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Ermitteln von Phantom-Auslösungen in GFCI-geschützten Stromkreisen

1. Jan 2019 | Erdung

von Jack Smith

In dieser Ausgabe von „Solid Ground“ werden FI-Schutzschalter (GFCIs) und ihre Notwendigkeit sowie die Fehlersuche in mit GFCIs geschützten Stromkreisen besprochen.

Ein GFCI ist eine der am häufigsten verwendeten Sicherheitsvorrichtungen im privaten, geschäftlichen und industriellen Bereich. Die gebräuchlichsten Formen sind Einphasen-Steckdosen, die in privaten Haushalten in der Nähe von Wasserquellen wie Küchen, Badezimmern und Außenanschlussbuchsen verwendet werden. Die meisten Staaten schreiben bereits seit Jahrzehnten die Verwendung von GFCIs in bestimmten Bereichen von privaten Haushalten vor. Der elektrische Standard NFPA 79 für Industriemaschinen sieht ihren Einsatz jedoch auch in industriellen Anlagen vor.

GFCIs sollen vor Verletzungen durch elektrische Fehler schützen, durch die andernfalls Strom durch den Körper zur Erde geleitet werden kann. Diese Schutzvorrichtungen trennen den Strom, der durch eine nicht vorgesehene Erdungsleitung fließt, selbst wenn die Strommenge so gering ist, dass ein lokal montierter typischer Leistungsschalter nicht auslöst. Obwohl Sicherungen und Leistungsschalter auch Schutzvorrichtungen sind, dienen sie eher dem Schutz von Komponenten und Anlagen vor Kurzschlüssen und elektrischen Fehlern mit hoher Amplitude, die zu Elektrobränden und Schäden an der Einrichtung führen können. Die Auslöseenergie für Standard-Leistungsschalter und -Sicherungen ist wesentlich höher als die potenziell tödliche Höhe. Die meisten GFCIs lösen jedoch schon bei 6 mA aus.

Ein GFCI nutzt einen Stromwandler (CT), um die Differenz zwischen dem in die Last eingespeisten Leitungsstrom und dem von der Last kommenden Neutralstrom zu erkennen. Idealerweise beträgt diese Differenz 0, weil sich die Ströme aufheben. Bei einer Stromdifferenz wird diese an einen Komparator im CFGI übertragen, der seinen Status ändert, sobald die Differenz bei 6 mA liegt. Sobald der Komparator seinen Status ändert, wird ein Thyristor ausgelöst, der wiederum die Leistung vom Ausgang des CFGI trennt.

GFCIs sollten monatlich durch Drücken der Tasten „Testen“ und „Zurücksetzen“ auf der Vorderseite geprüft werden. Neben der Überprüfung des einwandfreien Betriebs werden bei der monatlichen Prüfung die mechanischen Komponenten der Steckdose verwendet. Einfache GFCI-Prüfer sind schon für weniger als 15 USD erhältlich. Für unter 150 USD sind hingegen bereits hochwertige industrielle Elektro-Tester erhältlich, mit denen Stromkreise unter Spannung, Wechsel- und Gleichstromspannungen, Widerstände, Durchgang und Phasendrehung zwischen zwei Phasen und GFCIs geprüft werden können.

Fragen Sie nach dem „Warum“?

Wenn ein CFGI auslöst, dann nicht ohne Grund. Statt den GFCI einfach zurückzusetzen, sollten Sie auch die Ursache für die Auslösung untersuchen.

Erdungsfehler treten auf, sobald elektrische Ströme einen unbeabsichtigten Erdungspfad finden. Häufige Ursachen für Erdungsfehler sind verschlissene Isolierungen, leitfähiger Staub, Feuchtigkeit oder andere „Soft Grounds“. Erdungsfehler sind für über 80 % der Kurzschlüsse in Komponenten verantwortlich; veraltete Isolierungen an Kabeln für 90 % davon. Wenn ein menschlicher Körper ein unbeabsichtigter Leiter wird, kann bereits ein geringer Strom von nur 75 mA zu Kammerflimmern führen.

Erdungsfehler werden auch als Leckströme bezeichnet. Obwohl die Isolierung einer Verkabelung dazu bestimmt ist, den Strom im Leiter zu halten, sind alle Isolierungen leicht leitend. Selbst Luft ist kein perfekter Isolator. Die Isolierung leitet Strom über elektrisch resistive und kapazitive Pfade. Wenn eine Isolierung alt oder beschädigt ist, ist der Widerstand geringer, und der Leckstrom kann sehr groß werden. Isolierungen, die längere Leiter schützen, haben eine höhere Kapazität, die zu einem umso höheren Leckstrom führen kann.

In GFCI-geschützten Stromkreisen kann Leckstrom zu unnötigen und intermittierenden Auslösungen führen. Bei der Fehlersuche für solche intermittierenden Phantom-Auslösungen kann es Zeit und Mühe sparen, einen Blick auf die Ursache des Leckstroms zu werfen. Wenn in einem Stromkreis viele Komponententeile aktiv sind, ist der Leckstrom kumulativ und kann sich schnell im Milliampere-Bereich bewegen. Je mehr Komponenten einem GFCI-geschützten Stromkreis hinzugefügt werden, desto eher wird der GFCI unregelmäßig auslösen und das eigentliche Problem verschleiern.

Fangen Sie an, indem Sie den Leckstrom messen, um die Quelle zu identifizieren. Verwenden Sie für die Messungen eine Leckstrommesszange. Leckstrommesszangen sind ähnlich aufgebaut wie die Strommesszangen, die für die Messung von Lastströmen verwendet werden. Allerdings funktionieren Leckstrommesszangen wesentlich besser, wenn Ströme unter 5 mA gemessen werden.

Messen Sie einphasige Stromkreise durch Anlegen der Strommesszange zwischen Phasen- und Neutralleiter. Messen Sie dreiphasige Stromkreise durch Anlegen der Strommesszange an alle Phasen-Leiter. Wenn ein Neutralleiter vorhanden ist, legen Sie die Zange auch um diesen. Der angezeigte Wert spiegelt den gegen Erde (PE) fließenden Strom wider. Um den gesamten Leckstrom zu messen, der zu einem bestimmten Erdungsanschluss fließt, bringen Sie die Klemmbacken am entsprechenden Schutzleiter (PE) an.

Messen Sie den Leckstrom an jedem Leitungsstrang des Stromkreises, um zu prüfen, an welchem ein deutlich höherer Leckstrom vorliegt als an den anderen. Wenn an einem Leitungsstrang ein hoher Leckstrom vorliegt, stellen Sie sicher, dass die Anlage ordnungsgemäß funktioniert. Denken Sie daran, dass Überspannungsableiter und Kondensatoren am Stromeingang mancher elektronischer Komponenten die Stromkreiskapazität insgesamt erhöhen können, wodurch auch der Leckstrom steigt. Ermitteln Sie das Leck am Stromkreis-Leitungsstrang bei eingeschalteter Anlage. Durch das Ausschalten der Anlage können Sie nur das Leck in der Stromkreisverkabelung ermitteln.

Wenn die Komponenten an allen Leitungssträngen ordnungsgemäß funktionieren und die Leitungsprüfungen in Ordnung waren, liegt vielleicht ein kumulatives Leck vor, das durch eine Filterung der Komponenteneingänge hervorgerufen wird und das hoch genug ist, um gelegentlich den GFCI auszulösen. Ziehen Sie in diesem Fall eine Neuverteilung der Last in jedem Stromkreisleitungsstrang in Betracht, um mehr Kapazität zu erhalten.

Feedback

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Bis zum nächsten Mal und bleiben Sie stets auf „Solid Ground.“