Auslösen: Ein praktischer Leitfaden zum Stromkreisschutz

Jul 20, 2023

Meine Einführung in den Schaltkreisschutz erfolgte im zarten Alter von acht Jahren. Da ich ein neugieriger Junge mit einer erfinderischen – und scheinbar selbstzerstörerischen – Neigung war, beschloss ich, meiner Mutter eine Lampe anzufertigen. Ich befestigte eine Schlauchklemme um den Sockel einer kleinen Glühbirne, entfernte die Isolierung von einem alten Verlängerungskabel und klemmte beide Enden der Drähte unter die Klemme. Als ich meine Erfindung an eine Steckdose im Arbeitszimmer anschloss, sah ich, wie die Isolierung des Kabels abplatzte, kurz bevor das ganze Haus dunkel wurde. Irgendwie ist der Schutzschalter am Abzweigstromkreis ausgefallen und ich habe den Hauptschutzschalter an einem 200-Ampere-Schaltschrank ausgelöst. Meine Mutter war von dieser Leistung noch nie annähernd so beeindruckt wie ich, vor allem jetzt, wo ich ein bisschen mehr darüber weiß, wie Elektrizität funktioniert und wie nah ich daran war, ein Darwin-Award-Preisträger zu werden.

Um Ihnen zu helfen, ein ähnliches Schicksal zu vermeiden, möchte ich Sie auf eine Reise (hihi!) durch die typische Haushaltsstromtafel mitnehmen und mir einige der Geräte ansehen, die jeden Tag bereitstehen und auf eine Chance warten rette uns vor uns selbst. Als Nordamerikaner werde ich mich auf die hier am häufigsten verwendeten Standards für Wohnstromsysteme konzentrieren. Und obwohl es viele Technologien gibt, die als letzten Ausweg für Ihre Sicherheit sorgen sollen, kann der Strom in Ihrer Wand Sie dennoch töten. Werden Sie nicht lässig mit Netzstrom!

Was mich an diesem Tag vor langer Zeit gerettet hat, war ein Leistungsschalter. In seiner einfachsten Form ist ein Schutzschalter lediglich ein elektromechanisches Gerät, das Stromkreise schützt, indem es den Strom abschaltet, wenn der durch ihn fließende Strom den Auslegungspunkt überschreitet. Leistungsschalter müssen den Stromfluss erfassen und ihn in eine mechanische Aktion umwandeln, damit Kontakte schnell und sicher physisch getrennt werden können. Die gebräuchlichsten Mechanismen sind elektromagnetische Mechanismen, bei denen mehr Überstrom ein Magnetfeld erzeugt, um Kontakte auseinanderzuziehen, und bimetallische Mechanismen, bei denen eine Überlastung einen Bimetallstreifen erhitzt und verbiegt, wodurch der Schalter aktiviert wird.

In Nordamerika gibt es Haushaltsschalter in verschiedenen Ausführungen. Die Abzweigschutzschalter dienen zum Schutz jedes Abzweigstromkreises – der Steckdosen, Beleuchtungskörper und Geräte, die parallel an die Hauptschalttafel angeschlossen sind. Jeder Zweigstromkreis ist in der Regel für 15 oder 20 Ampere ausgelegt. Sofern er keine große Last wie einen elektrischen Trockner oder eine Brunnenpumpe betreibt, handelt es sich um einen 120-Volt-Stromkreis. Zusätzlich zu den Abzweigunterbrechern verfügt ein Schaltschrank über einen Hauptunterbrecher, um alle Fehler zu erkennen, die ein defekter Abzweigunterbrecher übersieht, wie es bei mir passiert ist. Normalerweise handelt es sich um eine 4-Pol-Angelegenheit – einen für jede Hotline, einen für den Neutralleiter und einen für die Erde. Ein Hauptschalter fungiert auch als Schalter, um alle Abzweigstromkreise abzuschalten, was das Arbeiten im Schaltschrank sicherer macht – aber achten Sie auf die Kabelschuhe, die den Hauptschalter versorgen! Diese sind immer heiß, und der nächste Leistungsschalter in der Leitung ist wahrscheinlich ein großer Trennschalter an einem Strommast.

Die Hauptschalterfelder hier haben eine interessante Anordnung, die sowohl 120- als auch 240-Volt-Stromkreise ermöglicht. Die Energieverteilung erfolgt in einer Split-Phase-Anordnung, wobei der Transformator am Pol über eine 240-Volt-Sekundärwicklung mit Mittelanzapfung verfügt. Dies führt zu zwei heißen Zweigen mit jeweils 120 Volt relativ zum Neutralleiter oder 240 Volt zwischen den beiden heißen Zweigen. Im Verteilerfeld sind die beiden Hots über ineinandergreifende Finger mit Sammelschienen verbunden. Dies ermöglicht die Installation entweder von einpoligen Leistungsschaltern, die an einen einzelnen 120-Volt-Stromkreis angeschlossen werden, oder von zweipoligen Leistungsschaltern, die die beiden spannungsführenden Zweige für einen 240-Volt-Stromkreis überbrücken.

Wenn Sie jemals auf ein Problem stoßen, bei dem jeder andere einpolige Stromkreis in Ihrem Panel funktioniert, aber keiner der 240-Volt-Stromkreise überhaupt funktioniert, wissen Sie, dass einer der heißen Zweige aus irgendeinem Grund nicht mit Strom versorgt wird. In diesem Fall sollten Sie sich wahrscheinlich an den Energieversorger wenden.

Am ersten Tag eines EE-Praxiskurses an der Hochschule hielt uns der Dozent eine ernüchternde Sicherheitsvorlesung mit dem Titel „Es ist die Strömung, die tötet.“ Die von ihm zitierten Zahlen darüber, wie wenig Strom man tatsächlich braucht, um zu töten, verblüfften mich – wie konnte ich nicht irgendwann bei den verschiedenen Netzspannungsschocks, die ich erlebt hatte, mindestens 30 herzzerreißende Milliampere durch mich fließen lassen? Es stellte sich heraus, dass ich wahrscheinlich viel weniger Strom hatte und dass dieser wahrscheinlich nicht durch mein Herz geflossen ist, aber dennoch ist es schön zu wissen, dass viele Stromkreise in einem modernen Hausinstallationsschaltschrank durch Fehlerstromschutzschalter geschützt sind. Diese in den USA als GFCIs oder GFIs und im Vereinigten Königreich als Residual Current Devices (RCDs) bekannten Geräte sind in der Lage, den Stromfluss zu unterbrechen, wenn nur 5 mA aus der Hotline austreten. Und das sehr schnell – etwa 25 bis 40 Millisekunden, was weniger Zeit ist, als ein 30-mA-Strom benötigt, um ein menschliches Herz in Kammerflimmern zu versetzen.

FI-Schutzschalter erfassen mithilfe eines Stromwandlers die Stromungleichgewichte zwischen zwei Leitern. Sowohl der heiße als auch der neutrale Leiter verlaufen durch den Ringkern des Stromwandlers. Normalerweise heben sich die Ströme gegenseitig auf, aber wenn aufgrund von Leckströmen ein Ungleichgewicht vorliegt, wird im Transformator ein Strom induziert, der zum Auslösen eines elektromagnetischen Schutzschalters verwendet werden kann. Dass es einen Chip gibt, der den Großteil der Erfassung und Auslösung übernimmt, ist nicht überraschend. Was unerwartet ist, ist die faszinierende Geschichte, wie der erste GFCI-Chip, der LM1851, Mitte der 1970er Jahre entstand. Spoiler-Alarm: Bei der Herstellung des ersten FI-Schutzschalters erlitten viele Doktoranden einen Stromschlag.

In den USA sind FI-Schutzschalter gesetzlich überall dort vorgeschrieben, wo die geringste Möglichkeit einer Vermischung von Wasser und Strom besteht. Ursprünglich für Badezimmer- und Küchensteckdosen gedacht, findet man FI-Schutzschalter heute auch in Kellern, Garagen und in allen Außensteckdosen, insbesondere für Pools und Spas. Während der häufigste Formfaktor für FI-Schutzschalter in einer Duplex-Steckdose eingebaut ist, verfügen einige Leistungsschalter über eingebaute FI-Schutzschalter. Und natürlich gibt es die Wandwarzen-FI-Schutzschalter, die mittlerweile aus den Netzkabeln aller hergestellten Haartrockner und Lockenstäbe wachsen.

Eine neuere Modalität des Stromkreisschutzes ist der Lichtbogenschutzschalter (AFCI). AFCIs sollen Brände aufgrund von Hochtemperaturlichtbögen verhindern und sind seit Anfang der 2000er Jahre gesetzlich für Abzweigstromkreise zur Versorgung von Schlafzimmern vorgeschrieben. Frühe AFCIs waren anfällig für störende Auslösungen durch „normale“ Lichtbögen, wie die Bürsten in einem Staubsaugermotor. Da sich die Technologie verbesserte und Fehlauslösungen reduziert wurden, wurden die Vorschriften so umgeschrieben, dass nun AFCIs für alle Abzweigstromkreise erforderlich sind, die nahezu jeden Raum im Haus versorgen.

Während AFCIs wie FI-Schutzschalter aktuelle Anomalien erkennen, enden die Ähnlichkeiten damit. AFCIs müssen auch die Spannung überwachen und die Wellenform des überwachten Stromkreises auf verräterische Anzeichen dafür analysieren, dass möglicherweise zerstörerische Lichtbögen auftreten. AFCIs müssen nicht nur Lichtbögen zwischen der stromführenden Leitung und dem Neutralleiter oder der Erde erkennen, sondern auch Reihenlichtbögen erkennen, die auftreten können, wenn sich ein heißer Draht innerhalb einer losen Klemme löst. Alle diese Lichtbögen haben charakteristische Wellenformen, die ein Mikrocontroller analysiert, um festzustellen, ob ein Fehler vorliegt, während Lichtbögen von normal funktionierenden Geräten ignoriert werden. Es ist eine komplizierte Sache, und es ist kein Wunder, dass es eine Weile gedauert hat, bis die Hersteller es richtig hinbekommen haben. Eine gute Behandlung der Besonderheiten der Erkennungsalgorithmen finden Sie in diesem Artikel (PDF-Link).

Natürlich gibt es noch viele andere Geräte, die dafür sorgen, dass Ihre Stromversorgung sauber bleibt, etwa Überspannungsschutzgeräte, Entstörfilter und USVs. Aber diese dienen hauptsächlich dazu, Ihre Geräte gesund und glücklich zu halten. Unterbrecher, FI-Schutzschalter und FI-Schutzschalter sind lebensrettende Geräte, sei es, um die Struktur um Sie herum vor Feuer zu schützen oder um zu verhindern, dass Sie von vielen wütenden Pixies gebissen werden, wenn Sie Ihren Haartrockner in die Toilette fallen lassen. Aber denken Sie daran, dass sie die letzte Verteidigungslinie sind – letztendlich liegt es vor allem an Ihnen, dafür zu sorgen, dass Sie nicht so dumm sind wie ich damals.