Fehlerstromschutzschalter

Fehlerstromschutzschalter (RCCB) oder ein „Auslöseschalter“ ist eine Schutzvorrichtung, die in elektrischen Systemen verwendet wird. RCCBs schützen sowohl Menschen als auch elektrische Geräte vor elektrischen Fehlern wie Stromschlägen und Kriechströmen. In diesem Artikel besprechen wir, was RCCBs sind, wie sie hergestellt werden und wie sie als Schutzgeräte für elektrische Schaltkreise funktionieren.

Fehlerstromschutzschalter Wie es funktioniert

Fehlerstromschutzschalter werden auch als „Auslöseschalter“ und RCD (Residual Current Device) bezeichnet. Sie gehören zur Kategorie der Stromkreisschutzgeräte. RCCDs sind in jedem häuslichen und industriellen Stromverteilungskreis zu finden. Sie sind in einphasigen und dreiphasigen Konfigurationen erhältlich und haben mehrere Klassen.

Die einfachste Form des RCCB ist der einphasige Typ. Sie haben zwei Eingangsanschlüsse und zwei Ausgangsanschlüsse in jeder Einheit. Ähnlich wie ein MCB, gibt es auch einen Schalter, der federbelastet ist, um das Gerät ein- und auszuschalten. Zusätzlich zum Schalter gibt es eine „Test“-Taste, um zu testen, ob das Gerät tatsächlich funktioniert. Dieser Button kann je nach Hersteller unterschiedliche Farben wie rot, grün, gelb, orange oder blau haben.

Ein typischer Mensch kann nur tolerieren bis zu 30 mA elektrischer Strom bevor es zu lebensgefährlichen Verletzungen kommt. Wenn ein Mensch oder ein Lebewesen mit einer spannungsführenden elektrischen Verbindung in Kontakt kommt und geerdet ist, erleidet es einen Stromschlag und wird schwer verletzt. Obwohl nicht so schwerwiegend, können elektrische Maschinen auch durch elektrische Kurzschlüsse und Kriechströme beschädigt werden.

Ein Fehlerstromschutzschalter arbeitet nach dem Prinzip Kirchhoffs aktuelles Gesetz (KKL). KCL gibt an, dass der Strom, der in einen Stromkreis fließt, gleich dem Strom sein muss, der aus dem Stromkreis zurückfließt. In ähnlicher Weise misst der RCCB alle signifikanten Änderungen des Stroms, der durch stromführende (L) und neutrale (N) Anschlüsse fließt. Im Idealfall sollte die Differenz sehr nahe bei 0mA liegen.

Wenn in einem durch den RCCB geschützten elektrischen Gerät ein Kriechstrom auftritt, ist der Nullstrom niedriger als der Strom des stromführenden Kabels, da ein Teil des Stroms durch eine Person oder die Erdverbindung der Maschine geerdet wird. Diese Differenz wird als „Reststrom“ bezeichnet. Wenn diese Differenz die Auslöseschwelle des RCCB (dh 20 mA) überschreitet, löst er schnell den Schalter aus und unterbricht sofort die Verbindung und unterbricht die Stromversorgung der Ausrüstung. 

Die Auslöseaktion erfolgt sofort innerhalb weniger Millisekunden. Daher kann die Person, die einen Stromschlag erleidet, vor lebensbedrohlichen Verletzungen geschützt werden. Obwohl der elektrische Schlag nicht verhindert werden kann, ist die Sicherheit der Person immer gewährleistet. Wenn bei Elektrogeräten ein solcher Leckstromfehler vorliegt, der Strom in das Gehäuse ableitet, kann es sofort den Fehlerstromschutzschalter auslösen, um potenzielle elektrische Gefahren zu vermeiden.

Schaltplan des Fehlerstromschutzschalters

Nachdem wir nun die Funktionsweise eines Fehlerstromschutzschalters kennen, wollen wir uns die Funktionsweise eines Fehlerstromschutzschalters genauer ansehen.

Unten ist der interne Aufbau einer einphasigen (zweipoligen) RCCB-Vorrichtung dargestellt.

Von links beginnend werden die Eingangsklemmen mit der Hauptstromversorgung aus dem Netz oder dem Generator verbunden. Dieser wird mit einem zweipoligen MCB geschaltet, um den Stromkreis bei Bedarf zu isolieren. Die Versorgung wird dann über 2-polige Unterbrecherkontakte geführt; eine für Live und eine für neutral für totalen Schutz.

Die stromführenden und neutralen Drähte laufen durch eine spezielle Spule, die eine Wicklung pro Draht und eine weitere separate Wicklung hat, die als „Sensorspule“ bezeichnet wird. Jedes Ende dieser beiden Primärspulen ist mit der Last verbunden. Wenn Strom durch diese Spulen fließt, erzeugen sie, wie oben besprochen, ein Magnetfeld gemäß der Faradaysches Gesetz der elektromagnetischen Induktion. Unter normalen Umständen, wenn kein Fehler im Lastkreis vorliegt, heben sich diese beiden Magnetfelder gegenseitig auf.

Wenn ein Fehlerzustand vorliegt und der Phasenstrom höher/niedriger als der Neutralleiterstrom ist, können sich diese beiden Magnetfelder nicht gegenseitig aufheben. Dies induziert eine Spannung in der 'Sensorspule'. Wenn diese Spannung zu hoch wird (was bedeutet, dass der Fehlerstrom/Reststrom zu hoch ist), wird ein Solenoid aktiviert, um die Kontakte zu unterbrechen und die Stromversorgung der Last zu unterbrechen. Einmal ausgelöst, muss es nach Behebung des Fehlers manuell eingeschaltet werden.

RCCBs sind außerdem mit einer zusätzlichen Schaltung ausgestattet, die einen Knopf und einen Widerstand enthält. Dies ist eine Schaltung, die das Testen des Geräts ermöglicht. Wenn wir die Taste drücken, erzeugt sie einen künstlichen Fehlerzustand (Reststrom) und löst den RCCB aus. Wenn das Gerät beim Drücken der Taste auslöst, bestätigt es, dass der Schutz vorhanden ist.

RCCB-Verdrahtung

RCCBs sind Sicherheitseinrichtungen, die in Stromkreise eingebaut werden. Sie werden oft an Energieverteilern in der Nähe der Quelle installiert. Das unten gezeigte Bild zeigt die Reihenfolge der Installation eines RCCB.

Der RCCB wird nach dem Primärschalter angeschlossen, der ein 2-poliger MCB ist. Der MCB fungiert als Hauptschalter, um den Stromkreis in Fällen wie Reparatur und Wartung vollständig vom Netz zu trennen. Der RCCB wird daneben platziert, um die Teilstromkreise zu schützen. Einpolige MCBs, die Unterstromkreisen einen Überstromschutz bieten, werden nach dem RCCB platziert.

Klassifizierung von RCCB

RCCBs werden üblicherweise entsprechend ihrer Anschlusszahl in zwei Haupttypen eingeteilt. Sie sind einpoliger RCCB und 4-poliger RCCBs.

• Einpoliger RCCB
  • Einpolige RCCBs werden üblicherweise in Haushaltsanwendungen und kleinen Industrieanwendungen verwendet, in denen einphasige Lasten verwendet werden. Sie haben zwei Klemmen und zwei Ausgangsklemmen, stromführend und neutral (L und N).

• 4-poliger Fehlerstromschutzschalter
  • 4-polige FI-Schutzschalter werden für den dreiphasigen Netzschutz verwendet. Es gibt 4 Eingangs- und Ausgangsklemmensätze für L1-, L2-, L3- und N-Leiter in einem dreiphasigen System. Diese sind häufig in industriellen Stromverteilungskreisen und einigen häuslichen Stromverteilungskreisen zu finden, wo der Stromverbrauch hoch ist.

Zusätzlich zu diesen beiden physikalischen Konfigurationen gibt es einige weitere Typen, die speziell für bestimmte Anwendungen entwickelt wurden. Diese sind in der definiert IEC 60755: Allgemeine Sicherheitsanforderungen für Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen.

• Typ AC – Allzweck
  • Dieser Typ ist für sinusförmige Wechselspannungssysteme geeignet. Dies sind die am häufigsten verwendeten RCCB-Typen in Haushalts- und Industrieanwendungen.

• Typ A – Einphasige elektronische Lasten der Klasse I
  • RCCBs vom Typ A eignen sich am besten für Schaltungen, die entweder mit reinen Sinuswellen oder modifizierten Sinuswellenquellen wie Wechselrichtern betrieben werden. Diese werden auch in Schaltungen verwendet, in denen die Lasten Dioden- und/oder Thyristor-Gleichrichterschaltungen haben, wie z. B. VFDs (Variable Frequency Drive) Motorsteuerungen. RCCBs vom Typ A können als Ersatz für Einheiten vom Typ A verwendet werden.

• Typ F – neu eingeführt, spezieller Zweck
  • RCCBs vom Typ F sind speziell für den Einsatz in Antriebsschaltungen mit variabler Drehzahl wie Motorsteuerungen konzipiert. Diese funktionieren sehr gut in hochfrequenten, verzerrten Strom- und Spannungswellenformschaltungen wie HVAC-Systemen. RCCBs vom Typ F sind sehr empfindlich gegenüber Fehlerströmen. Diese lösen nicht durch plötzliche Einschaltströme aus. Typ F kann RCCBs vom Typ A und AC ersetzen.

• Typ B – 3-Phasen-Systeme, EV- und PV-Systeme
  • Fehlerstromschutzschalter vom Typ B sind für den Betrieb in Ladekreisen von Elektrofahrzeugen, Photovoltaikanlagen und anderen gleichgerichteten 3-Phasen-Systemen ausgelegt. Diese können sinusförmigen Wechselstrom, pulsierenden Gleichstrom mit mehreren Frequenzen und sogar glatte Gleichfehlerströme erkennen. Neben den Wellenformtypen werden auch die Eigenschaften unter bestimmten Frequenzen von 50Hz bis 1kHz definiert. RCCBs vom Typ B entsprechen den Typen A, F und AC und können als Ersatz verwendet werden.

RCCB Vorteile und Nachteile

Fehlerstromschutzschalter sind eine der wichtigsten Schutzeinrichtungen für Stromkreise. Wir sehen sie in fast jedem Elektroverteiler und schützen die Benutzer und die Ausrüstung vor Schäden. Wie jedes Gerät haben auch RCCBs sowohl Nachteile als auch Vorteile.

RCCB Vorteile/Nutzen

• RCCBs werden hauptsächlich verwendet, um Menschen und andere Lebewesen vor elektrischem Schlag zu schützen.
• Neben Stromschlägen können RCCBs auch Menschen und elektrische Geräte vor Erdschlüssen wie Kriechströmen schützen.
• RCCBs lösen automatisch aus, wenn der Fehlerstrom die Nennempfindlichkeit überschreitet.
• Sie sind in mehreren Empfindlichkeiten und Bewertungstypen erhältlich, um für bestimmte Anwendungen geeignet zu sein.
• RCCBs gibt es in einphasigen (zweipoligen) oder dreiphasigen (vierpoligen) Konfigurationen. Diese Anordnungen ermöglichen es uns, den Stromkreis vollständig von der Versorgung zu trennen.
• Die meisten RCCBs enthalten zusätzliche Filterschaltungen, die dazu beitragen, das Gerät vor Spannungsschwankungen zu schützen.

RCCB Nachteile

• RCCBs haben keinen Kurzschluss-/Überlastschutz. Sie verlassen sich vollständig auf den Fehlerstrom. Wenn eine Last versehentlich kurzgeschlossen wird, ist der Rückstrom derselbe wie der Strom, der aus dem RCCB fließt. Der Geräteschutz wird dadurch nicht ausgelöst.
• Hochempfindliche Varianten können durch Blitzeinschläge und Spannungsschwankungen ausgelöst werden.
• RCCBs können nicht vor fehlerhafter elektrischer Verkabelung schützen (d. h. wenn stromführende und neutrale Drähte in der Steckdose vertauscht wurden).
• RCCB bietet nur Schutz vor Stromschlägen mit aktiver oder neutraler Erde. Es kann den Benutzer nicht vor neutralen Stromschlägen schützen. Dies kann tödlich sein.
• Wenn nicht der richtige RCCB-Typ für eine bestimmte Anwendung ausgewählt wird, führt dies zu einem verringerten Schutzniveau gegen elektrischen Schlag.

Preis für Fehlerstromschutzschalter

Elektrische Schutzvorrichtungen sind von Natur aus teuer. Es handelt sich um empfindliche Geräte, die Industriestandards erfüllen müssen, um sicherzustellen, dass das erforderliche Mindestschutzniveau von jeder Einheit gewährleistet ist.

Die Preise für Fehlerstromschutzschalter beginnen bei 25 bis 30 US-Dollar für einpolige 25-A-Typen. Mit zunehmender Stromstärke, Polzahl und Empfindlichkeit kann ein RCCB einige hundert bis mehrere tausend Dollar kosten. Zum Beispiel die 125 A ABB 4-poliger RCCB kostet zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Artikels stolze 51730 $.

Fehlerstromschutzschalter mit Überstromschutz (RCBO)

Wie oben erwähnt, ist ein typischer RCCB nicht in der Lage, Überstromereignisse zu erkennen. Dies liegt am Funktionsprinzip des Geräts. Es verlässt sich ausschließlich auf die Differenz zwischen dem Ausgang und dem Rückstrom (Reststrom), um die Sicherheit auszulösen. Wenn eine Last zu viel Strom zieht, kann der RCCB dies nicht erkennen, da der Rückstrom genau gleich dem Ausgangsstrom des Geräts ist.

Um dies zu verhindern, kann es zwei Ansätze geben. Die übliche Praxis besteht darin, einen RCCB zu verwenden und die Leistung über mehrere MCBs zu verteilen. Auf diese Weise wird der Fehlerstromschutz vom RCCB übernommen und der Überstromschutz vom MCB bereitgestellt. Ein Fehlerstromereignis in einem der Teilstromkreise führt jedoch dazu, dass der RCCB auslöst und das gesamte System abschaltet.

RCBOs sollen dieses Problem umgehen. Sie bestehen neben der allgemeinen Fehlerstromschutzschaltung aus einer Überstromschutzschaltung.

Das unten gezeigte Bild ist ein 4-poliger RCCBO. RCCBOs unterscheiden sich durch ihr MCB-ähnliches Aussehen, das 4 verbundene Pole hat. Sie sehen fast aus wie ein MCB gepaart mit einem RCCB.

Was bewirkt, dass ein Fehlerstromschutzschalter auslöst?

RCCBs sind so ausgelegt, dass sie bei einem Fehlerstrom auslösen. Dieser Strom wird als „Reststrom“ bezeichnet. Das Gerät überwacht, wie oben erläutert, den Strom, der in Live(s)- und Neutralleitern fließt. Unter normalen Arbeitsbedingungen muss die Differenz zwischen den beiden Strömen nahe Null sein.

Wann immer es ein Stromleck gibt; Wenn zum Beispiel eine Person, die geerdet ist, einen Stromschlag erleidet, fließt eine kleine Menge Strom von freiliegenden stromführenden Kabeln durch die Person in den Boden. Dies verursacht ein Ungleichgewicht in den elativen und neutralen Strömen im RCCB. Ist die Differenz zu groß, löst der RCCB aus.

Neben dieser primären Funktionalität können auch Ereignisse wie Blitze, ungleichmäßige Lasten wie hochinduktive Lasten (Elektromotoren, Schweißanlagen) den FI-Schutzschalter ungewollt auslösen. Dies ist unerwünscht und kann durch die Verwendung des richtigen RCCB-Typs, der für die Art der Last geeignet ist, verhindert werden.

Die aufgerüsteten RCBOs können auch aufgrund von Überstrombedingungen auslösen. RCBOs können Überstrom-/Kurzschlussfälle erkennen und den Schalter entsprechend auslösen.

Zusammenfassung

Fehlerstromschutzschalter sind sehr zuverlässige Sicherheitsvorrichtungen, die sowohl Geräte als auch menschliche Bediener vor gefährlichen Stromschlägen schützen. Es gibt sehr fortschrittliche RCCBs auf dem Markt, die sogar die Programmierung von Parametern wie Auslösestrom und Auslöseverzögerung ermöglichen. Verwenden Sie in Ihrer Stromverteilung immer den passenden Fehlerstromschutzschalter, um einen optimalen Schutz zu gewährleisten.