Vom FU zum FI: Die Revolution des Fehlerschutzes in der Elektrotechnik

Autor: DerSchneider

Einleitung

Wer heute einen Neubau betritt oder einen alten Verteilerkasten öffnet, findet selbstverständlich einen FI-Schalter (Fehlerstrom-Schutzschalter) vor. Doch nur wenige wissen, dass diesem unscheinbaren Bauteil ein vergessener Vorgänger vorausging: der FU-Schalter (Fehlerspannungs-Schutzschalter). In den 1920er bis 1950er Jahren war er der letzte Schrei der Elektrosicherheit – und verschwand dann fast spurlos. Warum? Weil er auf einem Prinzip beruhte, das von Grund auf verwundbar war. Dieser Artikel taucht tief in die Technikgeschichte ein, erklärt die Funktionsweise des FU-Schalters, seine Schwächen und warum der FI-Schalter einen ungleich höheren Schutz bietet – eine technische Revolution, die unzählige Leben gerettet hat.

1. Die Geburtsstunde des Fehlerschutzes: Der FU-Schalter

In den Anfängen der Elektrifizierung waren Stromunfälle alltäglich. Gehäuse von Waschmaschinen, Bohrmaschinen oder Herden standen unter Spannung, ohne dass der Benutzer es ahnte. Der erste aktive Schutz gegen genau diese Gefahr war der Fehlerspannungs-Schutzschalter (FU).

Funktionsprinzip: Spannungsüberwachung gegen Erde

Der FU-Schalter überwachte nicht den Strom, sondern die Spannung zwischen dem Schutzleiter (dem gelb-grünen Draht, der mit allen Metallgehäusen verbunden war) und einem separaten Hilfserder. Dieser Hilfserder bestand aus einem metallenen Erdungsspieß, der im Erdreich vergraben wurde – und zwar in einem Mindestabstand von etwa 10 Metern zum eigentlichen Betriebserder der Hausinstallation.

Die Logik: Wenn ein Fehler auftrat (z. B. ein stromführender Leiter berührte das Gehäuse), dann lag am Gehäuse die volle Netzspannung an. Diese Spannung sollte über den Schutzleiter zum Hilfserder abfließen. Der FU-Schalter maß die Spannung zwischen Schutzleiter und Hilfserder. Überschritt sie einen kritischen Wert (üblich waren 24 V, 40 V oder 65 V), löste er aus und unterbrach den Stromkreis.

Die Technik dahinter

Im Inneren des FU-Schalters befand sich ein empfindliches Spannungsmessrelais (ein sogenanntes „Überspannungsrelais“). Dieses Relais war mit einer Spule ausgestattet, die bei anliegender Spannung einen Eisenkern anzog. Sobald die Spannung den eingestellten Schwellwert erreichte, zog das Relais an und betätigte einen mechanischen Auslösemechanismus, der die Hauptkontakte öffnete.

Die Anschlussbelegung war einfach: Die Spule lag zwischen dem Schutzleiterklemme („PE“) und dem Hilfserderanschluss. Der FU wurde in die Zuleitung (Phase und Neutralleiter) eingebaut. Er benötigte keine eigene Hilfsspannung, arbeitete also passiv.

Warum wurde der FU überhaupt verwendet?

In den 1920er Jahren gab es noch keine zuverlässigen, kompakten Stromwandler, wie sie für FI-Schalter nötig sind. Die verfügbaren Messgeräte für kleine Differenzströme waren groß, teuer und ungenau. Die Spannungsmessung war dagegen technisch einfach: Ein Relais, ein paar Widerstände, eine Feder. Zudem war die Idee einleuchtend: Wenn am Gehäuse eine gefährliche Spannung entsteht, soll der Strom weg. Der FU war die erste praktikable Lösung, die einen aktiven Schutz vor elektrischem Schlag bot – und das zu einer Zeit, als die meisten Häuser noch gar keinen Schutzleiter hatten.

2. Die fatalen Schwächen des FU-Prinzips

So genial der FU für seine Zeit war, so gravierend waren seine Mängel. Sie führten letztlich zu seiner vollständigen Verdrängung.

Abhängigkeit vom Erdungswiderstand

Das größte Problem: Der FU benötigte einen niederohmigen Hilfserder. Der Widerstand dieses Erders durfte nicht zu hoch sein, sonst fiel bei einem Fehler nur eine geringe Spannung ab, die den FU nicht auslöste. In trockenen, sandigen oder felsigen Böden war ein niedriger Erdungswiderstand oft unmöglich zu erreichen – selbst mit aufwendigen Tiefenerdern. Die Folge: Der FU blieb untätig, während das Gehäuse unter Spannung stand.

Kein Schutz bei direktem Berühren

Der FU schützte nur bei indirektem Berühren – also wenn man ein fehlerhaftes, spannungsführendes Gehäuse anfasste. Wenn eine Person direkt einen stromführenden Leiter (Phase) berührte, ohne dass ein Gehäuse im Spiel war (z. B. beim Hantieren an einer offenen Steckdose), dann entstand keine Fehlerspannung am Schutzleiter. Der FU registrierte gar nichts – der Strom floss durch den Körper zur Erde, vorbei am FU. Der Schutz war also völlig wirkungslos.

Aufwendige Installation und Störanfälligkeit

Der separate Hilfserder musste exakt im richtigen Abstand zum Betriebserder verlegt werden – sonst kam es zu sogenannten Potentialverschleppungen (unterschiedliche Erdpotentiale, die ständig Spannungen erzeugten). Zudem war der FU anfällig für Störspannungen durch Blitzschlag, Erdschlüsse im Versorgungsnetz oder Streuströme. Oft löste er grundlos aus oder versagte im Ernstfall.

Auswirkungen auf die Netzform

Der FU zwang zu einer speziellen Netzform: TN-C-Systeme (wo Schutzleiter und Neutralleiter zusammengefasst sind) waren nicht erlaubt. Es musste ein reines TN-S-System mit getrenntem Neutral- und Schutzleiter oder ein TT-System vorhanden sein. In der Praxis führte das zu vielen Kompromissen.

3. Der Wendepunkt: Der FI-Schalter

Die Suche nach einem besseren Schutz führte in den 1950er Jahren zur Entwicklung des Fehlerstrom-Schutzschalters (FI), damals oft noch „Differenzstromschutzschalter“ genannt. Die entscheidende Idee: Statt der Spannung misst man den Strom – genauer: die Differenz zwischen Hin- und Rückstrom.

Das Differenzstromprinzip

Ein FI-Schalter enthält einen Summenstromwandler – einen ringförmigen Magnetkern, durch den alle aktiven Leiter (Phase(n) und Neutralleiter) geführt werden. Im fehlerfreien Zustand ist der Strom in den Hinleitern genauso groß wie im Rückleiter (Neutralleiter). Die magnetischen Felder heben sich auf, der Wandler gibt kein Signal ab.

Sobald jedoch ein Teil des Stromes über einen anderen Weg abfließt – zum Beispiel durch den Körper eines Menschen zur Erde –, ist die Summe nicht mehr Null. Im Wandler entsteht ein magnetischer Fluss, der eine kleine Spannung induziert. Diese Spannung wird verstärkt und löst den Schalter aus. Die Auslöseschwelle liegt heute standardmäßig bei 30 mA (für Personenschutz) – ein Wert, der gerade noch als ungefährlich für einen gesunden Erwachsenen gilt.

Tabelle: FU vs. FI im direkten Vergleich

4. Warum der FI den FU endgültig ablöste – eine technische Revolution

Die Umstellung begann in den 1960er Jahren, als die ersten kompakten FI-Schalter mit Summenstromwandlern in Serie gefertigt wurden. Entscheidende Treiber waren:

• Die VDE-Normen: Mit der VDE 0100 (Errichten von Starkstromanlagen) wurde der Fehlerstromschutz für Steckdosenkreise in Feuchträumen vorgeschrieben. Ab den 1980ern setzte sich der FI allmählich für alle Steckdosenkreise durch.
• Die Halbleitertechnik: Empfindliche Verstärker (zunächst mit Transistoren, später mit integrierten Schaltungen) erlaubten es, winzige Differenzströme von 30 mA zuverlässig zu detektieren.
• Wegfall des Hilfserders: Das sparte nicht nur Kosten, sondern beseitigte auch die größte Fehlerquelle der alten Technik.
• Schutz bei direktem Berühren: Der FI erkennt selbst den Strom durch einen menschlichen Körper, der die Phase berührt – etwas, was der FU niemals konnte.

Ein historisches Dokument: In den VDE-Bestimmungen von 1973 wurde der FI (damals noch als „Fehlerstromschutzschalter“ bezeichnet) für Bäder, Waschküchen und landwirtschaftliche Betriebe vorgeschrieben. Die alten FU-Geräte wurden aus den Normen gestrichen. Hersteller wie Siemens, Brown, Boveri & Cie. (BBC) und später ABB stellten die Produktion ein.

Ein kurzer Blick auf die Physik: Warum 30 mA?

Die Gefährdung durch elektrischen Strom hängt von Stromstärke und Einwirkdauer ab. Ein Wechselstrom ab etwa 10 mA kann zu unkontrollierbaren Muskelkontraktionen führen („Anklammerungsgefahr“). Ab 30 mA besteht ernsthafte Gefahr für Kammerflimmern. Der FI löst bei 30 mA innerhalb von 25 ms bis 40 ms aus – weit schneller als die Herzaktion. Diese Grenze ist kein Zufall, sondern das Ergebnis jahrzehntelanger Forschung (u. a. von Charles Dalziel und Günter Biegelmeier).

5. Fazit und Ausblick: Was bleibt vom FU?

Der FU-Schalter ist heute nur noch in Technikmuseen oder in uralten Gebäuden zu finden – meist außer Betrieb. Er war ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur elektrischen Sicherheit, aber sein Prinzip war von Anfang an ein Kompromiss. Der FI-Schalter hat alle seine Schwächen behoben: Er ist zuverlässiger, sicherer, einfacher zu installieren und schützt in praktisch allen Fehlerszenarien.

Dennoch gibt es eine technische Parallele: In einigen Spezialanwendungen (z. B. in Bergwerken oder auf Baustellen mit besonders schwierigen Erdverhältnissen) setzt man bis heute Spannungsüberwachungsrelais ein – aber nicht mehr als alleinigen Schutz, sondern ergänzend zu FI. Und der FU lebt indirekt weiter: Moderne Isolationsüberwachungsgeräte in IT-Netzen messen ebenfalls den Isolationswiderstand gegen Erde, allerdings mit weit höherer Präzision.

Die Zukunft gehört dem elektronischen FI (z. B. im Smart Meter oder in kompakten Schutzschaltern für Gleichstromanwendungen). Auch AFDDs (Lichtbogen-Schutzeinrichtungen) werden kommen. Aber das Grundprinzip – die Differenzstrommessung – bleibt unangetastet. Der FU ist eine Fußnote der Technikgeschichte, aber eine lehrreiche: Sie zeigt, wie oft der erste technische Ansatz nicht der beste ist, und dass Sicherheit kein Zustand, sondern ein fortlaufender Prozess ist.

Quellen

• Kiefer, G. (2019). VDE 0100 und die Praxis: Errichten von Niederspannungsanlagen. VDE Verlag.
• Biegelmeier, G. (2002). Fehlerstrom-Schutzschalter: Grundlagen, Wirkungsweise, Anwendung. VDE Verlag.
• VDE Bestimmungen (1973). VDE 0100, Errichten von Starkstromanlagen mit Nennspannungen bis 1000 V.
• Dalziel, C. F. (1946). „Electric Shock Hazard“. In: AIEE Transactions, Vol. 65.
• Historische Firmenschriften: Siemens AG (1958). Der Fehlerspannungsschutz – ein Rückblick.
• Rudolph, K. (1995). Geschichte der Elektrotechnik – Band 4: Schutzeinrichtungen. VDE Geschichte der Elektrotechnik.