6 HAUSHALTS-STROMKREISE

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1 6 HAUSHALTS-STROMKREISE 6.1 ELEKTRISCHE EERGIEVERTEILUG Kraftwerks- Generator G Trafo Trafo Trafo Haushalt Höchstspannungsnetz (220 kv) Hochspannungsnetz (110 kv) Mittelspannungsnetz (20 kv) iederspannungsnetz (400 V) Abb. 6-1 Abb. 6-1 zeigt das prinzipielle Schema der Energieübertragung vom Kraftwerksgenerator bis hin zum Hausanschluß. Dabei werden für die Überwindung der längsten Distanzen höchste Spannungsniveaus verwendet, die dann zur Feinverteilung auf niedrigere iveaus hinabtransformiert werden, bis hin zur 400 V - Spannungsverteilung (verkettete Spannung; s.u.) im unmittelbaren Siedlungsbereich. Die elektrische Energieübertragung über große Distanzen erfolgt auf möglichst hohem Spannungsniveau, um die Verluste in den Zuleitungen gering zu halten. Diese Aussage soll anhand folgender Abb. 6-2 veranschaulicht werden: R L U G I U L U P Abb. 6-2 Seite 6.1 (von 8)

2 Ausgangspunkt der Überlegungen ist als Verbraucher z.b. eine Trafostation mit einer bestimmten Leistungsaufnahme P, die als konstante Größe vorgegeben sei (z.b. 20 kw zur Versorgung einer Siedlung). U bezeichnet die etzspannung, mit welcher der Verbraucher gespeist werden soll. Die Formel für die vorgegebene Leistungsaufnahme des Verbrauchers lautet: P = I U Gl. 6-1 Der gesamte Leitungswiderstand der Hin- und Rückleitung ist durch R L symbolisiert und wird durch folgende allgemeine Formel berechnet: R L = ρ l A ρ... spezifischer Widerstand des Leitermaterials l... gesamte Leitungslänge A... Leitungsquerschnittsfläche Gl. 6-2 Die gesamte Verlustleistung P L der Leitung (Hin- und Rückleitung) ergibt sich zu: 2 2 ρ l PL = I U L = I R = I A Gl. 6-3 Durch Einsetzen der Gleichung Gl. 6-3 folgt für die Leitungsverluste P L : P L P l = ρ U A 2 Gl. 6-4 achdem der spezifische Widerstand ρ für ein bestimmtes Leitermaterial und die Leitungslänge l vorgegeben sind, kann eine Verringerung der Verlustleistung P L in der Leitung lediglich durch Erhöhung der Spannung U oder durch Erhöhung des Leitungsquerschnittes A erfolgen. Da einerseits der Erhöhung des Querschnittes A naturgemäß Grenzen gesetzt sind und andererseits durch die quadratische Abhängigkeit die Beeinflussung der Spannung größere Auswirkung auf eine Verringerung von P L besitzt, werden zur Energieübertragung über weite Distanzen hohe Spannungsniveaus verwendet. Anmerkung: Im Zuge einer Harmonisierung der Spannungsniveaus verschiedener Staaten wurde vor einigen Jahren das damalige iveau 220 V, bzw. 380 V auf das iveau 230 V, bzw. 400 V geändert. Seite 6.2 (von 8)

3 6.2 SCHUTZMASSAHME I ELEKTRISCHE ETZE FÜF SICHERHEITSREGEL Für das Arbeiten an elektrischen Anlagen sind folgende fünf Sicherheitsregeln in der angegebenen Reihenfolge unbedingt einzuhalten: 1. Allpolig und allseitig abschalten! 2. Gegen Wiedereinschalten sichern! 3. Auf Spannungsfreiheit prüfen! 4. Erden und Kurzschließen! 5. Benachbarte spannungsführende Teile abdecken und Gefahrenstellen eingrenzen! Vor dem Wiedereinschalten der Anlage ist sinngemäß in umgekehrter Reihenfolge vorzugehen! BERÜHRE SPAUGSFÜHREDER TEILE In der einführenden Sicherheitsbelehrung wurde erklärt, daß international genormt Spannungen über 50 V (Effektivwert) als gefährlich eingestuft werden, so daß deren Berühren unter allen Umständen verhindert werden muß. Prinzipiell gibt es zwei Möglichkeiten, mit spannungsführenden Teilen von elektrischen Verbrauchern in Berührung zu kommen. Direktes Berühren Damit wird das Berühren von betriebsmäßig unter Spannung stehenden Teilen verstanden, wie z.b. beim Öffnen des Gerätegehäuses zu Reparaturzwecken. Dieses Berühren setzt also ein Fehlverhalten des Bedieners voraus, indem die fünf Sicherheitsregeln für Arbeiten an elektrischen Anlagen nicht vollständig eingehalten wurden. Indirektes Berühren Dies bezeichnet das Berühren von betriebsmäßig nicht unter Spannung stehenden Anlagenteilen, wie z.b. das Metallgehäuse eines Heizstrahlers. Hier liegt also kein Bedienungsfehler vor, sondern es ist die Folge eines Isolationsfehlers zwischen inneren spannungsführenden Geräteteilen und dem außen zugänglichen Gehäuse. Seite 6.3 (von 8)

4 6.2.3 SCHUTZ VOR IDIREKTEM BERÜHRE Wenn auch jedes elektrische Gerät mit einer Isolation versehen ist, so muß doch davon ausgegangen werden, daß diese im Lauf der Zeit altert und schadhaft werden kann. Folglich sind zusätzliche Maßnahmen notwendig, um indirektes Berühren von spannungsführenden Geräteteilen zu verhindern, wobei man - abhängig vom verwendeten Gerätetyp - prinzipiell drei Schutzprinzipien unterscheidet. SCHUTZKLEISPAUG Geräte, die mit Spannungen bis maximal 42 V betrieben werden ( = Schutzkleinspannung ), benötigen keinen besonderen Berührungsschutz. Derartige Verbraucher finden für kleine Leistungen sowie bei besonderen Sicherheitsauflagen Anwendung (z.b. Klingel, Türöffner, Kinderspielzeug mit max. 24 V). Da die Leistung gleich ist dem Produkt aus Spannung und Strom, würden beim Betrieb eines Verbrauchers mit größerer Leistung (z.b. Heizstrahler) bei Verwendung einer derart kleinen Spannung große Ströme fließen. Dies würde größere Verluste erzeugen und höhere Leitungsquerschnitte erfordern, so daß deren Betrieb an kleiner Spannung nicht sinnvoll ist. Die Anschlußstecker dürfen keinesfalls in Steckdosen für höhere Spannung (z.b. 220 V - Steckdose) passen, um Beschädigungen des Geräts zu vermeiden! SCHUTZISOLIERUG Unterwerk (Drehstromtrafo) Haushalts-Stromkreis 230 V L1 Sicherungen Schuko-Steckdose ("Schutzkontakt") L 2 L 3 PE 400 V Verlängerungskabel Geräte- Anschlußkabel Basisisolierung (Betriebsisolierung) elektrischer Verbraucher Schutzisolierung Abb. 6-3 Seite 6.4 (von 8)

5 Geräte mit Schutzisolierung weisen zusätzlich zur Betriebsisolierung (Basisisolierung) eine zweite Isolierung auf, womit selbst bei der oben angeführten Möglichkeit einer schadhaften Betriebsisolierung weiterhin Berührungsschutz besteht (Abb. 6-3). Die Anschlußkabel dieser Geräte weisen keinen Schutzleiter (s.u.) auf und sind somit mit dem typischen, zweipoligen Flachstecker versehen. Da der Schutz durch die zusätzliche Isolierung erfolgt, darf kein Kabel mit Schutzleiter (s.u.) direkt an das Gerät angeschlossen werden. Die Anschlußkabel dieser Geräte bilden also eine untrennbare Einheit mit dem Gerät und können nicht vom Gerät abgesteckt werden. Dadurch wird gewährleistet, daß ein Kabel mit Schutzleiter (z.b. herkömmliches Verlängerungskabel, wie in Abb. 6-3 gezeigt) nicht direkt an das Gerät sondern lediglich an das geräte-eigene Anschlußkabel angeschlossen wird und der Schutzleiter (PE-Leiter; s.u.) nicht zum Gerät gelangt. Abb. 6-4: Symbol auf schutzisolierten Geräten Das Symbol in Abb. 6-4 gibt an, daß das betreffende Gerät schutzisoliert ist. SCHUTZLEITER Geräte mit elektrisch leitfähigem Gehäuse müssen über einen sogenannten Schutzleiter an die Versorgungsspannung angeschlossen werden. Dieser Schutzleiter stellt eine elektrisch leitende Verbindung zwischen Gehäuse und dem Mittelpunkt (ullpunkt) des speisenden Transformators dar. Der Schutzleiter wird auch als PE-Leiter bezeichnet ( Protection Earth ). Der Schutzleiter hat eine genormte, grün-gelb gestreifte Farbe und darf keinesfalls an spannungsführende Leitungen angeschlossen werden! Die Anschlußkabel weisen rundliche Schutzkontakt-Stecker ( Schuko -Stecker) auf, welche neben den zwei Betriebsleitungen für den Stromhinfluß und Stromrückfluß den Schutzleiterkontakt in doppelter Ausführung enthalten. Als Beispiel wird in den Abb. 6-5 und 6-6 ein einphasiger 230 V - Verbraucher betrachtet, für welchen die Spannung der angedeuteten 230 V - Steckdose durch Verbindung der Hausanschlußleitung mit Phase und Mittelpunkt im Unterwerk hergestellt wird (vgl. Kap dreiphasige Verbraucher). Vom Unterwerk ist die in Stern geschaltene Sekundärseite des speisenden Drehstromtransformators dargestellt. Bei Sternschaltung eines dreiphasigen Erzeugers oder Verbrauchers liegt zwischen zwei Außenleitern (Phasen) die verkettete Spannung (400 V für das Haushalts-Stromnetz) und zwischen einer Phase und dem Mittelpunkt (ullpunkt) die Phasenspannung ( = U verk / 3 = 230 V bei U verk = 400 V) an. Daraus ergeben sich die beiden in Haushalten verfügbaren Spannungsniveaus (230 V für einphasige Steckdosen und 400 V für Drehstromsteckdosen, z.b. Waschmaschine). Seite 6.5 (von 8)

6 FI-SCHUTZSCHALTER: Der FI-Schutzschalter, auch Fehlerstrom-Schutzschalter genannt (F... für Fehler, I... für Stromstärke), dient zur Differenzstrom-Überprüfung (vgl. Abb. 6-5, Abb. 6-6). Wenn I 1 gleich I 2 ist, dann bleibt der FI-Schalter inaktiv, wenn jedoch I 1 I 2 wird, dann ist dies auf jeden Fall ein Fehlerfall, da der Strom nicht mehr betriebsmäßig über den -Leiter zurückfließt, und der FI-Schalter löst aus, d.h. er unterbricht die Stromzufuhr zum Verbraucher (strichliert eingezeichneter Wirkpfeil am FI-Schalter in Abb. 6-5, Abb. 6-6). Der FI-Schalter ist im Haushalts-Verteilerkasten montiert und sollte monatlich einmal mit der Prüftaste ( = bewußte Auslösung mittels kleinem Prüf-Differenzstrom) auf Funktionsfähigkeit überprüft werden. FI-Schalter im ormalbetrieb: Unterwerk (Drehstromtrafo) 230 V L1 Haushalts-Stromkreis Sicherungen I 1 Schuko-Steckdose ("Schutzkontakt") L 2 L V FI-Schutzschalter I 2 elektrischer Verbraucher PE Abb. 6-5: ormalbetrieb: FI-Schalter löst nicht aus Im normalen Betriebsfall fließt der Strom von L 1 -Anschluß des Unterwerkes über den FI-Schalter, Verbraucher und wieder FI-Schalter zurück zum Mittelpunkt des speisenden Trafos. In diesem Fall ist die Größe des hinfließenden Stromes I 1 gleich jener des rückfließenden Stromes I 2, der FI-Schalter löst nicht aus und der Stromkreis bleibt aktiv. Seite 6.6 (von 8)

7 FI-Schalter im Fehlerfall: Unterwerk (Drehstromtrafo) Haushalts-Stromkreis 230 V L1 Sicherungen I 1 Schuko-Steckdose ("Schutzkontakt") L 2 L V FI-Schutzschalter I 2 elektrischer Verbraucher PE I F Abb. 6-6 : Fehlerbetrieb: FI-Schalter löst aus Wenn ein Isolationsfehler auftritt, so daß die innen im Verbraucher vorhandene Spannung an das äußere Gehäuse gelangt (in Abb. 6-6 symbolisch durch den Strompfeil dargestellt), dann fließt der eigentliche Rückstrom I 2 entweder teilweise oder vollständig über das Gehäuse und den Schutzleiter zum Mittelpunkt des Trafos zurück. Das Wirkungsprinzip des FI-Schalters hat zwei Vorteile: Die Spannung bleibt nicht am Gehäuse bestehen (was den Bediener bei Berührung gefährden würde), sondern sie wird durch den Stromfluß über den Schutzleiter sofort abgebaut. Der über den FI-Schalter rückfließende Strom I 2 ist nicht mehr gleich groß wie der hinfließende Strom I 1, sondern wesentlich kleiner, so daß der FI-Schalter sofort bei Erkennen der Ungleichheit auslöst und den Stromkreis unterbricht. Seite 6.7 (von 8)

8 6.2.4 ÜBERSTROM-SCHUTZEIRICHTUGE Während FI-Schalter als Fehlerstromschutz fungieren, wirken Sicherungen und Sicherungsautomaten als Überstromschutz. Die Überstrom-Schutzorgane sind in Abb. 6-3, 6-5, 6-6 vereinfacht mit Sicherungen bezeichnet, obwohl im Haushaltsbereich die früher verwendeten Schmelzsicherungen vielfach durch Sicherungsautomaten ersetzt wurde. LEITUGSSCHUTZSICHERUGE (Schmelzsicherungen): Die Sicherungspatrone aus Porzellan ist in ihrem zylindrischen Hohlraum mit trockenem Sand gefüllt, in welchem der stromführende Leiter als feiner Schmelzdraht verlegt ist. Wenn durch einen Fehler ein über dem ennstrom der Sicherung fließender Strom auftritt, dann schmilzt der feine Draht innerhalb der Sicherung durch und unterbricht somit den Stromfluß. Der umgebende Sand ist ein schlechter Wärmeleiter, um zu verhindern, daß sich der Schmelzdraht bei einem Überlaststrom abkühlt, noch bevor er abschmilzt und den Stromkreis unterbricht. LEITUGSSCHUTZSCHALTER (Sicherungsautomaten): Diese vereinigen ebenso wie die Sicherungsautomaten die zwei Funktionen Überlastschutz und Kurzschlußschutz in folgender Weise: Überlastschutz: Bei kleineren Überströmen unterbricht der Automat erst verzögert den Stromfluß, wenn diese Überströme länger andauern. Kurzschlußschutz: Bei einem großen Überstrom (z.b. Kurzschluß im angeschlossenen Gerät) löst der Automat sofort aus und unterbricht den Stromfluß. Der Vorteil der Sicherungsautomaten ist ihre Wieder-Einschaltbarkeit nach Behebung des Störfalles gegenüber dem notwendigen Sicherungstausch bei Schmelzsicherungen. Seite 6.8 (von 8)

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