Zusammenfassung: Theoretische Grundlagen von Fehlerstromschutzschaltern (FI-Schaltern); „Reststromprinzip“ des Fehlerstroms; Anwendung des „Endstufen-Schutzprinzips“; Prinzip der Betriebsführung und Qualitätsüberwachung; technische Missverständnisse von FI-Schalteranwendern. Schlüsselwörter: Kirchhoffsches Stromgesetz; Ampèresches Stromgesetz; Fehlerstromwandler; technische Missverständnisse bezüglich FI-Schaltern. I. Überblick Es gibt zahlreiche Diskussionen über Fehlerstromschutzschalter (FI-Schalter), deren Kernpunkte wie folgt zusammengefasst werden: Funktionsgrenzen von FI-Schaltern; Auslöseversagen von Fehlerstromschutzschaltern; Fehlfunktionen des Schutzschalters; häufiges Auslösen des Fehlerstromschutzschalters; technische Missverständnisse bezüglich Fehlerstromschutzschaltern. Es ist unwahrscheinlich, dass die Probleme häufiger Auslösungen und Funktionsstörungen von Fehlerstromschutzschaltern (FI-Schaltern) allein durch deren technisches Konzept gelöst werden können. Die praktischen Auswirkungen der Anwendung von FI-Schaltern lassen sich wie folgt beschreiben: „Im Zuge der Modernisierung der beiden Stromnetze wurden Fehlerstromschutzschalter flächendeckend eingesetzt. Einige Jahre später wurde deutlich, dass die Beschädigung dieser Schalter und deren absichtliche Deaktivierung gravierende Probleme darstellen. Stromausfälle und Sicherheitsrisiken bestehen weiterhin. Die Gründe hierfür sind vielfältig, die unmittelbare Ursache liegt jedoch in den häufigen Auslösungen und Funktionsstörungen der Schalter. Dies beeinträchtigt die normale Stromversorgung erheblich und führt dazu, dass Verantwortliche und Verbraucher das Vertrauen in die Schalter verlieren und diese sogar ganz meiden.“ „Bei der Umsetzung der beiden Stromnetzsanierungsprojekte wurden Fehlerstromschutzschalter (FI-Schalter) in großem Umfang eingesetzt. Die Praxis hat gezeigt, dass der Einsatz dieser Schutzschalter die Zahl der Stromschlagverletzungen und -todesfälle deutlich reduziert und zudem zur Überwachung des Isolationsniveaus der Leitungen beigetragen hat, was zu erheblichen Sicherheitsvorteilen geführt hat. Nationale und internationale Erfahrungen haben gezeigt, dass die Installation von Schutzschaltern in Niederspannungsnetzen eine wirksame Schutzmaßnahme gegen Stromschlagverletzungen, Brände und Schäden an elektrischen Geräten darstellt.“ „FI-Schalter können Erdschlüsse im Schutzstromkreis sehr empfindlich abschalten und dienen auch als zusätzlicher Schutz gegen direkten Kontaktstromschlag. Dies hat sich im praktischen Einsatz von FI-Schaltern in meinem Land über die Jahre bewährt. Bei der weiteren Verwendung von FI-Schaltern sollten jedoch deren Schwächen beachtet werden.“ … Kurz gesagt, die Meinungen gehen auseinander, es gibt unterschiedliche Standpunkte, Lob und Kritik, manchmal widersprüchliche, manchmal übereinstimmende. Wer hat Recht und wer hat Unrecht? Wenn Recht, wo liegt das Recht? Wenn Unrecht, wo liegt das Unrecht? … II. Theoretische Grundlagen von Fehlerstromschutzschaltern (FI-Schaltern): Betrachten Sie den internen Aufbau und die Einbauposition des FI-Schalters genau: Die Seite, an der die Leitung ein- und austritt, ist die Stromversorgung, die andere Seite ist die Last (d. h. die geschützte Seite). Die für den Betrieb der Last benötigte Phase und der Neutralleiter müssen durch einen weichmagnetischen Ring mit einer Induktionsspule geführt werden. In komplexen Stromkreisen wird der Schnittpunkt mehrerer Zweige als Knoten bezeichnet. Das Kirchhoffsche Knotengesetz besagt, dass die algebraische Summe der Ströme in allen Zweigen um einen Knoten immer null ist, ∑I = 0. Anders ausgedrückt: Die algebraische Summe der Ströme in einigen Zweigen um einen Knoten ist immer gleich der algebraischen Summe der Ströme in den übrigen Zweigen. Betrachtet man die vom Fehlerstromschutzschalter (FI-Schalter) geschützte Last und das Leitungssystem als „Knotenpunkt“, so entspricht die algebraische Summe der Ströme in einigen Zweigen dieses „Knotenpunkts“ (d. h. den für den Betrieb der Last erforderlichen Phasen- und Neutralleitern) exakt der algebraischen Summe der Ströme in den übrigen Zweigen (Erdungs- und Ableitstromzweige). Vereinfacht ausgedrückt: Die algebraische Summe der Ströme in allen Phasen- und Neutralleitern der Last und des Leitungssystems entspricht exakt dem Erdungs- und Ableitstrom des Systems zu diesem Zeitpunkt: ∑I_Phase、I_Neutral = I_Ableitstrom. Dies ist die theoretische Grundlage für die Fähigkeit des FI-Schalters, zufällig auftretende Erdungs- und Ableitfehler empfindlich und sofort zu erkennen. Das Ampèresche Gesetz besagt, dass das Linienintegral des magnetischen Feldstärkevektors H entlang eines beliebigen geschlossenen Pfades gleich der algebraischen Summe der Ströme ist, die durch die von diesem Pfad umschlossene Fläche fließen, d. h. ∮Hdl = ∑l (Amperesches Gesetz). Der weichmagnetische Ring mit einer im Inneren des Fehlerstromschutzschalters (RCD) gewickelten Induktionsspule bildet eine geschlossene Ampèresche Schleife. Die Summe der Phasen- und Neutralleiterströme, die durch die von der Schleife umschlossene Fläche fließen, ergibt den magnetischen Fluss innerhalb des weichmagnetischen Rings. Dieser Fluss ist exakt gleich dem magnetischen Fluss, der durch den Erdschlussstrom im Verbraucher und im Stromkreis erzeugt wird. Die Größe der induzierten elektromotorischen Kraft und des induzierten Stroms in der Induktionsspule des weichmagnetischen Rings sind direkt proportional zum Erdschlussstrom. Daher spricht man von einem Fehlerstromwandler und nicht von einem Nullstromwandler. Liegt kein Erdschlussfehler im Verbrauchersystem vor, fließt kein Fehlerstrom. Daher ist die algebraische Summe des Phasenstroms und des Neutralleiterstroms des betreffenden Lastsystems stets null. Selbst bei Kurzschlüssen, Überlastungen, Phasenausfällen, Unterspannungen, Spannungsausfällen oder Überströmen zwischen den Phasenleitungen oder zwischen Phasenleitungen und Neutralleiter ist die algebraische Summe aller Betriebs- und Fehlerströme, die durch den Fehlerstromschutzschalter (FI-Schalter) fließen, immer null. Der magnetische Fluss im weichmagnetischen Ring des FI-Schalters ist null, und die induzierte elektromotorische Kraft in seiner Induktionsspule ist ebenfalls null. Der FI-Schalter löst nicht aus. Daher bietet der FI-Schalter keinen Schutz gegen Kurzschlüsse, Überlastungen, Unterspannungen oder Phasenausfälle. Aus diesem Grund wird er als Fehlerstromschutzschalter (FI-Schalter) bezeichnet. Moderne Leistungsschalter sind mit Fehlerstromwandlern ausgestattet, die nicht nur Schutz gegen Kurzschlüsse, Überlastungen, Unterspannungen und Überströme, sondern auch Schutz vor Erdschlüssen bieten. III. Das „Reststromprinzip“ des Fehlerstroms. Das Prinzip für die Installation und Verwendung von Fehlerstromschutzschaltern (FI-Schaltern) ist das „Reststromprinzip“ des Fehlerstroms. Die zu schützenden Knotenpunkte der Lastgeräte und Stromkreise müssen so beschaffen sein, dass alle Betriebsstromkreise, wie z. B. die Phasen- und Neutralleiterströme (N), durch den Magnetring des Fehlerstromschutzschalters (FI-Schalter) verlaufen. Die Schutzleiterleitung (PE), die Prüfstromkreise und die Fehlerstromkreise gelten als Reststromkreise und dürfen nicht durch den FI-Schalter fließen. Beispielsweise darf die Betriebsleiterleitung (N) auf der Lastseite des FI-Schalters keine doppelte Erdung aufweisen, und die Schutzleiterleitung (PE) darf nicht in den FI-Schalter münden. Viertens gilt das Prinzip der „sachgerechten Auswahl“: FI-Schalter erkennen Fehlerströme sofort, punktgenau und ohne Totzonen und zeichnen sich durch eine hohe Empfindlichkeit und kurze Abschaltzeit aus. Daher tragen FI-Schalter, sofern sie sachgerecht ausgewählt, korrekt installiert und verwendet werden, wesentlich zum Schutz von Personen, zur Vermeidung von Stromschlägen und zur Verhinderung von Bränden bei. Wird der Grundsatz der wissenschaftlichen und sachgemäßen Auswahl missachtet und werden Fehlerstromschutzschalter (FI-Schalter) unsachgemäß verwendet, kommt es zu Fehlfunktionen und häufigen Auslösungen. Dies verursacht häufige und großflächige Stromausfälle, beeinträchtigt die Sicherheit, Stabilität und Zuverlässigkeit der Stromversorgung und stört den normalen Betrieb und das tägliche Leben, was natürlich zu Unannehmlichkeiten führt. Der Staat hat eine Reihe von Normen und Vorschriften erlassen, darunter die „Vorschriften zur Sicherheitsüberwachung von Fehlerstromschutzschaltern“ (Arbeitsschutzdokument Nr. 16 (1999)) und die „Installation und der Betrieb von Fehlerstromschutzschaltern (GB13955-92)“. Bei der Auswahl von Fehlerstromschutzschaltern (FI-Schaltern) sind folgende Hauptprinzipien zu beachten: 1. FI-Schalter sind von Herstellern mit Produktionsqualifikationen zu beziehen, um sicherzustellen, dass die Produkte die Qualitätsprüfung bestanden haben. 2. Die Parameter Versorgungsspannung, Auslösestrom, Ableitstrom und Auslösezeit des FI-Schalters sind anhand des Schutzbereichs, der Anforderungen an die Personen- und Gerätesicherheit sowie der Umgebungsbedingungen zu bestimmen. 3. Bei Verwendung von Fehlerstromschutzschaltern (FI-Schaltern) für abgestufte Schutzschaltungen muss die Selektivität der oberen und unteren Schutzstufen gewährleistet sein. 4. Handgeführte Elektrowerkzeuge (außer Schutzklasse III), tragbare Haushaltsgeräte (außer Schutzklasse III), andere tragbare elektromechanische Geräte und elektrische Geräte mit hohem Stromschlagrisiko müssen mit FI-Schaltern ausgestattet sein. 5. Elektrische Geräte auf Baustellen und in Bereichen mit temporärer Verkabelung müssen mit FI-Schaltern ausgestattet sein. Dies ist in der „Technischen Spezifikation für temporäre elektrische Sicherheit auf Baustellen“ (JGJ46-88) ausdrücklich vorgeschrieben. 6. Fehlerstromschutzschalter (FI-Schalter) müssen auch in Steckdosenstromkreisen in Regierungsgebäuden, Schulen, Unternehmen und Wohngebäuden sowie in Gästezimmern von Hotels, Restaurants und Pensionen installiert sein. 7. Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen (FI-Schalter) müssen zum Schutz von Stromleitungen und Geräten in Wasser sowie in feuchten, heißen, metallreichen und anderen stark leitfähigen Umgebungen eingesetzt werden. Dies gilt beispielsweise für Arbeitsplätze in der Metall-, Maschinenbau-, Textil-, Elektronik- und Lebensmittelindustrie sowie für Kessel-, Pumpen-, Kantinen-, Sanitär- und Krankenhausräume. 8. Für fest installierte elektrische Geräte und den normalen Produktionsbetrieb sind Verteilerkästen mit FI-Schaltern zu verwenden. Temporär genutzte kleine elektrische Geräte sollten mit FI-Schutzschaltern (Steckern/Steckdosen) oder FI-Schutzschalter-Verteilern ausgestattet sein. 9. Wird ein FI-Schalter als zusätzlicher Schutz zum direkten Kontaktschutz (jedoch nicht als alleiniger direkter Kontaktschutz) verwendet, ist ein hochempfindlicher, schnell ansprechender FI-Schalter zu wählen. In normalen Umgebungen sollte der Auslösestrom 30 mA und die Auslösezeit 0,1 s nicht überschreiten. Diese beiden Parameter gewährleisten, dass im Falle eines Stromschlags keine gesundheitsschädlichen Folgen entstehen. In Bereichen wie Badezimmern und Schwimmbädern sollte der Bemessungsauslösestrom des Fehlerstromschutzschalters (FI-Schalter) 10 mA nicht überschreiten. In Situationen, in denen nach einem Stromschlag Folgeunfälle auftreten können, ist ein FI-Schalter mit einem Bemessungsauslösestrom von 6 mA zu wählen. 10. Für elektrische Geräte, bei denen eine Stromunterbrechung nicht zulässig ist, wie z. B. Stromversorgungen für die Beleuchtung öffentlicher Durchgänge, Notbeleuchtung, Feuerlöschanlagen und Einbruchmeldeanlagen, sind FI-Schalter mit Alarmfunktion zu verwenden, die akustische und optische Alarmsignale auslösen und das zuständige Personal umgehend über den Fehler informieren. Manche Menschen überbrücken oder entfernen den FI-Schalter, anstatt die Ursache für dessen Auslösung sorgfältig zu untersuchen. Dies ist extrem gefährlich und absolut inakzeptabel. V. Das Prinzip des „Endstufenschutzes“ zielt darauf ab, eine sichere Stromnutzung zu gewährleisten, Stromschlagunfälle zu reduzieren und die Zuverlässigkeit des Stromnetzes zu verbessern. Dies ist eine umfassende Anforderung an den Fehlerstromschutzschalter. Es wird empfohlen, die Installations- und Betriebsrate von Endstufen-FI-Schaltern zu erhöhen und das Prinzip des „Endstufenschutzes“ umzusetzen. Das Hauptziel ist die Verhinderung von Stromschlägen durch direkten Kontakt. Jede Sekundärschutzeinrichtung hat einen kleinen Schutzbereich und beeinträchtigt andere Nutzer nicht. Der Sekundärschutz dient entweder dem Gesamtschutz des Systems oder dem Schutz einzelner Leitungen. Der Schutzbereich umfasst die Haupt- (oder Abzweig-)leitungen, Hausanschlussleitungen und Hausanschlussleitungen des Niederspannungsnetzes. Es wird empfohlen, den Bemessungsableitstrom des vorgelagerten Fehlerstromschutzschalters um das 2,5- bis 3-Fache des nachgelagerten Pegels zu erhöhen und die Ansprechzeit des vorgelagerten Fehlerstromschutzschalters um eine Schaltstufe (ca. 0,1 bis 0,2 Sekunden) zu verlängern. VI. Prinzip der Betriebsführung und Qualitätssicherung: Da elektrische Produkte der obligatorischen nationalen Sicherheitszertifizierung unterliegen, beeinflusst die Qualität von Fehlerstromschutzschaltern unmittelbar die Sicherheit von Leben und Eigentum der Nutzer. Daher ist es unerlässlich, die Qualitätsüberwachung von Fehlerstromschutzschaltern zu verstärken und umzusetzen, ein dynamisches Management zu implementieren, das Qualitätsbewusstsein von Herstellern und Betreibern zu verbessern und zu verhindern, dass minderwertige und gefälschte Produkte in das Niederspannungsnetz gelangen. Für den Betrieb und die Verwaltung von Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen (FI-Schutzeinrichtungen) sollte, wo die Bedingungen es zulassen, eine einheitliche Beschaffung und Installation erfolgen. Dazu gehören die Einrichtung von Haushaltsakten, in denen die für den Betrieb verantwortliche Person klar benannt und mit Prüfprotokollen für die Auslösungen ausgestattet wird. Diese Protokolle müssen die Inbetriebnahmebedingungen, die Bedingungen für regelmäßige Prüfauslösungen, Auslösungen während des Betriebs, die Wiederherstellungszeit der Stromversorgung, die Fehlerursachen und anormale Zustände genau dokumentieren. VII. Kurze Analyse „Technische Missverständnisse über FI-Schutzeinrichtungen“: Lastgeräte und -leitungen weisen stets verteilte Kapazitäten und Induktivitäten gegenüber der Umgebung und der Erde auf. Hinzu kommen elektromagnetische Induktion und elektromagnetische Strahlung, die durch Oberschwingungen nichtlinearer Lasten erzeugt werden. All dies kann zu einem normalen, nicht fehlerbedingten Ableitstrom im Stromversorgungs- und Verbrauchersystem führen. Noch problematischer ist die Unsicherheit hinsichtlich seiner Größe, da diese mit Umweltfaktoren wie Temperatur und Klima variiert. Dieser Ableitstrom ist im vom FI-Schutzschalter erfassten Fehlerstrom verborgen, lässt sich nicht beseitigen und verursacht ständige Probleme. Beispielsweise erleben viele Menschen nach Hausrenovierungen, dass der FI-Schutzschalter auslöst, den Leitungsschutzschalter am Schließen hindert und die Stromversorgung durch manuelles Deaktivieren des FI-Schutzschalters wiederhergestellt werden muss. Der Grund dafür ist, dass die Feuchtigkeit im Raum den Ableitstrom erhöht. Insbesondere häufiges Auslösen von Fehlerstromschutzschaltern (FI-Schaltern) in Haupt- und Abzweigleitungen hat zu großflächigen Stromausfällen geführt, ohne dass anschließend ein offensichtlicher Fehler gefunden wurde. Die Ursache wird oft dem sich ständig ändernden und plötzlich ansteigenden Ableitstrom des Systems zugeschrieben. Dieser unvorhersehbare Ableitstrom stellt unüberwindbare Schwierigkeiten für die praktische Anwendung von FI-Schaltern dar. Die Erfahrung zeigt die Richtigkeit des Prinzips des „letzten Schutzes“ für FI-Schalter. In einem TN-C-Stromversorgungssystem teilen sich der Arbeitsleiter (N) und der Schutzleiter (PE) einen einzigen Neutralleiter, der durch den FI-Schalter verläuft. Wenn ein Gerät ohne Last einen Ableitstrom erzeugt, entsteht ein Kurzschlussstrom zwischen Phase und Null, der die Sicherung auslöst, der empfindliche FI-Schalter jedoch nicht auslöst. Das ist absurd! Tatsächlich liegt dies nicht am FI-Schalter selbst, sondern an der Unkenntnis des Installateurs. Die korrekte Installationsmethode sollte wie folgt aussehen: Am dreiphasigen Vierleiter-Hausanschluss muss zunächst der Neutralleiter wiederholt geerdet werden; Ziehen Sie dann einen separaten Schutzleiter (PE) vom wiederholten Erdungspunkt ab, unabhängig vom Arbeitsneutralleiter (N). Dadurch wird die Versorgungsleitung auf ein dreiphasiges Fünfleiter-Stromversorgungssystem (TN-C-S-System) umgerüstet. Bei einphasigen Hausanschlüssen verwenden Sie drei Leiter, und der Schutzleiter (PE) darf nicht durch den FI-Schutzschalter (RCD) geführt werden. Dies verhindert die zuvor beschriebene Problematik. (Viele langjährige Bewohner von Keshiketeng haben immer noch Probleme mit ihren FI-Schutzschaltern.) Ein weiteres Problem tritt im TN-C-Stromversorgungssystem auf: Wiederholte Erdung auf der Lastseite nach dem FI-Schutzschalter führt zu unerklärlich häufigen FI-Schutzschalterauslösungen und Stromausfällen, was die Produktion und den Alltag stark beeinträchtigt. Dies liegt daran, dass bei dieser Anschlussart der wiederholte Erdungsstrom vom externen System auf der Versorgungsseite des FI-Schutzschalters zu einem Fehlerstrom über die interne Erdungselektrode auf der Lastseite des FI-Schutzschalters wird. Die Lösung ist dieselbe wie oben beschrieben. Im TN-S-System führt wiederholtes Erden des Neutralleiters N auf der Lastseite nach dem FI-Schutzschalter ebenfalls zu dem oben genannten Ergebnis. Die Lösung besteht darin, den Schutzneutralleiter wiederholt zu erden. Wird im TN-S-System der Neutralleiter N als Schutzneutralleiter PE auf der Lastseite nach dem FI-Schutzschalter verwendet oder werden die Schutzneutralleiter PE und N vertauscht, führt dies zu häufigen FI-Schutzschalterauslösungen und verhindert das Schließen des Leitungsschutzschalters. Dies liegt daran, dass diese Anschlussart den Betriebsstrom in Fehlerstrom umwandelt und dadurch den FI-Schutzschalter auslöst. Wie bereits erwähnt, gibt es technische Missverständnisse unter Anwendern bezüglich FI-Schutzschaltern, jedoch kein „technisches Missverständnis von FI-Schutzschaltern“. Referenzen: 1. GBJ232-82, Code for Installation and Acceptance of Electrical Installations [S] 2. JGJ/16-92, Code for Electrical Design of Civil Buildings [S] 3. GB6829, General Requirements for Residual Current Operated Protective Devices; 4. GB13955, Installation und Betrieb von Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen; 5. GB14287, Elektrische Brandmeldeanlagen; 6. JB8755, Tragbare Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen;