Übungsaufgaben zu Netzsystemen und Schutzeinrichtungen: Hausanschluss, Leitungsschutz, Feinsicherungen und Motorschutz

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Erstelle neue Übungsaufgaben zum Thema „Netzsysteme, Leitungsschutz,
Geräte- und Motorschutz: Hausanschluss, Leitungsschutz, Feinsicherungen
und Motorschutz“.

Bauplan: Halte Dich an Aufbau, Kompetenzstufen, Operatoren,
Anforderungsbereiche, Punkte und Zeitschätzung, die im Artikel
https://oer-informatik.de/aufgaben-aufbau beschrieben sind.

Fachliche Grundlage:
- https://oer-informatik.de/netzsysteme-schutzeinrichtungen
- https://oer-informatik.de/drehstrom
- https://oer-informatik.de/leitungsdimensionierung
- https://oer-informatik.de/schutz-gegen-elektrischen-schlag
- Stilbeispiel: https://oer-informatik.de/netzsysteme-schutzeinrichtungen-uebungsaufgaben

Die Aufgaben sollen Inhalte zu diesen Schlagwörtern abdecken:
- Netzsysteme
- Hausanschluss
- Leitungsschutzschalter
- Auslösekennlinie
- Fehlerstrom-Schutzeinrichtung
- Feinsicherung
- Sicherungsanzeige
- Motorschutzschalter
- Schutzklassen
- Abschaltbedingung
- Selektivität
- Stromlaufplan
- Schutzpotenzialausgleich

Kompetenzstufe: Basiskompetenz (alternativ: Kernkompetenz, Profilkompetenz, Expertise)
Anzahl: 1 Aufgabe mit Teilaufgaben
Bearbeitungszeit in Minuten ca.: <5 bis 30 min>
Szenario: eines der Szenarien aus dem Bauplan

Vorgehen:
1. Lies zuerst die verlinkten Artikel. Kannst Du keine Webseiten
   abrufen, sag mir das, statt zu raten.
2. Steht bei einer Angabe noch ein Platzhalter in <…>, frag mich
   zuerst danach. Richte Punkte und Zahl der Teilaufgaben nach der
   Bearbeitungszeit (ca. 0,9 min je Punkt).
3. Gib je Aufgabe Titel mit Kompetenzstufe, Ausgangssituation und
   Teilaufgaben mit Operator und Punktzahl aus, dazu die geschätzte
   Bearbeitungszeit.
4. Gib die Beispiellösungen mit Punkteverteilung erst aus, wenn ich
   danach frage.

Geg.: Netzbilder A, B und C

Ges.: Netzsysteme, Bezeichnung des grünen Leiters in B

• Netzbild A: IT-System – der Sternpunkt der Quelle ist nicht geerdet, die Körper sind über den PE mit einem eigenen Erder verbunden (1 Punkt).
• Netzbild B: TN-C-System – Sternpunkt geerdet, der Körper hängt an dem Leiter, der zugleich Rückleiter ist (1 Punkt). Der grüne Leiter ist der PEN-Leiter (1 Punkt).
• Netzbild C: TT-System – Sternpunkt über den Betriebserder geerdet, Körper über einen eigenen Anlagenerder, N und PE haben keine Verbindung (1 Punkt).

Ges.: Bedeutung der Buchstaben T, N, C, S

• T (terre): Ein Punkt der Stromquelle, meist der Sternpunkt des Transformators, ist direkt geerdet (1 Punkt).
• N (neutre): Die Körper der Betriebsmittel sind über den Schutzleiter mit diesem geerdeten Punkt verbunden (1 Punkt).
• C (combiné): Im ersten Teil der Anlage sind Neutralleiter- und Schutzleiterfunktion in einem PEN-Leiter vereint (1 Punkt).
• S (séparé): Ab der Aufteilungsstelle sind N und PE getrennt geführt (1 Punkt).

Ges.: Netzform des Anlagenteils, Vorgehen beim Aufteilen

Der grün-gelbe Leiter mit blauen Enden ist ein PEN-Leiter; der Anlagenteil ist ein TN-C-System (1 Punkt). Bei der Erneuerung wird der PEN möglichst nah an der Einspeisung, z. B. im Zählerschrank, einmalig aufgeteilt: Er wird zuerst auf die PE-Schiene geführt, von dort führt eine Brücke zur N-Schiene (1 Punkt). Ab dort werden fünfadrige Leitungen mit getrenntem N und PE verlegt (1 Punkt). Nach der Aufteilung dürfen N und PE nie wieder miteinander verbunden werden (1 Punkt).

Ges.: Aufgaben der Bestandteile

Je richtiger Zeile 1 Punkt:

Ges.: Kurzzeichen und Aderfarben

Je richtiger Zeile 1 Punkt:

Geg.: Betriebsstrom I_\mathrm{b} = 13\ \mathrm{A}, Anlaufstrom 60\ \mathrm{A}, I_\mathrm{z} = 20\ \mathrm{A}, U = 230\ \mathrm{V}

Ges.: Auslöser bei Überlast und bei Kurzschluss

• Verstopfter Filter, Überlast: Der thermische Auslöser, ein Bimetall, wird vom Strom erwärmt und biegt sich. Je größer der Überstrom, desto schneller erreicht er die Auslösestellung und öffnet über das Schaltschloss den Kontakt (stromabhängig verzögert) (2 Punkte).
• Gequetschtes Kabel, Kurzschluss: Der elektromagnetische Auslöser, eine Spule mit Schlaganker, zieht ab einem festen Vielfachen des Bemessungsstroms den Anker an und öffnet den Kontakt praktisch unverzögert in etwa 10 ms (2 Punkte).

Ges.: Bemessungsstrom I_\mathrm{n}

I_\mathrm{b} \le I_\mathrm{n} \le I_\mathrm{z} \quad\Rightarrow\quad 13\ \mathrm{A} \le I_\mathrm{n} \le 20\ \mathrm{A}

Möglich sind 13 A, 16 A und 20 A (1 Punkt). Gewählt wird z. B. \underline{\underline{I_\mathrm{n} = 16\ \mathrm{A}}}: Bei 13 A läge der Betriebsstrom genau am Bemessungsstrom, bei 20 A gäbe es keinen Abstand zur Belastbarkeit der Leitung (1 Punkt). Auch 13 A oder 20 A erfüllen die Bedingung und werden mit Begründung gewertet.

Ges.: Charakteristik für den Anlaufstrom 60\ \mathrm{A}

Für I_\mathrm{n} = 16\ \mathrm{A} liegt der Bereich der unverzögerten Auslösung bei

• B16: 3 \cdot 16\ \mathrm{A} = 48\ \mathrm{A} bis 5 \cdot 16\ \mathrm{A} = 80\ \mathrm{A} – der Anlaufstrom von 60 A liegt mitten im Bereich, der B16 kann beim Anlaufen auslösen (1 Punkt).
• C16: 5 \cdot 16\ \mathrm{A} = 80\ \mathrm{A} bis 10 \cdot 16\ \mathrm{A} = 160\ \mathrm{A} – 60 A liegen unter der unteren Grenze, der C16 löst beim Anlaufen nicht aus (1 Punkt).

Geeignet ist die Charakteristik C (1 Punkt).

Ges.: Zeitbereich der Abschaltung des B20 bei 50 A

\def\arraystretch{2.3} \begin{array}{rcl|l} x & = & \dfrac{I}{I_\mathrm{n}} = \dfrac{50\ \mathrm{A}}{20\ \mathrm{A}} = 2{,}5 & \end{array}

(1 Punkt) Bei x = 2{,}5 liegt der Strom unter dem Bereich des elektromagnetischen Auslösers (B: ab 3 \cdot I_\mathrm{n}); es wirkt nur der thermische Auslöser. Abgelesen am Band der Charakteristik B:

• frühestens nach \underline{\underline{t_1 \approx 1\ \mathrm{s}}} (1 Punkt),
• spätestens nach \underline{\underline{t_2 \approx 70\ \mathrm{s}}}, also etwa einer Minute (1 Punkt).

Abweichungen im Rahmen der Ablesegenauigkeit (z. B. 0,8 s bis 1,5 s bzw. 50 s bis 90 s) sind richtig.

Ges.: sichere unverzögerte Auslösung bei 90 A

\def\arraystretch{2.3} \begin{array}{rcl|l} x & = & \dfrac{I}{I_\mathrm{n}} = \dfrac{90\ \mathrm{A}}{16\ \mathrm{A}} \approx 5{,}63 & \end{array}

(1 Punkt)

• B16: Ab x = 5 löst der elektromagnetische Auslöser sicher aus; bei x \approx 5{,}6 schaltet der B16 in etwa 0,01 s ab (1 Punkt).
• C16: x \approx 5{,}6 liegt im Bereich 5 bis 10, in dem der elektromagnetische Auslöser auslösen kann, aber nicht muss. Im ungünstigen Fall löst erst der thermische Auslöser nach etwa 1,5 s aus (1 Punkt).

Sicher unverzögert löst nur der B16 aus.

Ges.: P_\mathrm{max} am 230-V-Stromkreis

\def\arraystretch{2.3} \begin{array}{rcl|l} P_\mathrm{max} & = & U \cdot I_\mathrm{n} = 230\ \mathrm{V} \cdot 16\ \mathrm{A} = 3680\ \mathrm{W} = \underline{\underline{3{,}68\ \mathrm{kW}}} & \end{array}

Formel 1 Punkt, Ergebnis 1 Punkt.

Ges.: zwei Argumente für Leitungsschutzschalter

Je begründetes Argument 1 Punkt, z. B.:

• nach dem Auslösen einfach wieder einschaltbar, kein Ersatzeinsatz nötig,
• kann als Schalter zum Freischalten dienen,
• von Laien gefahrlos bedienbar,
• nicht so leicht durch einen größeren Wert ersetzbar oder zu „flicken“,
• mehrpolige Ausführungen schalten alle Außenleiter gemeinsam ab.

Geg.: Netzseitige Feinsicherung T 0,5 A L 250 V an 230\ \mathrm{V}; Betriebs-LED mit U_\mathrm{F} = 2{,}2\ \mathrm{V}, I_\mathrm{F} = 5\ \mathrm{mA} an 24\ \mathrm{V}

Ges.: Bedeutung der Angaben, Aufgabe der Feinsicherung

Je Angabe 1 Punkt:

• T: Charakteristik träge – kurze Stromspitzen wie der Einschaltstrom des Netzteils lassen sie nicht schmelzen.
• 0,5 A: Nennstrom I_\mathrm{n}, den die Sicherung dauerhaft führen kann.
• L: geringes Schaltvermögen (low), typisch für Glasrohrsicherungen.
• 250 V: Nennspannung, bis zu der die Sicherung sicher abschalten kann.

Aufgabe (1 Punkt): Sie schützt das Gerät und seine Zuleitung bei Überlast oder Kurzschluss im Netzteil (z. B. defekter Gleichrichter oder Trafo) und verhindert so Überhitzung und Brand.

Ges.: P_\mathrm{max}

\def\arraystretch{2.3} \begin{array}{rcl|l} P_\mathrm{max} & = & U \cdot I_\mathrm{n} = 230\ \mathrm{V} \cdot 0{,}5\ \mathrm{A} = \underline{\underline{115\ \mathrm{W}}} & \end{array}

Formel 1 Punkt, Ergebnis 1 Punkt.

Ges.: Schmelzzeiten und Strom aus der Kennlinie

Je Wert 1 Punkt (im Rahmen der Ablesegenauigkeit):

• ca) T 1 A bei 4 A: \underline{\underline{t \approx 0{,}4\ \mathrm{s}}}
• cb) T 2 A bei 20 A: \underline{\underline{t \approx 0{,}05\ \mathrm{s}}}
• cc) T 0,5 A nach 0,4 s: \underline{\underline{I \approx 2\ \mathrm{A}}}

Ges.: Schaltung und Funktion der Sicherungsanzeige

Skizze (1 Punkt): Die LED liegt mit einem Vorwiderstand in Reihe parallel zur Sicherung, die Anode zur Seite der 24-V-Versorgung, die Kathode zur Seite der Sensoren. Die Schaltung entspricht der Abbildung aus dem Artikel; die Last sind hier die Sensoren:

• Sicherung intakt: Die Sicherung überbrückt LED und Vorwiderstand, an ihr fällt fast keine Spannung ab, die LED bleibt dunkel (1 Punkt).
• Sicherung defekt: Der Strom fließt über Vorwiderstand, LED und die angeschlossenen Sensoren nach Masse. Fast die ganze Spannung liegt an LED und Vorwiderstand, die LED leuchtet (1 Punkt).

Ges.: Vorwiderstand R_\mathrm{V}, E12-Wert, Verlustleistung P_\mathrm{V}

\begin{aligned} &\text{(I)} && U = U_\mathrm{R} + U_\mathrm{F} \\ &\text{(II)} && U_\mathrm{R} = R_\mathrm{V} \cdot I_\mathrm{F} \\ &\text{(III)} && P_\mathrm{V} = I^2 \cdot R_\mathrm{V} \end{aligned}

I nach U_\mathrm{R} umstellen und II nach R_\mathrm{V} umstellen, I in II (1 Punkt):

\def\arraystretch{2.3} \begin{array}{rcl|l} U_\mathrm{R} & = & R_\mathrm{V} \cdot I_\mathrm{F} & \color{gray}{:I_\mathrm{F}} \\ R_\mathrm{V} & = & \dfrac{U - U_\mathrm{F}}{I_\mathrm{F}} = \dfrac{24\ \mathrm{V} - 2{,}2\ \mathrm{V}}{0{,}005\ \mathrm{A}} = \underline{\underline{4{,}36\ \mathrm{k\Omega}}} & \end{array}

Gewählt aus der E12-Reihe (nächstgrößerer Wert): \underline{\underline{R_\mathrm{V} = 4{,}7\ \mathrm{k\Omega}}}; der LED-Strom sinkt auf 21{,}8\ \mathrm{V} / 4700\ \Omega \approx 4{,}64\ \mathrm{mA} (1 Punkt).

III mit dem gewählten Widerstand (1 Punkt):

\def\arraystretch{2.3} \begin{array}{rcl|l} P_\mathrm{V} & = & I^2 \cdot R_\mathrm{V} = (0{,}00464\ \mathrm{A})^2 \cdot 4700\ \Omega \approx \underline{\underline{101\ \mathrm{mW}}} & \end{array}

Ein Widerstand mit 0,25 W Belastbarkeit reicht aus.

Ges.: Prüfung der Anzeige bei der Inbetriebnahme

Mit angeschlossenen Sensoren (bzw. einer Last) die Sicherung herausnehmen: Die LED muss leuchten (1 Punkt). Sicherung wieder einsetzen: Die LED muss erlöschen, und über der Sicherung misst Du nahezu 0 V (1 Punkt).

Ges.: Aufgabe der Suppressordiode mit der Sicherung

Die Suppressordiode begrenzt Überspannungen am Eingang, z. B. Spannungsspitzen beim Abschalten induktiver Lasten im 24-V-Netz; sie leitet oberhalb ihrer Durchbruchspannung und schützt so die Bauteile der Platine (1 Punkt). Liegt dauerhaft eine zu hohe Spannung an oder wird die Versorgung verpolt, leitet die Diode einen großen Strom; die vorgeschaltete Sicherung löst aus und trennt die Platine, bevor die Diode oder die Leiterbahnen überlastet werden (1 Punkt).

Geg.: Motornennstrom Bandsäge I_\mathrm{N} = 4{,}2\ \mathrm{A}, Anlaufstrom 6 \cdot I_\mathrm{N}; RCD 40 A / 0,03 A

Ges.: Geräte, Schutzwirkung, Kurzschlussschutz der Absauganlage

• -Q3 ist ein Motorschutzschalter: thermischer und elektromagnetischer Auslöser, also Schutz gegen Überlast und Kurzschluss (2 Punkte).
• -F6 ist ein Motorschutzrelais: nur thermischer Auslöser, Schutz nur gegen Überlast; über den Hilfskontakt 95-96 schaltet es das Schütz -Q4 ab (1 Punkt).
• Den Kurzschlussschutz der Absauganlage übernehmen die Sicherungen -F5 (1 Punkt).

Ges.: Strom bei blockiertem Motor, Reaktion

\def\arraystretch{2.3} \begin{array}{rcl|l} I & = & 6 \cdot I_\mathrm{N} = 6 \cdot 4{,}2\ \mathrm{A} = \underline{\underline{25{,}2\ \mathrm{A}}} & \end{array}

(1 Punkt) Der Motor dreht nicht und nimmt dauerhaft seinen Anlaufstrom auf; die Wicklung erwärmt sich stark, weil die Stromwärme mit dem Quadrat des Stroms wächst (1 Punkt). Der thermische Auslöser von -Q3 erkennt den Überstrom und schaltet nach einigen Sekunden ab; der elektromagnetische Auslöser spricht bei diesem Strom nicht an (1 Punkt).

Ges.: Bedeutung der Wiedereinschaltsperre

Nach dem Auslösen muss -Q3 von Hand wieder eingeschaltet werden (1 Punkt). Die Bandsäge läuft also nicht von selbst wieder an, während jemand das eingeklemmte Werkstück entfernt oder das Sägeband prüft; so wird eine Verletzung durch plötzlichen Anlauf verhindert (1 Punkt).

Ges.: Schutzklassen

Je richtiger Zeile 1 Punkt:

Ges.: Auslösung der RCD 40 A / 0,03 A

Je Fall 1 Punkt:

• ea) 12 mA liegen unter 0{,}5 \cdot I_{\Delta\mathrm{n}} = 15\ \mathrm{mA}: Die RCD darf nicht auslösen.
• eb) 45\ \mathrm{mA} \ge I_{\Delta\mathrm{n}} = 30\ \mathrm{mA}: Die RCD löst aus.
• ec) Der Körperstrom fließt von L über die Person nach N zurück, also durch den Summenstromwandler hin und zurück: kein Differenzstrom, die RCD löst nicht aus.
• ed) Der Kurzschlussstrom fließt vollständig über N zurück: kein Differenzstrom, die RCD löst nicht aus; abschalten muss der Leitungsschutzschalter.

Geg.: Z_\mathrm{S} = 1{,}25\ \Omega, U_0 = 230\ \mathrm{V}

Ges.: Begründung für die einmalige Aufteilung

Hinter der Aufteilung soll der Betriebsstrom nur über N zurückfließen und der PE im Normalbetrieb stromlos sein (1 Punkt). Würden PE und N später wieder verbunden, flösse ein Teil des Betriebsstroms über PE, Gehäuse, Rohre und Schirme zurück: Es entstehen Störungen, Erwärmung, Korrosion und Brandgefahr (1 Punkt). Außerdem würde eine Fehlerstrom-Schutzeinrichtung diesen Teilstrom als Differenzstrom sehen und fehlauslösen bzw. ihre Schutzwirkung verlieren (1 Punkt).

Ges.: Fehlerstromweg, Begründung der schnellen Abschaltung

Der Fehlerstrom fließt von L2 über das Gehäuse und den Schutzleiter PE zur Haupterdungsschiene, über den PEN zum geerdeten Sternpunkt des Transformators und durch die Wicklung zurück zu L2 (1 Punkt). Weil diese Fehlerschleife sehr niederohmig ist, fließt ein Strom in der Größe eines Kurzschlussstroms (1 Punkt). Dieser Strom liegt über dem Ansprechstrom des elektromagnetischen Auslösers; der Leitungsschutzschalter löst praktisch unverzögert aus und schaltet den Stromkreis innerhalb der zulässigen Zeit ab, bevor eine gefährliche Berührungsspannung lange anliegt (1 Punkt).

Ges.: Abschaltbedingung für B20 und C20, Z_\mathrm{S,max} für C20

\begin{aligned} &\text{(I)} && Z_\mathrm{S} \cdot I_\mathrm{a} \le U_0 \\ &\text{(II)} && I_\mathrm{k} = \dfrac{U_0}{Z_\mathrm{S}} \end{aligned}

II (1 Punkt):

\def\arraystretch{2.3} \begin{array}{rcl|l} I_\mathrm{k} & = & \dfrac{230\ \mathrm{V}}{1{,}25\ \Omega} = \underline{\underline{184\ \mathrm{A}}} & \end{array}

Auslöseströme für unverzögerte Abschaltung (1 Punkt): B20: I_\mathrm{a} = 5 \cdot 20\ \mathrm{A} = 100\ \mathrm{A}; C20: I_\mathrm{a} = 10 \cdot 20\ \mathrm{A} = 200\ \mathrm{A}.

• B20: 184\ \mathrm{A} \ge 100\ \mathrm{A} – Abschaltbedingung erfüllt (1 Punkt).
• C20: 184\ \mathrm{A} < 200\ \mathrm{A} – Abschaltbedingung nicht erfüllt (1 Punkt).

I nach Z_\mathrm{S} umstellen (1 Punkt):

\def\arraystretch{2.3} \begin{array}{rcl|l} Z_\mathrm{S} \cdot I_\mathrm{a} & \le & U_0 & \color{gray}{:I_\mathrm{a}} \\ Z_\mathrm{S,max} & = & \dfrac{U_0}{I_\mathrm{a}} = \dfrac{230\ \mathrm{V}}{200\ \mathrm{A}} = \underline{\underline{1{,}15\ \Omega}} & \end{array}

Ges.: höchste Abschaltzeit, Schutzeinrichtung bei großer Schleifenimpedanz

• Höchste Abschaltzeit: \underline{\underline{0{,}4\ \mathrm{s}}} (1 Punkt).
• Eine Fehlerstrom-Schutzeinrichtung (RCD) schaltet schon bei Fehlerströmen im Milliampere-Bereich ab und erfüllt die Abschaltzeit auch bei großer Schleifenimpedanz; alternativ ein RCBO (1 Punkt).

Ges.: Teile im Schutzpotenzialausgleich und Zweck

Drei Teile (2 Punkte; zwei richtige Teile 1 Punkt), z. B. Fundamenterder, metallene Wasser- und Heizungsrohre, Gasleitung hinter dem Isolierstück, Druckluftleitungen aus Metall, Lüftungskanäle, Blitzschutzanlage, Hauptschutzleiter.

Zweck (1 Punkt): Alle gleichzeitig berührbaren leitfähigen Teile liegen auf demselben Potenzial wie der Schutzleiter, sodass zwischen ihnen keine gefährliche Berührungsspannung entstehen kann, auch nicht durch von außen eingeschleppte Fehler.

• Die graue Ader ist der dritte Außenleiter L3, kein Neutralleiter; blau wäre N (1 Punkt).
• Die grün-gelbe Ader mit blauen Markierungen ist ein PEN-Leiter, der N- und PE-Funktion vereint; das zeigt auch die gemeinsame Schiene (2 Punkte).
• Es handelt sich deshalb um ein TN-C-System, nicht um TN-S: Im TN-S-System wären N und PE getrennt geführt (2 Punkte).

Bewertung (1 Punkt): Ein Datenkabelschirm sollte keinen Betriebsstrom führen; 2,4 A mit Netzfrequenz sind ein deutlicher Mangel.

Erklärung (3 Punkte): Im TN-C-System fließt der Rückstrom der einphasigen Verbraucher über den PEN, der zugleich mit den Körpern verbunden ist. Über die Gehäuse von Switches und Netzwerkschrank sind auch die Kabelschirme mit diesem Leiter verbunden. Ein Teil des Rückstroms fließt deshalb parallel über die Schirme. Die Folgen sind Erwärmung, eingekoppelte Störungen bis zu Übertragungsfehlern sowie Brand- und Korrosionsgefahr.

Reihenfolge (3 Punkte): B – D – E – A. Kleine Abweichungen (z. B. A vor E) sind richtig, wenn B zuerst steht.

Schritt C ist falsch (2 Punkte): Nach der einmaligen Aufteilung des PEN dürfen N und PE nie wieder verbunden werden. Eine zweite Brücke würde wieder einen Parallelweg für den Betriebsstrom über PE, Gehäuse und Schirme schaffen, und eine Fehlerstrom-Schutzeinrichtung würde fehlauslösen bzw. nicht mehr richtig schützen.

• Fehler (1 Punkt): Der Schutzleiter ist unterbrochen (oder nicht angeschlossen); L–PE müsste etwa 230 V zeigen.
• Gefahr (2 Punkte): Bei einem Körperschluss eines Geräts der Schutzklasse I gibt es keine niederohmige Fehlerschleife; die Schutzeinrichtung schaltet nicht ab, und das Gehäuse führt Spannung gegen Erde.
• Vorgehen (1 Punkt): Stromkreis freischalten, Verbindung des PE vom Verteiler bis zur Steckdose suchen und herstellen, danach die Durchgängigkeit des Schutzleiters messen.

Je Aussage 1 Punkt: ea) IT, eb) TT, ec) TN-S, ed) IT.

Je Beobachtung 2 Punkte:

• 1: Der Anlaufstrom liegt im Übergangsbereich der Charakteristik B (3 bis 5 · I_\mathrm{n}): Der elektromagnetische Auslöser kann dort ansprechen, muss aber nicht. Deshalb löst der Schalter nur manchmal aus.
• 2: Freiauslösung: Der Auslösemechanismus ist vom Schalthebel entkoppelt; die Kontakte öffnen im Fehlerfall auch bei festgehaltenem Hebel. Das Klebeband ist trotzdem zu entfernen.
• 3: Fehlende Selektivität: Beim Kurzschluss hat nicht nur der C20 vor der Fehlerstelle ausgelöst, sondern auch der vorgeschaltete C25.

Ges.: Vielfache x = I/I_\mathrm{n}, Zeitbereiche, Auslöser

Je Zeile 2 Punkte (Vielfaches und Auslöser 1 Punkt, Zeitbereich 1 Punkt). Abweichungen im Rahmen der Ablesegenauigkeit sind richtig.

Geg.: I_\mathrm{b} = 9\ \mathrm{A}, I_\mathrm{Anl} = 54\ \mathrm{A}, Z_\mathrm{S} = 1{,}62\ \Omega, U_0 = 230\ \mathrm{V}

Ges.: Bewertung C16, geeigneter Schalter

\def\arraystretch{2.3} \begin{array}{rcl|l} I_\mathrm{k} & = & \dfrac{U_0}{Z_\mathrm{S}} = \dfrac{230\ \mathrm{V}}{1{,}62\ \Omega} \approx \underline{\underline{142\ \mathrm{A}}} & \end{array}

(1 Punkt)

• C16: Anlauf 54\ \mathrm{A} < 5 \cdot 16\ \mathrm{A} = 80\ \mathrm{A}, löst beim Anlauf nicht aus (1 Punkt). Abschaltbedingung: I_\mathrm{a} = 10 \cdot 16\ \mathrm{A} = 160\ \mathrm{A} > 142\ \mathrm{A}, also nicht erfüllt (2 Punkte).
• Vorschlag C13 (1 Punkt): Anlauf 54\ \mathrm{A} < 5 \cdot 13\ \mathrm{A} = 65\ \mathrm{A}, kein Auslösen; I_\mathrm{a} = 130\ \mathrm{A} \le 142\ \mathrm{A}, Abschaltbedingung erfüllt; 9\ \mathrm{A} \le 13\ \mathrm{A} passt zum Betriebsstrom (2 Punkte).

Andere begründete Lösungen (Leitung mit größerem Querschnitt, zusätzlicher RCD) sind ebenfalls richtig.

Begründung (2 Punkte): C20: 400\ \mathrm{A} / 20\ \mathrm{A} = 20; C25: 400\ \mathrm{A} / 25\ \mathrm{A} = 16. Beide Werte liegen über 10 \cdot I_\mathrm{n}, beide elektromagnetischen Auslöser sprechen praktisch gleichzeitig unverzögert an.

Maßnahmen (je 2 Punkte), z. B.:

• als Vorsicherung der Unterverteilung einen selektiven Hauptleitungsschutzschalter (SH-Schalter) einsetzen, der kurz verzögert auslöst,
• stattdessen Schmelzsicherungen mit ausreichendem Abstand der Bemessungsströme verwenden,
• den Bemessungsstrom des Ladeplatzes verkleinern, soweit dessen Betriebsstrom das erlaubt, damit der Abstand zur Vorsicherung größer wird.

• -F1 (2 Punkte): 21 mA liegt zwischen 0{,}5 \cdot I_{\Delta\mathrm{n}} = 15\ \mathrm{mA} und I_{\Delta\mathrm{n}} = 30\ \mathrm{mA}; 28 ms liegt unter 300 ms. In Ordnung.
• -F2 (2 Punkte): 34 mA liegt über 30 mA; der RCD löst erst bei einem zu großen Differenzstrom aus und muss getauscht werden, obwohl die Auslösezeit passt.
• Bereich (2 Punkte): Unter 0{,}5 \cdot I_{\Delta\mathrm{n}} darf der RCD nicht auslösen, damit kleine betriebliche Ableitströme keine Fehlauslösung bewirken; ab I_{\Delta\mathrm{n}} muss er sicher auslösen. Dazwischen liegt die Fertigungstoleranz.

Geg.: I_{\Delta\mathrm{n}} = 30\ \mathrm{mA}, Ableitstrom je Schrank 3{,}5\ \mathrm{mA}, Grenze 30 %

Ges.: Schränke je RCD, Anzahl RCDs

\def\arraystretch{2.3} \begin{array}{rcl|l} I_\mathrm{Ableit,max} & = & 0{,}3 \cdot 30\ \mathrm{mA} = 9\ \mathrm{mA} & \\ n & = & \dfrac{9\ \mathrm{mA}}{3{,}5\ \mathrm{mA}} \approx 2{,}57 \ \Rightarrow\ \underline{\underline{n = 2}} & \end{array}

(3 Punkte; abgerundet, weil sonst die Grenze überschritten wird) Für sechs Schränke sind drei RCDs nötig (1 Punkt). Alternative: je Schrank ein RCBO; dann schaltet ein Fehler auch nur einen Schrank ab (1 Punkt).

Die Aussage ist falsch (1 Punkt). Ohne PE fließt bei einem Körperschluss zunächst kein Fehlerstrom; das Gehäuse führt Spannung gegen Erde, und der RCD löst erst aus, wenn eine Person das Gehäuse berührt und der Strom über ihren Körper fließt (2 Punkte). Der RCD ist nur ein zusätzlicher Schutz; der Fehlerschutz durch Schutzleiter und automatische Abschaltung bleibt bei Geräten der Schutzklasse I vorgeschrieben (1 Punkt).

Ursache (2 Punkte): Die Neutralleiter zweier Stromkreise hinter verschiedenen RCDs sind vertauscht oder miteinander verbunden. Jeder RCD misst dann einen Teil des Betriebsstroms als Differenzstrom.

Abhilfe (2 Punkte): Für jeden Stromkreis L und N auf denselben RCD führen und getrennte N-Klemmen bzw. N-Schienen je RCD verwenden.

• Einspeisung L1 → Hauptschalter -Q1 (63 A, schaltet die ganze Unterverteilung frei) (1 Punkt)
• → Fehlerstrom-Schutzschalter -F1 (40 A / 0,03 A, erkennt Differenzströme) (1 Punkt)
• → Sammelschiene L1 → Leitungsschutzschalter -F2 (B16, schützt die Leitung) (1 Punkt)
• → Leitung -W1 (NYM-J 3 × 2,5 mm²) → Klemme bzw. Steckdose -X1 (1 Punkt)

Rückweg (2 Punkte): über den Neutralleiter von -X1 zur N-Schiene hinter -F1 und durch -F1 und -Q1 zurück; der PE ist an der PE-Schiene angeschlossen und führt im Normalbetrieb keinen Strom.

Bewertung:

• Außenleiter L3 von der Sammelschiene hinter dem RCD abgreifen (andere Außenleiter sind mit Begründung ebenfalls richtig) (2 Punkte),
• LS-Schalter einzeichnen und kennzeichnen: -F4 B16 (C16 ebenfalls richtig, siehe c) (2 Punkte),
• N von der N-Schiene hinter -F1 (2 Punkte),
• PE von der PE-Schiene (1 Punkt),
• Leitungsbezeichnung -W3 NYM-J 3 × 2,5 mm² (2 Punkte).

Wer statt des LS-Schalters einen RCBO einzeichnet, der hinter -Q1 vor dem RCD angeschlossen wird, löst die Aufgabe ebenfalls richtig, wenn N vom RCBO weitergeführt wird.

Geg.: P = 370\ \mathrm{W} + 60\ \mathrm{W} + 120\ \mathrm{W} + 370\ \mathrm{W} = 920\ \mathrm{W}, U = 230\ \mathrm{V}, \cos\varphi = 0{,}95, I_\mathrm{z} = 21\ \mathrm{A}

Ges.: I_\mathrm{b}, Begründung des Schutzorgans

\def\arraystretch{2.3} \begin{array}{rcl|l} P & = & U \cdot I_\mathrm{b} \cdot \cos\varphi & \color{gray}{:(U \cdot \cos\varphi)} \\ I_\mathrm{b} & = & \dfrac{920\ \mathrm{W}}{230\ \mathrm{V} \cdot 0{,}95} \approx \underline{\underline{4{,}21\ \mathrm{A}}} & \end{array}

(3 Punkte: Summe, Formel, Ergebnis) 4{,}21\ \mathrm{A} \le 16\ \mathrm{A} \le 21\ \mathrm{A}: Die Bedingung ist erfüllt; ein B16 lässt Reserve, wegen der Einschaltströme der Netzteile ist ein C16 sinnvoll, wenn die Abschaltbedingung eingehalten wird (2 Punkte).

• Zusätzlich anzubinden (2 Punkte), z. B.: Türen, Seitenwände und Dach über Erdungsbänder mit dem Gestell; eine Potenzialausgleichsschiene im Schrank als Sammelpunkt; die Schirmanschlüsse der Patchfelder.
• Querschnitt (2 Punkte): 4 mm² reicht nicht; der Schutzpotenzialausgleichsleiter zur Haupterdungsschiene braucht mindestens 6 mm² Cu, z. B. H07V-K 1 × 6 mm² grün-gelb.

Die Zange umschließt Außenleiter und Neutralleiter zugleich; Hin- und Rückstrom sind gleich groß und entgegengesetzt, ihre Magnetfelder heben sich auf (2 Punkte). Richtig: Die Zange nur um einen einzelnen Leiter legen, z. B. an der Klemme von -F4 oder an einer einzelnen Ader im Verteiler (1 Punkt).