Das Schutzrelais: Typen und Einsatz in Wohninstallationen

Was ein Relais ist — das Grundprinzip

Ein elektrisches Relais ist ein elektromagnetisch gesteuerter Schalter: Ein kleiner Strom (Steuerstrom) erregt eine Spule, die ein Magnetfeld erzeugt, das wiederum einen metallenen Anker bewegt, der die Kontakte eines Leistungsstromkreises (hoher Strom) öffnet oder schließt.

Der grundlegende Wert des Relais ist die galvanische Trennung zwischen dem Steuer- und dem Leistungsstromkreis — ein Sensor mit 12V DC kann einen 230V-AC-Stromkreis ganz ohne direkte elektrische Verbindung schalten.

Moderne Relais gibt es in vielen Ausführungen: elektromechanisch (Spule + physischer Anker), statisch (mit Halbleitern) und numerisch/digital (mit Mikroprozessor). Im Wohnbereich sind elektromechanische Relais und statische Relais mit Komparator am häufigsten.

1. Das Spannungsrelais (UV/OV-Relais)

Das Spannungsrelais überwacht die Netzspannung und schaltet die Last ab, wenn die Spannung ein einstellbares Band verlässt (in der Regel ±10% der Nennspannung von 230V, also 207–253V gemäß EN 50160).

Wovor es konkret schützt:

• Unterspannung (Brownout) — Elektromotoren (Pumpen, AC-Kompressoren) überhitzen, wenn sie bei reduzierter Spannung laufen: Der Strom steigt mit 1/U und die Wärme mit I²
• Überspannung — elektronische Geräte und LEDs sind empfindlich; eine Überspannung von 10% kann die Lebensdauer drastisch verkürzen oder die Geräte zerstören
• Spannungsrückkehr nach einem Ausfall — das Relais mit Verzögerung (typisch 3–15 Sekunden) schützt AC-Kompressoren vor vorzeitigem Wiederanlauf, bevor sich der Druck ausgeglichen hat

2. Das Phasenüberwachungsrelais (dreiphasig)

Für dreiphasige Wohninstallationen (Pumpen, große Klimazentralen, Werkstätten) prüft das Phasenüberwachungsrelais gleichzeitig alle drei Phasen und löst bei jeder Anomalie aus, die die Motoren beschädigen könnte.

Die häufigsten Schäden, die es verhindert:

• Phasenausfall (phase loss) — das gefährlichste Szenario: Der Drehstrommotor versucht, auf 2 Phasen zu laufen, der Strom steigt auf das 1,7–2-Fache des Normalwerts, die Wicklung brennt in Minuten durch
• Falsche Reihenfolge (Phasenvertauschung) — Motoren mit vorgegebener Drehrichtung (Pumpen, Aufzüge, Zentrifugalventilatoren) können mechanisch brechen oder überfluten, wenn sie rückwärts laufen
• Spannungsasymmetrie — eine Unsymmetrie von 3–5% in den Spannungen erzeugt eine Unsymmetrie von 15–25% in den Strömen (wegen der niedrigen Impedanz des Motors), was die Wicklung überhitzt

3. Das thermische Relais (Motorüberlast)

Das thermische Relais ist dem Schutz von Elektromotoren vor anhaltenden Überlasten gewidmet. Anders als der MCB ist das thermische Relais einstellbar (Potentiometer) und hat eine Strom-Zeit-Kennlinie, die der thermischen Charakteristik des geschützten Motors näher kommt.

Es arbeitet nach demselben Prinzip wie das Bimetall im MCB, aber für hohe Ströme ausgelegt und mit Feineinstellung. Im Wohnbereich tritt es auf bei:

• Pool- oder Bewässerungspumpen (Motoren 0,5–2,2 kW)
• Motoren für automatische Tore und Garagenautomatisierung
• Industrieventilatoren in Werkstätten oder Gewächshäusern
• Luftkompressoren für den Hausgebrauch

Relais vs. MCB — der wesentliche Unterschied

Der MCB schützt die Leiter und den Stromkreis — er löst aus, wenn der Strom die thermische Belastbarkeit des Kabels überschreitet. Das Schutzrelais schützt das angeschlossene Gerät — es löst aus, wenn die Betriebsparameter des Geräts (Spannung, Phasenausgewogenheit, Temperatur) das normale Betriebsband verlassen.

Ein Motor kann jahrelang mit einem Strom unter der MCB-Grenze laufen, aber mit leicht unsymmetrischer Spannung — und er wird allmählich durchbrennen, ohne dass der MCB ein Problem bemerkt. Das Schutzrelais bemerkt es.

Das numerische/digitale Relais

Moderne Schutzrelais sind eigentlich kleine Mikroprozessoren, die die elektrischen Parameter in Echtzeit messen und konfigurierbare Algorithmen anwenden. Gegenüber den elektromechanischen:

• Digital einstellbare Schwellwerte (kein Potentiometer)
• Speichern die letzten N Auslösungen mit Zeitstempel und Ursache
• RS485/Modbus-Kommunikation mit Automatisierungs- und Home-Automation-Systemen
• Mehrere Funktionen im selben Gehäuse (Spannung + Phasen + Frequenz + Leistung)

Das Multifunktionsrelais — ein Modul, alle Schutzfunktionen

Im Wohnbereich ist die heute vorherrschende Form nicht mehr das Relais mit nur einer Funktion, sondern das multifunktionale Schutz- und Überwachungsrelais (Abb. 0 und Abb. 4): ein Modul von 1–2 TE, das alle oben beschriebenen Funktionen in einem Gehäuse vereint.

Zweck und Rolle in der Installation: Es überwacht laufend die Spannung, den Strom und (bei dreiphasigen Modellen) die Phasenausgewogenheit, vergleicht die Messwerte mit einstellbaren Schwellwerten und steuert bei Überschreitung über einen Ausgangskontakt (typisch bis 40–63 A) die Abschaltung der Last — direkt oder über ein Schütz. Praktisch ersetzt es eine Reihe separater Relais (Spannung + Phasen + thermisch) durch ein einziges Gerät, das:

• misst ständig U, I, P und den Leistungsfaktor — und sie auf der Front-LED anzeigt
• schützt bei Unter-/Überspannung (UVP/OVP), thermischer Überlast (OTP), Phasenausfall und falscher Phasenreihenfolge, Mindest-/Höchstleistung und Leckströmen (mit externem Ringkern)
• verzögert die Wiederzuschaltung nach der Rückkehr in die Parameter (es schützt Kompressoren und Pumpen vor vorzeitigem Wiederanlauf)
• speichert die Ereignisse und meldet sie bei Modellen mit USB/Modbus an die Automatisierung

Die Kosten eines numerischen Relais mit Modbus-Kommunikation (50–150 EUR) sind für Häuser mit Photovoltaikanlagen, Notstromaggregaten oder komplexen technischen Installationen gerechtfertigt.

Normative Referenz

In I7-2011 erscheint das Relais nicht als eigenständiges „Schutzgerät" (wie MCB/RCCB), sondern als funktionales Steuer- (Schalt-)Gerät, behandelt im Unterkapitel 5.3.4.5 — „Geräte zum Trennen (Abtrennen), Schalten und Steuern". Dort nennt Art. 5.3.4.5.3.2 b) es ausdrücklich unter den Mitteln des funktionalen Schaltens:

„[…] das funktionale Schalten kann mittels Schaltern, Halbleitergeräten, Schützen, Relais, Steckdosen mit einem Nennstrom von höchstens 16 A erfolgen."— I7-2011, Art. 5.3.4.5.3.2 b)

Die Rolle dieser Geräte ist in Art. 5.3.4.5.0.1 definiert: Die Maßnahmen zum „Trennen (Abtrennen), Schalten und nicht-automatischen Steuern […] werden zum Zweck der Verhütung oder Vermeidung von Gefahren der Verletzung von Personen oder der Beschädigung (Zerstörung) der Geräte in elektrischen Anlagen verwendet" — genau die Funktion des Schutzrelais: Es schützt nicht das Kabel, sondern das Gerät.

Wie das Relais die Abschaltung tatsächlich steuert, ist in Art. 5.3.4.5.2.4 beschrieben:

„Leistungsschalter, Schütze usw. werden aus der Ferne über den Taster (Schalter) geöffnet, der im Auslösekreis der Spule wirkt."— I7-2011, Art. 5.3.4.5.2.4

Mit anderen Worten: Das Relais unterbricht den Leistungsstromkreis nicht selbst, sondern steuert die Spule eines Schützes an — das Schema im Kasten oben. Die Produktnormen für Schutzrelais stammen aus der Reihe IEC 60255, und Spannungsrelais für Generatoren und Photovoltaikanlagen erfüllen zusätzlich die Anforderungen an den Netzanschluss (EN 50549).