Übungsaufgaben zum Schutz gegen elektrischen Schlag: Fehlerarten, Abschaltbedingung, SELV, PELV und Schutztrennung

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Erstelle neue Übungsaufgaben zum Thema „Schutz gegen elektrischen
Schlag: Fehlerarten, Abschaltbedingung, SELV, PELV und Schutztrennung“.

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/schutz-gegen-elektrischen-schlag
- https://oer-informatik.de/gefahren-sicherheitsregeln
- https://oer-informatik.de/netzsysteme-schutzeinrichtungen
- https://oer-informatik.de/schutzklassen-schutzarten
- Stilbeispiel: https://oer-informatik.de/schutz-gegen-elektrischen-schlag-uebungsaufgaben

Die Aufgaben sollen Inhalte zu diesen Schlagwörtern abdecken:
- Schutz gegen elektrischen Schlag
- Fehlerarten
- Abschaltbedingung
- Schleifenimpedanz
- Schutzleiterunterbrechung
- Fehlerstrom-Schutzeinrichtung
- Schutzpotenzialausgleich
- SELV
- PELV
- Schutztrennung

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.: Heizgerät mit Metallgehäuse im TN-S-System, B16, Schalter S_1, S_2, Heizwiderstände R_1, R_2, Fehlerstellen A bis D

Ges.: Begriff „aktive Teile“, Zuordnung von L, N, PE

Aktive Teile sind Leiter und leitfähige Teile, die im normalen Betrieb unter Spannung stehen (1 Punkt). Dazu gehören der Außenleiter L und der Neutralleiter N, nicht aber der Schutzleiter PE, der nur im Fehlerfall Strom führt (1 Punkt).

Ges.: drei Maßnahmen des Basisschutzes

Je Maßnahme 1 Punkt, z. B.:

• Basisisolierung aller Adern und der Heizwiderstände gegenüber dem Gehäuse,

• Abdeckung bzw. Umhüllung: geschlossenes Gehäuse, Anschlussraum nur mit Werkzeug zu öffnen,

• Schutzgitter vor den Heizwiderständen, sodass sie nicht mit den Fingern erreichbar sind (mindestens IP2X).

Ges.: Fehlerart je Fehlerstelle

Je richtiger Zeile 1 Punkt:

Ges.: Fehlerstromweg bei B

Der Fehlerstrom fließt vom Außenleiter der Quelle über den B16 und den geschlossenen Schalter S_1 zur Fehlerstelle B, über das Metallgehäuse zum Schutzleiteranschluss und über den PE zurück zum geerdeten Sternpunkt der Quelle (je Abschnitt Hin-, Fehler- und Rückweg 1 Punkt):

Ges.: Auslösung des B16 je Fehlerstelle

Je Fehlerstelle mit Begründung 1 Punkt:

• A (Leiterschluss): löst nicht aus. R_1 begrenzt den Strom weiter auf einen normalen Betriebsstrom; das Gerät heizt nur dauernd in der höheren Stufe.

• B (Körperschluss): löst aus, sobald S_1 geschlossen ist. Über das Gehäuse und den niederohmigen Schutzleiter fließt ein Fehlerstrom in der Größe eines Kurzschlussstroms.

• C (Kurzschluss): löst aus. Zwischen L und N liegt kein Verbraucher, der Strom wird nur durch die Leitungen begrenzt.

• D (Erdschluss): löst in der Regel nicht aus. Der Strom fließt über den Erdübergangswiderstand des Metallteils und das Erdreich zurück und ist meist viel kleiner als der Abschaltstrom; eine RCD würde ihn erkennen.

Geg.: TN-S-System, U_0 = 230\ \mathrm{V}; Stromkreis 1: B20; Stromkreis 2: C13, Z_\mathrm{S} = 2{,}10\ \Omega

Ges.: höchstzulässige Abschaltzeiten

• Steckdosenstromkreise (Endstromkreise bis 63 A): \underline{\underline{0{,}4\ \mathrm{s}}} (1 Punkt)

• Zuleitung zur Unterverteilung (Verteilerstromkreis): \underline{\underline{5\ \mathrm{s}}} (1 Punkt)

Geg.: U_1 = 231\ \mathrm{V} ohne Belastung, U_2 = 220{,}2\ \mathrm{V} bei I_\mathrm{P} = 8{,}0\ \mathrm{A}

Ges.: Messprinzip, Z_\mathrm{S}

Messprinzip (2 Punkte): Der Tester misst zwischen L und PE zuerst die Spannung ohne Belastung. Dann belastet er die Fehlerschleife für wenige Millisekunden mit einem bekannten Prüfwiderstand und misst Prüfstrom und Spannung. Der Spannungseinbruch entsteht an der Schleifenimpedanz, daraus berechnet er Z_\mathrm{S}.

Der Spannungsfall an der Schleife ist U_1 - U_2 (2 Punkte):

\def\arraystretch{2.3} \begin{array}{rcl|l} U_1 - U_2 & = & Z_\mathrm{S} \cdot I_\mathrm{P} & \color{gray}{:I_\mathrm{P}} \\ Z_\mathrm{S} & = & \dfrac{U_1 - U_2}{I_\mathrm{P}} = \dfrac{231\ \mathrm{V} - 220{,}2\ \mathrm{V}}{8{,}0\ \mathrm{A}} = \underline{\underline{1{,}35\ \Omega}} & \end{array}

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

\begin{aligned} &\text{(I)} && I_\mathrm{a} = 5 \cdot I_\mathrm{n} \\ &\text{(II)} && Z_\mathrm{S} \cdot I_\mathrm{a} \le U_0 \end{aligned}

I (1 Punkt):

I_\mathrm{a} = 5 \cdot 20\ \mathrm{A} = 100\ \mathrm{A}

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

\def\arraystretch{2.3} \begin{array}{rcl|l} Z_\mathrm{S,max} \cdot I_\mathrm{a} & = & U_0 & \color{gray}{:I_\mathrm{a}} \\ Z_\mathrm{S,max} & = & \dfrac{U_0}{I_\mathrm{a}} = \dfrac{230\ \mathrm{V}}{100\ \mathrm{A}} = \underline{\underline{2{,}30\ \Omega}} & \end{array}

Gemessen wurden 1{,}35\ \Omega < 2{,}30\ \Omega: Die Abschaltbedingung ist \underline{\underline{\text{erfüllt}}} (1 Punkt).

Ges.: I_\mathrm{k}, Auslösezeit des C13, Beurteilung

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

I nach I_\mathrm{k} umstellen (1 Punkt):

\def\arraystretch{2.3} \begin{array}{rcl|l} U_0 & = & Z_\mathrm{S} \cdot I_\mathrm{k} & \color{gray}{:Z_\mathrm{S}} \\ I_\mathrm{k} & = & \dfrac{U_0}{Z_\mathrm{S}} = \dfrac{230\ \mathrm{V}}{2{,}10\ \Omega} \approx \underline{\underline{110\ \mathrm{A}}} & \end{array}

II (1 Punkt):

x = \frac{110\ \mathrm{A}}{13\ \mathrm{A}} \approx 8{,}46

Mit gerundeten Zwischenergebnissen ergibt sich: x \approx 8{,}46
Ohne gerundete Zwischenergebnisse ergibt sich: I_\mathrm{k} \approx 109{,}5\ \mathrm{A}, x \approx 8{,}42

Ablesen (1 Punkt): x \approx 8{,}4 liegt im Band der Charakteristik C zwischen 5 und 10. Der elektromagnetische Auslöser spricht dort nicht sicher an; an der oberen Grenze liest Du etwa \underline{\underline{7\ \mathrm{s}}} ab.

Beurteilung (1 Punkt): 7\ \mathrm{s} sind viel länger als die geforderten 0{,}4\ \mathrm{s}. Die Abschaltbedingung ist \underline{\underline{\text{nicht erfüllt}}}.

Ges.: Z_\mathrm{S,max} für B13, weitere Maßnahme

Mit B13 gilt I_\mathrm{a} = 5 \cdot 13\ \mathrm{A} = 65{,}0\ \mathrm{A} (1 Punkt):

Z_\mathrm{S,max} = \frac{U_0}{I_\mathrm{a}} = \frac{230\ \mathrm{V}}{65{,}0\ \mathrm{A}} \approx \underline{\underline{3{,}54\ \Omega}}

2{,}10\ \Omega < 3{,}54\ \Omega: Mit B13 ist die Abschaltbedingung \underline{\underline{\text{erfüllt}}} (1 Punkt).

Weitere Maßnahme (1 Punkt), z. B.: Fehlerstrom-Schutzeinrichtung mit I_{\Delta\mathrm{n}} \le 30\ \mathrm{mA} vorschalten oder die Leitung mit größerem Querschnitt verlegen, um die Schleifenimpedanz zu senken.

Geg.: Standbohrmaschine Schutzklasse I, Schutzleiter im Stecker abgerissen; RCD I_{\Delta\mathrm{n}} = 30\ \mathrm{mA}

Ges.: Folgen der Schutzleiterunterbrechung

• Ohne weiteren Fehler arbeitet die Maschine normal; der Mangel fällt nicht auf, aber der Fehlerschutz fehlt (1 Punkt).

• Tritt ein Körperschluss auf, gibt es keine niederohmige Fehlerschleife: Der Leitungsschutzschalter löst nicht aus, und das Gehäuse liegt dauernd auf Netzspannung gegen Erde (1 Punkt).

• Wer das Gehäuse berührt, wird über Körper und Standort durchströmt. In dieser Werkstatt schaltet erst die RCD ab, sobald der Körperstrom mindestens 30 mA erreicht; ohne RCD wäre der Fehler lebensgefährlich (1 Punkt).

Ges.: Begründung kleiner Schutzleiterwiderstand, großer Isolationswiderstand

Kleiner Schutzleiterwiderstand (2 Punkte): Je kleiner R_\mathrm{PE}, desto größer der Fehlerstrom bei Körperschluss und desto schneller schaltet die Schutzeinrichtung ab. Zugleich ist die Berührungsspannung U_\mathrm{B} \approx I_\mathrm{F} \cdot R_\mathrm{PE} am Gehäuse kleiner.

Großer Isolationswiderstand (2 Punkte): Über die Isolation fließen nur sehr kleine Ableitströme zum Gehäuse. Ist der Schutzleiter unterbrochen, bleibt dadurch auch der Strom durch einen berührenden Menschen klein. Ein sinkender Isolationswiderstand zeigt Feuchtigkeit, Schmutz oder Alterung an, also die Vorstufe eines Körperschlusses.

Ges.: Auslöseverhalten der RCD

Grenzen: Auslösung sicher ab I_{\Delta\mathrm{n}} = 30\ \mathrm{mA}, keine Auslösung unter 0{,}5 \cdot I_{\Delta\mathrm{n}} = 15\ \mathrm{mA}. Je Zeile 1 Punkt:

Ges.: Folgen eines PEN-Bruchs vor der Aufteilung

• Hinter der Bruchstelle sind N und PE noch miteinander verbunden, aber nicht mehr mit dem geerdeten Sternpunkt (1 Punkt).

• Über jeden eingeschalteten Verbraucher gelangt die Spannung des Außenleiters auf N und damit auf den PE (1 Punkt).

• Alle Gehäuse der Schutzklasse I im Gebäude können so gefährliche Spannung gegen Erde führen, obwohl kein Gerät defekt ist; keine Schutzeinrichtung schaltet ab. Zusätzlich verschiebt sich im Drehstromnetz der Sternpunkt, und Geräte können Überspannung bekommen (1 Punkt).

Geg.: Stromversorgungen G1, G2, T3, T4 laut Tabelle

Ges.: Schutzmaßnahme je Stromversorgung

Je Zeile mit Begründung 1 Punkt:

Ges.: Höchstwerte der Schutzkleinspannung

• Wechselspannung: \underline{\underline{50\ \mathrm{V}}} (1 Punkt)

• oberschwingungsfreie Gleichspannung: \underline{\underline{120\ \mathrm{V}}} (1 Punkt)

Ges.: Spannungen an T3, Erklärung

• Zwischen den beiden Sekundäranschlüssen: \underline{\underline{230\ \mathrm{V}}} (1 Punkt).

• Zwischen einem Sekundäranschluss und Erde: \underline{\underline{\approx 0\ \mathrm{V}}} (1 Punkt), weil der Sekundärkreis an keiner Stelle mit Erde verbunden ist.

Erklärung (2 Punkte): Für einen Körperstrom braucht es einen geschlossenen Stromkreis. Berührt ein Mensch nur einen Anschluss, fehlt der Rückweg zur Sekundärwicklung, denn Erde gehört nicht zum Sekundärkreis. Gefährlich wäre erst das gleichzeitige Berühren beider Anschlüsse.

Ges.: Trennwirkung des Optokopplers

Im Optokoppler steuert der 230-V-Kreis eine LED an, deren Licht einen Fototransistor im Eingangskreis der SPS schaltet (1 Punkt). Zwischen beiden Seiten gibt es nur eine Lichtstrecke durch einen transparenten Isolierstoff, keine leitende Verbindung; die Stromkreise sind galvanisch getrennt (1 Punkt).

Ges.: Gerät, bei dem die Messungen entfallen, Begründung

Bei der Handleuchte entfallen die Messungen von Schutzleiter- und Isolationswiderstand (1 Punkt). Sie hat Schutzklasse III, besitzt keinen Schutzleiter und wird nur mit Schutzkleinspannung aus G2 betrieben; gefährliche Spannungen können an ihr nicht auftreten (1 Punkt). Beim Netzteil G1 liegt dagegen Netzspannung an; nach dem Tausch der Netzanschlussleitung wird es nach DIN EN 50678 (VDE 0701) vollständig geprüft (1 Punkt).

Geg.: U_0 = 230\ \mathrm{V}, B16, Z_\mathrm{S} = 0{,}95\ \Omega, R_\mathrm{PE} = 0{,}38\ \Omega

Ges.: I_\mathrm{F}, U_\mathrm{B}, Beurteilung

\begin{aligned} &\text{(I)} && U_0 = Z_\mathrm{S} \cdot I_\mathrm{F} \\ &\text{(II)} && U_\mathrm{B} = R_\mathrm{PE} \cdot I_\mathrm{F} \end{aligned}

I nach I_\mathrm{F} umstellen (1 Punkt):

\def\arraystretch{2.3} \begin{array}{rcl|l} U_0 & = & Z_\mathrm{S} \cdot I_\mathrm{F} & \color{gray}{:Z_\mathrm{S}} \\ I_\mathrm{F} & = & \dfrac{U_0}{Z_\mathrm{S}} = \dfrac{230\ \mathrm{V}}{0{,}95\ \Omega} \approx \underline{\underline{242\ \mathrm{A}}} & \end{array}

II (1 Punkt):

U_\mathrm{B} = R_\mathrm{PE} \cdot I_\mathrm{F} = 0{,}38\ \Omega \cdot 242\ \mathrm{A} \approx \underline{\underline{92{,}0\ \mathrm{V}}}

Mit gerundeten Zwischenergebnissen ergibt sich: U_\mathrm{B} \approx 92{,}0\ \mathrm{V}
Ohne gerundete Zwischenergebnisse ergibt sich: I_\mathrm{F} \approx 242{,}1\ \mathrm{A}, U_\mathrm{B} \approx 92{,}0\ \mathrm{V}

Beurteilung (2 Punkte): 92\ \mathrm{V} liegen über der dauernd zulässigen Berührungsspannung von 50\ \mathrm{V}. Sie stehen aber nur kurz an: I_\mathrm{F} / I_\mathrm{n} = 242\ \mathrm{A} / 16\ \mathrm{A} \approx 15{,}1 > 5, der B16 schaltet unverzögert (unter 0{,}1\ \mathrm{s}) ab. Damit ist die Schutzmaßnahme wirksam.

Geg.: R_\mathrm{PE,neu} = 0{,}90\ \Omega, übrige Schleife 0{,}95\ \Omega - 0{,}38\ \Omega = 0{,}57\ \Omega

Ges.: I_\mathrm{F}, U_\mathrm{B}, Folge

Neue Schleifenimpedanz (1 Punkt):

Z_\mathrm{S,neu} = 0{,}57\ \Omega + 0{,}90\ \Omega = 1{,}47\ \Omega

I_\mathrm{F} = \frac{U_0}{Z_\mathrm{S,neu}} = \frac{230\ \mathrm{V}}{1{,}47\ \Omega} \approx \underline{\underline{156\ \mathrm{A}}}

U_\mathrm{B} = R_\mathrm{PE,neu} \cdot I_\mathrm{F} = 0{,}90\ \Omega \cdot 156\ \mathrm{A} \approx \underline{\underline{140\ \mathrm{V}}}

Mit gerundeten Zwischenergebnissen ergibt sich: U_\mathrm{B} \approx 140\ \mathrm{V} (1 Punkt je Ergebnis)
Ohne gerundete Zwischenergebnisse ergibt sich: I_\mathrm{F} \approx 156{,}5\ \mathrm{A}, U_\mathrm{B} \approx 141\ \mathrm{V}

Folge (1 Punkt): Der Fehlerstrom sinkt, die Berührungsspannung steigt um rund die Hälfte. Der B16 schaltet mit 156\ \mathrm{A} / 16\ \mathrm{A} \approx 9{,}8 > 5 zwar noch unverzögert ab, doch die Reserve schrumpft; bei noch größerem Schutzleiterwiderstand wird die Abschaltbedingung verfehlt. Die Klemme muss instand gesetzt werden.

Ges.: Aufgabe des Schutzpotenzialausgleichs, vier angeschlossene Teile

Aufgabe (2 Punkte): Der Schutzpotenzialausgleich verbindet alle leitfähigen Teile, die ins Gebäude führen, über die Haupterdungsschiene mit dem Schutzleiter und dem Erder. Dadurch liegen sie auf demselben Potenzial, und zwischen gleichzeitig berührbaren Teilen kann keine gefährliche Spannung entstehen, auch nicht durch Spannungen, die von außen eingeschleppt werden.

Angeschlossene Teile, je zwei richtige 1 Punkt, z. B.:

Ges.: Begründung zusätzlicher Schutzpotenzialausgleich im Bad

Im Bad ist der Körperwiderstand durch Nässe und große Kontaktflächen klein, sodass schon kleine Spannungen zwischen Wanne, Armatur und Gehäusen gefährliche Ströme treiben können (1 Punkt). Der zusätzliche Schutzpotenzialausgleich verbindet direkt vor Ort die metallene Badewanne, metallene Rohrleitungen und andere fremde leitfähige Teile mit dem Schutzleiter (1 Punkt). Er hält die Spannung zwischen gleichzeitig berührbaren Teilen klein, auch wenn eine Abschaltung kurz auf sich warten lässt (1 Punkt).

Ges.: zwei Schutzmaßnahmen gegen direktes und indirektes Berühren, Begründung

Zwei Schutzmaßnahmen (2 Punkte), z. B.: Schutzkleinspannung SELV bzw. PELV, doppelte oder verstärkte Isolierung, Schutztrennung.

Begründung für SELV (1 Punkt): Die Spannung ist auf höchstens 50\ \mathrm{V} AC bzw. 120\ \mathrm{V} DC begrenzt und sicher vom Netz getrennt. Sowohl beim Berühren eines aktiven Teils (direkt) als auch bei einem Isolationsfehler (indirekt) kann keine gefährliche Körperspannung entstehen.

Geg.: Datenlogger 230 V, Aluminiumgehäuse, Sensorversorgung 24 V, Klemmen zugänglich

Ges.: Schutzklasse, Begründung, zwei Folgen

Schutzklasse I (1 Punkt): Das Metallgehäuse ist leitfähig und berührbar; mit Schutzleiteranschluss schaltet bei einem Körperschluss die vorgeschaltete Schutzeinrichtung ab. (Schutzklasse II wäre nur mit doppelter Isolierung aller netzführenden Teile gegen das Metallgehäuse möglich; auch das ist bei Begründung richtig.)

Folgen (2 Punkte), z. B.: Netzanschluss mit Schutzkontaktstecker bzw. Kaltgerätestecker mit PE, Gehäuseteile niederohmig mit der PE-Klemme verbinden, PE-Ader länger lassen, damit sie bei Zug als letzte abreißt.

Ges.: vier sicherheitstechnische Gesichtspunkte an der Netzseite

Je Gesichtspunkt mit Begründung 1 Punkt, z. B.:

Ges.: Anforderungen an die Sensorversorgung, SELV oder PELV

• Die Spannung darf höchstens 50\ \mathrm{V} AC bzw. 120\ \mathrm{V} DC betragen; 24\ \mathrm{V} DC erfüllen das (1 Punkt).

• Die Versorgung muss aus einer sicheren Quelle stammen: Netzteil mit sicherer Trennung bzw. Sicherheitstransformator (1 Punkt).

• Die Sensorleitungen und Klemmen müssen von netzführenden Teilen sicher getrennt verlegt sein (1 Punkt).

Wird der 0-V-Leiter mit dem geerdeten Gehäuse verbunden, ist der Stromkreis geerdet: Es handelt sich um \underline{\underline{\text{PELV}}} (1 Punkt).

Geg.: Bemessungsausgangsspannung 24\ \mathrm{V}, Leerlaufspannung 27\ \mathrm{V}

Ges.: Zulässigkeit, Typschildangaben

Auch die Leerlaufspannung von 27\ \mathrm{V} liegt unter 50\ \mathrm{V} AC: Der Transformator ist \underline{\underline{\text{zulässig}}} (1 Punkt).

Typschildangaben (2 Punkte), z. B.: Symbol des Sicherheitstransformators (mit Angabe kurzschlussfest bzw. bedingt kurzschlussfest), Hinweis auf DIN EN 61558-2-6, Ausgangsspannung höchstens 50\ \mathrm{V} AC.

Ges.: Norm, Prüfschritte, Abgrenzung

Norm (1 Punkt): Nach einer Instandsetzung wird vor der Rückgabe nach DIN EN 50678 (VDE 0701) geprüft. Wer repariert hat, muss nachweisen, dass das Gerät wieder sicher ist.

Prüfschritte (2 Punkte): Sichtprüfung (Gehäuse, Leitung, Zugentlastung), Messung des Schutzleiterwiderstands, Messung des Isolationswiderstands bzw. des Schutzleiter- oder Berührungsstroms, Funktionsprüfung und Dokumentation.

Abgrenzung (1 Punkt): Die Wiederholungsprüfung nach DIN EN 50699 (VDE 0702) findet in festen Abständen statt, z. B. nach DGUV Vorschrift 3, auch wenn nichts repariert wurde.