EA006300 Type F RCCB machine buildingWie die richtige Auswahl der Fehlerstromschutzeinrichtung die Sicherheit der Bediener, die Maschinenverfügbarkeit sowie die Rentabilität gewährleistet.

Angesichts der rasanten Entwicklung neuer Technologien müssen Maschinenbauunternehmen Produkte auf den Markt bringen, die es ihren Kunden ermöglichen, schneller, effizienter und kostengünstiger zu produzieren. Die Produktlebenszyklen werden immer kürzer, was die Maschinenbauer dazu zwingt, maßgeschneiderte Maschinen zu entwerfen und zu bauen. Anlagen für den Export sind ausgesprochen komplex, weil die elektrotechnischen Normen von Land zu Land unterschiedlich sind.

Hersteller und Endanwender erwarten mehr Unterstützung von ihren Zulieferern. Der Schutz elektrischer Anlagen ist hiervon ein Teilaspekt, der Auswirkungen auf die Sicherheit und die Verfügbarkeit der Maschinen hat. Elektrische Fehler und Störungen können verheerende Auswirkungen auf den menschlichen Körper haben, Verletzungen hervorrufen und zum Ausfall oder Brand von Maschinen führen, was sich auf die Produktivität auswirkt.

Die Funktionsweise von Fehlerstromschutzeinrichtungen

Fehlerströme in elektrischen Systemen werden entweder durch Fehlerzustände verursacht oder von Systemkomponenten wie beispielsweise Frequenzumrichtern erzeugt. Die Funktion einer Fehlerstromschutzeinrichtung besteht darin, automatisch die Stromversorgung zu unterbrechen, wenn ein Fehler ein Risiko darstellt.

Fehlerströme können aus vielerlei Gründen auftreten und viele Formen annehmen. Die größte Herausforderung besteht darin, zwischen allen möglichen Formen von Fehlerströmen zu unterscheiden, um Menschen und Maschinen zu schützen und gleichzeitig Fehlauslösungen zu vermeiden, die durch systembedingte Leckströme verursacht werden. Die Lösung besteht darin, die unterschiedlichen Formen von Erdschlussströmen zu erkennen und geeignete Fehlerstromschutzeinrichtungen zu verwenden.

Schutzarten

Die Geräte müssen während des normalen Gebrauchs und im Fehlerfall das Bedienpersonal und die Techniker vor den Gefahren des elektrischen Stroms schützen. Lebensbedrohliche Unfälle können aus direktem oder indirektem Kontakt resultieren.

Direkter Kontakt besteht, wenn eine Person ein stromführendes elektrisches Bauteil berührt, das auch während des normalen Betriebes stromführend ist. Als indirekter Kontakt werden Situationen bezeichnet, in denen ein leitendes, aber normalerweise keinen Strom führendes Teil, das berührt werden kann, aufgrund eines elektrischen Fehlers unter Spannung steht.

Es gibt mehrere erforderliche Schutzarten: Basisschutz, Fehlerschutz, Zusatzschutz und Brandschutz. Beim Basisschutz geht es um die Verhinderung von Kontakt mit stromführenden Teilen durch Isolierungen und Verkleidungen. Der Fehlerschutz umfasst Situationen, in denen eine Isolierung (Basisschutz) versagt und die Fehlerstromschutzeinrichtung abschaltet bevor gefährliche Spannungen an normalerweise nicht unter Spannung stehenden Teilen wie z.B. Gehäusen auftreten können. Der Zusatzschutz schützt vor Stromschlag in Situationen, in denen sowohl der Basis- als auch der Fehlerschutz versagen. Beim Brandschutz werden Fehlerstromschutzeinrichtungen für die Verhinderung von elektrisch verursachten Bränden infolge von Isolationsfehlern eingesetzt. 

Arten von Fehlerstromschutzeinrichtungen

Fehlerstromschutzeinrichtungen werden zum einen durch die Fehlerstromform charakterisiert, die sie erkennen und auf die sie reagieren können und zum anderen dadurch, ob sie von der Spannung abhängig oder unabhängig sind und ob ihre Auslösereaktion unmittelbar oder verzögert erfolgt.

Die Fähigkeit die möglichen Fehlerstromformen erkennen zu können ist sehr wichtig. Die eingesetzten Fehlerstromschutzeinrichtungen müssen für die unterschiedlichen auftretenden Wellenformen geeignet sein. Darüber hinaus sind die unterschiedlichen Auslösepegel für die verschiedenen Wellenformen zu beachten.

Für den Einsatz bei unterschiedlichen Wellenformen stehen mehrere Arten von Fehlerstromschutzeinrichtungen zur Verfügung:

Fehlerstromschutzeinrichtungen vom Typ AC erkennen nur sinusförmige Wechselfehlerströme, sind aber nicht in allen EU-Ländern zugelassen. Fehlerstromschutzeinrichtungen vom Typ A erkennen sowohl sinusförmige als auch pulsierende Gleichfehlerströme. Fehlerstromschutzeinrichtungen vom Typ F sind speziell für einphasige Frequenzumrichter bestimmt, um die am Ausgang eines Frequenzumrichters entstehenden Fehlerströme mit Frequenzgemisch bis 1kHz erfassen zu können. Sie reagieren auch auf sinusförmige Wechselströme sowie auf pulsierende Gleichströme.

Fehlerstromschutzeinrichtungen vom Typ B erkennen sowohl sinusförmige Wechselfehlerströme- als auch pulsierende Gleichfehlerströme sowie glatte Gleichfehlerströme. Fehlerstromschutzeinrichtungen dieses Typs sind zur Verwendung in Dreiphasensystemen konzipiert. Fehlerstromschutzeinrichtungen vom Typ BFQ erfüllen die Anforderungen für Typ B, sind aber zum Einsatz in Anwendungen mit leistungsstarken Frequenzumrichtern für drehzahlgeregelte Antriebe vorgesehen. Die Fehlerstromschutzeinrichtungen vom Typ B+ zeichnen sich durch einen bis 20 kHz definierten Auslösekennlinie aus und bieten erweiterten Schutz vor Brandgefahren aufgrund von Erdschlüssen in Anwendungen mit elektronischen Antrieben.

Weiterhin gibt es Fehlerstromschutzeinheiten vom Typ G, »Li« und S mit einer Auslöseverzögerung und einer erhöhten Stoßstromfestigkeit zum Schutz vor Fehlauslösungen.

 Klassifizierung von Fehlerstromschutzeinrichtungen

Als Fehlerstromschutzeinheit werden allgemein alle Arten von Fehlerstromschutzeinrichtungen bezeichnet. Ein handelsüblicher Fehlerstromschutzschalter wird als RCCB bezeichnet, aber es gibt noch einige weitere Arten von Fehlerstromschutzeinheiten. Diese werden im Folgenden beschrieben.

Fehlerstromrelais sind Geräte mit einem separaten Stromwandler und Schaltschütz, die für höhere Stromstärken von bis zu 400 A eingesetzt werden. Es gibt aber auch Kompaktleistungsschalter (MCCB) mit Kapazitäten bis 1.800 A.

Ein FI/LS Kombischutzschalter (RCBO) ist eine Kombination aus einem RCCB mit einem Leitungsschutzschalter (MCB). Dieses Kombigerät bietet Schutz vor Überlast, Kurzschluss und Stromschlag und dient zum Brandschutz.

Aus den verfügbaren, anbaubaren Fehlerstromschutzeinheiten und Leitungsschutzschaltern können viele verschiedene Kombinationen hergestellt werden, auch ohne eine große Anzahl von Produkten auf Lager halten zu müssen. Daraus resultiert ein hohes Maß an Flexibilität in der Anwendung und die Kombination von Fehlerstromschutzeinheiten und Leitungsschutzschaltern kann unkompliziert an die individuellen Anforderungen angepasst werden.   

Zudem gibt es anbaubare Fehlerstromschutzeinheiten für Kompaktleistungsschalter (MCCB), die Anwendungen von bis zu 250 A unterstützen.

Digitale Fehlerstromschutzeinrichtungen

Digitale Fehlerstromschutzeinrichtungen kombinieren ihre Schutzfunktionalität mit einer Reihe von digitalen Funktionen. Diese Funktionen wirken zusammen und sorgen auf diese Weise für umfangreichste Informationen über den Anlagenstatus und verbessern die Verfügbarkeit der geschützten Anlage oder Maschine. Sowohl in Fehlerstromschutzschaltern (RCCB) als auch in FI/LS Kombischutzschaltern (RCBO) wird digitale Technologie eingesetzt. Lokale Vorwarn-LED und dezentral angesteuerte potenzialfreie Vorwarnsignale stehen zum Beispiel im digitalen Fehlerstromschutzschalter zur Verfügung. Diese Vorwarnungen ermöglichen es dem Wartungspersonal Probleme zu lösen, ehe sie zu Unterbrechungen oder Ausfällen führen. Kosteneinsparungen sind möglich, weil es weniger ungeplante Serviceeinsätze gibt und zudem das Testintervall auf ein Jahr verlängert werden kann.

Globale Normen

 Schutz und störungsfreier Betrieb hängen davon ab, dass alle nationalen und internationalen Normen und Richtlinien eingehalten werden.

Fehlerstromschutzeinheiten nach IEC/EN-Normen können weltweit mit Ausnahme der USA und Kanada verwendet werden. Auf dem nordamerikanischen Markt gelten anstelle der internationalen IEC-Normen entsprechende UL-Normen. Für den Export in diese Region müssen daher Fehlerstromschutzeinheiten in speziellen, durch UL zugelassenen Versionen verwendet werden. In einigen anderen Ländern sind länderspezifische Zulassungen erforderlich.

Von entscheidender Bedeutung für die Gewährleistung der Sicherheit ist, dass die Fehlerstromschutzeinheiten den internationalen Normen (z. B. IEC/EN 61008 oder UL1053) entsprechen und, wie Eatons Produkte, mit den erforderlichen Kennzeichnungen versehen sind. Mit Weltmarktprodukten, welche weltweit eingesetzt werden können, werden beim Export letzten Endes viel Zeit und Kosten gespart.

Elektrische Störungen – Probleme und Lösungen

Es können verschiedene elektrische Störungen auftreten welche von Maschinenbauern berücksichtigt werden müssen, wenn die Fehlerstromschutzeinheit für die Anlage definiert wird.
   

Leckströme können im Normalbetrieb und ohne Isolationsfehler kontinuierlich fließen. Allerdings können Fehlerstromschutzeinheiten nicht zwischen Leckströmen und Fehlerströmen unterscheiden und lösen aus, wenn die Summe der Ströme ihren Auslösewert überschreitet.

Fehlerstromschutzeinheiten von Typ F, U oder BFQ zeichnen sich durch Auslösekennlinien aus, die unempfindlich gegen vom System verursachte Leckströme sind. Dies verhindert Fehlauslösungen in Industrieanwendungen mit leistungsstarken Frequenzumrichtern.

Dynamische Leckströme sind transiente Ströme die nur eine kurze Dauer von wenigen ms anstehen. Um unerwünschtes Auslösen zu verhindern, wird der Einsatz von kurzzeitverzögerten Fehlerstromschutzeinheiten vom Typ G oder Li empfohlen.

Fehlauslösungen von Fehlerstromschutzeinheiten können auch durch hohe induktive Lastströme verursacht werden. Gemäß der Produktnorm müssen Fehlerstromschutzeinheiten bis zum Sechsfachen ihres Nennstroms standhalten, damit sie Fehlauslösungen widerstehen.

Auch Überspannungen aufgrund von Gewittern können zu Fehlauslösungen der Fehlerstromschutzeinheit führen. Um hier Abhilfe zu schaffen, bietet Eaton die Fehlerstromschutzeinheit vom Typ G an, welche gemäß ÖVE E 8601 spezifiziert und getestet ist.

Zusammenfassung

Fehlerstromschutzeinheiten können Maschinen und Menschen vor Schäden bzw. Verletzungen bewahren, das Risiko von Bränden minimieren und Maschinenausfallzeiten reduzieren, da sie Fehlerströme erkennen und darauf reagieren können. Diese Ströme können aus vielerlei Gründen auftreten und viele Formen annehmen. Deshalb es ist wichtig, Fehlerstromschutzeinheiten mit Auslösekennlinien zu wählen, die den Schutz bei Fehlerzuständen gewährleisten und zugleich Produktionsausfälle aufgrund von Fehlauslösungen vermeiden.

Maschinenbauunternehmen müssen die einschlägigen internationalen Vorschriften und Normen zur Errichtung von Anlagen berücksichtigen. Darüber hinaus sollten auch mögliche elektrische Störungen und Lösungen dafür berücksichtigt werden.

Dieses Whitepaper ist als ein Element des Engagements von Eaton für den Schutz von Anlagen vom ersten Planungsschritt bis hin zu Installation, Wartung und Ersatzteilbevorratung zu sehen. Die globale Organisation und das Portfolio von Eaton mit international anerkannten, innovativen Komponenten und Technologien wird durch lokale Produktionsstätten, Know-how und Support ergänzt.

Auf folgender Website finden Sie weiterführende Informationen zu diesem Thema, unter anderem das oben genannte Whitepaper mit dem Titel »Mensch und Maschine vor Schäden durch Fehlerströme schützen«: Details