Das Dokument gibt einen umfassenden Überblick über Fehlerstromschutzschalter, deren Aufbaue und Funktion, sowie die Gefahren des elektrischen Stroms. Es behandelt insbesondere die Statistiken zu Elektrounfällen, verschiedene Schutzmaßnahmen, das Verhalten von Strom im menschlichen Körper und die technischen Aspekte von FI-Schutzschaltern. Darüber hinaus werden Ursachen für unerwünschte Auslösungen und verschiedene Bauarten vorgestellt.

1. Grundlagen Schulung
Fehlerstromschutzschalter

2. Überblick
Inhalt
Gefahren des elektrischen Stroms
 Gefahrensituationen
 Elektrounfälle
 Schutzmassnahmen
 Personenschutz
 Brandschutz
Aufbau und Funktion FI
 Funktionsprinzip
 Bestandteile FI-Schutzschalter
 Bauarten FI
Unerwünschte Auslösungen
 durch Installationsfehler
 durch kapazitive Ableitströme
 durch äussere Einflüsse
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3. Überblick
Inhalt
Gefahren des elektrischen Stroms

Warum Fehlerstromschutz?

Gefahrensituationen

Elektrounfälle Statistik

Schutzmassnahmen

Personenschutz

Brandschutz
Aufbau und Funktion FI
Unerwünschte Auslösungen
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4. Gefahren
Warum Fehlerstromschutz?

Heute die Nase, morgen die
Steckdose?

„Strom“ ist mit menschlichen Sinnen
nicht erfassbar: Gefahr !!!

FI-Schutzschalter:

Schutz des Menschen bei direkter
und indirekter Berührung
 Brandschutz
 Hilft, als Zusatzschutz die Anzahl
der tödlichen Elektrounfälle
zu vermindern
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5. Gefahren
Gefahrensituationen
 Indirekte Berührung
 Direkte Berührung
 Brandgefahr
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6. Gefahren
Gefahrensituationen für den Mensch





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Defekt nahe beim Neutralleiter: kaum Fehlerstrom
Fehlerstrom fliesst überwiegend über Erdung des defekten Gehäuses ab: IF2 << IF1
wie  , Leitungsschutzschalter schaltet ab
Schutzleiter unterbrochen: Strom fliesst komplett über den Mensch
Direkte Berührung, Strom fliesst komplett über den Mensch, volle Netzspannung

7. Elektrounfälle
Statistik tödliche Elektrounfälle CH
5-Jahres-Durchschnitte
6
5.2
5.2
4.8
1993 - 2002
4
5.0
4.8
4.6
3.8
3.6
3.4
3.4
3.2
2.8
BU Berufsunfälle
NBU Nichtberufsunfälle
2
1.8
2.0
1.6
1.6
1.2
1.2
0
1993-1997
1994-1998
1995-1999
BU
1996-2000
NBU
BU+NBU
Einwirkung:
94% Durchströmung
6% Flammbogen
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1997-2001
1998-2002

8. Elektrounfälle
Statistik Elektro-Berufsunfälle
* bezogen auf die 1075 Elektro-Berufsunfälle von 1993 bis 2002 (CH)
Einwirkung:
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69% Durchströmung
31% Flammbogen

9. Schutzmassnahmen
Schutzprinzip
Beim Auftreten eines einzigen Fehlers darf keine Gefahr entstehen.


Fehlerschutz
bei 1. Fehler
Zusatzschutz
bei 2. Fehler
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Falls der Basisschutz versagt, sorgt der Fehlerschutz
dafür, dass auch weiterhin keine Gesundheitsgefährdung
durch elektrischen Schlag auftritt.

Basisschutz
Ein Basisschutz schützt gegen direktes Berühren.
Falls auch der Fehlerschutz versagt oder spannungsführende Teile direkt berührt werden, können FehlerstromSchutzeinrichtungen für Zusatzschutz sorgen.

10. Schutzmassnahmen
Ursachen für elektrischen Schlag
Direkte Berührung
Berührung von Teilen,
die betriebsmässig
unter Spannung stehen.
Indirekte Berührung
Berühren von leitfähigen Teilen
(Körper eines Geräts),
die nur infolge eines Fehlers
unter Spannung stehen.
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11. Schutzmassnahmen
Schutz gegen
direktes Berühren
indirektes Berühren

Isolierung aktiver Teile

Hauptpotentialausgleich

Abdeckungen, Umhüllun
gen

Schutzisolierung

Schutztrennung

Hindernisse, Abstand

Abschaltung, Fehlermeld
ung

Schutzkleinspannung

Funktionskleinspannung

Schutzkleinspannung

Funktionskleinspannung


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Abschaltung
zusätzlicher
Potentialausgleich

12. Schutzmassnahmen
Basisschutz: Schutzgrade IP XY
Berührungs- und
Fremdkörperschutz
0
1
2
3
4
5
Eindringen von Wasser
0
kein Schutz
1
Tropfwasser senkrecht
2
Tropfwasser bis 15° Neigung
3
Sprühwasser
4
Spritzwasser
kein Schutz
Handrücken, Ø > 50mm
Finger, Ø > 12.5mm
Werkzeug, Ø > 2.5mm
Draht, Ø > 1mm
4K mit erhöhtem Druck
5 Strahlwasser
staubgeschützt
6
6
staubdicht
DIN EN 60529
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IP 2X
IP XX B
Schutz gegen direktes Berühren
erhöhter Berührungsschutz
Strahlwasser stark
6K mit erhöhtem Druck
7 Untertauchen zeitweilig
8
Untertauchen dauernd
9K Hochdruck- / Dampfstrahl-Reinigung

13. Schutzmassnahmen
Fehlerschutz: Schutzklassen
Klasse
Ausführung
I
Leitende Umhüllung der Körper
mit Schutzleiteranschluss
II
III
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Isolierende Umhüllung
Schutzkleinspannung

14. Personenschutz
Wirkung von Strömen auf den Mensch
Physiologisch
 Muskulatur in Funktion
beeinträchtigt
 Verkrampfen, Nicht-Loslassen
 Bewusstlosigkeit
 Atemstillstand
 Herzstillstand
 Herzkammerflimmern
Physikalisch
 Strommarken an den Eintrittsstellen
 Innere Verbrennungen
 Gerinnung von Eiweiss
(Hämoglobin)
Chemisch
 Zersetzung der Zellflüssigkeit
(bei Gleichstrom)
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15. Personenschutz
Wirkung von Strömen auf den Mensch
abhängig von


Stromart

Frequenz / Signalform

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Widerstand der durchflossenen
Körperteile
(abhängig von Spannung)

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Stromstärke
Einwirkungsdauer

16. Personenschutz
Auswirkung von Körperströmen
Ameisenhaufen
Berührung
Hand-Fuss-Lederschuh
Loslassgrenze
Muskelkrampf
Berührung
Hand-Hand
Herzkammerflimmern / Tod
Glühbirne 100W
Normaler Leitungsschutz
in einer Hausinstallation
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Berührung
grossflächig, nass

17. Personenschutz
Körperstrom AC / Einwirkungszeit

Nicht wahrnehmbar
- keine Reaktion

Wahrnehmbar
- keine Gefahr

Temporär Beschwerden
- Muskelkrämpfe
- Atem / Herz
reversibel, nur solange
Strom einwirkt

Lebensgefahr
- Herzkammerflimmern
- Herzstillstand
- Atemstillstand
- Verbrennungen (>3A)
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18. Personenschutz
Körperstrom AC/DC / EInwirkungszeit

Nicht wahrnehmbar
- keine Reaktion

Wahrnehmbar
- keine Gefahr

Temporär Beschwerden
- Muskelkrämpfe
- Atem / Herz
reversibel, nur solange
Strom einwirkt

Lebensgefahr
- Herzkammerflimmern
- Herzstillstand
- Atemstillstand
- Verbrennungen (>3A)
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19. Personenschutz
Köperwiderstand Verteilung
Angaben in %
bezogen auf
Hand - Fuss
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20. Personenschutz
Körperwiderstand Faustregel
Berührung
RK
400
500 Ω
grossflächig, nass
IK
460
575 mA
Hand Hand
RK
1000
3000 Ω
IK
77
230 mA
Hand - nackte Füsse RK
IK
1200
155
1500 Ω
190 mA
Hand - Füsse -
5000
15000 Ω
15
L
1
L
2
L
3
N
46 mA bei 230V
RK
trockene Lederschuhe IK
P
E
R
R
B
B
R
R
R
E
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| Slide 20
R
B
B
K

21. Brandschutz
Brandschutz
Kriechströme über brennbare Materialien
stellen Brandgefahr dar

Ursache für „unvollkommene“
Kurz- oder Erdschlüsse:


Schmorstellen an Klemmen

Windungsschlüsse (Überlastung, Alterung)

eindringende Feuchtigkeit, Kondenswasser


Isolation defekt
leitfähige Stäube oder Ablagerungen
Entzündung möglich:


über ausreichend lange Zeit,

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freigesetzt in kleinem Volumen (mm3)

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Ab Wärmeleistung 60 .. 100 W,
brennbare Stoffe und O2
in der Nähe.

22. Brandschutz
Brandschutz durch FI
Dauerstrom I
Leistung P
bei U=230 V
Für einen Brand mind. erforderlich:
0.26 A
0.43 A
60 W
100 W
Schutzorgane:
LS-Schalter B/C 16 A
Schmelzeinsatz 10 A
FI mit IΔN = 500 mA
FI mit IΔN = 300 mA
FI mit IΔN = 30 mA
P=U·I
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18 A
15 A
0.5 A
0.3 A
0.03 A
4’140 W
3’450 W
115 W
69 W
6.9 W

23. Funktion FI
Inhalt „Aufbau und Funktion FI“
Gefahren des elektrischen Stroms
Aufbau und Funktion FI

Funktionsprinzip

Bestandteile FI-Schutzschalter
Summenstromwandler
Magnetauslöser
Schaltschloss
Kontakte

Bauarten FI, Einsatzbereiche
Stromformen
Temperatur
Frequenz
Auslösezeiten
elektromechanisch
 elektronisch
Grenzen der FI-Schutzschaltung
Unerwünschte Auslösungen
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| Slide 23

24. Funktion FI
Prinzip Differenzstrom
Durchfluss an
Ein- und
Ausgang ist
gleich gross
Durchfluss
an Ein- und
Ausgang ist
nicht mehr
gleich gross
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| Slide 24
Funktionierender
Apparat:
Zu- und abfliessender Strom
sind gleich gross
Apparat mit
Isolationsdefekt:
Zu- und abfliessender Strom
sind nicht mehr
gleich gross

25. Funktion FI
Funktion der FI-Schutzschaltung





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| Slide 25
Wandler W
Sekundärwicklung A
Magnetauslöser MA
Schaltschloss S
Kontakte

26. Funktion FI
Prüftaste
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| Slide 26

27. Bestandteile
Schnitt FI-Schutzschalter 2-polig
Kontakte
Schaltschloss
(verdeckt)
Magnetauslöser
Wandler inkl.
Wicklungen
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| Slide 27

28. Bestandteile FI
Innenansicht FI-Schutzschalter 4-polig
Prüfkreis
Anschlussklemmen
Primärwindungen
Wandler
Sekundärwindungen
Signalaufbereitung
Magnetauslöser
Schaltschloss
Kontaktträger
(Kontakte verdeckt)
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| Slide 28

29. Bestandteile FI
Summenstromwandler
 Ringkern
 gewickelt aus kristallinem Bandmaterial
 hochwertige, weichmagnetische
Ni-Fe-Legierung
 Umhüllung: lackiert oder in Gehäuse

Primärwicklung
 1 .. 3 Windungen
 Anzahl beschränkt aus Dimensions- und
thermischen Gründen
Kern

Sekundärwicklung
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| Slide 29
Primärwicklung
Sekundärwicklung
 10 .. 1400 Windungen
 Spezielle Ringkernwickelmaschinen

30. Bestandteile FI
MA7 – Bauteile
Feder
Anker-Lager
Stössel
Anker
Spule
Joch links
Permanentmagnet
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| Slide 30
Joch rechts

31. Bestandteile FI
Schaltschloss / Kontakte
MA-Stössel entriegelt
Verklinkung
Kontakte öffnen
Während Abschaltung
wird MA zurückgesetzt
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| Slide 31

32. Bestandteile FI
Kontakte: Allpolige Abschaltung
N unterbrochen
Potentialanhebung
Fehlerstrom
Abschaltung allpolig, auch N
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| Slide 32

33. FI Bauarten
Historie der FI-Schutzschaltung
1928
1951
Aufnahme FI in VDE-Errichtungsbestimmungen
1962
Beginn fabrikmässige Fertigung mit IΔN 0.03A
1963
Erste Baubestimmung für FI (unverändert bis 1981)
1971
Europäische Bau- und Prüfbestimmung für FI
1977
Beginn internationale Bau- und Prüfvorschrift für FI
1981
Vorschrift: FI auch für pulsierende Gleichströme
1985
Vorschrift Erweiterung: Stossstromfestigkeit,
Kurzschlussfestigkeit, Selektivität
1986
Vorstoss, inzwischen zurückgezogen:
Spannungsabhängige FI
1987
Vorschrift für ortsveränderliche FI
1990
| Slide 33
Erste fabrikmässige Fertigung mit IΔN 0.5 .. 3A
1958
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Patentanmeldung (RWE)
Internationaler Standard für FI

34. FI Bauarten
Pulsierende Gleichfehlerströme
C
A
MA
W
Typ A
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35. FI Bauarten
Gleichfehlerströme
Typ B
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36. FI Bauarten
Einsatzbereich Stromformen
Wechselfehlerstrom
Pulsierender Gleichfehlerstrom
angeschnittene Halbwellen
Anschnittwinkel 90
Anschnittwinkel 135
Halbwellen + Gleichstrom 6mA
Glatter Gleichstrom
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Höhere Ströme zugelassen als bei
reinem Wechselfehlerstrom, da
Gefährdung geringer
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37. FI Bauarten
Einsatzbereich Temperatur


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Einsatzbereich ohne weitere Angabe:
- 5 ... + 40 C

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Mit abnehmender Temperatur steigt der
Auslösestrom IΔ an.
Einsatzbereich mit Schneestern
- 25 ... + 40 C

38. FI Bauarten
Einsatzbereich Frequenz
50
Hz
Auslegung FI
60
Hz
Funktion gewährleistet
30
25
IΔ / IΔN
20
15
10
5
0
16 2/3
50
100
200
400
f [Hz]
162/3 Hz
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400
Hz
spezielle Abstimmung für Bahn
spezielle Abstimmung für Flughafen
800
1'600

39. FI Bauarten
Verzögerte FI
Schnellstmögliche Abschaltung
ist nicht immer erwünscht.
G
K
V

Kurzzeitverzögerter FI
FIK
Maximal zulässige Abschaltzeiten eingehalten

Anwendung bei unerwünschten Auslösungen
infolge kapazitiver Ableitströme


Abschaltung wird um min. 10ms verzögert

S

Realisierung: Elektronische Verzögerung
Selektiver FI
FIS


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Längere Abschaltzeit als unverzögerter und
kurzzeitverzögerter FI, kein Personenschutz
Beispiel:
Brandschutz:
gesamte Anlage 300mA
Personenschutz: nur Steckdosen 30mA

40. FI Bauarten
Auslösezeiten
Auslösezeiten [ms]
Fehlerstrom
unverzögert
kurzverzögert
FIK
selektiv
FIS
≤ 0.5 IΔN
keine Ausl.
keine Ausl.
keine Ausl.
0 .. 300
10 .. 300
130 .. 500
2 IΔN
0 .. 150
10 .. 150
60 .. 200
5 IΔN
0 .. 40
10 .. 40
50 .. 150
500 A
0 .. 40
10 .. 40
40 .. 150
≤
1 IΔN
zum Vergleich:
Abschaltzeiten beim Leitungsschutz
≤ 400 ms (Steckdosen)
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| Slide 40
≤ 5000 ms (fest angeschlossen)

41. FI Bauarten
Personenschutz durch FI
5% 50%
10

 

 Nicht wahrnehmbar
- keine Reaktion
LS
1
 Wahrnehmbar
- keine Gefahr
Einwirkungszeit (s)
 Temporär
Beschwerden
FIS
0.1
- Muskelkrämpfe
- Atem / Herz reversibel,
nur solange der Strom
einwirkt
FIK
0.01
FI
Wahrnehmbarkeitsschwelle
 Lebensgefahr
Loslassschwelle
Flimmerschwelle
0.001
0
1
10
100
1'000
Körperstrom (mA)
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gültig für AC, f = 15 .. 100 Hz
| Slide 41
10'000
100'000
Strompfad:
Linke Hand oder beide Hände
zu einem oder beiden Füssen
- Herzkammerflimmern
- Herzstillstand
- Atemstillstand
- Verbrennungen (>3A)

42. FI Bauarten
Fehlerstromschutz vorgeschrieben
gesamte Installation IΔN = 300 mA
 feuergefährdete Räume
 korrosionsgefährdete Räume
 explosionsgefährdete Räume
 landwirtschaftliche Betriebsstätten
Steckdosenstromkreise In = 40A, IΔN = 30 mA
 Bade- und Duscheinrichtungen
 feuchte und nasse Räume
 korrosionsgefährdete Räume
 elektrische Versuchsräume
 landwirtschaftliche Betriebsstätten
Steckdosenstromkreise In = 25A, IΔN = 30 mA
 transportable Objekte im Freien
 Baustellen
 Campingplätze / Bootsanlegeplätze
 provisorische und temporäre Anlagen
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Steckdosenstromkreise IΔN = 10 mA
 transportable Objekte in engen Räumen
aus gut leitenden Werkstoffen

43. FI Bauarten
Personenschutz durch FI

U<
zulässig als transportabler FI-Schutzschalter

zulässig für besondere Anlagen, die dauernd von instruiertem
Personal überwacht werden
– spannungsabhängig
– bei N-Unterbruch vor Schalter: Versagen
– Unterspannungsauslösung (in CH verlangt)
– Zuverlässigkeit Elektronik
+ Kosten
+ flexibel parametrierbar / erweiterbar

44. FI Bauarten
FI Typen

nach Stromform

nach Polzahl
Typ AC
2
Typ A
4
Typ B

nach Frequenz
50

FIK kurzverzögert
Hz
FIS selektiv
162/3 Hz
400

verzögert
Hz
nach IΔN

kombiniert mit LS
FI / LS
10 mA
30 mA
300 mA


Fehlerstromrelais
FIR o. Wandler/Schaltelement
nach IN
16 A
25 A
40 A
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63 A
| Slide 44

nur Signalgeber
FISG o. Schaltelement

45. FI Bauarten
Personenschutz durch FI
Herstellerbezeichnungen
Nennstrom
Typ A kurzverzögert
Prinzipschaltbild
Nennspannung
Einsatz bis -25°C
Nennauslösestrom
Nennkurzschlussstrom
Max.
Überstromunterbrecher
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46. FI Bauarten
FI-Sortiment von ABB CMC
FI4
(Auszug)
FI2
FI-LS
T Tragschiene
S Stecksystem
SIDOS
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47. FI Bauarten
Grenzen der FI-Schutzschaltung
Kein FI-Schutz, wenn Betriebsstromkreis
geschlossen ist.
Keine Unterscheidung, ob Verbraucher
angeschlossen oder Notfall vorliegt.
Beispiel:
Isoliert stehende Person fasst
mit beiden Händen an L und N.
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48. Unerwünschte Auslösungen
Inhalt „Unerwünschte Auslösungen“
Gefahren des elektrischen Stroms
Aufbau und Funktion FI
Unerwünschte Auslösungen


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durch kapazitive Ableitströme

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durch Installationsfehler
durch äussere Einflüsse

49. Unerwünschte Auslösungen
Auslösungen durch äussere Einflüsse

Kurzschlüsse
Auslösung infolge von Unsymmetrie im
Summenstromwandler, leichte
Magnetisierung bei grossen Strömen.

Erdschlüsse
Netz wird durch Überstromunterbrecher
abgeschaltet, der FI bleibt eventuell
eingeschaltet.

Blitzschläge,
atmosphärische Überspannungen
Spannungsspitzen grösser 2kV zwischen
Polleiter und Schutzleiter können
unverzögerte FI zur Auslösung bringen.

Magnetische Einflüsse
Starke magnetische Fremdfelder können FI
zur Auslösung bringen. Beispiel:
Einschalten eines grossen Schützes
in der Nähe eines FI.
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