E9/A7 Schutzmaßnahmen in elektrischen Anlagen nach DIN VDE 0100

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1 FAKULTÄT ELEKTROTECHNIK E9/A7 Schutzmaßnahmen in elektrischen Anlagen nach DIN VDE / Einleitung Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden Prof. Dr.-Ing. Ralf- Dieter Rogler Dipl.-Ing. K. Schellenberger 1.1 Ziel des Praktikums Das Praktikum "Schutzmaßnahmen in elektrischen Anlagen nach DIN VDE 0100" soll den Einblick in den Aufbau von Netzen der Energieversorgung und in die Wirkungsweise sowie die Prüfung der Funktion von Schutzmaßnahmen 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 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 Erdungssysteme (TN-System, TT-System) betrachtet werden. Es werden mehrere Schutzmaßnahmen (Erdung, Überstromschutz, Fehlerstromschutz) eingesetzt und deren Wirksamkeit beim Auftreten von Fehlern an den Leitungen und an einem Gerät der Schutzklasse I untersucht. Als Kriterium dient dabei die Sicherheit des Anwenders anhand der am Modellmenschen gemessenen Ströme und Spannungen.

2 2 Es soll untersucht werden, welche Maßnahmen in welchen Systemen am besten geeignet sind, auch beim Auftreten mehrere Fehler und unter ungünstigen Umgebungsbedingungen eine hohe Sicherheit zu gewährleisten. 1.4 Sicherheitsregeln Alle Prüfungen werden bei 230 V Netzspannung durchgeführt. Es dürfen nur berührungsgeschützte Messkabel verwendet werden. Vor dem Umstecken von Kabeln und Messgeräten muss die Spannung abgeschaltet werden. Ein Wiedereinschalten darf nur nach vorheriger Kontrolle der Schaltung erfolgen. Bei jedem Anzeichen einer Fehlfunktion muss sofort die Spannung abgeschaltet werden. 2. Verwendete Formelzeichen I a I F I K IN I N k R A R B R I R K R L R M R S R Ü R V S t U B U F U L U LN U N U 0 RCD LS Z S Abschaltstrom der Schutzeinrichtung Fehlerstrom, Strom über die Fehlerstelle Körperstrom, Strom über den Menschen Nennstrom Nennfehlerstrom Material- und umgebungsabhängiger Faktor für Schutzleiterquerschnitte Erdungswiderstand des Schutzleiters Widerstand der Betriebserdung Isolationswiderstand Körperschlusswiderstand Widerstand des Außenleiters Widerstand des Menschen (Körperwiderstand) Schleifenwiderstand Standortübergangswiderstand Widerstand des Verbrauchers Schutzleiterquerschnitt Ansprechzeit, Auslösezeit Berührungsspannung am Menschen Fehlerspannung (zwischen Körper des el. Betriebsmittels und Bezugserde) zulässige Berührungsspannung Leiter - Erde - Spannung Netzspannung Nennspannung Außenleiter gegen geerdeten Leiter Fehlerstromschutzschalter, FI-Schutzschalter; z.b. I N = 30 ma, Leitungsschutzschalter Impedanz der Fehlerschleife

3 3 3. Grundlagenwissen 3.1. Zusammenstellung von normgerechten Schutzmaßnahmen (Aus: Kiefer/ Schmolke; VDE 0100 und die Praxis; 15. Auflage; S 176) Bild 1: Schutzmaßnahmen nach DIN VDE Wichtige Begriffe Die erforderlichen Schutzmaßnahmen kann man definieren als: - Basisschutz, d.h. Isolierung als Schutz gegen direktes Berühren bei Normalbedingungen Für einen funktionierenden Basisschutz muss die Isolation zwischen gefährlich aktivem Leiter und berührbaren Teilen groß genug sein um unter Normalbedingungen einen unerwünschten Stromfluss zu verhindern. Da dies üblicherweise durch die verwendeten Betriebsmittel vorgegeben ist soll hier nicht näher darauf eingegangen werden. - Fehlerschutz, d.h. Schutz bei indirektem Berühren unter Einzelfehlerbedingungen Der Fehlerschutz erfolgt zumeist mittels automatischen Abschalteinrichtungen die auf zu hohe Ströme ansprechen, z.b. mit einer Leitungsschutzsicherung, in Verbindung mit einem System von Schutzleitern und der Erdungsanlage.

4 4 - Zusätzlicher Schutz, notwendig bei besonderen Umgebungsbedingungen Der Zusatzschutz erfolgt hauptsächlich mittels automatischen Abschalteinrichtungen die bereits auf kleine Ströme abseits der dafür vorgesehenen Leitungen reagieren, z.b. einem FI-Schutzschalter, in Verbindung mit einem System von Schutzleitern und der Erdungsanlage oder mittels zusätzlichem Potentialausgleich. Eine Schutzmaßnahme muss immer aus mindestens 2 Maßnahmen bestehen: - aus einer Kombination von Basisschutz und Fehlerschutz oder - aus einer zum Basisschutz zusätzlichen, doppelten oder verstärkten Schutzisolierung Der Begriff "Schutzleiter" bezeichnet elektrische Leiter, die hauptsächlich zum Zweck der Sicherheit eingebaut werden, z.b. als Schutz gegen elektrischen Schlag. - Der Schutzerdungsleiter, verbindet leitfähige Teile, z.b. den "Körper" (leitfähiges Gehäuse) eines elektrischen Betriebsmittels mit dessen Erdungsanschlusspunkt - Der Erdungsleiter ist die Verbindung (oder ein Teil davon) zwischen bestimmten Erdungspunkten des Netzes, der Anlage oder eines Betriebsmittels mit dem Erder. - Der Schutzpotentialausgleichsleiter dient der Verbindung leitfähiger Teile mit dem Haupterdungspunkt oder als zusätzlicher Schutzpotentialausgleich zwischen Geräten bzw. zu fremden leitfähigen Teilen. Erdungssystem: Dieses umfasst alle fest mit der Umgebung verbundenen Erdungsbauteile wie Fundamentund Tiefenerder. Der Erder muss bei allen Umgebungsbedingungen einen bestimmten möglichst geringen Widerstand aufweisen. Da der Erder sich außerhalb der elektrischen Anlage befindet liegt die Verantwortung dafür beim Netzbetreiber. (siehe IEC ) In der VDE werden folgende Systeme nach der Art der Erdverbindungen unterschieden (erster Buchstabe: Betriebserder, zweiter: Anlagenerder): - TN System: Schutzmaßnahme Terra /Nullung d.h. nur der mit dem Mittel- oder Neutralleiter des Versorgungssystems verbundene Null-Leiter (N) des Netzsystems (Betriebserder) wird direkt mit Erde verbunden. An diesen oder an einen davon abgezweigten PE-Leiter werden alle Körper (die "Anlage") angeschlossen (Nullung). Dieses System ist das am meisten verwendete. - TT-System: Schutzmaßnahme Terra /Terra" Alle Körper dieses Systems (die "Anlage") werden direkt an einen Erder angeschlossen. Der Null- oder Mittelleiter des Versorgungssystems (Betriebserder) wird an einer anderen Stelle separat geerdet. Dieses System wird z.b. bei Energieversorgern, für das öffentliche Niederspannungsnetz sowie in Frankreich und in Italien in Haushalten genutzt. - IT-System: Schutzmaßnahme Isolierte Stromversorgung Die wichtigste Voraussetzung ist die Stromversorgung über einen separaten Transformator oder über einen eigenen Generator. Der Sternpunkt des Stromerzeugers darf nur über eine ausreichend hohe Impedanz mit Erde verbunden werden. Das bewirkt, dass ein Einzelfehler nicht zu einem gefährlichen Zustand und damit zur Abschaltung führen muss. Alle Körper der Anlage werden miteinander und mit einem Erder verbunden Das System wird z.b. in bestimmten Bereichen von Krankenhäusern verwendet, in denen eine kurzfristige Abschaltung vermieden werden muss.

5 Dimensionierung der Schutzleiter Der Querschnitt eines Schutzleiters muss vor allem so dimensioniert werden, dass sich mit ihm im Falle eines Fehlers die vorgeschriebenen Abschaltzeiten erreichen lassen. System 120 V < U 0 < 230 V (I N < 32 A) 230 V < U 0 < 400 V (I N < 32 A) AC DC AC DC Sonstige TN 0,4 s 5 s 0,2 s 0,4 s 5 s TT 0,2 s 0,4 s 0,07 s 0,2 s 1 s TT (mit Schutz-Pot.- Ausgleich) 0,4 s 5 s 0,2 s 0,4 s 5 s Tabelle 1: Maximal zulässige Abschaltzeiten (nach VDE , Tabelle 41.1) U 0 Nennwechselspannung oder Nenngleichspannung Außenleiter gegen Erde Andererseits muss er allen thermischen und mechanischen Belastungen im zu erwartenden Fehlerfall bis zum Abschalten durch die Schutzeinrichtung standhalten. Zusätzlich muss er widerstandsfähig gegen mechanische Beschädigungen sein. Aus diesen Forderungen ergeben sich für verschiedene Anwendungsfälle verschiedenen Mindestquerschnitte, die auch abhängig vom verwendeten Material und den Umgebungsbedingungen sind. Der Mindestquerschnitt von Schutzleitern zur Gewährleistung der geforderten Abschaltzeiten lässt sich bei Zeiten unter 5s durch die folgende Formel berechnen: I F 2 * t k 2 * S 2 S Schutzleiterquerschnitt in mm 2 I F Effektivwert des zu erwartenden Fehlerstromes in A t Ansprechzeit der Schutzeinrichtung für die automatische Abschaltung in s k Material- und umgebungsabhängiger Faktor (VDE Anhang 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 mm 2 bei Aluminiumkabel und 4 mm 2 bei Kupfer bei ungeschützter Verlegung (weitere Werte und Bedingungen siehe VDE ).

6 6 Querschnitt der Außenleiter der Anlage Mindestquerschnitt des entsprechenden Schutzleiters (Faktor k 2; S P in mm 2 ) (Faktor k 1; S in mm 2 ) gleicher Werkstoff anderer Werkstoff S 16 S (k 1 / k 2) * S 16 S (k 1 / k 2) * 16 S 35 0,5 * S (k 1 / k 2) * 0,5 * S Tabelle 2: Schutzleiterquerschnitt in Abhängigkeit von Außenleitern (nach VDE ) 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-, Außen- oder Mittelleiters mit übernehmen. Diese dürfen nur in fest installierten elektrischen Anlagen verwendet werden und müssen entsprechend den zusätzlichen Aufgaben größer dimensioniert werden. Die VDE fordert in jedem Gebäude einen Schutzpotentialausgleich über die Haupterdungsschiene. An dieser müssen z.b. die folgenden leitfähigen Teile, sofern vorhanden, verbunden werden: metallene Rohrleitungen, metallene Heizungs- und Klimasysteme und metallene Teile der Gebäudekonstruktion. Der Schutzpotentialausgleichsleiter muss einen Mindestquerschnitt haben (6 mm 2 CU, 16 mm 2 AL, 50 mm 2 Stahl). Es besteht ebenfalls eine Abhängigkeit zum Querschnitt der Außenleiter und eine zum Querschnitt des Schutzerdungsleiters (siehe VDE ) Nach VDE ist ein zusätzlicher Schutzpotentialausgleich insbesondere dort vorzunehmen, wo durch die Umgebungsbedingungen ein erhöhtes Risiko vorliegt, die Bedingungen für die automatische Abschaltung (t A = 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 (Wasserleitungen, metallene Träger, Heizung) einbezogen werden. Allgemein gilt für den Widerstand des zusätzlichen Potentialausgleichsleiters: R < 50 V / I a I a Auslösestrom, der das Abschalten der Schutzeinrichtung bewirkt

7 Auslösekennlinien von Schutzeinrichtungen Moderne LS-Sicherungen vereinigen in sich zwei Funktionen. Die elektromagnetische Schnellauslösung löst z.b. bei Geräten der B-Charakteristik bei Strömen > 3*I N innerhalb von 10 ms aus. Die thermische Auslösung für Ströme zwischen 1,2 * I N und 3 * I N 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 I L fließt. (Bei der im Praktikum benutzten Geräteschutzsicherung ist ein Überstrom von etwa 10 I N für die Schnellauslösung nötig.) Bild 1: Auslösekennlinien von LS-Sicherungen: allgemeine Kennlinie / Praktikums-LS Im folgenden Bild wird deutlich, dass ein FI-Schutzschalter in der Lage ist, zu hohe Körperströme innerhalb von 40 ms abzuschalten und damit einen großen Teil des Gefährdungsbereiches abdeckt. Dabei ist die zulässige Herstellertoleranz eines FI- Schutzschalters (0,5...1,0* I N) zu beachten. 1: nicht wahrnehmbar 2: wahrnehmbar 3: Herzkammerflimmern möglich 4: tödliche Auswirkungen möglich Bild 2: Gefährdungskennlinie mit Auslösekennlinie eines FI-Schutzschalters

8 Schutzmaßnahmen im TN - System Die wichtigste Voraussetzung für die Funktion von Schutzmaßnahmen im TN-System ist die zuverlässige und wirksame Verbindung des Sternpunktes des Versorgungssystems und des Neutralleiters (N) mit der Erde (= Betriebserder) Wenn die Körper aller Geräte zu Schutzzwecken an die Weiterführung dieses Leiters (= PEN) angeschlossen werden, sprechen wir von einem TN-C-System ("combined"). Dieses ist das am häufigsten in älteren Bauten verwendete System. Es kommt mit sehr wenigen Kabeln aus. Oft wird bereits in der Steckdose PE und N zusammengeschlossen. Wenn vom Betriebserder ein extra PE-Leiter abgezweigt und im gesamten Netz mitgezogen wird, und an diesen alle Körper von Geräten und Anlagen angeschlossen werden, entsteht ein TN-S-System ("separated"). Wird der PE-Leiter erst im Verlauf des Netzes vom PEN-Leiter abgezweigt, entsteht ein TN-C-S-System. Um bei Erdschluss eines Außenleiters den Spannungsanstieg der anderen Leiter und des Schutzleiters gegen Erde zu begrenzen, darf der Gesamterdungswiderstand des Betriebserders einen bestimmten Wert nicht übersteigen. 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 und Stromkreisimpedanzen müssen die folgende Anforderung erfüllen: Z s * I a U o Z S... Impedanz der Fehlerschleife, bestehend aus: - der Stromquelle, - dem Außenleiter bis zum Fehlerort und - dem Schutzleiter zwischen Fehlerort und Stromquelle I a... Strom, der das automatische Abschalten innerhalb der vorgegebenen Zeit (siehe Tabelle 2) bewirkt; U 0... Nennspannung Außenleiter gegen Erde Wird diese Forderung nicht erfüllt, so muss ein zusätzlicher Schutzpotentialausgleich eingebaut werden, der das Bestehen bleiben einer zu hohen Berührungsspannung verhindert. Die Verwendung von Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen (RCD) in TN-Systemen ist nur bei TN-S-Systemen uneingeschränkt möglich. Der RCD dient immer nur als Zusatzschutz. Der Stromkreis muss zugleich durch eine Überstrom-Sicherung geschützt sein. Wenn in TN-C-S-Systemen ein RCD verwendet wird, so darf auf der Lastseite kein PEN- Leiter verwendet werden. Die Verbindung des Schutzleiters mit dem PEN-Leiter muss auf der Versorgungsseite des RCD hergestellt werden!

9 Schutzmaßnahmen im TT - System Die wichtigste Voraussetzung für die Funktion der Schutzmaßnahmen im TT-System ist einerseits die zuverlässige und wirksame Verbindung des Neutral- oder Mittelpunktes (Sternpunkt) des Versorgungssystems mit der Erde (Betriebserder) und andererseits der Anschluss aller Körper, die gemeinsam durch dieselbe Schutzeinrichtung geschützt werden, müssen durch Schutzleiter an einen anderen (gemeinsamen) Erder (Anlagenerder). Zwischen beiden Erdern befindet sich hierbei nur das vorhandene Erdreich. Dessen Leitfähigkeit ist stark abhängig von den jeweiligen Umgebungsbedingungen. In TT-Systemen sind im Allgemeinen Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen (RCD) zu verwenden. Dazu müssen die folgenden Bedingungen erfüllt sein: R A * I N U L R A... Summe der Widerstände des Erders und des Schutzleiters der Körper in (wenn nicht bekannt, darf er durch Zs ersetzt werden) I N... Bemessungsdifferenzstrom der Fehlerstrom-Schutzeinrichtung (RCD) in A U L... zulässige Berührungsspannung, d.h. 50 V Der Fehlerschutz (bei indirektem Berühren) ist in diesem Fall auch bei nicht vernachlässigbarer Fehlerimpedanz gegeben. Des Weiteren sind im TT - System Überstromschutzeinrichtungen zugelassen. Die Voraussetzung für deren Funktion ist, dass dauerhaft und zuverlässig ein geeigneter niedriger Wert von Zs sichergestellt werden kann. Zs ist hier die Impedanz der Fehlerschleife und besteht aus: - der Stromquelle - dem Außenleiter bis zum Fehlerort - dem Schutzleiter der Körper und dem Erdungsleiter - dem Anlagenerder und dem Erder der Stromquelle Die Berechnung kann analog der beim TN-System erfolgen.

10 10 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 Kurzschluss an der Position b (R K sei 100 Ω, R V sei 3000 Ω). Berechnen Sie die Berührungsspannung und den Körperstrom einmal für R Ü = 220 Ω und einmal für R Ü = 10 kω. Für die Berechnung können R B und R L vernachlässigt werden. 4.6 Erklären Sie die Funktion eines FI-Schutzschalters. 4.7 Was muss beim Anschluss eines RCD in einem TN-System beachtet werden? 5 Literatur /1/ DIN VDE (VDE ): ; (IEC :2005, modifiziert) Errichten von Niederspannungsanlagen Teil 4-41: Schutzmaßnahmen Schutz gegen elektrischen Schlag /2/ DIN VDE (VDE ): ; (IEC , modifiziert) Errichten von Niederspannungsanlagen Teil 6: Auswahl und Errichtung elektrischer Betriebsmittel Erdungsanlagen und Schutzleiter /3/ DIN VDE (VDE ): ; (IEC :2011) Errichten von Niederspannungsanlagen Teil 6: Prüfungen /4/ DIN VDE (VDE ): 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

11 11 6 VERSUCHSAUFGABEN Erforderliche Geräte-Grundausstattung: LH-Grundgerät "Netzversorgung" (wahlweise mit Vorhängeplatten z.b. TN-C, TT) LH-Grundgerät Verbraucher Glühlampe ( 15 W, mit Vorhängeplatten 2, 3, 4,) LH-Geräteplatte Modellmensch mit einem Körperwiderstand R M von 750 Ω optional LH-Geräteplatte FI-Schutzschalter (I N = 30 ma). Metrahit -Multimeter auf Trägerplatten. Schalttafelmessgeräte Allgemeine Regeln für die Inbetriebnahme jedes Teilversuchs: - Aufbau: Stromversorgung ausschalten. Grundschaltung des jeweiligen Netzsystems aufbauen Bei den Messgeräten vor dem Anstecken der Kabel den richtigen Messbereich einstellen - Inbetriebnahme: Körperschluss entfernen.ggf. ausgelöste FI- oder Leitungsschutzschalter zurücksetzen Hinweis: Am Leitungsschutzschalter steht in diesem Fall der schwarz-rote Taster ca. 1,5 cm heraus. Diesen sehr vorsichtig drücken, nach thermischer Auslösung muss er ggf. erst abkühlen! Nach Einschalten (Netzversorgung: grüner Schalter) anhand der angezeigten Messwerte (Netzspannung U N und Gesamtstrom I L1) die fehlerfreie Funktion der Schaltung prüfen -Testablauf: Die Körperschluss-Steckbrücken immer erst nach dem Einschalten stecken. Bei Anzeichen der thermischen Auslösung des Leitungsschutzschalters "LS" (leises Brummen) Test zügig beenden und sofort abschalten (sonst Überhitzung möglich). Allgemeine Hinweise für die Versuchsausführung: - Machen Sie sich zuerst mit dem jeweiligen Erdungssystem vertraut. - Überlegen Sie, welchen Weg sich der Strom bei einem Fehler im Verbraucher oder im Netzt suchen würde und ob das zu einer Gefährdung des Modellmenschens führen könnte. - Überprüfen Sie das mittels Messung von Berührungsspannung und Berührungsstrom - Notieren Sie die Messwerte in der jeweils ersten Tabelle. Markieren Sie alle für den Modellmenschen gefährlichen Einstellungen. Notieren Sie ebenfalls eventuelle Auslösungen des Leitungsschutzschalters und Fehlfunktionen des Verbrauchers (Lampe) - Versuchen Sie jetzt, mit zusätzlichen Schutzmaßnahmen (z.b. RCD, Potentialausgleich) die festgestellten Gefährdungen zu reduzieren. Zeichnen Sie ggf. den Anschluss von zusätzlichen Schutzmaßnahmen in Ihre Schaltung ein. Testen Sie ob die Maßnahme erfolgreich war. Notieren Sie diese Messwerte in der jeweils zweiten Tabelle. - Markieren Sie, unter welchen Bedingungen in dem jeweils betrachteten System Gefährdungen bestehen bleiben.

12 12 Aufgabe 6.1: TN-S-System - Erforderliche Geräte-Zusatzausstattung: Netz-Vorhängeplatte TN-S-System Verbraucher-Vorsatzplatte 2 Bauen Sie ein TN-S-Modellnetz auf. Es sei kein FI-Schutzschalter vorhanden, verbinden Sie also das Netz direkt mit dem Verbraucher. Verbinden Sie die Hand des Modellmenschens mit dem Körper (d.h. dem Gehäuse) des Gerätes der Schutzklasse 1. Kontrollieren Sie ob alle Erden ( Erdreich, schraffiert gekennzeichnet) miteinander verbunden sind. Wählen Sie als Betriebserder- Widerstand R B = Ω. Der Übergangswiderstand zwischen Modellmensch und Erdreich (R Ü) betrage 220 Ω (entspricht gut leitfähigem Untergrund). Kontrollieren Sie ob alle Verbindungsbrücken gesteckt sind. Schließen Sie je ein Schalttafel-Messgerät zu Überprüfung der Netzspannung U N und des Gesamtstromes I L1 an. Schließen Sie weitere Messgeräte (Multimeter) zur Messung der Berührungsspannung U B und des Körperstromes I K an. Achten Sie an allen Messgeräten auf die Auswahl des richtigen Messbereiches und auf die richtigen Anschlussbuchsen. Überprüfen Sie Ihre Schaltung anhand des Schaltplanes (zuerst ohne RCD). Nehmen Sie nun die Anlage nach obenstehenden Allgemeinen Regeln in Betrieb. Testen Sie die Schaltung bei verschiedenen Kombinationen von Fehlern und R Ü s. ("L1 -x- N" bedeutet: Zuleitungen zum Verbraucher vertauscht) Tragen Sie die Messwerte sowie ggf. die Auslösung der LS-Sicherung in die Tabelle ein. Netz Unterbrechung Fehler Einstellungen Auswirkungen Gerät Körperschluss a (0,2 Ω) b (0 Ω) 220 c (N) c (N) a (0,2 Ω) 220 c (N) b (0 Ω) 220 d (PE) d (PE) a (0,2 Ω) 220 d (PE) b (0 Ω) 220 d (PE) b (0 Ω) 10 L1 -x- N L1 -x- N a (0,2 Ω) 220 L1 -x- N b (0 Ω) 220 RB (Ω) RÜ (Ω) UB (V) IK (ma) Tabelle 6.1 a: Messwerte eines TN-S-Systems ohne RCD Sicherung (LS) ausgelöst? Lampe

13 13 Bild 6.1: Schaltung für Körperschlüsse und Leitungsunterbrechungen im TN-S-System Bewerten Sie anhand der aus der Norm bekannten Grenzwerte von U B und I K und der gemessenen Werte, ob und bei welcher Einstellung eine Gefahr für den Menschen besteht. Markieren Sie diese Ergebnisse, z.b. farbig. Schalten Sie jetzt den FI - Schutzschalter zusätzlich in den Stromkreis ein. Testen Sie, ob dieser in den gefährlichen Einstellungen auslöst. Netz Unterbrechung Fehler Einstellungen Auswirkungen Gerät Körperschluss RB (Ω) RÜ (Ω) UB (V) IK (ma) FI ausgelöst? Sicherung (LS) ausgelöst? Tabelle 6.1b: Messwerte im TN-S-System mit RCD Aufgabe 6.2: TN-C-System - Erforderliche Geräte-Zusatzausstattung: Netz-Vorsatzplatte TN-C-Netz Vorsatzplatte Verbraucher 3

14 14 Überprüfen Sie die Sicherheit dieses Netzes bei verschiedenen Einstellungen. Netz Unterbrechung Fehler Einstellungen Auswirkungen Gerät Körperschluss - - 4,7 220 RB (Ω) RÜ (Ω) UB (V) IK (ma) Sicherung (LS) ausgelöst? Lampe - a (0,2 Ω) 4, b (0 Ω) 4,7 220 c (PEN) - 4,7 220 c (PEN) b (0 Ω) 4,7 220 L1 -x- PEN - 4,7 220 L1 -x- PEN b (0 Ω) 4,7 220 Tabelle 6.2a: Messwerte für ein TN-C System ohne RCD Bild 6.2: Schaltung für ein TN - C - System Überlegen Sie, ob und wie hier ein FI-Schutzschalter eingesetzt werden könnte, um die Gefahr vom Menschen abzuwenden. Testen Sie das Ergebnis bei den besonders gefährlichen Einstellungen. Netz Unterbrechung Fehler Einstellungen Auswirkungen Gerät Körperschluss RB (Ω) RÜ (Ω) UB (V) IK (ma) FI ausgelöst? 4,7 Sicherung (LS) ausgelöst? 4,7 4,7 4,7 4,7 Tabelle 6.2b: Messwerte im TN-C System mit RCD

15 15 Aufgabe 6.3 : TN-C-S - System - Erforderliche Geräte-Zusatzausstattung: Netz-Vorsatzplatte TN-C-S-Netz Gerät Verbraucher 6 (mit Glühlampe 25 W) ohne Vorsatzplatte Netz Unterbrechung Fehler Einstellungen Auswirkungen Gerät Körperschluss RB (Ω) RA (Ω) RÜ (Ω) UB (V) IK (ma) Sicherung (LS) ausgelöst? Lampe - b (0 Ω) c (N) a (0,2 Ω) d (PE) b (0 Ω) e (PEN) e (PEN) b (0 Ω) Tabelle 6.3a: Messwerte für Aufgabe 6.8 (TN-C-S-System ohne RCD) Bild 6.3: (Körperschlüsse und Leitungsunterbrechungen im TN - C - S - System) Schalten Sie jetzt den FI - Schutzschalter zusätzlich in den Stromkreis ein. Kontrollieren Sie ob der FI-Schutzschalter bei gefährlichen Einstellungen abschaltet. Netz Unterbrechung Fehler Einstellungen Auswirkungen Gerät Körperschl. RB (Ω) RA (Ω) RÜ (Ω) UB (V) IK (ma) FI ausgel.? Sicherung (LS) ausgel? Tabelle 6.3b: Messwerte für Aufgabe 6.8 (TN-C-S-System mit RCD)

16 16 Aufgabe 6.4: TT-Netz - Erforderliche Geräte-Zusatzausstattung: Netz-Vorhängeplatte TT-System, Verbraucher mit Vorsatzplatte 4 Netz Unterbrechung Fehler Einstellungen Auswirkungen Gerät Körperschluss RB (Ω) RA (Ω) RÜ (Ω) UB (V) IK (ma) ISL - - 4, a (0,2Ω) 4, b (100 Ω) 4, b (100 Ω) 4, c (N) - 4, c (N) a (0,2 Ω) 4, c (N) b (100 Ω) 4, d (an R A) - 4, d (an R A) b (100 Ω) 4, Tabelle 6.4a: Messwerte TT-System Sicherung (LS) ausgelöst? Bild 6.4: Schaltung TT-Netz Netz Unterbrechung Fehler Einstellungen Auswirkungen Gerät Körperschluss RB (Ω) RA (Ω) RÜ (Ω) UB (V) IK (ma) FI ausgelöst 4,7 4,7 4,7 4,7 Sicherung (LS) ausgelöst? Tabelle 6.4b: Messwerte für das TT-System mit RCD

17 17 Aufgabe 6.5 : Überprüfung der Bemessung des Schutzerders im TT-System - Erforderliche Geräte-Zusatzausstattung: LD-Platte Sonde zur Simulation einer Referenz-Erdungssonde Schutzmaßnahme-Prüfgerät PG 0100 N zur Feststellung von R A Bei diesem Test soll der wirksame Erdungswiderstand des Anlagenerders (R A) gemessen werden. Entfernen Sie die Verbindung zum Modellmenschen und alle Gerätefehler, da diese die Messwerte verfälschen könnten. Ergänzen Sie die Schaltung mit der LH-Platte Sonde. Stecken Sie Brücken bei R B : 4,7. und bei R A : 1 k. Messen Sie den Erdungswiderstand des Anlagenerders mit dem Messgerät PG Wählen Sie einen passenden Messbereich für den Erdungswiderstand R E. Nutzen Sie ggf. die ausliegende Gerätebeschreibung. Überprüfen Sie die Einhaltung der zulässigen Berührungsspannung nach der Bedingung für TT-Netze: R A * I a U L Tragen Sie Ihre Ergebnisse in die Tabelle 6.3 ein und bewerten Sie diese. Grenzwert UL in V Nennwert I N in ma Istwert Ia in ma Messwert RA in berechnet: UB in V Bedingung erfüllt Ja / nein Tabelle 6.5: Überprüfung der Einhaltung der zulässigen Berührungsspannung Aufgabe 6.6: Testmöglichkeiten an einem Fehlerstrom-Schutzschalter Es gibt mehrere Möglichkeiten einen FI-Schutzschalter zu testen. Führen Sie nacheinander drei verschiedene Tests durch. - Test 1: Funktionstest Schließen Sie den FI-Schutzschalter zwischen Stromversorgung und Verbraucher an. Führen Sie zuerst den haushaltsüblichen Test des FI - Schutzschalters durch. Tragen Sie das Testergebnis in die 1. Spalte der Tabelle 6.6 ein. Erklären Sie, was bei diesem Test im Schalter vorgeht. Welche Kennwerte muss dieser FI- Schutzschalter erfüllen? Welche Toleranzbereiche sind zulässig? - Test 2: Feststellung des genauen Auslösestromes des verwendeten Gerätes Erforderliche Geräte-Zusatzausstattung: LH-Platte FI-Auslösung zur Einstellung eines variablen Test-Fehlerstromes Positionieren Sie die Auslöseplatte in der Nähe des FI-Schutzschalters. Verbinden Sie die Platte Auslösung mit der Verbraucherseite der Platte FI- Schutzschalter. Schließen Sie ein Messgerät zur Bestimmung des Fehlerstromes (I F) an. Kontrollieren Sie Ihre Schaltung mit Hilfe des Bildes 6.6

18 18 Bild 6.6: 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 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 Test 1: Funktionstest Test 2: Auslösestrom in ma Test 3: Auslösezeit in ms benutztes Gerät FI-"Test"-Taster Stromregler / Multimeter PG 0100 N Ergebnis bzw. Messwert ggf. Sollwert ausgelöst? ma ms Bewertung Tabelle 6.6: Messergebnisse zum Test des Fehlerstromschutzschalters

19 19 7. Auswertung: Vergleichen Sie nochmals zusammenfassend alle hier betrachteten Systeme: Kriterium TN-S Netz TN-C-Netz TN-C-S-Netz TT-Netz Installationsaufwand Wartungsaufwand Fehlermöglichkeiten erreichbarer Schutz