Sicherungen in Stromkreisen

Elektrotechnik Grundlagen >Sicherungen in Stromkreisen

Frei nach Murphys Law, könnte man sagen: "Wenn etwas schief gehen kann, geht es auch schief."

Überall da wo elektrischer Strom durch einen Leiter fließt entsteht, neben einem Magnetfeld, auch Wärme. Zwar ist letzteres, bei einem korrekt dimensionierten Stromkreis, so verschwindend gering, das wir davon nichts mitbekommen, doch im Fehlerfall, z. B. einem Kurzschluss, können die fließenden Ströme schnell so groß werden das selbst das Kupfer, aus dem die Leitung besteht, schmilzt und die umliegende Umgebung in Brand setzen könnte.

Auch könnten Personen, mit unter Spannung stehenden Teilen, in Berührung kommen und müssen vor einem, elektrischen Schlag geschützt werden. 

Somit lassen sich Sicherungen schon einmal ganz grundsätzlich in zwei verschiedene Kategorien, nach ihrem Verwendungszweck, einteilen:

• Leitungsschutz 
• Personenschutz 

 

Der Leitungsschutz

Beim Leitungsschutz kommen in der Hauselektrik vorwiegend Sicherungsautomaten, so genannte Leitungsschutzschalter, zum Einsatz. Aber auch Schmelzsicherungen finden weiterhin Verwendung. Technisch gesehen stellen Leitungsschutzschalter, aber auch Schmelzsicherungen, die schwächste Stelle im Stromkreis dar, sozusagen die "Sollbruchstelle". Sie dienen einzig und allein der Absicherung der elektrischen Leitungen vor zu hohen Strömen. 

Die einfachste Version ist die Schmelzsicherung. Noch vor einigen Jahrzehnten waren diese, in elektrischen Unterverteilungen, hauptsächlich verbaut. Sie waren in Fassungen hinein geschraubt und bestanden lediglich aus einem Draht, welcher von einem Keramikkörper ummantelt war. Bei zu hoher Belastung schmolz der Draht und der Keramikkörper stellte sicher das die umliegenden Bauteile vor der Hitze, sowie dem herunterlaufenden Metall, geschützt wurden. Hatten sie einmal ausgelöst, waren sie zerstört und mussten ersetzt werden.

Heute finden wir, in der Hauselektrik, solche Schmelzsicherungen lediglich noch in der Hauptzuleitung. Die einzelnen Endverbraucherkreise werden üblicherweise durch Sicherungsautomaten abgesichert. Diese haben den Vorteil das sie mehrfach auslösen können. Nach beheben des Fehlers kann man ihn einfach wieder einschalten und muss nicht immer wieder neue Sicherungen kaufen. Bedenkt man, das der Fehler auch darin bestehen kann, das zu viele große Verbraucher in die Steckdosen eines Stromkreises gesteckt werden, also sozusagen ein Bedienerfehler, dann ist die Verwendung von Sicherungsautomaten sicher nicht die schlechteste Neuerung. Aber auch Schmelzsicherungen finden heute noch Verwendung, z. B. im KFZ-Bereich oder innerhalb von elektrischen Geräten. Eben genau da wo man "Bedienerfehler" ausschließen kann. Ihr Vorteil liegt schlicht und einfach im günstigeren Preis.

Wichtig ist nur zu verstehen, Sicherung zum Leitungsschutz dienen niemals dem Personenschutz! Ihre einzige Aufgabe ist es, die Leitung vor zu hohen Strömen zu schützen. 

 

Dimensionierung von Sicherungen

Sicherungen werden erstmal grundsätzlich auf einen bestimmten Strom dimensioniert, bei dessen Übersteigung sie auslösen oder schmelzen sollen. Dieser Strom ist in Ampere auf der Sicherung angegeben und stellt auch gleichzeitig den maximalen Strom dar, mit welchem die Sicherung dauerhaft belastet werden kann. 

Gerade bei Schmelzsicherungen im KFZ-Bereich hört man von Laien häufig den Ratschlag "Steck doch 'ne stärkere Sicherung rein", wenn sie des Öfteren durchbrennt. Doch Vorsicht! Wie bereits zuvor erwähnt, stellt eine Sicherung den schwächsten Teil eines Stromkreises dar. Steckt man jetzt einfach eine stärkere Sicherung rein, kann es passieren das nun nicht mehr die Sicherung, sondern das Kabel, oder eine Steckverbindung, der schwächste Teil des Stromkreises ist. Kommt es nun erneut zu einem Fehler, wären die Folgen fatal! Zwar sind bei der Dimensionierung der Kabel gewisse "Reserven" mit einkalkuliert, doch "traue keinem Stromkreis, den du nicht selbst entworfen hast".

In der Hauselektrik werden Sicherungen häufig hintereinander geschaltet. Hauptsicherung – Leitungsschutzschalter - Gerätesicherung usw... Immer da, wo sich der Leitungsquerschnitt verringert, muss dieser geringere Leitungsquerschnitt neu abgesichert werden.  

 

Charakteristik von Sicherungen

Eine Sicherung löst nie dirket in dem Moment aus, wo der maximale Strom überstiegen wurde. Es dauert eine gewisse Zeit bis sich der Draht einer Schmelzsicherung so sehr erhitzt hat, das schmilzt. Aber auch ein Sicherungsautomat ist darauf abgestimmt das er nicht sofort, beim ersten Übersteigen des Stroms, auslöst. Dieses ist erforderlich um Stromspitzen aufzufangen, welche entstehen wenn induktive Lasten eingeschaltet werden. Schaltet man beispielsweise einen Elektromotor ein, baut sich zunächst in diesem ein Magnetfeld auf, welches später für den Antrieb sorgt und dem Stromfluss entgegen wirkt. Für den kurzen Moment, wo dieses Magnetfeld noch nicht vorhanden ist, kann der Strom ungehindert fließen und der Strom übersteigt den Nennwert um ein Vielfaches. 

Je nach Einsatzzweck gibt es somit Sicherungen mit verschiedenen Auslösecharakteristiken, sowohl bei Schmelzsicherungen, wie auch bei Sicherungsautomaten. Hier gibt es Tabellen, wo die verschiedenen Klassen, und deren Einsatzzweck, genau aufgegliedert sind. 

Im Heimbereich kommen fast ausschließlich Sicherungen der Klassen B, C und D zum Einsatz. "B" ist der Standard-Automat, welcher üblicherweise in deutschen Sicherungskästen verbaut wird. Er eignet sich hervorragend zur Absicherung von Endverbraucher-Stromkreisen im Heimbereich, also Lampen und kleine Motoren und Netzteile. 

Umso größer der Motor, desto größer auch die Stromspitze beim Einschalten. Im Werkstattbereich, beim Einsatz von Kreissägen, Winkelschleifern, usw. Kommt daher öfters Charakteristik "C" zum Einsatz.

"D" wird wiederum bei induktiven Lasten, wie großen Netzteilen und Transformatoren eingesetzt. Löst beim Betrieb eines Schweißgerätes beispielsweise immer wieder die Sicherung aus, empfiehlt es sich diesen Typ zu verbauen.

Es gibt weitaus mehr Typen, und auch für Schmelzsicherungen gibt es verschiedene Charakteristiken. Wer hier tiefer in die Materie einsteigen will, dem empfehle ich die entsprechende Wikipedia-Artikel. Für den einfachen Hausgebrauch reichen uns jedoch diese drei Klassen.

https://de.wikipedia.org/wiki/Schmelzsicherung

https://de.wikipedia.org/wiki/Leitungsschutzschalter

 

Brandschutzschalter

Eine Besonderheit der Leitungsschutzschalter stellt der Fehlerlichtbogen-Schutzschalter dar. 

Bei Kontaktproblemen, oder kommt es zum Kabelbruch, kann ein Lichtbogen in Reihe zur Last entstehen. Dieser kann durch einen Leitungsschutzschalter nicht erkannt werden, da durch den Lichtbogen die Stromstärke nicht ansteigt. Es würde aber zu einer lokal auftretenden, starken Erhitzung der Fehlerstelle kommen, die einen Brand zur Folge haben könnte. Der Fehlerlichtbogen-Schutzschalter würde dieses erkennen und den Stromfluss unterbrechen. Daher wird er auch umgangssprachlich als Brandschutzschalter bezeichnet.

In einer überarbeiteten Fassung der DIN-VDE, aus dem Jahr 2018, wird der verpflichtende Einbau von Brandschutzschaltern für Schlafräume, sowie Lagerräume mit brandgefährlichen Materialien oder sonstigen Gefahrstoffen, aber auch bei Elektroinstallationen in Holzhäusern empfohlen. Eine Nachrüstpflicht gibt es jedoch nicht. Daher ist er in älteren Bestandsanlagen so gut wie nie zu finden. 

 

Der Personenschutz

Wie wir im Artikel "Was ist Strom" bereits gelernt haben, ist Strom die gerichtete Bewegungung von Elektronen in einem Leiter. Und damit diese sich bewegen können, muss eine Spannung anliegen und der Stromkreis muss geschlossen sein. Das bloße berühren dieser Elektronen macht überhaupt nichts, erst wenn sie in Bewegung geraten, können sie einen "lebensgefährlich umbringen und machen hässlich". 

Solange wir nur einen stromführenden Leiter berühren, passiert uns genauso viel wie einem Vogel, der auf einer Hochspannungsleitung sitzt, nämlich nichts. Wir merken überhaupt nichts davon, da die Elektronen weiterhin durch den Leiter fließen und nicht durch unseren Körper. Erst wenn ein zweiter Fehler hinzu kommt, und ein Stromkreis durch unseren Körper geschlossen wird, fangen die Finger an zu wackeln.

Um Personen vor einem elektrischen Schlag zu schützen, gibt es verschiedene Möglichkeiten. Im Hausbereich ist die geläufigste das so genannte TN-C-S Netz. Hierbei wird eine der Sternpunkt des Drehstromgenerators, beim Stromerzeuger geerdet und als kombinierter PEN-Leiter (Schutz- und Nullleiter in einem) zum Endverbraucher gelegt. Auch hier erfolgt nochmal eine Erdung, sowie die Aufteilung dahinter in einen Nullleiter (N), sowie Schutzleiter (PE). Man baut somit quasi den ersten Fehler im Stromkreis, an einer definierten Stelle, absichtlich ein. Dahinter werden Phasen, sowie Nullleiter durch einen so genannten RCD-Schalter (früher FI-Schalter genannt) geführt. Dieser prüft ob die Summe der Ströme auf dem Phasen gleich groß ist wie der Stromfluss auf dem Nullleiter. Kommt es an irgendeiner Stelle zu einem Erdschluss, beispielsweise weil jemand versehentlich mit einer Phase in Kontakt kommt und ein Teil des Stroms durch die Füße und den Fußboden an den Erdungspunkt zurück fließen, registriert der RCD-Schalter diese Differenz und schaltet den Stromkreis innerhalb von Millisekunden ab.

Eine geläufige Alternative hierzu stellt das IT-Netz dar. Dieses steht für französisch "Isolated Terra" und bedeutet das die Erde zum restlichen System komplett isoliert ist. Es kommt überall da zum Einsatz wo entweder keine feste Erde vorhanden ist, oder das Netz aus Sicherheitsgründen, im Fehlerfall, nicht abschalten darf. 

Ein IT-Netz lässt sich über einen Trenntrafo realisieren. Dieser erzeugt, mittles Magnetfeld, ein komplett eigenständigen Stromkreis, welcher komplett isoliert zur Erde ist. Berührt man diesen Stromkreis an nur einer Stelle, passiert überhaupt nichts da kein Stromkreis durch den Körper geschlossen ist. Ein Isolationswächter  überwacht kontinuierlich die Isolation zur Erde hin und bei Überschreiten eines eingestellten Grenzwertes würde dieser einen Alarm auslösen, das Netz jedoch nicht abschalten. Jetzt müsste man sich auf die Suche nach dem Fehler machen und ihn beheben. Das IT-Netz kann dabei ungehindert weiter betrieben werden. Solange kein zweiter Fehler, an anderer Stelle, im selben IT-Netz auftritt, bleibt man als Person weiterhin geschützt.

Zum einen bieten sich solche IT-Netze für den mobilen Sektor an, beispielsweise im Wohnmobil oder Campingbus. Wenn das hier mobil betriebene 230V-Netz über einen Wechselrichter generiert wird, handelt es sich technisch gesehen, ähnlich wie nach einem Trenntrafo, um ein von der Erde komplett isoliertes Netz. Zur Sicherung muss dann nur noch der Isolationswächter verbaut werden.

Auch in sicherheitskritischen Bereichen, beispielsweise im OP-Saal von Krankenhäusern, werden IT-Netze betrieben, da hier ein Abschalten im Fehlerfall tödliche Folgen haben könnte. Da es sich bei dem Hausanschluss technisch gesehen jedoch um ein TN-C-Netz handelt, also ein Netz, welches zumindest Kraftwerksseitig bereits geerdet ist, muss zur Erzeugung eines IT-Netzes ermal eine galvanische Trennung erfolgen. Der hierfür zum Einsatz kommende Trenntrafo kostet, je nach Leistungsstärke, sehr viel Geld. Außerdem lassen sich IT-Netze nur im kleinen Maßstab realisieren, da mit steigender Netzgröße sich die natürlichen Isolationswiderstände der Kabel addieren und mit zunehmender Leitungslänge Fehler nicht mehr klar als diese erkennbar sind. Daher findet das IT-Netz im Heimbereich grundsätzlich keine Anwendung, sondern statt dessen das TN-C-S Netz mit RCD Schalter. 

 

Der RCD-Schalter

Der Einsatz von RCD-Schaltern ist in sämtlichen Endverbraucher-Stromkreisen zwingend vorgeschrieben. Also grundsätzlich überall da wo Endverbraucher angeschlossen sind. Somit in der Hausverteilung alle Leitungen die aus dem Verteilerkasten hinaus, zu den Lampen, Steckdosen und fest angeschlossenen Geräten, wie Herd, Boiler, usw. führen. 

Verteiler- und Erzeugerstromkreise müssen nicht auf diese Weise abgesichert werden, wenn hier ein Kontakt zu stromführenden Teilen ausgeschlossen werden kann. Jedoch wird auch hier die Verwendung von RCD-Schaltern empfohlen. So finden sich heute häufig im Hauptverteilerkasten größer dimensionierte RCD-Schalter und erst am Übergabepunkt zum Endverbraucherkries, der auf 30mA ausgelegte, und recht empfindliche Schutzschalter. Man spricht dann auch von einer selektiven Auslegung, weil im Fehlerfall zuerst der kleinere in der entsprechenden Unterverteilung auslöst und nicht die übergeordneten, größer dimensionierten.

In Erzeuger-Stromkreisen kann es manchmal auch sinnvoll sein, auf den Einsatz eines RCD-Schalters zu verzichten. So hat an meiner alten AC-Photovoltaikanlage in Vergangenheit regelmäßig der Schutzschalter ausgelöst. Grund dafür ist eine, aufgrund des Alters, schlechter werdende Isolation der Module selbst. Wegen der Montageposition, auf und unter dem Dach, kann eine Berührung mit den Komponenten der Anlage ausgeschlossen werden. Somit konnte ich den RCD-Schalter aus dem Stromkreis entfernen. 

 

Dimensionierung des RCD

Durch den RCD-Schalter werden alle 3 Phasen, sowie der Nullleiter, hindurch geführt. Kontinuierlich werden die fließenden Ströme miteinander verglichen und bei Übersteigen einer vordefinierten Differenz schaltet eben dieser Schalter ab.

Ursprünglich wurden hier RCD-Schalter mit einem Auslösestrom von 50mA eingesetzt. Da jedoch schon Ströme von über 30mA, durch den menschlichen Körper hindurch, tödlich sein können, wurde diese Schwelle bereits vor vielen Jahren herunter gesetzt. Selten findet man noch 50mA RCD in alten Unterverteilungen. Eine Austauschpflicht besteht generell nicht, solange hier nichts geändert wird, ist aber durchaus empfehlenswert. Ändert man etwas, muss der RCD ohnehin durch einen aktuellen ersetzt werden. Es gibt auch wesentlich größer dimensionierte RCD, beispielsweise mit 300mA Auslösestrom. Diese sind jedoch nicht für den Einsatz im Endverbraucherstromkreis zugelassen und werden vielmehr zur selektiven Absicherung von Verteilerstromkreisen verwendet.

In älteren Unterverteilungen hat man häufig das Problem das sich Kriechströme, durch die Isolation von alten Kabeln hindurch, in der Hauselektrik aufsummieren und dann durchaus schon mal mehrere Milliampere zusammen kommen. Dazu kommt das man früher meist das ganze Haus über einen einzigen RCD abgesichert hat. Mit 50mA hat das Ganze noch gut funktioniert, aber bei 30mA ist man zu nahe an der Grenze und der Schalter löst fortlaufend sporadisch aus. Aus eigener Erfahrung weiß ich das dieses äußert nervig sein kann, gerade weil man dann auch den Fehler nur sehr schwer findet. Zum einen kann es mehrere Tage dauern bis er wieder auftritt. Zum anderen sind es oft mehrere Fehlerquellen, die sich aufsummieren. Das schließt ein "abschalten und gucken was passiert" schonmal generell aus. Hier hilft dann oft nur messen und suchen. Im Falle unserer Erdgeschosswohnung im Altbau half letztendlich nur ein Austausch der gesamten ortsfesten Elektroinstallation, da die alten, teils noch mit Blei ummantelten Kabel selbst das Problem waren.

Wahlweise könnte man auch die Leitunsschutzschalter am Sicherungskasten auf mehrere RCD verteilen. Das setzt jedoch voraus das es mehrere LSS gibt. Im Fall unserer EG-Wohnung, wo es nur 4 an der Zahl waren (3 für den Herd, einer für alles andere), hatten wir keine andere Chance als alles neu zu machen. 

 

Typen von Fehlerstrom-Schutzschaltern

Ähnlich wie bei Leitungsschutzschaltern, gibt es auch bei Fehlerstrom-Schutzschaltern verschiedene Typen. Diese gliedern sich danach auf welche Art von Strömen die Schutzschalter reagieren. Im Hausbereich findet für Gewöhnlich Typ-A Verwendung. Dieser ist in der Lage Wechselströme, sowie gepulste Geichströme als Fehlerstrom zu erkennen.

Werden im Stromkreis Frequenzumrichter verwendet, beispielsweise zur Drehzahlsteuerung von Werkzeugen, ist ein Schutzschalter vom Typ-F erforderlich. Dieser erkennt zusätzlich auch hochfrequente Fehlerströme. Daher ist dieser Typ häufig in Werkstätten zu verwenden. Für den Betrieb der Frässpindel an meiner CNC-Fräse war zum Beispiel ein solcher Schutzschalter erforderlich.

Häufig liest man sowas wie "Typ A funktioniert auch, ist mir noch nie raus geflogen". Auf den ersten Blick scheint das zwar so zu stimmen, aber anders als Leitungsschutzschalter, die sonst zu empfindlich auslösen, könnte der RCD Typ-A einen Fehlerstrom hinter dem Frequenzumrichter, aufgrund der hohen Frequenz, nicht erkennen. Somit wäre der Personenschutz hier nicht mehr gegeben.

Auch hier bin ich längst nicht auf alle Feinheiten eingegangen, die es zu dem Thema zu wissen gibt. Fürs grundlegende Verständnis sollte es ausreichen. Wer sich hier tiefer in die Materie einlesen will, dem kann ich durchaus den Artikel auf Wikipedia empfehlen. 

https://de.wikipedia.org/wiki/Fehlerstrom-Schutzschalter

 

Fazit:

Fassen wir zusammen, Stromkreise müssen gegen Fehler abgesichert sein um Sach- und Personenschäden zu verhindern. Die Art und Größe der Absicherung muss an die individuellen Gegebenheiten und Anforderungen angepasst sein. Hierbei sind Leitungsquerschnitte ebenso wie örtliche Gegebenheiten zu berücksichtigen.