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Unerwünschte Auslösung von RCD

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RCDs können nicht zwischen Ableitströmen und Fehlerströmen unterscheiden.
RCDs können nicht zwischen Ableitstrom und Fehlerstrom unterscheiden (Bildquelle: ER09/iStock/Thinkstock)

Jeder, der vor einem Frequenzumrichter einmal einen FI-Schutzschalter (RCD) installiert hat, kennt das Problem. Obwohl die Anlage fehlerlos ist, löst der RCD aus. Schuld sind Ableitströme, die betriebsmäßig auf dem Schutzleiter oder auf anderen Wegen zum Sternpunkt der Einspeisung zurückfließen.

Das Problem dabei ist, dass Fehlerstromschutzeinrichtungen nicht zwischen Ableitströmen und Fehlerströmen unterscheiden können und demzufolge auslösen, auch wenn kein Fehler vorhanden ist. Die Summe des Ableitstroms resultiert aus dem Ableitstrom auf dem Schutzleiter und dem Ableitstrom, der über den Potenzialausgleich und die Erdung fließt. Das heißt, der Gesamtableitstrom kann nicht allein über die Messung des Schutzleiterstroms ermittelt werden.
Jahrelange Diskussionen, ob Ableitströme überhaupt auf dem Schutzleiter fließen dürfen, verliefen ergebnislos. Stand der Technik heute ist, dass es diese Ableitströme gibt. Allerdings ist auch die Behauptung falsch, dass FI-Schutzschalter in Anlagen mit Frequenzumrichtern generell nicht eingebaut werden können, weil sie ständig auslösen. Diese Behauptung mag auf große Anlagen mit Antrieben über 100 kW zutreffen. Bei kleineren Anlagen gibt es aber durchaus Möglichkeiten, RCD und elektronische Betriebsmittel, wie z.B. Frequenzumrichter, aufeinander abzustimmen.
Bei Frequenzumrichteranlagen und Ähnlichem mit einer Leistung bis ca. 80 kW können Ableitströme im Allgemeinen so weit verringert werden, dass RCD (IΔN = 300 mA) eingesetzt werden können.

Können Ableitströme vermieden werden?

Hersteller von Frequenzumrichtern erklären, dass Ableitströme nicht zu vermeiden sind. Dies trifft jedoch nur auf Frequenzumrichter mit Pulsweitenmodulation (PWM) zu. Bei sogenannten Sinus-Frequenzumrichtern beträgt der Ableitstrom weniger als 2 mA. Ursache für diesen sehr kleinen Ableitstrom ist die gleichmäßige sinusförmige Ausgangsspannung des Sinus-Frequenzumrichters. Bei der PWM besteht die Ausgangsspannung aus kurzen ungleichmäßigen Impulsen der Zwischenkreisgleichspannung.

Im direkten Vergleich sind Sinus-Frequenzumrichter gegenüber Frequenzumrichtern mit PWM teurer. Allerdings kann beim Einsatz von Sinus-Frequenzumrichtern auf EMV-Filter, Sinusfilter und abgeschirmte Leitungen verzichtet werden. Somit ist der Einsatz solcher Frequenzumrichter auch preislich konkurrenzfähig.

Weitere Vorteile von Sinus-Frequenzumrichtern aufgrund der glatten Sinusschwingung sind:

  • nahezu unbegrenzte Motorkabellänge
  • Schonung des Motors durch fehlende Lagerströme
  • Schonung der Motor- und Kabelisolationen

Mit der Verbreitung elektronischer Betriebsmittel gibt es noch ein weiteres Problem bei der Fehlerstromerfassung von RCD. Das Frequenzspektrum der Betriebsströme und damit eventueller Fehlerströme wird immer größer. Stand der Technik sind Frequenzen bis 20 kHz, die durch die Taktfrequenz von Frequenzumrichtern und andere elektronische Betriebsmittel hervorgerufen werden. In einigen Fällen geht das Frequenzband bis 100 kHz. Zur Erfassung solcher brandgefährlicher Fehlerströme gibt es RCD des Typ B+.

Publikationen zum Thema Verträglichkeit von RCD und elektronischen Betriebsmitteln Vorreiter bei diesem Thema war die GDV-Publikation „Isolationsfehlerschutz in elektrischen Anlagen mit elektronischen Betriebsmitteln – RCD und FU“ (VdS 3501). Sie wurde im Jahr 2006 das erste Mal herausgegeben. Seit dem Jahr 2008 gibt es die VdS 3501 in der zweiten Auflage.
Es gibt auch Herstellerpublikationen, z.B. von Doepke oder Siemens, die sich dem Thema ausführlich widmen. Im Jahr 2009 wurde auch vom Bereich Automation des Zentralverbands Elektrotechnik und Elektronikindustrie (ZVEI) der Leitfaden „Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen und elektrische Antriebe“ herausgegeben.
Die in den Publikationen beschriebenen Lösungsmöglichkeiten ähneln im Prinzip den im Folgenden dargestellten.

Arten von Ableitströmen

Um Maßnahmen gegen Ableitströme ergreifen zu können, muss verstanden werden, welche Arten von Ableitströmen es gibt und woher diese kommen.
Es gibt drei Arten von Ableitströmen:

  • stationäre Ableitströme
  • variable Ableitströme
  • transiente Ableitströme

Stationäre Ableitströme

Ursache dieser Ableitströme sind die Verzerrungen der Netzspannung in Kombination mit einem EMV-Filter. Der Hintergrund ist, dass bei einem EMV-Filter zwischen den Außenleitern und dem Schutzleiter Kondensatoren, sogenannte Y-Kapazitäten, geschaltet sind. Bei einem idealen Netz mit einer sauberen sinusförmigen Spannung würde die Summe der Ströme auf dem Schutzleiter gleich Null sein. Wegen der Spannungsverzerrungen kommt es zu Unsymmetrien und in der Folge zu einem Strom auf dem Schutzleiter, dem Ableitstrom.
Hinzu kommen Ableitströme, die durch die Kommutierung der Brückenschaltung generiert werden. Als Kommutierung wird der Übergang des Stromflusses von einem Stromzweig zum nächsten bezeichnet. Beim Durchschalten (Zünden des nächsten Halbleiterventils) des nächsten Stromzweigs kommt es kurzzeitig zu einem Kurzschluss zwischen den beiden Stromzweigen, da der vorhergehende Stromzweig noch nicht gesperrt ist. Dieser Kurzschluss führt zu einem Spannungseinbruch mit der Folge eines Ableitstroms.

Ursachen für stationäre Ableitströme

Ursachen für stationäre Ableitströme sind Verzerrungen der Netzspannung und Kommutierungsvorgänge in der Brückenschaltung des Frequenzumrichters. Ein stationärer Ableitstrom fließt fortwährend, auch wenn der Motor steht (Frequenzumrichter in Reglersperre), und ist in Abhängigkeit von der Netzspannungsverzerrung relativ konstant. Die Höhe der Ableitströme kann man während der Planung der Anlage kaum voraussagen. Hilfreich ist eine Netzanalyse im Vorfeld der Planung, um die Netzverzerrungen einschätzen zu können.

Variable Ableitströme

Bei drehendem Motor erhöht sich der Gesamtableitstrom um den variablen Ableitstrom. Ursache für diese variablen Ableitströme sind die Taktfrequenz und die dazugehörigen Oberschwingungen des Frequenzumrichters. Das Gehäuse des Frequenzumrichters, die Motorleitung mit einer geerdeten Abschirmung und der Motor selber wirken wie Kondensatoren, die gegen Erde geschaltet sind.
Je länger die Motorleitung, umso höher ist der Ableitstrom. Variable Ableitströme sind durch die Höhe der Taktfrequenz und die Länge der Motorleitung beeinflussbar. Resonanzfrequenzen des EMV-Filters erzeugen hohe Ableitströme.

Transiente Ableitströme

Gegenüber den stationären und variablen Ableitströmen, die nahezu periodisch verlaufen, treten transiente Ableitströme nur kurzzeitig auf. Ursache für transiente Ableitströme sind Spannungsspitzen, die durch steile Anstiegsflanken einen hohen Frequenzanteil enthalten, und Unsymmetrien zwischen den Außenleitern. Die Spannungsspitzen werden durch Schalthandlungen und Überspannungen, z.B. durch Blitzeinwirkungen, erzeugt. Die Unsymmetrien entstehen durch Schalthandlungen, z.B. von Schaltern, die nicht gleichzeitig öffnen oder schließen.

Maßnahmen gegen hohe Ableitströme

Die Maßnahmen sind so zu planen, dass der Ableitstrom, den eine RCD erfasst, nicht mehr als 40 % des Bemessungsdifferenzstroms des RCD beträgt. Hintergrund ist, dass RCD nach Norm schon bei der Hälfte des Bemessungsdifferenzstroms auslösen dürfen.
Ableitströme haben, wie beschrieben, unterschiedliche Ursachen. Diese Ursachen können zwar (mit Ausnahme der Sinus-Frequenzumrichter) nicht beseitigt werden, aber die Auswirkung, d.h. die Höhe der Ableitströme, kann durch folgende Maßnahmen und deren Kombination gesenkt werden:

  • korrekte Einrichtung des Frequenzumrichters
  • kurze Motorleitungen
  • Aufteilung der Stromkreise
  • Überspannungsschutz
  • Schaltgeräte zum Vermeiden transienter Ableitströme
  • Einsatz verzögerter RCD
  • Einsatz von Sammelfiltern
  • Einsatz von ableitstromarmen EMV-Filtern
  • Einsatz von Netzdrosseln
  • Einsatz von Ausgangsfiltern
  • Aufbau eines IT-Systems mit Isolationsüberwachung

Korrekte Errichtung des Frequenzumrichters

Ein umfassender zusätzlicher Potenzialausgleich ist herzustellen. Dass RCD immer wieder auslösen, liegt häufig an der mangelnden Installation und Einrichtung des Frequenzumrichters. So kann durch einen umfassenden zusätzlichen Potenzialausgleich erreicht werden, dass der größte Teil der Ableitströme zum Gleichstromzwischenkreis des Frequenzumrichters und nicht zum Sternpunkt des Netzes zurückfließt.
In den Potenzialausgleich sind möglichst alle leitenden Teile des Gebäudes einzubeziehen, z.B. Leitungstrassen und Zwischenboden- oder Deckenkonstruktionen.
Frequenzumrichter, Filter, Kabelschirme und dergleichen müssen großflächig angeschlossen werden.

Vermeiden von Resonanzfrequenzen durch günstige Einstellung der Taktfrequenz

Um hohe Ableitströme zu vermeiden, ist die günstigste Taktfrequenz des Frequenzumrichters einzustellen, damit vermieden wird, dass der EMV-Filter bei seiner oder einem Vielfachen seiner Eigenresonanzfrequenz betrieben wird.

Stationäre Ableitströme können durch Einstellen der Ansprechempfindlichkeit ausgeblendet werden. Bei möglichst konstanten betriebsbedingten Ableitströmen bietet sich der Einsatz einer RCM, CBR oder MRCD an, sodass diese durch Einstellen der Ansprechempfindlichkeit der RCM, CBR oder MRCD berücksichtigt werden. Durch separate, abschließbare Gerätekästen oder durch plombierte Einstellelemente ist dafür zu sorgen, dass Unbefugte keine Einstellungen vornehmen können.

Aufteilung der Stromkreise

Ideal ist der Einsatz eines RCD pro Frequenzumrichter. Aus Gründen der Selektivität sollten pro RCD möglichst wenige Frequenzumrichter vorgesehen werden. Im Idealfall wird vor jedem Frequenzumrichter ein RCD geschaltet. Durch diese Aufteilung wird auch vermieden, dass die Ableitströme mehrerer Stromkreise von einem RCD erfasst werden. Die Gefahr einer Fehlauslösung wird somit verringert.

Kurze Motorleitungen

Wenn möglich, ungeschirmte Motorleitungen verwenden. Die Leitungen zwischen Frequenzumrichter und Motor sollen so kurz wie möglich sein. Wenn die EMV es zulässt, weil z.B. Ausgangsfilter verwendet werden, können auch ungeschirmte Leitungen genutzt werden.
Spezielle kapazitätsarme Leitungen mit symmetrischem Aufbau verringern ebenfalls die Ableitströme.

Überspannungsschutz

SPDs gehören immer vor die RCD

Überspannungs-Schutzeinrichtungen (SPDs) des Typs 1 und 2 sind grundsätzlich auf der Netzseite vor die RCD zu installieren. Beim Ansprechen der SPDs werden hohe Impulsströme zur Erde abgeleitet, die von RCD als Differenzstrom erfasst werden würden, wenn diese Schutzeinrichtungen hinter den RCD installiert wären.

Schaltgeräte zum Vermeiden transienter Ableitströme

Schalter mit Sprungschaltfunktion und allpolig schaltende Schütze verringern transiente Ableitströme. Um Unsymmetrien zwischen Außenleitern und damit transiente Ableitströme zu vermeiden, sollten nur Schaltgeräte eingesetzt werden, die auf allen Polen gleichzeitig schalten, z.B. Schalter mit Sprungschaltfunktion oder allpolig schaltende Schütze.

Einsatz verzögerter RCD

Ist die Dauer der transienten Ableitströme zu lang, können verzögerte RCD eingesetzt werden, z.B. kurzzeitverzögerte RCD oder selektive RCD. Selektive RCD können nicht für den zusätzlichen Schutz verwendet werden.

Einsatz von Sammelfiltern

Der Einsatz eines Sammelfilters ist günstiger als viele Einzelfilter. Für mehrere Frequenzumrichter empfiehlt sich der Einsatz eines Sammelfilters, da der Ableitstrom des Sammelfilters meist kleiner ist als die Summe der Ableitströme der Einzelfilter. Der Einsatz eines Sammelfilters erfordert eine Koordinierung der parallel geschalteten Frequenzumrichter untereinander. Von Vorteil ist in diesem Fall, die Frequenzumrichter eines Herstellers zu verwenden.

Einsatz von ableitstromarmen EMV-Filtern

Bis zu einem Ableitstrom von 3,5 mA gelten Filter als ableitstromarm. Ableitstromarme EMV-Filter zeichnen sich dadurch aus, dass sie aufgrund ihres Aufbaus geringere Ableitströme auf den Schutzleiter leiten. Unter diese Kategorie fallen auch 4-Leiter-EMV-Filter. Bei diesen Filtern fließt ein Großteil des Ableitstroms auf dem Neutralleiter. Als ableitstromarm werden Filter mit einem Ableitstrom bis 3,5 mA bezeichnet.
Der Einsatz ableitstromarmer EMV-Filter ist mit den Herstellern von Frequenzumrichtern und Filtern abzusprechen. Bei ableitstromarmen Filtern ist besonders auf die einzuhaltenden Emissionsgrenzwerte und die Länge der Motorleitungen zu achten.

Einsatz von Netzdrosseln

Durch Netzdrosseln wird die Stromwelligkeit reduziert. Dadurch tragen sie indirekt zur Reduzierung der Ableitströme bei. Netzdrosseln sollten immer vor den EMV-Filtern installiert werden.

Einsatz von Ausgangsfiltern

Durch Sinusfilter ist der Verlauf von Strom und Spannung am Ausgang des Frequenzumrichters annähernd sinusförmig. Sinusfilter, du/dt-Filter und Ausgangsdrosseln werden hinter dem Frequenzumrichter eingesetzt. Der Sinusfilter sorgt dafür, dass Strom und Spannung am Ausgang des Frequenzumrichters annähernd sinusförmig verlaufen. Durch die damit verbundene Reduzierung der Flankensteilheit werden die Ableitströme reduziert.
Wenn die reduzierten Störabstrahlungen es zulassen, kann auch auf den Kabelschirm verzichtet werden. Dies führt wiederum zu einer Reduzierung der Ableitströme.
Der Einsatz von Sinusfiltern schont die angeschlossenen Motoren, da durch die annähernde Sinusform von Strom und Spannung die Lagerströme reduziert werden.
Sinusfilter können nicht eingesetzt werden, wenn die Dynamik eines Antriebs nicht negativ beeinflusst werden darf, z.B. bei Servoantrieben. Als Alternative können du/dt-Filter oder Ausgangsdrosseln eingesetzt werden. Diese haben jedoch nicht die gleiche Wirksamkeit zur Reduzierung der Ableitströme wie Sinusfilter.

Aufbau eines IT-Systems mit Isolationsüberwachung

Sollten die vorhergehenden Maßnahmen nicht zum Erfolg führen, muss darüber nachgedacht werden, ob die Errichtung eines IT-Systems mit Isolationsüberwachungseinrichtungen (IMDs) sinnvoll ist.

IMDs werden durch Ableitströme nicht beeinflusst. Beim Einsatz von Überwachungseinrichtungen ist darauf zu achten, dass diese durch die Fremdgleichspannungen z.B. von Frequenzumrichtern nicht außer Funktion gesetzt werden. Deshalb müssen beim Einsatz von geregelten Antrieben Isolationsüberwachungen mit geeigneter Messspannung eingesetzt werden.
Bei den Filtern ist zu beachten, dass in IT-Systemen nur Filter mit hochohmiger oder keiner Erdverbindung eingesetzt werden.
Wegen der fehlenden oder hochohmigen Erdverbindung ist die Effektivität der Filter eingeschränkt. Einzuhaltende EMV-Grenzwerte sind mit den beteiligten Anwendern und Herstellern abzustimmen und im EMV-Plan zu dokumentieren.

Tipp der Redaktion
Der Alleskönner im Bereich Elektrosicherheit

Die Kriterien, die es bei der Auswahl der richtigen RCD zu beachten gilt, sind zahlreich. Daher ist es nicht immer leicht, den Überblick zu behalten.
Sie brauchen Unterstützung bei der Entscheidung? Wir helfen Ihnen dabei!

Autor: Dipl.-Ing. Karsten Callondann

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Kommentare

Kommentar von Aschi Richner |

Sehr interessanter Bericht. wir haben eben eine Maschine mit FU Umrichter in Betrieb genommen, es funktioniert alles i.O. bis man die Maschine am normalen Hauptschalter AUS-schaltet, löst der RCD aus. D.h. sie lässt sich nicht wieder einschalten bis der RCD wieder EIN-geschaltet wurde was problemlos möglich ist. Die Maschine ist in einem Landwirtschaftsbetrieb im Einsatz.

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