2.7.6 Fehlerschutz / Fault protection

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1 Abschaltug im T-System Die Eergieversorgug elektrischer Verbraucher erfolgt über verschiedee Verteilugssysteme. I Abb. 3 sid die verschiedee Systeme dargestellt. Das T-System wird i drei verschiedee Ausführuge (T-C, T-S ud T-C-S) betriebe. I Abb. 4 sid die Bedeutuge der Buchstabe für die Systeme aufgeführt. Trotz des uterschiedliche Aufbaus werde die eizele Sicherheitsaspekte wie Persoeschutz im Fehlerfall, Überlastschutz ud Kurzschlussschutz gewährleistet. Die automatische Abschaltug vo Stromkreise ka dabei durch folgede Schutzorgae geschehe: Schmelzsicheruge, Leitugsschutz-Schalter (LS-Schalter) oder RCD. Im T-C-System [T-C system] ist der -Leiter gleichzeitig eutral- ud Schutzleiter (Abb. 5 ). Er muss grü-gelb gekezeichet sei. Da die Schutzud Rückleitugsfuktioe der beide Leiter hier kombiiert sid, darf der -Leiter a keier Stelle des T-C-Systems uterbroche werde. Der Eibau vo Sicheruge ud Schalter im -Leiter ist icht erlaubt. L Verteilugssysteme : Betriebserder : Alageerder T-System T-C-System T-C-S-System 3: Verteilugssysteme TT-System T-S-System. Buchstabe Beschreibug der Erdug beim VB IT-System. Buchstabe Beschreibug der Erdug i der Alage des Verbrauchers 3. ud 4. Buchstabe Beschreibug der - ud -Leiter-Verlegug i der Alage des Verbrauchers T: Der Sterpukt ist direkt geerdet. Die Körper sid mit dem Sterpukt verbude. (T: Terre, Erde) I: Alle aktive Teile sid vo der Erde getret. Der Sterpukt ist isoliert (oder) über eie Impedaz mit der Erde verbude. (I: Isolated) : Die Körper sid direkt mit dem Sterpukt des Systems verbude. C: Der -Leiter hat eutralleiter()- ud Schutzleiter()-Fuktio. (C: Combied, kombiiert) S: Der -Leiter ist vom -Leiter getret. (S: Separated) 4: Bezeichug vo Verteilugssysteme 5: T-C-System Im T-S-System [T-S system] (Abb. 6) sid i der Verteilug der -Leiter ud der -Leiter mit dem Erder der Alage och verbude. Daach werde der - ud -Leiter im gesamte System getret geführt 3. Die Sicherheitsfuktio wird besoders durch die getrete Verlegug des Schutzleiters erfüllt. Wege seier große Fuktiossicherheit wird das T-S-System z. B. i Verbraucheralage vo private Haushalte ud i Krakehäuser istalliert. Hauptverteiler L 6: T-S-System 3 Erdug i T-Systeme Beim mögliche Erdschluss eies Außeleiters köe adere Leiter wie - ud -Leiter eie Spaug gege Erde aehme, welche die zulässige Berührugsspaug vo 50 V übersteigt. Um diese Spaugsüberhöhug zu verhider, wird durch mehrere Erder der Gesamtwiderstad verkleiert. L

2 48 Alle Erder bilde zusamme eie Parallelschaltug: Betriebserder ( ) [fuctioal earth electrode] am Trasformator Alageerder ( ) [istallatio earth electrode], z. B. Fudameterder oder Staberder, i der Verbraucheralage weitere Erder (, ), falls erforderlich Istallatio vo -, - ud -Leiter Im T-C-System befide sich der -Leiter zusamme mit de Außeleiter i eier gemeisame Umhüllug (z. B. Hausaschlusskabel). I Abb. ist der Aufbau eies T-C-S-Systems dargestellt. Es hadelt sich hierbei im Prizip um zwei Systeme. Die Eispeisug vom VB erfolgt über ei T-C-System, bei dem der Sterpukt geerdet ist. Im achfolgede System wird der -Leiter i de - ud -Leiter aufgeteilt. Daach wirkt das System wie ei T-S-System. AUFGABE. Welche Bedeutug habe die eizele Buchstabe i der Bezeichug T-C-S-System?. Beschreibe Sie de Uterschied zwische eiem T-C-System ud eiem T-S-System. Im T-System ist ei Pukt, der Sterpukt des Trasformators, direkt geerdet. it diesem Pukt sid die Körper der ageschlossee Verbraucher direkt verbude. T-C-System: Der -Leiter ist gleichzeitig eutralleiter ud Schutzleiter. T-S-System: Der Schutzleiter ud eutralleiter sid getret. Im T-C-S-System werde i eiem Teilsystem die eutral- ud Schutzleiterfuktio über de -Leiter realisiert, i dem adere Teilsystem werde - ud -Leiter getret geführt. Fehlerschleife Der Schutzleiter überimmt z. B. bei eiem Kurzschluss die Schutzfuktio, da er de Fehlerstromkreis zum Sterpukt des etztrasformators schließt. Am Beispiel eier Fehlerschleife wird i Abb. die Auslösestromstärke (Kurzschlussstromstärke) bei eiem Körperschluss dargestellt. Der Teilstrom über die Erder ud ist dabei verachlässigbar klei. Der Fehlerstrom fließt zum größte Teil über das Gehäuse des Gerätes, de -Leiter ud de -Leiter zum Sterpukt des Leistugstrasformators. Der Gesamtwiderstad der Fehlerschleife muss klei sei, damit die Kurzschlussstromstärke groß wird. Die Schleifeimpedaz Z S [loop impedace] (s. Kap..9.7) setzt sich zusamme aus Z T der Trasformatorwicklug, R L des Außeleiters ud der Sicherug, R Kl der Aschlussklemme am Objekt, R des Schutzleiters ud R des -Leiters. Das Ersatzschaltbild der Schleifeimpedaz Z S des Stromkreises vo Abb. ist i Abb. 3 dargestellt. I 0 A : Fehlerschleife (Z S ) bei Körperschluss L T-Verteilugssysteme VB-Alage Verbraucheralage T-C-System T-C-S-System T-S-System L : T-C-S-System

3 49 Sterpukt des etztrasformators Z T R L R Kl R R 3: Ersatzschaltbild der Schleifeimpedaz ach der Auslösecharakteristik der Sicherug oder des LS-Schalters verrigert sich die Auslösezeit bei eiem größere Kurzschlussstrom. Zur Abschaltzeit t a des Überstrom-Schutzorgas lässt sich deshalb folgede Wirkugskette aufstelle: Z S t a Damit ei ausreiched großer Abschaltstrom fließe ka, muss folgede Bedigug für Z s erfüllt sei: Z S U 0 Awedug Steckdosestromkreise ud ortsveräderliche Betriebsmittel Edstromkreise mit festem Aschluss vo Hadgeräte oder ortsveräderliche Geräte der Schutzklasse I Verteilugsstromkreise i Gebäude, die z. B. zu eiem Schaltschrak führe ud Edstromkreise mit ortsfeste Geräte 4: Abschaltzeite : Abschaltstromstärke des Überstrom-Schutzorgas U 0 : Spaug gege Erde Spaug gege Erde U 0 30 V (U 0 > 0 V) U V (U 0 > 30 V) U 0 > 400 V U V Abschaltzeit t a 0,4 s t a 0, s t a 0, s t a 5 s Für die eizele Stromkreise gelte maximale Abschaltzeite (Abb. 4). Die Hersteller vo Überstrom- Schutzorgae gebe äherugswerte für die Abschaltstromstärke (= ) a (Abb. 6). Kleiere Abschaltzeite werde z. B. i T-Systeme durch eie zusätzliche Schutzpotezialausgleich erreicht. Aufgrud der Parallelschaltug zum -Leiter lässt sich folgede Wirkugskette aufstelle: R ZPA R R G t a I Abb. 5 ist i eiem Beispiel die Abschaltug i eiem T-System 3/ ~ 400/30 V 50 Hz dargestellt. Überstrom- Schutzorga Schmelzsicherug Typ Leitugsschutz- Schalter, Typ B Leitugsschutz- Schalter, Typ C Auslösug 8 I t a 0,4 s 6 I t a 5 s Halte bei Auslöse bei Halte bei Auslöse bei 6: Auslösug vo Überstrom-Schutzorgae AUFGABE 3 I t a > 0, s 5 I t a < 0, s 5 I t a > 0, s 0 I t a < 0, s. Wie groß darf die Schleifeimpedaz maximal sei, we ei Stromkreis (U 0 = 30 V) mit eier Schmelzsicherug (Typ ) ud I = 0 A abgesichert ist? Die Schleifeimpedaz Z S ist der Gesamtwiderstad des Fehlerstromkreises (Außeleiter, geerdeter Schutzleiter zwische etztrasformator ud Verbraucher). Der Schutz im T-System besteht dari, dass im Fehlerfall ei großer Strom i der Fehlerschleife die Schutzeirichtug auslöst. L 35 A 6 A 5 A RCD I Δ =0,3 A Z S U 0 5: Beispiel zur Abschaltug i eiem T-System t a 5s 0 A ) Z S,095 Ω ) s. Abb. 6 t a 0,4 s 8A ) Z S,79 Ω t a 0, s = I Δ Z S 767 Ω

4 Abschaltug im TT-System Im TT-System (Abb. ) ist der Sterpukt des etztrasformators geerdet 3. Die Gehäuse der Geräte sid direkt geerdet bzw. mit dem gemeisame Erder der Alage ( ) verbude. Im Uterschied zum T-System besteht im TT-System zwische de Widerstäde der Betriebserder ud dem Alageerder keie Verbidug. Beide Erder sid lediglich über das Erdreich miteiader verbude. I Abb. ist beispielsweise der Fehlerstromkreis eigezeichet. 3 : TT-System Fehlerstromkreis bei Körperschluss R L U 0 RÜ L Der Fehlerstrom fließt vom etztrasformator über die Leitug (R L ), die Fehlerstelle (R Ü ) ud de Erdugswiderstad der Verbraucheralage durch das Erdreich zum etztrasformator ( ). Die Fehlerstromstärke muss midestes so groß sei wie die Auslösestromstärke der Schutzeirichtug. Aus dieser Bedigug folgt die Berechug des maximal zulässige Alage-Erdugswiderstades : U L : Abschaltstromstärke des Überstrom-Schutzorgas U L : Höchstzulässige Berührugsspaug Die Spaug U L (Abb. ) ist die höchstzulässige Berührugsspaug für esche bzw. Tiere, die überbrückt werde ka. Sie ist eie Teilspaug vo U 0. L Ist der -Leiter icht ordugsgemäß ageschlosse oder uterbroche, baut sich bei Körperschluss eie gefährliche Fehlerspaug zwische Gehäuse ud Erde auf. Ei Fehlerstromkreis mit eier geüged hohe Fehlerstromstärke ka sich da icht aufbaue. Es kommt zu keier Abschaltug durch das Überstrom-Schutzorga. Verkleierug des Erdugswiderstades Im TT-System (Abb. 3) sid iedrige Erdugswiderstäde oft icht erreichbar. Deshalb verwedet ma RCDs, die bei kleier Bemessugsfehlerstromstärke I Δ ud hohem och abschalte (Abb. 4). Für gilt folgede Bedigug: U B I Δ RCD RCD RCD 3: Aschlüsse über RCDs im TT-System 4: Erdugswiderstäde I Δ : Bemessugsfehlerstromstärke U B : Höchstzulässige Berührugsspaug Erdugswiderstäde bei RCDs 50 V I Δ I Δ 5 V I Δ 0,0 A 5000 Ω 500 Ω 0,03 A 667 Ω 833 Ω 0,0 A 500 Ω 50 Ω 0,30 A 67 Ω 83 Ω 0,50 A 00 Ω 50 Ω,00 A 50 Ω 5 Ω L L Die RCDs müsse bei de höchstzulässige Fehlerspauge 50 V bzw. 5 V abschalte. Adere Überstrom-Schutzorgae köe im TT-System für de Fehlerschutz ur da agewedet werde, we sehr klei ist. Erst da fließt im Fehlerfall ei ausreiched großer Abschaltstrom. : Fehlerstromkreis im TT-System U L Um die Abschaltug im Fehlerfall zu erreiche, müsse im TT-System die Werte für die Erdugswiderstäde der Alageerder eigehalte oder I Δ der RCDs kleier gewählt werde.

5 Abschaltug im IT-System Alle aktive Leiter sid im IT-System [IT system] gege Erde isoliert. Zwische de Außeleiter ud dem geerdete Pukt (Alage-Erdugswiderstad ) liegt eie Isolatios-Überwachugseirichtug (Abb. 5a, ) [isulatio moitorig device]. Sie überwacht de Isolatioswiderstad der Alage gege Erde. Fuktio der Isolatios-Überwachugseirichtug Das Gerät kotrolliert städig de Isolatioswiderstad der Alage (Abb. 6). Wird der Asprechwert uterschritte (eistellbar z. B. vo kω bis 60 kω), erfolgt eie optische ud/oder akustische Azeige (Schutz durch eldug). Erdug I Abb. 5 sid zwei uterschiedliche Alage dargestellt. Ihre besodere erkmale sid: Gemeisam geerdete Geräte ud metallee Alageteile eizel geerdete Geräte 357 RCD-Schutz 4 Für de Alage-Erdugswiderstad gilt: Der Alage-Erdugswiderstad setzt sich aus de Widerstäde der Schutzpotezialausgleichsleiter, des -Leiters ud des Erders zusamme. Fehlerfall U L : Abschaltstromstärke des Überstrom-Schutzorgas U L : Höchstzulässige Berührugsspaug Zum Verhalte der Alage im Fehlerfall wird zuächst ei Fehler (. Fehler, Körperschluss) a eiem otor i Abb. 5b 6 ageomme ( ). Es ist keie Abschaltug erforderlich. Eie optische bzw. akustische Azeige erfolgt a der Isolatios-Überwachugseirichtug. Die Alage ka trotz des Fehlers weiter betriebe werde. Es etsteht keie Berührugsspaug, weil der Sterpukt des etztrasformators icht geerdet ist 8. 6: Isolatios-Überwachugseirichtug Tritt ei weiterer Fehler (. Fehler) z.b. am zweite otor 7 auf, muss die Alage sofort abgeschaltet werde. Über die Erder bildet sich ei Fehlerstromkreis mit zwische de Außeleiter L ud. Das IT-System arbeitet jetzt wie ei TT-System (s. Kap ). D. h., es muss ei großer Strom fließe, der zur Abschaltug durch das Schutzorga führt. Eie bessere Schutz im IT-System erreicht ma durch RCDs, die de Fehlerstrom überwache ud bei = I Δ sofort abschalte. Im IT-System köe die Körper der Geräte eizel oder gemeisam geerdet werde. Im IT-System kotrolliert eie Isolatios-Überwachugseirichtug de Isolatioszustad zwische dem etz ud dem Schutzpotezialausgleich bzw. der Erde. Im IT-System bildet sich bei eiem. Fehler kei Fehlerstromkreis, da der Sterpukt des etztrasformators icht geerdet ist. Bei eiem. Fehler liegt die Leiterspaug gege Erde, sodass eie automatische Abschaltug der Stromversorgug erfolge muss. 8 L 8 L Z < Z < RCD 4 a) Gemeisame Erdug Wasserrohr aus etall 5: Erduge im IT-System b) Eizelerduge