Fehlerstromschutzschalter

Allgemeines

Ein Fehlerstromschutzschalter schützt gegen das Bestehenbleiben (nicht: Entstehen) einer unzulässig hohen Berührungsspannung und ist daher ein effizientes Mittel zur Vermeidung von gefährlichen oder sogar tödlichen Verletzungen bei Stromunfällen, sowie zur Brandverhütung.

Ein FI-Schutzschalter, neue Bezeichnung RCD (Residual Current Device), ist eine Schutzeinrichtung in Stromnetzen. In Europa werden Fehlerstromschutzschalter zusätzlich zu den Überstromschutzeinrichtungen im Sicherungskasten installiert, in Deutschland sind vorgeschaltete Überstromschutzeinrichtungen zwingend vorgeschrieben.

In Deutschland sind pulsstromsensitive Fehlerstromschutzeinrichtungen vom Typ A üblich. Diese erfassen rein sinusförmige Wechselströme sowie pulsierende Gleichfehlerströme. Pulsstromsensitive Fehlerstromschutzeinrichtungen arbeiten netzspannungsunabhängig.

Allstromsensitive Fehlerstromschutzschalter vom Typ B enthalten einen zweiten Summenstromwandler zur Erfassung glatter Gleichfehlerströme. Eine Elektronikeinheit gibt bei einem Fehler den Abschaltbefehl an den Auslöser weiter. Die Überwachung auf Gleichfehlerströme erfolgt netzspannungsabhängig.

Funktionsprinzip

Der RCD (FI-Schalter) trennt bei Überschreiten einer bestimmten Differenzstromstärke (in Hausanlagen meist 30 mA) den überwachten Stromkreis allpolig, d. h. alle Leiter bis auf den Schutzleiter, vom restlichen Netz.

Differenzströme können auftreten, wenn etwa durch den menschlichen Körper oder über eine schadhafte Isolierung ein (Fehler-)Strom fließt. Dazu vergleicht der RCD die Höhe des hin- mit dem des zurückfließenden Stromes. Die Summe muss bei einer intakten Anlage Null betragen.

Werden an dem Standard-RCD B6-Gleichrichterschaltungen? (etwa in Servoverstärkern) betrieben, wird dieser Schutzschalter bei einem Fehlerstrom hinter der Gleichrichterbrücke durch den dann vorhandenen Gleichfehlerstrom vormagnetisiert und totgelegt. Der RCD geht in Sättigung und kann auch Fehler an parallel betriebenen Geräten nicht mehr erkennen. Nur RCD Typ B, allstromsensitiv (mit Elektronik) sind dann noch funktionsfähig und zulässig.

Verwendung mit Servoverstärkern

Nach DIN IEC 60364-4-41 - Errichtungsbestimmung und EN 60204 - Elektrische Ausrüstung von Maschinen ist der Einsatz von Fehlerstromschutzschaltern möglich, wenn die notwendigen Bestimmungen eingehalten werden.
Der FI Schutzschalter kann Fehlerströme und Ableitströme nicht voneinander unterscheiden und bewertet sie deshalb gleichermaßen. So kann eine Auslösung bereits erfolgen, wenn die Summe aller fließenden Ableitströme die Auslöseschwelle überschreitet, obwohl kein Fehler (Fehlerstrom) in der Anlage vorliegt.
Beim Servoverstärker handelt es sich um ein 3 Phasen System mit B6 Brücke. Daher müssen allstromsensitive FI verwendet werden, um einen möglichen Gleichfehlerstrom ebenfalls erkennen zu können.

Fehlerstrom

Fehlerströme sind überwiegend ohmsch und entstehen durch Isolationsfehler zwischen spannungsführenden Teilen und Erde, z.B. durch Schmutz und Feuchtigkeit im Gerät.

Ableitstrom

Ableitströme sind häufig kapazitiv und fließen aufgrund von Entstörmaßnahmen durch Kondensatoren in EMV - Filtern oder über die Kapazität langer, abgeschirmter Leitungen zur Erde. Mit kapazitätsarmen Kollmorgen Leitungen kann als Faustformel bei 400V Netzspannung abhängig von der Taktfrequenz der Endstufe der Ableitstrom angenommen werden zu:

• Iabl = n x 20mA + L x 1mA/m bei 8kHz Taktfrequenz der Endstufe
• Iabl = n x 20mA + L x 2mA/m bei 16kHz Taktfrequenz der Endstufe
  (mit Iabl=Ableitstrom, n=Anzahl der Verstärker, L=Länge der Motorleitung)
  Bei anderen Netzspannungen verändert sich der Ableitstrom proportional zur Spannung.
• Beispiel:  2 x Servoverstärker + 25m Motorleitung bei 8kHz Taktfrequenz:
   2 x 20mA + 25m x 1mA/m = 65mA Ableitstrom.

Da der Ableitstrom gegen PE mehr als 3,5 mA beträgt, muss gem IEC 61800-5-1 der PE-Anschluss entweder doppelt ausgeführt werden oder eine Anschlussleitung mit >10mm² Querschnitt verwendet werden. Benutzen Sie die PE Klemme und den PE Bolzen, um diese Forderung zu erfüllen.

Stationäre Ableitströme

Hervorgerufen durch unsymmetrische (verzerrte) Netzspannung, die in symmetrisch aufgebauten Netzfilter, zu einem kapazitiven Gesamtstrom führt, der über den Schutzleiter abfließt. Der stationäre Ableitstrom ist auch bei stehendem Motor vorhanden, weist typischerweise Frequenzanteile von 100Hz bis 1kHz auf und kann eine Amplitude von mehreren 100 mA haben.
Möglichkeiten zur Reduzierung:

• ableitstromarme EMV Filter verwenden
• in Netzen mit Neutralleiter einen 4 Leiter Filter einsetzen
• mehrere einphasige betriebene Servoverstärker gleichmäßig auf die Phasen verteilen

Variable Ableitströme

Hervorgerufen durch die Drehzahlregelung des Motors und die Schaltfrequenz der Verstärkerendstufe. Amplitude und Frequenz (>1kHz) hängen von der Betriebssituation ab.
Möglichkeiten zur Reduzierung:

• möglichst kurze abgeschirmte Leitungen verwenden
• Sinus Filter oder Ausgangsdrosseln am Ausgang des Servoverstärkers installieren
• bei mehreren Servoverstärkern mit internem EMV Filter zusätzlichen 4 Leiter Filter vorschalten

Transiente Ableitströme

Hervorgerufen durch Ausschaltvorgänge im Netz, bei denen die Induktivitäten in den Strompfaden Spannungsspitzen verursachen. Einschalten bei ungünstigen Phasenwinkeln der Netzspannung führen ebenfall zu steilen Spannungsanstiegen und damit zu kurzzeitigen Hochfrequenzanteilen. Diese hochfrequenten Anteilen werden über die Kondensatoren in den EMV Filtern nach Erde abgeleitet und können so zum Auslösen des Fehlerstromschutzschalters führen.

Bemessungsfehlerströme beim FI

• Ableitstrom 10 -30 mA
  Schutz bei “indirektem Berühren” (Personen Brandschutz) für ortsfeste und ortsveränderliche elektrische Betriebsmittel und zusätzlich bei “direktem Berühren”.
• Ableitstrom 50 -300 mA
  Schutz bei “indirektem Berühren” (Personen Brandschutz) für ortsfeste el. Betriebsmittel

Empfehlung: Für einen Schutz vor direkter Berührung empfehlen wir (bei Motorleitungslänge unter 5m) , jeden Servoverstärker einzeln durch einen allstromsensitiven 30mA Fehlerstromschutzschalter abzusichern.
Die Verwendung eines selektiven FI -Schutzschalters verhindert durch die intelligentere Auswertung Fehlauslösungen der Schutzeinrichtung.