Elektromagnetische Induktion

Ausblick

Fehlerstrom-Schutzschalter

Schmelzsicherungen oder Sicherungsautomaten stellen in erster Linie einen Geräteschutz und Brandschutz dar. Eine \(10\,\rm{A}\)-Sicherung reagiert erst, wenn die Stromstärke in dem abgesicherten Kreis \(10\,\rm{A}\) überschreitet. Für den Menschen sind aber schon Ströme ab ca. \(30\,\rm{mA}\) sehr gefährlich.

Typischer Stromunfall

Bei einem Unfall der skizzierten Art würde die Sicherung nicht reagieren, da insgesamt nur ein Strom fließt, der deutlich kleiner als \(10\,\rm{A}\) ist. Jedoch würde die Person, welche eine schlecht isolierte Stelle des Stromkreises berührt, zu Schaden kommen.

Ein Teil des Stroms im Außenleiter\(I_{\rm{auß}}\) fließt über die Person ab. Der Neutralleiterstrom \(I_{\rm{neutr}}\) der zur Steckdose zurückfließt ist somit kleiner als der Strom im Außenleiter. Für den Fehlerstrom\(I_{\rm{fehl}}\) gilt:\[I_{\rm{fehl}}=I_{\rm{auß}}-I_{\rm{neutr}}\]Der Fehlerstromschutzschalter muss also einen kleinen Fehlerstrom \(I_{\rm{fehl}}\) registrieren und den Stromkreis unterbrechen.

Aussehen und Auslösewerte

Abb. 3 Fehlerstromschutzschalter neben einem normalen Sicherungsautomaten

In der Praxis muss der FI-Schalter (siehe Abb. 3) bei einem Fehlerstrom von \(I=30\,\rm{mA}=0{,}03\,\rm{A}\) auslösen und den Stromkreis unterbrechen, um einen guten Personenschutz zu gewährleisten. Dabei erfolgt die Abschaltung innerhalb von \(0{,}1\,\rm{s}\), also sehr schnell.

FI-Schutzschalter sollten in bestimmten Zeitabständen mit Hilfe der Prüftaste manuell ausgelöst werden. Dies ist jedoch eine reine Funktionsprüfung; sie gibt keine Aussage über die tatsächliche Wirksamkeit der Schutzmaßnahme.

Nutzung der magnetischen Wirkung

Abb. 4 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)

Kompensation entgegengerichteter Felder

Abb. 5 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.

Ausschlag bei Stromfluss durch Neutralleiter

Abb. 6 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.

Nutzung von Induktionsphänomenen bei Wechselspannung

Eine auch für Wechselströme geeignete Anordnung ist in der Animation in Abb. 7 dargestellt: Außen- und Neutralleiter werden mit einer Windung um den Eisenring gelegt. Auf diesem Ring befindet sich eine weitere Spule mit mehreren Wicklungen. Wenn kein Fehlerstrom vorliegt, heben sich die Induktionswirkungen der beiden Wicklungen von Außen- und Neutralleiter auf. Es entsteht kein magnetischer Fluss im Ring aus weichmagnetischem Band und damit auch keine Induktion in der dritten Spule.

Beim Auftreten eines Fehlerstroms z.B. einer leitenden Verbindung zwischen den stromführenden Leitungen und dem Gehäuse, heben sich die Induktionswirkungen der beiden Wicklungen von Außen- und Neutralleiter nicht mehr auf. Es kommt zu einer Induktionswirkung und einem Induktionsstrom im Ring, der auch für eine Induktionsspannung in der dritten Wicklung sorgt. Diese Induktionsspannung sorgt für ein Auslösen des FI-Schalters und er trennt das Gerät vom Netz.

Aufgabe

Beschreibe die Funktionsweise des Fehlerstrom-Schutzschalters aus der Animation in Abb. 7.

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.

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