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Ausblick

Fehlerstrom-Schutzschalter

Die üblichen Schmelz- oder Magnetsicherungen stellen in erster Linie einen Geräteschutz, jedoch nicht einen befriedigenden Personenschutz dar. Eine 10A-Sicherung reagiert erst, wenn die Stromstärke in dem abgesicherten Kreis 10A überschreitet. Für den Menschen sind aber u.U. schon Ströme ab 50mA sehr gefährlich.
Bei einem Unfall der skizzierten Art würde die Sicherung nicht reagieren, jedoch könnte die Person, welche eine schlecht isolierte Stelle des Stromkreises berührt, zu Schaden kommen.
Ein Teil des Stroms im Außenleiter Iauß fließt über die Person ab. Der Neutralleiterstrom Ineutr der zur Steckdose zurückfließt ist somit kleiner als der Strom im Außenleiter. Für den Fehlerstrom Ifehl gilt:

Ifehl = Iauß - Ineutr

Gebraucht wird eine besondere Sicherung, die ab einem gewissen Wert des Fehlerstroms (meist 30mA) in sehr kurzer Zeit (meist 0,2s) den Stromkreis unterbricht: Fehlerstromschutzschalter oder FI-Schalter.
Abb. 3 Stromkreis, bei dem über dem Außenleiter ein Kompass liegt

Betrachte zunächst den Stromkreis, bei dem unter den Außenleiter ein kleiner Kompass geschoben wird. Beim Einschalten des Stromes wird die Kompassnadel ausgelenkt. Das Lämpchen symbolisiert einen Verbraucher (z.B. Waschmaschine)

Abb. 4 Stromkreis, bei über dem Außen- und dem Neutralleiter ein Kompass liegt

Führt man Außenleiter und Neutralleiter gemeinsam über den Kompass, so wird die Nadel beim Einschalten nicht ausgelenkt. Dies liegt daran, dass sich die Magnetfelder der beiden Leiter kompensieren.

Abb. 5 Stromkreis, bei über dem Außen- und dem Neutralleiter ein Kompass liegt und in dem ein Fehlerstrom fließt

Verzweigt man den Neutralleiter, so ist der Strom im Außenleiter und der Strom in dem Neutralleiter, der über der Kompassnadel liegt nicht mehr gleich groß. Die Nadel schlägt wieder aus.

Diese zuletzt skizzierte Anordnung ist geeignet auf einen Fehlerstrom zu reagieren (Nadel schlägt aus, weil Strom im oberen grünen Leiter kleiner ist als im roten Leiter). Allerdings funktioniert die Methode nicht bei Wechselstrom, da die Nadel zu träge ist.

Abb. 6 Aufbau und Funktionsweise eines Fehlerstrom-Schutzschalters in der Praxis

Eine auch für Wechselströme geeignete Anordnung ist in der Animation in Abb. 6 dargestellt: Außen- und Neutralleiter werden mit einer Windung um den Eisenring gelegt. Auf diesem Eisenring befindet sich eine weitere Spule mit mehreren Wicklungen. Beim Auftreten eines Fehlerstroms z.B. einer leitenden Verbindung zwischen den stromführenden Leitungen und dem Gehäuse trennt der Fehlerstrom-Schutzschalter das Gerät vom Netz.

Aufgabe

Beschreibe die Funktionsweise des Fehlerstrom-Schutzschalters aus der Animation in Abb. 6.

Lösung

Solange kein Störfall vorliegt, ist der Strom im Außenleiter (rot) und im Neutralleiter (grün) gleich groß. Diese beiden Ströme bewirken im Eisenkern jeweils ein betragsmäßig gleichgroßes, magnetisches Wechselfeld. Da die Ströme je eine Spule mit gleichem Wicklungssinn in verschiedenen Richtung durchfließen, ist das resultierende Magnetfeld Null.

Tritt ein Fehlerstrom auf, weil z.B. ein Kabel mit durchgescheuerter Isolation das geerdete Gehäuse der Waschmaschine berührt, so wird der Strom im Neutralleiter kleiner. Die magnetischen Wechselfelder von Außen- und Neutralleiter heben sich nicht mehr gegenseitig auf, es herrscht ein resultierendes Wechselfeld im Eisenring.

Dieses Wechselfeld durchsetzt auch die obere (braune) Spule und induziert in ihr eine Spannung (die Anordnung wirkt jetzt wie ein Trafo). Die Spannung bewirkt einen Strom, der gleichgerichtet wird und ein Relais betreibt. Das Relais zieht an dem Doppelschalter für die Ströme in Außen- und Neutralleiter, der Stromkreis wird unterbrochen.