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Versuch 1

Schutzmaßnahmen und Messtechnik Grundlagen

hps-Systemtechnik Zusammengestellt, überarbeitet und ergänzt Dipl.-Ing. Nils Hagge

Institut für Systems Engineering Fachgebiet Echtzeitsysteme

Universität Hannover Version 1.3 2005-09-27

Versuch 1

Inhaltsverzeichnis

Grundlagen

Einleitung Der Versuch „Schutztechnik/Messtechnik“ findet im Rahmen des Hardware-Projektes für Angewandte Informatik statt und wird zum ersten Mal im Wintersemester 2002/03 angeboten und durchgeführt. Der Ort der Durchführung ist der Raum 1009 im Hochhaus, Appelstraße 9A, in 30167 Hannover. Die Aufgaben sind von Zweiergruppen zu bearbeiten. Dieser Versuch soll den grundsätzlichen Umgang mit einfachen Multimetern zur Messung von elektrischen Größen vermitteln. Dies geschieht an vereinfachten Modellen der GebäudeElektroinstallation. Aus Sicherheitsgründen sind alle Spannungen und Ströme im Modell auf ein Zehntel ihres Wertes „im echten Leben“ reduziert worden. (Überlegen Sie sich, welchen Einfluss dies auf andere elektrische Größen hat!) Die Unterlagen für diesen Versuch bestehen aus zwei Teilen: dem Teil „Versuchsgrundlagen“ und dem Teil „Versuchsdurchführung“. Da davon auszugehen ist, dass nicht jeder mit dem Grundvokabular die Elektroinstallation und insbesondere die Schutzmaßnahmen betreffend vertraut ist, werden die hier benötigten Begrifflichkeiten im Teil „Versuchsgrundlagen“ eingeführt und kurz erläutert. Es wird erwartet, dass die Versuchsteilnehmer sich vorher mit dem Material vertraut machen und ggf. notwendige Vorarbeiten leisten, bevor sie zur Versuchsdurchführung in den Laborräumen antreten. Dieses Laborskript soll kein starres Werk für die Ewigkeit darstellen. Wir sind bemüht, ständig neue Anstöße, Ideen und Verbesserungsvorschläge einzubringen und eventuelle Fehler zu korrigieren. Informieren Sie sich daher regelmäßig auf unseren Internetseiten http://www.rts.uni-hannover.de/studium/hardware.htm über die aktuelle Version dieses Skripts. Des weiteren empfehlen wir auch, die Suchmaschinen des weltweiten Netzes zu nutzen, um sich weitergehende Informationen zu beschaffen, falls Erläuterungen im Skript nicht ausreichen. Dipl.-Ing. Nils Hagge

Institut für Systems Engineering / RTS

Hannover, Oktober 2002

Dipl.-Ing. Nils Hagge

Versuch 1

Inhaltsverzeichnis

Grundlagen

Inhaltsverzeichnis 1

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Einteilung und Schichtung der Schutzziele in elektrischen Anlagen................................. 4 1.1 Wirkungsbereich von Körperströmen ........................................................................ 4 1.2 Schutz gegen direktes Berühren (Basisschutz) .......................................................... 5 1.3 Schutz bei indirektem Berühren (Fehlerschutz)......................................................... 5 1.3.1 Schutzmaßnahmen mit Schutzleiter ................................................................... 6 1.4 Aktive Teile................................................................................................................ 6 1.5 Körper......................................................................................................................... 6 1.6 Fehlerarten.................................................................................................................. 6 1.7 Fehlerstrom I F ........................................................................................................... 7 1.8 Fehlerspannung U F ................................................................................................... 8 1.9 Berührungsspannung U B ........................................................................................... 8 Überstrom-Schutzeinrichtungen......................................................................................... 9 2.1 G-Sicherungen............................................................................................................ 9 2.2 Auslösecharakteristiken und Anwendungen von LS-Schaltern ............................... 10 2.3 Schutzmaßnahmen in den verschiedenen Netzformen............................................. 12 2.4 Der LS-Schalter des SAFETY BOARD .................................................................. 12 Fehlerstrom-Schutzeinrichtung ........................................................................................ 13 3.1 Allgemeines.............................................................................................................. 13 3.2 Funktionsweise eines Fehlerstrom(FI)-Schutzschalters (RCD)............................... 13 Schutzmaßnahmen ........................................................................................................... 14 4.1 Systeme nach Art der Erdverbindungen................................................................... 15 4.1.1 TN-Systeme...................................................................................................... 15 4.1.2 TT-Systeme ...................................................................................................... 16 4.1.3 IT-Systeme ....................................................................................................... 17 4.2 Abschalteinrichtungen.............................................................................................. 17 Schutzmaßnahmen im TN-System................................................................................... 18 5.1 Hauptpotenzialausgleich .......................................................................................... 18 5.2 Zusätzlicher Potenzialausgleich ............................................................................... 18 5.3 Abschaltzeiten und Abschaltströme ......................................................................... 19 5.4 Spannungsbegrenzung bei Erdschluss eines Außenleiters....................................... 20 5.5 Schleifenimpedanz Z S ............................................................................................. 20 Schutzmaßnahmen im TT-System ................................................................................... 21 6.1 TT-System................................................................................................................ 21 6.2 Abschaltbedingungen ............................................................................................... 21 6.3 Erdung der Körper.................................................................................................... 22



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Schutzmaßnahmen und Messtechnik

Grundlagen

1 Einteilung und Schichtung der Schutzziele in elektrischen Anlagen Die VDE-Normen und technischen Bestimmungen definieren ein mehrschichtiges Modell von Schutzzielen, die eine Anlage der Reihe nach je nach Typ zu unterschiedlichem Grad erfüllen muss. Der Basisschutz bildet das unterste und älteste Schutzziel. Ein einfaches Beispiel für Basisschutz ist es, ein elektrisches Gerät baulich derart in ein Gehäuse zu montieren, dass man keine spannungsführenden Teile ohne Zerstörung berühren kann. Wenn der Basisschutz erfüllt ist, betrachtet man in zweiter Stufe den Fehlerschutz. Er hat die Aufgabe, die Gefahren elektrischer Spannungen abzuwenden, die durch Defekte an und in einem Gerät entstehen. Ein gebrochener Leiter in einem Gerät mit Metallgehäuse, der das Gehäuse unter Spannung setzt, stellt ein Beispiel für einen solchen Fehlerfall dar. Beispiele für Schutzmaßnahmne zur Realisierung des Fehlerschutzes sind u.a. Schutzerdung und Nullung. An dritter Stufe steht der Zusatzschutz. Fällt ein Haartrockner in eine mit Wasser gefüllte Badewanne, hebt das Wasser den Basisschutz auf. Außerdem sind Haartrockner meist schutzisoliert. Durch die Feuchtigkeit wird dieser Fehlerschutz ebenfalls überwunden. Hätte der Fön ein Metallgehäuse, das mit dem Schutzleiter verbunden wäre, würde aber aufgrund des hohen Widerstands des Wassers der Fehlerstrom nicht zur Abschaltung führen, so dass auch hier die Gefahr erhalten bleibt. Mit dem Zusatzschutz durch einen Fehlerstromschutzschalter o.ä. können auch geringe Fehlerströme, die zu gefährlichen Durchströmungen führen, erkannt und abgeschaltet werden. Aufgrund des Vorhandenseins von Zusatzschutz darf jedoch niemals auf Basis- und/oder Fehlerschutz verzichtet werden!

1.1 Wirkungsbereich von Körperströmen

Abbildung 1: Ungünstigste Auslösekennlinie eines 30-mA-FI-Schutzschalters im Vergleich zu den Zeit-StromGefährdungsbereichen für Erwachsene


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1.2 Schutz gegen direktes Berühren (Basisschutz) •

Schutz durch Isolierung von aktiven Teilen Die Isolierung ist vorgesehen, um jedes Berühren aktiver Teile zu verhindern. Aktive Teile müssen vollständig mit einer Isolierung umgeben sein, die nur durch Zerstörung entfernt werden kann.

•

Schutz durch Abdeckungen oder Umhüllungen Abdeckungen und Umhüllungen sind vorgesehen, um jedes Berühren aktiver Teile zu verhindern.

•

Schutz durch Hindernisse Hindernisse sind vorgesehen, um das unbeabsichtigte Berühren aktiver Teile, nicht aber das absichtliche Berühren durch bewusstes Umgehen des Hindernisses zu verhindern.

•

Schutz durch Abstand Schutz durch Abstand ist vorgesehen, um nur das unbeabsichtigte Berühren aktiver Teile zu verhindern.

•

Zusätzlicher Schutz durch RCDs (Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen) Die Anwendung von RCDs ist nur als Zusatz zu anderen Maßnahmen zum Schutz gegen elektrischen Schlag im normalen Betrieb vorgesehen.

Hinweis: In Deutschland werden die RCDs (englisch: residual current protective devices) - mit Hilfsspannungsquelle als „Differenzstrom-Schutzeinrichtungen“ - ohne Hilfsspannungsquelle als „Fehlerstrom- Schutzeinrichtungen“ bezeichnet.

1.3 Schutz bei indirektem Berühren (Fehlerschutz) • • •

• • •

Schutz durch automatische Abschaltung der Stromversorgung (Schutzmaßnahmen mit Schutzleiter) Potenzialausgleich Schutz durch Verwendung von Betriebsmitteln der Schutzklasse II oder durch gleichwertige Isolierung. Diese Maßnahme ist vorgesehen, um das Auftreten gefährlicher Spannungen an den berührbaren Teilen elektrischer Betriebsmittel infolge eines Fehlers der Basisisolierung zu verhindern. Schutz durch nicht leitende Räume Schutz durch erdfreien örtlichen Potenzialausgleich Schutz durch Schutztrennung


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1.3.1 Schutzmaßnahmen mit Schutzleiter Die in Deutschland bekannten Schutzmaßnahmen mit Schutzleiter zum „Schutz gegen das Bestehenbleiben zu hoher Berührungsspannungen“ sind Schutzerdung, Nullung, Fehlerstromschutzschaltung, Fehlerspannungsschutzschaltung sowie das Schutzleitungssystem. Die älteste aber heute kaum noch anzutreffendende Schutzerdung funktioniert nach folgendem Prinzip: Die Körper aller Geräte der Schutzklasse I werden über Schutzleiter an einen Erder (Schutzerde) angeschlossen („Schutzerdung“). Kommt es nun an einem Gerät zu einem Fehlerfall und damit zu einem gefährlichen Potenzialunterschied zwischen dem Körper und dem Standort, kommt ein Fehlerstrom im Schutzleiter zum Fließen. Desto geringer der Widerstand der Erdung, desto geringer ist der Spannungsabfall und die verbleibende Berührungsspannung. Erreicht der Fehlerstrom den Nennstrom der vorgeschalteten Sicherung des fehlerhaften Geräts, schaltet diese ab. Bei der Fehlerstromschutzschaltung werden die Verbraucher ebenfalls geerdet. Der Unterschied besteht in der Überwachung der Ströme in den aktiven Leitern. Ist die Summe aller in die Anlagen hineinfließenden Betriebsströme ungleich aller herausfließenden, schaltet der Fehlerstromschutzschalter ab. Das Prinzip der Nullung besteht darin, eine Berührungsspannung in einen „satten“ Kurzschluss zu verwandeln und dadurch die vorgeschaltete Sicherung sofort zur Auslösung zu bringen. Das Schutzleitungssystem basiert auf dem Ansatz, die Stromquelle vollständig gegen Erde zu isolieren, so dass im Fehlerfall am Verbraucher kein Stromkreis über „Erde“ geschlossen werden kann. Bei der Fehlerspannungsschutzschaltung werden die Schutzleiter nicht geerdet. Stattdessen überwacht der FU-Schutzschalter ständig die Potentialdifferenz zwischen Schutzleiter und Erde und schaltet bei Überschreiten eines Grenzwertes ab.

1.4 Aktive Teile Als aktive Teile werden Leiter und leitfähige Teile von Betriebsmitteln, die unter normalen Bedingungen unter Spannung stehen, bezeichnet. Hierzu gehören auch Neutralleiter (früher Mittelleiter genannt), nicht aber PEN-Leiter (früher Nullleiter genannt) und die mit diesen in leitender Verbindung stehenden Teile.

1.5 Körper Unter einem Körper versteht man ein berührbares, leitfähiges Teil eines elektrischen Betriebsmittels, das im Normalfall nicht unter Spannung steht, im Fehlerfall jedoch unter Spannung stehen kann. Ein leitfähiges Teil, das im Fehlerfall nur über andere Körper unter Spannung stehen kann, wird nicht als Körper bezeichnet.

1.6 Fehlerarten Man unterscheidet folgende Fehlerarten (Abbildung 2): • Isolationsfehler • Körperschluss • Leiterschluss • Kurzschluss • Erdschluss Ein Körper-, Kurz- oder Erdschluss ist: • vollkommen (direkt), wenn ein kleiner (vernachlässigbarer) Übergangswiderstand vorliegt • unvollkommen (indirekt), wenn ein großer Übergangswiderstand vorliegt Ein Leiterschluss liegt vor, wenn im Fehlerstromkreis ein Nutzwiderstand (z. B. Glühlampe) oder ein Teil eines Nutzwiderstandes vorhanden ist. Institut für Systems Engineering / RTS

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Abbildung 2: Fehlerarten

1.7 Fehlerstrom I F Ein Fehlerstrom ist der über einen Isolationsfehler fließende Strom. Er tritt entweder als Erdschluss- oder als Kurzschlussstrom auf. Seine Größe ist vom Schleifenwiderstand abhängig. Dabei sind sowohl der Widerstand des Leitungsnetzes (vom Kraftwerk bis zur Fehlerstelle) als auch der Fehlerwiderstand (Lichtbogen oder Kriechstrecken) und evtl., je nach Fehlerart, Verbraucherwiderstände oder Teile derselben zu berücksichtigen (Abbildung 3). Je nach vorliegendem Fall sind zu beachten: • Transformatorwiderstand RT • Leitungswiderstand RL • Fehlerwiderstand RF • Erdungswiderstände R A und RB • Körperwiderstand RK • Standortwiderstand RST


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Abbildung 3: Fehlerwiderstände

1.8 Fehlerspannung U F Die Fehlerspannung ist die zwischen Körpern und der Bezugserde oder auch nur zwischen verschiedenen Körpern im Fehlerfall auftretende Spannung. Sie kann mit einem Spannungsmesser mit ca. 40 kΩ Innenwiderstand gemessen werden. Die Fehlerspannung kann auch zwischen einem Körper und geerdeten Teilen (z. B. Rohrleitungen) auftreten.

1.9 Berührungsspannung U B Der vom Mensch überbrückbare Teil der Fehlerspannung heißt Berührungsspannung. Die Berührungsspannung ist die Spannung, die zwischen gleichzeitig berührbaren Teilen während eines Isolationsfehlers auftreten kann. Der Begriff Berührungsspannung wird im Zusammenhang mit den Schutzmaßnahmen nur bei indirektem Berühren verwendet. Die zu erwartende Berührungsspannung ist die höchste Berührungsspannung, die, im Falle eines Fehlers, in einer Anlage auftreten kann. Die vereinbarte Grenze der Berührungsspannung U L ist die höchste Berührungsspannung, die unbegrenzt lang bestehen bleiben darf. Diese höchstzulässige Berührungsspannung U L beträgt bei Wechselspannung im unbelasteten Zustand 50 V und im belasteten Zustand 42 V (Scheitelwerte), bei Gleichspannung 120 V. Die Berührungsspannung in einer elektrischen Anlage darf bestimmte Werte, meist 50 V (in der Landwirtschaft 25 V), längere Zeit nicht übersteigen. Institut für Systems Engineering / RTS

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Schutzmaßnahmen gegen direktes Berühren: • Isolierung von aktiven Teilen • Abdeckung oder Umhüllung aktiver Teile nach Schutzart IP2X • Hindernisse • Sicherheitskleinspannung: 25 V~ bzw. 60 V= • Fehlerstrom-Schutzeinrichtung Schutzmaßnahmen bei indirektem Berühren: • Schutz ohne Schutzleiter: o Sicherheitskleinspannung: 50 V~ / 120 V= o Funktionskleinspannung mit sicherer Trennung o Begrenzung der Entladungsenergie o Schutzisolierung o nicht leitende Räume o Schutztrennung mit einem Verbraucher • Schutz mit Schutzleiter oder Potenzialausgleichsleiter: o Überstrom-Schutzeinrichtung o Fehlerstrom-Schutzeinrichtung o Schutztrennung mit mehreren Verbrauchern o Isolationsüberwachungseinrichtung o Funktionskleinspannung ohne sichere Trennung o örtlicher Potenzialausgleich o Fehlerspannungs-Schutzeinrichtung (nur in Ausnahmefällen) • Schutz durch Begrenzung der Entladungsenergie: Der Schutz gegen direktes Berühren gilt bis auf weiteres als erfüllt, wenn die Entladungsenergie < 350 mJ ist. Diese VDE-Vorschrift ist noch in Bearbeitung. Die Entladungsenergie kann mit folgender Beziehung geprüft werden:

1 ⋅ C ⋅U 2 2 Zulässiger Kurzschlussstrom I K bei Wechselstrom (~) =3 mA, bei Gleichstrom (=) =12 mA [Zeichnung: Gliederung des Personenschutzes] W =

2 Überstrom-Schutzeinrichtungen Zu hohe Ströme gefährden eine Anlage und können Brände auslösen. Aus diesem Grund wird, z. B. als Überstrom-Schutzeinrichtung eine G-Sicherung oder ein LS-Schalter in den Stromkreis eingebaut. Achtung: Sicherungen dürfen nicht repariert oder überbrückt werden!

2.1 G-Sicherungen Zum Schutz von Geräten bei Überlast und Kurzschluss können in Steckern, Wandsteckdosen oder in Elektrogeräten Schmelzsicherungen, so genannte Geräteschutzsicherungen oder GSicherungen, eingesetzt werden. Eine Schmelzsicherung ist ein Leiter mit einem geringen Querschnitt, der bei Überbelastung in einem feuersicheren Gehäuse schmilzt.


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Es gibt flinke, mittelträge und träge Schmelzeinsätze, die sich jedoch nur bei hohem Überstrom, z. B. dem 10-fachen Nennstrom IN, voneinander unterscheiden. Bei diesem Überstrom schalten folgende G-Sicherungen nach den in Tabelle 1 angegebenen Zeiten ab: Eigenschaft superflink flink mittelträge träge

Kennzeichnung FF F M T

Schmelzzeit ca. 6 ms < 20 ms 5 ms bis 90 ms 10 ms bis 0,3 s

Tabelle 1: G-Sicherungen

Abbildung 4: Auslösecharakteristiken von G-Sicherungen

2.2 Auslösecharakteristiken und Anwendungen von LS-Schaltern LS-Schalter (Leitungsschutzschalter) dienen zum Schutz von Kabeln und Leitungen gegen Überlast und bei Kurzschluss. Sie besitzen zwei unterschiedliche Auslöser: • einen zeitverzögerten thermischen Auslöser für den Überlastschutz • einen elektromagnetischen Auslöser für den Kurzschlussschutz Institut für Systems Engineering / RTS

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Abbildung 5 zeigt, dass wegen der Herstellungsstreuung Bänder (B, C und D) angegeben sind, in denen die eigentliche Kennlinie liegt. Schutz vor zu hoher Erwärmung durch Überlast wird sichergestellt, wenn folgende Bedingungen erfüllt sind: I b ≤ I n ≤ I z und I 2 ≤ 1,45 ⋅ I z mit Ib Iz In I2

Betriebsstrom des Stromkreises, Belastung zulässige Belastbarkeit der Leitung bzw. des Kabels Nenn- (Bemessungs-) oder Einstellstrom der Überstrom-Schutzeinrichtung Ansprechstrom der Überstrom-Schutzeinrichtung (großer Prüfstrom)

Abbildung 5: Auslösecharakteristik B, C und D

Beim Einsatz von LS-Schaltern mit der Charakteristik B, C und D braucht die Schutzeinrichtung nur noch nach der folgenden vereinfachten Beziehung ausgewählt werden: In ≤ Iz Institut für Systems Engineering / RTS

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Anwendungen: •

Auslösecharakteristik B Einsatz vorwiegend zum Kabel- und Leitungsschutz in Wohnhausinstallationen (Licht- und Steckdosenstromkreise).

•

Auslösecharakteristik C Einsatz zum Kabel- und Leitungsschutz, besonders für Geräte mit höheren Einschaltströmen (Lampengruppen, Motoren usw.).

•

Auslösecharakteristik D Einsatz zum Kabel- und Leitungsschutz, besonders für Geräte mit sehr hohen Einschaltströmen (Schweißtrafos, Motoren usw.).

Tabelle 2 zeigt das Auslöseverhalten von Leitungsschutzschaltern bei einer Bezugsumgebungstemperatur von 30 °C. Auslösecharakteristik

B C D

thermischer Auslöser kleiner großer Auslösezeit Prüfstrom Prüfstrom I1 I2 >1h 1,13 ⋅ I n <1h 1,45 ⋅ I n

1,13 ⋅ I n 1,13 ⋅ I n

Elektromagnetischer Auslöser halten auslösen Auslösezeit

3⋅ In

1,45 ⋅ I n

>1h <1h

5⋅ In

1,45 ⋅ I n

>1h <1h

10 ⋅ I n

5⋅ In

>0,1s <0,1s

10 ⋅ I n

>0,1s <0,1s

20 ⋅ I n

>0,1s <0,1s

Tabelle 2: Auslöseverhalten von LS-Schaltern

2.3 Schutzmaßnahmen in den verschiedenen Netzformen TN-S-System: Schutz durch Überstrom-Schutzeinrichtungen (früher Nullung genannt), durch Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen oder durch beide (früher Schnelle Nullung genannt) TN-C-System: nur Schutz durch Überstrom-Schutzeinrichtungen möglich (früher Klassische Nullung genannt) TT-System: Schutz durch Überstrom-Schutzeinrichtungen (früher Schutzerdung genannt, nur noch in Ausnahmefällen) oder meist Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen (früher FISchutzschaltung genannt) IT-System: Schutz durch Isolationsüberwachung (früher Schutzleitungssystem genannt), Überstrom-Schutzeinrichtungen, Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen

2.4 Der LS-Schalter des SAFETY BOARD Der LS-Schalter auf dem SAFETY BOARD wird in jeder der oben angegebenen Netzformen zur Kurz-schlussabsicherung des Netztransformators verwendet. Er löst nur thermisch aus, Institut für Systems Engineering / RTS

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d.h. mit Verzögerung, damit der Abschaltstrom beobachtet werden kann. In der Praxis kann der hier verwendete LS-Schalter nicht eingesetzt werden, weil er zu träge reagiert.

3 Fehlerstrom-Schutzeinrichtung 3.1 Allgemeines Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen (FI- bzw. RCD-Schutzeinrichtungen) werden nur als zusätzlicher Schutz gegen direktes Berühren verwendet. Eine RCD-Schutzeinrichtung als alleiniger Schutz ist nicht zulässig und schließt die Notwendigkeit nicht aus, eine der folgenden Schutzmaßnahmen gegen direktes Berühren anzuwenden. •

•

•

•

•

Schutz durch Isolierung aktiver Teile o Alle aktiven Teile müssen vollständig mit einer Isolierung umgeben sein. o Die Isolierung darf nur durch Zerstörung entfernbar sein. o Die Isolierung muss für den betriebsmäßigen Einsatz geeignet sein. o Beispiele: Kabel, Leitungen usw. Schutz durch Abdeckungen oder Umhüllungen o Aktive Teile müssen umhüllt oder abgedeckt sein. Achtung: Schutz ist nicht mehr gegeben, wenn beim Auswechseln von Teilen größere Öffnungen entstehen (z. B. Schraubsicherungen, Steckdosen, Lampenfassungen usw.). o Personen müssen gegen unbeabsichtigtes Berühren aktiver Teile geschützt sein. o Abdeckungen und Umhüllungen müssen sicher befestigt sein. o Abdeckungen und Umhüllungen dürfen nur mittels Werkzeug entfernbar sein. Schutz durch Hindernisse o Hindernisse bilden nur zum Teil einen Schutz gegen direktes Berühren. o Sie sollen eine zufällige Annäherung an aktive Teile und das zufällige Berühren aktiver Teile verhindern. o Hindernisse dürfen ohne Werkzeug entfernbar sein. Schutz durch Abstand o Durch Abstand ist nur teilweise ein Schutz gegen direktes Berühren gewährleistet. o Teile unterschiedlichen Potenzials müssen so angeordnet sein, dass sie nicht gleichzeitig berührt werden können. o Bei durch Hindernisse begrenzten Standflächen beginnt der Handbereich erst am Hindernis. Zusätzlicher Schutz durch RCD-Schutzeinrichtung o RCD-Schutzeinrichtungen mit einem Nennfehlerstrom von Ι N =30 mA können einen zusätzlichen Schutz nur bei direktem Berühren leisten. o Eine RCD-Schutzeinrichtung als alleiniger Schutz reicht nicht aus.

3.2 Funktionsweise eines Fehlerstrom(FI)-Schutzschalters (RCD) Der wichtigste Teil eines Fehlerstrom-Schutzschalters (RCD-Schutzschalters) ist der Summenstromwandler. Im Fehlerfall löst der RCD entsprechend dem Auslösestrom zwischen 50 bis 100 % des Nennfehlerstromes aus. Der Nachteil dabei ist, dass durch den geringen Auslösestrom Fehlauslösungen auftreten können, die durch Leckströme hervorgerufen werden. Institut für Systems Engineering / RTS

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Einbaupflicht besteht bei: • feuergefährlichen Betriebsstätten • Campingplätzen • Bädern (z.B. in Wohnungen), Schwimmhallen • landwirtschaftlichen Betriebsstätten Abbildung zeigt einen RCD im Fehlerfall.

Abbildung 6: FI-Schutzschalter im Fehlerfall

4 Schutzmaßnahmen Eine Schutzmaßnahme gegen elektrischen Schlag gliedert sich heutzutage in zwei Aspekte: die Netzform sowie die Abschalteinrichtung, während die alten Begriffe (Nullung, Schutzerdung usw.) beides unter einer Bezeichnung zusammenfassen. Die Netzform bezeichnet die Art und Weise, wie die Erdverbindungen in der Anlage ausgeführt sind. Die Bezeichnung setzt sich aus einer Zwei-Buchstaben-Kombination zusammen. Der erste Buchstabe bezeichnet die Erdungsverhältnisse an der Quelle (meistens der Sekundärseite eines Ortsnetztransformators), der zweite Buchstabe charakterisiert die Erdungsverhältnisse am Verbraucher der Anlage. Folgende Buchstaben sind möglich. 1. Buchstabe (Sternpunkt des Erzeugers): • T – Direkt geerdet (frz. terre) • I – Isoliert oder über Impedanz geerdet (frz. isolé) 2. Buchstabe (Körper der Verbraucher): • T – Direkt geerdet • N – Mit dem Sternpunkt verbunden (frz. neutre) Suffix zur Unterscheidung der TN-Systeme: • -C – Schutzleiter und Neutralleiter sind zum Nullleiter kombiniert (frz. confondu) • -S – Schutzleiter und Neutralleiter sind getrennt geführt (frz. séparé) Institut für Systems Engineering / RTS

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Die alte Schutzmaßnahme Schutzerdung wird heute als TT-System mit Abschaltung durch Überstromschutzeinrichtung bezeichnet.

4.1 Systeme nach Art der Erdverbindungen 4.1.1 TN-Systeme Alle Körper der Anlage müssen mit dem geerdeten Punkt des speisenden Netzes, der am oder in der Nähe des zugehörigen Transformators oder Generators geerdet sein muss, durch Leitungen verbunden sein. Üblicherweise ist der geerdete Punkt des Stromversorgungssystems der Sternpunkt. Wenn ein Sternpunkt nicht vorhanden oder nicht zugänglich ist, so muss ein Außenleiter geerdet werden. TN-S-System

Im TN-S-System ist der Transformatorsternpunkt (Neutralleiter N) direkt geerdet (Betriebserder). Die Körper sind über Schutzleiter mit dem Betriebserder verbunden. Schutzund Neutralleiter sind im gesamten System als zwei separate Leiter ausgeführt (siehe Abbildung 7).

Außenleiter

L1 L2 L3

Neutralleiter

N

Schutzleiter

PE

Abbildung 7: TN-S-System

TN-C-System

Im TN-C-System ist der Transformatorsternpunkt direkt geerdet (Betriebserder). Die Körper sind über PEN-Leiter (früher Nullleiter genannt) mit dem Betriebserder verbunden. Schutzund Neutralleiter (früher Mittelleiter genannt) sind im gesamten System zum PEN-Leiter (Nullleiter) kombiniert (siehe Abbildung 8).


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Außenleiter

Grundlagen

L1 L2 L3

Nullleiter

PEN Nullungsbrücke

Abbildung 8: TN-C-System

TN-C-S-System

Im TN-C-S-System sind Schutz- und Neutralleiter teils zum PEN-Leiter kombiniert, teils als separate Leiter ausgeführt (siehe Abbildung 9). Die Körper sind über PEN- bzw. Schutzleiter mit dem Betriebserder verbunden. Der Transformatorsternpunkt ist direkt geerdet (Betriebserder). Außenleiter

L1 L2 L3

Nullleiter

PEN Neutralleiter

Schutzleiter

Abbildung 9: TN-C-S-System

4.1.2 TT-Systeme Alle Körper, die durch die gleiche Schutzeinrichtung geschützt sind, müssen durch Schutzleiter an einen gemeinsamen Erder angeschlossen werden. Außenleiter

L1 L2 L3

Neutralleiter

N

Schutzleiter

PE

Abbildung 10: TT-System


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Der Sternpunkt oder, falls dieser nicht vorhanden ist, ein Außenleiter jedes Generators oder Transformators muss geerdet werden.

4.1.3 IT-Systeme In IT-Systemen müssen die aktiven Teile entweder gegen Erde isoliert sein oder über eine ausreichend hohe Impedanz geerdet werden. Diese Impedanz darf zwischen Erde und dem Sternpunkt des Systems oder einem künstlichen Sternpunkt liegen. Der künstliche Sternpunkt darf unmittelbar mit Erde verbunden werden, wenn die resultierende Nullimpedanz des Systems ausreichend groß ist. Wenn kein Sternpunkt ausgeführt ist, darf ein Außenleiter über eine Impedanz mit Erde verbunden werden.

4.2 Abschalteinrichtungen Als Abschalteinrichtungen werden Überstromschutzeinrichtungen und Fehlerstromschutzeinrichtungen eingesetzt. Leitungsschutzschalter und Schmelzsicherungen fallen in den ersten Bereich und sprechen auf den Überlastfall an (seihe Kapitel 2), während FI-Schutzschalter nach dem Differenzstromprinzip den Summenstrom aller aktiven Leiter messen. Weicht dieser um mehr als ein Grenzwert von Null ab, löst er aus (siehe Kapitel 3).


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5 Schutzmaßnahmen im TN-System 5.1 Hauptpotenzialausgleich

Abbildung 11: Hauptpotenzialausgleich

Bei jedem Hausanschluss oder jeder gleichwertigen Versorgungseinrichtung muss ein Hauptpotenzialausgleich durchgeführt werden, d. h., es werden die folgenden leitfähigen Teile untereinander und mit dem Schutzleiter PE verbunden: • Hauptschutzleiter • Haupterdungsleitung (Fundamenterder, Banderder usw.) • PEN-Leiter (Nullleiter) (falls vorhanden) • Blitzschutzerder • Antennenerder • Hauptschutzerder • Hauptgasrohre • andere metallene Rohrsysteme • Fernmeldeanlagen Bei einem Körperschluss nehmen alle Teile das gleiche Potenzial an, d. h., die Berührungsspannung wird verringert.

5.2 Zusätzlicher Potenzialausgleich Der so genannte (örtliche) zusätzliche Potenzialausgleich wird unabhängig vom Hauptpotenzialausgleich – praktisch als zweiter Potenzialausgleich – hergestellt.


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Er ist anzuwenden, wenn: • die Bedingungen für eine automatische Abschaltung (0,2 s bzw. 5 s) nicht erfüllt werden können, • eine besondere Gefährdung durch Umgebungsbedingungen (z. B. Operationssäle, Baderäume, Schwimmbäder, Landwirtschaft) vorliegt und • im IT-System Isolations-Überwachungseinrichtungen eingesetzt werden. Durch den zusätzlichen Potenzialausgleich soll eine absolute Potenzialgleichheit für einen örtlich begrenzten Bereich erreicht werden. Damit wird auch das Auftreten von Spannungsdifferenzen, gleich welcher Art, sicher verhindert. In den zusätzlichen Potenzialausgleich müssen einbezogen werden: • alle gleichzeitig berührbaren Körper ortsfester Betriebsmittel • alle vorhandenen Schutzleiter • alle fremden leitfähigen Teile, z. B. Wasserleitungen, Metallwände, Metallträger usw. Wenn Zweifel an der Wirksamkeit des zusätzlichen Potenzialausgleichs bestehen, ist durch Messung nachzuweisen, dass folgende Bedingung erfüllt ist: U R≤ L Ia

R Widerstand zwischen Körpern und fremden leitfähigen Teilen, die gleichzeitig berührbar sind U L vereinbarte Grenzen der dauernd zulässigen Berührungsspannung I a Strom, der eine automatische Abschaltung innerhalb der festgelegten Zeiten (0,2 s bzw. 5 s) bewirkt

5.3 Abschaltzeiten und Abschaltströme Abschaltzeiten bis 0,2 s: • Steckdosen bis 35 A • Betriebsmittel der Schutzklasse I, die während des Betriebs dauernd in der Hand gehalten werden Abschaltzeiten bis 5 s: • alle anderen Stromkreise (verminderter Berührungsschutz) Schutzorgan Sicherung

≤ 0,2 s 10 ⋅ I N

Abschaltzeit <= 5 s 5⋅ IN

LS-Schalter

5⋅ IN

5⋅ IN

FI/DI-Schalter (RCD)

1 ⋅ I ΔN

1 ⋅ I ΔN

Tabelle 3:Abschaltbedingungen

Abschaltzeit Institut für Systems Engineering / RTS

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Sicherung: 3,5 A / 0,2 s

I a = 10 ⋅ I N = 35 A

LS-Schalter: 10 A / 5 s

I a = 5 ⋅ I N = 50 A

RCD: I ΔN ≤ 30 mA / 5 s

I a = I ΔN " = 5 ⋅ I ΔN " = 30 mA

Tabelle 4: Mindestabschaltströme

5.4 Spannungsbegrenzung bei Erdschluss eines Außenleiters Bei Erdschluss eines Außenleiters kann es vorkommen, dass fremde leitfähige Teile (z. B. Wasserrohre, Heizrohre usw.) unter Spannung stehen, d.h., dass z.B. zwischen einem Rohr und geerdeten Betriebsmitteln eine Berührungsspannung auftritt. Diese Spannung darf nicht größer als 50 V sein. Dies wird erreicht, indem der Gesamterdungswiderstand RB aller Betriebserder möglichst klein gehalten wird. Achtung: Der Gesamterdungswiderstand RB aller Betriebserder soll möglichst niedrig gehalten werden. Ein Widerstandswert von 2 Ω gilt als ausreichend klein.

Wird ein Wert von 2 Ω nicht erreicht, muss folgende Bedingung gelten: RB UL ≤ RE U 0 − U L RB RE UL U0

⇒ RB ≤

RE ⋅ U L U0 −UL

Erdungswiderstand aller Betriebserder, Gesamterdungswiderstand kleinster Erdübergangswiderstand höchste zulässige Berührungsspannung Nennspannung gegen Erde

5.5 Schleifenimpedanz Z S Die geforderte Abschaltzeit kann nur eingehalten werden, wenn im Fehlerfall ein hoher Abschaltstrom I a fließt. Aus diesem Grund sind die Kennwerte des Schutzorgans und die Leiterquerschnitte aufeinander abzustimmen. Dabei muss folgende Bedingung erfüllt sein:

ZS ⋅ Ia ≤ U0

(Abschaltbedingung)

Die Messung der Schleifenimpedanz Z S besteht aus einer Vor- und einer Hauptprüfung. Bei der Vorprüfung wird festgestellt, ob eine Unterbrechung im PEN-Leiter (oder daran angeschlossenem Schutzleiter) vorliegt und die Messung abgebrochen werden muss. Die Hauptprüfung dient zur Bestimmung der Schleifenimpedanz Z S und des Kurzschlussstromes IK . ZS =

U 0 − U1 IE

mit


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IK =


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U0 U0 = Z S U 0 − U1 IE

ergibt IK = U1 IE

U0 ⋅ IE U 0 − U1

Spannungsabfall am Hauptprüfwiderstand Rh Strom

6 Schutzmaßnahmen im TT-System 6.1 TT-System Im TT-System ist die Stromquelle direkt geerdet (Betriebserdung). Die Körper einer elektrischen Anlage sind mit Erdern verbunden, die von der Betriebserdung getrennt sind, d.h., dass das Verteilungssystem keinen PEN-Leiter (Nullleiter) hat, sondern nur einen Neutralleiter (Mittelleiter), der ausschließlich Betriebsstrom führen darf. Gleichzeitig berührbare Körper müssen an den gleichen Erder angeschlossen werden. (Siehe Abbildung 10) Der Gesamterdungswiderstand ist festgelegt wie im TN-System, d.h., für RB > 2 Ω gilt auch hier: RB UL ≤ RE U 0 − U L

⇒ RB ≤

RE ⋅ U L U0 −UL

6.2 Abschaltbedingungen Jeder zu schützende Körper muss entweder direkt (natürlicher Erder) oder indirekt über einen Schutzleiter mit dem Erder verbunden werden. Unter Beachtung der Abschaltbedingung

RA ⋅ I a ≤ U L RA

Erdungswiderstand der Erder der Körper

ergibt sich der Erdungswiderstand zu UL Ia Der Abschaltstrom I a entspricht bei Einsatz einer Fehlerstromschutzeinrichtung deren RA ≤

Nennfehlerstrom ( I a = I ΔN ≤ 30 mA ). Ein 30-mA-RCD muss zwischen dem halben und dem vollen Nennfehlerstrom innerhalb 0,2 s auslösen ( 15 mA ≤ I ΔN ≤ 30 mA ).


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Versuch 1


Grundlagen

6.3 Erdung der Körper Der Erdungswiderstand R A der Körper muss so bemessen sein, dass im Fehlerfall eine Abschaltung innerhalb von 5 s erfolgt. Bei Verwendung von Überstrom-Schutzeinrichtungen erfolgt die Abschaltung nur in den Außenleitern innerhalb von 0,2 s. Die Überstrom-Schutzeinrichtung muss so beschaffen sein, dass der Neutralleiter nie vor den Außenleitern abgeschaltet wird.


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Versuch1Grundlagen

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