Stromnetze

Isolationstransformer

Der Isolationstransformer dient zur galvanischen Trennung vom eigentlichen Stromnetz. Oder: Er trennt einen Stromkreis von einem anderen, wodurch keine direkte Verbindung mehr besteht. Im Falle eines Isolationstransformer wird durch eine Spule ein Magnetfeld erzeugt, welches von einer zweiten Spule wiederum in elektrische Energie umgewandelt wird. Somit besteht zwischen der einen Spule und der anderen keine Verbindung, wo Strom fließen kann.

In der Abbildung gibt es nun kein + und – mehr, sondern ein L und ein N, da das Stromnetz in Europa mit Wechselspannung arbeitet. L ist der Leiter, wo das Spannungspotential zur Erde anliegt, die Erde ist so zu sagen der Nullpunkt (in der Abbildung N für Neutral, ist mit der Erde verbunden) und L das wechselnde Spannungspotential.
Der Generator/Transformator (in der Abbildung links oben) “erzeugt” den Strom, der auf L liegt. Die Geräte sind an L und N angeschlossen, das entspricht zum Beispiel einer normalen Steckdose.
Die Verbraucher haben allerdings einen Defekt und L ist mit dem Gehäuse der Verbraucher verbunden. Im Falle des linken Männchens, wo kein Isolationstransformer vor dem Verbraucher geschalten ist, kann der Strom von L, über den Defekt auf das Gehäuse und somit in den Körper gelangen. Da N mit der Erde verbunden ist, ist der Stromkreis zwischen L und N geschlossen (roter Pfad), und der Strom kann durch den Menschen fließen – er ist somit direkt mit der Netzspannung verbunden.

Quelle: [3]

Auf der rechten Seite ist ein Isolationstransformator vor dem Verbraucher installiert. Durch das Übertragen der Energie durch das Magnetfeld gibt es keinen Physikalischen Leiter, der direkt mit L oder N verbunden ist. Wenn das Gehäuse nun berührt wird, wird eine Verbindung zwischen der Erde und dem Gehäuse hergestellt, aber nicht zu L. Somit ist der Stromkreis nur innerhalb des Verbrauchers geschlossen (die Spule auf der Seite des Verbrauchers ist so zu sagen ein eigenes N und L, wo nun ein isoliertes Elektronenpotential zwischen N und L herrscht), und nicht durch den Generator und dem Menschen. Somit kann sicher an oder mit Geräten gearbeitet werden, wo eine Gehäuseisolation nicht möglich ist oder eine hohe Gefahr besteht, mit dem Stromnetz in Berührung zu kommen. Der Isolationstransformer ist also ein Mittel, um in einem Stromnetz einen Fehlerfall zu tolerieren, in diesem Fall einen Isolationsfehler zur Erde. Das System muss somit bei einem Kontakt zur Erde nicht abgeschaltet werden, da keine Gefahr besteht. Allerdings entsteht dadurch eine andere Gefahr.

Der FI Schalter…

ist ein Fehlerstromschalter, der nach der Vorschrift VDE 0100-410:2018-10 in Haushalten vorgeschrieben ist[4][5]. Er schützt vor Strömen, die aus einem Stromnetz “entkommen”, beispielsweise durch das linke Männchen in der Abbildung. Der FI Schalter wird nach dem Transformator zwischen L und N eingebaut. Er prüft, ob der Strom, der durch L fließt, auch durch N fließt. Wenn das der Fall ist, ist der komplette Strom durch den Verbraucher geflossen und nicht durch die Erde. Wenn nun in einem Fehlerfall Strom durch die Erde zurück zum Generator fließt, misst der FI Schalter einen größeren Stromfluss durch L und einen geringeren durch N. Somit kann der “Verlust” von Strom gemessen werden und aus Sicherheit wird der Strom abgeschaltet. Durch ein rechtzeitiges Abschalten fließt nur sehr kurz Strom durch den Menschen und die Überlebenschancen können somit signifikant erhöht werden.
Bei Betrachtung des rechten Scenarios (mit Isolationstransformer) fließt aber niemals der Strom durch die Erde. Wenn das Männchen nun mit einer zweiten Hand in das Gerät fassen würde, die eine Hand auf der linken Seite der unteren Spule (Sekundärwicklung) und mit der zweiten Hand an die rechte (Erinnerung: Die Spule agiert hier als eigener Generator, der durch das Magnetfeld angetrieben wird und somit ein “eigenes L und N besitzt”), wird der Stromkreis geschlossen – mit dem Unterschied, dass der Mensch nun als Last in einem System agiert und kein Fehlerstrom mehr durch die Erde existiert, der Strom fließt nun direkt vom L zum N nach dem Magnetfeld. Auf der oberen Seite des Transformers (Primärwicklung) wird nur ein Magnetfeld erzeugt, weshalb der Fehler auf der unteren Seite (Sekundärseite) nicht messbar ist. Der FI Schalter kann bei einem Einsatz von einem Isolationstransformer also nicht mehr Schützen.

Einsatzmöglichkeiten des Isolationstransformers

Der Isolationstransformer erlaubt einen Fehlerfall in einem System, was besonders in kritischen Umgebungen wie beispielsweise bei einer Operation in einem Krankenhaus Vorteile bringt. Es wäre nicht gut für den Patienten, wenn aufgrund eines defekten Gerätes im Nachbarraum nun der Gesamte Strom bei den OP Räumen ausfallen würde, oder wenn ein Gerät im Raum kaputt geht, die Sicherung des Raumes “rausfliegt und der Strom somit für den Raum weg ist. Mit einem Isolationstransformer ist so ein Ausfall ohne die Beeinträchtigung anderer Geräte möglich, denn wie in dem Bild zu sehen ist, ist ein Kurzschluss mit einem Gehäuse erlaubt und das System kann aktiv bleiben, die OP also fortgeführt werden.
Ein weiteres Beispiel ist der Einsatz auf einer Baustelle, wo durchaus im Regen gearbeitet werden muss oder leitfähige Baumaterialien verarbeitet werden. Wenn der Bauarbeiter im Regen bei Benutzen einer Bohrmaschine einen kurzen Schlag bekommt und dann der FI Schalter abschalten würde, wäre ein Arbeiten im Nassen nicht nur unmöglich, sondern auch sehr gefährlich für die Person. Durch den Isolationstransformer wird die Leitung durch die Erde unterbrochen und die Bohrmaschine funktioniert theoretisch auch im nassen.

Dennoch, bei solch einem Einsatz sind durch die bereits erwähnten Risiken ebenfalls wiederum andere Schutzmechanismen und Vorbereitungen zu treffen, beispielsweise eine Gerätesicherung, die bei zu viel Stromverbrauch das Gerät abschaltet.