Schutz gegen den elektrischen Schlag Allgemeines zum
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Schutz gegen den elektrischen Schlag Allgemeines zum elektrischen Schlag Fließt ein Berührungsstrom von über 30 mA durch den menschlichen Körper, stellt dies eine ernste Gefahr für den Menschen dar, wenn der Strom nicht in kürzester Zeit unterbrochen wird. Der Schutz von Personen gegen elektrischen Schlag in NS-Anlagen muss nach den entsprechenden nationalen Normen, gesetzlichen Vorschriften, Unfallverhütungsvorschriften usw. gewährleistet sein. Entsprechende IEC-Normen/VDE-Bestimmungen sind u.a.: IEC 60364 (VDE 0100), IEC 60479 (VDE V 0140-479), IEC 61008 (VDE 0664-10), IEC 61009 (VDE 0664-20) und IEC 60947-2 (VDE 0660-101). Ein elektrischer Schlag ist die physiologische Wirkung, hervorgerufen von einem elektrischem Strom durch den Körper eines Menschen oder Tieres. Fließt ein Strom durch den menschlichen Körper, werden hauptsächlich die Muskel-, Kreislauf- und Atmungsfunktionen beeinträchtigt und es kann zu schweren Verbrennungen kommen. Die Gefahr für den Menschen hängt von der Stromstärke, den Körperteilen, durch die der Strom fließt und der Einwirkdauer ab. Die Norm IEC 60479-1 (VDE V 0140-479-1) definiert vier Bereiche der Stromstärke in Bezug auf die Stromdurchflussdauer, für die jeweils die pathophysiologischen Auswirkungen beschrieben werden (siehe Abb. F1). Jede Person, die stromführende Teile berührt, ist dem Risiko eines elektrischen Schlages ausgesetzt. Bereich AC 4.1 zeigt, dass das Fließen eines Stromes von über 30 mA durch den menschlichen Körper (z.B. von einer Hand zur anderen Hand) voraussichtlich zum Tod führt, wenn der Strom nicht in sehr kurzer Zeit unterbrochen wird. Der Schnittpunkt 500 ms/100 mA nahe der Kennlinie C1 entspricht einer Herzkammerflimmern-Wahrscheinlichkeit von ca. 0,14 %. Der Schutz von Personen gegen elektrischen Schlag in NS-Anlagen muss nach den entsprechenden nationalen Normen, gesetzlichen Vorschriften, Unfallverhütungsvorschriften usw. gewährleistet sein. Entsprechende IEC-Normen/VDE-Bestimmungen sind u.a.: IEC 60364 (VDE 0100), IEC 60479 (VDE V 0140-479), IEC 61008 (VDE 0664-10), IEC 61009 (VDE 0664-20) und IEC 60947-2 (VDE 0660-101). Abb. F1: Konventionelle Zeit-Stromstärke-Bereiche mit Wirkungen von Wechselströmen (15 Hz bis 100 Hz) auf Personen bei einem Stromfluss von der linken Hand zu den Füßen AC-1: Wahrnehmung möglich, aber im allgemeinen keine Schreckreaktion AC-2: Wahrnehmung und unwillkürliche Muskelkontraktion, aber im Allgemeinen keine schädlichen physiologischen Effekte AC-3: Starke unwillkürliche Muskelkontraktion. Schwierigkeiten beim Atmen, Reversible Störungen der Herzfunktion. Muskelverkrampfung kann auftreten. Im Allgemeinen ist kein organischer Schaden zu erwarten. AC-4: Zunehmend mit Stromstärke und Einwirkdauer können gefährliche, pathophysiologische Effekte, wie z.B. Herzstillstand, Atemstillstand und Verbrennungen oder andere Zellschäden auftreten. AC-4-1: Herzkammerflimmer-Wahrscheinlichkeit steigt auf etwa 5 %. AC-4-2: Herzkammerflimmer-Wahrscheinlichkeit bis etwa 50 %. AC-4-3: Herzkammerflimmer-Wahrscheinlichkeit über 50 % Linie A: Wahrnehmbarkeitsschwelle Linie B: Schwellwert für Muskelreaktionen Kurve C1: Wahrscheinlichkeit von Herzkammerflimmern liegt bei 0 %. Kurve C2: Wahrscheinlichkeit von Herzkammerflimmern bis etwa 5 %. Oberhalb von Kurve C3: Wahrscheinlichkeit von Herzkammerflimmern über 50 %. Grundnorm Die grundsätzlichen Anforderungen für den Schutz gegen elektrischen Schlag sind in der Norm IEC 61140 (VDE 0140-1) enthalten, die sowohl für elektrische Anlagen als auch elektrische Betriebsmittel anzuwenden ist. Gefährliche aktive Teile dürfen nicht berührbar sein und berührbare leitfähige Teile dürfen nicht gefährlich aktiv sein. Diese Anforderung muss erfüllt sein: unter normalen Bedingungen und unter Einzelfehler-Bedingungen. Als normale Bedingung betrachtet man den Schutz gegen direktes Berühren (Basisschutz) in Kombination mit einer Schutzeinrichtung gegen indirekte Berührung (Fehlerschutz). Eine verstärkte Schutzvorkehrung bewirkt den Schutz unter beiden Bedingungen. Direktes und indirektes Berühren Direktes Berühren Es sind häufig zwei Schutzmaßnahmen gegen gefährliches direktes Berühren erforderlich, da die erste Maßnahme in der Praxis nicht immer zu 100 % ausfallsicher ist. Berühren aktiver Teile durch Menschen oder Tiere (siehe Abb. F2). In der Norm IEC 61140 (VDE 0140-1) wurde der Ausdruck „Schutz gegen direktes Berühren” durch den Begriff „Basisschutz” ersetzt. Der frühere Ausdruck wird zu Informationszwecken beibehalten. Abb. F2: Direktes Berühren Indirektes Berühren In den Normen wird unterschieden zwischen: direktem und indirektem Berühren. Entsprechend unterschiedlich sind auch die notwendigen Maßnahmen. Elektrischer Kontakt von Menschen und Tieren mit Körpern elektrischer Betriebs-mittel, die infolge eines Fehlzustandes unter Spannung stehen. Durch den Fehler führt der Körper eines elektrischen Betriebsmittels u.U. eine gefährliche Spannung, die einen Berührungsstrom durch eine Person, die diesen Körper berührt, verursacht (siehe Abb. F3). Abb. F3: Indirektes Berühren In IEC 61140 (VDE 0140-1) wurde der Ausdruck „Schutz bei indirektem Berühren” durch den Begriff „Fehlerschutz” ersetzt. Der frühere Ausdruck wird zu Informations- zwecken beibehalten. Basisschutz oder Schutz gegen direktes Berühren Im Allgemeinen besteht der Schutz gegen direktes Berühren aus einem physikalischen Schutz durch Abdeckungen oder Isolierung von aktiven Teilen. In besonderen Bereichen (z.B. elektrische und abgeschlossene elektrische Betriebsstätten) reicht ein teilweiser Schutz, wie Schutz durch Hindernisse oder Schutz durch Abstand usw. aus. In besonderen Fällen (z.B. in Bereichen erhöhter elektrischer Gefährdung) kann ein zusätzlicher Schutz bei direktem Berühren gefordert sein, um bei eventuellen Fehlern bei den Schutzmaßnahmen noch eine Schutzwirkung zu haben. Dieser Schutz basiert auf hochempfindlichen Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen (RCDs) mit einem Bemessungsdifferenzstrom nicht größer als 30 mA. Aufgrund der sehr kurzen Ausschaltzeit wird in den meisten Fällen ein Schutz auch bei direktem Berühren aktiver Teile gewährleistet. Schutz durch Isolierung aktiver Teile In den Normen wird zwischen zwei Arten von Schutzmaßnahmen unterschieden: vollständiger Schutz (Isolation, Abdeckung) teilweiser Schutz. Dieser Schutz besteht aus einer Isolierung gemäß den entsprechenden Produkt-normen (siehe Abb. F4). Farbanstriche und Lacke gewährleisten keinen ausreichenden Schutz. Abb. F4: Schutz gegen direktes Berühren durch die Aderisolierung eines 3-phasigen Kabels Schutz durch Abdeckungen oder Umhüllungen Diese Maßnahme ist weit verbreitet, denn viele Betriebsmittel werden in Schaltschränke, Steuerkonsolen und Verteiler eingebaut (siehe Abb. F5). Damit ein wirksamer Schutz gegen direktes Berühren gewährleistet ist, müssen diese Abdeckungen oder Umhüllungen mindestens der Schutzart IP 2X oder IP XXB entsprechen (gem. IEC 61439-1 (VDE 0660-600-1)), siehe Kapitel E, Abschnitt 4.4. Abb. F5: Beispiel: Isolation durch Gehäuse Wenn es notwendig ist, Schutzabdeckungen abzunehmen, Umhüllungen zu öffnen oder Teile davon zu entfernen (Türen, Klappen, Deckel, Verkleidungen u.ä.), muss eine der folgenden Bedingungen eingehalten werden: Das Abnehmen, Öffnen und Entfernen ist nur unter Verwendung eines Schlüssels oder Werkzeuges möglich. Alle aktiven Teile, die nach dem Öffnen der Tür zufällig berührbar sind, müssen elektrisch getrennt sein, bevor sich die Tür öffnen lässt oder sind mit einer zusätzlichen Berührungsschutzabdeckung zu versehen. In TN-C-Systemen darf der PEN-Leiter nicht getrennt oder geschaltet werden. In TN-S-Systemen braucht der Neutralleiter nicht getrennt oder geschaltet werden. Teilweiser Schutz gegen direktes Berühren Schutz durch Hindernisse oder Abstand Dieser Schutz ist ausschließlich für Betriebsstätten vorgesehen, zu denen nur Elektrofachkräfte oder unterwiesene Personen Zugang haben. Weitere Details über diese Maßnahme finden Sie in IEC 60364-4-41 (VDE 0100-410). Sonstige Schutzmaßnahmen Schutz durch Kleinspannung SELV und PELV (Safety Extra-Low Voltage = SELV; Protective Extra-Low Voltage = PELV) oder Schutz durch Begrenzung der Entladeenergie. Diese Maßnahmen werden nur in Stromkreisen mit niedriger Leistung und unter besonderen Bedingungen verwendet (siehe Abschnitt 3.5.). Zusätzlicher Schutz durch Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen (RCDs) auch als Schutz bei direktem Berühren bezeichnet Einen zusätzlichen Schutz bei direktem Berühren bewirken Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen (Residual current protective device = RCD) mit einem Bemessungsdifferenzstrom von nicht mehr als 30 mA. RCDs mit einem Bemessungsdifferenzstrom von ≤ 30 mA bezeichnet man auch als hochempfindliche FehlerstromSchutzeinrichtungen. Abb. F6: Hochempfindliche Fehlerstrom-Schutzeinrichtung (RCD) Alle zuvor beschriebenen Maßnahmen sind vorbeugende Maßnahmen. Die Erfahrung hat jedoch gezeigt, dass sie nicht immer ausreichend sein können, z.B. bei: fehlender Instandhaltung, Unvorsichtigkeit, Fahrlässigkeit, normalem (oder erhöhtem) Verschleiß der Isolierung, z.B. häufige Biegung oder Abrieb von Kabel/Leitungen insbesondere bei Anschlussleitungen, unbeabsichtigtem Berühren aktiver Teile, Eintreten von Situationen, in der die Isolierung nicht mehr wirksam ist (z.B. Eintauchen in Wasser usw.). Zum Schutz des Anwenders in solchen Situationen werden hochempfindliche FehlerstromSchutzeinrichtungen (RCDs) verwendet. Diese Geräte erkennen Fehlerströme (die u.U. durch den Körper eines Menschen oder Tieres fließen können) und schalten die Stromversorgung sehr schnell automatisch ab. Sie müssen schnell genug auslösen, um Verletzungen oder den Tod durch Stromeinwirkung eines Menschen zu verhindern (siehe Abb. F6). Diese Geräte arbeiten nach dem Prinzip der Differenzstrommessung, bei der jede Differenz in einem Stromkreis, z.B. bei einem Fehler zur Erde erfasst wird. Differenzen entstehen entweder durch Isolationsfehler (Körperschluss) oder durch versehentliches Berühren eines aktiven Teils (z.B. durch Berühren eines stromführenden Leiters). Die Fehlerstromschutzgeräte (Residual current protective devices = RCD) mit einem Bemessungsdifferenzstrom von max. 30 mA sind für den Schutz bei direktem Berühren ausreichend empfindlich. Dieser zusätzliche Schutz wird für Stromkreise mit Steckvorrichtungen üblicherweise für Bemessungsströme bis max. 32 A gefordert. In einigen Fällen müssen alle Steckdosen/Steckdosenstromkreise (ohne Begrenzung des Bemessungsstromes) entsprechend geschützt sein. In Kapitel Q, Abschnitt 3 werden Anwendungsfälle aufgeführt, in denen die Verwendung von hochempfindlichen Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen (RCDs) entweder obligatorisch ist (kann in den einzelnen europäischen Ländern unterschiedlich sein) oder aber in jedem Fall dringend für einen wirksamen Schutz sowohl bei direktem als auch bei indirektem Berühren empfohlen wird. Fehlerschutz oder Schutz bei indirektem Berühren Schutzmaßnahmen: automatische Abschaltung der Stromversorgung (beim ersten oder zweiten Fehler, je nach Art des Netzsystems), sonstige zusätzliche Maßnahmen (entsprechend den Umgebungsbedingungen) Die Körper elektrischer Betriebsmittel sind von den aktiven Teilen der Anlagen durch eine „Basisisolierung” getrennt. Ein Fehler der Basisisolierung führt dazu, dass an den Körpern der elektrischen Betriebsmittel eine gefährliche Berührungsspannung anstehen kann. Das Berühren eines normalerweise nichtstromführenden leitfähigen Teils einer elektrischen Anlage oder eines Betriebsmittels, an dem aufgrund eines Isolationsfehlers eine Berührungsspannung ansteht, bezeichnet man als indirektes Berühren. Die verschiedenen Maßnahmen für den Schutz bei indirektem Berühren sind u.a.: Automatische Abschaltung der Stromversorgung für die angeschlossenen elektrischen Anlagen und Betriebsmittel. Spezielle Anordnungen wie z.B.: o Verwendung von Betriebsmitteln der Schutzklasse II oder mit gleichwertiger Isolierung, o Schutz durch nichtleitende Räume, o Schutz durch einen ungeerdeten örtlichen Potentialausgleich, o Schutztrennung, Schutztrenntransformatoren. Schutz durch automatische Abschaltung der Stromversorgung Prinzip Der Schutz bei indirektem Berühren durch automatische Abschaltung der Stromversorgung ist gewährleistet, wenn die Körper elektrischer Betriebsmittel mit einem niederohmigen Schutzleiter verbunden sind. Diese Schutzmaßnahme erfordert die Koordination zwischen dem Netzsystem und den Eigenschaften der Schutzleiter und Schutzeinrichtungen. Die Anforderungen für diese Schutzmaßnahme und die Abschaltzeiten werden unter Berücksichtigung von IEC 60479-1 (VDE V 0140-479-1) festgelegt. Daher müssen die Körper unter den für jedes Netzsystem festgelegten Bedingungen an einen Schutzleiter angeschlossen werden. (Gleichzeitig berührbare Körper müssen an demselben Schutzleiter/Erdungssystem angeschlossen werden.) Außerdem müssen in jedem Gebäude der Hauptschutzleiter, der Haupterdungsleiter, die Haupterdungsklemme oder -schiene und die folgenden fremden, leitfähigen Teile zu einem Hauptpotentialausgleich verbunden werden: metallene Rohrleitungen von Versorgungssystemen innerhalb des Gebäudes, z.B. für Gas, für Wasser, Metallteile der Gebäudekonstruktionen, Zentralheizungs- und Klimaanlagen, wesentliche metallene Verstärkung von Gebäudekonstruktionen aus bewehrtem Beton, soweit möglich. Je größer der Wert von UB [1] ist, desto schneller muss die Versorgungsspannung zur Gewährleistung des Schutzes abgeschaltet werden (siehe Abb. F8). Der höchste dauernd zulässige Wert von UB beträgt 50 V AC bzw. 120 V DC. Erinnerung: max. zulässige Abschaltzeiten nach IEC 60364-4-41 (VDE 0100-410). AC DC AC DC AC DC DC 50 V < U ≤ 120 V < U ≤ 230 V < U ≤ U System o o o o > 400 120 V 230 V 400 V V TT 0,8 s s. Anm.1 0,4 s 5s 0,2 s 0,4 s 0,1 s 0,1 s TN 0,3 s s. Anm.1 0,2 s 0,4 s 0,07 0,2 s 0,04 s 0,1 s Abb. F8: Maximal zulässige Dauer gegebener AC-Berührungsspannungswerte (in s) Wenn in TT-Systemen die Abschaltung durch eine Überstrom-Schutzeinrichtung erreicht wird und alle fremden leitfähigen Teile in der Anlage an den Schutzpotentialausgleich über die Haupterdungsschiene angeschlossen sind, darf die auf TN-Systeme anwendbare Abschaltzeit verwendet werden. Uo: Nennwechsel- oder Nenngleichspannung Außenleiter gegen Erde Anmerkung 1: Eine Abschaltung kann aus anderen Gründen als dem Schutz gegen elektrischen Schlag verlangt sein. Anmerkung 1. ^ Die Berührungsspannung UB ist die vorhandene Spannung (als Folge eines Isolationsfehlers) zwischen einem berührbaren leitfähigen Teil und jedem beliebigen leitenden zugänglichen Teil mit anderem Potential (i. Allg. Erde). Automatische Abschaltung in TT-Systemen Prinzip Die automatische Abschaltung im TT-System wird in den allermeisten Fällen nur durch FehlerstromSchutzeinrichtungen (RCDs) mit einem Bemessungsdifferenzstrom erreicht, der von folgender Bedingung abhängig ist: , wobei RA dem Widerstand des Anlagenerders der Anlage entspricht. In diesem System müssen alle Körper der Anlage mit einem gemeinsamen Erdungsanschluss verbunden sein. Der Sternpunkt des Versorgungssystems ist normalerweise an einem Punkt außerhalb des Einflussbereiches des Anlagenerders geerdet. Die Erdschlussschleifenimpedanz besteht daher im Wesentlichen aus den zwei in Reihe liegenden Erdungswiderständen (d.h. dem Quellen und Anlagenanschluss), so dass der Fehlerstrom, der darüber zum Fließen kommen kann, im Allgemeinen zu niedrig ist, um die Überstrom-Schutzeinrichtung ansprechen zu lassen. Daher ist die Verwendung einer Fehlerstrom-Schutzeinrichtung (RCD) fast zwingend notwendig. Dieses Schutzprinzip ist auch anwendbar, wenn nur ein gemeinsamer Erdungsanschluss verwendet wird, besonders im Fall einer Kundenstation innerhalb der Anlage, in der die Platzbeschränkung den Einsatz eines TN-Systems erfordert, aber alle anderen Voraussetzungen eines TN-Systems nicht erfüllt werden können. Die automatische Abschaltung der Stromversorgung im TT-System wird durch Fehlerstrom/Differenzstrom-Schutzeinrichtungen (RCDs) mit einem Bemessungsdifferenzstrom von: durchgeführt, wobei gilt: RA: Summe der Widerstände des Erders und des Schutzleiters der Körper I∆n: Bemessungsdifferenzstrom der Fehlerstrom-Schutzeinrichtung (RCD) Für vorübergehend errichtete Versorgungen für den Einsatz in der Landwirtschaft und im Gartenbau wird der Wert 50 V durch 25 V ersetzt. Beispiel (siehe Abb. F9) Der Widerstand des Betriebserders am Sternpunkt in der Umspannstation RBA beträgt 10 Ω. Der Widerstand des Anlagenerders RA beträgt 20 Ω. Der Fehlerstrom ergibt sich aus: U/Rges = 230 V/30 Ω = Id = 7,7 A. Die Berührungsspannung beträgt UB = Id x RA = 154 V und ist daher gefährlich und muss abgeschaltet werden. Abb. F9: Automatische Abschaltung der Stromversorgung im TT-System Um die zulässige Berührungsspannung von AC 50 V am Erder nicht zu überschreiten, muss mindestens folgender Bemessungsdifferenzstrom gewählt werden: I∆n = 50 V/20 Ω = 2,5 A. In der Praxis würde man dafür einen Bemessungsdifferenzstrom von 300 mA wählen, da letztlich auch der Schutzleitwiderstand in der Betrachtung mit berücksichtigt werden muss, so dass eine 300 mA-Fehlerstrom-Schutzeinrichtung in ca. 30 ms (siehe Abb. F10) unverzögert auslöst und den Fehler beseitigt, wenn die Berührungsspannung an einem berührbaren leitfähigen Teil überschritten wird. Uo[1] (V) T (s) 50 < Uo ≤ 120 0,3 120 < Uo ≤ 230 0,2 230 < Uo ≤ 400 0,07 Uo > 400 0,04 [1] Uo = Nennspannung zwischen Außenleiter und Erde. Abb. F10: Max. Abschaltzeit für Wechselspannungs-Endstromkreise unter 32 A im TT-System Festgelegte maximale Abschaltzeit Die Abschaltzeiten von Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen (RCDs) sind herstellerspezifisch im Allgemeinen kürzer als in den Normen gefordert wird. Diese Eigenschaft vereinfacht deren Verwendung und ermöglicht den Einsatz eines effektiven Selektivschutzes. In der Norm IEC 60364-4-41 (VDE 0100-410) ist die maximale Abschaltzeit von Schutzeinrichtungen im TT-System festgelegt: Für alle Endstromkreise mit einem Bemessungsstrom bis einschließlich 32 A liegt die maximale Abschaltzeit unter den Werten in Abbildung F10. Für Verteilungsstromkreise beträgt die maximale Abschaltzeit 1 s. Dieser Grenzwert ermöglicht Selektivität zwischen den in Verteilungsstromkreisen installierten Schaltgeräten mit Fehlerstromschutz. Der Begriff „Fehlerstromschutzgerät” wird allgemein für alle Geräte verwendet, die nach dem Fehlerstrom-Prinzip arbeiten. Die Fehlerstrom-/Differenzstrom-Schutzschalter (Residual Current Operated Circuit-Breaker = RCCB) sind nach den Normen der Reihe IEC 61008 (VDE 0664-10) vorwiegend Fehlerstrom-/Differenzstromschutzschalter ohne eingebautem Überstromschutz (RCCBs) für Hausinstallation und ähnliche Anwendungen. Die Abschaltzeit/Fehlerstrom-Kenndaten von Schaltgeräten mit Fehlerstromschutz vom Typ allgemein und Typ S (selektiv) der Norm IEC 61008 (VDE 0664-10) werden in Abb. F11 dargestellt. Diese Kenndaten ermöglichen gewisse selektive Auslösungen zwischen den verschiedenen Kenndaten- und Typenkombinationen, wie später in Abschnitt 4.3 beschrieben wird. Leistungsschalter mit Fehlerstromschutz (nach VDE 0660-101) gewährleisten aufgrund ihrer flexiblen Zeitverzögerung weitere Selektivitätsmöglichkeiten. Typ x IΔn jeder Wert allgemein Typ S 1 2 5 >5 0,3 0,15 0,04 0,04 höchstzulässige Abschaltzeiten 0,5 0,2 0,15 0,15 höchstzulässige Abschaltzeiten 0,13 0,06 0,05 0,04 kürzeste Nichtauslösezeiten > 0,030 Abb. F11: Höchstzulässige Abschaltzeiten von Schaltgeräten mit Fehlerstromschutz (in s) Automatische Abschaltung in TN-Systemen Prinzip Die automatische Abschaltung in TN-Systemen erfolgt durch Überstromschutzeinrichtungen oder FehlerstromSchutzeinrichtungen (RCDs). In diesem Netzsystem sind alle Körper der elektrischen Betriebsmittel einer Anlage direkt über Schutzleiter/PEN-Leiter mit dem geerdeten Punkt der Stromquelle verbunden. Wie in Kapitel E, Abschnitt 2.2 beschrieben, muss unterschieden werden, ob das TN-System als TN-C-, TN-S- oder TN-C-S-System errichtet wird. In Abbildung F12 wird ein TN-CSystem dargestellt, in dem der vom Sternpunkt der Stromquelle kommende Leiter sowohl als Schutzleiter als auch als Neutralleiter, d.h. als PEN-Leiter fungiert. In allen TN-Systemen hat jeder Isolationsfehler zwischen Außenleiter und Schutzleiter/Erde einen Kurzschluss zwischen Außenleiter und Schutzleiter/PEN-Leiter zur Folge. Hohe Fehlerstromwerte ermöglichen die Verwendung von Überstromschutzeinrichtungen. Auch hierbei können an der Fehlerstelle während der kurzen Abschaltzeit Berührungsspannungen von über 50 % der Spannung zwischen Außenleiter und Neutralleiter auftreten (im Gegensatz zum TT-System, wo fast immer die volle Spannung gegen die Erde auftreten kann). In der Praxis profitieren die Energieversorger von der Tatsache, dass bei jeder Baumaßnahme ein Fundamenterder (über einen PEN-Leiter) installiert werden muss. Hierdurch wird die Erdungsimpedanz des Versorgungsnetzes gestützt. In großen Anlagen mit HS-Einspeisung werden häufig zusätzliche Tiefenerder oder Fundamenterder installiert, um die Berührungsspannung so stark wie möglich zu reduzieren. In Hochhäusern sind alle außenliegenden leitfähigen Teile mit dem Schutzleiter auf jeder Ebene verbunden. Zur Gewährleistung eines angemessenen Schutzes muss der Fehlerstrom gegen Erde: größer oder gleich Ia sein, wobei: Uo: Nennwechselspannung (effektiv) zwischen Außenleiter und Erde Id: Fehlerstrom Ia: erforderlicher Stromwert zur Auslösung der Schutzeinrichtung (in Abhängigkeit von der festgelegten Abschaltzeit) Zs: Fehlerschleifenimpedanz; entspricht der Summe der Quellenimpedanzen, der Impedanz des stromführenden Außenleiters zur Fehlerstelle und der Impedanz des Schutzleiters von der Fehlerstelle zurück zur Quelle. Hinweis: Durch den immer vorhandenen Parallelpfad über die Erde verbessert sich die Abschaltbedingung, wird aber üblicherweise nicht berücksichtigt (Sicherheits- faktor). Beispiel (siehe Abb. F12) Abb. F12: Automatische Abschaltung der Stromversorgung im TN-System Die Berührungsspannung beträgt und ist daher gefährlich. Die Impedanz der Fehlerschleife beträgt: Zs=ZAB + ZBC + ZDE + ZEN + ZNA. Sind ZBC und ZDE vorherrschend, gilt: , so dass (≈ 22 In bei einem Leistungsschalter NSX 160). Der Einstellwert des „unverzögerten” magnetischen Auslösesystems des Leistungsschalters ist sehr viel geringer als dieser Kurzschlusswert, so dass eine einwandfreie Auslösung innerhalb der schnellstmöglichsten Zeit gewährleistet ist. Hinweis: In einigen Fällen wird solchen Berechnungen ein Spannungsfall von 20 % im Teil der Impedanzschleife zugrunde gelegt. größer oder gleich Ia, wobei: Zc: Schleifenwiderstand des Fehlerstromes (bei Kurzschlusstemperatur am Leiter) Diese Methode wird empfohlen und in Kapitel F, Abschnitt 6.2 als „konventionelle Methode” genauer beschrieben. Man erhält in diesem Beispiel einen geschätzten Fehlerstrom von: (≈ 18 In). Festgelegte maximale Abschaltzeiten In der Norm IEC 60364-4-41 (VDE 0100-410) wird die maximale Abschaltzeit von im TNSystem verwendeten Schutzgeräten zum Schutz gegen indirektes Berühren festgelegt: Für alle Endstromkreise mit einem Bemessungsstrom kleiner 32 A liegt die maximale Abschaltzeit unter den Werten in Abbildung F13. Für alle anderen Stromkreise ist die maximale Abschaltzeit auf 5 s festgelegt. Dieser Grenzwert ermöglicht Selektivität zwischen den in Verteilungsstromkreisen installierten Schutzgeräten. Hinweis: Die Verwendung von Schaltgeräten mit Fehlerstromschutz kann in TN-Sys-temen erforderlich sein. Bei der Verwendung von Schaltgeräten mit Fehlerstromschutz in TN-C-SSystemen müssen der Schutzleiter und der Neutralleiter (natürlich) an einer dem Schaltgerät mit Fehlerstromschutz vorgelagerten Stelle getrennt wer-den. Diese Trennung wird im Allgemeinen am Hausanschluss vorgenommen. Uo (1) (V) Abschaltzeit (s) 50 < Uo ≤ 120 0,8 120 <Uo ≤ 230 0,4 230 < Uo ≤ 400 0,2 Uo > 400 0,1 [1] Uo = Nennspannung zwischen Außenleiter und Erde. Abb. F13: Max. Abschaltzeit für Wechselspannungs-Endstromkreise kleiner 32 A im TNSystem Schutz durch Leistungsschalter (siehe Abb. F14) Wird der Schutz durch einen Leistungsschalter gewährleistet, ist sicherzustellen, dass der Fehlerstrom immer den Einstellstromwert des unverzögerten oder kurzzeitverzögerten Auslösesystems Im (Isd) überschreitet. Abb. F14: Abschaltung durch Leistungsschalter im TN-System Das unverzögerte Auslösesystem eines Leistungsschalters beseitigt einen Körperschluss/Erdschluss in weniger als 0,1 s. Folglich ist eine automatische Abschaltung der Stromversorgung innerhalb der maximal zulässigen Zeit stets gewährleistet, da alle Auslösesystemausführungen (magnetisch, elektronisch, unverzögert oder kurzzeitverzögert) geeignet sind (Ia = Im (Isd)). Die in den entsprechenden Normen zugelassene maximale Toleranz muss immer berücksichtigt werden. Es ist daher ausreichend, dass der errechnete (oder vor Ort ermittelte) Fehlerstrom od. höher ist, als der unverzögerte Einstellwert des Auslösestroms oder als der kurzzeitverzögerte Auslöseansprechwert, um eine Auslösung innerhalb der zulässigen Zeit sicherzustellen. Schutz durch Sicherungen (siehe Abb. F15) Ia kann mit Hilfe der Strom/Zeit-Kennlinie der Sicherung bestimmt werden. Der Schutz ist in keinem Fall gewährleistet, wenn die Impedanz der Fehlerschleife Zs oder Zc einen bestimmten Wert überschreitet. Der für das Schmelzen einer Sicherung erforderliche Stromwert kann der Strom/ZeitKennlinie der betreffenden Sicherung entnommen werden. Der zuvor bestimmte Fehlerstrom od. muss den für das Schmelzen der Sicherung erforderlichen Fehlerstrom weit überschreiten. Die zu prüfende Bedingung lautet daher: od. (siehe Abb. F15). Abb. F15: Abschaltung durch Sicherungen im TN-System Beispiel: Die Nennspannung zwischen Außenleiter und Erde des Netzes beträgt 230 V. Die maximale Abschaltzeit beträgt laut Kennlinie in Abbildung F15 0,4 s. Der entsprechende IaWert kann der Kennlinie entnommen werden. Unter Verwendung der Spannung (230 V) und des Stromes Ia kann die gesamte zulässige Schleifenimpedanz oder die Schleifenimpedanz des Stromkreises wie folgt berechnet werden: od. Diese Impedanzwerte dürfen niemals überschritten werden und sollten vorzugsweise wesentlich kleiner sein, um das einwandfreie Auslösen der Sicherung sicherzustellen. Schutz durch Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen (RCDs) in TN-S-Systemen Schaltgeräte mit Fehlerstromschutz müssen dort verwendet werden, wo: die Schleifenimpedanz nicht exakt bestimmt werden kann (schwer zu schätzende Leitungslängen, metallische Werkstoffe nahe der Leitungen), der Fehlerstrom so niedrig ist, dass die max. zulässige Abschaltzeit bei Verwen-dung von Überstromschutzeinrichtungen nicht eingehalten werden kann, Stromkreise mit Steckdosen bis 20 A, die von Laien benutzt werden(IEC 60364-4-410 (VDE 0100-410)), Endstromkreise für im Außenbereich verwendete tragbare Betriebsmitte mit einem Bemessungsstrom nicht größer als 32 A. Da der Bemessungsauslösestrom von Schaltgeräten mit Fehlerstromschutz nur einige Ampère beträgt, liegt er im Allgemeinen weit unter den auftretenden Fehlerstromwerten. Folglich sind Fehlerstromschutzgeräte hier gut geeignet. In der Praxis werden RCDs als Zusatzschutz in Unterverteilern nahe der Endstromreise installiert, wenn der Schleifenwiderstand zu hochohmig ist, um die automatische Abschaltung zu gewährleisten, oder auf Anforderungen aus Installationsnormen für Sonderbereiche (IEC 60364-7ff (VDE 0100-7ff) Automatische Abschaltung bei einem zweiten Fehler im IT-System In diesem System müssen die aktiven Teile entweder gegen Erde isoliert oder über eine ausreichend hohe Impedanz geerdet sein. Diese Impedanz darf zwischen Erde und dem Sternpunkt des Systems oder einem künstlichen Sternpunkt liegen. Der künstliche Sternpunkt darf unmittelbar mit der Erde verbunden werden, wenn die resulierende Nullimpedanz des Systems ausreichend groß ist. Wenn kein Sternpunkt ausgeführt ist, darf ein Außenleiter über eine Impedanz mit Erde verbunden werden. Auftreten eines ersten Fehlers Im IT-System soll der erste Fehler gegenüber Erde nicht zu einer Abschaltung führen. Der Fehlerstrom bei Auftreten nur eines Körper- oder Erdschlusses ist niedrig und eine Abschaltung nicht gefordert, wenn die Bedingung Id x RA ≤ 50 V (s. Abschnitt 3.3 „Automatische Abschaltung in TT-Systemen) erfüllt ist und keine gefährlichen Fehlerspannungen auftreten können. Unter diesen Bedingungen ist der Strom Id so klein, dass er weder für das Personal noch für die Anlage eine Gefahr darstellt. Es müssen jedoch Maßnahmen getroffen werden, um bei Auftreten eines zweiten Fehlers das Risiko gefährlicher physiologischer Einwirkungen auf Personen, die in Verbindung mit gleichzeitig berührbaren leitfähigen Teilen stehen, zu vermeiden. Dennoch erfordert dieses System: eine Einrichtung zur kontinuierlichen Überwachung des Isolationswiderstandes gegen Erde gem. IEC 60364-4-41 (VDE 0100-410). Sie muss bei Auftreten eines ersten Fehlers eine Meldung (akustisch und/oder visuell usw.) auslösen (siehe Abb. F16), zwingend die schnelle Beseitigung eines ersten Fehlers, damit die Vorteile des IT-Systems vollständig genutzt werden können. Die Betriebskontinuität ist der Hauptvorteil des ITSystems. Abb. F16: Isolationsüberwachungseinrichtung zwischen Außenleiter und Erde: im IT-System vorgeschrieben In einem System, in dem neue Kabel/Leitungen/Leiter verwendet werden, ergibt sich z.B. bei einer Länge von 1 km ein Ableitstrom (kapazitiv) gegen Erde von ca. 3500 Ω pro aktiven Außenleiter. Im Normalbetrieb beträgt der kapazitive Strom [1] zur Erde daher: pro Außenleiter. Während eines Fehlers zwischen Außenleiter und Schutzleiter/Erde (s. Abb. F17) entspricht der Strom durch den Widerstand des Erdungsanschlusses RnA der Vektor-summe der kapazitiven Ströme in den fehlerfreien Außenleitern. Die Spannungen der fehlerfreien Außenleiter haben sich (aufgrund des Fehlers) auf die verkettete Spannung ( der normalen Spannung gegen Erde) erhöht, so dass sich die kapazitiven Ströme um denselben Wert erhöhen. Diese Ströme sind um 60° verschoben, so dass deren Vektorsumme (in diesem Beispiel) einen Wert von: 3 x 66 mA = 198 mA ergibt. Die Berührungsspannung UB entspricht daher 198 x 5 x 10-3 = 0,99 V und ist somit ungefährlich. Der durch den Körperschluss/Erdschluss verursachte Strom entspricht der Vektorsumme des Stromes Id1 (=153 mA) und des kapazitiven Stromes Id2(198 mA). Da die berührbaren leitfähigen Teile der Anlage über Schutzleiter direkt geerdet sind, spielt die Impedanz Zct bei der Erzeugung von Berührungsspannungen gegen Erde praktisch keine Rolle. Abb. F17: Weg des Fehlerstromes bei einem ersten Fehler im IT-System Auftreten eines zweiten Fehlers Das gleichzeitige Auftreten zweier Körperschlüsse/Erdschlüsse (an unterschiedlichen aktiven Leitern) ist gefährlich und die schnelle Abschaltung der Stromversorgung durch Sicherungen oder Leistungsschalter hängt von der Verbindung der Körper mit Erde (einzeln, in Gruppen oder gemeinsame Erdung) ab. Tritt ein zweiter Fehler in einem anderen Außenleiter oder in einem Neutralleiter auf, ist eine Abschaltung der Stromversorgung innerhalb der festgelegten Zeiten zwingend notwendig. Die Fehlerbeseitigung wird in den folgenden Fällen unterschiedlich durchgeführt: 1. Fall Betrifft eine Anlage, in der alle Körper gemeinsam mit einem geerdeten Schutzleiter (PELeiter) verbunden sind (siehe Abbildung F18). In diesem Fall führt der Weg des Fehlerstromes nicht über die Erde, so dass ein relativ hoher Fehlerstrom auftritt und herkömmliche Überstromschutzeinrichtungen verwendet werden können, d.h. Leistungsschalter, Leitungsschutzschalter und Sicherungen. Der erste Fehler könnte an einem Stromkreisende in einem entfernten Anlagenteil auftreten, während der zweite Fehler am entgegengesetzten Anlagenteil auftreten könnte. Aus diesem Grund wird zur Berechnung des zu erwartenden Fehlerstromes die ermittelte Schleifenimpedanz eines Stromkreises verdoppelt. Enthält das System zusätzlich zu den 3 Außenleitern einen Neutralleiter, treten niedrigere Kurzschluss-/Fehlerströme auf, wenn einer der (zwei) Fehler zwischen dem Neutralleiter und Erde auftritt (alle vier Leiter sind in einem IT-System von Erde isoliert). In Vierleiter-IT- Systemen muss daher die Spannung zwischen Außenleiter und Neutralleiter zur Berechnung der Kurzschlussströme verwendet werden, d.h. [2] wobei gilt: Uo: Nennwechselspannung zwischen Außenleiter und Neutralleiter ZS: Impedanz der Fehlerstromschleife (siehe Kapitel F, Abschnitt 3.2) Ia: Auslösestromwert Bei nichtverteiltem Neutralleiter ist die zur Fehlerstromberechnung zu verwendende Spannung die Spannung zwischen den Außenleitern, d.h. [2] Maximale Abschaltzeiten Die Abschaltzeiten für IT-Systeme hängen von der Art der Erdung der Körper (einzeln, in Gruppen oder gemeinsame Erdung) ab. Für Endstromkreise zur Versorgung von elektrischen Anlagen und Betriebsmitteln mit einem Bemessungsstrom unter 32 A, deren berührbare leitfähige Teile mit dem Erdungsanschluss der Anlage verbunden sind, ist die maximale Abschaltzeit in Tabelle F8 angegeben. Für die anderen Stromkreise innerhalb derselben Gruppe, deren berührbare leitfähigen Teile ebenfalls verbunden sind, beträgt die maximale Abschaltzeit 5 s. Der Grund dafür ist, dass jeder Doppelfehler einen Kurzschlussstrom wie im TN-System zur Folge hat. Für Endstromkreise zur Versorgung von elektrischen Anlagen und Betriebsmitteln mit einem Bemessungsstrom unter 32 A, deren berührbare leitfähige Teile an einen unabhängigen, elektrisch vom Erdungsanschluss der Station getrennten Erdungsanschluss anschlossen sind, wird die maximale Abschaltzeit in Abbildung F15 angegeben. Für die anderen Stromkreise innerhalb derselben Gruppe, deren berührbare leitfähige Teile nicht verbunden sind, beträgt die maximale Abschaltzeit 1 s. Der Grund dafür ist, dass jeder Doppelfehler, der durch einen Isolationsfehler in dieser Gruppe und dem Isolationsfehler in einer anderen Gruppe entsteht, einen Fehlerstrom erzeugt, der durch die verschiedenen Erdanschlusswiderstände wie im TN-System begrenzt wird. Schutz durch Leistungsschalter Für den in Abbildung F18 dargestellten Fall müssen die Einstellungen für das unverzögerte und kurzzeitverzögerte Überstromauslösesystem gewählt werden. Die hier empfohlenen Zeiten können eingehalten werden. Der Kurzschlussschutz durch den Leistungsschalter NSX160 ist für die Beseitigung eines Außenleiterschlusses auf der Verbraucherseite der betreffenden Stromkreise geeignet. Abb. F18: Leistungsschalterauslösung im Fall eines Doppelfehlers. Die berührbaren leitfähigen Teile sind mit einem gemeinsam geerdeten Schutzleiter verbunden. Zur Erinnerung: In einem IT-System werden zwei von einem Außenleiterschluss betroffene Stromkreise mit identischer Länge und identischen Leiterquerschnitten angenommen (der Querschnitt des PE-Leiters ist identisch mit den Querschnitten der Außenleiter). In so einem Fall ist die Impedanz der Stromkreisschleife bei Verwendung der „konventionellen Methode” (siehe Kapitel F, Abschnitt 6.2) doppelt so groß wie die, die für einen der Stromkreise im TNSystem berechnet wurde (siehe Kapitel F, Abschnitt 3.3). Der Widerstand der Stromkreisschleife errechnet sich aus: ,in mΩ wobei gilt: ρ: Widerstand eines Kupferstabes mit einer Länge von 1 m und einem Querschnitt von 1 mm2, in mΩ L: Stromkreislänge in m a: Leiterquerschnitt in mm2 FGHJ = 2 x 22,5 x 50/35 = 64,3 mΩ und der Schleifenwiderstand B, C, D, E, F, G, H, J beträgt 2 x 64,3 = 129 mΩ. Der Fehlerstrom beträgt daher . Schutz durch Sicherungen Der Strom Ia, bei dem das Auslösen der Sicherung innerhalb einer festgelegten Zeit (wie zuvor beschrieben) sichergestellt sein muss, kann Auslösekennlinien der Sicherungen entnommen werden (siehe Abbildung F15). Der notwendige Abschaltstrom der Schutzeinrichtung muss wesentlich kleiner sein, als die für den betreffenden Stromkreis berechneten maximalen Fehlerströme. Schutz durch Fehlerstrom-/Differenzstrom-Schutzeinrichtungen (RCCBs) Für niedrige Kurzschlussstromwerte sind Fehlerstrom-/Differenzstrom-Schutzschalter erforderlich. Der Schutz bei indirektem Berühren kann durch die Verwendung eines Fehlerstrom-/Differenzstrom-Schutzschalters für jedes Betriebsmittel gewährleistet werden. 2. Fall Betrifft Körper, die entweder einzeln (jedes Teil hat seinen eigenen Erdungsanschluss) oder gruppenweise (jede Gruppe hat einen Erdungsanschluss) geerdet sind. Sind nicht alle Körper mit einem gemeinsam geerdeten Schutzleiter verbunden, kann der zweite Körperschluss/Erdschluss möglicherweise in einer anderen Gruppe oder einem separat geerdeten einzelnen Betriebsmittel auftreten. Es ist, verglichen mit dem 1. Fall, ein zusätzlicher Schutz notwendig. Dieser wird durch ein Fehlerstromschutzgerät sichergestellt, das sich jeweils an dem Leistungsschalter befindet, der jede Gruppe oder jedes separat geerdete Gerät absichert. Der Grund für diesen zusätzlichen Schutz ist, dass die Erdungsanschlüsse der separaten Gruppen durch die Erde „verbunden” sind, so dass der Außenleiterschlussstrom beim Durchfluss durch die Erdverbindung durch die Erdungsanschlusswiderstände im Allgemeinen begrenzt wird, wodurch ein zuverlässiger Schutz durch Überstromschutzgeräte nicht mehr gewährleistet ist. Daher sind die empfindlicheren Schaltgeräte mit Fehlerstromschutz erforderlich, wobei deren Betriebsstrom den bei einem ersten Fehler auftretenden Strom überschreiten muss (siehe Abb. F19). Ableitkapazität (μF) Erster Fehlerstrom (A) 1 0,07 50 0,36 30 2,17 Hinweis: 1 μF ist die typische Ableitkapazität für ein 4-Leiter-Kabel mit einer Länge von 1 km. Abb. F19: Zusammenhang zwischen Ableitkapazität und Strom beim ersten Fehler Tritt ein zweiter Fehler innerhalb einer Gruppe mit gemeinsamem Erdungsanschluss auf, löst die Überstromschutzeinrichtung, wie zuvor für den 1. Fall beschrieben, aus. Hinweis 1: Siehe auch Kapitel G, Abschnitt 7.2: Schutz des Neutralleiters. Hinweis 2: In dreiphasigen Vierleiteranlagen wird der Überstromschutz im Neutralleiter manchmal durch Verwendung eines Ringstromwandlers über dem einadrigen Neutralleiter sichergestellt (siehe Abb. F20). Abb. F20: Anwendung von Schaltgeräten mit Fehlerstromschutz, wenn die berührbaren leitfähigen Teile im IT-Netz einzeln oder gruppenweise geerdet sind Anmerkung 1. ^ Der Ohmsche Fehlerstrom gegen Erde durch die nicht unendlich hochohmige Isolierung der Leiter wird in diesem Beispiel als vernachlässigbar betrachtet. 2. ^ a b Auf Grundlage der „konventionellen Methode”, die im ersten Beispiel im Abschnitt 3.3 erwähnt wird. Schutz sowohl gegen direktes als auch bei indirektem Berühren (ohne automatische Abschaltung der Stromversorgung) Schutz durch SELV oder PELV Schutz durch Kleinspannung (SELV) Der Schutz durch SELV wird an Einsatzorten mit hohem Risiko eingesetzt: Schwimmbäder, für Ausleuchtlampen und andere tragbare Geräte zur Benutzung im Freien usw. SELV wird eingesetzt, wenn der Betrieb elektrischer Anlagen und Betriebsmittel eine Gefahr darstellt (z.B. im Becken von Schwimmbädern). Diese Maßnahme besteht in der Versorgung mit sicherer Begrenzung der Spannung auf niedere Werte (maximal AC 50 V bzw. DC 120 V, im Wasser nur AC 12 V oder DC 25 V) durch Verwendung eines Sicherheitstransformators nach IEC 61558-2-6 (VDE 0570-2-6). Der Isolationspegel zwischen der Primär- und Sekundärwicklung ist sehr hoch, und/oder manchmal wird eine geerdete Schirmwicklung zwischen die Wicklungen eingefügt. Die Sekundärspannung überschreitet nie AC 50 V eff. Um einen angemessenen Schutz sowohl gegen indirektes als auch bei direktem Berühren zu gewährleisten, müssen drei Bedingungen eingehalten werden: Kein aktiver Leiter darf mit Schutzleiter oder Erde verbunden sein. Die Körper elektrischer Betriebsmittel dürfen weder mit Schutzleiter oder Erde verbunden noch mit Körpern anderer Spannungen verbunden sein. Leiter von Stromkreisen verschiedener Spannung müssen durch einen geerdeten Metallschirm oder eine geerdete metallene Umhüllung getrennt sein. Voraussetzungen für diese Maßnahmen: Mehradrige Kabel, Leitungen oder Leiterbündel dürfen Stromkreise verschiedener Spannungen enthalten, wenn die Leiter von SELV- und PELV-Stromkreisen einzeln oder gemeinsam mit einer Isolierung versehen sind, die für die höchste vorkommende Spannung bemessen ist. Steckvorrichtungen für das SELV-System dürfen über keinen Schutzkontakt verfügen. Für SELV-Stromkreise müssen spezielle Stecker und Buchsen verwendet werden, so dass ein unbeabsichtigtes Einstecken an ein anderes Spannungsniveau ausgeschlossen ist. Hinweis: Unter normalen Bedingungen beträgt die Schutzkleinspannung weniger als 25 V. Daher ist kein Schutz gegen direktes Berühren notwendig. Spezielle Anforderungen werden in Kapitel N, Abschnitt 3 „Empfehlungen für Räume und Anlage besonderer Art” erläutert. Schutz durch PELV (Funktionskleinspannung mit sicherer Trennung: Protection by Extra Low Voltage = PELV) (s. Abb. F21) Diese Maßnahme wird i. Allg. verwendet, wenn eine Kleinspannung benötigt oder aus Sicherheitsgründen bevorzugt wird, die sich von denen für die zuvor genannten Einsatzorte mit hohem Risiko unterscheidet. Die Ausführung ist der des SELV-Systems ähnlich, jedoch dürfen ein aktiver Leiter und/oder die Körper der elektrischen Betriebsmittel mit Erde oder Schutzleitern verbunden sein. In der Norm IEC 60364-4-41 (VDE 0100-410) ist die Bedeutung der PELV genau festgelegt. Der Schutz gegen direktes Berühren ist i. Allg. erforderlich, es sei denn, das Gerät befindet sich im Potentialausgleichsbereich, die Nennspannung liegt unter 25 V eff, das Gerät wird ausschließlich an normalerweise trockenen Einsatzorten benutzt und es wird keine Berührung mit dem menschlichen Körper erwartet. In allen anderen Fällen beträgt die maximal zulässige Spannung 6 V eff. Bis zu diesem Spannungswert ist kein Schutz gegen direktes Berühren gewährleistet. Abb. F21: NS-Versorgung durch einen Sicherheitstransformator Funktionskleinspannung ohne sichere Trennung (Functional Extra-Low Voltage = FELV) In Anlagen, in denen aus funktionalen Gründen eine Spannung von 50 V oder weniger verwendet wird, aber nicht alle Anforderungen für die Schutz- oder Funktionskleinspannung erfüllt sind, müssen entsprechende Maßnahmen getroffen werden (gemäß IEC 60364-4-41 (VDE 0100-410)), um den Schutz gegen direktes und indirektes Berühren zu gewährleisten, je nach Einsatzort und Verwendung der Stromkreise. Hinweis: Solche Bedingungen sind z.B. gegeben, wenn der Stromkreis Geräte enthält (z.B. Transformatoren, Relais, Fernschalter, Schütze), die hinsichtlich der Stromkreise mit höheren Spannungen nicht ausreichend isoliert sind. Schutz durch Schutztrennung (siehe Abb. F22) Die Schutztrennung eines einzelnen Stromkreises ist vorgesehen, um Gefahren beim Berühren von Körpern zu verhindern, die durch einen Fehler in der Basisisolierung des Stromkreises unter Spannung gesetzt werden können. Das Prinzip der Schutztrennung basiert auf folgenden Anforderungen. Die aktiven Leiter der Sekundärwicklung eines Trenntransformators müssen von Erde isoliert sein. Wird ein Leiter direkt berührt, fließt über die Innenkapazität dieses Leiters gegen Erde nur ein sehr kleiner Strom durch die berührende Person, durch die Erde und zurück zu einem anderen Leiter. Da die Leiterkapazität gegen Erde sehr klein ist, liegt der Strom i. Allg. unter der Wahrnehmbarkeitsschwelle. Mit Zunahme der Leitungslänge erhöht sich der Berührungsstrom allmählich bis zu einem Wert, bei dem es zu einem gefährlichen elektrischen Schlag kommen kann. Abb. F22: Sicherheitsversorgung durch einen Trenntransformator der Klasse II Obgleich kurze Leitungen die Gefahr durch den kapazitiven Strom ausschließen, kann es durch einen niedrigen Isolationswiderstand gegen Erde zu einer Gefährdung kommen, da der Stromweg dann, hervorgerufen durch den niedrigen Isolationswiderstand zwischen Leiter und Erde, über die berührende Person, durch die Erde und zurück zum anderen Leiter führt. Aus diesen Gründen sind relativ kurze, gut isolierte Leitungen bei Schutztrennung von grundlegender Bedeutung. Speziell für diesen Zweck entwickelte Trenntransformatoren verfügen über einen hohen Isolationspegel zwischen der Primär- und Sekundärwicklung oder eine entsprechende Schutzvorrichtung, wie z.B. einen geerdeten Schirm zwischen den Wicklungen. Der Transformatoraufbau entspricht der Schutzklasse II. Wie bereits erwähnt, erfordert die erfolgreiche Anwendung dieses Prinzips, dass: kein Leiter und kein Körper des Sekundärstromkreises mit Schutzleitern oder Erde verbunden ist, die Länge der Sekundärleiter begrenzt ist, um große Kapazitätswerte zu vermeiden [1], ein hoher Isolationswiderstand für die Leiter und Geräte eingehalten wird. Durch diese Bedingungen ist die Anwendung dieses Schutzes im Allgemeinen auf ein einzelnes Verbrauchsmittel beschränkt. Werden mehrere Verbraucher von einem Trenntransformator versorgt, sind zusätzlich folgende Anforderungen zu beachten: Die Körper der elektrischen Betriebsmittel müssen über einen ungeerdeten Schutzleiter miteinander verbunden werden. Die Steckvorrichtungen müssen über einen Schutzkontakt verfügen. Der Schutzkontakt wird in diesem Fall nur zur Verbindung aller Körper elektrischer Betriebsmittel/Verbrauchsmittel verwendet. Im Fall eines zweiten Fehlers muss eine automatische Abschaltung der Stromversorgung nach den gleichen Bedingungen wie beim TN-System erfüllt sein. Geräte der Schutzklasse II oder mit gleichwertiger Isolierung Symbol Schutzklasse II oder auch Schutzisolierung: Diese Geräte werden auch als „schutzisoliert” bezeichnet, denn Geräte der Schutz-klasse II beinhalten, außer der Basisisolierung, noch eine zusätzliche oder verstärkte Isolierung (siehe Abb. F23). Leitfähigen Teile und Körper von Geräten der Schutzklasse II dürfen nicht mit einem Schutzleiter verbunden sein: Bei den meisten tragbaren oder optional tragbaren Geräten, bestimmten Lampen und einigen Transformatorausführungen wird eine Schutzisolation von vornherein vorgesehen. Bei der Benutzung von Geräten der Schutzklasse II ist besondere Vorsicht geboten und es ist regelmäßig und häufig zu prüfen, ob der Klasse II-Standard gehalten wird (keine defekten Gehäuse usw.). Die Sicherheitsstandards von elektronischen Geräten, Radios und TV-Geräten entsprechen der Schutz-klasse II, sind aber nicht offiziell Geräte der Schutzklasse II. Zusätzliche Isolation in einer elektrischen Anlage: In IEC 60364-4-41, Abschnitt 413-2 (VDE 0100-410) werden die notwendigen Maßnahmen zum Erhalt der zusätzlichen Isolation während der Installation genauer beschrieben. Abb. F23: Prinzip der Schutzklasse II Ein einfaches Beispiel ist das Ziehen eines Kabels in ein PVC-Rohr. Ebenso werden Methoden für Verteilungen beschrieben. Für Schaltgerätekombinationen beschreibt IEC 61439-1 (VDE 0660-600-1) sowie die entsprechenden Produktteile einige Anforderungen für den „Schutz durch Schutzisolierung”, die der Schutzklasse II entspricht. Schutz durch Abstand oder Hindernisse Der Schutz durch Anordnen von gleichzeitig zugänglichen leitfähigen Teilen mit angemessenem Abstand oder von zusätzlichen Hindernissen erfordert einen nichtleitfähigen Untergrund und ist daher nicht einfach anwendbar. Durch diese Schutzmaßnahmen wird die Wahrscheinlichkeit der gleichzeitigen Berührung eines stromführenden, berührbaren leitfähigen Teils und eines außenliegenden leitfähigen Teils mit Erdpotential minimiert (siehe Abb. F24). Abb. F24: Schutz durch Abstand und nichtleitende Hindernisse In der Praxis kann diese Maßnahme nur an trockenen Einsatzorten und unter Berücksichtigung der folgenden Bedingungen angewendet werden: Zimmerfußboden und -wände müssen nichtleitend sein, d.h. der Widerstand gegen Erde an jedem beliebigen Punkt muss folgende Werte betragen: o > 50 kΩ (Anlagenspannung ≤ 500 V) o > 100 kΩ (500 V < Anlagenspannung ≤ 1000 V) Der Widerstand wird durch spezielle Messgeräte zwischen einer Elektrode auf dem Fußboden oder an der Wand und Erde (d.h. dem nächsten Schutz-Erdleiter) gemessen. Der Auflagedruck der Elektrode muss selbstverständlich bei allen Prüfungen gleich groß sein. Die verschiedenen Messgerätehersteller liefern Elektroden, die speziell auf deren eigene Produkte ausgelegt sind, daher muss darauf geachtet werden, dass immer die für das Messgerät vorgesehenen Elektroden verwendet werden. Die Geräte und Hindernisse müssen so angeordnet werden, dass die gleichzeitige Berührung von zwei berührbaren leitfähigen Teilen oder von einem berührbaren leitfähigen Teil und einem außenliegenden leitfähigen Teil durch eine einzige Person ausgeschlossen ist. In dem betreffenden Zimmer darf kein berührbarer Schutzleiter vorhanden sein. Die Zimmereingänge müssen so angeordnet sein, dass kein Risiko für eintretende Personen besteht, z.B. darf eine Person, die auf einem leitfähigen Untergrund außerhalb des Zimmers steht, nicht durch die Tür greifen können und dabei ein leitfähiges Teil berühren, wie z.B. einen Lichtschalter in einem industriellen Druckgussgehäuse. Erdfreier örtlicher Potentialausgleich (siehe Abb. F25) Ein erdfreier örtlicher Potentialausgleich wird in Verbindung mit speziellen Anlagen (z.B. Labors) eingesetzt und führt zu einigen Installationsschwierigkeiten. Abb. F25: Potentialausgleich aller berührbaren leitfähigen Teile, die gleichzeitig zugänglich sind Bei dieser Schutzmaßnahme sind alle berührbaren leitfähigen Teile, einschließlich des Fußbodens [2], durch entsprechend dimensionierte Leiter verbunden, so dass es zu keiner größeren Potentialdifferenz zwischen zwei Punkten kommen kann. Ein Isolationsfehler zwischen einem stromführenden Leiter und dem Metallgehäuse eines Gerätes hätte einen Spannungsanstieg in der gesamten Anlage auf die Spannung zwischen Außenleiter und Erde zur Folge, ein Fehlerstrom würde jedoch nicht fließen. Unter diesen Bedingungen wäre das Eintreten einer Person in diesen Bereich riskant (da sie/er einen stromführenden Fußboden betreten würde). Es müssen entsprechende Vorkehrungen getroffen werden, um das Personal vor dieser Gefahr zu schützen (z.B. nichtleitender Fußboden an Eingängen usw.). Desweiteren sind spezielle Schutzgeräte erforderlich, die Isolationsfehler auch bei nichtvorhandenem Fehlerstrom erfassen. Anmerkung 1. ^ In IEC 364-4-41 (VDE 0100-410) wird empfohlen, dass das Produkt aus Spannung (V) und Leitungslänge (m) nicht größer als 100.000 und die Leitungslänge nicht größer als 500 m ist. 2. ^ Außenliegende leitfähige Teile, die in den Potentialausgleichsbereich ein- oder austreten (wie z.B. Wasserleitungen usw.) müssen mit einer entsprechenden Isolationsumhüllung versehen sein und dürfen nicht in das Potentialausgleichsnetz integriert sein, da solche Teile mit den Schutz(Erd-)leitern an anderer Stelle der Anlage verbunden werden. Stand: Februar 2016 Quelle: Planungskompendium Energieverteilung Wiki
