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Fehlerstrom-Schutzschalter

Ein Fehlerstrom-Schutzschalter ist eine Sicherheitseinrichtung, die einen Stromkreis automatisch abschaltet, wenn ein genügend starker Fehlerstrom detektiert wird. Solche Geräte werden zunehmend beispielsweise in Haushalten verbaut, um die Gefahr von tödlichen Stromschlägen zu reduzieren. Man beachte aber, dass nicht alle gefährlichen Stromschläge mit detektierbaren Fehlerströmen einhergehen, weswegen ein Fehlerstrom-Schutzschalter allein keine umfassende Sicherheit schaffen kann.

Von der englischen Bezeichnung residual current operated circuit breaker kommt das Akronym RCCB für die gebräuchlichste Art von Fehlerstrom-Schutzschaltern (oder im Amerikanischen GFCI = ground fault circuit interrupter). Eine allgemeinere Bezeichnung ist residual current device = RCD. Ferner gibt es speziellere Arten wie RCBO, SRCD, PRCD, RCU und CBR, die hier nicht weiter diskutiert werden; es handelt sich oft um Geräte mit zusätzlichen Funktionen.

Eine ältere, immer noch oft auftauchende Bezeichnung ist "FI-Schutzschalter", wobei das "I" das Formelsymbol für die Stromstärke ist. Auch als Personenschutzschalter werden solche Geräte manchmal bezeichnet, nachdem der Personenschutz ihre wohl wichtigste und häufigste Funktion ist. Jedoch spielen solche Schutzschalter auch z. B. für den Brandschutz eine wichtige Rolle.

Was ist ein Fehlerstrom?

Ein Fehlerstrom ist ein Strom, der auf nicht vorgesehenen Wegen fließt. Als Beispiel betrachte man die Versorgung eines elektrischen Verbrauchers über eine Schutzkontakt-Haushaltssteckdose. Im Normalfall (Abbildung 1 oben) fließt der elektrische Strom, den das Gerät bezieht, durch die beiden als Phase und Neutralleiter bezeichneten Kontakte; diese werden über die beiden Kontaktstifte des Steckers in der Steckdose angeschlossen. Zusätzlich wird bei vielen Geräten das Gehäuse elektrisch mit dem Schutzleiterkontakt der Steckdose verbunden. Über den Schutzleiter fließt aber im Normalfall kein wesentlicher Strom. Schließlich hat das daran angeschlossene Gehäuse keinen Kontakt mit Phase oder Nullleiter, und auch Berührung durch Personen, die normalerweise elektrisch auf etwa demselben Erdpotenzial stehen, bewirkt keine wesentlichen Ströme – höchstens einen kurzen Stromimpuls, wenn eine elektrisch aufgeladene Person (etwa nach Gehen mit Plastikschuhen v. a. bei geringer Luftfeuchtigkeit) das Gehäuse berührt und dabei entladen wird.

Wenn nun aber beispielsweise die Isolation des Gerätekabels defekt ist, sodass eine Person die blanke Phasen-Leitung berührt, und wenn die Person gleichzeitig Kontakt mit Erdpotenzial hat (Abbildung 1 unten), kann ein gefährlicher Fehlerstrom durch die Person fließen. Wichtig für die Erkennung des Problems ist, dass der Hin- und Rückstrom durch Phase und Neutralleiter (in der Steckdose, nicht im Gerät) dann nicht mehr genau im Gleichgewicht sind; ihre Differenz entspricht dem Fehlerstrom. Dasselbe würde gelten, wenn die Person Kontakt zu Phase und Schutzleiter (etwa über ein Gerätegehäuse) statt direkt zur Erde hätte.

Bei Vorhandensein eines Fehlerstrom-Schutzschalters (etwa im Sicherungskasten) sollte der Fehlerstrom detektiert werden, sodass eine schnelle Abschaltung ausgelöst werden kann. Es bleibt dann bei einem womöglich starken, aber nur ganz kurz dauernden Stromschlag, der in den meisten Fällen keinen bleibenden gesundheitlichen Schaden anrichtet. Vor allem auch wird verhindert, dass sich die Person durch Verkrampfen der Muskeln nicht mehr von dem stromführenden Teil lösen kann.

Grundsätzlich ist ein Fehlerstrom ein zusätzlicher Strom, der auf nicht vorgesehenen Wegen fließt, etwa zwischen Phase und Schutzleiter oder auch zwischen Phase und anderswo kontaktiertem Erdpotenzial, etwa durch Kontakt des Körpers mit dem Boden. Dies muss nicht unbedingt gefährlich sein, etwa wenn ein schwacher Fehlerstrom nur innerhalb eines Geräts aufgrund einer defekten Isolation oder aufgrund kapazitiver Effekte fließt. Jedoch ist eine schnelle Abschaltung wünschenswert, da jedenfalls eine gefährliche Situation nicht auszuschließen ist und der Defekt als Ursache behoben werden sollte.

Fehlerströme sind grundsätzlich bei Wechselstrom, Drehstrom und Gleichstrom möglich, aber viele Fehlerstrom-Schutzschalter können wegen ihres Funktionsprinzips (siehe unten) Gleichstrom-Fehlerströme nicht detektieren.

Wichtig ist außerdem der Umstand, dass eine Person, die gleichzeitig Phase und Neutralleiter berührt, sonst aber nichts, einen starken Stromschlag erhalten könnte, ohne einen detektierbaren Fehlerstrom zu verursachen: Die Ströme durch Phase und Neutralleiter (z. B. in der Steckdose) blieben ja nach wie vor genau gleich. Eine Sicherheitseinrichtung könnte diese Situation nicht von der unterscheiden, in der ein Gerät auf "legitime" Weise Strom bezieht. Vor solchen Unfällen kann also ein Fehlerstrom-Schutzschalter grundsätzlich nicht schützen, obwohl man einen solchen gefährlichen Strom sehr wohl als Fehlerstrom betrachten kann. Leider kommt es gerade in solchen Fällen leicht zu hohen Stromstärken, da der elektrische Kontakt tendenziell stärker ist als der über den Boden.

Man beachte außerdem, dass selbst bei sehr schneller Abschaltung im Fehlerfall (in einem Sekundenbruchteil) noch gewisse Gefahren bestehen bleiben – insbesondere solche durch Herunterfallen, z. B. von einer Leiter. Zudem könnte es auch vorkommen, dass ein solcher Schutzschalter gerade im Notfall versagt. Das Schutzniveau ist also nicht ideal.

Aus diesen Gründen dürfen Fehlerstrom-Schutzschalter immer nur als eine zusätzliche Sicherheitseinrichtung verwendet werden, keinesfalls aber als Ersatz für die Einhaltung grundlegender Sicherheitsregeln (Basis- und Fehlerschutz).

Immerhin werden einige typische Risiken im Haushalt durch Fehlerstrom-Schutzschalter ziemlich zuverlässig weitgehend eliminiert. Beispielsweise kann man an den klassischen Fall denken, dass eine Person in einer Badewanne einen elektrischen Föhn verwendet, wobei dieser ins Wasser fällt. Dies sollte sofort einen erheblichen Fehlerstrom verursachen und damit eine sofortige Abschaltung, wenn die verwendete Steckdose entsprechend abgesichert ist. Auch Kinder, die beim Spielen elektrisch leitende Teile in Steckdosen einführen, sind einigermaßen geschützt – aber nicht perfekt, beispielsweise nicht wenn sie gleichzeitig Kontakt mit Phase und Neutralleiter bekommen, aber nicht mit dem Schutzleiter oder der Erde.

Keine schützende Wirkung bringen solche Schutzschalter ohnehin gegen andere Fehlerarten, etwa die Überlastung von Leitungen durch Anschließen zu vieler oder zu starker Verbraucher oder Brandgefahren durch schadhafte elektrische Kontakte in Steckern oder Verteilerdosen.

Andererseits helfen Fehlerstrom-Schutzschalter teils auch gegen Gefahren, die mit dem direkten Personenschutz nichts zu tun haben. Beispielsweise können Fehlerströme entstehen, wenn die Isolation einer uralten in einer Wand verlegten Leitung schadhaft wird und damit eine Verbindung zwischen Phase und Schutzleiter entsteht. Auch wenn hierdurch kaum eine Person elektrisiert werden kann, kann die Aufdeckung solcher Probleme sehr nützlich sein, vor allem weil sonst ein Brand entstehen könnte.

Funktionsprinzip von Fehlerstrom-Schutzschaltern

Eine direkte Detektion von Fehlerströmen wäre in der Praxis schwierig – vor allem dann, wenn sie nicht durch den Schutzleiterkontakt der Steckdose fließen, sondern etwa durch eine Person zum Boden. Es würde also nicht ausreichen, den Strom durch den Schutzleiter zu überwachen. Deswegen arbeiten Fehlerstrom-Schutzschalter nach einem anderen Prinzip: Sie detektieren die Differenz der Ströme durch Phase und Neutralleiter, die als Folge eines Fehlerstroms meistens entsteht. (Leider nicht immer, wie oben erwähnt: Eine Person könnte auch Phasen- und Neutralleiter berühren.)

Diese Detektion eines Differenzstroms mag zunächst als schwierig erscheinen, da es auf Differenzströme ankommt, die weitaus schwächer sein können als die gewünschten Ströme. Die Aufgabe lässt sich technisch jedoch recht einfach realisieren mit einer Art von Transformator. Hier schickt man die Ströme, die durch Phase und Neutralleiter fließen, durch zwei kleine Spulen mit gleicher (meist sehr geringer) Windungszahl. Diese Spulen sind so eingerichtet, dass sich im Normalfall (ohne Fehlerstrom) die Magnetfelder, die von den beiden Strömen verursacht werden, gegenseitig ziemlich genau aufheben. Sobald jedoch die beiden Stromstärken nicht mehr entgegengesetzt gleich sind, entsteht netto ein gewisses oszillierendes Magnetfeld, welches in einer zusätzlichen Detektionsspule eine kleine elektrische Spannung induziert. Diese Spannung kann dann von einer Elektronik detektiert werden, die bei Überschreitung eines gewissen Grenzwerts eine schnelle Abschaltung vornimmt. Meist genügt sogar eine simple passive Schaltung ohne echte Elektronik, die keine separate Stromversorgung braucht und deswegen tendenziell zuverlässiger ist. Mit einer genügend ausgefeilten Konstruktion lassen sich auch Fehlerströme detektieren, die weitaus kleiner sind als die durch das Gerät fließenden Ströme – z. B. nur 30 mA trotz der viel höheren Stromstärke von über 10 A durch das Gerät.

Das beschriebene Funktionsprinzip lässt sich einfach erweitern für die Anwendung auf Drehstrom. Hier müssen eben alle vier Ströme (drei Phasen und Neutralleiter) durch entsprechende Transformatorwicklungen geführt werden. Die Abschaltung betrifft dann alle drei Phasen (möglichst genau gleichzeitig) und den Neutralleiter.

Problematisch, teils auch gesetzlich verboten, ist die Verwendung von Fehlerstrom-Schutzschaltern bei bestimmten Erdungssystemen des Niederspannungsnetzes (TN-C-Systeme), wo Neutralleiter (N) und Schutzerdung (PE) nicht als separate Leitungen geführt werden. Solche Systeme sind z. B. für Haushalte in Deutschland schon seit langer Zeit nicht mehr erlaubt, außer dass wegen des hohen Umrüstungsaufwands vereinzelt noch existierende Systeme trotz ihrer eingeschränkten Sicherheit geduldet werden. Mit den heute üblichen TN-C-S-Systemen (meist mit Auftrennung des PEN-Leiters in PE und N kurz nach dem Eintritt der Versorgungsleitung in das Haus) gibt es solche Probleme nicht – außer wenn bei der Installation Elektroinstallation bestimmte Fehler gemacht wurden.

Gleichfehlerströme (d. h. Fehlerströme in Form von Gleichströmen) können nicht wie beschrieben detektiert werden; dafür werden aufwändigere elektronische Schaltungen benötigt, z. B. mit einem Hall-Sensor (einem speziellen Sensor für Magnetfelder). Entsprechend ausgerüstete Schutzschalter werden als "allstromsensitiv" bezeichnet. Diese Technik ist im Haushalt normalerweise nicht nötig, aber beispielsweise für das DC-Laden von Elektroautos.

Technische Details

Die Abschaltung erfolgt in der Regel durch ein "Schaltschloss", welches auch von Hand betätigt werden kann, automatisch aber durch einen kleinen Elektromagneten. Unterstützt wird die Abschaltung durch eine vorgespannte Auslöse-Feder. Das Schaltschloss nimmt bei Auslösung eine allpolige Abschaltung vor, d. h. von Phase und Neutralleiter, bzw. bei Drehstrom von allen drei Phasen und Neutralleiter. Die Schutzkontaktverbindung bleibt grundsätzlich immer erhalten. So wird augenblicklich ein sicherer Zustand hergestellt.

Gefordert wird durch die Normen, dass innerhalb von maximal 0,3 Sekunden abgeschaltet werden muss, wenn genau der Bemessungsstrom erreicht wird, und bei höheren Strömen deutlich schneller – z. B. in 0,04 s bei dem fünffachen Bemessungsstrom.

Ein Fehlerstrom-Schutzschalter sollte einerseits empfindlich genug sein, um bei gefährlich hohen Fehlerströmen eine sofortige Abschaltung vorzunehmen. Andererseits wäre aber eine Abschaltung bereits bei winzig kleinen Fehlerströmen häufig ungünstig, weil dann eine Auslösung bereits durch kleinste Kriechströme oder kapazitive Ströme möglich wäre, die noch gar nicht problematisch sind. Üblich ist für den Personenschutz ein "Bemessungsfehlerstrom" von nicht mehr als 30 mA. Dies bedeutet, dass der Schutzschalter spätestens bei dieser Stromstärke abschalten muss, aber bei weniger als 50 % dieses Werts noch nicht abschalten soll. (Dies gilt für sinusförmige Fehlerströme; für Ströme mit anderen zeitlichen Formen gelten etwas andere Regeln.) Für andere Anwendungen (z. B. Brandschutz ohne direkten Personenschutz) werden auch Geräte mit deutlich höheren Bemessungsströmen (z. B. 300 mA) verwendet.

In der Regel werden Fehlerstrom-Schutzschalter in Sicherungskästen eingebaut. Abbildung 2 zeigt ein Beispiel, wo links der FI-Schutzschalter ist, der die Stromkreise für fünf daneben liegende Sicherungen abdeckt. Eine kleine graue Prüftaste kann für den Test der Funktionsfähigkeit verwendet werden: Wenn man diese drückt, wird absichtlich ein gewisser Fehlerstrom erzeugt, der eine sofortige Abschaltung auslösen sollte. Der blaue Hebel schnappt dann selbsttätig nach unten. Nach Behebung des Fehlers kann er manuell wieder nach oben geklappt werden, um den Strom wieder einzuschalten. Wenn der genannte Test gelegentlich durchgeführt wird (z. B. einmal jährlich), sinkt das Risiko eines Versagens im Notfall deutlich. Bei einer Überlast (zu hoher Strom) lösen meist nur die "normalen" Sicherungen (in Abbildung 2 mit schwarzen Hebeln) aus.

Je nach Schutz gegen verschiedene Stromarten unterscheidet man verschiedene Typen von Fehlerstrom-Schutzschaltern, in der Reihenfolge des zunehmenden Schutzniveaus genannt:

• Typ AC hilft nur gegen sinusförmige Wechselströme.
• Typ A detektiert auch pulsierende Gleichfehlerströme, z. B. bei Verwendung von einfachen Gleichrichtern ohne Glättungskondensator.
• Typ F detektiert zusätzlich auch Fehlerströme unterschiedlicher Frequenzen. Er ist für Haushalte recht gebräuchlich.
• Typ B arbeitet zusätzlich auch für glatte (nicht pulsierende) Gleichfehlerströme. Er ist z. B. für DC-Ladegeräte für Elektroautos nötig.
• Der leistungsfähigste Typ B+ erkennt auch höherfrequente Wechselfehlerströme.

Differenzstromschutzschalter sind ähnliche Sicherheitseinrichtungen, die eine eigene Spannungsquelle verwenden. Sie können im Prinzip noch genauer arbeiten, aber u. U. einem höheren Ausfallrisiko ausgesetzt.

Manchmal werden unterschiedliche Schutzschalter in Reihe verwendet, wobei der übergeordnete dann mit einer gewissen Zeitverzögerung arbeiten kann, sodass er nur bei Versagen der anderen Einrichtungen auslöst. In manchen Fällen kann eine kurze Zeitverzögerung auch sinnvoll sein, um ungewollte Auslösungen etwa bei Schaltvorgängen zu vermeiden – dies gilt insbesondere in einem industriellen Umfeld. Die genauen Vorschriften des Einsatzes sind selbstverständlich von einer ausgebildeten Fachperson zu befolgen.

Fehlerstrom-Schutzschalter werden häufig auch mit anderen Sicherungseinrichtungen kombiniert, insbesondere mit Leitungsschutzschaltern. Wenn jeder einzelne Leitungsschutzschalter separat damit ausgerüstet wird, hat dies den Vorteil, dass ungewollte Fehlauslösungen nur einen relativ kleinen Bereich im Gebäude betreffen. Häufig verwendet man aber aus Kostengründen einen Fehlerstrom-Schutzschalter, der für die Stromkreise mehrerer Leitungsschutzschalter zuständig ist.

Ungewollte Auslösungen

Leider kommt es gelegentlich vor, dass Fehlerstrom-Schutzschalter ungewollt auslösen, ohne dass ein tatsächliches Sicherheitsproblem vorliegt:

• Bestimmte Geräte verursachen häufig solche Probleme – beispielsweise Frequenzumrichter mit Pulsweitenmodulation (PWM) für Elektromotoren, die v. a. wegen Benutzung von mit dem Schutzleiter verbundenen Filterkondensatoren unerwünschte, aber schwer vermeidbare Ableitströme erzeugen. Hier verzichtet man dann manchmal auf die Verwendung von Fehlerstrom-Schutzschaltern.

• Fehler in Elektroinstallationen, die auch nachträglich bei Erweiterung der Elektrik eingeführt werden können, sind manchmal für solche Probleme verantwortlich. Ein typischer Fall ist, dass in einem TN-S-System irgendwo eine nicht erlaubte elektrische Verbindung zwischen Neutralleiter und Schutzleiter gemacht wird. Dies kann einerseits Fehlauslösungen verursachen, andererseits aber eine verschlechterte Reaktion auf tatsächlich bedenkliche Fehlerströme. Nicht immer sind solche Installationsfehler leicht auffindbar, da deren Auswirkungen oft überraschend an anderen Stellen auftreten.
• Eine andere Möglichkeit sind kapazitive Ableitströme, die beispielsweise bei elektrischen Fußbodenheizungen mit ihren ausgedehnten Leitungen auftreten können.
• Eher selten werden Fehlauslösungen durch äußere Einflüsse wie Überspannungen verursacht, die etwa von Blitzeinschlägen erzeugt werden können, oder durch starke magnetische Einflüsse anderer Installationen.

Häufig ist es nicht einfach, die tatsächliche Ursache ausfindig zu machen oder auch nur zu bewerten, inwieweit die beobachteten Auslösungen auf ein tatsächliches Sicherheitsproblem hindeuten. Auch eine erfahrene Fachkraft kann unter Umständen einige Zeit hierfür benötigen.

Bei Schutzschaltern mit höherem Bemessungsstrom und/oder einer gewissen Auslöseverzögerung kommen Fehlauslösungen seltener vor, aber natürlich ist das Schutzniveau auch geringer. Auch hier ist wieder eine gut ausgebildete Fachkraft nötig, um zu beurteilen, welches Gerät oder ggf. welche Zusatzmaßnahmen im Einzelfall sinnvoll sind.

In manchen Fällen verzichtet man bewusst auf die Verwendung von Fehlerstrom-Schutzschaltern, um eine Reduktion der Zuverlässigkeit von Anlagen zu vermeiden. Dies gilt beispielsweise für manche Computer-Anlagen. Die Nachteile durch gelegentliche ungewollte Auslösungen, die lästige Ausfälle verursachen würden, wiegen hier oft schwerer als ein geringfügiger Sicherheit-Nachteil im Zusammenhang mit Fehlerströmen.

Anwendung in Wohngebäuden

In Wohngebäuden mit älterer Elektrik findet man häufig keinerlei Fehlerstrom-Schutzschalter, in Gebäuden mit neuerer Elektrik dagegen häufig, und zwar am meisten für besonders sensitive Räume, etwa Badezimmer und Küchen. Für Badezimmer sind sie in Deutschland bei Neuinstallationen und Sanierungen schon seit vielen Jahren vorgeschrieben, seit etlichen Jahren sogar in viel breiterem Umfang. Besonders sinnvoll sind diese Einrichtungen auch für den Anschluss von Geräten im Außenbereich, etwa bei Verwendung von elektrischen Heckenscheren und Rasenmähern; gerade dort besteht nämlich eine besondere Gefahr der Beschädigung einer Kabelisolation.

Eine nachträgliche Installation wird im allgemeinen vom Staat nicht gefordert, auch wenn sie hier und da durchaus sinnvoll wäre. Eine Nachrüstpflicht besteht jedoch unter bestimmten Umständen, beispielsweise bei Nutzungsänderungen, bei in die Substanz eingreifenden Sanierungen und natürlich, wo konkret eine Gefahr für Personen oder Sachwerte besteht. Außerdem könnte es zukünftig neue Rechtsverordnungen geben, die die Nachrüstpflichten ausweiten.

Siehe auch: elektrische Stromstärke, Steckdose, Phase, Neutralleiter, Schutzleiter, PEN-Leiter, TN-System