Schleifenwiderstand und RCD-Prüfung

Der Schutz bei indirektem Berühren beruht auf einer einfachen Idee: Wenn ein Außenleiter ein leitfähiges Gehäuse berührt — ein Körperschluss —, soll die Schutzeinrichtung den fehlerhaften Stromkreis so schnell abschalten, dass keine gefährliche Spannung an berührbaren Teilen stehen bleibt. Die Schutzeinrichtung ist dabei je nach Netzsystem entweder die vorgeschaltete Überstromschutzeinrichtung (Sicherung, Leitungsschutzschalter) oder ein Fehlerstromschutzschalter.

Damit das funktioniert, müssen zwei Dinge stimmen. Im Fehlerfall muss erstens genug Strom fließen, damit die Schutzeinrichtung anspricht — und zweitens muss sie schnell genug abschalten. Beides lässt sich nicht am Schaltplan ablesen. Eine schlecht angezogene Klemme, ein zu langer Leitungsweg oder ein unterbrochener Schutzleiter verändern die Verhältnisse so stark, dass eine theoretisch korrekte Anlage in der Realität durchfallen kann. Deshalb wird gemessen.

In Österreich ist das keine freiwillige Übung. Die ÖVE/ÖNORM E 8101 schreibt diese Messungen sowohl bei der Erstprüfung nach Errichtung als auch bei Wiederholungsprüfungen im laufenden Betrieb vor. Das Ergebnis wandert ins Prüfprotokoll und ist die Grundlage dafür, dass eine Anlage in Betrieb gehen darf.

Wie genau die Schutzmaßnahme bei indirektem Berühren aufgebaut ist und worin sich TN-, TT- und IT-System unterscheiden, ist ein eigenes großes Thema — hier reicht der Kerngedanke: Die Messung prüft nach, ob die geplante Schutzmaßnahme im Ernstfall auch wirklich auslöst.

Damit im Fehlerfall ein Strom pfad finden kann, muss er einen geschlossenen Weg finden. Diesen Weg nennt man die Fehlerschleife. Im TN-System läuft sie typischerweise so: vom Trafo über den Außenleiter zur Fehlerstelle, von dort über das fehlerhafte Gehäuse in den Schutzleiter (PE bzw. PEN), und über diesen zurück zum Sternpunkt des Transformators. Der Strom durchläuft also eine komplette Schleife aus Hin- und Rückweg.

Jeder Abschnitt dieser Schleife hat einen Widerstand. Die Summe all dieser Anteile ist die Schleifenimpedanz Z_s — die Größe, auf die es bei der Messung ankommt. Sie setzt sich zusammen aus dem Innenwiderstand des Transformators, dem Widerstand des Außenleiters auf dem Hinweg und dem Widerstand des Rückleiters (PE oder PEN) auf dem Rückweg.

Streng genommen ist Z_s eine Impedanz, also eine Kombination aus Wirkwiderständen R und Blindwiderständen X:

In der Praxis der Endstromkreise, mit denen man als Prüfer am häufigsten zu tun hat, sind die Blindanteile klein. Bei üblichen Leitungsquerschnitten und überschaubaren Längen überwiegt der ohmsche Anteil deutlich, sodass man die Schleifenimpedanz gut als reine Widerstandssumme abschätzen kann:

Daraus folgt eine wichtige Konsequenz: Je länger die Leitung und je kleiner der Querschnitt, desto größer wird Z_s — und desto kleiner der Strom, der im Fehlerfall fließt. Genau deshalb gibt es für jede Schutzeinrichtung eine maximal zulässige Schleifenimpedanz.

Der Unterschied zwischen TN- und TT-System wirkt sich hier stark aus: Im TT-System läuft der Rückweg über das Erdreich und den Anlagenerder, der Schleifenwiderstand ist dadurch in der Regel deutlich höher. Welches System wann vorliegt, ist ein eigenes Thema — für die Messung genügt das Verständnis, dass der Rückweg den Schleifenwiderstand maßgeblich mitbestimmt.

Die Messung des Schleifenwiderstands läuft nach dem Lastverfahren ab. Das Prüfgerät schaltet für einen kurzen Augenblick einen definierten Lastwiderstand zwischen Außenleiter und Schutzleiter und misst den dabei auftretenden Spannungsfall. Aus dem Verhältnis von Spannungsänderung zu Laststrom errechnet es die Schleifenimpedanz. Das Ganze dauert nur Sekundenbruchteile, damit kein vorgeschalteter RCD auslöst.

Gemessen wird dort, wo es darauf ankommt — am Ende des Stromkreises, also an der Steckdose oder direkt am Betriebsmittel. Denn der ungünstigste Fall ist der am weitesten entfernte Punkt, weil dort der Schleifenwiderstand am größten ist.

Aus der gemessenen Schleifenimpedanz lässt sich der prospektive Kurzschlussstrom berechnen — der Strom, der im Fehlerfall fließen würde:

Dieser Strom muss groß genug sein, damit die vorgeschaltete Schutzeinrichtung in der geforderten Zeit auslöst. Jeder Leitungsschutzschalter hat dafür einen Auslösestrom I_a, bei dem er innerhalb der zulässigen Abschaltzeit sicher anspricht (bei einem Schalter der Charakteristik B etwa das Fünffache des Nennstroms, bei C das Zehnfache). Die Bewertung lautet also: Der vorhandene Kurzschlussstrom muss mindestens so groß sein wie der nötige Auslösestrom.

Hier kommt ein praktischer Punkt ins Spiel, der oft übersehen wird. Gemessen wird an einer Anlage, die kalt oder nur handwarm ist. Im echten Kurzschlussfall erwärmen sich die Leiter aber stark, und mit der Temperatur steigt ihr Widerstand. Ein Leiter, der bei die Messung 20 °C hat, kann im Fehlerfall deutlich heißer werden — und damit wird Z_s real größer als gemessen. Dazu kommt die Messunsicherheit des Geräts. Beides zusammen darf man nicht ignorieren, sonst bewertet man eine Anlage als gut, die es im Ernstfall nicht mehr ist.

Deshalb wird die Bewertung mit einer Sicherheitsmarge gerechnet. Die gemessene Schleifenimpedanz wird nicht voll mit dem Grenzwert verglichen, sondern es bleibt ein Reserveanteil. Praktisch fordert man:

Der Faktor 2/3 sorgt dafür, dass auch bei warmen Leitern und unter Berücksichtigung der Messtoleranz noch genug Strom für die sichere Auslösung übrig bleibt. Gleichbedeutend kann man sagen: Der gemessene Kurzschlussstrom sollte mit Reserve über dem nötigen Auslösestrom liegen.

Ist die Bewertungsreserve positiv, liegt die gemessene Schleifenimpedanz unter dem mit Sicherheitsmarge gerechneten Grenzwert — die Abschaltbedingung ist erfüllt.

Beim Fehlerstromschutzschalter — kurz RCD (residual current device) — geht es um etwas anderes als beim Schleifenwiderstand. Der RCD überwacht die Summe der zu- und abfließenden Ströme. Stimmt sie nicht mehr, weil ein Teil über einen Fehler zur Erde abfließt, schaltet er ab. Geprüft wird, ob er das beim richtigen Strom und schnell genug tut. Die Prüfung nach ÖNORM E 8101 umfasst dabei drei zusammengehörige Kernmesswerte: den tatsächlichen Auslösestrom, die Auslösezeit und die Berührungsspannung.

Auslösestrom. Das Prüfgerät erhöht den Fehlerstrom langsam (steigender Strom) und merkt sich, bei welchem Wert der RCD auslöst. Dieser tatsächliche Auslösestrom I_a muss zwischen dem halben und dem vollen Nennfehlerstrom liegen:

Löst er schon unter dem halben Nennfehlerstrom aus, neigt er zu unerwünschten Fehlauslösungen. Löst er erst über dem Nennfehlerstrom aus, schützt er nicht zuverlässig. Zusätzlich wird mit dem halben Nennfehlerstrom (0,5 · I_ΔN) geprüft, dass der RCD dabei nicht auslöst.

Auslösezeit. Mit dem vollen Nennfehlerstrom (1 · I_ΔN) wird gemessen, wie schnell der RCD abschaltet. Und mit dem fünffachen Nennfehlerstrom (5 · I_ΔN) wird der schnelle Personenschutz geprüft. Die zulässigen Höchstzeiten nach ÖNORM E 8101 für allgemeine RCD (Typ AC und A) sind:

Diese Zeiten gelten für den RCD selbst. Davon zu unterscheiden sind die geforderten Abschaltzeiten der Stromkreise, die das Netzsystem vorgibt: für Endstromkreise bis 32 A bei 230 V sind das 0,4 s im TN-System und 0,2 s im TT-System. Der RCD muss innerhalb dieser Vorgaben bleiben — was er mit seinen 300 ms bei Nennfehlerstrom in aller Regel deutlich tut.

Berührungsspannung. Sie ist die Spannung, die im Fehlerfall an einem berührbaren Teil gegen Erde anstehen würde, bevor der RCD abschaltet. Sie ergibt sich aus dem Erdungswiderstand und dem Fehlerstrom:

Diese Spannung darf den vereinbarten Grenzwert der zulässigen dauernden Berührungsspannung von 50 V (Wechselspannung, Normalbedingungen) nicht überschreiten. Genau hier zeigt sich der Vorteil des RCD: Schon ein kleiner Nennfehlerstrom hält die Berührungsspannung niedrig, selbst wenn der Erdungswiderstand vergleichsweise hoch ist.

Wichtig ist die Unterscheidung zwischen der Prüftaste am Gerät und der Messung mit dem Prüfgerät. Die Prüftaste bestätigt nur, dass die Mechanik grundsätzlich auslöst — sie sagt nichts über Auslösestrom, Auslösezeit oder Berührungsspannung. Für die Prüfung im Sinne der Norm braucht es das Prüfgerät.

Der gemessener Auslösestrom I_a muss zwischen der unteren Grenze (0,5 · I_ΔN) und dem vollen Nennfehlerstrom liegen. Die Berührungsspannung muss unter 50 V bleiben — ist die Reserve zur 50-V-Grenze positiv, ist diese Bedingung erfüllt. Der Nennfehlerstrom wird in der Formel durch 1000 geteilt, weil er in mA eingegeben, die Berührungsspannung aber aus Ampere gerechnet wird.

In der Wiederholungsprüfung folgen die Messungen einer sinnvollen Reihenfolge, weil eine Messung die nächste beeinflussen kann. Üblich ist: zuerst die Sichtprüfung, dann die Durchgängigkeit der Schutzleiter, danach die Isolationsmessung (am besten bei freigeschalteter Anlage), anschließend die Schleifenimpedanz und zuletzt die RCD-Prüfung. Die Schleifenmessung kommt vor der RCD-Prüfung, weil das Lastverfahren sonst den RCD auslösen könnte — moderne Geräte messen die Schleife zwar RCD-schonend, die Reihenfolge bleibt aber sinnvoll.

Alle Messwerte gehören ins Prüfprotokoll: gemessene Schleifenimpedanz, prospektiver Kurzschlussstrom, Auslösestrom und Auslösezeit des RCD, Berührungsspannung. Erst das vollständige, unterschriebene Protokoll macht die Prüfung nachvollziehbar und rechtlich verwertbar.

Typische Fehlerursachen, die eine Anlage durchfallen lassen: zu hoher Schleifenwiderstand durch zu lange oder zu dünne Leitungen, lose oder korrodierte Klemmstellen, ein unterbrochener oder schlecht angebundener Schutzleiter, ein gealterter RCD mit zu langer Auslösezeit oder ein zu hoher Erdungswiderstand im TT-System.

Für die Prüfung muss man die Bauart des verbauten RCD kennen, denn sie bestimmt, was das Prüfgerät erfassen kann: Typ AC nur Wechselfehlerströme, Typ A zusätzlich pulsierende Gleichfehlerströme, Typ B auch glatte Gleichfehlerströme (etwa hinter Frequenzumrichtern). Welcher Typ wo eingesetzt werden muss und wie der RCD intern funktioniert, ist Thema eines eigenen Beitrags — hier zählt nur, dass man das Prüfgerät auf den vorhandenen Typ einstellt.