Date post: | 04-Jul-2015 |
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Grundlagen SchulungFehlerstromschutzschalter
Überblick
Gefahren des elektrischen Stroms
Gefahrensituationen
Elektrounfälle
Schutzmassnahmen
Personenschutz
Brandschutz
Aufbau und Funktion FI
Funktionsprinzip
Bestandteile FI-Schutzschalter
Bauarten FI
Unerwünschte Auslösungen
durch Installationsfehler
durch kapazitive Ableitströme
durch äussere Einflüsse
Inhalt
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© ABB Group
Überblick
Gefahren des elektrischen Stroms
Warum Fehlerstromschutz?
Gefahrensituationen
Elektrounfälle Statistik
Schutzmassnahmen
Personenschutz
Brandschutz
Aufbau und Funktion FI
Unerwünschte Auslösungen
Inhalt
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Gefahren Warum Fehlerstromschutz?
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„Strom“ ist mit menschlichen Sinnen
nicht erfassbar: Gefahr !!!
FI-Schutzschalter:
Schutz des Menschen bei direkter
und indirekter Berührung Brandschutz
Hilft, als Zusatzschutz die Anzahl
der tödlichen Elektrounfälle
zu vermindern
Heute die Nase, morgen die
Steckdose?
Gefahren Gefahrensituationen
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Indirekte Berührung
Direkte Berührung
Brandgefahr
GefahrenGefahrensituationen für den Mensch
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Defekt nahe beim Neutralleiter: kaum Fehlerstrom
Fehlerstrom fliesst überwiegend über Erdung des defekten Gehäuses ab: IF2 << IF1
wie , Leitungsschutzschalter schaltet ab
Schutzleiter unterbrochen: Strom fliesst komplett über den Mensch
Direkte Berührung, Strom fliesst komplett über den Mensch, volle Netzspannung
ElektrounfälleStatistik tödliche Elektrounfälle CH
Month DD, Year | Slide 7
3.4
2.8
3.2
3.63.8
3.4
1.82.0
1.6
1.2 1.2
1.6
5.2
4.8 4.8
5.25.0
4.6
0
2
4
6
1993-1997 1994-1998 1995-1999 1996-2000 1997-2001 1998-2002
BU NBU BU+NBU
5-Jahres-Durchschnitte
1993 - 2002
BU Berufsunfälle
NBU Nichtberufsunfälle
Einwirkung:
94% Durchströmung
6% Flammbogen
ElektrounfälleStatistik Elektro-Berufsunfälle
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* bezogen auf die 1075 Elektro-Berufsunfälle von 1993 bis 2002 (CH)
Einwirkung: 69% Durchströmung
31% Flammbogen
SchutzmassnahmenSchutzprinzip
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Basisschutz
Fehlerschutzbei 1. Fehler
Zusatzschutzbei 2. Fehler
Beim Auftreten eines einzigen Fehlers darf keine Gefahr entstehen.
Ein Basisschutz schützt gegen direktes Berühren.
Falls der Basisschutz versagt, sorgt der Fehlerschutz
dafür, dass auch weiterhin keine Gesundheitsgefährdung
durch elektrischen Schlag auftritt.
Falls auch der Fehlerschutz versagt oder spannungs-
führende Teile direkt berührt werden, können Fehlerstrom-
Schutzeinrichtungen für Zusatzschutz sorgen.
SchutzmassnahmenUrsachen für elektrischen Schlag
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Direkte Berührung Berührung von Teilen,
die betriebsmässig
unter Spannung stehen.
Berühren von leitfähigen Teilen
(Körper eines Geräts),
die nur infolge eines Fehlers
unter Spannung stehen.
Indirekte Berührung
SchutzmassnahmenSchutz gegen
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indirektes Berührendirektes Berühren
Isolierung aktiver Teile
Abdeckungen, Umhüllun
gen
Hindernisse, Abstand
Schutzkleinspannung
Funktionsklein-
spannung
Hauptpotentialausgleich
Schutzisolierung
Schutztrennung
Abschaltung, Fehlermeld
ung
Schutzkleinspannung
Funktionskleinspannung
Abschaltung
zusätzlicher
Potentialausgleich
SchutzmassnahmenBasisschutz: Schutzgrade IP XY
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4K mit erhöhtem Druck
6K mit erhöhtem Druck
Eindringen von WasserBerührungs- und
Fremdkörperschutz
0 kein Schutz
1 Handrücken, Ø > 50mm
2 Finger, Ø > 12.5mm
3 Werkzeug, Ø > 2.5mm
4 Draht, Ø > 1mm
5 staubgeschützt
6 staubdicht
DIN EN 60529
0 kein Schutz
1 Tropfwasser senkrecht
2 Tropfwasser bis 15° Neigung
3 Sprühwasser
4 Spritzwasser
5 Strahlwasser
6 Strahlwasser stark
7 Untertauchen zeitweilig
8 Untertauchen dauernd
IP 2X Schutz gegen direktes Berühren
IP XX B erhöhter Berührungsschutz
9K Hochdruck- / Dampfstrahl-Reinigung
SchutzmassnahmenFehlerschutz: Schutzklassen
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Ausführung
I
II
III
Klasse
Leitende Umhüllung der Körper
mit Schutzleiteranschluss
Isolierende Umhüllung
Schutzkleinspannung
PersonenschutzWirkung von Strömen auf den Mensch
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Physiologisch
Muskulatur in Funktion
beeinträchtigt
Verkrampfen, Nicht-Loslassen
Bewusstlosigkeit
Atemstillstand
Herzstillstand
Herzkammerflimmern
Physikalisch
Strommarken an den Eintrittsstellen
Innere Verbrennungen
Gerinnung von Eiweiss
(Hämoglobin)
Chemisch
Zersetzung der Zellflüssigkeit
(bei Gleichstrom)
Personenschutz Wirkung von Strömen auf den Mensch
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abhängig von
Stromstärke
Widerstand der durchflossenen
Körperteile
(abhängig von Spannung)
Stromart
Frequenz / Signalform
Einwirkungsdauer
PersonenschutzAuswirkung von Körperströmen
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Loslassgrenze
Muskelkrampf
Herzkammerflimmern / Tod
Glühbirne 100W
Normaler Leitungsschutz
in einer Hausinstallation
Ameisenhaufen Berührung
Hand-Fuss-Lederschuh
Berührung
Hand-Hand
Berührung
grossflächig, nass
PersonenschutzKörperstrom AC / Einwirkungszeit
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Nicht wahrnehmbar
- keine Reaktion
Wahrnehmbar
- keine Gefahr
Temporär Beschwerden
- Muskelkrämpfe
- Atem / Herz
reversibel, nur solange
Strom einwirkt
Lebensgefahr
- Herzkammerflimmern
- Herzstillstand
- Atemstillstand
- Verbrennungen (>3A)
Personenschutz Körperstrom AC/DC / EInwirkungszeit
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Nicht wahrnehmbar
- keine Reaktion
Wahrnehmbar
- keine Gefahr
Temporär Beschwerden
- Muskelkrämpfe
- Atem / Herz
reversibel, nur solange
Strom einwirkt
Lebensgefahr
- Herzkammerflimmern
- Herzstillstand
- Atemstillstand
- Verbrennungen (>3A)
PersonenschutzKöperwiderstand Verteilung
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Angaben in %
bezogen auf
Hand - Fuss
PersonenschutzKörperwiderstand Faustregel
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RK
L
1L
2L
3N
P
E
RB
RB
RB
RBR
E
Berührung RK 400 500 Ω
grossflächig, nass IK 460 575 mA
Hand Hand RK 1000 3000 Ω
IK 77 230 mA
Hand - nackte Füsse RK 1200 1500 Ω
IK 155 190 mA
Hand - Füsse - RK 5000 15000 Ω
trockene Lederschuhe IK 15 46 mA bei 230V
Brandschutz
Kriechströme über brennbare Materialienstellen Brandgefahr dar
Ursache für „unvollkommene“ Kurz- oder Erdschlüsse:
Isolation defekt
Schmorstellen an Klemmen
Windungsschlüsse (Überlastung, Alterung)
eindringende Feuchtigkeit, Kondenswasser
leitfähige Stäube oder Ablagerungen
Entzündung möglich:
Ab Wärmeleistung 60 .. 100 W,
freigesetzt in kleinem Volumen (mm3)
über ausreichend lange Zeit,
brennbare Stoffe und O2in der Nähe.
Brandschutz
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Dauerstrom I Leistung P
bei U=230 V
Für einen Brand mind. erforderlich:
0.26 A 60 W
0.43 A 100 W
Schutzorgane:
BrandschutzBrandschutz durch FI
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P = U · I
LS-Schalter B/C 16 A 18 A 4’140 W
Schmelzeinsatz 10 A 15 A 3’450 W
FI mit IΔN = 500 mA 0.5 A 115 W
FI mit IΔN = 300 mA 0.3 A 69 W
FI mit IΔN = 30 mA 0.03 A 6.9 W
Funktion FIInhalt „Aufbau und Funktion FI“
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Gefahren des elektrischen Stroms
Aufbau und Funktion FI
Funktionsprinzip
Bestandteile FI-Schutzschalter
Summenstromwandler
Magnetauslöser
Schaltschloss
Kontakte
Bauarten FI, Einsatzbereiche
Stromformen
Temperatur
Frequenz
Auslösezeiten
elektromechanisch elektronisch
Grenzen der FI-Schutzschaltung
Unerwünschte Auslösungen
Funktion FIPrinzip Differenzstrom
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Durchfluss an
Ein- und
Ausgang ist
gleich gross
Funktionierender
Apparat:
Zu- und ab-
fliessender Strom
sind gleich gross
Apparat mit
Isolationsdefekt:
Zu- und ab-
fliessender Strom
sind nicht mehr
gleich gross
Durchfluss
an Ein- und
Ausgang ist
nicht mehr
gleich gross
Funktion FIFunktion der FI-Schutzschaltung
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Wandler W
Sekundärwicklung A
Magnetauslöser MA
Schaltschloss S
Kontakte
Funktion FIPrüftaste
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BestandteileSchnitt FI-Schutzschalter 2-polig
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Wandler inkl.Wicklungen
Magnetauslöser
Schaltschloss(verdeckt)
Kontakte
Bestandteile FI Innenansicht FI-Schutzschalter 4-polig
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Wandler
Magnetauslöser
Schaltschloss
Kontaktträger(Kontakte verdeckt)
Primärwindungen
Sekundärwindungen
Signalaufbereitung
Prüfkreis
Anschlussklemmen
Bestandteile FISummenstromwandler
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Ringkern
gewickelt aus kristallinem Bandmaterial
hochwertige, weichmagnetische Ni-Fe-Legierung
Umhüllung: lackiert oder in Gehäuse
Primärwicklung
1 .. 3 Windungen
Anzahl beschränkt aus Dimensions- und thermischen Gründen
Sekundärwicklung
10 .. 1400 Windungen
Spezielle Ringkernwickelmaschinen
Kern
Primärwicklung
Sekundär-wicklung
Bestandteile FIMA7 – Bauteile
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Joch rechtsJoch links
Spule
Anker
Feder
Anker-Lager
Permanent-
magnet
Stössel
Bestandteile FISchaltschloss / Kontakte
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MA-Stössel entriegelt
Verklinkung
Kontakte öffnen
Während Abschaltung
wird MA zurückgesetzt
Bestandteile FIKontakte: Allpolige Abschaltung
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N unterbrochen
Potentialanhebung
Fehlerstrom
Abschaltung allpolig, auch N
FI Bauarten
1928 Patentanmeldung (RWE)
1951 Erste fabrikmässige Fertigung mit IΔN 0.5 .. 3A
1958 Aufnahme FI in VDE-Errichtungsbestimmungen
1962 Beginn fabrikmässige Fertigung mit IΔN 0.03A
1963 Erste Baubestimmung für FI (unverändert bis 1981)
1971 Europäische Bau- und Prüfbestimmung für FI
1977 Beginn internationale Bau- und Prüfvorschrift für FI
1981 Vorschrift: FI auch für pulsierende Gleichströme
1985 Vorschrift Erweiterung: Stossstromfestigkeit,Kurzschlussfestigkeit, Selektivität
1986 Vorstoss, inzwischen zurückgezogen:Spannungsabhängige FI
1987 Vorschrift für ortsveränderliche FI
1990 Internationaler Standard für FI
Historie der FI-Schutzschaltung
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FI BauartenPulsierende Gleichfehlerströme
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W
MA
AC
Typ A
FI BauartenGleichfehlerströme
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Typ B
FI BauartenEinsatzbereich Stromformen
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Wechselfehlerstrom
Pulsierender Gleichfehlerstrom
angeschnittene Halbwellen
Anschnittwinkel 90
Anschnittwinkel 135
Halbwellen + Gleichstrom 6mA
Glatter Gleichstrom
Höhere Ströme zugelassen als bei
reinem Wechselfehlerstrom, da
Gefährdung geringer
FI BauartenEinsatzbereich Temperatur
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Mit abnehmender Temperatur steigt der
Auslösestrom IΔ an.
Einsatzbereich ohne weitere Angabe:
- 5 ... + 40 C
Einsatzbereich mit Schneestern
- 25 ... + 40 C
FI BauartenEinsatzbereich Frequenz
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50 Hz Auslegung FI
60 Hz Funktion gewährleistet
162/3 Hz spezielle Abstimmung für Bahn
400 Hz spezielle Abstimmung für Flughafen
0
5
10
15
20
25
30
16 2/3 50 100 200 400 800 1'600
f [Hz]
I Δ / I Δ
N
FI BauartenVerzögerte FI
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Schnellstmögliche Abschaltung
ist nicht immer erwünscht.
Kurzzeitverzögerter FI FIK
Abschaltung wird um min. 10ms verzögert
Maximal zulässige Abschaltzeiten eingehalten
Anwendung bei unerwünschten Auslösungen
infolge kapazitiver Ableitströme
Realisierung: Elektronische Verzögerung
Selektiver FI FIS
Längere Abschaltzeit als unverzögerter und
kurzzeitverzögerter FI, kein Personenschutz
Beispiel:
Brandschutz: gesamte Anlage 300mA
Personenschutz: nur Steckdosen 30mA
K
S
VG
FI BauartenAuslösezeiten
Auslösezeiten [ms]
Fehlerstrom unverzögert kurzverzögert selektiv
FIK FIS
≤ 0.5 IΔN keine Ausl. keine Ausl. keine Ausl.
≤ 1 IΔN 0 .. 300 10 .. 300 130 .. 500
2 IΔN 0 .. 150 10 .. 150 60 .. 200
5 IΔN 0 .. 40 10 .. 40 50 .. 150
500 A 0 .. 40 10 .. 40 40 .. 150
zum Vergleich:
Abschaltzeiten beim Leitungsschutz
≤ 400 ms (Steckdosen)
≤ 5000 ms (fest angeschlossen)Month DD, Year | Slide 40
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FI BauartenPersonenschutz durch FI
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0.001
0.01
0.1
1
10
0 1 10 100 1'000 10'000 100'000
Körperstrom (mA)
Ein
wirkungszeit
(s)
Wahrnehmbar
- keine Gefahr
Temporär
Beschwerden
- Muskelkrämpfe
- Atem / Herz reversibel,
nur solange der Strom
einwirkt
Lebensgefahr
- Herzkammerflimmern
- Herzstillstand
- Atemstillstand
- Verbrennungen (>3A)
5% 50%
Nicht wahrnehmbar
- keine Reaktion
gültig für AC, f = 15 .. 100 Hz
Wahrnehmbar-
keitsschwelle
Loslass-
schwelle
Flimmer-
schwelle
FI
FIK
FIS
LS
Strompfad:
Linke Hand oder beide Hände
zu einem oder beiden Füssen
FI BauartenFehlerstromschutz vorgeschrieben
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gesamte Installation IΔN = 300 mA
feuergefährdete Räume
korrosionsgefährdete Räume
explosionsgefährdete Räume
landwirtschaftliche Betriebsstätten
Steckdosenstromkreise In = 40A, IΔN = 30 mA
Bade- und Duscheinrichtungen
feuchte und nasse Räume
korrosionsgefährdete Räume
elektrische Versuchsräume
landwirtschaftliche Betriebsstätten
Steckdosenstromkreise In = 25A, IΔN = 30 mA
transportable Objekte im Freien
Baustellen
Campingplätze / Bootsanlegeplätze
provisorische und temporäre Anlagen
Steckdosenstromkreise IΔN = 10 mA
transportable Objekte in engen Räumen
aus gut leitenden Werkstoffen
FI BauartenPersonenschutz durch FI
zulässig als transportabler FI-Schutzschalter
zulässig für besondere Anlagen, die dauernd von instruiertem
Personal überwacht werden
– spannungsabhängig
– bei N-Unterbruch vor Schalter: Versagen
– Unterspannungsauslösung (in CH verlangt)
– Zuverlässigkeit Elektronik
+ Kosten
+ flexibel parametrierbar / erweiterbar
U <
FI BauartenFI Typen
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nach Stromform
Typ AC
Typ A
Typ B
nach Frequenz
50 Hz
162/3 Hz
400 Hz
nach IΔN
10 mA
30 mA
300 mA
nach IN16 A
25 A
40 A
63 A
nach Polzahl
2
4
verzögert
FIK kurzverzögert
FIS selektiv
kombiniert mit LS
FI / LS
Fehlerstromrelais
FIR o. Wandler/Schaltelement
nur Signalgeber
FISG o. Schaltelement
FI BauartenPersonenschutz durch FI
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Herstellerbezeichnungen
Nennstrom
NennauslösestromNennkurzschlussstromMax.
Überstromunterbrecher
Typ A kurzverzögert
Einsatz bis -25°CPrinzipschaltbildNennspannung
FI BauartenFI-Sortiment von ABB CMC (Auszug)
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SIDOS
FI4 FI2 FI-LS
T Tragschiene
S Stecksystem
FI BauartenGrenzen der FI-Schutzschaltung
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Kein FI-Schutz, wenn Betriebsstromkreis
geschlossen ist.
Keine Unterscheidung, ob Verbraucher
angeschlossen oder Notfall vorliegt.
Beispiel:
Isoliert stehende Person fasst
mit beiden Händen an L und N.
Unerwünschte AuslösungenInhalt „Unerwünschte Auslösungen“
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Gefahren des elektrischen Stroms
Aufbau und Funktion FI
Unerwünschte Auslösungen
durch Installationsfehler
durch kapazitive Ableitströme
durch äussere Einflüsse
Unerwünschte AuslösungenAuslösungen durch äussere Einflüsse
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Kurzschlüsse
Auslösung infolge von Unsymmetrie im
Summenstromwandler, leichte
Magnetisierung bei grossen Strömen.
Erdschlüsse
Netz wird durch Überstromunterbrecher
abgeschaltet, der FI bleibt eventuell
eingeschaltet.
Blitzschläge,
atmosphärische Überspannungen
Spannungsspitzen grösser 2kV zwischen
Polleiter und Schutzleiter können
unverzögerte FI zur Auslösung bringen.
Magnetische Einflüsse
Starke magnetische Fremdfelder können FI
zur Auslösung bringen. Beispiel:
Einschalten eines grossen Schützes
in der Nähe eines FI.