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FI-Schalter
Im Sommer 2011 half ich beim Ausbau eines Kellerraumes zu einer Küche. Dabei sollte die vorhandene Elektroinstallation verbessert werden. Zum Schutz vor Stromschlägen beim Betrieb einer Waschmaschine, eines Trockners, eines Geschirrspülers und von Geräten an einer Außensteckdose sollte ein einphasiger FI-Schutzschalter vom Typ A mit einem Bemessungsfehlerstrom 30 mA und einem Bemessungsstrom von 40 A installiert werden. FI-Schutzschalter vom Typ A bieten Schutz vor sinusförmigen Wechselströmen und pulsierenden Gleichströmen. FI-Schutzschalter vom Typ B schützen sowohl bei reinen Gleich-, pulsierenden Gleich- als auch bei Wechselfehlerströmen bis zu 1 MHz- sie sind allstromsensitiv. Ein FI-Schalter enthält einen Stromwandler, durch den alle stromführenden Außenleiter (L-Leiter, Phase) zu den Geräten und ein gemeinsamer Nullleiter (N-Leiter) zur Stromrückführung geführt sind. Wenn alles in Ordnung ist, dann ist die vorzeichenbehaftete Summe der Hinströme und der Rückströme Null. Wird in einem Stromzweig nach dem FI-Schalter ein Fehlerstrom größer dem Bemessungsfehlerstrom gegen die Erde abgeleitet, dann löst der FI-Schalter aus, indem er die Stromführung zu den Geräten über die L-Leiter und über den gemeinsamen N-Rückleiter unterbricht. Wenn an einem FI-Schalter eine Prüftaste T betätigt wird, dann wird der Bemessungsdifferenzstrom ebenfalls überschritten und der FI-Schalter löst aus.
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In dem Kellerraum waren bereits ein Unterverteilerkasten mit dem FI-Schalter, Leitungsschutzschalter (LS-Schalter, Sicherung) für die Geräte und die Außensteckdose installiert. Die Stromkreise für die Waschmaschine und die Außensteckdose waren bereits fertig verdrahtet. An einer Steckdose war bereits die Waschmaschine in Betrieb. Als nächstes sollte eine Steckdose für den Trockner installiert werden. Am Aufstellort für den Trockner war bereits eine Hohlwanddose gesetzt und eine Leitung vom Unterverteiler zur Hohlwanddose gelegt. Die Leitung ragte aus der Hohlwanddose heraus und musste abgelängt und abisoliert werden. Vor dem Abtrennen der Leitung mit einem Saitenschneider überprüfte ich, dass der LS-Schalter für den Trockner auf "Aus" geschalten war. Sicherheitshalber prüfte ich noch mit einem Spannungsprüfer, ob der schwarze L-Leiter am dosenseitigen Leitungsende tatsächlich spannungsfrei war. Nach dem Durchtrennen der Leitung war ich sehr überrascht, dass der FI-Schalter auslöste. Das war der Zeitpunkt, an dem ich eine Pause einlegte und mich näher mit der Funktion des FI-Schalters beschäftigte.
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Warum hat der FI-Schalter ausgelöst, trotzdem der L-Leiter spannungsfrei war? Die Schneiden des Saitenschneiders bestehen aus gut leitendem Metall. Wenn beim Trennen der Leitung der blaue N-Leiter und der grüngelbe Schutzleiter (PE-Leiter) durch die Schneiden gebrückt werden, dann fließt ein Teil des Rückstromes der Waschmaschine vom blauen N-Leiter nicht durch den Stromwandler sondern über den grüngelben PE-Leiter zur Erde ab. Wenn dieser Fehlerstrom 30 mA überschreitet, dann löst der FI-Schalter im Millisekundenbereich aus. So gesehen hat der FI-Schalter genau das getan, wofür er installiert wurde. Nun erhebt sich noch die Frage, ob man den blauen N-Leiter berühren dürfte, wenn er den Rückstrom für die Waschmaschine führt? Wenn alles i.O. ist, dann ist der N-Leiter an einer Stromverteilungsstation des Energieversorgers geerdet, d.h., er führt das Potential "Null" des PE-Leiters. Der Widerstand eines den N-Leiter berührenden Menschen gegen Erde ist so groß, dass über den Menschen kein gefährlicher Strom fließen kann, auch dann, wenn der N-Leiter eine Fehlerspannung weniger als 25V Effektivwert führen würde. Anders wäre es, wenn im Fehlerfall der N-Leiter unterbrochen wäre. Dann kann der N-Leiter über das an den L-Leiter angeschlossene Gerät mit 230 V spannungsführend sein. Übersteigt bei einer Berührung des N-Leiters der Strom über den Menschen zur Erde 30 mA, sollte auch in diesem Fall der FI-Schalter auslösen. Was lehrt uns das: Arbeite niemals ohne Sachkenntnis an spannungsführenden Teilen, die auf einem Potential > 25 V gegen Erde liegen!
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FI-Schalter-Funktion
Ein Endverbraucher erhält Elektroenergie aus dem Niederspannungsnetz. Bei dem in Deutschland weit verbreiteten TN-C-S-Verteilernetz sind ausgehend von einer Trafostation vier Leiter zu einem Hausanschlusskasten geführt. Neben drei Außenleitern L1, L2, L3 (früher: R, S, T) ist dies ein PEN-Leiter (Neutralleiter N und Schutzleiter PE kombiniert). In der Trafostation ist der Neutralleiter mit einem Betriebserder RB verbunden. In der Hausanlage wird der PEN-Leiter mit dem Anlagenerder RA verbunden. Der PEN-Leiter wird in einen PE- und N-Leiter aufgesplittet, die getrennt zu den Verbrauchern geführt werden. Die Außenleiter bilden drei um 120° phasenverschobene, sinusförmige Wechselspannungsquellen mit jeweils 230 V Effektivwert und einer Frequenz von 50 Hz in Bezug auf den Neutralleiter. Zwischen zwei Außenleitern besteht eine Spannung von 400 Veff.
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Nach de.wikipedia.de waren es der italienische Hobbyphysiker Romagnosi und später der dänische Physiker Oersted, die herausfanden, dass eine Kompassnadel durch einen stromdurchflossenen Leiter abgelenkt wird. Das beruht darauf, dass jeder von Gleichstrom durchflossene Leiter von einem Magnetfeld umgeben ist, das mit dem Magnetfeld der Kompassnadel in Wechselwirkung tritt. Es wurde festgelegt, dass die Magnetfeldlinien den Leiter im Uhrzeigersinn umschließen, wenn man in die Richtung des Stromes blickt. Wird der Leiter zu einer Spule aufgewickelt, dann bildet sich im Inneren der Spule ein näherungsweises homogenes Magnetfeld, in dem die magnetische Feldstärke in allen Punkten gleich ist.
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Als Summenstromwandler eines einphasigen FI-Schalters wird ein Ringkern verwendet, auf dem zwei Primärwicklungen mit gleicher Windungszahl N1 = N2 und gleichem Wicklungsinn und eine Sekundärwicklung N3>N1, N2 aufgebracht sind. Ein Ende der ersten Primärwicklung N1 ist mit einem der Außenleiter L1 des Niederspannungsnetzes und das andere Ende mit mindestens einem Verbraucher, wie z.B. einer Waschmaschine, verbunden. Ein Ende der zweiten Primärwicklung N2 ist ebenfalls mit dem Verbraucher und das andere Ende mit dem Neutralleiter N verbunden. Ist ein Verbraucher eingeschaltet, dann fließt ein Strom I1 durch die erste Primärwicklung N1 zum Verbraucher hin und ein entgegen gerichteter Strom |-I2| = I1 über die zweite Primärwicklung N2 zurück zur Quelle (Trafostation) . Die Ströme I1, I2 erzeugen im Ringkern magnetische Potentialdifferenzen bzw. Durchflutungen. Entsprechend dem Querschnitt A des Ringkerns und der spezifischen Durchlässigkeit (Permeabilität) des Ringkernwerkstoffes stellen sich entgegen gerichtete Magnetflüsse ein. Den Magnetfluss bezogen auf die Querschnittfläche A bezeichnet man als Flussdichte bzw. magnetische Induktion B. Die von den Strömen I1 = I2 hervorgerufenen Induktionen B1, B2 heben sich auf: B1-B2 = 0. Wenn im Stromzweig zum Verbraucher nach dem Ringkern ein Fehlerstrom Id auftritt, dann ist der Strom I2 im Rückleiter um den Fehlerstrom Id vermindert. Es gilt: I1 = I2 + Id. Ein Fehlerstrom Id kann durch einen Masseschluss eines Stromführenden Leiters zur Erde fließen oder über einen Menschen zur Erde abfließen, wenn er ein spannungsführendes Teil eines Verbrauchers berührt. Ungleiche Ströme I1, I2 in den Primärwicklungen bedingen eine magnetische Induktion B = B1 - B2 <> 0. Bei dem Summenstrom Id handelt es sich ebenfalls um einen Wechselstrom, der im Ringkern einen mit 50 Hz schwankende magnetische Induktion B induziert. In einer zusätzlich auf dem Ringkern angeordneten Meßwicklung N3 wird eine elektrische Spannung induziert, die der Änderungsgeschwindigkeit des Magnetflusses proportional ist. Übersteigt der Fehlerstrom Id den Bemessungsfehlerstrom (30 mA), dann wird durch die in der Meßwicklung induzierte Spannung im Millisekundenbereich eine Auslösemechanik betätigt, die die Verbraucher vom Netz trennt.
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Die Funktion eines FI-Schalters habe ich in einem Arbeitsblatt zusammengefasst (ca. 395 kB): [FI-Schalter-Funktion.pdf].
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Von meinem freundlichen Elektriker (Elektro Galm, Eberbach) erhielt ich 9/2012 einen defekten FI-Schalter zum Zerlegen. Es handelte sich um einen 4-poligen FI-Schalter mit einem Bemessungsstrom von 63A und einem Bemessungsfehlerstrom von 300 mA. Die vier Primärwindungen sind mit je einer Wicklung ausgeführt. Die Sekundärwicklung des Summenstromwandlers hatte geschätzt 200 Windungen. Ich habe eine Induktivität von 1,82 H gemessen. Der Ringkern war als Ringbandkern aus einem weichmagnetischen Werkstoff ausgeführt. Die Sekundärwicklung war mittels eines Kondensators (2,2 uF, Tantal) und zweier gegeneinander geschalteter Z-Dioden (8,2 V) mit einer Auslösespule verbunden. Die Sekundärwicklung bildet mit dem Kondensator vermutlich einen Schwingkreis, der auf die Frequenz pulsierender Gleichstromfehlerströme in den Primärwicklungen abgestimmt ist. (Siehe auch hier: [DE3028595A1.pdf] ). Wenn der Bemessungsfehlerstrom überschritten wird, dann wird durch die Auslösespule ein Strom (weniger als 5 mA) getrieben, der ein Magnetfeld erzeugt, welches einem Magnetfeld eines Dauermagneten entgegen gerichtet ist. Während eines Normalbetriebes wird ein federbelasteter Auslösehebel von der Kraft des Dauermagneten gegen einen Anschlag gehalten. Im Fehlerfall wird der Auslösehebel vom Anschlag freigegeben und betätigt mit der Kraft der Feder über einen Stößel einen weiteren Hebel einer komplexen Auslösemechanik, welche die Verbindung zwischen dem Netz und den Verbrauchern trennt.
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