Fehlerstrom & RCD

Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen (auch: RCD oder FI-Schalter) können lebensrettend sein. Denn sie schalten Stromkreise ab, wenn ein Fehlerstrom erkannt wird. Dies ist z.B. bei Kontakt mit Lebewesen der Fall. Aufgrund dieser wichtigen Aufgabe sind RCDs in Deutschland in jedem Steckdosen-Stromkreis gesetzlich vorgeschrieben.

Wie erkennt ein RCD aber, ob im Stromkreis Kontakt mit Lebewesen besteht? Was ist ein Fehlerstrom und wie ensteht er?

simpleclub verschafft dir den Überblick.

Fehlerstrom & RCD einfach erklärt

Du hast sicher schon mal einen Blick in einen Sicherungskasten geworfen. Vielleicht ist dir dabei aufgefallen, dass dort neben einigen Leitungsschutzschaltern (umgangssprachlich auch: Sicherungen) ein RCD zu finden ist. Im Deutschen ist auch der Begriff FI-Schalter geläufig.

Die Hauptaufgabe von RCDs ist es, Lebewesen bei Kontakt zum Stromkreis zu schützen. Bei Kontakt eines Lebewesens mit einem stromführenden Leiter entsteht ein Fehlerstrom. Denn der Strom fließt nicht mehr vollständig über den Neutralleiter ab, sondern teilweise über das Lebewesen. Je nachdem, mit welchem Körperteil der Kontakt besteht, sind schon Ströme ab 40\text{ mAh}40 mAh40\text{ mAh}, die durch den Körper fließen, tödlich.
RCDs sind in der Lage, auch diese kleinen Fehlerströme zu erkennen und innerhalb kürzester Zeit den Stromkreis abzuschalten.
Darüber hinaus dienen RCDs dem Brandschutz. Fehlerströme, die Brände verursachen können, werden ebenfalls erkannt und führen zu einer Abschaltung des Stromkreises durch den RCD.

Definition Fehlerstrom & RCD

Als Fehlerstrom wird ein Strom bezeichnet, der in einem Stromnetz nicht über den regulären Weg des Nullleiters abfließt. Der Grund ist eine Fehlerstelle oder der Kontakt zu Lebewesen.
Ein RCD (auch: Fehlerstrom-Schutzeinrichtung oder FI-Schalter) schützt Lebewesen vor einem lebensgefährlichen Stromschlag und dient dem Brandschutz. Er erkennt bereits kleinste Fehlerströme und schaltet das Stromnetz innerhalb kürzester Zeit ab.


Fehlerstrom & RCD Erklärung

Der Aufbau unseres Netzsystems ist eine wichtige Grundlage für das Verständnis von Fehlerschutz und RCDs.

TN-C-S Netzsystem

In Deutschland und Europa sind die Hausanschlüsse normalerweise nach dem TN-C-S System aufgebaut. Dahinter steckt das folgende Prinzip:

Es kommen zunächst zwei Leitungen aus dem Kraftwerk bzw. der Trafostation ins Haus:

  • Stromführende Außenleiter L1, L2 und L3 (auch: Phase)
  • Kombinierter Neutral- und Schutzleiter PEN

Im Haus wird der PEN-Leiter geerdet und aufgetrennt in Schutzleiter PE und Neutralleiter N.

Im Haus besteht eine Stromleitung deshalb aus drei Adern:

  • Stromführender Außenleiter L1, L2 oder L3
  • Neutralleiter N
  • Schutzleiter PE
TN-C-S Hausanschluss
Übersicht
Beschriftung
TN-C-S
Bedeutung der einzelnen Buchstaben in einem TN-C-S Netzsystem
Bedeutung der einzelnen Buchstaben in einem TN-C-S Netzsystem

Fehlerstrom

Als Fehlerstrom wird ein Strom bezeichnet, der in einem Stromnetz nicht über den regulären Weg von Verbraucher und Nullleiter abfließt, sondern über andere Medien. Ein anderer Begriff für Fehlerstrom ist auch Kriechstrom.
Der Grund für diese Ströme ist meist eine Fehlerstelle. Dies kann z. B. sein:

  • Kurzschluss
    Bei einem Kurzschluss ist ein stromführender Leiter L ohne Verbraucher oder Widerstand mit der Erdung verbunden. In der Regel mit dem Neutralleiter N oder dem Schutzleiter PEN, die jeweils geerdet sind.
    Es fließt kurzzeitig ein sehr hoher Strom. Der Stromkreis wird unterbrochen, indem der Leitungsschutzschalter (auch: LS-Schalter) auslöst.
  • Körperschluss
    Mit „Körper“ ist nicht der menschliche Körper gemeint, sondern ein leitfähiges Gehäuse einer elektrischen Einrichtung, z. B. das metallene Gehäuse einer Lampe. Wenn der stromführende Leiter L Kontakt mit einem Körper hat, wird von Körperschluss gesprochen. Da der Schutzleiter PE immer an den Körper angeschlossen werden muss, fließt der Strom über den PE-Leiter ab. Der Stromkreis ist ohne Verbaucher oder Widerstand geerdet, so entsteht ein Kurzschluss.
    Der Leitungsschutzschalter löst aus.
  • Fehlerhafte Isolierung
    Eine fehlerhafte Isolierung kann auf verschiedene Arten zu einem Fehlerstrom führen. Besteht aufgrund der Fehlerstelle Kontakt zu einem elektrisch leitenden Gehäuse, liegt Körperschluss vor.
    Es reicht aber bereits der Kontakt des Isolierfehlers zu einer feuchten Wand. Darüber können kleine Ströme abfließen, ohne den regulären Weg über das Leitungsnetz zu gehen: ein Fehlerstrom entsteht.
    Bei kleinen Fehlerströmen löst der RCD aus und unterbricht den Stromkreis.

RCD

Bei einem RCD handelt es sich um eine Fehlerstrom-Schutzeinrichtung. Das heißt, der RCD erkennt Fehlerströme und schaltet in diesem Fall einen Stromkreis ab.
Die englische Abkürzung RCD steht für:
Residual Current Protective Device
Im Deutschen ist auch die Bezeichnung „FI-Schalter“ üblich. Das F steht für Fehler, während das I das Formelzeichen für elektrischen Strom ist.

Es gibt Fehlerströme unterschiedlicher Stärke.

  • Bei hohen Fehlerströmen, z. B. ein Kurzschluss, löst der Leitungsschutzschalter (auch: LS-Schalter) aus.
  • Für niedrige Fehlerströme, z. B. Kontakt mit einem Lebewesen, wird ein RCD benötigt.

Funktion RCD

Die grundlegende Funktion eines RCDs kann einfach erklärt werden:
Es wird verglichen, ob der gleiche Strom, der durch den L-Leiter zum Verbraucher fließt, über den N-Leiter auch wieder zurückfließt.
Erinnerung: In einem unverzweigten Stromkreis fließt immer gleich viel Strom. An Verbrauchern fällt die Spannung ab, aber nicht der Strom.

Wenn der RCD nun registriert, dass über den N-Leiter weniger Strom abfließt, als durch den L-Leiter hingeflossen ist, muss an einer Stelle im Stromkreis der Strom anderweitig, d. h. nicht über das reguläre Stromnetz abfließen. In anderen Worten: Es liegt ein Fehlerstrom vor.

Wenn ein Kurzschluss zwischen L- und N-Leiter besteht, wäre das zwar sehr gefährlich, aber der RCD würde nicht auslösen. Denn trotz des hohen Kurzschlussstroms fließt der Strom über den N-Leiter ab. Aufgrund des hohen Stroms löst aber der Leitungsschutzschalter aus.
Aus diesem Grund darf ein RCD nur in Kombination mit einer Überstrom-Schutzeinrichtung, z. B. ein LS-Schalter, betrieben werden.

Bei Kontakt mit einem Lebewesen ist der Fehlerstrom genau der Strom, der über das Lebewesen abfließt, statt über den N-Leiter. Aufgrund des sehr hohen Widerstands eines Lebewesens fließt nur ein sehr geringer Fehlerstrom, je nach Berührstelle zwischen 101010 und 200 \text{ mAh}200 mAh200 \text{ mAh}. Die Verbraucher im Stromkreis können aufgrund des geringen Fehlerstroms unbeeinträchtigt weiter betrieben werden.
Hier kommt ein RCD ins Spiel. Er erkennt die geringe Differenzstromstärke aufgrund des Fehlerstroms und schaltet den Stromkreis innerhalb kürzester Zeit ab. Dadurch kann Leben gerettet werden. Deshalb ist in Deutschland ein RCD in jedem Steckdosenstromkreis gesetzlich vorgeschrieben.

Das Auslösen eines RCDs erfolgt durch folgene Schritte:

  • Im Normalbetrieb erzeugen L- und N- Leiter im Eisenringkern jeweils ein Magnetfeld. Diese zwei Magnetfelder sind entgegen gerichtet und heben sich auf.
  • Liegt ein Fehlerstrom vor, fließt über den N-Leiter ein geringerer Strom zurück, was ein schwächeres Magnetfeld zur Folge hat. Die Magnetfelder heben sich nicht mehr auf, im Eisenkern herrscht ein geringes, sich wechselndes Magnetfeld.
  • Dieses Magnetfeld im Ringeisenkern induziert eine Spannung in der Fehlerstromspule. Über eine weitere Spule, die einen kleinen Eisenkern mit Verlängerung bewegt, wird der Stromkreis mechanisch unterbrochen.
  • Zusätzlich gibt es eine Prüftaste, mit der die Funktion des RCDs getestet werden kann. Dabei wird die L-Spule überbrückt, sodass sich die Magnetfelder im Eisenringkern nicht mehr aufheben. Dies führt zur Auslösung des RCDs.

In der Animation kann die Funktion eines RCDs Schritt für Schritt nachvollzogen werden:

Eigenschaften RCD

Schaltzeichen

Ein RCD kann in einem Schaltplan entweder allpolig oder einpolig dargestellt werden.
Eine allpolige Darstellung zeigt alle drei Phasen L1, L2 und L3. Eine einpolige Darstellung fasst die verschiedenen Stränge zu einer Linie zusammen.

In der Tabelle sind die entsprechenden Schaltzeichen dargestellt:

Schaltzeichen RCD

Allpolige Darstellung

Einpolige Darstellung

Allpolige Darstellung RCD
Einpolige Darstellung RCD
Kenndaten

Je nach Anwendung gibt es verschiedene Arten von Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen (auch: RCD).

Ein RCD, der in der Hausinstallation eingesetzt wird, gehört zur Unterkategorie RCCB (Residual Current Operated Circuit Breaker) und zum Typ A.
Um Lebewesen vor lebensgefählichem Strom zu schützen, löst er spätestens bei einem Fehlerstrom bzw. Differenzstromstärke von 30 \text{ mAh}30 mAh30 \text{ mAh} aus.
Die Auslösezeit bei Auftreten eines Fehlerstroms muss bei unter 0,4\text{ s}0,4 s0,4\text{ s} liegen.

Auf einem RCD sind die wichtigen Kenndaten aufgedruckt:

RCD mit Kennwerten
RCD mit aufgedruckten Kennwerten

Beispiel Fehlerstrom & RCD

Fehlerströme im Haus

In der Animation kannst du folgende Fehlerströme simulieren:

  • Körperkontakt
    Aufgrund einer fehlerhaften Isolierung hat ein stromführender Leiter Kontakt mit dem leitenden Gehäuse der Lampe. Der hohe Fehlerstrom fließt über den Schutzleiter ab, es entsteht ein Kurzschluss.
    Der Leitungsschutzschalter löst aus.
  • Kontakt mit einem Lebewesen
    Jan fasst mit seiner Hand an einen offenliegenden, stromführenden Leiter. Über Jan fließt ein kleiner, aber lebensgefährlicher Fehlerstrom in den Boden ab.
    Der RCD erkennt diesen kleinen Fehlerstrom und löst aus.
Nachdem du einen Fehlerstrom aktiviert hast, musst du auf die entsprechende Schutzeinrichtung tippen, um den Stromkreis zu unterbrechen.
Normalzustand
Lebewesen
Körperkontakt
Fehlerstrom an Hochspannungsleitungen

Hochspannungsleitungen müssen besonders gegenüber Fehlerströmen abgesichert sein. Denn bei hoher Spannung kann der Strom trotz hoher Widerstände einfacher einen für ihn nicht vorgesehen Weg nehmen, um abzufließen: Das würde einen Fehlerstrom verursachen.

Damit kein Strom von den Hochspannungsleitungen über die Masten in die Erde fließt, sind besondere Isolatoren notwendig.
Ein Strommast ist ständig dem Wetter ausgesetzt. Dabei bildet sich mit der Zeit an der Oberfläche des Isolators ein Schmutzfilm, der besser leitet. Nässe und Feuchtigkeit begünstigen ebenfalls die Leitfähigkeit an der Oberfläche des Isolators. Um den Weg für den möglichen Fehlerstrom möglichst lang zu machen und damit den Widerstand zu erhöhen, besitzen Isolatoren eine gerippte Oberfläche.
Man nennt den Fehlerstrom auch Kriechstrom und seinen Weg Kriechweg.

Aktiviere den Zoom, um den Kriechweg am Isolator zu sehen.

Zusammenfassung Fehlerstrom & RCD

Eine Fehlerstrom ist ein Strom, der nicht regulär über das Stromnetz abfließt, sondern über andere Wege. Mögliche Fehlerarten sind:

  • Kurzschluss
  • Körperkontakt (metallische Gehäuse)
  • Fehlerhafte Isolierung
  • Kontakt mit Lebewesen

Ein RCD erkennt bereits kleine Fehlerströme und schaltet daraufhin das Stromnetz ab. Damit werden Lebewesen geschützt und Brände verhindert.
In der Hausinstalltion werden sogenannte RCCBs vom Typ A eingesetzt. Sie lösen ab einem Fehlerstrom von 30 \text{ mAh}30 mAh30 \text{ mAh} aus, der für einen Menschen schon lebensgefährlich sein kann. Der Stomkreis wird daraufhin in weniger als 0,4 \text{ s}0,4 s0,4 \text{ s} abgeschaltet.

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