Fehlerstromschutzeinrichtungen

Auswahl und Spezifikationen von RCDs (1)

12. November 2019

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Der Oberbegriff »Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen (RCDs)« kennzeichnet eine Gruppe von Schaltgeräten, die ­­bei Forderung der Schutzmaßnahme »Automatische Abschaltung der Stromversorgung« verwendet werden dürfen. Der mehrteilige Beitrag stellt zunächst den Aufbau und die Verwendung dar.

Fehlerstomschutzeinrichtungen

Quelle: Doepke

Zur besseren Übersicht verwenden wir fortan in diesem Fachbeitrag nur die Abkürzung RCD für die Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen. RCDs (engl. Residual Current Devices) bilden fortlaufend die Summe der Augenblickswerte aller Ströme, die über die aktiven zu überwachenden Leiter in eine elektrische Anlage fließen, welche an einem geerdeten Wechselstromnetz betrieben wird. Im fehlerfreien Fall ergibt diese Summe immer den Wert Null. Bei einem Isolationsfehler zur Erde addieren sich diese Ströme hingegen nicht zu Null, da abhängig vom Fehler- oder Erdschleifenwiderstand nun ein Reststrom (engl. residual current) nicht über die aktiven Leiter, sondern über die Erde fließt. Überschreitet dieser Reststrom den Wert des Bemessungsfehlerstromes IΔn einer RCD, so bewirkt die RCD eine Trennung der elektrischen Anlage vom speisenden Netz.

Für die Erfassung und Bewertung des Reststromes kann dabei eine Hilfsspannungsquelle (Netzspannung) erforderlich sein. In Deutschland wird bei Geräten, welche die Erfassung und Bewertung des Reststromes netzspannungsunabhängig vornehmen, der Begriff »Fehlerstrom« verwendet (z. B. Fehlerstrom-Schutzschalter, RCCB), während der Begriff »Differenzstrom« auf eine netzspannungsabhängige Erfassung und Bewertung hinweist (z. B. Differenzstrom-Überwachungsgerät, RCM).

Aufbau von RCDs

Prinzipiell bestehen RCDs aus einer Stromerfassungseinrichtung, einer Auswerteeinheit und einer Abschaltvorrichtung, welche auch eine Trennereigenschaft aufweist. Je nach Bauart können diese Komponenten in einem Gehäuse integriert sein (z.B. Fehlerstrom-Schutzschalter, RCCB) oder auch separat ausgeführt sein (z.B. Modulares Fehlerstromgerät, MRCD). Die Stromerfassungseinrichtung wird auch als Summenstromwandler bezeichnet. Alle zu überwachenden Leiter werden durch den Summenstromwandler geführt (außer dem Schutzleiter). Die Auswerteeinheit kann in einfachster Ausführung bei einem Fehlerstrom-Schutzschalter vom Typ A aus einer kleinen Leiterplatte mit nur wenigen passiven Bauteilen bestehen, die mit dem Summenstromwandler und einem Auslöserelais verbunden ist, das im Fehlerfall auf eine Abschaltvorrichtung wirkt.

Bei einem Modularen Fehlerstromgerät kann die Auswerteeinheit hingegen sehr umfangreich sein. So können z. B. der Bemessungsfehlerstrom und die Auslösezeit einstellbar sein. Eine optische Anzeige kann den momentanen Fehlerstrom anzeigen. Beispielsweise besteht die Abschaltvorrichtung bei Fehlerstrom-Schutzschaltern aus einem integrierten Schaltschloss mit Schaltkontakten. Bei einem modularen Fehlerstromgerät kann die Abschaltvorrichtung ein separater Leistungsschalter sein. Wird ein Differenzstrom vom Summenstromwandler erfasst und wird in der Auswerteeinheit ein Überschreiten eines vorgegebenen maximal zulässigen Wertes festgestellt, dann erfolgt eine allpolige Trennung der zu überwachenden elektrischen Anlage vom versorgenden Netz mit Hilfe der Abschaltvorrichtung. Bild 1 zeigt als Blockschaltbild den Aufbau eines Fehlerstrom-Schutzschalters.

Bild 1: Aufbau eines Fehlerstrom-Schutzschalters

Bild 1: Aufbau eines Fehlerstrom-Schutzschalters

In Deutschland sind für die Schutzmaßnahme »Automatische Abschaltung der Stromversorgung« in elektrischen Anlagen, die nicht durch technisch geschultes Personal bedient und regelmäßig gewartet werden, nur RCDs zulässig, deren Fehlerstromerfassung und Auswertung netzspannungsunabhängig funktioniert. RCDs vom Typ B und B+ benötigen für die Erfassung und Auswertung von glatten Gleichfehlerströmen jedoch eine aufwendige und somit netzspannungsabhängige integrierte elektronische Schaltung. Sie gelten dennoch als netzspannungsunabhängig, da eine Auslösung bei Fehlerströmen vom Typ A auch ohne Netzspannung gewährleistet ist. Bei einer Netzspannung ≥ 50 V (diese ist zudem die maximal zulässige Berührspannung) erkennen RCDs vom Typ B und B+ auch glatte Gleichfehlerströme und Fehlerströme mit verschiedenen Frequenzanteilen. Im industriellen Einsatz, also in Anlagen die von elektrotechnisch unterwiesenen Personen bedient und regelmäßig gewartet werden, dürfen beispielsweise auch MRCDs, die eine netzspannungsabhängige Funktion haben, verwendet werden.

Schutz mit RCDs

Gemäß DIN VDE 0100-530 dürfen RCDs für den Schutz gegen elektrischen Schlag (Fehlerschutz, Schutz bei indirektem Berühren), für den Brandschutz und für den zusätzlichen Schutz (Schutz bei direktem Berühren, auch bekannt als Personenschutz) in allen Netzsystemen außer TN-C-Systemen verwendet werden. Für den Brandschutz dürfen nur RCDs mit einem Bemessungsfehlerstrom IΔn ≤ 300 mA und für den zusätzlichen Schutz dürfen nur RCDs mit einem Bemessungsfehlerstrom IΔn ≤ 30 mA verwendet werden. Zudem darf man RCDs zur Schutzpegelerhöhung einsetzen. Eine Schutzpegelerhöhung ist ein ergänzender Schutz, der jedoch eine ggf. geforderte Schutzmaßnahme (z. B. Automatische Abschaltung der Stromversorgung) nicht ersetzt. Bild 2 zeigt beispielhaft einen Schutz bei indirektem Berühren in einem TT-System mit Hilfe eines Fehlerstrom-Schutzschalters. Ein geeigneter Wert des Bemessungsfehlerstromes IΔn ergibt sich in diesem Fall aus der maximal zulässigen Berührspannung UL zul. (50 V) und dem Wert des
Erdungswiderstandes RA.

Bild 2: Fehlerschutz in einem TT-System mit Hilfe eines Fehlerstrom-Schutzschalters

Bild 2: Fehlerschutz in einem TT-System mit Hilfe eines Fehlerstrom-Schutzschalters

Spezifikationen der unterschiedlichen Typen von RCDs

Im Allgemeinen wird in Deutschland zwischen vier unterschiedlichen Typen (A, F, B, B+) von RCDs unterschieden. RCDs vom Typ AC sind in Deutschland nicht (mehr) zulässig, jedoch weltweit verbreitet und in einigen ausländischen Errichtungsbestimmungen als Schutzmaßnahme zugelassen. Die unterschiedlichen Spezifikationen der unterschiedlichen Typen sind in Tabelle 1 dargestellt. Hierbei ist immer die Betrachtung des zeitlichen Verlaufs von möglichen Fehlerströmen der an einer RCD betriebenen Betriebsmittel ausschlaggebend.

Tabelle 1: Auslösecharakteristiken von RCDs

Tabelle 1: Auslösecharakteristiken von RCDs

Schutz durch pulsstromsensitive RCDs Typ A

Tabelle 2: Zuordnung des erzielbaren Schutzpegels zum Bemessungsfehlerstrom bei RCDs Typ A

Tabelle 2: Zuordnung des erzielbaren Schutzpegels zum Bemessungsfehlerstrom bei RCDs Typ A

Herkömmliche pulsstromsensitive Fehlerstromschutzeinrichtungen nach EN 61008-1 / VDE 0664 Teil 10 sind für Fehlerströme des Typs A gemäß IEC 60755 (General requirements for residual current operated protective devices) ausgelegt, d. h. sie reagieren bestimmungsgemäß nur auf Wechselfehlerströme und pulsierende Gleichfehlerströme ihrer Bemessungsfrequenz, also der Netzfrequenz. Die Ansprechschwellen bei Fehlerströmen mit abweichenden Frequenzen sind nicht definiert. Bei glattem Gleichfehlerstrom oder Wechselfehlerstrom höherer Frequenz ist somit bei diesen RCDs eine Auslösung nicht mehr sichergestellt. Ein zu großer Gleichstrom­anteil im Fehlerstrom kann sogar eine Auslösung durch den netzfrequenten Wechselfehlerstrom stören. Der durch den Einsatz eines RCD Typ A realisierte Schutzpegel ist, wie in Tabelle 2 dargestellt, durch dessen Bemessungsfehlerstrom bei Bemessungsfrequenz festgelegt.

Schutz durch mischfrequentsensitive RCDs Typ F

RCDs des Typs F erfüllen alle Anforderungen für pulsstromsensitive RCDs des Typs A und erfassen zusätzlich Fehlerströme mit Misch­frequenzen abweichend von 50 Hz. Sie sind vorgesehen für den Einsatz in elektrischen Anlagen, in denen elektronische Betriebsmittel verwendet werden, die Fehlerströme generieren können, welche neben einem hohen 50-Hz-Anteil auch niederfrequente und hochfrequente Anteile enthalten (z. B. bei Verwendung von einphasig betriebenen Frequenzumrichtern). Es ist sichergestellt, dass eine Auslösung auf den 50-Hz-Anteil (welcher im Fehlerstrom mit ausreichender Amplitude vorhanden ist) nicht behindert wird, wenn niederfrequente und hochfrequente Anteile im Fehlerstrom vorhanden sind. Dies kann mit RCDs des Typs A nicht mit ausreichender Sicherheit gewährleistet werden. Zusätzlich noch folgende Hinweise:

  • RCDs des Typs F sind nicht zur Erfassung von glatten Gleichfehlerströmen geeignet und ersetzen daher auf keinen Fall RCDs des Typs B oder B+.
  • In der Produktnorm DIN EN 62423 sind Anforderungen für RCDs des Typs F enthalten. In der aktuellen Ausgabe der Errichtungs­bestimmung DIN VDE 0100-530 werden RCDs des Typs F nun auch für bestimmte Anwendungsfälle gefordert.

Schutz durch allstromsensitive RCDs Typ B

Viele Betriebsmittel der Leistungselektronik wie z. B. unterbrechungsfreie Stromversorgungen, Photovoltaik-Wechselrichter oder Frequenz­umrichter erzeugen aus glatten Gleichspannungen intern oder direkt als Ausgangsspannung eine bipolare Rechteckspannung (getaktete Gleichspannung), welcher durch Pulsweitensteuerung die sinusför­mige Ausgangspannung mit der gewünschten Ausgangs-frequenz aufmoduliert ist. Daher können z. B. Frequenzumrichter im Fehlerfall neben Fehlerströmen mit Netzfrequenz und glatten Gleichfehlerströmen auch Fehlerströme mit einem Frequenzgemisch aus der Taktfrequenz mit deren harmonischen Oberschwingungen sowie der Ausgangsfrequenz verursachen. Um auch bei Einsatz dieser Betriebsmittel einen umfassenden Fehlerstromschutz zu gewährleisten, muss die hierzu verwendete Fehlerstromschutzeinrichtung daher auch bei glattem Gleichfehlerstrom und bei Wechselfehlerströmen mit diesen Frequenzen auslösen.

In der Praxis bedeutet dies, dass RCDs auf Fehlerströme aller Frequenzen von 0 Hz bis zur höchsten denkbaren Taktfrequenz des Betriebsmittels so empfindlich ansprechen müssen, dass der gewünschte Schutzpegel nicht nur bei der Bemessungsfrequenz, sondern über den gesamten Frequenzbereich gewährleistet ist. Nur so lässt sich bei der Auswahl der Fehlerstromschutzeinrichtung nach deren Bemessungsfehlerstrom ein Irrtum bezüglich des erzielbaren Schutz­umfangs vermeiden.

Betriebsmittel der Leistungselektronik verursachen jedoch häufig hohe Ableitströme, die RCDs auch unerwünscht auslösen können. Daher sollte der Frequenzgang der Ansprechschwelle der Fehlerstromschutzeinrichtung nur knapp unterhalb der Grenze verlaufen, die zur Erzielung des gewünschten Schutzpegels notwendig ist. In den vergangenen Jahren hat die Verwendung – insbesondere von Fehlerstromschutzschaltern (RCCBs) vom Typ B nach Produktnorm DIN EN 62423 – deutlich zugenommen. Diese Norm fordert die Erfassung von Wechselfehlerströmen bis mindestens 1 kHz. Je nach Hersteller werden auch Frequenzanteile im Fehlerstrom bis 150 kHz sicher erfasst.

Zusatzfunktionen von RCDs

Zusätzlich zum Auslöseverhalten der unterschiedlichen RCDs werden weitere Funktionen wie zum Beispiel eine »Kurzzeitverzögerung« oder »Gewitterfestigkeit« bei einigen Herstellern integriert. Eine kurzzeitverzögerte RCD muss zumindest Stoßströmen (z.B. durch Schalthandlungen im Netz oder durch Blitze) standhalten und kann (je nach Hersteller) auch für eine Halbwelle der sinusförmigen 50-Hz-Eingangsspannung (10 ms) einen auftretenden Differenzstrom »ignorieren« und nicht auslösen.

Gleichzeitig muss sie jedoch den Anforderungen der Auslöse­zeiten für den Personenschutz mit einfachem Bemessungsdifferenzstrom von 300 ms und fünffachem Bemessungsdifferenzstrom von 40 ms entsprechen und in der geforderten Zeit sicher und allpolig trennen.

Das gleiche gilt für gewitterfeste RCDs. Diese sind kurzzeitver­zögert, werden jedoch zusätzlich nach österreichischer Prüfnorm ÖVE ÖNORM E8601 geprüft und mit dem Symbol »G« gekennzeichnet. Diese Technologien werden überwiegend dort benötigt, wo elektronische Betriebsmittel wie z. B.

  • Schaltnetzteile
  • LED-Beleuchtung
  • Frequenzumrichter, etc. an RCDs betrieben werden.

Durch EMV-Maßnahmen (Elektro Magnetische Verträglichkeit) gibt es gerade beim Zuschalten solcher Lasten Probleme. Durch ein gegen den Schutzleiter verschaltetes EMV-Filter wird kurzzeitig ein Differenzstrom erzeugt, welcher von einer herkömmlichen RCD ohne Kurzzeitverzögerung bewertet wird. Dies kann dann zu ungewollten Auslösungen einer RCD führen und steht somit einem sicheren Betrieb der elektrischen Anlage negativ gegenüber. Eine Abhilfe schaffen hier kurzzeitverzögerte oder gewitterfeste RCDs, welche einen solchen kurzzeitigen betriebsbedingten Differenzstrom nicht bewerten und demzufolge auch nicht auslösen. Hierdurch steigt die Betriebssicherheit der Anlage, da unnötige Betriebsausfälle vermieden werden.

Abschließend noch ein paar Anmerkungen zu den unterschiedlichen RCD-Typen:

  • Kurzzeitverzögerung und Gewitterfestigkeit sind zusätzliche Features und bei mehreren Herstellern standardmäßig bei RCDs des Typs F, B und B+ integriert, da hier meistens von einem Einsatz mit nichtlinearer elektronischer Last auszugehen ist.
  • Kurzzeitverzögerte und gewitterfeste RCDs dürfen nicht mit einer sogenannten selektiven Ausführung von RCDs verwechselt werden. Eine Kurzzeitverzögerung ist eine maximale zeitliche Verzögerung auf einen Impulsförmigen Differenzstrom von 10 ms. Im Gegensatz zu kurzzeitverzögerten RCDs weisen selektive Varianten eine definierte Nichtauslösezeit auf. Selektive RCDs sind somit auch nicht für den zusätzlichen Schutz (Personenschutz) zugelassen.
  • Je nach Ausführung und Hersteller ist bei RCDs vom Typ B eine Auslösung bei Wechselfehlerströmen bis zu 150 kHz möglich.
  • Weitere Informationen zu RCDs vom Typ B und B+ können Sie der technischen Information »Allstromsensitive Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen« von Doepke Schaltgeräte entnommen werden. Sie finden diese unter www.doepke.de.
  • RCDs vom Typ F erfassen keine glatten Gleichfehlerströme und dürfen daher eine RCD vom Typ B oder B+ nicht ersetzen!
  • RCDs vom Typ AC sind in Deutschland nicht zugelassen.
  • RCDs sind für einen gestaffelten Anlagenschutz auch in selektiver Ausführung erhältlich.
  • Erhöhte stoßstromfeste bzw. kurzzeitverzögerte Varianten sind verfügbar.
  • RCDs sind zum Freischalten von Stromkreisen geeignet (Trenner­eigenschaft).
  • RCDs dürfen jedoch nicht zum betriebsmäßigen Schalten von Stromkreisen vorgesehen werden.

Im zweiten Teil des Beitrags geht es um das Thema »Auswahl von RCDs«.

(Fortsetzung folgt)

Kommentare aus der Community (1)

  1. Hallo, ich möchte auf die Erläuterung der Abkürzung RCD, die im 1. Absatz beschrieben wird, aufmerksam machen. Soweit mir bekannt ist, und ich verweise zusätzlich auf folgende Quelle: Tabellenbuch der Elektrotechnik, Europa Lehrmittel, 26. Auflage 2015, S. 502 (Abkürzungen), steht das Kürzel RCD für: Recidual Current protective Device Reststrom/Fehlerstrom-Schutzgerät
    Mit freundlichen Grüßen


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