Zusätzlich zu Sicherungen oder Leitungsschutzschaltern kommen heute in elektrischen Anlagen vermehrt Fehlerstromschutzschalter (auch FI-Schutzschalter oder RCD Residual Current protective Device) vor. Sicherungen schützen die elektrischen Anlagen primär vor Kurzschlüssen und Bränden. Die Fehlerstromschutzschalter hingegen sorgen für einen zuverlässigen Personenschutz. Sie erfassen Fehlerströme gegen Erde, zum Beispiel hervorgerufen durch einen Isolationsfehler, und schalten diese ab, bevor Personen gefährdet werden. Das Problem dabei ist, dass ein RCD nicht unterscheiden kann zwischen Ableitströmen, die im normalen Betrieb entstehen, und gefährlichen Fehlerströmen. Insbesondere Frequenzumrichter (FU), die es für den energieeffizienten Betrieb von Motoren braucht, verursachen große Ableitströme. Aber auch die Kapazitäten der Leitungen und die Netzfilter, die zur Einhaltung der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) nötig sind, erzeugen zusätzlich Ströme gegen Erde. Die Summe aller Ableitströme kann so den Fehlerstromschutzschalter zum Ansprechen bringen und alle Verbraucher am gleichen Leitungsstrang abschalten. Dies hat Maschinenstandzeiten zur Folge, verursacht Produktionsausfälle und damit erhebliche Kosten. Doch es gibt Mittel gegen zu hohe Ableitströme, um einen effizienten aber auch sicheren Betrieb zu garantieren.

Auf einen Blick

FI-Schutzschalter lösen oft unnötigerweise aus. Das Problem ist dabei, das sie nicht zwischen Ableitströmen, die im normalen Betrieb entstehen, und gefährlichen Fehlerströmen unterscheiden können. Hier sind Spezialisten gefragt. Bei Schurter stehen die sichere Stromzuführung und die einfache Bedienung von Geräten im Mittelpunkt. Die große Produktpalette umfasst Standardlösungen im Bereich Geräteschutz, Gerätestecker und -verbindungen, EMV-Produkte, Eingabesysteme und EMS-Dienstleistungen. Wo Standardprodukte nicht genügen, erarbeitet Schurter kundenspezifische Lösungen.

Ableitstrom versus Fehlerstrom

Unter Ableitstrom versteht man den Strom, der in einem fehlerfreien Stromkreis zur Erde oder zu einem fremden leitfähigen Teil fließt. Das heißt, der Strom fließt nicht durch den Nullleiter zurück. Gleiches macht ein Fehlerstrom, der aufgrund eines Isolationsfehlers zwischen spannungsführenden Leitern zu Erde zurückfließt. Auch wenn eine Person einen unter Spannung stehenden Leiter direkt berührt, fließt ein Fehlerstrom gegen Erde. Der vorgeschaltete RCD detektiert diesen Fehlerstrom und unterbricht den Stromkreis sofort.

Bild 1: RCD unterbrechen den Stromkreis und verhindern damit Unfälle.

Bild 1: RCD unterbrechen den Stromkreis und verhindern damit Unfälle. Schurter

Solche Fehlerströme haben einen hohen ohmschen Anteil, im Gegensatz zu den Ableitströmen, die überwiegend kapazitiv sind. Der RCD kann aber nicht zwischen den verschiedenen Erdströmen unterscheiden. Deshalb kann er bereits auslösen, wenn die Summe aller Ableitströme über dem Auslöseschwellwert liegt. Dies ist auch im normalen Betrieb möglich, ohne dass ein Fehler vorliegt.

Die Ableitströme sind abhängig vom Aufbau eines Antriebssystems, von der Netzspannung, Pulsweitenmodulations-Frequenz des Umrichters, Leitungslänge und den eingesetzten Störschutzfiltern. Weiter haben Netzimpedanz und das Erdungskonzept der Anlage einen wesentlichen Einfluss.

Ableitströme von Frequenzumrichtern

Sowohl beim 1-Phasen-FU als auch beim 3-Phasen-FU wird zuerst die Netzspannung über eine Brückenschaltung gleichgerichtet und geglättet. Der Wechselrichter formt daraus eine Ausgangsspannung, die in Spannungsamplitude und Frequenz, entsprechend der gewünschten Motordrehzahl, variieren kann.

Bild 2: Typische Ableitströme in einem Motorantrieb mit Frequenzumrichter.

Bild 2: Typische Ableitströme in einem Motorantrieb mit Frequenzumrichter. Schurter

Ableitströme im Frequenzumrichter entstehen durch die internen Entstör-Maßnahmen und alle parasitären Kapazitäten im FU und Motorkabel. Die größten Ableitströme verursacht aber die Arbeitsweise des Frequenzumrichters. Dieser regelt stufenlos die Motordrehzahl mit einer Pulsbreitenmodulation (PWM). Dabei entstehen Ableitströme weit oberhalb der Netzfrequenz von 50 Hz. So kann die Schaltfrequenz des FU zum Beispiel 4 kHz betragen, die dazugehörigen Oberwellen aber sehr hohe Amplituden in höheren Frequenzen haben. Diese Frequenzen gehen über die Motorleitung zum Motor. Dabei wirkt die Motorleitung mit geerdeter Abschirmung wie ein Kondensator gegen Erde. Über diese Kapazität werden Ströme gegen Erde abgeleitet. Es empfiehlt sich, gefilterte und ungefilterte Leitungen zu trennen, da sonst die hochfrequenten Störsignale auf das gefilterte Kabel übertragen werden können.

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