Praktikum "Schutzmaßnahmen
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E9/A7 Schutzmaßnahmen in elektrischen Anlagen nach DIN VDE 0100 03/2017 Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden Prof. Dr.-Ing. Ralf- Dieter Rogler Dipl.-Ing. K. Schellenberger 1. Einleitung 1.1 Ziel des Praktikums Das Praktikum "Schutzmaßnahmen in elektrische Anlagen nach DIN VDE 0100" soll den Einblick in den Aufbau, die Wirkungsweise und die Überprüfung von Schutzmaßnahmen in Anlagen der Energieversorgung und in Verbraucheranlagen vertiefen. 1.2 Notwendigkeit von Schutzmaßnahmen Die in der DIN VDE enthaltenen Regeln sind grundsätzlich nur Empfehlungen und haben keinen Gesetzescharakter. Die Anwendungspflicht ergibt sich erst aus mehreren Vorschriften und Gesetzen, wie z.B. der Unfallverhütungsvorschrift BGV A3 oder der Betriebssicherheitsverordnung incl. deren technischen Regeln (TRBS) sowie der 2. Durchführungsverordnung zum Energiewirtschaftsgesetz. Darin ist sinngemäß festgeschrieben, dass Hersteller, Nutzer und Betreiber von elektrischen Anlagen die Pflicht haben, die Empfehlungen des Deutschen Institutes für Normung (DIN) und des Verbandes Deutscher Elektrotechniker (VDE) als "Anerkannte Regeln der Technik" einzuhalten. Schutzmaßnahmen gegen gefährliche Körperströme sind erforderlich, da trotz größter Sorgfalt bei der Errichtung bzw. dem Betrieb elektrischer Anlagen und Geräte Fehler und Defekte nicht auszuschließen sind. Die Grundregel des Schutzes gegen elektrischen Schlag nach VDE 0140-1 ist, dass gefährlich aktive Teile nicht berührbar sein dürfen und berührbare Teile weder unter normalen Bedingungen noch unter Einzelfehlerbedingungen zu gefährlich aktiven Teilen werden dürfen. Die Schutzmaßnahmen erfüllen ihren Zweck jedoch nur, wenn sie ordnungsgemäß ausgeführt sind und regelmäßig überprüft werden. 1.3 Durchzuführende Tätigkeiten In diesem Praktikum sollen verschiedene Energieverteilungs- bzw. Erdungssysteme (TNSystem, TT-System) realisiert und mit einer „Verbraucheranlage“ verbunden werden. Diese wird mit verschiedenen Schutzmaßnahmen (Erdung, Überstromschutz, Fehlerstromschutz) ausgestattet. Deren Wirksamkeit wird getestet bei Körperschluss eines Betriebsmittels sowie bei Kabelfehlern (z.B. bei Unterbrechung des Schutzleiters). Als Kriterium dient dabei die Sicherheit des Anwenders, dargestellt durch die an einem Modellmenschen gemessenen Ströme und Spannungen. Es soll untersucht werden, welche Maßnahmen in welchen Energieversorgungs-Systemen geeignet sind, auch beim Auftreten mehrerer Fehler und unter ungünstigen Umgebungsbedingungen eine hohe Sicherheit zu gewährleisten. E9 Schutzmaßnahmen 03/2017 2 2. Verwendete Formelzeichen Ia Abschaltstrom der Schutzeinrichtung IF Fehlerstrom, Strom über die Fehlerstelle IK Körperstrom, Strom über den Menschen IN Nennstrom IN Nennfehlerstrom (z.B. einer Schutzeinrichtung) k Material- und umgebungsabhängiger Faktor für Schutzleiterquerschnitte RA Erdungswiderstand des Anlagenerders RB Widerstand der Betriebserdung RI Isolationswiderstand RK Widerstand der Fehlerstelle bei Körperschluss RL Widerstand des Außenleiters RM Widerstand des Menschen (Körperwiderstand) RS Schleifenwiderstand RÜ Standortübergangswiderstand zum Erdreich RV Widerstand des Verbrauchers S Schutzleiterquerschnitt t Ansprechzeit, Auslösezeit UB Berührungsspannung UF Fehlerspannung (zwischen Körper des el. Betriebsmittels und Bezugserde) UL zulässige Berührungsspannung ULN Leiter - Erde - Spannung UN Netzspannung U0 Nennwechsel- oder Nenngleichspannung Außenleiter gegen geerdeten Leiter RCD Fehlerstromschutzschalter, FI-Schutzschalter; z.B. IN = 30 mA, LS Leitungsschutzschalter ZS Impedanz der Fehlerschleife E9 Schutzmaßnahmen 03/2017 3 3. Grundlagenwissen 3.1. Übersicht normgerechter Schutzmaßnahmen gegen elektrischen Schlag (Aus: Kiefer/ Schmolke; VDE 0100 und die Praxis; 15. Auflage; S 176) Bild 1: Schutzmaßnahmen nach DIN VDE 0100-410 3.2. Begriffserklärung der Schutzmaßnahmen Gefährdung: Bei der Nutzung elektrischer Geräte entsteht durch die Empfindlichkeit des menschlichen Körpers gegenüber einem „Elektrischen Schlag“ eine Gefährdung für diesen (/9/, Bild 62, 63). Darauf aufbauend wurden Grenzwerte festgelegt, die beim Betrieb elektrischer Anlagen auch im Fall eines Einzelfehlers nicht überschritten werden dürfen. (/9/, Bild 58 – 66) Zur sicheren Nutzung des elektrischen Stromes müssen mehrere Komponenten betrachtet werden: Die Energieversorgungsanlage, die die Energieerzeugung und –Weiterleitung z.B. bis zum Hausanschlusskasten beinhaltet, die Verbraucheranlage, die sämtliche internen Leitungen und Sicherheitseinrichtungen beinhaltet, sowie die angeschlossenen elektrischen Geräte. E9 Schutzmaßnahmen 03/2017 4 Eine Schutzmaßnahme eines Gerätes bzw. einer Anlage muss immer mindestens aus einer Kombination von Basisschutz und Fehlerschutz bestehen. Der Basisschutz umfasst üblicherweise den Schutz gegen das direkte Berühren spannungsführender Teile (Schutzklasse I und II) in Form von Abdeckungen u.ä. (/9/ Bild 82, Bild 90 - 95) oder als Sonderfall den Schutz des Menschen beim direkten Berühren durch den Einsatz von Schutzkleinspannung (SK III) (/9/, Bild 83 – 89) Als Fehlerschutz bezeichnet man alle Maßnahmen, die beim Berühren von Teilen, die nur im Fehlerfall unter Spannung stehen könnten („Indirekte Berührung“ z.B. bei fehlerhaftem Basisschutz) Gefährdungen verhindern sollen (/9/, Bild 96 – 105). Dazu zählen z.B. die „Schutzisolierung“ (doppelte oder verstärkte Isolierung bei SK II), „Potenzialausgleich und Erdung“ (z.B. Erdung metallischer Gehäuse, SK I). In Anlagen können „nicht leitende Räume“ (z.B. der Einbau nichtleitender Fußböden und Wände) oder „Schutztrennung“ (Verwendung eines Trenntransformators oder eines IT-Energieversorgungssystemes) angewendet werden. Ein zusätzlicher Schutz kann in Verbraucheranlagen in Form von automatischen Abschalteinrichtungen (Sicherungen, FI-Schutzschalter, Erdungsüberwachung) verwendet werden, die bei direktem oder indirektem Berühren spannungsführender Teile die Speisespannung abschalten (/9/, Bild 106-135). Beim Vorhandensein besonderer Umgebungsbedingungen, z.B. in Feuchträumen, kann dessen Einsatz vorgeschrieben sein. 3.3. Schutzleiter Der Begriff "Schutzleiter" bezeichnet elektrische Leiter, die hauptsächlich zum Zweck der Sicherheit eingebaut werden, z.B. als Schutz gegen elektrischen Schlag. - - Der Schutzerdungsleiter verbindet zu Schutzzwecken leitfähige Teile eines elektrischen Betriebsmittels mit dem Erdungsleiter der Verbraucheranlage. Ein Erdungsleiter ist die Verbindung (oder ein Teil davon) zwischen bestimmten Erdungspunkten des Netzes, der Anlage (z.B. Haupterdungsschiene) oder eines Betriebsmittels (Erdungsanschluss) mit dem Erdungssystem. Der Schutzpotentialausgleichsleiter dient der Verbindung leitfähiger Teile mit dem Haupterdungsanschlusspunkt einer Anlage oder als zusätzlicher Potentialausgleich der Verhinderung des Auftretens einer Spannungsdifferenz zwischen zwei Geräten bzw. zu fremden leitfähigen Teilen. Das Erdungssystem umfasst alle fest mit der Umgebung (z.B. dem Erdreich) verbundenen Erdungsbauteile wie Fundament- und Tiefenerder. Der Erder muss bei allen Umgebungsbedingungen einen bestimmten zumeist möglichst geringen Übergangswiderstand zum Erdreich aufweisen. In der VDE-0100-100 werden verschiedene Energieversorgungs- und Verteilungssysteme nach der Art der Erdverbindungen unterschieden, z.B. TN, TT oder IT-Systeme (erster Buchstabe: Art des Betriebserders der Energieversorgungsanlage, zweiter Buchstabe: Art des Anlagenerders der Verbraucheranlage, siehe auch 3.4 – 3.6 sowie /9/, Bilder 50 – 57). Die Verantwortung für die Erdung liegt entweder beim Besitzer (z.B. beim Hauseigentümer bei Nutzung von TT-Systemen), bei Verwendung eines TN-Systems beim Energieversorger bzw. Netzbetreiber. (VDE-0100-540) E9 Schutzmaßnahmen 03/2017 5 3.4. Dimensionierung der Schutzleiter Der Widerstand eines Schutzleiters muss so klein sein, dass bei einem Erdschluss ein ausreichend hoher Fehlerstromes über den Schutzleiter fließen kann und somit das rechtzeitige Auslösen der Sicherung nicht behindert wird. Außerdem muss ein Schutzleiter allen thermischen und mechanischen Belastungen im zu erwartenden Fehlerfall bis zum Abschalten durch die Schutzeinrichtung standhalten. Zusätzlich dazu muss er widerstandsfähig gegen mechanische Beschädigungen sein. Aus diesen Forderungen ergeben sich Mindestquerschnitte für verschiedene Anwendungsfälle, die auch abhängig vom verwendeten Material und den Umgebungsbedingungen sind. System 120 V < U0 < 230 V (IN < 32 A) 230 V < U0 < 400 V (IN < 32 A) Sonstige AC DC AC DC TN 0,4 s 5s 0,2 s 0,4 s 5s TT 0,2 s 0,4 s 0,07 s 0,2 s 1s TT (mit Schutz-PA) 0,4 s 5s 0,2 s 0,4 s Tabelle 1: Maximal zulässige Abschaltzeiten (nach VDE 0100-410, Tabelle 41.1) 5s Der Mindestquerschnitt von Schutzleitern zur Gewährleistung der geforderten Abschaltzeiten lässt sich bei Zeiten unter 5s durch die folgende Formel berechnen: IF2 · t k2 · S2 S IF t k Schutzleiterquerschnitt in mm2 Effektivwert des zu erwartenden Fehlerstromes in A Ansprechzeit der Schutzeinrichtung für die aut. Abschaltung in s Material- und umgebungsabhängiger Faktor (VDE 0100-540 Anh. A) Bei richtig dimensionierten Außenleiterquerschnitten können zur Bestimmung der Schutzleiterquerschnitte näherungsweise die Werte aus Tabelle 2 verwendet werden. Aus rein mechanischen Gründen darf bei Schutzleitern, die nicht Bestandteil eines Kabels oder einer Leitung sind, ein Mindestquerschnitt nicht unterschritten werden, z.B. 16 mm2 bei Aluminiumkabel und 4 mm2 bei Kupfer bei ungeschützter Verlegung (weitere Werte und Bedingungen siehe VDE 0100-540). Querschnitt der Außenleiter der Anlage Mindestquerschnitt des entsprechenden Schutzleiters (Faktor k2; SP in mm2) 2 (Faktor k1; S in mm ) gleicher Werkstoff anderer Werkstoff S (k1 / k2) * S S 16 16 (k1 / k2) * 16 16 S 35 0,5 * S (k1 / k2) * 0,5 * S S 35 Tabelle 2: Schutzleiterquerschnitt in Abhängigkeit von Außenleitern (nach VDE 0100-540) Wenn ein Schutzleiter gemeinsam für zwei oder mehr Stromkreise verwendet wird, muss die Querschnittsberechnung für die jeweils ungünstigste Bedingung vorgenommen werden. Bei einigen Systemen wie z.B. dem TN- Systemen übernehmen die Schutzleiter weitere Funktionen. Es gibt PEN-, PEL- und PEM-Leiter, die jeweils die Funktion des Neutral-, AußenE9 Schutzmaßnahmen 03/2017 6 oder Mittelleiters mit übernehmen. Diese dürfen nur in fest installierten elektrischen Anlagen verwendet werden und müssen entsprechend den zusätzlichen Aufgaben größer dimensioniert werden. Der Übergabepunkt zwischen Energieversorger und Verbraucheranlage ist z.B. der „Hausanschlusskasten“. In diesem befinden sich neben einer Sicherung für jeden Leiter L1 – L3 der Anschlusspunkt für die vom Energieversorger kommenden Schutz- und ggf. Neutralleiter (PEN oder PE und N). Im Falle eines PEN-Leiters sollte dort die Aufteilung in PEund N-Leiter erfolgen. 3.5. Potentialausgleich Die VDE 0100-410 fordert in jedem Gebäude einen Hauptpotentialausgleich über die Haupterdungsschiene. Diese befindet an einer zentralen Stelle im Inneren des Gebäudes, z.B. im Hausanschlusskasten. Dort müssen, wenn vorhanden, folgende leitfähigen Teile angeschlossen werden: Haupterdungsleitungen, Potentialausgleichsleitungen, metallene Rohrleitungssysteme (z.B. Wasser und Heizung) und metallene Teile der Gebäudekonstruktion, sowie das lokale Erdungssystem (z.B. Blitzschutzerder). Nach VDE 0100-410 ist ein zusätzlicher Schutzpotentialausgleich insbesondere dort vorzunehmen, wo durch die Umgebungsbedingungen ein erhöhtes Risiko vorliegt, die Bedingungen für die automatische Abschaltung (tA = 0,2 s oder 5 s) mit dem üblichen Schutzerdungsmaßnahmen nicht erfüllt werden können oder wenn im IT- System Isolationsüberwachungseinrichtungen eingesetzt werden. In die Maßnahme müssen alle gleichzeitig berührbaren Körper ortsfester Betriebsmittel, alle vorhandenen Schutzleiter und alle fremden, leitfähigen Teile einbezogen werden. Ein Schutzpotentialausgleichsleiter muss einen Mindestquerschnitt haben (6 mm2 CU, 16 mm2 AL, 50 mm2 Stahl). Es besteht ebenfalls eine Abhängigkeit zum Querschnitt der Außenleiter und eine zum Querschnitt des Schutzerdungsleiters (siehe VDE 0100-540) Allgemein gilt für den Widerstand des zusätzlichen Potentialausgleichsleiters: R < 50 V / Ia Ia = Auslösestrom, der das Abschalten der Schutzeinrichtung bewirkt 3.6. Schutzeinrichtungen Schutzeinrichtungen dienen sowohl dem Personenschutz als auch dem Anlagenschutz. Beim Anlagenschutz kommt es vor allem auf die in Wärme oder mechanische Energie umgewandelte elektrische Leistung an, das heißt, ein zu langes Fließen von Überstrom in Form eines zu hohen Maximal- bzw. Dauerstromes muss verhindert werden. Wichtige Kennwerte sind dabei die mechanischen und thermischen Grenzbelastungswerte der verwendeten Materialien. Verwendet werden verschiedene Arten von Sicherungen oder Schutzschaltern, die den fließenden Laststrom bewerten und den entsprechenden Stromkreis abschalten (siehe auch Bild 3). Beim Personenschutz kommt es darauf an, in sehr kurzer Zeit unabhängig vom fließenden Laststrom auch einen wesentlich kleineren Fehlerstrom zu erkennen und abzuschalten. Diese Funktion kann z.B. von einem FI-Schutzschalter erfüllt werden, der bereits vor Eintritt einer Gefährdung abschaltet (siehe Bild 4). Anhand der Gefährdungskennlinie (Bild 2) und bei Kenntnis des typischen Körperinnenwiderstandes (ca. 1 kΩ) kann die maximal zulässige Berührungsspannung berechnet werden: UL = RK · IKmax E9 Schutzmaßnahmen 03/2017 7 Auslösekennlinien: Moderne Leitungsschutz-(LS)-Sicherungen vereinigen in sich zwei Funktionen. Die elektromagnetische Schnellauslösung löst z.B. bei Geräten der B-Charakteristik bei Strömen > 3*IN innerhalb von 10 ms aus. Die thermische Auslösung für Ströme zwischen 1,2 * IN und 3 * IN erfolgt mit einer stromhöhenabhängigen Verzögerung (4 Sekunden bis 60 Minuten). Das heißt, dass diese Sicherung zur rechtzeitigen Abschaltung gefährlicher Körperströme nur dann beitragen kann, wenn ein sehr hoher Überstrom IL fließt. (Geräteschutzsicherung Im Praktikum: C-Charakteristik, für die Schnellauslösung ist ein Überstrom von ca. 10 IN nötig.) Bild 1: Auslösekennlinien von LS-Sicherungen: allgemeine Kennlinie / Praktikums-LS Im folgenden Bild wird deutlich, dass ein FI-Schutzschalter besser in der Lage ist, zu hohe Körperströme innerhalb kürzester Zeit abzuschalten und damit einen großen Teil des Gefährdungsbereiches des Menschen abdeckt. Dabei ist die zulässige Herstellertoleranz eines FI-Schutzschalters (0,5...1,0 · IN) zu beachten. 1: nicht wahrnehmbar 2: wahrnehmbar, ab 10 mA Muskelkrämpfe möglich 3: Herzkammerflimmern möglich 4: tödliche Auswirkungen möglich Bild 2: Gefährdungskennlinie mit Auslösekennlinie eines FI-Schutzschalters E9 Schutzmaßnahmen 03/2017 8 3.7. Schutzmaßnahmen im TN - System TN = Erdungssystem „Terra / Nullung“ d.h. nur der mit dem Mittel- oder Neutralleiter des Versorgungssystems verbundene N-Leiter des Netzsystems muss direkt mit dem Erdreich verbunden werden (Betriebserder). Eine wichtige Voraussetzung für die Funktion von Schutzmaßnahmen im TN-System ist dessen Zuverlässigkeit und Niederohmigkeit. Die zweite wichtige Voraussetzung ist die sichere Verbindung dieses Erdleiters mit dem PEoder PEN-Leiter sowie deren mechanisch und elektrisch stabile Verbindung bis zum Erdungspunkt des Verbraucheranschlusskastens. Für beides ist der Energieversorger verantwortlich. (siehe auch /9/, Bilder 52 - 55) TN-S-System Wenn bereits am Betriebserder des Energieversorgers ein separater PE-Leiter angeschlossen und dieser parallel zum N-Leiter bis zum Verbraucheranschluss geführt wird (5adriges Zuleitungskabel) handelt es sich um ein TN-S-System ("separated"). Der ankommende PE-Leiter wird an die Haupterdungsschiene der Verbraucheranlage angeschlossen. Innerhalb der Verbraucheranlage werden alle „Körper“ (metallische Gehäuse von Verbrauchern) ebenfalls mit der Haupterdungsschiene verbunden. "N" und "PE" dürfen an keiner Stelle der Verbraucheranlage wieder verbunden werden. TN-C-System Wenn die Zuleitung vom Stromversorger nur 4adrig erfolgt, handelt es sich um ein TN-C-System ("combined"), d.h. es gibt keinen separaten PE-Leiter für Schutzzwecke sondern nur einen PEN-Leiter. Bei älteren Gebäuden wird dieses System bis zu den Verbrauchsgeräte- Anschlussstellen zweiadrig weitergeführt und der PEN-Leiter z.B. erst in den Schuko-Steckdosen in PE und N aufgeteilt. TN-C-S-System Es ist auch möglich, die Aufteilung von PEN in N und PE bereits im Hausanschlusskasten oder am Anschluss eines Feuchtraumes vorzunehmen, dann handelt es sich um ein TN-CS-System. Es ist wichtig, dass die Aufteilung des PEN-Leiters in PE- und N-Leiter nur an einer definierten Stelle der Verbraucheranlage stattfindet und im weiteren Verlauf keine nochmalige Verbindung zwischen N- und PE-Leiter hergestellt wird. Dieses System ist das in Deutschland am weitesten verbreitete System. Es ist zulässig, die Verbraucheranlage mit einem zusätzlichen örtlichen Erdungssystem auszustatten, welches am Haupterdungsanschlusspunkt mit dem PE- oder PEN-Leiter des Energieversorgers verbunden werden muss. Damit kann bei Erdschluss eines Außenleiters den Spannungsanstieg des Schutzleiters gegen Erde zusätzlich begrenzt werden. Im TN - System sind Überstrom-Schutzeinrichtungen zugelassen. Der im Fehlerfall fließende Strom muss das vorgeschaltete Schutzgerät innerhalb der vorgeschriebenen Zeit (siehe Tabelle 1) zum Ausschalten bringen. Die Kennwerte der Schutzeinrichtungen (Ia) und Stromkreisimpedanzen (ZS) müssen die folgende Anforderung erfüllen: Zs · Ia U0 Zs ist hier die Impedanz der Fehlerschleife und besteht aus: E9 Schutzmaßnahmen 03/2017 9 - dem Innenwiderstand der Stromquelle - dem Widerstand des betroffenen Außenleiters bis zum Fehlerort - dem Widerstand des Schutzleiters zwischen Fehlerort und Stromquelle Ia ist der notwendige Strom, der das automatische Abschalten innerhalb der vorgegebenen Zeit (siehe Tabelle 2) bewirkt; U0 ist die Nennspannung des Außenleiters gegen Erde; Die Abschaltzeiten sind ggf. nicht zur Abwendung von Gefahren bei indirekter Berührung geeignet. Hierbei muss noch der Einfluss des Widerstandes des Erdungsanschlusses des berührten defekten Gerätes und der Übergangswiderstand des Menschen zum Erdreich oder zu berührbaren fremden leitfähigen Teilen einbezogen werden. Wenn die Berührungsspannung UL übersteigen könnte, muss ein zusätzlicher Schutzpotentialausgleich angeschlossen werden. Die Verwendung von Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen (RCD) in TN-Systemen ist nur bei TN-S-Systemen uneingeschränkt möglich. Der RCD dient auch hier immer nur als Zusatzschutz. Der Stromkreis muss zugleich durch eine Überstrom-Sicherung und ggf. einen Potentialausgleich geschützt sein. Wenn in TN-C-S-Systemen ein RCD verwendet wird, so darf auf der Lastseite kein PENLeiter verwendet werden. Die Verbindung des Schutzleiters des Verbrauchers mit dem PENLeiter muss vor dem RCD, also auf der Versorgungsseite, hergestellt werden! 3.8. Schutzmaßnahmen im TT - System TT = Erdungssystem „Terra / Terra": Der Null- oder Mittelleiter des Versorgungssystems (Betriebserder) wird an der Energieversorgungsstation geerdet, jedoch nicht weitergeführt bis zur Verbraucheranlage. Der Haupterdungsanschlusspunkt des Verbrauchersystems wird an einen eigenen „Anlagen-Erder“ angeschlossen, der sich direkt am Standort der Anlage befindet. Dieses System spart Kabelmaterial, jedoch muss der Anlagenerder regelmäßig überprüft und instandgehalten werden, um auch bei Frost und Trockenheit ausreichend niedrigen Werte zu erreichen. Zwischen beiden Erdern befindet sich hierbei nur das vorhandene Erdreich. Dessen Leitfähigkeit ist stark abhängig von den jeweiligen Umgebungsbedingungen. TT-Systeme werden z.B. für das öffentliche Niederspannungsnetz sowie in Frankreich und in Italien auch für Haushalte genutzt. Im TT - System sind Überstromschutzeinrichtungen zugelassen. Die Voraussetzung für deren Funktion ist, dass dauerhaft und zuverlässig ein geeigneter niedriger Wert von Zs sichergestellt werden kann. Zs ist hier wie beim TN-System die Impedanz der Fehlerschleife, diese beinhaltet aber statt dem Widerstand des Schutzleiters den viel höheren Erdungswiderstand von Anlagenerder plus Betriebserder. (/9/, Bild 56) Die Berechnung kann analog der beim TN-System erfolgen. Da in TT-Systemen keine ausreichend niederohmige Verbindung zwischen Anlagenerder und Betriebserder des Versorgers erreichbar ist, sind Überstrom-Schutzeinrichtungen bei Erdschlüssen für den Personenschutz nur beding wirksam, deshalb sind hier ggf. zusätzlich Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen (RCD) zu verwenden. Für einen wirksamen Personenschutz muss die folgende Bedingung erfüllt sein: E9 Schutzmaßnahmen 03/2017 10 RA · IN UL RA ... Summe der Widerstände des Erders und des Schutzleiters der Körper in (wenn nicht bekannt, darf er durch Zs ersetzt werden) IN ... Bemessungsdifferenzstrom der Fehlerstrom-Schutzeinrichtung (RCD) in A UL ... zulässige Berührungsspannung, d.h. 50 V Der Fehlerschutz (bei indirektem Berühren) ist in diesem Fall auch bei nicht vernachlässigbarer Fehlerimpedanz gegeben. 3.9. Schutzmaßnahmen im IT - System IT = Erdungssystem „Isoliert / Terra“: Die wichtigste Voraussetzung ist die Energieversorgung über einen separaten Transformator oder über einen eigenen Generator. Der Sternpunkt bzw. Neutralleiter der Sekundärseite des Stromerzeugers darf nicht oder nur über eine ausreichend hohe Impedanz mit dem Erdreich verbunden werden. Das bewirkt, dass ein Erdschluss oder Körperschluss nicht zum Fließen eines gefährlich hohen Fehlerstromes führen kann und die Anlage deshalb nicht sofort abgeschaltet werden muss. Das System wird z.B. in bestimmten Bereichen von Krankenhäusern oder Industrieanlagen verwendet, in denen eine ungeplante Abschaltung zwingend vermieden werden muss. Im IT - System sind Überstromschutzorgane, Fehlerstromschutzeinrichtungen, Isolationsüberwachungseinrichtungen, Isolationsfehler-Sucheinrichtungen und in Sonderfällen Fehlerspannungsschutzeinrichtungen als Schutzeinrichtung zugelassen. Die Körper der elektrischen Betriebsmittel müssen einzeln oder gruppenweise mit dem Schutzleiter verbunden und geerdet sein. Ähnlich dem TT - System muss die Erdung des Schutzleiters der Bedingung RA · Id UL genügen. RA ... Erdungswiderstand aller Körper in Id ... Fehlerstrom im Falle des ersten Fehlers UL ... zulässige Berührungsspannung Aufbau, Einrichtung und Instandhaltung eines IT-Systems erfordert umfangreiches Fachwissen. Die Anlage muss nach Auftreten eines Isolationsfehlers zum nächstmöglichen Zeitpunkt abgeschaltet und der Fehler gesucht und behoben werden, denn bei Auftreten eines zweiten Fehlers auf einer anderen Leitung müsste auch diese Anlage sofort abgeschaltet werden. Zum Auffinden des Isolationsfehlers kommen besondere, zumeist fest eingebaute Isolationsfehler-Mess- bzw. Sucheinrichtungen zum Einsatz. (siehe auch /9/, Bild 57; sowie Unterlagen zum Praktikum E11) E9 Schutzmaßnahmen 03/2017 11 3.10. Schutztrennung Bei der Schutzmaßnahme "Schutztrennung" werden die elektrischen Betriebsmittel vom speisenden Netz galvanisch getrennt und nicht geerdet. Damit soll verhindert werden, dass im Sekundärstromkreis Berührungsspannungen entstehen können, die vom Primärnetz herrühren oder im Sekundärnetz erzeugt werden. (siehe auch /9/, Bild 97) 3.11. Schutzmaßnahmen bei Geräten Bei der Entwicklung von Geräten muss je nach erforderlichem Funktionsumfang und geplantem Einsatzzweck eine Schutzklasse und ein Schutzgrad festgelegt werden. Die Schutzklasse (I – III) legt fest, welche Kombination von Basis- und Fehlerschutz (Erdung, Isolation, siehe /9/, Bild 75-78) bei diesem Gerät angewendet werden soll. Der Schutzgrad (IP - x y) wird entsprechend dem geplanten Einsatzzweck, der erforderlichen mechanischen und elektrischen Anschlüsse sowie der notwendigen Wärmeabfuhr aus dem Geräteinneren festgelegt (siehe /9/, Bild 79-81): E9 Schutzmaßnahmen 03/2017 12 4 Vorbereitungsfragen 4.1 Erläutern Sie die vier Gefährdungsbereiche von technischem Wechselstrom! 4.2 Erklären Sie die Begriffe: aktive Teile, fremde leitfähige Teile, Körper und elektrischer Schlag! 4.3 Erklären Sie die folgenden Fehlerarten: Kurzschluss, Körperschluss, Leiterschluss, Isolationsfehler! 4.4 Was ist bei der Dimensionierung eines Netzes (Leiterquerschnitte, Festlegung von Nennströmen von Sicherungen und Leitungsschutzschaltern) in Hinblick auf die zulässigen Abschaltzeiten zu beachten? 4.5 Zeichnen Sie in der Schaltung des TT-Systems (Bild 6.4) den Stromverlauf bei einem Körperschluss bei „b“ (RK sei 100 Ω, RV sei 3000 Ω). Berechnen Sie die Berührungsspannung und den Körperstrom einmal für RÜ = 220 Ω und einmal für RÜ = 10 kΩ. Für die Berechnung können RB und RL vernachlässigt werden. 4.6 Erklären Sie die Funktion eines FI-Schutzschalters. 4.7 Unter welchen Bedingungen wäre der Anschluss eines RCD in einem TN-System sinnvoll? Was muss beachtet werden? 5 Literatur /1/ DIN VDE 0100 – 410 (VDE 0100-410): 2007-06; (IEC 60364-4-41:2005, modifiziert) Errichten von Niederspannungsanlagen – Teil 4-41: Schutzmaßnahmen – Schutz gegen elektrischen Schlag /2/ DIN VDE 0100 – 540 (VDE0100-540): 2012-06; (IEC 60364-6, modifiziert) Errichten von Niederspannungsanlagen – Teil 6: Auswahl und Errichtung elektrischer Betriebsmittel – Erdungsanlagen und Schutzleiter /3/ DIN VDE 0100 – 600 (VDE0100-600): 2008-06; (IEC 60364-5-54:2011) Errichten von Niederspannungsanlagen – Teil 6: Prüfungen /4/ DIN VDE 0701 - 0702 (VDE 0701-0702): 2008-06 Prüfung und Instandsetzung, Änderung elektrischer Geräte – Wiederholungsprüfung elektrischer Geräte – Allgemeine Anforderungen für die elektrische Sicherheit /5/ Hösl, Alfred: Die neuzeitliche und vorschriftsmäßige Elektroinstallation: Wohnungsbau / Gewerbe / Industrie von Alfred Hösl und Roland Ayx.-18., neu bearbeitete Auflage.Heidelberg: Hüthig 2003 /6/ Karnowsky, Jürgen: Prüfungen der Schutzmaßnahmen: Erstprüfungen nach DIN VDE 0100 Teil 600 u. Wiederholungsprüfungen / Jürgen Karnowsky; Uwe Konika; Dieter Vogt- 3. Aufl.Berlin; Offenbach: VDE -Verlag 1988 /7/ Kiefer, Gerhard: VDE 0100 und die Praxis/Gerhard Kiefer 15. Aufl.- Berlin; Offenbach: VDE - Verlag 2014 /8/ Unfallverhütungsvorschrift BGV A3 / DGUV Vorschrift 3 /9/ Vorlesung „Elektrosicherheit“, Bilder 50 – 135; Prof. Dr.-Ing. R.-D. Rogler, https://www.htw-dresden.de/fakultaetelektrotechnik/personal/professoren/prof-dr-ing-ralf-dieter-rogler.html E9 Schutzmaßnahmen 03/2017 13 6 VERSUCHSAUFGABEN Sicherheitsregeln während der Versuchsdurchführung: Alle Messungen werden bei realer Netzspannung (230 V) durchgeführt! Es dürfen nur berührungsgeschützte Messkabel verwendet werden. Vor dem Umstecken von Kabeln und Messgeräten muss die Spannung abgeschaltet werden (grüner Schalter). Ein Wiedereinschalten darf nur nach vorheriger Kontrolle der Schaltung durch den Versuchsbetreuer erfolgen. Bei jedem Anzeichen einer Fehlfunktion muss sofort die Spannung abgeschaltet und der Laboringenieur informiert werden. Erforderliche Geräte-Grundausstattung: Netzversorgung: Schalttafel-Gerät, wahlweise mit Vorhängeplatten z.B. TN-C, TT Verbraucher: Schalttafel-Platte mit Glühlampe (15 W, mit Vorhängeplatten 2, 3, 4,) Modellmensch: Schalttafel-Platte, Körperwiderstand RM = 750 Ω Optional: FI-Schutzschalter (IN = 30 mA). Messgeräte: 2 Multimeter „Metrahit“ auf Trägerplatten, 2 Schalttafelmessgeräte Allgemeine Hinweise für die Versuchsausführung: - Machen Sie sich zuerst mit dem jeweiligen Erdungssystem vertraut. - Überlegen Sie, welchen Weg der Strom beim Betrieb der Anlage und bei einem Fehler im Netz oder im Verbraucher suchen würde und ob das zu einer Auslösung einer Schutzeinrichtung oder einer Gefährdung des Modellmenschens führen könnte. Aufgabe 6.1: TN-C-S-System - Erforderliche Geräte-Zusatzausstattung: Vorhängeplatte „TN-C-S-Netz“ Verbraucher-Vorhängeplatte „2“ Bauen Sie ein TN-C-S-Modellnetz auf. Schließen Sie je ein Schalttafel-Messgerät zur Überprüfung der Netzspannung UN und des Gesamtstromes IL1 an. Wählen Sie mittels Steckbrücke den Betriebserder-Widerstand RB, den Anlagenerder RA und den Übergangswiderstand zwischen Modellmensch und Erdreich (RÜ) nach Tabelle 6.1 aus. Prüfen Sie den fehlerfreien Betrieb der Anlage. Spannung UN = Stromverbrauch IL1 = Lampenfunktion Zur Beurteilung der möglichen Gefährdung des Modell-Menschens schließen Sie bitte weitere Messgeräte (Multimeter) zur Messung der Berührungsspannung UB und des Körperstromes IK an. Achten Sie an allen Messgeräten auf die Auswahl des richtigen Messbereiches und auf die richtigen Anschlussbuchsen. E9 Schutzmaßnahmen 03/2017 14 Bild 6.1: Schaltung für ein TN- C- S- System Testen Sie, welche Auswirkungen das "direkte Berühren“ ("Hand" mit Leiter verbinden) einer aktiven Leitung für den Modellmenschen hätte. (siehe Gefährdungskennlinie, Bild 2) Einstellungen Fehler direktes Berühren Leiter RB (Ω) RÜ (Ω) L1 2,2 10 k „Hand“ L1 2,2 220 „Hand“ N 2,2 220 „Hand“ L1 ∞ 220 „Hand“ Auswirkungen UB (V) IK (mA) Sicherung Gefährdungs(LS) ausgelöst? Bereich Tabelle 6.1 a: Messwerte eines TN-C-S-Systems bei direkter Berührung (ohne RCD) Zum Test der "Indirekten Berührung" verbinden Sie jetzt die „Hand“ des Modellmenschens mit dem „Körper“ (d.h. dem Gehäuse) des Gerätes der Schutzklasse I. Führen Sie die erste Testreihe ohne FI-Schutzschalter durch. Testen Sie die Schaltung bei verschiedenen Fehlern des Netzes (Leitungsunterbrechungen bei "c" (N), "d" (PE) oder "e" (PEN)) oder Vertauschung der Netzanschlüsse L1 mit N ("X") im Anschlusskasten. Die "Körperschluss"-Steckbrücken (bei „a“ (0,2 Ω) oder „b“ (0 Ω)) sollen immer erst nach dem Einschalten eingesteckt werden. Bei Anzeichen der thermischen Auslösung des Leitungsschutzschalters "LS" (Brummen) zügig die Messwerte ablesen und dann sofort die Anlage mit dem grünem Schalter abschalten, und den "Isolationsfehler" (die Brücke) entfernen. Hinweis: Nach Auslösung des LS steht der schwarz-rote Taster ca. 1,5 cm heraus. Diesen vorsichtig rückstellen, nach thermischer Auslösung muss er ggf. erst einige Minuten abkühlen! E9 Schutzmaßnahmen 03/2017 15 Fehler Gefährdung Übergangswiderstände Netz Gerät RB (Ω) RA (Ω) - -/a 2,2 - b 2,2 N -/a 2,2 N b 2,2 ∞ ∞ ∞ ∞ N b 2,2 1k N b 2,2 PE -/a 2,2 PE b 2,2 ∞ ∞ ∞ PE b 2,2 1k PE b 2,2 PEN - 2,2 PEN a 2,2 PEN b 2,2 ∞ ∞ ∞ ∞ PEN - 2,2 1k PEN - 2,2 X -/b 2,2 X a 2,2 ∞ ∞ ∞ RÜ (Ω) UB (V) IK (mA) Auslösung Lampe LS FI 220 220 220 220 220 10 k 220 220 220 10 k 220 220 220 220 10 k 220 220 Tabelle 6.1b: Messwerte beim TN-C-S-Systems Bewerten Sie anhand der aus der Norm bekannten Grenzwerte von UB und IK und der gemessenen Werte, ob und bei welchen Einstellungen bzw. Fehlern bei dieser Anlage eine Gefahr für den Menschen besteht. Markieren Sie diese Ergebnisse, z.B. farbig. Bei diesem System darf ein zusätzlicher Anlagenerder installiert und mit dem Haupterdungspunkt verbunden werden. Stellen Sie fest, bei welcher Art von Fehlern dieser hilfreich wäre. Treffen Sie eine Aussage, durch welche weiteren Umgebungsbedingungen sich die Gefahr für den Modellmenschen vermindern lässt. Zeichnen und bauen Sie jetzt den FI - Schutzschalter an der richtigen Position in Schaltbild und Stromkreis ein. Testen Sie bei den markierten Einstellungen nochmals, ob der RCD auslöst und ob damit die Gefahr beseitigt wurde.Markieren Sie wiederum die Zustände, bei denen trotzdem eine Gefährdung bestehen bleibt. Mit welchen zwei Änderungen könnte dieses System zu einem ein TN-S-System umgebaut werden? Welche Sicherheits-Vorteile hätte das? Aufgabe 6.2: TN-C-System - Erforderliche Geräte-Zusatzausstattung: Vorhängeplatte „TN-C-Netz“, Verbraucher-Vorhängeplatte „3“ E9 Schutzmaßnahmen 03/2017 16 Bild 6.2: Schaltung für ein TN - C - System Überprüfen Sie die Sicherheit dieses Netzes bei verschiedenen Einstellungen (ohne RCD). Fehler Übergangswiderstände Netz Gerät RB (Ω) RA (Ω) RÜ (Ω) - -/a 4,7 ∞ 220 - b 4,7 ∞ 220 PEN -/a 4,7 ∞ 220 PEN b 4,7 ∞ 220 PEN b 4,7 ∞ 10 k X - 4,7 ∞ 220 X a 4,7 ∞ 220 X b 4,7 ∞ 220 Gefährdung UB (V) IK (mA) Auslösung Lampe LS Tabelle 6.2: Messwerte für ein TN-C System Überlegen Sie, ob und wie hier ein FI-Schutzschalter eingesetzt werden könnte, um die Gefahr vom Menschen abzuwenden. Zeichnen und bauen Sie den RCD in die Schaltung ein. Testen Sie das Ergebnis bei den besonders gefährlichen Einstellungen. Bei welchen Fehlern könnte ein zusätzlicher Anlagenerder nützlich sein? Aufgabe 6.3: TT-Netz - Erforderliche Geräte-Zusatzausstattung: Netz-Vorhängeplatte „TT-System“, Verbraucher mit Vorhängeplatte „4“ E9 Schutzmaßnahmen 03/2017 FI 17 Bild 6.3: Schaltung TT-Netz Testen Sie die Schaltung bei verschiedenen Fehlern zunächst ohne RCD. Die Körperschluss-Steckbrücken (bei „a“ (0,2 Ω) oder „b“ (100 Ω)) sollen immer erst nach dem Einschalten eingesteckt werden. Markieren Sie die gefährlichen Zustände. Bei akustischem Ansprechen des LS-Schalters (z.B. 3. Messung) die Messwerte zügig ablesen und dann sofort die Anlage abschalten ("Körperschluss" (Brücke) entfernen). Fehler Übergangswiderstände Netz Gerät RB (Ω) RA (Ω) RÜ (Ω) - -/a 4,7 1000∞ 220 - b 4,7 1000∞ 220 - b 4,7 47 220 - b ∞ 1000 220 - b 4,7 1000 10 k - -/a 4,7 220 - b 4,7 ∞ ∞ N - 4,7 1000 220 N a 4,7 1000 220 N b 4,7 1000 220 Gefährdung UB (V) IK (mA) Auslösung Lampe LS FI 220 Tabelle 6.3: Messwerte TT-System Zeichnen und bauen Sie jetzt den FI - Schutzschalter an der richtigen Position in Zeichnung und Stromkreis ein. Testen Sie bei den markierten Einstellungen nochmals, ob der RCD auslöst und ob damit die Gefahr beseitigt wurde. Markieren Sie wiederum die Zustände, bei denen trotzdem eine Gefährdung bestehen bleibt. E9 Schutzmaßnahmen 03/2017 18 Aufgabe 6.4 : Überprüfung des Anlagenerders (RA) bei einem TT-System - Erforderliche Geräte-Zusatzausstattung: „Sonde“ zur Simulation einer Referenz-Erdungssonde (Schalttafel-Platte) Schutzmaßnahme-Prüfgerät „PG 0100 N“ zur Feststellung von RA Bei diesem Test soll der wirksame Erdungswiderstand des Anlagenerders (RA) gemessen werden. Entfernen Sie die Verbindung zum Modellmenschen und alle Gerätefehler, da diese die Messwerte verfälschen könnten. Ergänzen Sie die Schaltung mit der Platte „Sonde“. Stecken Sie Brücken bei „RB“: 4,7. und bei „RA“: 1 k. Messen Sie den Erdungswiderstand des Anlagenerders (RA) mit dem Messgerät PG 0100N. Wählen Sie einen passenden Messbereich für den Erdungswiderstand RE. Nutzen Sie ggf. die ausliegende Gerätebeschreibung. Überprüfen Sie die Einhaltung der möglichen zulässigen Berührungsspannung nach der Bedingung für TT-Netze: RA * Ia UL Diskutieren Sie welcher Wert von Ia unter welchen Bedingungen eingesetzt werden darf! Tragen Sie Ihre Ergebnisse in die Tabelle 6.4 ein und bewerten Sie diese. Grenzwert UL in V Schutz- Nennwert Istwert Messwert berechnet Bedingung erfüllt Gerät Ia UB in V Ja / nein IN in mA RA in Sicherung RCD RCD - Tabelle 6.4: Überprüfung der Einhaltung der zulässigen Berührungsspannung Aufgabe 6.5: Testmöglichkeiten an einem Fehlerstrom-Schutzschalter Es gibt mehrere Möglichkeiten einen FI-Schutzschalter zu testen. Führen Sie nacheinander drei verschiedene Tests durch. - Test 1: Einfacher Funktionstest (haushaltsüblich) Schließen Sie den FI-Schutzschalter zwischen Stromversorgung und Verbraucher an. Testen Sie diesen. Hinweis: Erinnern Sie sich an den FI-Schutzschalter im häuslichen Zählerkasten. Lesen Sie, was alles auf dem Schalter steht. War der Test erfolgreich? Tragen Sie das in die 1. Spalte der Tabelle 6.5 ein. Erklären Sie, was bei diesem Test im Schalter vorgeht. Welche Kennwerte muss dieser FISchutzschalter erfüllen? Welche Toleranzbereiche sind zulässig? - Test 2: Feststellung des genauen Auslösestromes des verwendeten Gerätes Erforderliche Geräte-Zusatzausstattung: „FI-Auslösung“ zur Einstellung eines variablen Test-Fehlerstromes (Schalttafel-Platte) Positionieren Sie die Auslöseplatte zwischen FI-Schutzschalter und Verbraucher. Verbinden Sie die Platte mit der Verbraucherseite der Platte „FI-Schutzschalter“. Schließen Sie ein Messgerät zur Bestimmung des Fehlerstromes (IF) an. Kontrollieren Sie Ihre Schaltung mit Hilfe des Bildes 6.5 E9 Schutzmaßnahmen 03/2017 19 Bild 6.5: Schaltung zum Test des Fehlerstrom-Schutzschalters im TT-System Bestimmen Sie den Fehlerstrom bei dem dieser FI-Schutzschalter auslöst. Hinweis: Verbinden Sie mit einer Steckbrücke (d) den Einstellwiderstand mit L1 (der Anschluss mit der Diode bleibt frei) Stellen Sie das Drehpotentiometer vor Messbeginn auf den größtmöglichen Widerstandswert (Rechtsanschlag, 23 k) ein. Schalten Sie die Anlage ein. Stellen Sie das entsprechende Multimeter auf Maximalwerterfassung (Taste Data / Max mehrfach drücken) ein. Erhöhen Sie den Fehlerstrom, indem Sie den Widerstand langsam verkleinern. Tragen Sie die Messwerte in untenstehende Tabelle ein. Entfernen sie die Platte anschließend wieder aus der Schaltung. - Test 3: Feststellung der Auslöse- bzw. Abschaltzeit dieses RCD´s Erforderliche Geräte-Zusatzausstattung: Schutzmaßnahme-Prüfgerät „PG 0100 N“ - Bestimmen Sie die Auslösezeit des FI - Schutzschalters mittels PG 0100 N (siehe auch ausliegende Gerätebeschreibung) - Kontrollieren Sie, ob der untersuchte FI - Schutzschalter normgerecht reagiert hat. getestete Funktion benutztes „Gerät“ Ggf. Sollwert Test 1 (Funktionstest) FI-"Test"-Taster --- Test 2: Messung Auslösestrom in mA verstellbarer „Isolationswiderstand“ mA Test 3: Messung der Auslösezeit in ms PG 0100 N ms Ergebnis bzw. Messwert Tabelle 6.5: Messergebnisse zum Test des Fehlerstromschutzschalters E9 Schutzmaßnahmen 03/2017 Bewertung 20 7. Auswertung: Vergleichen Sie nochmals zusammenfassend alle hier betrachteten Systeme: Kriterium TN-(C)-S Netz TN-C-Netz Installationsaufwand Wartungsaufwand FehlerMöglichkeiten erreichbarer Schutz bei Netzfehlern: bei Gerätefehlern: E9 Schutzmaßnahmen 03/2017 TT-Netz
