Schutzorgane wie Leitungsschutzschalter und Differenzstromschutz-Einrichtungen (kurz RCD, Residual Current operated Device) sind Teil der Elektroinstallation. Gerade der FI-Schalter (nach DIN EN 61008-1 VDE 0664-10 [1], kurz RCCB Residual Current operated Circuit Breaker without integral overcurrent protection) bildet hier den unverzichtbaren Bestandteil für den Personenschutz.

Aufgaben und Funktionsweise des FI-Schalters

Zum besseren Verständnis und zur Verdeutlichung des Themas werden nachfolgend Funktionsprinzip und Schutzfunktionen einer Fehlerstrom-Schutzeinrichtung kurz umrissen.

Generell können Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen in allen Netzsystemen – TN-, TT- oder IT-System - eines Wechsel- und Drehstromnetzes eingesetzt werden: Das Funktionsprinzip der Fehlerstrom-Schutzschalter beruht - in einem geerdeten Stromnetz - auf der fortlaufenden Bildung der Summe aus den Augenblickswerten aller Ströme, die in einer elektrischen Anlage über die aktiven Leiter fließen. In einer fehlerfreien Anlage ist nach der Kirchhoffschen Knotenregel die Summer aller Ströme gleich Null - somit heben sich die magnetischen Wirkungen im Summenstromwandler auf.

Tritt nun in der zu schützenden Anlage zum Beispiel ein Isolationsfehler auf, und fließt somit ein Teil des Stromes nicht über die aktiven Leiter, sondern über die Erde zur Stromquelle zurück, entsteht im Wandlerkern ein Restmagnetfeld. Das Restmagnetfeld erzeugt eine Spannung und zwingt bei entsprechender Größe den Haltemagneten zum Abschalten des fehlerbehafteten Stromkreises - entsprechend der Gerätebestimmung beim Bemessungsfehlerstrom innerhalb von 300 ms.

Nach VDE 0100 Teil 410 [2] bieten Fehlerstrom-Schutzschalter mit einem Bemessungsfehlerstrom von kleiner gleich 30 mA sowohl Schutz im Falle eines Fehlers bei indirektem (Fehlerschutz) als auch bei direktem (Personenschutz) Berühren. Grundvoraussetzung für eine Schutzmaßnahme mit einer Fehlerstrom-Schutzeinrichtung ist die Erdung der zu schützenden Betriebsmittel und Anlagenteile durch einen Schutzleiter. Von indirektem Berühren spricht man beim Kontakt eines Menschen mit einem betriebsmäßig nicht unter Spannung stehenden elektrisch leitfähigen Teil. Entsteht hierdurch eine Spannung oberhalb der zulässigen Berührungsspannung, ist die schnelle automatische Trennung der elektrischen Anlage von der Stromversorgung gefordert.

Unter direktem Berühren versteht man den Kontakt einer Person mit einem ungeerdeten und unter Spannung stehenden aktive Teil - hier ist dann auch von einem zusätzlichen Schutz die Rede.

Diese Vielzahl von Aufgaben des FI-Schalters macht nochmals deutlich, wie unverzichtbar eine einwandfreie Funktion und somit eine permanente Verfügbarkeit des Schutzgerätes ist.

Erhöhung der Anlagenverfügbarkeit durch Überspannungsschutz

Ein wichtiger Bestandteil zur Erhaltung der Verfügbarkeit von Schutzorganen und Sachgütern ist die fachgerechte Installation von Über¬spannungsschutz-Geräten. Die Vorteile von Fehlerstrom-Schutzschaltern und Überspannungsschutz-Geräten lassen sich gut anhand eines privaten Eigenheims beschreiben: Überspannungsschutz wird hier meist zweistufig errichtet. In der Elektroverteilung wird ein zentraler Überspannungsableiter Typ 2, umgangssprachlich auch als Mittelschutz bezeichnet, eingesetzt. Dieser stellt die erste Schutzstufe dar, die auf die gesamte nachfolgende Elektroanlage wirkt. Die Platzierung dieses Überspannungsableiters erfolgt in jedem Fall vor dem Fehlerstrom-Schutzschalter.

Der Grund: Wenn eine Überspannung ansteht, soll die Energie zur Erde abgeleitet werden. Beim Ansprechen des Ableiters kommt es zu einem Stromfluss mit hohem Spitzenwert und großer Dynamik. Wird dieser so genannte Stoßstrom über den Fehlerstrom-Schutzschalter geführt, kann es zu Verschweißungen der Kontakte kommen. Das hat zur Folge, dass die Funktion des Personenschutzes nicht mehr gegeben ist. Der FI-Schutzschalter erkennt eventuell die Fehlerströme noch, kann aber durch die dauerhaft geschlossenen Kontakte die sicherheitsrelevante Trennung vom Netz nicht mehr ausführen. Die Folgen können der Verlust der oben genannten Schutzfunktionen sein - und daraus resultierend schlimmstenfalls bis zum Tode einer betroffenen Person führen.

Innovatives „2 in 1“-Konzept

Da die Wirksamkeit von Überspannungsschutz stark von der verwendeten Leitungslänge abhängig ist, sind die Anschlussleitungen so kurz wie möglich auszuführen. Das gilt sowohl für die aktiven Adern L1, L2, L3 und N, als auch für die Leitung zum PE-Anschluss. An jedem Leiter entsteht, abhängig von der Länge, im Ansprechfall der Ableiter eine Zusatzspannung, welche die Schutzwirkung mindert. Um den Spannungsabfall so gering wie möglich zu halten, wird das Überspannungsschutzgerät oft direkt neben dem FI-Schalter installiert. Was liegt also näher als diese beiden Funktionen sinnvoll zu bündeln oder zu kombinieren.

Bild 1: Innovatives „2 in 1-Konzept“ – Fehlerstromschutzschalter und Überspannungsschutz wurden in einem Gehäuse integriert

Diese Idee hat Phoenix Contact in der Kombination VAL-CP-RCD umgesetzt. Die Überspannungsschutz-Funktionalität ist als steckbarer Typ 2-Ableiter ausgeführt. Die FI-Schutzschalter-Kenndaten sind mit einem Nennstrom von 40 A und einem Bemessungsfehlerstrom von 30 mA an die typischen Anwendungen angepasst.

Ein großer Vorteil der Kombination beider Funktionen liegt im Handling. Bisher mussten FI-Schutzschalter und Überspannungsschutz über Installationsmaterial wie Kabelbrücken oder vierpolige Montagebrücken miteinander verbunden werden. Dies ist mit dem neuen Gerät nicht mehr erforderlich, da die Brückung bereits durch interne Verbindungen hergestellt ist. Das Gerät wird wie jeder handelsübliche FI-Schutzschalter angeschlossen - lediglich der Anschluss der PE-Leitung und des Potenzialausgleichsleiters kommen hinzu. Kurze Verbindungsleitungen sowie eine zweckmäßige Positionierung des Überspannungsschutzes zum FI-Schutzschalter sind in die Produktentwicklung eingeflossen.

Vorteilhaft ist auch die Baubreite des Geräts, das mit 120 mm nur 48 mm breiter ist als ein regulärer FI-Schutzschalter. Hier bleibt ausreichend Platz für Erweiterungen im Schaltschrank.

Bild 2: Der Kombi-RCD „VAL-CP-RCD“ - hohe Leistungsfähigkeit bei geringem Platzbedarf

Überspannungsschutz soll in erster Linie die Verfügbarkeit der Geräte maximieren. Das Auslösen des FI-Schutzschalters durch ein Überspannungsereignis muss auf jeden Fall verhindert werden. Spricht ein Überspannungsschutzgerät bei anstehender Überspannung an, kommt es zu einem Stromfluss mit sich schnell ändernden Stromstärken. Alle durchflossenen Metallteile umgeben sich in diesem Fall mit einem Magnetfeld, das auch den FI-Schutzschalter auf Grund seines Funktionsprinzips durchsetzt. Es kann zum Auslösen kommen und damit zum Verlust der Anlagenverfügbarkeit. Bei willkürlicher Zusammenschaltung von FI-Schutzschaltern und Überspannungsschutz variiert die Wahrscheinlichkeit einer Auslösung. Mit der Kombination VAL-CP-RCD wird im Rahmen der Leistungsparameter eine hohe Verfügbarkeit erreicht, da alle Funktionen aufeinander abgestimmt sind.

Fazit

Mit dem innovativen Kombi-RCD von Phoenix Contact ist erstmalig eine Kombination aus Überspannungsableiter Typ 2 und Fehlerstrom-Schutzschalter RCD (FI) für die Gebäudeinstallation auf dem Markt. Das Gerät vermeidet Installationsfehler, spart Installationszeit, vereinfacht die Auswahl von Überspannungsschutz und Fehlerstromschutz, und es minimiert den Materialbedarf erheblich.

Mit dem Kombi-RCD wird die Installation des Überspannungsschutzes in der Verteilung einfach und Platz sparend. Die Position des Überspannungsschutzes zum RCD-Schalter ist automatisch richtig - Anschlussfehler werden so vermieden. Der FI- Schutzschalter wird wie gewohnt angeschlossen, und damit gleichzeitig der Überspannungsschutz – so wird die zweifache Sicherheit installiert.

Literatur:

[1]     DIN EN 61008-1 (VDE 0664-10):2005-06 Fehlerstrom- / Differenzstrom-Schutz¬schalter ohne eingebauten Überstromschutz (RCCBs) für Hausinstallationen und für ähnliche Anwendungen – Teil 1: Allgemeine Anforderungen
[2]    DIN VDE 0100-410 (VDE 0100-410):2007-06 Errichten von Niederspannungsanlagen; Teil 4-41: Schutzmaßnahmen – Schutz gegen elektrischen Schlag

Hartwig Derenthal, Mitarbeiter im Produktmarketing, Business Unit Überspannungsschutz Trabtech,
Phoenix Contact GmbH & Co. KG, Blomberg