Ein Wasserkocher mit Metallgehäuse, ein Föhn aus Kunststoff und ein Steckernetzteil für 12 V: Alle drei hängen an derselben Steckdose, schützen dich aber auf ganz unterschiedliche Weise vor einem Stromschlag. Welche Prinzipien dahinterstecken, ist für jeden wichtig, der Geräte baut oder repariert – denn eine falsch angeschlossene Gehäuseschraube oder ein zu knapper Abstand auf der Platine kann den Schutz aushebeln. Warum Strom durch den Körper überhaupt gefährlich ist, erklärt der Artikel Gefahren des elektrischen Stroms.
Zwei Schutzebenen: Basisschutz und Fehlerschutz
Die Errichtungsnorm DIN VDE 0100-410 verlangt, dass jede Anlage dich auf zwei voneinander unabhängigen Wegen schützt:
- Basisschutz (früher: Schutz gegen direktes Berühren) verhindert, dass du aktive Teile im Normalbetrieb überhaupt berühren kannst. Das leisten die Isolierung der Leiter, Gehäuse und Abdeckungen.
- Fehlerschutz (früher: Schutz bei indirektem Berühren) greift, wenn der Basisschutz versagt – etwa wenn sich im Gerät ein Draht löst und das Metallgehäuse berührt. Dann muss die Anlage automatisch abschalten oder der Fehler darf erst gar keine gefährliche Spannung erzeugen.
Ein einzelner Fehler darf also nie direkt zur Gefahr werden. Dazu kommt als dritte Stufe der Zusatzschutz durch einen FI-Schalter mit 30 mA, der auch dann noch hilft, wenn beide Ebenen versagen oder jemand unvorsichtig ist.
Der Schutzleiter und die automatische Abschaltung
Die häufigste Schutzmaßnahme ist die automatische Abschaltung der Stromversorgung. Jedes Gerät mit leitfähigem Gehäuse wird über den grün-gelben Schutzleiter (PE) mit Erde verbunden. Im deutschen Niederspannungsnetz ist der Schutzleiter über den Hausanschluss mit dem geerdeten Sternpunkt des Versorgungstransformators verbunden (TN-System) und zusätzlich mit dem Fundamenterder des Gebäudes.
Berührt nun ein Außenleiter im Inneren das Gehäuse – ein Körperschluss –, fließt ein großer Fehlerstrom über den Schutzleiter zurück. Weil dieser Weg sehr niederohmig ist, ist der Strom so hoch wie bei einem Kurzschluss, und der vorgeschaltete Leitungsschutzschalter löst sofort aus. In Endstromkreisen bis 32 A muss das im TN-System innerhalb von 0,4 s geschehen.
Damit dieser Schutz funktioniert, muss die Verbindung vom Gehäuse über Stecker und Leitung bis zum Erder lückenlos sein. Ein abgerissener Schutzleiter fällt im Betrieb nicht auf – das Gerät läuft normal. Deshalb werden ortsveränderliche Geräte in Betrieben regelmäßig geprüft.
Schutzklassen
Für Geräte fasst DIN EN 61140 (VDE 0140-1) die Schutzmaßnahmen in Schutzklassen zusammen. Sie sagen aus, wie der Fehlerschutz erreicht wird – nicht, wie gut das Gerät gegen Staub und Wasser geschützt ist; das beschreiben die IP-Schutzarten.
| Schutzklasse | Prinzip | Erkennungszeichen | Beispiele |
|---|---|---|---|
| I | Basisisolierung plus Schutzleiter am leitfähigen Gehäuse | Schutzkontaktstecker, Erdungszeichen | Waschmaschine, PC-Netzteil, Lötstation, Toaster |
| II | doppelte oder verstärkte Isolierung, kein Schutzleiter | zwei ineinanderliegende Quadrate | Föhn, Bohrmaschine, viele Steckernetzteile |
| III | Betrieb nur mit Schutzkleinspannung (SELV) | Raute mit „III“ | Akku-Werkzeuge, LED-Leuchten an 12 V, Geräte am USB-Netzteil |
Die frühere Schutzklasse 0 – nur Basisisolierung, kein Schutzleiter – ist in Deutschland nicht zulässig.
Bei Schutzklasse II sind alle berührbaren Teile durch zwei unabhängige Isolierschichten von den aktiven Teilen getrennt: die Basisisolierung, die für den Betrieb nötig ist, und eine zusätzliche Isolierung. Versagt eine, schützt noch die andere. Statt zwei Schichten ist auch eine einzige, entsprechend dicke verstärkte Isolierung erlaubt. Ein Schutzleiter darf hier nicht angeschlossen werden. Solche Geräte haben einen flachen Eurostecker oder einen Konturenstecker ohne Schutzkontakt.
Bei Schutzklasse III kann gar keine gefährliche Spannung entstehen. Das Gerät wird mit einer Kleinspannung von höchstens 50 V Wechsel- oder 120 V Gleichspannung betrieben, die aus einer sicher getrennten Quelle stammt, etwa einem Sicherheitstransformator oder einem Netzteil mit verstärkter Isolierung zwischen Netz- und Ausgangsseite. Wird der Stromkreis nicht geerdet, heißt das SELV (Safety Extra Low Voltage), mit geerdetem Stromkreis PELV.
Eine weitere Schutzmaßnahme ist die Schutztrennung: Ein Trenntransformator versorgt genau ein Gerät, dessen Stromkreis keine Verbindung zur Erde hat. Berührst du nur einen Leiter, findet der Strom keinen Rückweg. Das nutzt man in Werkstätten bei der Reparatur netzbetriebener Geräte.
Der FI-Schalter
Der Fehlerstrom-Schutzschalter – kurz FI-Schalter, international RCD (Residual Current Device) – vergleicht den Strom, der über den Außenleiter zum Gerät fließt, mit dem Strom, der über den Neutralleiter zurückkommt. Im fehlerfreien Betrieb sind beide gleich. Fließt ein Teil des Stroms über einen anderen Weg zur Erde ab – über einen beschädigten Schutzleiter, über Feuchtigkeit oder über einen Menschen –, fehlt er auf dem Rückweg. Diese Differenz heißt Fehlerstrom IΔ:
Herzstück ist der Summenstromwandler, ein Ringkern, durch den alle Leiter außer dem Schutzleiter hindurchgehen. Die Ströme in Außen- und Neutralleiter fließen in entgegengesetzter Richtung, ihre Magnetfelder heben sich im Kern auf. Bei einem Fehlerstrom bleibt ein Rest-Magnetfeld übrig, das in einer Sekundärwicklung eine Spannung induziert. Diese betätigt einen empfindlichen Haltemagnetauslöser, der über ein Schaltschloss alle Pole trennt.
FI-Schalter für den Personenschutz haben einen Bemessungsfehlerstrom IΔn von 30 mA. Sie lösen spätestens bei diesem Wert aus, frühestens bei der Hälfte. Beim Bemessungsfehlerstrom schalten sie in höchstens 300 ms ab, beim Fünffachen in höchstens 40 ms. Der Strom durch einen Menschen wird dadurch nicht kleiner – aber so kurz, dass Herzkammerflimmern sehr unwahrscheinlich ist.
DIN VDE 0100-410 fordert in neuen Anlagen einen FI-Schalter mit höchstens 30 mA unter anderem für Steckdosenstromkreise bis 32 A, für Stromkreise im Außenbereich, an denen ortsveränderliche Geräte betrieben werden, und für Beleuchtungsstromkreise in Wohnungen. In älteren Gebäuden fehlt er oft; dort hilft ein Personenschutzstecker oder eine Steckdosenleiste mit eingebautem FI.
Ein paar Grenzen solltest du kennen:
- Der FI-Schalter erkennt nur Ströme, die an ihm vorbei zur Erde fließen. Fasst du Außen- und Neutralleiter gleichzeitig an und stehst dabei isoliert, bist du für ihn ein ganz normaler Verbraucher – er löst nicht aus.
- Er schützt nicht vor Überlast und Kurzschluss zwischen L und N; dafür sind Leitungsschutzschalter da (siehe Leitungen dimensionieren). Kombigeräte (FI/LS) enthalten beides.
- Gleichströme im Fehlerstrom, wie sie Wallboxen oder Wechselrichter erzeugen können, erfassen nur passende Bauformen (Typ B oder Typ A mit zusätzlicher Gleichfehlerstrom-Erkennung). In Haushalten üblich ist Typ A.
Selbsttest
Wodurch unterscheidet sich Schutzklasse II von Schutzklasse I?
Klasse I schützt über Basisisolierung plus Schutzleiter, der bei einem Körperschluss die Abschaltung auslöst; Klasse II kommt ohne Schutzleiter aus und verwendet doppelte oder verstärkte Isolierung.
Was misst der Summenstromwandler eines FI-Schalters?
Die Differenz zwischen dem hinfließenden und dem zurückfließenden Strom, also den Strom, der auf einem anderen Weg zur Erde abfließt.
Bei welchem Fehlerstrom muss ein 30-mA-FI-Schalter spätestens auslösen, und wie schnell?
Spätestens bei 30 mA, dann in höchstens 300 ms; beim Fünffachen in höchstens 40 ms.
Warum schützt ein FI-Schalter nicht, wenn du isoliert stehend L und N gleichzeitig berührst?
Der Strom fließt dann über L hin und über N zurück; beide Ströme sind gleich, es entsteht kein Fehlerstrom.
Welche Spannungen sind bei Schutzklasse III zulässig?
Schutzkleinspannung bis 50 V Wechsel- oder 120 V Gleichspannung aus einer sicher getrennten Quelle.