Laborpraktikum SE 2015 Grundlagen der Elektrotechnik II

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1 BERUFSAKADEMIE SACHSEN Staatliche Studienakademie Leipzig Laborpraktikum SE 2015 Grundlagen der Elektrotechnik II Studiengang Service Engineering 2. Semester Prof. Dr. rer. nat. S. Schneider Dipl.-Ing. (FH) M. Bach Laborversuch Schutzmaßnahmen in elektrischen Anlagen Versuchsdauer: 180 min Versuchsstand Energieversorgungssysteme - Schutzmaßnahmen der Fa. ELABO TrainingsSysteme Aus- und Weiterbildung GmbH, Kinding [1]

2 Inhaltsverzeichnis 1. Sicherheitshinweise Einführung Versuchsvorbereitung Netzsysteme Schutz gegen elektrischen Schlag Besichtigen Versuchsdurchführung Inbetriebnahme des Versuchsstandes Prüfung der Durchgängigkeit der Leiter Messung des Isolationswiderstandes Messung der Schleifenimpedanz Z S Prüfung von Fehlerstromschutzschaltern / RCD Prüfung von selektiven Fehlerstromschutzschaltern / RCD Messung des Erdungswiderstands Prüfung der Phasenfolge und Ermittlung des Drehfeldes Funktionsprüfungen Versuchsauswertung Versuchsziele - Kennenlernen der elektrischen Energieverteilung öffentlicher Netzbetreiber einschließlich der Netzspannungsebenen - Vermittlung der Begriffe Hausanschluss (HA), Zähler und Stromkreisverteiler, Verdrahtung mit Leitungsart, Querschnitt und Leiterfarben, Anschluss von selektiven Hauptschaltern sowie Aufbau von Hauptverteilsystemen, - Vermittlung der Begriffe Verteilungsnetz, Verbraucheranlage, Außenleiter, Neutralleiter, Schutzleiter, aktive Teile, Körper, Basisisolierung, Schutzisolierung, Handbereich, Schutzpotentialausgleich, Schleifenimpedanz, Berührungsspannung und Ableitstrom - Vermittlung der gefährlichen Stromgrößen in Abhängigkeit von Einwirkzeit und Stromart, festgelegte maximal zulässige Berührungsspannungen und Abschaltzeiten - Kennenlernen der Schutzmaßnahmen gegen elektrischen Schlag - Kennenlernen der Funktion und des Abschaltverhaltens der Schutzeinrichtungen Fehlerstromschutzeinrichtung (RCD), Schmelzsicherung, Leitungsschutzschalter - Kennenlernen der Wirkungsweise von TN-, TT-, IT-System inkl. möglicher Netzfehler, bestimmungsgemäßer Maßnahmen - Prüfung der Schutzmaßnahmen in TN- und TT-System mittels Isolations-, Durchgangs-, Schleifen- und Erdungswiderstandsmessungen, Fehlersimulation in Systemen mit RCD 2

3 1. Sicherheitshinweise Die Arbeit am Versuchsstand darf nur unter Aufsicht des Praktikumsbetreuers / der Praktikumsbetreuerin erfolgen. Beachten Sie beim Aufbau und bei der Erprobung der Geräte alle erforderlichen Sicherheitsbestimmungen, die Laborordnung und die erforderlichen Schutzmaßnahmen! Verdrahten Sie den Laborversuch grundsätzlich im spannungslosen Zustand! Der Versuchsstand ist dazu mittels dem am Versuchsstand oben links befindlichen roten Austaster auszuschalten und die Spannungsfreiheit ist anschließend mittels eines zweipoligen Spannungsprüfers festzustellen! VORSICHT! Der Versuchsstand arbeitet mit Netzwechselspannung U AC = 230 V (engl. alternating current, Wechselstrom) sowie Dreiphasen-Wechselspannung U 3AC = 400 V (engl. three-phase alternating current, Dreiphasen-Wechselstrom, Drehstrom )! Die höchstzulässige Berührungsspannung für den Menschen beträgt U L, AC = 50 V bzw. U L, DC = 120 V (engl. direct current)! Darüber hinausgehende Spannungswerte sind als LEBENSGEFÄHRLICH anzusehen, d. h. ein Berühren spannungsführender Teile ist unter jeden Umständen zu vermeiden! Sollte es dennoch zu einer Berührung spannungsführender Teile gekommen sein, ist die Spannungsversorgung des Labores unverzüglich mittels NOT-AUS-Tasters zu unterbrechen und Erste-Hilfe-Maßnahmen einzuleiten! Nach einem Stromunfall besteht u. a. die Gefahr des Herzkammerflimmerns, d. h. eine lebensbedrohliche Herzrhythmusstörung. Verwenden Sie ausschließlich die zum Versuch gehörigen Sicherheitsmessleitungen und bereitgestellten Mess- und Prüfgeräte! Die Verdrahtung hat entsprechend der Versuchsanleitung bzw. den Vorgaben des Praktikumsbetreuers / der Praktikumsbetreuerin zu erfolgen. Eigene Schaltungsvarianten bzw. weitergehende Versuche sind zu unterlassen. Vor dem Zuschalten der Versorgungsspannung und nach jeder Änderung ist die Schaltung durch den Praktikumsbetreuer / die Praktikumsbetreuerin abnehmen zu lassen! 2. Einführung Die Anwendung elektrischer Energie in allen Bereichen des täglichen Lebens und der daraus resultierende selbstverständliche Umgang mit dieser Energie stellt hohe Anforderungen an die Sicherheit der elektrischen Anlagen. 3

4 Eine elektrische Anlage besteht aus dem Versorgungssystem und dem Schutzsystem. Das Versorgungssystem soll den Verbraucher mit elektrischer Energie versorgen. Das Schutzsystem soll die Sicherheit von Mensch und Tier gewährleisten [4]. Die Norm für das Errichten von Niederspannungsanlagen, d. h. Anlagen mit Nennspannungen bis 1000 V, DIN VDE 0100 hat folgenden Aufbau: Abb. 1: Überblick zum Aufbau der Norm DIN VDE 0100 Errichten von Niederspannungsanlagen [1] Die Schutzmaßnahmen in elektrischen Anlagen werden, wie in der folgenden Übersicht dargestellt, entsprechend der DIN VDE eingeteilt in: - Schutz gegen elektrischen Schlag unter normalen Bedingungen (Basisschutz) Schutz gegen direktes Berühren - Schutz gegen elektrischen Schlag unter Fehlerbedingungen (Fehlerschutz) Schutz bei indirektem Berühren - Schutz sowohl gegen direktes als auch bei indirektem Berühren Verwendung von Kleinspannung (engl. extra low voltage, ELV), im Einzelnen Schutzkleinspannung SELV (engl. safety extra low voltage), Funktionskleinspannung mit sicherer Trennung PELV (engl. protective extra low voltage), genannt 4

5 Abb. 2: Schutzmaßnahmen in elektrischen Anlagen [1] Die fünf Sicherheitsregeln sind vor Beginn von Arbeiten an elektrischen Anlagen zu Ihrer eigenen Sicherheit stets in der angegebenen Reihenfolge einzuhalten: 1. Freischalten, 2. Gegen Wiedereinschalten sichern, 3. Spannungsfreiheit feststellen, 4. Erden und Kurzschließen, 5. Benachbarte, unter Spannung stehende Teile abschranken! 5

6 3. Versuchsvorbereitung Die folgenden Abschnitte sollen Ihnen Hilfestellung bei der Vorbereitung und der Durchführung des Versuches geben. Die Original-Handbücher und -Dokumente stehen Ihnen außerdem am Arbeitsplatz zur Verfügung. Des Weiteren kann das interaktive Lernprogramm Elektrische Schutzmaßnahmen auf dem Laborlaptop genutzt werden! Inhalte des interaktiven Lernprogrammes [3]: Ortsnetz-/ Einspeisetransformator, Hausanschluss-Zählerverteiler, Erdungsanlagen, Begriffsdefinition nach VDE (z. B. Verteilungsnetz, Schutz- und PEN-Leiter, Potentialausgleich, Schleifenimpedanz, Berührungsspannung, Ableitstrom); Stromgefährdung, Gefährdungsdiagramm, Schutz gegen direktes Berühren (Vollschutz, Teilschutz); Schutz gegen direktes und bei indirektem Berühren (SELV, PELV); Schutz bei indirektem Berühren ohne PE (Schutzisolierung, Schutztrennung); Schutz bei indirektem Berühren mit PE (TN-System, TT-System, IT-System); Blitz- und Überspannungsschutz; Prüfungen und Messungen in elektrischen Anlagen nach VDE ; Geräteprüfung nach VDE 0701 und VDE Netzsysteme Die Netzsysteme werden mit Buchstaben nach Art ihrer Erdverbindung gekennzeichnet. Erster Buchstabe: Erdungsverhältnisse der speisenden Stromquelle T I direkte Erdung (von frz. terre, Erde) über Betriebserder R B Isolierung aller aktiven Leiter gegen Erde (von engl. isolation) Zweiter Buchstabe: Erdungsverhältnisse der Betriebsmittelkörper der elektrischen Anlage T N Betriebsmittel sind direkt geerdet oder mit einem gemeinsamen Erder für mehrere Betriebsmittel (Anlagenerder R A ) verbunden Betriebsmittel sind über den Schutzleiter bzw. PEN-Leiter mit dem am Sternpunkt des Netzes angeschlossenen Betriebserder R B verbunden Weitere Buchstaben: Anordnung von Neutralleiter (N, Leiterfarbe blau) und Schutzleiter (PE, engl. protective earth conductor, Leiterfarbe grün-gelb) C S der sogenannte PEN-Leiter (engl. protection earth neutral conductor, Leiterfarbe grün-gelb mit blauer Kennzeichnung an den Leiterenden) vereinigt die Neutralleiter- und Schutzleiterfunktion in einem Leiter, d. h. N- und PE-Leiter sind im PEN-Leiter kombiniert (engl. combined) N- und PE-Leiter sind getrennt verlegt (engl. separated) Beachten Sie auch die Kennzeichnung von Neutral- und Schutzleiter in der nachfolgenden Darstellung des IT-Systems (Abb. 3). 6

7 Studiengang Service Engineering Sternpunkt der Spannungsquelle Betriebsmittel (Verbraucher) Körper des Betriebsmittels Abb. 3: IT-System mit einem Verbraucher [1] Aufgabe 1: Vervollständigen Sie die nachfolgenden Prinzipschaltbilder zu dem in der jeweiligen Abbildungsunterschrift angegebenen Netzsystem! Abb. 4: TN-C-System mit einem Verbraucher [1] 7

8 Abb. 5: TN-C-S-System mit zwei Verbrauchern [1] Abb. 6: TN-S-System mit einem Verbraucher [1] 8

9 Abb. 7: TT-System mit einem Verbraucher [1] Der Hausanschluss besteht aus einem Erdkabel NYY, dass der Energieversorger vom öffentlichen Verteilungsnetz in das Gebäude verlegt. Dieses Kabel endet im Hausanschlusskasten. Der Hausanschlusskasten enthält drei Hausanschlusssicherungen (Niederspannungs-Hochleistungs-Sicherungen, NH), deren Größe der Energieversorger festlegt. Diese sind durch einen Laien nicht auswechselbar. Abb. 8: Erfordernis der Errichtung eines TN-S-Systems bei Neuinstallation der elektrischen Anlage eines Einfamilienhauses (EFH) bzw. Mehrfamilienhauses (MFH) [1] 9

10 3.2 Schutz gegen elektrischen Schlag Die Schutzmaßnahmen gegen elektrischen Schlag beinhalten eine geeignete Kombination von zwei unabhängigen Schutzvorkehrungen. Diese bestehen aus dem Basisschutz und einer Fehlerschutzvorkehrung, bzw. aus einer verstärkten Schutzvorkehrung, die den Basis- und den Fehlerschutz gewährleistet. Folgende Schutzmaßnahmen sind nach DIN VDE im Allgemeinen erlaubt: - Schutz durch automatische Abschaltung der Stromversorgung - Schutz durch doppelte oder verstärkte Isolierung - Schutz durch Schutztrennung - Schutz durch Kleinspannung SELV oder PELV Die Prüfung der Sicherheit elektrischer Anlagen nach DIN VDE und DIN VDE dient dem Nachweis der Wirksamkeit der Schutzmaßnahmen. Hierzu sind zahlreiche verschiedene Einzelprüfungen erforderlich. Aufgabe 2: In welchen Kategorien lässt sich der Prüfumfang im Allgemeinen unterteilen? Hinweis: Verwenden Sie das beigefügte Prüfprotokoll als Hilfestellung! und Messen 3. Protokollieren und Bewerten Abb. 9: Fehlerstromkreis [1] Aufgabe 3: Im Fehlerfall unterscheidet man verschiedene Fehlerarten und Größen. 10

11 Definieren Sie kurz unter Zuhilfenahme des Fehlerstromkreises (Abb. 9): Fehlerspannung UF: Berührungsspannung UB: Fehlerstrom IF: Erdschluss: Körperschluss: Leiterschluss: Kurzschluss: Aufgabe 4: Der Schutz durch automatische Abschaltung kann über folgende Schutzeinrichtungen erfolgen: - RCD-Schutzschalter - Grundlegende Voraussetzung für die Wirksamkeit dieser Schutzmaßnahmen ist, dass alle leitfähigen Gehäuse mit einem Schutzleiter verbunden sind! 3.3 Besichtigen Das Besichtigen ist ein wesentlicher Prüfschritt im Rahmen der Prüfungen zur Wirksamkeit der Schutzmaßnahmen elektrischer Anlagen und Betriebsmittel. Diese enorme Gewichtung wird dem Besichtigen in mehrerlei Hinsicht zuteil. Hierbei gilt es zu prüfen, dass die elektrischen Betriebsmittel der ortsfesten Anlage, - den Sicherheitsanforderungen der zutreffenden Betriebsmittelnormen entsprechen; - entsprechend den Normen der Reihe DIN VDE 0100 und den Angaben der Hersteller ausgewählt und errichtet worden sind; - ohne sichtbare, die Sicherheit beeinträchtigende Beschädigungen sind. Das Besichtigen verfolgt aber auch den Anspruch der Informationsgewinnung für die weiterführenden Prüfmaßnahmen. So sind im Rahmen der Besichtigung an Hand der Schutzmaßnahmen, die nachfolgenden Prüfschritte (im Bereich des Messens und Erprobens) zu bestimmen. Desweitern gilt es ganz klar festzustellen, dass dem Messen gewisse Grenzen gesetzt sind. Eine Vielzahl der bei Wiederholungsprüfungen auftretenden Fehler, können bereits in dieser frühen Phase der Prüfung erkannt werden. Zudem sind auch zahlreiche Fehler nur durch das Besichtigen zu entdecken. So wird z.b. ein nicht ordnungsgemäß ausgewähltes Überstromschutzorgan (zu groß gewählter Nennstrom) im Rahmen einer Messung nicht erkannt. 11

12 Darüber hinaus definiert sich das Ergebnis der Prüfung als die Gesamtheit aller beim Besichtigen, Messen und Erproben gesammelter Informationen. Beachten Sie hierzu auch die Angaben auf dem beigefügten Prüfprotokoll! 4. Versuchsdurchführung 4.1 Inbetriebnahme des Versuchsstandes Abb. 10: Übersicht des Versuchsaufbaues [1] Die Inbetriebnahme des Versuchsstandes erfolgt folgendermaßen: Einstellung des Betriebsartenschalters für alle Versuche: Schlüsselschalter (Abb. 11) in Position MESSEN (Schlüssel senkrecht) ein Umschalten in die Position Betrieb führt zum Auslösen des vorgelagerten Fehlerstromschutzschalters des Labores und ist unbedingt zu vermeiden! Abb. 11: Betriebsartenschalter [1] 12

13 Einstellung der Netzform entsprechend der Aufgabenstellung Bei gestecktem grün-gelbem Brückenstecker entsprechend Abb. 12 wird ein TN- System realisiert, mit entferntem Brückenstecker ein TT-System (Abb. 13) simuliert. Abb. 12: TN-System [1] Abb. 13: TT-System [1] Widerstandswert des Anlagenerders entsprechend der Aufgabenstellung mittels grauem Brückenstecker einstellen (rechtes, oberes Bild in Abb. 14) Abb. 14: Detailansicht einzelner Komponenten inkl. Überspannungsschutz Überspannungsschutzgeräte mit Ableiterüberwachung, engl. surge protective device, SPD, der Fa. DEHN + SÖHNE GmbH + Co. KG (erkennbar am roten Gehäuse) [4]: - Kombi-Ableiter Typ 1 + Typ 2 (Blitzstromableiter) mit RADAX-Flow- Funkenstrecken-Technologie für TT- und TN-S-Systeme zum Einsatz im Hauptstromversorgungssystem (Schaltungsvariante ''3+1'') -> Grobschutz, linke obere Abb. - Modularer Überspannungs-Ableiter Typ 2 für TT- und TN-S-Systeme (Schaltungsvariante "3+1") mit hohem Ableitvermögen durch leistungsfähige Zinkoxidvaristoren/Funkenstrecken -> Mittelschutz, rechte untere Abb. - Vierpoliger Überspannungs-Ableiter Typ 3 mit hohem Ableitvermögen durch leistungsfähige Zinkoxidvaristor-/Funkenstreckenkombination = Feinschutz, linke untere Abb. 13

14 Abb. 15: Detailansicht des Stromkreisverteilers mit Schaltgeräten [1] Seit August 2011 werden die Anforderungen an Zählerplätze in elektrischen Anlagen seitens der VDE-Anwendungsregel VDE-AR-N 4101 definiert. Hierdurch werden die technischen Mindestanforderungen festgelegt. Vormals wurden diese Anforderungen in den TAB der Verteilernetzbetreiber festgehalten. Zudem sind die Anforderungen an Zählerplätze aufgrund heutiger Anforderungen im Bereich Smart Metering gestiegen. Aufgabe 5: Nachfolgend ist der Aufbau des Zählerplatzes abgebildet. Benennen Sie die mit den Ziffern 1 bis 5 bezeichneten Anschlussräume im Verteilerschrank! Zur Auswahl stehen die Begriffe Hauptleitungsabzweigklemme ( ), selektive Hauptleitungsschutzschalter SLS ( ), elektronischer Haushaltszähler ehz ( ), Stromkreisverteiler ( ), Raum für Zusatzanwendungen ( ). Abb. 16: Zählerplatz [1] 14

15 4.2 Prüfung der Durchgängigkeit der Leiter Zentrale Bedeutung bezüglich des Schutzes gegen elektrischen Schlag, erhält der Schutzpotentialausgleich über die Haupterdungsschiene (HES). Um die Wirksamkeit des Schutzpotentialausgleiches zu verbessern, erfolgt eine Verbindung mit dem Fundamenterder über die Haupterdungsschiene. Im Rahmen der Prüfung der Wirksamkeit der Schutzmaßnahmen ist die niederohmige Verbindung von Schutzleitern und Schutzpotentialausgleichsleitern (PB, engl. protective bounding conductor) nachzuweisen. Um die Prüfung vorzubereiten, tragen Sie in der nachfolgenden Abbildung 17 die Ziffern der jeweiligen Verbindung ein. Abb. 17: Schutzpotentialausgleich über die Haupterdungsschiene [1] 1 = Heizungs- und Klimasysteme 2 = metallische Abwasserrohre 3 = Heizungsvorlauf und -rücklauf 4 = Verbindung zum PEN-Leiter im TN-System (Hausanschlusskasten, HAK) 5 = Gasinnenleitung 6 = Fundamenterder nach DIN = TK- / BK-Anlage 8 = metallische Wasserleitung Messung der niederohmigen Verbindung Die Normen geben an dieser Stelle zur Bewertung der Qualität der Verbindungen keine 15

16 Grenzwerte vor. Es erfolgt seitens der Normen der Hinweis, dass die Verbindungen niederohmig sein müssen. Leitungslänge, Querschnitt, Leiterwerkstoff und die Anzahl der Klemmstellen beeinflussen den Messwert der jeweiligen Verbindung. Richtwerte: Die nachfolgenden Werte werden in der Praxis als Hilfen zur Bewertung der Niederohmigkeit eingesetzt. Jedoch sind die jeweiligen Messungen durch die prüfende Elektrofachkraft zu bewerten! - Schutzleiter: < 1 Ω - Schutzpotentialausgleichsleiter: < 0,1 Ω ACHTUNG: Es dürfen nur Messgeräte nach DIN VDE 0413 eingesetzt werden, keine Multimeter! Der Prüfstrom beträgt nach den Bestimmungen 200 ma. Bei der Prüfung mit Gleichstrom ist die Polarität zu wechseln. Unterschiedliche Messwerte bei Polaritätsumkehr deuten auf Fehler hin. Leitungsmaterial für den Schutzpotentialausgleich: - H07V-U oder eine gleichwertige Leitung in Isolierrohr; - einadrige NYM- oder NYY-Mantelleitung bei offener Verlegung Leitungsquerschnitte: 6 mm² Cu oder 16 mm² Aluminium oder 50 mm² Stahl Messaufgabe 1: Führen Sie die nachfolgenden Messungen mit dem Prüfgerät DIN VDE 0100 PROFITEST 0100S II der Fa. Gossen Metrawatt durch. Notieren Sie die Messwerte in der folgenden Tabelle 1. Stellen Sie die Verbindung zwischen Zählerplatz und Stromkreisverteiler entsprechend Abb. 18 her. Hinweis: Widerstandswert des Anlagenerders: R A = 10 Ω Abb. 18: Versuchsschaltung zur Versorgung der Verbraucherstromkreise [1] 16

17 Hinweise zur Durchführung der Messung Niederohmige Widerstände können nur an spannungsfreien Objekten gemessen werden! Im TN-System ist die Verbindung zwischen N- und PE zu trennen, d. h. die blaue Brücke im oberen linken Feld ist zu entfernen, dies verhindert Fehlinterpretation beim etwaigen Vertauschen zwischen N und PE. Die Messpunkte für die TK-, BK-Anlage sowie der Rohrleitungen des Heizungssystems werden durch 4 mm-buchsen an den Komponenten des BST definiert. Die Rohrleitungen des Heizungsvor- und -rücklaufs sind durch einen Leiter untereinander verbunden. Aus Gründen der Sicherheit besteht keine direkte Verbindung zur Haupterdungsschiene am Versuchsstand. Tab. 1: Nachweis der Niederohmigkeit Messung Nachweis der Niederohmigkeit 1 Haupterdungsschiene Gasinnenleitung 2 Haupterdungsschiene Wasserleitung 3 Haupterdungsschiene Heizungsvorlauf 4 Haupterdungsschiene Heizungsrücklauf 5 Haupterdungsschiene Anschluss PE- Stromkreisverteiler (rechtes Feld, unt. Bu.) 6 Haupterdungsschiene TK- Anlage 7 Haupterdungsschiene BK- Anlage 8 Schutzleiterverbindung Leuchte 9 Schutzleiterverbindung Schutzkontaktsteckdose 10 Schutzleiterverbindung CEE-Steckdose R [Ω] Bewertung 4.3 Messung des Isolationswiderstandes Ein wichtiger Kennwert zur Bewertung der elektrischen Sicherheit ist der Isolationswiderstand der elektrischen Anlage. Schadhafte Isolationen können hierbei in Folge zu Unfällen oder elektrisch gezündeten Bränden führen. Der Isolationswiderstand wird zwischen allen aktiven Leitern und dem mit Erde verbundenen Leiter (PE) gemessen. Für die Messung des Isolationswiderstands ist die Anlage freizuschalten. Die Gesamtheit aller Verbindungen ist zu prüfen, Schutzorgane (z.b. RCD) müssen daher eingeschaltet werden. Hierzu sind spannungsabhängige Schaltvorrichtungen (z.b. Schütze; Relais; usw.) zu betätigen! Gegebenenfalls ist die Messung hinter diesen Vorrichtungen zu wiederholen. 17

18 Die Messung erfolgt bei Stromkreisen bis 500 V Nennspannung und bei FELV Stromkreisen mit einer Messspannung in Höhe von 500 V DC. Es müssen hierbei Maßnahmen getroffen werden, um zu verhindern, dass die Prüfspannung spannungsempfindliche Geräte wie elektronische Geräte z.b. Dimmer beschädigt. Aufgabe 6: Ergänzen Sie die fehlenden Maßnahmen unter Zuhilfenahme von Abb. 19! - Spannungsfreiheit herstellen, d.h Isolationswiderstand zwischen N-/PE-Leiter messen, d.h. Verbindung... - spannungsempfindliche Geräte schützen, d.h.... Abb. 19: Isolationswiderstandsmessung [1] Als Grenzwerte in elektrischen Anlagen sind folgende Werte einzuhalten: - bei der Erstprüfung bei Stromkreisen bis 500 V (nicht SELV, PELV): 1 MΩ; - bei der Wiederholungsprüfung bei Stromkreisen bis 1000 V und ohne Gebrauchsgeräte; 1000 Ω je V der Bemessungsspannung; - bei der Wiederholungsprüfung bei Stromkreisen bis 1000 V und mit eingeschalteten Gebrauchsgeräten: 300 Ω je V der Bemessungsspannung; - bei der Wiederholungsprüfung bei Stromkreisen bis 1000 V im Freien und ohne Gebrauchsgeräte: 500 Ω je V der Bemessungsspannung; - bei der Wiederholungsprüfung bei Stromkreisen bis 1000 V im Freien und mit eingeschalteten Gebrauchsgeräten: 150 Ω je V der Bemessungsspannung. Messung des Isolationswiderstands im Überblick - Anlage freischalten! - Im TN- System die Verbindung N PE auftrennen! (nur im spannungslosen Zustand) - Können alle aktiven Leiter erfasst werden? (Hinweis: Netzspannungsabhängige Schalteinrichtungen, z.b. Schütze beachten) 18

19 - Sind Überspannungsschutzeinrichtungen vorhanden? Wenn ja, sind die Ableiter abzutrennen! - Die Messspannung darf, falls die Ableiter nicht getrennt werden können, alternativ auf 250 V DC reduziert werden! - Empfindliche Verbraucher vorhanden? Gegebenenfalls aktive Leiter verbinden! - Sicherungen und RCD Schutzschalter schließen, um die Gesamtheit der Anlage zu erfassen! Anlage bleibt weiterhin spannungsfrei! - Messung durchführen! - Messung gegebenenfalls wiederholen, hierbei Schaltvorrichtungen beachten! - Ergebnisse dokumentieren und bewerten! - Anlage in Betrieb nehmen. Hinweise zur Vorbereitung der Messung - Überspannungsableiter vor der Messung abtrennen! - Hierzu Mittel- und Feinschutz (Typ 2 + 3) entfernen. Der Kombiableiter (Typ 1 und 2 in einem Ableiter kombiniert) im Sammelschienensystem hat keinerlei Einfluss auf das Ergebnis der Prüfung! - Brücken für N und PE abziehen! Diese führen sonst aufgrund der Netznachbildung und des elektronischen Haushaltszählers (ehz) zur Beeinflussung der Ergebnisse. 4.4 Messung der Schleifenimpedanz Z S Die Schleifenimpedanz Z S ist der im Fehlerfall wirksame Widerstand der Fehlerschleife, welche sich von der Fehlerstelle über den Außenleiter und Schutzleiter zurück zum Transformator ausbildet. Aus diesem, maßgeblich den Fehlerstrom begrenzenden Widerstandswert, ergibt sich der maximal mögliche Strom im Fehlerfall (Kurzschlussstrom). Um die Funktion der automatischen Abschaltung zu gewährleisten, ist eine Koordination aus Kurzschlussstrom und Schutzorgan nötig. Aufgabe 7: Markieren Sie im nachfolgenden TN-System (Abb. 20) den Fehlerstromkreis. Abb. 20: Fehlerstromkreis bei Körperschluss im TN-System [1] 19

20 Nach DIN VDE : gelten für die verschiedenen Netzsysteme und Stromkreisarten je nach Betriebsspannung U 0 die unterschiedlichen Abschaltzeiten: Tab. 2: Maximale Abschaltzeiten in den Netzsystemen [5] Netzsystem Endstromkreise mit I n 32 A und 50 V < U V AC Endstromkreise mit I n 32 A und 120 V < U V AC Endstromkreise mit I n 32 A und 230 V < U V AC Endstromkreise mit I n 32 A und U 0 > 400 V AC TN-System 0,8 s 0,4 s 0,2 s 0,1 s 5 s TT-System 0,3 s 0,2 s 0,07 s 0,04 s 1 s Endstromkreise mit I n > 32 A bzw. Verteilerstromkreise* * Verteilerstromkreise sind Stromkreise ohne direkt angeschlossene Verbraucher, ausgenommen davon sind Hauptstromversorgungssysteme nach DIN in doppelter und verstärkter Isolierung, Freileitungen und im Erdreich verlegte Kabel Aufgabe 8: Ermitteln Sie die Werte der jeweiligen Abschaltströme für die in den Verbraucherstromkreisen eingesetzten Schutzorgane unter Verwendung von Abb. 21! Abb. 21: Auslösecharakteristik von Leitungsschutzschaltern (LSS) [1] Messaufgabe 2a: Überprüfen Sie die Einhaltung der Abschaltbedingung für den Steckdosenstromkreis F2.2 im TN-System. Ermitteln Sie hierzu nachfolgend die Schleifenimpedanz Z S und zusätzlich die Netzimpedanz Z I. Hinweis: R A = 10 Ω 20

21 Tab. 3: Einhaltung der Abschaltbedingungen für den Steckdosenstromkreis (F2.2) Messgröße Durchführung Z [Ω] I K [A] Bewertung Z S Messung zwischen L und PE Z I Messung zwischen L und N verwendetes Messgerät: Gossen Metrawatt PROFITEST 0100S II Theoretische Berechnung des Schleifenwiderstandes Z s (Absicherung mit LSS B 13A): U 0 U0... Z S, theor. Z S, theor. Z S, theor. Z S,theor.... Ω I a U 0 Nennspannung (gegen PE), I a Abschaltstrom des Überstromschutzorgans Berechnen Sie den für eine sichere Abschaltung des Leitungsschutzschalters tatsächlich benötigten Wert des Kurzschlussstromes I k! Hinweis: Mit Sicherheitszuschlag ist der gemessene Wert Z S(M) ein Drittel kleiner als der errechnete Wert Z S. 2 U Z 0 0 S ( M ) Ik 3 Ia ZS ( M ) Messaufgabe 2b: Überprüfen Sie die Einhaltung der Abschaltbedingung im TN-System für - den CEE-Steckdosenstromkreis F2.1 - den Steckdosenstromkreis F2.2 - den Beleuchtungsstromkreis F2.3 Hinweis: Widerstandswert des Anlagenerders R A = 1 Ω Tab. 4: Einhaltung der Abschaltbedingungen für die Stromkreises F2.1, F2.2 und F2.3 U Stromkreis Z S [Ω] I K [A] I n [A] LSS I a [A] LSS Z S, theor. [Ω] F2.1 (L1) F2.1 (L2) F2.1 (L3) F2.2 (L2) B ,54 F2.3 (L3) Z S(M) [Ω] I K [A] normgerecht 4.5 Prüfung von Fehlerstromschutzschaltern / RCD Nach DIN VDE : ist für alle Endstromkreise im Außenbereich und bei Steckdosen bis zu einem Bemessungsstrom von 20 A, die für die Benutzung durch Laien oder für die allgemeine Verwendung bestimmt sind, ein RCD-Schutzschalter mit einem Bemessungsdifferenzstrom I N 30 ma für den zusätzlichen Schutz gefordert. Ein wesentlicher Unterschied bzw. Vorteil von Fehlerstromschutzschaltern (RCDs, engl. residual current protective device) im Vergleich zu Überstromschutzeinrichtungen sind die niedrigen Auslöseströme z. B. von 30 ma beim verwendeten RCD 25 A / 0,03 A. 21

22 Hinweise zur Vorbereitung der Messung - Betriebsarteneinstellung mittels Schlüsselschalter in Stellung MESSEN - Einstellung der Netzform TN-System, d.h. grün-gelber-brückenstecker eingesetzt; oder TT-System, d.h. grün-gelber-brückenstecker fehlt - Widerstandswert des Anlagenerders siehe nachfolgende Tab. 4 und 5 - Herstellen der Verbindung zwischen Zählerplatz, Fehlerstromschutzschalter RCD 40A I N 0,03A und Verbraucheranlage entsprechend Abb. 22 Abb. 22: Versuchsschaltung zur Prüfung von Fehlerstromschutzschaltern [1] Durch Erzeugung eines Fehlerstromes im jeweiligen Verbraucherstromkreis ist nachzuweisen, dass: 22

23 a) die für die Anlage vereinbarte Grenze der dauernd zulässigen Berührungsspannung U L nicht überschritten wird. b) die Fehlerstromschutzeinrichtung mindestens bei Erreichen ihres Nennfehlerstromes I N innerhalb der vorgeschriebenen Abschaltzeit auslöst. Messaufgabe 3: Führen Sie die nachfolgende Messreihe entsprechend dem vorstehenden Aufbauplan im TN- und TT-System jeweils an der CEE-Steckdose durch. Tab. 5: Prüfung von Fehlerstromschutzschaltern im TN-System (L1 / L2 / L3) Netzsystem TN-System TN-System Wid. Anlagenerder R A 10 Ω 1 kω RCD-Typ, I N Typ A, 30 ma Typ A, 30 ma Berührungsspannung U I N [V] Schleifenwiderstand R E [Ω] Abschaltzeit t a [ms] Berührungsspannung U I [V] Auslösestrom I [ma] Tab. 6: Prüfung von Fehlerstromschutzschaltern im TT-System (L1 / L2 / L3) Netzsystem TT-System Wid. Anlagenerder R A 10 Ω 47 Ω 100 Ω 470 Ω 1 kω 2,2 kω RCD-Typ, I N Typ A, 30 ma Berührungsspannung U I N [V] Schleifenwiderstand R E [Ω] Abschaltzeit t a [ms] Berührungsspannung U I [V] Auslösestrom I [ma] verwendetes Messgerät: Gossen Metrawatt PROFITEST 0100S II Auswertung: Welcher Zusammenhang besteht zwischen Fehlerspannung und Erdwiderstand, je nach Netzsystem? Beschreiben Sie Ihre Feststellungen in der durchgeführten Messreihe! 23

24 4.6 Prüfung von selektiven Fehlerstromschutzschaltern / RCD In elektrischen Anlagen kommen auch Fehlerstromschutzschalter mit selektivem Auslöseverhalten zum Einsatz. Selektivität besteht dann, wenn im Fehlerfall nur die der Fehlerstelle direkt vorgelagerte Schutzeinrichtung anspricht. Es werden somit nur Teilbereiche der Anlage abgeschaltet. Selektivität wird bei Fehlerstromschutzschaltern durch zeitliche Staffelung erreicht. Selektive RCD sind im Auslöseverhalten gegenüber normalen RCD zeitlich verzögert. Die Nichtauslösezeit beträgt hierbei 130 ms. Hinweise zur Vorbereitung der Messung - Betriebsarteneinstellung mittels Schlüsselschalter in Stellung MESSEN - Einstellung der Netzform TT-System, d.h. grün-gelber-brückenstecker fehlt - Widerstandswert des Anlagenerders veränderlich - Herstellen der Verbindung zwischen Zählerplatz und selektivem Fehlerstromschutzschalter RCD 40A I N 0,03A entsprechend Abb. 23 Abb. 23: Versuchsschaltung zur Prüfung von selektiven Fehlerstromschutzschaltern [1] 24

25 Tab. 7: Prüfung von selektiven Fehlerstromschutzschaltern (L1 / L2 / L3) Netzsystem TN-System TT-System TT-System TT-System Wid. Anlagenerder R A 10 Ω 10 Ω 47 Ω 100 Ω RCD-Typ, I N Typ A, sel. 300 ma Typ A, sel. 300 ma Typ A, sel. 300 ma Typ A, sel. 300 ma Berührungsspannung U I N [V] Schleifenwiderstand R E [Ω] Abschaltzeit t a [ms] Berührungsspannung U I [V] Auslösestrom I [ma] 4.7 Messung des Erdungswiderstands Der Erdungswiderstand beschreibt einen wichtigen Kennwert zur Bewertung der elektrischen Sicherheit. Die Relevanz des Erdungswiderstands wird durch die nachfolgenden Funktionen von Erdern bzw. Erdungsanlagen unterstrichen. - verbessert die Wirksamkeit des Schutzpotentialausgleichs - dient als Erder für RCD-Schutzschalter (TT-System) - für den Blitzschutz von Antennenanlagen nach DIN VDE als Erdung für eine Blitzschutzanlage nach DIN VDE zur Potentialsteuerung in landwirtschaftlichen Betriebsstätten (Ställen) Erdungsanlagen werden in Übereinstimmung mit den Normen und Vorschriften DIN sowie DIN VDE errichtet. In Gebäuden werden Erder in Form geschlossener Ringe in die Bodenplatte des Bauwerks eingebracht (Fundamenterder). Messaufgabe 4a: Messung mit R A = 470 Ω - Betriebsarteneinstellung mittels Schlüsselschalter in Stellung MESSEN - Einstellung der Netzform TT-System, d.h. grün-gelber-brückenstecker fehlt - Widerstandswert des Anlagenerders R A = 470 Ω - Herstellen der Verbindung zwischen Zählerplatz und Fehlerstromschutzschaltern verwendetes Messgerät: Gossen Metrawatt PROFITEST 0100S II Messaufgabe 4b: Messung mit R A = 470 Ω // 1 Ω - Betriebsarteneinstellung mittels Schlüsselschalter in Stellung MESSEN - Einstellung der Netzform TT-System, d.h. grün-gelber-brückenstecker fehlt - Widerstandswert des Anlagenerders R A = 470 Ω 1 Ω 25

26 - Herstellen der Verbindung zwischen Zählerplatz und Fehlerstromschutzschaltern verwendetes Messgerät: Gossen Metrawatt PROFITEST 0100S II 4.8 Prüfung der Phasenfolge und Ermittlung des Drehfeldes Nach den Bestimmungen für Erst- und Wiederholungsprüfungen ist an Drehstrom- Steckdosen die Einhaltung der Reihenfolge der Außenleiter (Rechtsdrehfeld) zu prüfen. Ein genereller Nachweis für mehrphasige Stromkreise, z.b. Verteiler oder Hausanschlusskästen, ist in den Bestimmungen der Reihe DIN VDE 0100 nicht gefordert. Die Prüfung ist mit geeigneten Prüfgeräten durchzuführen. Bearbeiten Sie zur Vorbereitung der Prüfung des Drehfelds die nachfolgende Aufgabenstellung! Aufgabe 9: Beschriften Sie die Abb. 24 mit den zugehörigen Leiterbezeichnungen! Abb. 24: Drehstrom-Steckdose 16A / 6h [1] Messaufgabe 5: Stellen Sie an der CEE-Steckdose F2.1 die nötigen Anschlüsse für die Messung des Drehfeldes her und notieren Sie sich die Spannungswerte in der folgenden Tab. 8! Tab. 8: Spannungsmessung an der CEE-Steckdose Messung zwischen U [V] Messung zwischen U [V] L1 L2 L2 PE L2 L3 L2 N L1 L3 L3 PE L1 N L3 N L1 PE PE N 26

27 Rechtsdrehfeld: ja / nein (Nichtzutreffendes bitte streichen!) verwendetes Messgerät: Gossen Metrawatt PROFITEST 0100S II 4.9 Funktionsprüfungen Zur Prüftätigkeit gehört auch eine abschließende Erprobung elementarer Funktionen. Schutzeinrichtungen müssen hierbei einer Funktionsprüfung unterzogen werden, um festzustellen, dass diese richtig montiert und eingestellt sind. Messaufgabe 6: Errichten Sie ein TT- System und entfernen Sie darüber hinaus den Brückenstecker zur Widerstandswerteinstellung des Anlagenerders. Prüfen Sie das Auslöseverhalten der beiden RCD 40A I N 0,3A selektiv sowie RCD 40A I N 0,03A durch Betätigen der Prüftaste! Ergebnis: 5. Versuchsauswertung Die relevanten DIN VDE Bestimmungen für Erst- und Wiederholungsprüfung fordern im Rahmen der Prüftätigkeit zur Bewertung der Schutzmaßnahmen elektrischen Anlagen die Erstellung einer Dokumentation. In Deutschland sind für diese Dokumentation Mindestinhalte definiert, welche als solches festzuhalten sind. In der Praxis bedeutet dies, eine fachgerechte Prüfung nach DIN VDE oder DIN VDE umfasst neben dem Besichtigen, Messen und Erproben auch die Erstellung der Prüfdokumentation. Für Erstprüfungen sind die Mindestinhalte eines Prüfberichtes in DIN VDE (Nationaler Anhang NB) festgelegt. 27

28 Abb. 25: Messwerte im Prüfprotokoll [1] 28

29 Abb. 26: Prüfprotokoll [1] Füllen Sie mit Hilfe Ihrer ermittelten Messwerte das Ihnen am Versuchstag ausgehändigte Prüfprotokoll aus! 29

30 Quellen: [1] Dokumentation der Praktikumsversuche des Building Systems Trainer Energieversorgungssysteme der ELABO TrainingsSysteme GmbH [2] bfe Oldenburg: Lernprogramm Elektrische Schutzmaßnahmen [3] (Aufrufdatum ) [4] Datenblätter zu Überspannungsschutzgeräten der Fa. DEHN + SÖHNE GmbH + Co. KG [5] Dümke, A.; Scheuermann, G.; Schleker, H.: Schutzmaßnahmen nach DIN VDE - Auszüge aus DIN VDE 0100 und DIN VDE Auflage, Köln: Bildungsverlag EINS GmbH,