Veröffentlicht:
23. September 2011
Kategorie:
Fachartikel
Die Erdungsschemas und der Personenschutz: Nullung oder Schema TN; Schutzerdung oder Schema TT
In diesem Kapitel werden die Gefahren einer Elektrisierung oder sogar einer Elektrokution für die einzelnen Erdungsschemas behandelt, die von der Internationalen Elektrotechnischen Kommission in der Norm IEC 364 festgelegt worden sind. Das Erdungsschema in der NS charakterisiert die Art der Verbindung der Sekundärseite des MS/NS-Transformators mit der Erde und die Art der Erdung der Körper der elektrischen Anlage. Die einzelnen Erdungsschemas werden wie folgt durch zwei Buchstaben gekennzeichnet:
Die Kombination dieser beiden Buchstaben ergibt drei mögliche Konfigurationen:
Sternpunkt des Transformators: wenn T
Körp der Anlage: T oder N
Sternpunkt des Transformators: wenn I
Körp der Anlage: T
d.h. TT, TN oder IT.
Nullung oder Schema TN Beim Auftreten eines Isolationsfehlers wird der Fehlerstrom Id nur durch die Impedanz der Kabel der Fehlerschleife begrenzt (siehe Abb. 8):
Für einen Abgang und sobald Rd » 0:
Bei einem Kurzschluss wird angenommen, dass die Impedanzen auf der Speiseseite des betreffenden Abganges einen Abfall der Phasenspannung in der Größenordnung von 20% bewirken, woraus sich der Faktor 0,8 ergibt. Id bewirkt nun eine Fehlerspannung gegen Erde:
Für 230/400-V-Netze ist diese Spannung von der Größenordnung Uo/ 2 (wenn RPE = Rph) gefährlich, da sie selbst in trockener Umgebung höher ist als die maximal zulässige Berührungsspannung (UL = 50 V). Deshalb muss eine sofortige automatische Abschaltung der Anlage oder des Anlageteils sichergestellt werden (siehe Abb. 9). Da der Isolationsfehler einem Kurzschluss zwischen Phase und Neutralleiter gleicht, erfolgt die Abschaltung durch die Kurzschlusschutzeinrichtung DPCC mit einer vorgeschriebenen maximalen Abschaltzeit, die von UL abhängt.
Durchführung:
Um sicher zu sein, dass der Schutz unabhängig von der Fehlerstelle wirksam ist, muss der Strom Id größer sein als der Auslösestrom Ia der Schutzeinrichtung (Id > Ia). Diese Bedingung muss bei der Projektierung der Anlage durch Berechnung der Fehlerströme aller Kreise der Verteilung überprüft werden. Der gleiche Verlauf des Schutzleiters PE und der aktiven Leiter erleichtert die Berechnung.
Eine andere Vorgehensweise, um diese Bedingung zu erfüllen, besteht darin, einen maximalen Wert der Impedanz in der Fehlerschleife in Funktion vom Typ und Einstellstrom der gewählten Kurzschlussschutzeinrichtung vorzuschreiben (siehe die britische Norm BS 7671). Ein solches Vorgehen kann dazu führen, den Querschnitt der aktiven und/oder der Schutzleiter zu erhöhen.
Eine weitere Art und Weise, um sich zu vergewissern, ob die Kurzschlussschutzeinrichtung den Personenschutz sicherstellt, besteht darin, die Maximale Länge zu berechnen, die jeder Abgang für einen bestimmten Auslösestrom Ia der Schutzeinrichtung nicht überschreiten darf:
Damit die Schutzeinrichtung ihre Funktion wirklich erfüllt, muss Ia < Id sein, woraus sich die von der Schutzeinrichtung mit dem Auslösestrom Ia maximal zulässige Länge Lmax ergibt:
- Der erste für den Anschluss des Sternpunktes (bzw. Nullpunktes N) des Transformators (2 Möglichkeiten):
- T für direkte Erdung
- I für Isolierung von Erde
- Der zweite für die Art des Anschlusses der Körper der Anlage (2 Möglichkeiten):
- T für direkte Erdung
- N für Anschluss an den Sternpunkt an der Einspeisestelle der Anlage, der geerdet ist (siehe Abb. 5).
Die Kombination dieser beiden Buchstaben ergibt drei mögliche Konfigurationen:
Sternpunkt des Transformators: wenn T
Körp der Anlage: T oder N
Sternpunkt des Transformators: wenn I
Körp der Anlage: T
d.h. TT, TN oder IT.
- Anmerkung 1:
Das Schema TN gemäß IEC 364 umfasst mehrere Unterschemas:- TN-C: Neutralleiter (N) und Schutzleiter (PE) in einem Leiter kombiniert (PEN)
- TN-S: Neutralleiter (N) und Schutzleiter (PE) separat
- TN-C-S: Anwendung von TN-S hinter TN-C (die umgekehrte Reihenfolge ist verboten).
- Anmerkung 2:
Jedes Erdungsschema kann für die Gesamtheit einer NS-Anlage angewendet werden, es können jedoch auch mehrere Erdungsschemas in derselben Anlage gleichzeitig vorhanden sein. Siehe als Beispiel die Abb. 6.
Nullung oder Schema TN Beim Auftreten eines Isolationsfehlers wird der Fehlerstrom Id nur durch die Impedanz der Kabel der Fehlerschleife begrenzt (siehe Abb. 8):
Für einen Abgang und sobald Rd » 0:
Bei einem Kurzschluss wird angenommen, dass die Impedanzen auf der Speiseseite des betreffenden Abganges einen Abfall der Phasenspannung in der Größenordnung von 20% bewirken, woraus sich der Faktor 0,8 ergibt. Id bewirkt nun eine Fehlerspannung gegen Erde:
Für 230/400-V-Netze ist diese Spannung von der Größenordnung Uo/ 2 (wenn RPE = Rph) gefährlich, da sie selbst in trockener Umgebung höher ist als die maximal zulässige Berührungsspannung (UL = 50 V). Deshalb muss eine sofortige automatische Abschaltung der Anlage oder des Anlageteils sichergestellt werden (siehe Abb. 9). Da der Isolationsfehler einem Kurzschluss zwischen Phase und Neutralleiter gleicht, erfolgt die Abschaltung durch die Kurzschlusschutzeinrichtung DPCC mit einer vorgeschriebenen maximalen Abschaltzeit, die von UL abhängt.
Durchführung:
Um sicher zu sein, dass der Schutz unabhängig von der Fehlerstelle wirksam ist, muss der Strom Id größer sein als der Auslösestrom Ia der Schutzeinrichtung (Id > Ia). Diese Bedingung muss bei der Projektierung der Anlage durch Berechnung der Fehlerströme aller Kreise der Verteilung überprüft werden. Der gleiche Verlauf des Schutzleiters PE und der aktiven Leiter erleichtert die Berechnung.
Eine andere Vorgehensweise, um diese Bedingung zu erfüllen, besteht darin, einen maximalen Wert der Impedanz in der Fehlerschleife in Funktion vom Typ und Einstellstrom der gewählten Kurzschlussschutzeinrichtung vorzuschreiben (siehe die britische Norm BS 7671). Ein solches Vorgehen kann dazu führen, den Querschnitt der aktiven und/oder der Schutzleiter zu erhöhen.
Eine weitere Art und Weise, um sich zu vergewissern, ob die Kurzschlussschutzeinrichtung den Personenschutz sicherstellt, besteht darin, die Maximale Länge zu berechnen, die jeder Abgang für einen bestimmten Auslösestrom Ia der Schutzeinrichtung nicht überschreiten darf:
- Impedanzenmethode
- Zusammensetzungsmethode
- Konventionelle Methode
Damit die Schutzeinrichtung ihre Funktion wirklich erfüllt, muss Ia < Id sein, woraus sich die von der Schutzeinrichtung mit dem Auslösestrom Ia maximal zulässige Länge Lmax ergibt:
- Lmax = maximal zulässige Länge in m
- Uo = Phasenspannung 230 V für ein 400-V-Drehstromnetz
- Ρ = spezifischer elektrischer Widerstand bei normaler Betriebstemperatur
- Ia = automatischer Abschaltstrom
- Für einen Leistungsschalter Ia = Im (Im = Auslösestrom des magnetischen oder Kurzverzögerungs-Auslösers)
- Für eine Sicherung, deren totale Abschaltzeit (Vorlichtbogenzeit + Lichtbogenzeit) der Norm entspricht (siehe Abb. 9).
-
Schutzerdung oder Schema TT
Beim Auftreten eines Isolationsfehlers wird der Fehlerstrom Id (siehe Abb. 10) im Wesentlichen durch die Erdungswiderstände begrenzt (wenn der Erder der Körper der Verbraucher und der Erder des Sternpunktes nicht miteinander verbunden sind). Immer unter der Annahme, dass Rd = 0, beträgt der Fehlerstrom:
Dieser Fehlerstrom bewirkt im Erdungswiderstand RA eine Fehlerspannung:
Da die Erdungswiderstände in der Regel niedrig und von der gleichen Größenordnung sind (≤ 10 &Ohm;), ist diese Spannung von der Größenordnung Uo/2 gefährlich. Es muss deshalb unbedingt eine automatische Abschaltung des vom Fehler betroffenen Teils der Anlage vorgesehen werden (siehe Abb. 11).
Durchführung
Da der Fehlerstrom
über dem eine Gefahr besteht, wesentlich niedriger ist als die Einstellungen der Maximalstrom- Schutzeinrichtungen, muss an der Einspeisestelle der Anlage mindestens eine Fehlerstrom-Schutzeinrichtung vorgesehen werden. Zur Erhöhung der Verfügbarkeit der elektrischen Energie gestattet der Einsatz von mehreren Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen die Einführung einer Strom- und Zeitselektivität der Abschaltung. Alle diese Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen müssen einen Nennauslösestrom IΔn kleiner als IdO haben. Die Abschaltung mit Hilfe von Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen muss in Übereinstimmung mit der Norm in weniger als 1 s erfolgen (diese Zeit kann 5 s erreichen, wenn Ra und Rb miteinander verbunden sind). Es ist zu bemerken, dass der Schutz mit Hilfe von Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen unabhängig von der Länge der Kabel ist und mehrere separate Erder Ra gestattet (diese Anordnung ist nicht empfehlenswert, da dann der Schutzleiter PE nicht mehr eine Potentialreferenz für die gesamte Anlage ist).
Beim Auftreten eines Isolationsfehlers wird der Fehlerstrom Id (siehe Abb. 10) im Wesentlichen durch die Erdungswiderstände begrenzt (wenn der Erder der Körper der Verbraucher und der Erder des Sternpunktes nicht miteinander verbunden sind). Immer unter der Annahme, dass Rd = 0, beträgt der Fehlerstrom:
Dieser Fehlerstrom bewirkt im Erdungswiderstand RA eine Fehlerspannung:
Da die Erdungswiderstände in der Regel niedrig und von der gleichen Größenordnung sind (≤ 10 &Ohm;), ist diese Spannung von der Größenordnung Uo/2 gefährlich. Es muss deshalb unbedingt eine automatische Abschaltung des vom Fehler betroffenen Teils der Anlage vorgesehen werden (siehe Abb. 11).
Durchführung
Da der Fehlerstrom
über dem eine Gefahr besteht, wesentlich niedriger ist als die Einstellungen der Maximalstrom- Schutzeinrichtungen, muss an der Einspeisestelle der Anlage mindestens eine Fehlerstrom-Schutzeinrichtung vorgesehen werden. Zur Erhöhung der Verfügbarkeit der elektrischen Energie gestattet der Einsatz von mehreren Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen die Einführung einer Strom- und Zeitselektivität der Abschaltung. Alle diese Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen müssen einen Nennauslösestrom IΔn kleiner als IdO haben. Die Abschaltung mit Hilfe von Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen muss in Übereinstimmung mit der Norm in weniger als 1 s erfolgen (diese Zeit kann 5 s erreichen, wenn Ra und Rb miteinander verbunden sind). Es ist zu bemerken, dass der Schutz mit Hilfe von Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen unabhängig von der Länge der Kabel ist und mehrere separate Erder Ra gestattet (diese Anordnung ist nicht empfehlenswert, da dann der Schutzleiter PE nicht mehr eine Potentialreferenz für die gesamte Anlage ist).