Elektrische Sicherheit für Gleichstromsysteme (DC-Systeme)

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1 MIT SICHERHEIT SPANNUNG 1 Elektrische Sicherheit für Gleichstromsysteme (DC-Systeme) Niederspannungsgleichstromsysteme (LV-DC-Systeme) spielen bei immer mehr Anwendungen eine wichtige Rolle. Die zunehmende Bedeutung erneuerbarer Energien ist einer der Gründe. Photovoltaikanlagen erzeugen Gleichstrom, welcher in dezentralen Batterieanlagen gespeichert werden kann. Dazu gibt es eine Vielzahl von Verbrauchern, die sich energieeffizient mit Gleichstrom betreiben lassen, wie Elektround Bahnfahrzeuge oder Beleuchtungsanlagen. Maßgebend für die elektrische Sicherheit in der DC-Installation ist auch hier die Normenreihe DIN VDE 0100, wobei jedoch die spezifischen Anforderungen von DC-Systemen zu beachten sind. Schutz gegen elektrischen Schlag Grundsätzlich gilt für elektrische Anlagen die Forderung, dass der Schutz gegen elektrischen Schlag sichergestellt sein muss. Hauptursache für mögliche Gefährdungen durch elektrischen Strom sind beschädigte Isolierungen, z. B. durch Eindringen von Nägeln, Biegung oder Quetschung. Zudem können auch Umwelteinfl üsse, wie Hitze, Feuchtigkeit, Staub und im Außenbereich UV-Strahlungen, Nagetierverbiss, leitende Verschmutzungen und Kondensationswasser zu einem unerwünschten Strompfad führen, wobei dieser unterschiedliche Widerstandswerte annehmen kann. Ist dieser Pfad nahezu widerstandslos, spricht man häufi g auch von einem (satten) Erdschluss. Ist der Strompfad dagegen widerstandsbehaftet, wird er als Isolationsfehler bezeichnet. Dies gilt gleichermaßen für AC- und DC-Stromversorgungssysteme. Bei LV-DC- Systemen besteht zudem eine erhöhte Brandgefahr durch Isolationsfehler, die einen nichtverlöschenden Lichtbogen verursachen können. Normative Grundlagen Aus normativer Sicht sind nach DIN VDE (VDE ): zunächst auch für LV-DC-Systeme die aus dem AC-Bereich bekannten Netzformen TN-, TTund IT-Systeme anwendbar und damit auch die in DIN VDE (VDE ): beschriebenen Schutzmaßnahmen. Es ist jedoch zu beachten, dass

2 2 nach DIN VDE (VDE ): die zulässige Berührungsspannung U B DC 120 V (AC 50 V) beträgt und auch die erforderlichen Abschaltzeiten andere Werte haben (siehe Tabelle 1). Ausnahme bildet hier das IT-System, bei dem eine Abschaltung bei einem ersten Fehler nach Abschnitt nicht erforderlich ist. Erst bei einem zweiten Fehler an einem anderen aktiven Leiter sind Abschaltzeiten zu beachten. TABELLE 1: Maximale Abschaltzeiten nach DIN VDE (VDE ): System V V V AC DC AC DC AC DC AC 400 V DC TN 0,8 s *) 0,4 s 5 s 0,2 s 0,4 s 0,1 s 0,1 s TT 0,3 s *) 0,2 s 0,4 s 0,07 s 0,2 s 0,04 s 0,1 s IT nach keine Abschaltung bei 1. Fehler erforderlich, nur bei 2. Fehler *) Eine Abschaltung kann aus anderen Gründen als dem Schutz gegen elektrischen Schlag verlangt sein TABELLE 2: Schutz gegen elektrischen Schlag nach DIN VDE (VDE ): Schutz- und Überwachungseinrichtungen TN-System TT-System IT-System Isolationsüberwachungseinrichtungen (IMD) - - Erster Fehler melden Überstrom-Schutzeinrichtungen Erster Fehler Erster Fehler Zweiter Fehler abschalten abschalten abschalten Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen (RCD) Erster Fehler Erster Fehler *) Zweiter Fehler abschalten abschalten abschalten Einrichtungen zur Isolationsfehlersuche (IFLS) - - Erster Fehler lokalisieren Differenzstrom-Überwachungseinrichtungen (RCM), Erster Fehler Erster Fehler Zweiter Fehler ausgeführt als MRCD mit Schaltglied *2) abschalten abschalten abschalten Differenzstrom-Überwachungseinrichtungen (RCM) Keine zulässige Schutzeinrichtung, nur zur Meldung *) unter bestimmten Voraussetzungen, siehe DIN VDE Abschnitt *2) Schaltglied nach DIN EN

3 3 BILD 1: IT-DC-System nach Bild 31M1 DIN VDE (VDE ): BILD 2: IT-DC-System mit Mittelleiter nach Bild A.31M2 DIN VDE (VDE ): Schutzmaßnahme in geerdeten DC-Systemen Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen (RCD) In AC-Systemen sind Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen (RCD) eine bewährte Schutzeinrichtung, die millionenfach im Einsatz ist. Die z. Zt. nach der Normenreihe DIN VDE 0660 festgelegten Fehlerstrom- Schutzeinrichtungen (RCD Typ A, B etc.) sind jedoch nicht für DC-Systeme geeignet, da das integrierte Trennglied nicht für DC Lastströme geeignet ist. Zum anderen ist die Messtechnik im Typ B zur Erfassung von Gleichfehlerströmen spannungsabhängig, wobei die erforderliche Hilfsspannung aus dem AC-Netz entnommen wird. Für die Aufgabe einsetzbar sind die sogenannten MRCDs (Modular Residual Current Device). Diese bestehen aus einer getrennten Erfassungseinrichtung (RCM) bzw. einem Leistungsschalter und werden in industriellen Anwendungen eingesetzt. Hier könnten Differenzstrom-Überwachungsgeräte (RCM) bzw. entsprechende Leistungsschalter, die für DC-Anwendungen geeignet sind, verwendet werden.

4 4 Die DC-Schalter bzw. Trenneinrichtungen müssen deshalb besonderen Anforderungen genügen, da beim Öffnen des Kontaktes ein Lichtbogen entstehen kann. Dies führt zu Kontaktbrand, der die Lebensdauer eines Schaltgerätes verringert. Je höher der Laststrom und/oder die Spannung sind, desto energiereicher ist der Lichtbogen. Während bei Wechselspannung der Spannungs-Nulldurchgang den Lichtbogen auf natürliche Weise unterbricht, muss dieser bei Gleichstrom durch andere konstruktive Maßnahmen gelöscht werden, z. B. durch hohe Öffnungsgeschwindigkeit der Kontakte, ausreichend hoher Kontaktabstand, Kühlen des Plasmas und Beschleunigung des Lichtbogens in die Löschkammer, z. B. durch ein permanentes Magnetfeld. Ungeerdete Stromversorgungen (IT-System) mit Isolationsüberwachung Um DC-Systeme sicher zu betreiben, werden diese häufi g als ungeerdete Stromversorgung (IT-System) mit Isolationsüberwachung ausgeführt. Im Gegensatz zu einem geerdeten System (TN-, TT-System) besteht keine direkte Verbindung zwischen den aktiven Leitern und dem Schutzleiter (Erdungssystem). An dieser Stelle der Hinweis, auch ein ungeerdetes System (IT-System) verfügt nach Ab DIN VDE (VDE ):2007 über ein Erdungssystem, das den Anforderungen von DIN VDE (VDE ): entsprechen muss und somit identisch mit einem Erdungssystem für TN- bzw. TT-Systeme ist. Sind in einem IT-System die Körper gemeinsam verbunden und gemeinsam über dieselbe Erdungsanlage geerdet, gelten bei einem zweiten Fehler die Bedingungen vergleichbar zum TN-System. Sind die Körper gruppenweise oder einzeln geerdet sind, gelten die Anforderungen vergleichbar zum TT-System. Grundsätzlich bietet das IT-System zwei entscheidende Vorteile Bei einem ersten Fehler erfolgt keine Abschaltung Die mögliche Berührungsspannung liegt deutlich unter 50 V. Als zusätzlicher Vorteil der IT-Systeme bei DC- Anwendungen ist die verringerte Gefahr eines parallelen Lichtbogens zu sehen. In IT-Systemen wird der Isolationswiderstand während des Betriebes kontinuierlich durch Isolationsüberwachungsgeräte nach DIN EN überwacht und ein Alarm ausgelöst, wenn ein eingestellter Grenzwert unterschritten wird (nach DIN VDE (VDE ): Ab ). Moderne Isolationsüberwachungsgeräte (IMD = Insulation Monitoring Device) überwachen dabei den Isolationswiderstand des gesamten IT-Systems inklusive der angeschlossenen Verbraucher und erfassen dabei die Einzelisolationswiderstände als Parallelschaltung in der Summe. Zusätzlich zur Überwachung des gesamten Netzes kann der fehlerbehaftete Netzabschnitt über Isolationsfehler-Sucheinrichtungen (IFLS) nach DIN EN : angezeigt bzw. lokalisiert werden. Isolationsüberwachung und Isolationsfehlersuche erfolgen ohne Unterbrechung der Versorgung und beeinfl ussen Netzbetrieb und angeschlossene Verbraucher nicht.

5 5 Schadhafte Isolierung Isolationsfehler gegen Körper/PE widerstandsbehaftet Isolationsfehler gegen Körper/PE nahe widerstandslos Isolationsfehler Erdschluss IMD (Insulation Monitoring Device) Erdschlussrelais Aktives Messverfahren (nach IEC ) Passives Messverfahren (kein IMD im Sinne von IEC ) Getaktete Messspannung Messgleichspannung Unsymmetriemessung 3-Voltmeter- Methode Bild 3: Differenzierung Isolationsüberwachungsgerät/Erdschlussrelais Messverfahren Die Messverfahren für Isolationsüberwachungsgeräte bzw. Erdschlussrelais lassen sich in zwei Hauptgruppen unterteilen. Aktive Messverfahren (Isolationsüberwachungsgeräte, IMD) Passive Messverfahren (Erdschlussrelais). An dieser Stelle der Hinweis, das Isolationsüberwachung nicht mit Isolationsmessung gleichzusetzen ist. Während die Isolationsüberwachung kontinuierlich während des Betriebes erfolgt, wird eine Isolationsmessung als Momentaufnahme nur in bestimmten Abständen mit Hilfe eines Isolationsmessgerätes nach DIN VDE : durchgeführt. Die dazu genutzte Messgleichspannung liegt meist im Bereich von DC 500 V und höher. Passive Messverfahren Geräte die ein passives Messverfahren zur Ermittlung des Isolationswiderstandes einsetzen werden als Erdschlussrelais bezeichnet. Diese passiven Messverfahren haben den großen Nachteil, dass symmetrische Isolationsfehler nicht erkannt werden. Eine symmetrische Isolationsverschlechterung liegt dann vor, wenn sich der Isolationswiderstand aller Leiter des zu überwachenden Netzes (annähernd) gleichmäßig verringert. Dies kann natürlich unter bestimmten Umständen fatale Auswirkungen haben. Wenn z. B. durch einen symmetrischer Isolationsfehler eine brandgefährliche Erwärmung an der Fehlerstelle (Hot Spot) entstehen kann. Auf der anderen Seite reicht dieser Strom nicht aus, um eine Überstrom- Schutzeinrichtung zum Ansprechen zu bringen. Aufgrund dieses gravierenden Nachteiles sind nach DIN EN : Erdschlussrelais keine Überwachungs-einrichtung im Sinne dieser Norm und in Deutschland nach DIN VDE (VDE ): für IT-Systeme nicht einsetzbar.

6 6 Unsymmetrie-Messverfahren Das Unsymmetrie-Messverfahren basiert auf dem Prinzip einer Wheatstone`schen Messbrücke. Dabei bilden die beiden Isolationswiderstände R F+ und R F- einen Zweig dieser Brücke. Den anderen Zweig stellen die beiden Ankoppelwiderstände R 1 bzw. R 2 dar, mit denen diese Geräte an das Netz angekoppelt werden. Durch einen einpoligen Isolationsfehler von L+ oder L- gegen berührbare, leitfähige Teile die mit dem Schutzleiter verbunden sind, entsteht ein Strom IG bzw. Spannungsabfall an dem Brückenwiderstand R 3. Dieser Spannungsabfall lässt nun Rückschlüsse auf die Höhe des Isolationsfehlers zu. Sind in der Brückenschaltung die Isolationsfehler R F+ und R F- gleich (symmetrischer Isolationsfehler), fl ießt kein Strom über den Brückenwiderstand R 1. Dadurch werden auch keine symmetrischen Isolationsfehler erkannt. Zudem ist dieses Messverfahren abhängig von der vorhandenen Netzspannung. möglichst dekadischen Widerstand R i verwendet werden. Aus den gemessenen Spannungen kann ebenfalls der Isolationswiderstand mit folgenden Formeln ermittelt werden: Drei-Voltmeter-Methode Bei der 3-Voltmeter-Methode wird die Verlagerungsspannung zwischen Erde und den aktiven Leitern ausgewertet. Um ein möglichst exakten Wert zu bekommen, muss dabei ein Voltmeter mit Damit ergibt sich auch in diesem Fall eine Abhängigkeit von der vorhandenen Netzspannung. BILD 4: Prinzip Passives Erdschlussüberwachungsrelais mit kombinierter Unsymmetrie-Messung und 3-Voltmeter-Messung (Verlagerungsspannung).

7 7 BILD 5: Beispiel für einen symmetrischen Isolationsfehler in einem DC IT-System, der von einem passiven Erdschlussrelais mit Unsymmetrie-Messung (I G ) nicht erkannt wird (R F1 = R F2 ). Aktive Messverfahren Isolationsüberwachungsgeräte mit aktivem Messverfahren überlagern dem zu überwachenden System eine Messspannung. Kommt es zu einem ersten Fehler schließt sich der Messkreis und es fl ießt ein kleiner Messstrom I m. Dieser Messstrom ist dann proportional dem Isolationsfehler R F. Um z. B. den Einfl uss der vorhandenen Netzspannung U n oder hoher Netzableitkapazitäten C e zu eliminieren, wird üblicherweise eine getaktete Messspannung verwendet. Dieses Messprinzip erkennt auch symmetrische Isolationsfehler problemlos und ist zudem auch für hohe Netzableitkapazitäten geeignet. Aufgrund der Verwendung einer aktiven Messspannungsquelle sind diese Geräte unabhängig von der Netzspannung und können, bei Anschluss an eine Hilfsspannungsquelle, auch abgeschaltete Netze vollständig überwachen. BILD 6: DC IT-System mit aktivem Isolationsüberwachungsgerät ISOMETER

8 8 ZUSAMMENFASSUNG Um in Niederspannungsgleichstromsysteme (LV DC Systeme) einen normgerechten Schutz gegen elektrischen Schlag zu realisieren, sind IT-Systeme mit Isolationsüberwachungsgeräten nach DIN EN (VDE ): erste Wahl. Gerade in Anwendungen, bei denen ein Ausfall der Stromversorgung bei einem ersten Fehler vermieden werden muss, wie z. B. Rechenzentren, Bahnstromversorgungen etc. bietet das IT-System den deutlichen Vorteil einer höheren Verfügbarkeit. Zudem ist durch kleinste Berührungsspannungen ein hoher Schutz gegen elektrischen Schlag bei einem ersten Fehler gewährleistet. Bild 7: Isolationsüberwachungsgerät (ISOMETER ) mit einem aktiven Messverfahren (Werksfoto Bender Grünberg, AUTOR: Dipl.-Ing. Harald Sellner Leiter Normung Bender GmbH & Co.KG Grünberg Harald.Sellner@bender-de.com LITERATURHINWEISE: Wolfgang Hofheinz: VDE-Schriftenreihe Band 114, 3. Aufl age 2011 Schutztechnik mit Isolationsüberwachung DIN VDE (VDE ): Errichten von Niederspannungsanlagen, Teil 1: Allgemeine Grundsätze, Bestimmungen allgemeiner Merkmale, Begriffe DIN VDE (VDE ): Errichten von Niederspannungsanlagen - Teil 4-41: Schutzmaßnahmen - Schutz gegen elektrischen Schlag DIN VDE (VDE ): Errichten von Niederspannungsanlagen, Teil 530: Auswahl und Errichtung elektrischer Betriebsmittel Schalt- und Steuergeräte DIN VDE (VDE ): Errichten von Niederspannungsanlagen, Teil 5-54: Auswahl und Errichtung elektrischer Betriebsmittel Erdungsanlagen und Schutzleiter DIN EN (VDE ): Elektrische Sicherheit in Niederspannungsnetzen bis AC V und DC V Geräte zum Prüfen, Messen oder Überwachen von Schutzmaßnahmen; Teil 2: Isolationswiderstand DIN EN (VDE ): Elektrische Sicherheit in Niederspannungsnetzen bis AC V und DC V Geräte zum Prüfen, Messen oder Überwachen von Schutzmaßnahmen Teil 8: Isolationsüberwachungsgeräte für IT-Systeme DIN EN (VDE ): Elektrische Sicherheit in Niederspannungsnetzen bis AC V und DC V Geräte zum Prüfen, Messen oder Überwachen von Schutzmaßnahmen, Teil 9: Einrichtungen zur Isolationsfehlersuche in IT-Systemen DIN VDE (VDE ): Errichten von Niederspannungsanlagen, Teil 530: Auswahl und Errichtung elektrischer Betriebsmittel Schalt- und Steuergeräte ANMERKUNG: Die Normen sind über VDE ( bzw. über Beuth ( zu beziehen.