Sicheres Schaltungsdesign

Wie wir bereits gesehen haben, ist ein Stromsystem ohne sichere Erdung aus Sicherheitsgründen unvorhersehbar. Es gibt keine Möglichkeit zu garantieren, wie viel oder wie wenig Spannung zwischen irgendeinem Punkt im Stromkreis und Masse vorhanden ist.

Durch Erden einer Seite der Spannungsquelle des Stromversorgungssystems kann sichergestellt werden, dass mindestens ein Punkt im Stromkreis elektrisch mit der Erde verbunden ist und daher keine Stromschlaggefahr darstellt. In einem einfachen Zweidraht-Stromversorgungssystem wird der geerdete Leiter als Neutral bezeichnet , und der andere Dirigent heißt der heiße , auch bekannt als das Live oder die aktiven :

Bezüglich der Spannungsquelle und der Last macht die Erdung überhaupt keinen Unterschied. Es dient ausschließlich der persönlichen Sicherheit, indem gewährleistet wird, dass mindestens ein Punkt im Stromkreis berührungssicher ist (Nullspannung gegen Erde).

Die „heiße“ Seite des Stromkreises, benannt nach ihrem Potenzial für Stromschlaggefahr, ist beim Berühren gefährlich, es sei denn, die Spannung wird durch eine ordnungsgemäße Trennung von der Quelle (idealerweise mit einem systematischen Sperr-/Kennzeichnungsverfahren) gesichert.

Es ist wichtig, dieses Ungleichgewicht der Gefahren zwischen den beiden Leitern in einem einfachen Stromkreis zu verstehen. Die folgenden Abbildungen basieren auf üblichen Haushaltsverkabelungssystemen (der Einfachheit halber werden Gleichspannungsquellen anstelle von Wechselspannung verwendet).

Wenn wir uns ein einfaches elektrisches Haushaltsgerät wie einen Toaster mit leitfähigem Metallgehäuse ansehen, können wir erkennen, dass bei ordnungsgemäßem Betrieb keine Stromschlaggefahr bestehen sollte. Die Drähte, die Strom zu den Heizelementen des Toasters leiten, sind durch Gummi oder Kunststoff gegen Berührung des Metallgehäuses (und untereinander) isoliert.

Wenn jedoch einer der Drähte im Inneren des Toasters versehentlich mit dem Metallgehäuse in Kontakt kommt, wird das Gehäuse elektrisch mit dem Draht verbunden, und das Berühren des Gehäuses ist genauso gefährlich wie das Berühren des blanken Drahts. Ob dies eine Stromschlaggefahr darstellt oder nicht, hängt davon ab, welche Draht versehentlich berührt:

Wenn der „heiße“ Draht das Gehäuse berührt, gefährdet er den Benutzer des Toasters. Wenn der Neutralleiter hingegen das Gehäuse berührt, besteht keine Stromschlaggefahr:

Um sicherzustellen, dass erstere Fehler weniger wahrscheinlich sind als letztere, versuchen Ingenieure, Geräte so zu konstruieren, dass der Kontakt heißer Leiter mit dem Gehäuse minimiert wird.

Im Idealfall möchten Sie natürlich nicht, dass einer der Drähte versehentlich mit dem leitfähigen Gehäuse des Geräts in Kontakt kommt, aber es gibt normalerweise Möglichkeiten, die Anordnung der Teile so zu gestalten, dass ein versehentlicher Kontakt für einen Draht weniger wahrscheinlich ist als für den anderen.

Diese vorbeugende Maßnahme ist jedoch nur wirksam, wenn die Polarität des Netzsteckers gewährleistet werden kann. Wenn der Stecker umgedreht werden kann, könnte der Leiter, der mit größerer Wahrscheinlichkeit das Gehäuse berührt, sehr gut der „heiße“ sein:

Auf diese Weise konstruierte Geräte werden normalerweise mit „polarisierten“ Steckern geliefert, wobei ein Stift des Steckers etwas schmaler ist als der andere. Auch Steckdosen sind so konstruiert, ein Schlitz ist schmaler als der andere.

Dadurch kann der Stecker nicht „rückwärts“ eingesteckt werden und die Leiteridentität im Inneren des Gerätes kann gewährleistet werden. Denken Sie daran, dass dies keinerlei Auswirkungen auf die Grundfunktion des Geräts hat:Es dient ausschließlich der Sicherheit des Benutzers.

Einige Ingenieure lösen das Sicherheitsproblem einfach dadurch, dass sie das äußere Gehäuse des Geräts nichtleitend machen. Solche Geräte nennt man doppelt isoliert da die Isolierhülle als zweite Isolierschicht über die Leiter selbst hinaus dient. Wenn ein Kabel im Inneren des Geräts versehentlich mit dem Gehäuse in Berührung kommt, besteht für den Benutzer des Geräts keine Gefahr.

Andere Ingenieure gehen das Sicherheitsproblem an, indem sie ein leitfähiges Gehäuse beibehalten, aber einen dritten Leiter verwenden, um dieses Gehäuse fest mit der Erde zu verbinden:

Der dritte Stift am Netzkabel stellt eine direkte elektrische Verbindung vom Gerätegehäuse zur Erdung her, wodurch die beiden Punkte elektrisch miteinander verbunden werden. Wenn sie elektrisch gemeinsam sind, kann zwischen ihnen keine Spannung abfallen.

Zumindest soll es so funktionieren. Wenn der heiße Leiter versehentlich das Metallgehäuse des Geräts berührt, entsteht ein direkter Kurzschluss zurück zur Spannungsquelle über den Erdungsdraht, wodurch alle Überstromschutzeinrichtungen ausgelöst werden. Der Benutzer des Geräts bleibt in Sicherheit.

Aus diesem Grund ist es so wichtig, niemals den dritten Stift eines Netzsteckers abzuschneiden, wenn Sie versuchen, ihn in eine zweipolige Steckdose zu stecken. Wenn dies geschieht, wird das Gerätegehäuse nicht geerdet, um die Sicherheit des/der Benutzer(s) zu gewährleisten.

Das Gerät funktioniert immer noch einwandfrei, aber wenn ein interner Fehler auftritt, bei dem der heiße Draht mit dem Gehäuse in Kontakt kommt, kann dies tödliche Folgen haben. Wenn eine zweipolige Steckdose muss verwendet werden, kann ein Adapter mit zwei auf drei Stifte installiert werden, wobei ein Erdungsdraht an der geerdeten Abdeckungsschraube befestigt ist. Dadurch wird die Sicherheit des geerdeten Geräts aufrechterhalten, wenn es an diese Art von Steckdose angeschlossen ist.

Elektrosichere Technik endet jedoch nicht unbedingt beim Verbraucher. Eine letzte Absicherung gegen elektrischen Schlag kann statt am Gerät selbst auf der Stromversorgungsseite des Stromkreises angeordnet werden. Diese Schutzmaßnahme wird als Erdschlusserkennung bezeichnet , und es funktioniert so:

Bei einem gut funktionierenden Gerät (siehe oben) sollte der durch den heißen Leiter gemessene Strom genau dem Strom durch den Neutralleiter entsprechen, da es nur einen Weg für Elektronen im Stromkreis gibt. Bei einem fehlerfreien Geräteinneren besteht keine Verbindung zwischen den Leitern des Stromkreises und der Person, die das Gehäuse berührt, und daher auch kein Stromschlag.

Wenn der heiße Draht jedoch versehentlich das Metallgehäuse berührt, fließt Strom durch die Person, die das Gehäuse berührt. Das Vorhandensein eines Stoßstroms manifestiert sich als Unterschied des Stroms zwischen den beiden Stromleitern an der Steckdose:

Dieser Stromunterschied zwischen dem „heißen“ und dem „neutralen“ Leiter ist nur dann vorhanden, wenn Strom durch den Erdungsanschluss fließt, also ein Fehler im System vorliegt. Daher kann eine solche Stromdifferenz verwendet werden, um zu erkennen ein Fehlerzustand.

Wenn ein Gerät zum Messen dieser Stromdifferenz zwischen den beiden Stromleitern eingerichtet ist, kann die Erkennung eines Stromungleichgewichts verwendet werden, um das Öffnen eines Trennschalters auszulösen, wodurch die Stromversorgung unterbrochen und ein schwerer Stromschlag verhindert wird:

Solche Geräte werden als Erdschlussstrom-Unterbrecher bezeichnet , oder kurz GFCIs. Außerhalb Nordamerikas wird der FI-Schutzschalter auch als Sicherheitsschalter, Fehlerstromschutzschalter (RCD), RCBO oder RCD/MCB in Kombination mit einem Leitungsschutzschalter oder Fehlerstromschutzschalter (ELCB) bezeichnet.

Sie sind kompakt genug, um in eine Steckdose eingebaut zu werden. Diese Buchsen sind leicht an ihren charakteristischen Tasten „Test“ und „Reset“ zu erkennen. Der große Vorteil dieses Ansatzes zur Gewährleistung der Sicherheit besteht darin, dass er unabhängig vom Gerätedesign funktioniert.

Natürlich wäre es noch besser, ein doppelt isoliertes oder geerdetes Gerät zusätzlich zu einer FI-Steckdose zu verwenden, aber es ist beruhigend zu wissen, dass etwas getan werden kann, um die Sicherheit über das Design und den Zustand des Geräts hinaus zu verbessern.

Der Lichtbogen-Schutzschalter (AFCI) , ein Schutzschalter zur Verhinderung von Bränden, ist so konzipiert, dass er bei zeitweiligen ohmschen Kurzschlüssen öffnet. Zum Beispiel ist ein normaler 15-A-Leistungsschalter so ausgelegt, dass er den Stromkreis schnell öffnet, wenn er weit über die Nennleistung von 15 A hinaus belastet wird, langsamer, etwas über die Nennleistung hinaus.

Dieser schützt zwar vor direkten Kurzschlüssen bzw. mehreren Sekunden Überlast, aber nicht vor Lichtbögen – ähnlich wie beim Lichtbogenschweißen. Ein Lichtbogen ist eine stark veränderliche Last, die wiederholt bei über 70 A Spitzenwerte erreicht und einen offenen Stromkreis mit Wechselstrom-Nulldurchgängen hat.

Obwohl der durchschnittliche Strom nicht ausreicht, um einen Standard-Leistungsschalter auszulösen, reicht er aus, um ein Feuer zu entfachen. Dieser Lichtbogen könnte durch einen metallischen Kurzschluss erzeugt werden, der das Metall aufbrennt und ein resistives Sputterplasma aus ionisierten Gasen hinterlässt.

Der AFCI enthält eine elektronische Schaltung, um diesen intermittierenden ohmschen Kurzschluss zu erkennen. Es schützt sowohl gegen heiße bis neutrale als auch gegen heiße gegen Erde. Der AFCI schützt nicht vor persönlichen Schockgefahren wie ein GFCI. Daher müssen in Küchen-, Bad- und Außenkreisläufen weiterhin FI-Schutzeinrichtungen installiert werden.

Da der AFCI beim Starten großer Motoren und allgemeiner bei Bürstenmotoren oft auslöst, ist seine Installation durch den US-amerikanischen National Electrical Code auf Schlafzimmerstromkreise beschränkt. Der Einsatz des AFCI soll die Anzahl elektrischer Brände reduzieren. Störende Auslösungen beim Betrieb von Geräten mit Motoren in AFCI-Kreisen sind jedoch ein Problem.

RÜCKBLICK:

• Stromversorgungssysteme haben oft eine Seite der Spannungsversorgung, die mit Erde verbunden ist, um die Sicherheit an diesem Punkt zu gewährleisten.
• Der „geerdete“ Leiter in einem Stromsystem wird als Neutral bezeichnet Leiter, während der ungeerdete Leiter als heißer bezeichnet wird .
• Erdung in Stromnetzen dient der persönlichen Sicherheit, nicht dem Betrieb der Last(en).
• Die elektrische Sicherheit eines Geräts oder anderer Verbraucher kann durch gute Technik verbessert werden:Polarisierte Stecker, doppelte Isolierung und dreipolige „Erdungsstecker“ sind alles Möglichkeiten, um die Sicherheit auf der Lastseite zu maximieren.
• Erdschlussstromunterbrecher (GFCIs) arbeiten, indem sie einen Stromunterschied zwischen den beiden Leitern erfassen, die die Last mit Strom versorgen. Es sollte überhaupt kein Unterschied im Strom sein. Jeder Unterschied bedeutet, dass der Strom auf andere Weise als die beiden Hauptleiter in die Last ein- oder austreten muss, was nicht gut ist. Ein erheblicher Stromunterschied öffnet automatisch einen Trennschaltermechanismus und unterbricht die Stromversorgung vollständig.

VERWANDTE ARBEITSBLÄTTER:

• Arbeitsblatt zur Sicherheitserdung
• Arbeitsblatt Überstromschutz