In elektrischen Anlagen kommt es immer wieder vor, dass mehrere Fehlerstromschutzschalter (RCDs) hintereinander geschaltet werden. Ein typisches Beispiel ist der Anschluss eines mobilen Baustromverteilers mit einem eingebauten RCD vom Typ B an eine bestehende CEE-Steckdose, die bereits über einen RCD vom Typ A geschützt ist.
Was zunächst nach einer zusätzlichen Sicherheit aussieht, kann jedoch zu einem gefährlichen Problem werden: Glatte Gleichfehlerströme können die Schutzfunktion eines vorgeschalteten Fehlerstromschutzschalters vom Typ A beeinträchtigen. Im ungünstigsten Fall erkennt der RCD vom Typ A dadurch andere Fehlerströme nicht mehr zuverlässig. Umgangssprachlich wird dieser Effekt als „Blindwerden“ eines RCD bezeichnet.
Wie funktioniert ein Fehlerstromschutzschalter (RCD)?
Ein Fehlerstromschutzschalter (RCD), umgangssprachlich auch FI-Schalter genannt, überwacht die Ströme in den aktiven Leitern eines Stromkreises. Sein wichtigstes Bauteil ist der sogenannte Summenstromwandler.
Bei einem einphasigen Stromkreis werden der Außenleiter (L) und der Neutralleiter (N) durch den Summenstromwandler geführt. Bei einem dreiphasigen Stromkreis alle drei Außenleiter (L1, L2 und L3) sowie der Neutralleiter.
Im fehlerfreien Zustand ist die Summe aller Ströme, unter Berücksichtigung der Stromrichtung, gleich null. Der Strom, der über die Außenleiter zum Verbraucher fließt, fließt über die übrigen aktiven Leiter wieder zurück. Fließt beispielsweise durch einen Isolationsfehler ein Fehlerstrom gegen Erde, fließt ein Teil des Stroms nicht mehr über die vom RCD überwachten aktiven Leiter zurück.
Es entsteht ein Differenzstrom, der vom Summenstromwandler erkannt wird. Bei einem herkömmlichen RCD vom Typ A verursacht die Änderung des magnetischen Flusses einen Storm in der Sekundärwicklung, das bei ausreichend hohem Fehlerstrom den Auslösemechanismus betätigt.
Der RCD trennt daraufhin den überwachten Stromkreis vom Netz.
Fehlerstromschutzschalter Typ A und Typ B: Die Unterschiede
Nicht jeder Fehlerstrom besitzt die gleiche Stromform. Während in klassischen Wechselstromkreisen hauptsächlich sinusförmige Wechsel-Fehlerströme auftreten können, erzeugen moderne elektronische Betriebsmittel unter bestimmten Fehlerbedingungen auch pulsierende oder glatte Gleichfehlerströme. Deshalb werden Fehlerstromschutzschalter nach den Fehlerstromformen unterschieden, die sie zuverlässig erkennen können.
RCD Typ A – pulsstromsensitiver Fehlerstromschutzschalter
Ein Fehlerstromschutzschalter vom Typ A erkennt
- sinusförmige Wechselfehlerströme
- Pulsierende Gleichfehlerströme
Der Typ A RCD erkennt die eben genannten Fehlerströme auch bei einer Überlagerung mit einem glatten Gleichfehlerstrom von bis zu 6 mA unter den bestimmten Bedingungen.
RCDs vom Typ A sind in den meisten Installationen anzutreffen. Dieser Typ ist der Standard in der Elektroinstallationen, beispielsweise für Steckdosen- und Beleuchtungsstromkreise in Wohnräumen, aber auch in den meisten gewerblichen Einsatzbereichen.
Für die zuverlässige Erkennung glatter Gleichfehlerströme sind diese Geräte jedoch nicht ausgelegt.
RCD Typ B – allstromsensitiver Fehlerstromschutzschalter
Ein Fehlerstromschutzschalter vom Typ B kann zusätzlich zu Strömen, die Typ A erkennt, auch glatte Gleichfehlerströme erkennen.
Ein RCD vom Typ B erkennt insbesondere:
- Sinusförmige Wechselfehlerströme.
- Pulsierende Gleichfehlerströme.
- Glatte Gleichfehlerströme.
- Fehlerströme mit unterschiedlichen Frequenzanteilen und Mischfrequenzen innerhalb des für das jeweilige Gerät festgelegten Erfassungsbereichs.
Allstromsensitive RCDs können notwendig sein, wenn elektrische Betriebsmittel im Fehlerfall glatte Gleichfehlerströme erzeugen können. Typische Anwendungsbereiche sind Frequenzumrichter, bestimmte Maschinen, Antriebssysteme, Photovoltaikanlagen, Wärmepumpen oder Ladeeinrichtungen für Elektrofahrzeuge.
Ob tatsächlich ein RCD vom Typ B erforderlich ist, hängt allerdings vom jeweiligen Betriebsmitel ab. Hier sind jeweils die Datenblätter der Hersteller zu beachten. Nicht jede Wärmepumpe, Wallbox oder Photovoltaikanlage benötigt automatisch einen separaten Typ-B-RCD.
Vergleich: RCD Typ A und Typ B
| Eigenschaft | Typ A | Typ B |
|---|---|---|
| Sinusförmige Wechsel-Fehlerströme | Ja | Ja |
| Pulsierende Gleichfehlerströme | Ja | Ja |
| Glatte Gleichfehlerströme | Keine zuverlässige Erkennung | Ja |
| Zusätzliche Erkennung von Mischfrequenzen | Nicht wie Typ B | Ja, innerhalb der Gerätespezifikation |
| Überlagerung mit glattem DC | Bis 6 mA nach den festgelegten Prüfbedingungen | Erfassung glatter DC-Fehlerströme |
| Typische Anwendung | Allgemeine Endstromkreise | Betriebsmittel mit möglichen glatten DC-Fehlerströmen |
Warum kann ein Fehlerstromschutzschalter „blind“ werden?
Es gibt zwei Aussagen, die man im Zusammenhang mit RCDs regelmäßig hört, insbesondere wenn es um den gleichzeitigen Einsatz von Typ A und Tyb B geht. Häufig hört man, dass ein Fehlerstromschutzschalter durch Gleichstrom „blind“ werden kann. Manchmal wird auch von einer magnetischen Sättigung oder Vormagnetisierung gesprochen. Teilweise wird auch erzählt, dass ein RCD vom Typ B hinter einem Typ A diesen „blind“ machen würde.
Richtig ist, dass ein RCD vom Typ A durch einen glatten Gleichfehlerstrom gesättigt werden kann und dadurch umganssprachlich „blind“ wird. Um dieses Verhalten zu verstehen, muss man sich die Hintergründe genauer angucken:
Magnetische Sättigung durch glatte Gleichfehlerströme
Der Summenstromwandler eines herkömmlichen RCD vom Typ A arbeitet elektromagnetisch. Fließt ein Wechselfehlerstrom durch den Summenstromwandler, entsteht ein zeitlich veränderlicher magnetischer Fluss. Dieser kann in der Sekundärwicklung einen Stromfluss induzieren, welcher zur Auslösung des Fehlerstromschutzschalters führt.
Bei einem glatten Gleichfehlerstrom ist das Verhalten anders.
Ein konstanter Gleichfehlerstrom erzeugt nach dem Einschwingvorgang keinen zeitlich wechselnden magnetischen Fluss. Gleichzeitig kann er den magnetischen Kern des Summenstromwandlers dauerhaft vormagnetisieren. Dadurch verschiebt sich der magnetische Arbeitspunkt des Kerns. Bei entsprechend hoher Vormagnetisierung kann der Kern in einen Bereich seiner Magnetisierungskennlinie gelangen, in dem er auf zusätzliche Wechselfehlerströme nicht mehr ausreichend reagiert.
Die Folge: Der RCD vom Typ A kann seine vorgesehenen Auslösekennwerte verändern oder im ungünstigsten Fall seine Schutzfunktion verlieren.
Der RCD wird dann umgangssprachlich als „blind“ bezeichnet. Dabei ist wichtig, dass ein RCD nicht schlagartig bei einem bestimmten Gleichfehlerstrom vollständig funktionsunfähig wird. Die Beeinträchtigung hängt unter anderem von der Höhe des Gleichfehlerstroms und der Konstruktion des Summenstromwandlers ab.
Ab welchem Gleichfehlerstrom wird ein RCD Typ A blind?
Im Zusammenhang mit der Vormagnetisierung von Typ-A-RCDs wird häufig ein Wert von 6 mA genannt. Dieser Wert ist jedoch nicht mit einer festen physikalischen Sättigungsgrenze gleichzusetzen. Die 6 mA stammen aus den Anforderungen an die zuverlässige Auslösung bei bestimmten Fehlerstromformen, die mit einem glatten Gleichfehlerstrom überlagert sind.
Oberhalb dieses Wertes kann die Funktion eines vorgeschalteten Typ-A-RCDs nicht mehr als gegeben angenommen werden. Das bedeutet nicht, dass jeder RCD bei 6,1 mA sofort vollständig blind wird. Je nach Gerät kann die Schutzfunktion zunächst nur teilweise beeinträchtigt sein.
Die mögliche Beeinträchtigung reicht von veränderten Auslösewerten bis zum vollständigen Ausbleiben einer Auslösung im Fehlerfall.
Typ A und Typ B in Reihe schalten: Wo liegt das Problem?
Besonders kritisch kann es werden, wenn ein Fehlerstromschutzschalter vom Typ B hinter einem RCD vom Typ A installiert wird.
Ein gewöhnlicher Typ-B-RCD erkennt zwar glatte Gleichfehlerströme. Ein Typ-B-RCD mit einem Bemessungsdifferenzstrom von 30 mA hat jedoch einen Auslösebereich bei glattem Gleichfehlerstrom zwischen 15 mA und 60 mA. Dagegen kann es bei einem Typ-A-RCD bereits bei 6mA zu einer Sättigung des Summenstromwandlers kommen.
Das bedeutet, dass ein glatter Gleichfehlerstrom oberhalb von 6 mA durch beide hintereinandergeschalteten RCDs fließen kann, der Typ B RCD aber erst bei 15mA frühstens auslöst.
Nun könnte man meinen das ist nicht schlimm, der Typ B wird ja auslösen, wenn der Gleichfehlerstrom 15mA erreicht. Das Problem: Der vorgeschaltete RCD vom Typ A wird „blind“, sein Summenstromwandler ist gesättigt. Er wird dann auch bei anderen Fehlerströmen nicht mehr auslösen.
Beispiel: Zwei RCDs mit jeweils 30 mA
Angenommen, eine elektrische Anlage besitzt folgende Anordnung:
Hauptverteilung → RCD Typ A (30 mA) → UV → RCD Typ B (30 mA) → Betriebsmittel
Der angeschlossene Verbraucher erzeugt aufgrund eines Fehlers einen glatten Gleichfehlerstrom von beispielsweise 12 mA.
Dieser Fehlerstrom liegt oberhalb der 6-mA-Grenze, bis zu der die zuverlässige Funktion des Typ-A-RCDs gegeben ist. Für den nachgeschalteten Typ-B-RCD liegt der Strom dagegen noch unterhalb der Auslöseschwelle von 15 mA für glatten Gleichfehlerstrom. Der Typ B muss bei diesem Strom deshalb nicht auslösen.
Der glatte Gleichfehlerstrom kann somit bestehen bleiben und gleichzeitig den vorgeschalteten RCD vom Typ A vormagnetisieren, sprich der RCD Typ A ist blind.
Entsteht nun in einem anderen Stromkreis, der ebenfalls am Typ A RCD hängt ein zusätzlicher Wechselfehlerstrom, kann dessen Erkennung beeinträchtigt sein. Der RCD-Typ-A ist gesättigt, er erkennt damit keinen weiteren Fehler mehr. Er wird also nicht auslösen, wenn hier ein weiterer Fehler auftritt. Besonders problematisch ist dabei, dass nicht nur der Stromkreis mit dem Typ-B-RCD betroffen ist, sondern auch weitere Stromkreise, die über den vorgeschalteten Typ A geschützt werden.
Bei welchem glatten Gleichfehlerstrom löst ein RCD Typ B aus?
Für gewöhnliche allstromsensitive Fehlerstromschutzschalter des Typs B gelten bei glatten Gleichfehlerströmen bestimmte Auslösegrenzen. Doepke gibt beispielsweise an, dass der Auslösebereich zwischen dem 0,5-Fachen und dem 2-Fachen des Bemessungsdifferenzstroms IΔn liegt.
Daraus ergeben sich folgende Werte:
| Bemessungsdifferenzstrom IΔn | Auslösebereich bei glattem DC |
|---|---|
| 30 mA | 15 bis 60 mA |
| 100 mA | 50 bis 200 mA |
| 300 mA | 150 bis 600 mA |
| 500 mA | 250 bis 1.000 mA |
Spezielle Geräteausführungen können davon abweichende Auslösecharakteristiken besitzen. Die Tabelle zeigt, warum ein gewöhnlicher Typ-B-RCD mit 30 mA hinter einem Typ-A-RCD problematisch sein kann. Ein glatter Gleichfehlerstrom von beispielsweise 10 mA kann den vorgeschalteten Typ A bereits beeinträchtigen, obwohl der nachgeschaltete Typ B noch nicht auslösen muss.
Technische Lösung: Spezielle Typ-B-RCDs mit 6-mA-DC-Auslösung
In fest installierten elektrischen Anlagen, lässt sich dieses Problem durch eine vernünftige Planung vermeiden. Eine größere Herausforderung sind hier mobile Anwendungen. Ein typisches Beispiel sind mobile Stromverteiler beispielsweise auf Baustellen und Veranstaltungen. Diese werden häufig an bestehende Installationen angeschlossen, z.b. an einer CEE-Steckdose die bereits über einen Typ A RCD geschützt ist. Viele Baustromverteiler haben intern aber RCDs vom Typ B. Um dieses Problem zu umgehen, gibt es spezielle Typ-B-RCDs, die bereits bei 6mA DC-Fehlerströmen auslösen.
Ein Beispiel sind die Geräte der Baureihe DFS 4 B SK MI des Herstellers Doepke. Die Abkürzung MI steht dabei für „Mobile Installation“.
Diese Geräte wurden insbesondere für Anwendungen entwickelt, bei denen ein mobiler Stromverteiler an eine bestehende elektrische Anlage angeschlossen wird und der Typ des vorgeschalteten RCD möglicherweise nicht bekannt ist.
Wie funktioniert ein Typ-B-RCD in MI-Ausführung?
Im Gegensatz zu einem gewöhnlichen Typ-B-RCD besitzt die spezielle MI-Ausführung eine zusätzliche, niedrigere Auslöseschwelle für glatte Gleichfehlerströme. Nach den Herstellerangaben schalten diese Geräte bei einem glatten Gleichfehlerstrom im Bereich von 6 mA ab. Damit soll verhindert werden, dass ein vorgeschalteter Typ-A-RCD durch einen höheren glatten Gleichfehlerstrom unzulässig vormagnetisiert wird.
Die MI-Ausführung kombiniert somit die Erkennung unterschiedlicher Fehlerstromformen eines allstromsensitiven RCD mit einer zusätzlichen Schutzfunktion gegenüber vorgeschalteten RCDs.
Wird ein RCD vom Typ A durch den Typ B „blind“?
Diese Frage stellt sich sehr häufig und leider wird sie auch von Fachkräften häufig falsch dargestellt. Häufig wird unterstellt, sobald ein RCD vom Typ B hinter einem Typ A installiert wird, wird der RCD vom Typ A blind. Das ist so pauschal jedoch falsch. Blind bzw. vormagnetisiert wird der RCD vom Typ A durch den glatten Gleichfehlerstrom – nicht durch den nachgeschalteten RCD Typ B. Würde man das gleiche Betriebsmittel ohne RCD-Typ-B an einen RCD-Typ-A installieren, würde dieser ebenso blind werden. Entscheidend ist, dass der richtige RCD für den richtigen zu erwartenden Fehlerstrom ausgewählt wird.
Wichtige Normen
Für die Frage nach dem richtigen RCD-Typ sind unter anderem folgende Normen relevant:
- DIN VDE 0100-530: Auswahl elektrischer Betriebsmittel zum Trennen und Schalten
- DIN EN 61008-1 (VDE 0664-10): Allgemeine Anforderungen an Fehlerstromschutzschalter ohne eingebauten Überstromschutz (RCCB).
- DIN EN 62423 (VDE 0664-40): Anforderungen an Fehlerstromschutzschalter der Typen F und B.
- DIN VDE 0100-410: Schutz gegen elektrischen Schlag.
- DIN VDE 0100-704: Anforderungen an elektrische Anlagen auf Baustellen.
- DIN VDE 0100-600: Erstprüfung elektrischer Anlagen.
Quellen und weitere Informationen
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Doepke – Allstromsensitive Fehlerstromschutzschalter (Allstrom Handbuch)– Umfassende technische Informationen zu allstromsensitiven Fehlerstromschutzschaltern, Auslösekennlinien und Reihenschaltungen.
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Doepke – Fehlerstromschutz auf Baustellen (PDF) – Praxisbeispiele für mobile Verteiler und die Reihenschaltung unterschiedlicher RCD-Typen.
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Doepke – Typ B SK MI: Technische Produktinformationen – Herstellerangaben zur speziellen Ausführung des RCD Typ B für mobile Anwendungen
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Doepke – Fachartikel zur DIN VDE 0100-530 – Erläuterungen zur Auswahl von RCDs nach den zu erwartenden Fehlerstromformen.
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Doepke – Allstromsensitive Fehlerstromschutzschalter Typ B – Eigenschaften und Anwendungsbereiche.