Wie reagiert ein Standard-Sicherung auf einen elektrischen Fehler?

Betriebsweise von Schaltstufen für den Fehler- und Kurzschluss-Schutz

Ein Standard-Sicherungsschalter ist ein wichtiges Sicherheitsgerät, das darauf ausgelegt ist, den elektrischen Strom bei Fehlern wie Überlastungen oder Kurzschlüssen zu unterbrechen, um Schäden am elektrischen System, Überhitzungen der Leitungen und Brandrisiken vorzubeugen. Seine schützende Wirkung gewährleistet die Sicherheit und Zuverlässigkeit des Stromkreises.

Kurzschluss-Schutz

• Was passiert: Ein Kurzschluss tritt auf, wenn ein Weg mit geringem Widerstand (z.B. direkter Kontakt zwischen Phase und Neutralleitung) eine plötzliche Stromspitze verursacht, die weit über dem Nennwert des Stromkreises liegt.

• Reaktion des Schalters: Der Schalter erkennt die sofortige Stromspitze und fällt fast augenblicklich (innerhalb weniger Millisekunden) aus, um den Stromfluss zu unterbrechen, um:

• Übermäßiges Aufheizen und Beschädigung von Komponenten zu verhindern.

• Das Risiko von Bränden oder elektrischen Bögen zu verringern.

Überlast-Schutz

• Was passiert: Eine Überlast entsteht, wenn der gesamte vom angeschlossenen Gerät gezogene Strom (z.B. mehrere Geräte oder Hochleistungseinrichtungen) über einen längeren Zeitraum die sichere Kapazität des Stromkreises überschreitet.

• Reaktion des Schalters:

• Verhindern, dass die Leitungen überhitzen und die Isolierung nachlässt.

• Vermeiden von potenziellen Brandrisiken durch andauernden Überstrom.

• Das interne thermische Mechanismus des Schalters erkennt den anhaltenden Überstrom.

• Während der Strom andauert, erwärmt sich das Heizelement im Schalter, wodurch sich ein bimetallischer Streifen allmählich verbiegt.

• Sobald der Streifen ausreichend verbogen ist, fällt der Schalter aus und trennt den Stromkreis, um:

Wie funktioniert ein Standard-Sicherungsschalter bei elektrischen Fehlern?

Ein typischer Standard-Sicherungsschalter kann keine Erdschlüsse oder das Fehlen einer Neutralleitung erkennen. Stattdessen bietet er nur Schutz gegen Kurzschlüsse und Überlastungen. Deshalb fordert der National Electrical Code (NEC) die Verwendung von Erdfehlerschutz-Sicherungsautomaten (GFCI), um sowohl Geräten als auch Personen angemessenen Schutz zu bieten.

Im Folgenden finden Sie Beispiele für Stromkreise, die zeigen, wie ein Standard-Sicherungsschalter unter normalen und fehlerhaften Bedingungen reagiert:

Normale Bedingungen

Im folgenden Schaltplan wird ein Beleuchtungsstromkreis durch einen 15-Ampere-Schalter gesteuert und geschützt, der mit 120V von einem 120V/240V-Hauptverteiler versorgt wird.

Da es keinen Fehler im Stromkreis gibt, arbeiten alle Komponenten normal, und die Beleuchtung leuchtet wie vorgesehen.

Kurzschluss- / Überlastbedingungen

Nehmen wir nun einen Szenario an, in dem ein Kurzschluss oder eine Überlast auftritt - zum Beispiel, wenn der Phasendraht mit der metallischen Gehäuse eines Geräts (wie einem Lampensockel) in Kontakt kommt. In diesem Fall entsteht ein Fehlerstrom, der über den Erdleiter zurück zum Energieversorger fließt. Der Erdleiter ist am Hauptverteiler mit der Neutralleitung verbunden, was einen Weg mit geringem Widerstand bildet, der den Stromkreis abschließt.

Aufgrund des extrem geringen Widerstands des Erdleiters strömt während eines Fehlers ein beträchtlicher Strom (bis zu 600 Ampere) durch den Stromkreis, was zu einer schweren Überlast führt. Der interne Mechanismus des Schalters erkennt diesen übermäßigen Strom sofort und löst eine Auslöseaktion aus. Der 15-Ampere-Schalter trennt dann schnell den Stromkreis von der Hauptstromversorgung, um sowohl das elektrische Gerät als auch die Personen vor potenziellen Gefahren wie Überhitzung, Bögen oder elektrischen Schlägen zu schützen.

Fehlererkennung und -auslösung

Wie im folgenden Schaltplan dargestellt, fällt der 15-Ampere-Schalter sofort aus, sobald ein Fehlerstrom erkannt wird, der seine Nennkapazität übersteigt. Diese Aktion trennt den Stromkreis von der Hauptstromversorgung und bietet robusten Schutz sowohl gegen Überlastungen als auch Kurzschlüsse.

Standard-Sicherungsschalter und Erdfehler

Wie bereits besprochen, schützen Standard-Sicherungsschalter nicht vor Erdfehlern - Situationen, in denen der Strom unabsichtlich zur Erde fließt - oder vor Unterbrechungen der Neutralleitung, beide stellen erhebliche Sicherheitsrisiken dar. In solchen Szenarien:

• Erdfehler: Der Strom weicht vom vorgesehenen Stromkreisweg ab und fließt zur Erde (z.B. durch eine Person oder ein defektes Gerät), was ein gefährliches Schockrisiko schafft.

• Unterbrochene Neutralleitung: Eine getrennte Neutralleitung kann Spannungsausgleichsprobleme verursachen, die den Strom dazu zwingen, alternative Wege (z.B. durch Gehäuse von Geräten oder Erdleiter) zu suchen, was zu Überhitzung oder elektrischen Schlägen führen kann.

In beiden Fällen kann der Fehlerstrom den Stromkreis über ungewollte Wege abschließen, wobei er den Schutzmechanismus des Standard-Sicherungsschalters gegen Überlastungen und Kurzschlüsse umgeht. Deshalb sind spezialisierte Geräte wie Erdfehlerschutz-Sicherungsautomaten (GFCIs) oder Bogenfehlerschutz-Sicherungsautomaten (AFCIs) für diese spezifischen Gefahren erforderlich.

Dies kann dazu führen, dass der Strom über ungewollte Wege fließt, einschließlich Neutral- und Erdleiter. Darüber hinaus können alle freiliegenden Metallkomponenten im Stromkreis energisiert werden, was potenziell gefährliche Spannungen von 72V oder 120V tragen kann - was ein erhebliches Risiko von elektrischen Schlägen oder Bränden darstellt.

Um dieses Problem zu lösen, sollte anstelle eines Standard-Sicherungsschalters ein GFCI-Schalter verwendet werden, um die Sicherheit bei Erdfehlern zu gewährleisten.