Differenzstromrelais löst bei Frequenzumrichtern aus: Ableitströme und Frequenzanteile richtig bewerten

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Frequenzumrichter erzeugen im normalen Betrieb Ableitströme, die über Schutzleiter, Motorkabelschirm und geerdete Anlagenteile zum Netz zurückfließen. Ursache sind unter anderem EMV-Filter, die Kapazität langer geschirmter Motorleitungen sowie die steilen Spannungsschaltflanken am Umrichterausgang.

Ein Differenzstromrelais kann diese betriebsbedingten Ströme als Grenzwertüberschreitung erkennen. Das bedeutet jedoch nicht automatisch, dass ein gefährlicher Isolationsfehler vorliegt. Gleichzeitig darf eine wiederkehrende Auslösung nicht einfach durch einen höheren Ansprechwert oder einen beliebigen Filter unterdrückt werden. Zunächst muss geklärt werden, welche Stromform, Frequenz und Ursache tatsächlich vorliegt.

Besonders wichtig ist die richtige Auswahl von Relais und Ringstromwandler. Ein für 50 beziehungsweise 60 Hz und Fehlerströme vom Typ A ausgelegtes Gerät kann für einen Stromkreis mit glatten Gleichanteilen und hochfrequenten Komponenten ungeeignet sein. Bei allstromsensitiven Anwendungen ist eine geeignete Typ-B-Ausführung erforderlich.

Passende Geräte finden Sie in der ICS-Kategorie Grenzsignalgeber und Differenzstromrelais. Weitere Einbau-, Mess- und Überwachungsgeräte sind unter Messgeräte für den Schaltschrankbau zusammengefasst.

Wie funktioniert die Differenzstromüberwachung?

Ein Ringstromwandler erfasst gemeinsam alle aktiven Leiter eines Stromkreises. Bei einem dreiphasigen Verbraucher werden normalerweise L1, L2 und L3 durch den Wandler geführt. Ist ein Neutralleiter vorhanden, muss auch dieser durch denselben Wandler geführt werden.

Im fehlerfreien idealen Zustand ist die vektorielle Summe der Ströme null:

I_Δ = I_L1 + I_L2 + I_L3 + I_N = 0

Fließt ein Teil des Stroms über Schutzleiter, Motorkabelschirm, Maschinengehäuse oder Erde zurück, fehlt dieser Anteil in der Summe der aktiven Leiter. Der Ringstromwandler erfasst dann einen Differenzstrom.

Das angeschlossene Relais vergleicht den gemessenen Wert mit dem eingestellten Grenzwert. Je nach Ausführung kann es:

• einen Voralarm ausgeben,
• einen Alarmkontakt schalten,
• eine Meldung an die SPS übertragen,
• über ein externes Schaltgerät den Stromkreis abschalten,
• den aktuellen Differenzstrom anzeigen,
• eine Unterbrechung der Verbindung zum Ringstromwandler erkennen.

Der Schutzleiter darf nicht durch den Ringstromwandler geführt werden. Andernfalls würde der über den Schutzleiter zurückfließende Strom teilweise kompensiert und der tatsächlich vorhandene Differenzstrom nicht korrekt erfasst.

Differenzstromrelais und Fehlerstromschutzschalter unterscheiden

Ein Differenzstromrelais beziehungsweise Residual Current Monitor überwacht den Differenzstrom und stellt ein Alarm- oder Schaltsignal bereit. Es besitzt nicht automatisch ein eigenes Leistungsschaltvermögen.

Ein Fehlerstromschutzschalter beziehungsweise RCD trennt den überwachten Stromkreis bei Erreichen seiner Auslösebedingungen selbstständig. Seine Schutzfunktion, Abschaltzeit und Fehlerstromart sind durch die jeweilige Geräte- und Anwendungsnorm festgelegt.

Ein Differenzstromrelais darf deshalb nicht automatisch als Ersatz für eine vorgeschriebene Fehlerstrom-Schutzeinrichtung verwendet werden. Für eine Abschaltfunktion müssen unter anderem Relais, Auslösekette, Leistungsschalter, Verdrahtung und Energieversorgung gemeinsam bewertet werden.

Geräte mit Oberschwingungsfilter oder bewusst verzögerter Auslösung können für Zustandsüberwachung und Anlagen- beziehungsweise Brandschutz geeignet sein. Sie sind jedoch nicht allein aufgrund eines Ansprechwerts von 30 mA für den Personenschutz geeignet.

Betriebsbedingten Ableitstrom vom Isolationsfehler unterscheiden

Ein Ableitstrom kann konstruktiv bedingt sein und im normalen Betrieb auftreten. Ein Fehlerstrom entsteht dagegen durch einen unerwünschten Isolationsfehler oder eine fehlerhafte Verbindung gegen Erde.

Merkmal	Betriebsbedingter Ableitstrom	Möglicher Isolationsfehler
Auftreten	Reproduzierbar beim Einschalten oder Freigeben des Umrichters	Häufig neu, zunehmend oder unregelmäßig
Abhängigkeit	Abhängig von Schaltfrequenz, Motorkabellänge, EMV-Filter und Anzahl der Umrichter	Abhängig von Feuchte, Temperatur, Bewegung oder beschädigter Isolation
Frequenzanteile	Oft hohe Frequenzanteile durch PWM-Schaltflanken	Je nach Fehlerstelle 50/60 Hz, Gleichanteile oder Mischfrequenzen
Verlauf	Häufig stabiler Grundpegel mit kurzen Schaltspitzen	Kann über Tage oder Wochen ansteigen
Reaktion auf Kabeländerung	Ändert sich deutlich mit Länge und Schirmkapazität	Bleibt bestehen oder konzentriert sich auf einen bestimmten Verbraucher

Die Unterscheidung gelingt nicht allein anhand der Höhe. Auch ein relativ großer Strom kann konstruktiv bedingt sein, während ein kleiner, aber kontinuierlich steigender Differenzstrom auf eine beginnende Isolationsverschlechterung hinweisen kann.

Warum erzeugen Frequenzumrichter Ableitströme?

EMV-Filter

Netzseitige EMV-Filter enthalten Kondensatoren zwischen aktiven Leitern und Schutzleiter. Über diese sogenannten Y-Kondensatoren fließt bereits im normalen Betrieb ein definierter Strom gegen Erde.

Werden mehrere Frequenzumrichter hinter einem gemeinsamen Differenzstromrelais betrieben, addieren sich deren Ableitströme. Ein Stromkreis, der mit einem einzelnen Umrichter unauffällig arbeitet, kann deshalb nach einer Erweiterung den Grenzwert überschreiten.

Kapazität des geschirmten Motorkabels

Zwischen den Motorleitern und dem geerdeten Kabelschirm besteht eine elektrische Kapazität. Der Strom durch diese Kapazität hängt vereinfacht von der Kapazität und der Spannungsänderungsgeschwindigkeit ab:

i = C × du/dt

Frequenzumrichter erzeugen sehr steile Spannungsschaltflanken. Mit zunehmender Kabellänge steigt die Gesamtkapazität und damit meist auch der hochfrequente Ableitstrom.

Motor und Maschinenaufbau

Auch Wicklungskapazitäten, Motorlager, Motorfilter, Erdungssystem und metallische Maschinenstrukturen beeinflussen den Rückstrom. Feuchte oder Verschmutzung im Motor kann zusätzlich einen echten Isolationsfehler verursachen.

Schaltvorgänge

Beim Einschalten des Umrichters, Zuschalten eines EMV-Filters oder Freigeben der Ausgangsstufe können kurze Ableitstromspitzen auftreten. Ein unverzögertes Relais kann bereits auf diese kurzen Vorgänge reagieren, obwohl der stationäre Wert anschließend deutlich niedriger liegt.

Warum ist das Frequenzspektrum entscheidend?

Ein Frequenzumrichter-Stromkreis erzeugt keine reine sinusförmige Fehlerstromform mit 50 Hz. Abhängig von Netzgleichrichter, Zwischenkreis, Ausgangsstufe und Filterung können auftreten:

• sinusförmige Wechselströme mit Netzfrequenz,
• pulsierende Gleichfehlerströme,
• glatte Gleichstromanteile,
• Mischfrequenzen aus Netz- und Ausgangsfrequenz,
• Schaltfrequenzanteile im Kilohertzbereich,
• kurze hochfrequente Impulse.

Ein Relais mit einem Arbeitsfrequenzbereich von beispielsweise 47 bis 63 Hz bewertet im Wesentlichen netzfrequente Anteile. Ein hochfrequenter Ableitstrom kann je nach Gerät stark gedämpft, falsch bewertet oder gar nicht erfasst werden.

Umgekehrt kann ein breitbandiges Gerät hohe betriebsbedingte Frequenzanteile vollständig erfassen und deshalb einen höheren Effektivwert anzeigen als ein frequenzselektives Relais.

Bei einem Gerätevergleich müssen daher immer geprüft werden:

• erfassbare Fehlerstromformen,
• untere und obere Messfrequenz,
• Frequenzbewertung beziehungsweise Filterkennlinie,
• Spitzenwert- oder Effektivwertbewertung,
• Verhalten bei glatten Gleichanteilen,
• Ansprechverhalten bei Einschaltimpulsen.

Typ A, F, B und B+ richtig unterscheiden

Ausführung	Typische Erfassung	Bewertung bei Frequenzumrichtern
Typ A	Sinusförmige Wechsel- und pulsierende Gleichfehlerströme	Nur geeignet, wenn keine unzulässigen glatten Gleichanteile oder nicht erfassten Frequenzen auftreten können
Typ F	Zusätzlich Mischfrequenzen bei bestimmten einphasigen elektronischen Verbrauchern	Kann bei einphasigen Frequenzumrichtern geeignet sein; ersetzt nicht allgemein Typ B
Typ B	Wechsel-, pulsierende und glatte Gleichfehlerströme sowie definierte Frequenzanteile	Für viele dreiphasige Umrichter- und Gleichrichteranwendungen erforderlich
Typ B+	Erweiterte Frequenzbewertung und je nach Gerät zusätzlicher Brandschutzbereich	Geräte- und anwendungsspezifisch; nicht mit jedem Typ-B-Monitor gleichzusetzen

Die Bezeichnung muss zur konkreten Gerätefunktion passen. Die Typenangaben eines Fehlerstromschutzschalters dürfen nicht ungeprüft auf jedes Differenzstromrelais übertragen werden.

Bei einem dreiphasigen Frequenzumrichter können im Fehlerfall glatte Gleichstromanteile entstehen. Ein ungeeignetes Typ-A-Gerät kann dadurch in seiner Erkennung beeinträchtigt werden. Für solche Stromkreise ist eine allstromsensitive Überwachung mit einer bestätigten Typ-B-Ausführung vorzusehen.

Ringstromwandler technisch korrekt montieren

Die richtige Montage des Ringstromwandlers ist genauso wichtig wie die Auswahl des Relais.

• Alle aktiven Leiter des überwachten Stromkreises durch denselben Ringkern führen.
• Bei vorhandenem Neutralleiter auch diesen durch den Ringkern führen.
• Schutzleiter und Potentialausgleich nicht durch den Ringkern führen.
• Keine aktiven Leiter außerhalb des Wandlers zurückführen.
• Keine Leiter unterschiedlicher Stromkreise gemeinsam überwachen.
• Leiter möglichst gebündelt und mittig durch den Wandler führen.
• Ausreichend großen Innendurchmesser ohne gequetschte oder scharf gebogene Kabel wählen.
• Wandlerleitung getrennt von leistungsführenden Umrichterleitungen verlegen.
• Vorgeschriebene maximale Leitungslänge zwischen Wandler und Relais einhalten.
• Wandler nicht unmittelbar neben starken Magnetfeldern oder Leistungsschützen montieren.

Bei sehr hohen Lastströmen können unsymmetrische Leiterlagen und magnetische Streufelder einen scheinbaren Differenzstrom erzeugen. Ein ausreichend großer Wandler und eine symmetrische Leiterführung reduzieren diesen Einfluss.

Für Nachrüstungen können teilbare Ringstromwandler verwendet werden. Ihre Teilflächen müssen sauber schließen und dürfen nicht durch Staub, Kabelreste oder mechanische Spannung offen gehalten werden.

Motorkabel und Kabelschirm richtig berücksichtigen

Für die Überwachung eines vollständigen Frequenzumrichter-Abgangs wird der Ringstromwandler in der Regel auf der Netzseite des Umrichters montiert. Dort werden alle aktiven Einspeiseleiter gemeinsam erfasst.

Der Schutzleiter und der Schirm des Motorkabels werden außerhalb des Ringstromwandlers geführt. Der Kabelschirm sollte entsprechend dem EMV-Konzept großflächig und möglichst mit einer 360°-Schirmanbindung angeschlossen werden.

Wird ein vollständig geschirmtes Motorkabel einschließlich seines Schirms durch einen Ringstromwandler geführt, kann der über den Schirm zurückfließende Strom die Messung teilweise kompensieren. Der relevante Differenzstrom wird dann möglicherweise nicht vollständig erkannt.

Eine Messung auf der Umrichterausgangsseite ist technisch anspruchsvoller. Dort liegen pulsweitenmodulierte Spannungen mit hohen Frequenzanteilen vor. Relais, Wandler und Messverfahren müssen ausdrücklich für diesen Einsatz geeignet sein.

Zur Verringerung hoher betriebsbedingter Ableitströme können je nach Umrichterhersteller hilfreich sein:

• kürzere Motorkabel,
• geeignete Ausgangsdrosseln,
• du/dt-Filter,
• Sinusfilter,
• eine angepasste Schaltfrequenz,
• eine Aufteilung mehrerer Umrichter auf getrennte Überwachungskreise.

EMV-Filter oder Schirmanschlüsse dürfen nicht ohne Herstellerfreigabe entfernt werden. Dadurch können EMV-Anforderungen, Betriebssicherheit und Schutzmaßnahmen beeinträchtigt werden.

Oberschwingungsfilter sinnvoll einsetzen

Ein integrierter Oberschwingungs- beziehungsweise Hochfrequenzfilter kann betriebsbedingte Frequenzanteile dämpfen. Dadurch reagiert das Relais stärker auf relevante niederfrequente Fehlerströme und weniger auf hochfrequente Umrichterströme.

Ein Filter ist jedoch keine universelle Lösung. Er kann auch Fehlerstromanteile unterdrücken, die für die gewählte Schutzfunktion relevant sind.

Vor dem Aktivieren eines Filters muss geklärt werden:

• welche Frequenzen gedämpft werden,
• welche Frequenzen weiterhin bewertet werden,
• ob der Filter fest oder abschaltbar ist,
• ob das Gerät mit aktiviertem Filter für die vorgesehene Schutzfunktion zugelassen ist,
• ob ein hochfrequenter Isolationsfehler weiterhin erkannt wird.

Bei Relais, die ausdrücklich nicht für den Personenschutz vorgesehen sind, kann ein Filter für Anlagenüberwachung und vorbeugende Instandhaltung sinnvoll sein. Eine vorgeschriebene Fehlerstrom-Schutzeinrichtung darf dadurch jedoch nicht ersetzt werden.

Ansprechwert und Verzögerung festlegen

Der Grenzwert darf weder pauschal auf 30 mA noch einfach auf den höchstmöglichen Wert eingestellt werden. Er muss aus dem Schutz- und Überwachungskonzept abgeleitet werden.

Zu berücksichtigen sind:

• maximaler betriebsbedingter Ableitstrom,
• Anzahl gleichzeitig betriebener Frequenzumrichter,
• Motorkabellänge und Schirmkapazität,
• Schaltfrequenz und Betriebszustand,
• Messunsicherheit von Relais und Ringstromwandler,
• zulässiger Fehlerstrom der Anlage,
• gewünschte Vorwarnzeit,
• übergeordnete Schutzorgane und Selektivität,
• erforderliche Abschaltzeit.

Eine Zeitverzögerung kann kurze Einschalt- und Freigabespitzen überbrücken. Sie darf aber nicht dazu führen, dass ein gefährlicher Fehlerstrom zu lange bestehen bleibt.

Bei einer reinen Zustandsüberwachung ist häufig eine zweistufige Strategie sinnvoll:

• Voralarm: meldet eine erkennbare Verschlechterung und ermöglicht eine geplante Wartung.
• Alarm beziehungsweise Abschaltung: reagiert auf einen höheren oder länger bestehenden Differenzstrom.

Die konkreten Werte müssen anhand einer Messung unter allen relevanten Betriebszuständen festgelegt und dokumentiert werden.

Trendüberwachung und Alarmstrategie planen

Ein einzelner Grenzwert liefert nur die Information, ob der aktuelle Strom oberhalb oder unterhalb einer Schwelle liegt. Für die vorbeugende Instandhaltung ist der zeitliche Verlauf häufig aussagekräftiger.

Ein geeigneter Trend kann zeigen:

• schleichende Alterung der Motorisolation,
• Feuchteeintrag nach Stillstandszeiten,
• Unterschiede zwischen kaltem und warmem Motor,
• Veränderungen nach einem Kabeltausch,
• Auswirkungen einer geänderten Schaltfrequenz,
• zusätzliche Ableitströme nach einer Anlagenerweiterung.

Bei der Inbetriebnahme sollte ein Referenzzustand aufgenommen werden. Dazu gehören Differenzstromwerte bei:

• eingeschaltetem Umrichter ohne Freigabe,
• Freigabe der Ausgangsstufe,
• niedriger und hoher Motordrehzahl,
• Teillast und Volllast,
• kaltem und betriebswarmem Antrieb,
• gleichzeitigem Betrieb weiterer Umrichter.

Systematische Diagnose bei einer Auslösung

1. Funktion klären: Prüfen, ob das Relais nur meldet oder über ein externes Schaltgerät abschaltet.
2. Zeitpunkt erfassen: Feststellen, ob die Auslösung beim Netzeinschalten, bei der Umrichterfreigabe, während des Betriebs oder beim Abschalten auftritt.
3. Relaisdaten prüfen: Fehlerstromtyp, Frequenzbereich, Filter, Ansprechwert und Verzögerung dokumentieren.
4. Wandlerverdrahtung kontrollieren: Alle aktiven Leiter müssen durch denselben Ringkern geführt sein; PE und Schirm bleiben außerhalb.
5. Grundpegel messen: Differenzstrom bei stillstehendem und laufendem Umrichter vergleichen.
6. Spitzen erfassen: Ein ausreichend breitbandiges Messgerät mit Maximalwert- oder Aufzeichnungsfunktion verwenden.
7. Abgänge trennen: Mehrere Umrichter nacheinander zuschalten und den Beitrag jedes Antriebs bestimmen.
8. Motorkabel prüfen: Länge, Schirmanschluss, Beschädigungen und zulässige Länge des Umrichterherstellers kontrollieren.
9. Filter prüfen: Externe und interne EMV-Filter sowie deren korrekten Anschluss kontrollieren.
10. Parameter vergleichen: Auswirkungen von Schaltfrequenz und Ausgangsfilter nach Herstellervorgabe untersuchen.
11. Isolation prüfen: Motor und Leitung fachgerecht und getrennt vom Frequenzumrichter prüfen.
12. Trend dokumentieren: Messwerte vor und nach jeder Änderung vergleichen.

Eine Grenzwerterhöhung sollte erst erfolgen, nachdem ein Isolationsfehler ausgeschlossen und der normale Ableitstrom unter ungünstigsten Betriebsbedingungen bestimmt wurde.

Isolationsprüfung am Frequenzumrichter-Stromkreis

Eine Isolationsmessung darf nicht ungeprüft über den angeschlossenen Frequenzumrichter durchgeführt werden. Die Prüfspannung kann Leistungselektronik, EMV-Filter und Überspannungsschutzbauteile beschädigen.

Für eine Prüfung werden Motorleitung und Motor entsprechend den Herstellerangaben vom Umrichter getrennt. Anschließend können die einzelnen Teile mit einer geeigneten Prüfspannung kontrolliert werden.

Zu prüfen sind insbesondere:

• Motorwicklungen gegen Gehäuse,
• Motorleitung gegen Schutzleiter beziehungsweise Schirm,
• Feuchtigkeit im Klemmenkasten,
• mechanische Kabelbeschädigungen,
• Verschmutzung und leitfähige Ablagerungen,
• fehlerhafte Anschluss- oder Schirmklemmen.

Ein guter Isolationswiderstand bei Gleichspannung schließt nicht jede hochfrequente Ableitstromursache aus. Kapazitive Betriebsströme bleiben bei einer klassischen Isolationsmessung teilweise unberücksichtigt.

Praxisbeispiel: Auslösung beim Freigeben des Antriebs

Eine Maschine besitzt einen dreiphasigen Frequenzumrichter mit EMV-Filter und ein 45 m langes geschirmtes Motorkabel. Ein Differenzstromrelais vom Typ A überwacht den gesamten Antriebsabgang.

Bei eingeschaltetem Umrichter ohne Motorfreigabe bleibt die Anlage störungsfrei. Sobald die Ausgangsstufe freigegeben wird, schaltet das Relais unregelmäßig den angeschlossenen Leistungsschalter ab.

Die Untersuchung ergibt:

• Alle drei Außenleiter sind korrekt durch den Ringstromwandler geführt.
• Der Schutzleiter liegt außerhalb des Wandlers.
• Der stationäre Differenzstrom liegt unterhalb des eingestellten Grenzwerts.
• Beim Freigeben entstehen jedoch kurze hochfrequente Stromspitzen.
• Die Höhe verändert sich mit der Umrichterschaltfrequenz.
• Motor und Kabel besitzen einen unauffälligen Isolationswiderstand.
• Das vorhandene Typ-A-Relais ist für die auftretenden glatten Gleich- und Frequenzanteile nicht geeignet.

Das Relais wird durch ein allstromsensitives Typ-B-Differenzstromrelais mit passendem Ringkernwandler ersetzt. Der Wandler bleibt auf der Netzseite des Frequenzumrichters. Ansprechwert, Voralarm und Verzögerung werden anhand der gemessenen betriebsbedingten Werte und des Schutzkonzepts festgelegt.

Zusätzlich wird geprüft, ob ein vom Umrichterhersteller freigegebener du/dt- beziehungsweise Sinusfilter den Ableitstrom des langen Motorkabels reduzieren kann. Die Änderung beseitigt die Fehlauslösungen, ohne die Überwachung eines tatsächlichen Isolationsfehlers aufzugeben.

Typische Fehler bei der Differenzstromüberwachung

Fehler	Mögliche Folge	Geeignete Maßnahme
Typ-A-Relais pauschal für jeden Frequenzumrichter verwendet	Glatte Gleich- oder Mischfrequenzströme werden nicht korrekt bewertet	Fehlerstromform und erforderlichen Gerätetyp prüfen
Schutzleiter durch den Ringstromwandler geführt	Fehlerstrom wird teilweise kompensiert	Nur aktive Leiter durch den Ringkern führen
Neutralleiter außerhalb des Wandlers geführt	Betriebsstrom wird als Differenzstrom erfasst	Alle aktiven Leiter gemeinsam überwachen
Geschirmtes Motorkabel vollständig durch den Wandler geführt	Schirmstrom kann die Messung verfälschen	Wandler vorzugsweise auf der Umrichternetzseite montieren
Mehrere Stromkreise gemeinsam durch einen Ringkern geführt	Ströme können sich gegenseitig kompensieren	Jeden zu bewertenden Abgang eindeutig überwachen
Grenzwert ohne vorherige Messung erhöht	Echter Isolationsfehler wird zu spät erkannt	Betriebsstrom und Fehlerursache zuerst analysieren
Oberschwingungsfilter ungeprüft aktiviert	Relevante Fehlerstromanteile werden ausgeblendet	Filterkennlinie und vorgesehene Schutzfunktion prüfen
Keine Verzögerung bei kurzen Schaltspitzen	Fehlauslösung beim Einschalten oder Freigeben	Nur zulässige, projektbezogene Verzögerung einstellen
Sehr langer Motoranschluss ohne Ausgangsfilter	Hohe kapazitive Ableitströme	Kabellänge und Filterkonzept mit Umrichterhersteller abstimmen
Isolationsprüfung über den angeschlossenen Umrichter	Beschädigung der Leistungselektronik	Motor und Leitung vor der Prüfung fachgerecht trennen
Differenzstromrelais als automatischer Ersatz für einen RCD betrachtet	Schutzfunktion und Abschaltbedingungen sind nicht nachgewiesen	Gesamte Schutz- und Auslösekette normgerecht bewerten

Welche Produkte und Lösungen eignen sich?

Delta D2-B – allstromsensitives Differenzstromrelais Typ B

Das Delta D2-B ist ein Differenzstromrelais vom Typ B für Stromkreise, in denen neben sinusförmigen und pulsierenden Fehlerströmen auch glatte Gleichstromanteile auftreten können.

Es eignet sich damit insbesondere für Anwendungen mit Frequenzumrichtern, Gleichrichtern und anderer Leistungselektronik. Das Gerät besitzt eine Anzeige des aktuellen Differenzstroms sowie getrennte Funktionen für Voralarm und Alarm.

Ansprechwert und Verzögerungszeit sind einstellbar. Für die Messung werden die speziell dafür vorgesehenen Typ-B-Ringkernwandler verwendet.

Ringkernwandler für Delta D2-B

Die passenden Typ-B-Ringkernwandler sind in unterschiedlichen Innendurchmessern verfügbar. Dadurch können sowohl kompakte Maschinenabgänge als auch größere Leiterquerschnitte überwacht werden.

Der Ringkern muss zur D2-B-Ausführung passen. Gewöhnliche Ringstromwandler für Typ-A-Relais dürfen nicht ohne ausdrückliche Freigabe mit dem allstromsensitiven Relais kombiniert werden.

Delta RD2E2 beziehungsweise Delta 72-F

Das Delta RD2E2 ist für schwere industrielle Anwendungen und verzerrte Stromformen ausgelegt. Es besitzt einen festen Oberschwingungsfilter und kann dadurch betriebsbedingte Frequenzanteile von Umrichtern und drehzahlgeregelten Antrieben reduzieren.

Aufgrund der Filterung ist die Ausführung ausdrücklich nicht für den Personenschutz vorgesehen. Sie eignet sich vor allem für Anlagenüberwachung, Alarmierung und eine projektbezogene Abschaltfunktion.

Delta D2-L und D2-S

Das Delta D2-L und das Delta D2-S sind kompakte Differenzstromrelais für die DIN-Hutschiene. Sie verfügen über einstellbare Grenzwerte und integrierte Oberschwingungsfilter.

Diese Typ-A-Ausführungen dürfen nur verwendet werden, wenn die in der Anlage möglichen Fehlerstromformen und Gleichanteile zu ihrer Spezifikation passen. Für Stromkreise mit möglichen glatten Gleichfehlerströmen ist stattdessen eine geeignete Typ-B-Ausführung erforderlich.

DEL- und TDS-Ringstromwandler

Die DEL- beziehungsweise TDS-Ringstromwandler sind in verschiedenen Baugrößen für die Differenzstromüberwachung verfügbar.

Für Neuinstallationen bieten geschlossene Ringkerne eine kompakte und robuste Lösung. Für Nachrüstungen können teilbare DEL-A-Ringstromwandler eingesetzt werden, ohne die vorhandenen Leiter vollständig demontieren zu müssen.

ICS Schneider Messtechnik unterstützt bei der Auswahl von Differenzstromrelais und Ringstromwandler sowie bei der Bewertung von Fehlerstromform, Frequenzbereich, Kabeldurchmesser, Ansprechwert, Verzögerung und Alarmstrategie.

Fazit

Frequenzumrichter verursachen durch EMV-Filter, steile Schaltflanken und geschirmte Motorkabel betriebsbedingte Ableitströme. Diese können ein ungeeignet ausgewähltes oder zu empfindlich eingestelltes Differenzstromrelais auslösen.

Eine Auslösung darf weder automatisch als Isolationsfehler bewertet noch durch eine pauschale Grenzwerterhöhung unterdrückt werden. Entscheidend sind Höhe, Frequenzspektrum, zeitlicher Verlauf und Abhängigkeit vom Umrichterbetrieb.

Bei Stromkreisen mit möglichen glatten Gleichfehlerströmen ist eine allstromsensitive Typ-B-Überwachung erforderlich. Ein Typ-A-Gerät oder ein auf 50/60 Hz begrenztes Relais kann die auftretenden Fehlerstromformen nicht vollständig bewerten.

Alle aktiven Leiter müssen gemeinsam durch den Ringstromwandler geführt werden. Schutzleiter und Kabelschirm bleiben außerhalb. Für eine eindeutige Überwachung wird der Wandler üblicherweise auf der Netzseite des Frequenzumrichters montiert.

Oberschwingungsfilter und Ansprechverzögerungen können Fehlauslösungen reduzieren, dürfen aber nur im Rahmen der bestätigten Geräte- und Schutzfunktion eingesetzt werden. Ein gefiltertes Differenzstromrelais ist nicht automatisch für den Personenschutz geeignet.

Die beste Lösung kombiniert eine technisch passende Geräteauswahl mit einer dokumentierten Basismessung, Voralarm, Trendüberwachung und einer systematischen Diagnose des gesamten Antriebsstromkreises.

Häufige Fragen zur Differenzstromüberwachung bei Frequenzumrichtern

Warum löst das Relais erst beim Starten des Motors aus?

Mit der Freigabe der Umrichterausgangsstufe entstehen pulsweitenmodulierte Spannungen mit steilen Schaltflanken. Über Motorkabel und Motor fließen dadurch zusätzliche kapazitive Ableitströme.

Ist jeder Ableitstrom ein Isolationsfehler?

Nein. EMV-Filter und Kabelkapazitäten erzeugen auch im fehlerfreien Betrieb Ableitströme. Ein neuer, steigender oder stark unsymmetrischer Strom kann jedoch auf einen Isolationsfehler hinweisen.

Kann der Ansprechwert einfach erhöht werden?

Erst nachdem ein Isolationsfehler ausgeschlossen und der maximale betriebsbedingte Ableitstrom gemessen wurde. Die Einstellung muss weiterhin zur erforderlichen Schutzfunktion passen.

Welcher Relais-Typ ist für einen Frequenzumrichter erforderlich?

Das hängt von der Umrichtertopologie und den möglichen Fehlerstromformen ab. Bei dreiphasigen Umrichtern mit möglichen glatten Gleichfehlerströmen ist in der Regel eine geeignete Typ-B-Ausführung erforderlich.

Reicht ein Typ-A-Relais mit Oberschwingungsfilter?

Nicht, wenn glatte Gleichfehlerströme auftreten können. Der Filter verändert die Frequenzbewertung, erweitert aber nicht automatisch die Fehlerstromerfassung auf Typ B.

Wo wird der Ringstromwandler montiert?

Für die Überwachung des vollständigen Antriebsabgangs normalerweise auf der Netzseite des Frequenzumrichters. Alle aktiven Einspeiseleiter werden gemeinsam durch den Ringkern geführt.

Darf der Schutzleiter durch den Ringstromwandler geführt werden?

Nein. Der Schutzleiter muss außerhalb des Wandlers verlaufen, damit der über ihn zurückfließende Fehler- oder Ableitstrom als Differenz erkannt wird.

Muss der Neutralleiter durch den Wandler geführt werden?

Ja, sofern er zum überwachten Stromkreis gehört. Alle aktiven Hin- und Rückleiter müssen gemeinsam erfasst werden.

Warum erhöht ein langes Motorkabel den Ableitstrom?

Mit der Kabellänge steigt die Kapazität zwischen Motorleitern und geerdetem Schirm. Die steilen Umrichterspannungen treiben über diese Kapazität hochfrequente Ströme gegen Erde.

Hilft ein Sinusfilter gegen Fehlauslösungen?

Ein geeigneter Sinus- oder du/dt-Filter kann die Spannungsschaltflanken und damit kapazitive Ableitströme reduzieren. Die Auswahl muss zum Frequenzumrichter, Motor und Kabel passen.

Darf ein Differenzstromrelais einen vorgeschriebenen RCD ersetzen?

Nicht automatisch. Das Relais überwacht und meldet zunächst nur. Die komplette Auslösekette und die geforderten Schutzbedingungen müssen für eine Abschaltfunktion nachgewiesen sein.

Wie erkennt man eine schleichende Isolationsverschlechterung?

Durch regelmäßige Aufzeichnung des Differenzstroms unter vergleichbaren Betriebsbedingungen. Ein langfristig steigender Grundpegel ist häufig aussagekräftiger als eine einzelne Grenzwertüberschreitung.