertes den elektrischen Stromkreis und verhindern so die Überlastung und unzulässige Erwärmung der Elektroleitungen. Diese sind unter der Kategorie „Elektroinstallation“ zu finden.
Fehlerstrom-Schutzschalter
Umgangssprachlich auch „FI-Schalter“ oder „FI-Schutzschalter“ genannt, international „RCCB“ (von englisch „Residual Current operated Circuit Breaker“) bzw. „RCB“ oder "RCD" (von englisch „Residual Current Breaker“ oder Residual Current Device"): Diese Geräte messen die Differenz zwischen dem auf der Phase zufliessenden und dem Neutralleiter abfliessenden Strom, die im Normalfall gleich Null sein muss. Wenn hier eine Differenz austritt, liegt ein Fehler vor, denn ein Teil des Stromes über fehlerhafte Isolation oder defekte Geräteteile muss zum Erdpotential abfliessen. Jetzt besteht die Gefahr eines elektrischen Stromschlags bei Berührung des Gerätes. Um das zu verhindern, wird der Stromkreis automatisch allpolig unterbrochen.
Überstrom-Schutzschalter
Überstrom-Schutzschalter für Geräte: Auch die werden landläufig als „Sicherung“ bzw. „Gerätesicherung“ bezeichnet. Diese sorgen dafür, dass bei unzulässig hoher Stromaufnahme die Stromzuführung unterbrochen wird.
Motorschutzschalter
Motoren müssen zuverlässig vor Überhitzung geschützt werden, um keinen Schaden zu nehmen oder die Umgebung zu gefährden (Brandgefahr). Beim Anlaufen oder kurzzeitiger mechanischer Belastung nehmen Motoren deutlich höhere Ströme als im regulären Betrieb auf. Das kann toleriert werden und darf noch nicht zum Auslösen des Motorenschutzschalters führen. Erst wenn die Leistungsaufnahme dauerhaft überschritten wird, muss die Stromzufuhr abgeschaltet werden. So ist gewährleistet, dass die Leistung des Motors maximal ausgenutzt werden kann.
Wie funktionieren Schutzschalter?
Überstrom-Schutzschalter für den Einbau in Geräten arbeiten meistens thermisch. Dabei erwärmt ein Widerstandsdraht, der vom Strom durchflossen wird, eine Bimetallzunge, die sich bei Erreichen einer definierten Temperatur so weit verbiegt, dass davon ein mechanischer Schalter betätigt wird, der den Stromfluss unterbricht. Der Schaltermechanismus, der mit einer Feder vorgespannt ist, lässt sich nach Abkühlung des Bimetalls mit einem Druckknopf zurücksetzen. Im Vergleich zu den an dieser Stelle auch oft verwendeten Schmelzsicherungen haben diese Überstrom-Schutzschalter den Vorteil, dass sie nach dem Ansprechen und der Fehlerbeseitigung nicht ausgewechselt werden müssen.
FI-Schutzschalter:
Wie bereits erwähnt misst dieser in einem Stromkreis den ein- und ausfliessenden Strom. Dazu werden Hin- und Rückleiter, also P und N, durch einen ferromagnetischen Ringkern geführt, der als Summenstromwandler funktioniert. Wenn beide Leiter den gleichen Strom, aber in gegensätzlicher Richtung führen, heben sich die Magnet-Wechselfelder auf. Auf dem Kern ist auch noch eine Sekundärwicklung aufgebracht, die erst dann eine Spannung abgibt, wenn ein Magnetfeld induziert wird. Dies ist nur dann der Fall, wenn sich die jeweiligen Ströme in P und N unterscheiden. Die in der Sekundärwicklung erzeugte Spannung löst im Fehlerfall den Schaltmechanismus aus, der den Stromkreis auf allen Polen unterbricht. Um sichergehen zu können, ob der FI-Schutzschalter auch ordnungsgemäss funktioniert, kann mit einer Prüftaste über einen Widerstand ein Strom, der dem Bemessungsdifferenzstrom entspricht, erzeugt werden. Ein funktionierender FI-Schutzschalter muss dann auslösen.
Prinzip der Fehlerstrom-Schutzschalter:
Die Hin- und Rückleitungen (L, N) führen durch einen ferromagnetischen Ringkern (3). Wenn die Ströme gleich sind, heben sich die Magnetfelder auf. Bei einer Stromdifferenz wird in der Sekundärwicklung (2) eine Spannung induziert, die den Mechanismus zum Abschalten (1) auslöst. Über die Prüftaste (4) löst der Strom durch den Widerstand die Schutzfunktion manuell aus.
Welche FI-Schutzschalter-Typen gibt es?
Diese einfache Art der Fehlerstromschutzschalter trägt die Bezeichnung „Typ AC“ und funktioniert nur mit sinusförmigen Wechselstrom. Inzwischen gibt es allerdings immer mehr Elektrogeräte, in denen die Netzspannung mit elektronischen Umrichtern weiterverarbeitet wird. Es fliesst hierbei kein reiner Wechselstrom, sondern ein impulsförmiger Gleichstrom, der im Fehlerfall einen FI-Schutzschalter unter Umständen nicht auslöst, weil der Ringkern davon in die magnetische Sättigung gerät. Deshalb dürfen diese Art FI-Schalter heute nicht mehr eingebaut werden.
Inzwischen wurde der „Typ A“ entwickelt, der nicht nur von Fehler-Wechselströmen, sondern auch von pulsierenden Fehler-Gleichströmen ausgelöst wird. Der Ringkern wird hierfür unter anderem aus speziellem Magnetwerkstoff, der sich nicht in die Sättigung bringen lässt, gefertigt.
Umfassenden Schutz bieten FI-Schutzschalter „Typ B“. Es handelt sich hierbei um einen Schutzschalter, der auf jegliche Art Fehlerstrom reagiert, also neben Wechsel- und pulsierendem Gleichstrom auch auf glatte Gleichfehlerströme. Dafür enthält ein solcher FI-Schutzschalter einen zweiten Summenstromwandler mit Elektronikeinheit, bei dem Gleichströme z.B. mit Hallsensoren erfasst werden. Die Elektronikeinheit benötigt eine eigene Stromversorgung.
Weil FI-Schutzschalter in der Installationstechnik oft zusammen mit Leitungs-Schutzschaltern verwendet werden, gibt es auch Geräte, in denen die FI- und LS-Funktion kombiniert ist. Diese tragen auch die Bezeichnung "FI/LS-Schalter".
In Hausinstallationen werden normalerweise einzelne Stromkreise abgesichert. Dafür gibt es zweipolige, einphasige FI-Schutzschalter. Es sind aber auch dreiphasige Ausführungen für komplexerer Installationen, Drehstrom-Geräte oder industrielle Systeme verfügbar.
Abbildung: Einphasiger, zweipoliger FI-Schutzschalter (RCB) Typ A für einen Stromkreis. Der Bemessungsdifferenzstrom beträgt 0.03 A.
Welche Normen und Vorschriften für FI-Schutzschalter gibt es?
Weil Ströme über 30 mA (0,03 A) bei Menschen Herzkammerflimmern auslösen und deswegen lebensgefährlich sind, beträgt der Bemessungsdifferenzstrom von FI-Schutzschaltern maximal 30 mA.
FI-Schutzschalter vom Typ A ohne LS-Funktion werden in DIN EN 61008-1 (VDE 0664 Teil 10):2000-09 und DIN EN 61008-2-1 (VDE 0664 Teil 11):1999-12 spezifiziert, solche mit LS-Funktion in DIN EN 61009-1 (VDE 0664 Teil 20):2000-09 und DIN EN 61009-2-1 (VDE 0664 Teil 21):1999-12.
Für den Typ B existiert erst der Norm-Entwurf DIN VDE 0664-100 (VDE 0664 Teil 100):2002-05.
Seit dem 1.5.1984 ist nach DIN VDE 0100-701:2008-10 vorgeschrieben, dass bei Neubauten Stromkreise in Räumen mit Badewannen und Duschen mit FI-Schaltern abgesichert sein müssen. Ausgenommen sind fest angeschlossene Boiler.
Seit dem 1.2.2009 müssen laut DIN VDE 0100-410:2007 (Abschnitt 411.3.3) in Neubauten alle Steckdosen-Stromkreise, die von Laien benutzt werden, mit FI-Schutzschaltern abgesichert sein.
Eine Pflicht zum Nachrüsten besteht zwar nicht, es empfiehlt sich aber, ältere Installationen mit FI-Schutzschaltern zu ergänzen. Diese lassen sich mit geringem Aufwand in Sicherungskästen und Unterverteilungen einbauen.
FI-Schutzschalter besitzen ein Prüftaste. Diese sollte mindestens zwei Mal im Jahr betätigt werden. So wird nicht nur die Funktion überprüft, sondern auch der Kontaktmechanismus bewegt, der über einen längeren Zeitraum mechanisch verklemmt sein oder die Kontakte verklebt sein könnten.
Abbildung: Typischer Motorschutzschalter.
Ein Motorschutzschalter ist eine Überstrom-Schutzeinrichtung, mit der die Zuleitungen der drei Phasen zum Drehstrommotor überwacht werden. Wenn einer der drei in den Motor fliessenden Ströme für eine vorgegeben Zeit den zulässigen Wert überschreitet, werden alle drei Phasen getrennt. Diese Funktion kann thermisch mit einem Bimetall-Mechanismus sowie mit elektronischer Strommessung realisiert werden.
Nicht nur Überlast, sondern auch unzureichende oder fehlende Kühlung kann zur Überhitzung eines Motors führen. Um das zu verhindern, werden am Motor Temperaturfühler, z.B. Kaltleiter nach DIN 44081 angebracht, die über eine externe elektrische Schaltung den Motor abschalten. Nach Abkühlen des Motors und Beseitigung der Fehlerursache kann dieser wieder in Betrieb genommen werden.
Die maximale Zeit zur Auslösung der Schutzfunktion eines Motorschutzschalters ist individuell abhängig von Motortyp. Diese wird von der thermischen Trägheit der Motormasse (Wicklung und Kernbleche) vorgegeben, die eine bestimmte Verlustwärme aufnehmen kann, ohne Schaden zu nehmen. Deshalb werden die technischen Daten des passenden Motorschutzschaltern vom jeweiligen Motor vorgegeben. Der Motorschutzschalter muss auf den Nennstrom des angeschlossenen Motors eingestellt sein. In der Norm DIN EN 60204-1, Abschnitt 7.3 (Schutz von Motoren gegen Überhitzung) werden die erforderlichen Schutzmassnahmen beschrieben.