Hochschule für ngewandte Wissenschaften Hamburg Fachbereich Maschinenbau & Produktion Prof. Dr. Ing.. Farschtschi Dipl. Ing. R. Heinemann 16 Schutzmaßnahmen in elektrischen nlagen...... 2 16.1 Begriffe nach VDE 0100 und VDE 0105............ 2 16.2 Stromversorgung..................... 5 16.3 Erder.......................... 5 16.4 Netzsysteme...................... 6 16.4.1 TNSysteme.................... 6 16.4.2 TTSysteme..................... 7 16.4.3 ITSysteme..................... 7 16.5 Schutzeinrichtungen................... 8 16.5.1 Überstromschutzeinrichtungen............. 8 16.5.2 RCD s....................... 10 16.5.3 Isolationsüberwachungseinrichtung........... 11 16.6 Schutzmaßnahmen.................... 11 16.6.1 Schutzkleinspannung................. 12 16.6.2 Schutztrennung.................... 13 16.6.3 Geräteschutzklassen................. 13 16.6.4 Schutz durch nicht leitende Räume............14 16.6.5 Schutz durch bschaltung oder Meldung......... 14 16.7 Praxisbezug....................... 18 Fragen zur Selbstkontrolle................... 20 1
16 Schutzmaßnahmen in elektrischen nlagen rbeiten unter Spannung sind ohne Isolierung bei Wechselspannungen größer 25 V und bei Gleichspannungen größer 60 V und mit Isolierung bei Wechselspannungen größer 50 V und bei Gleichspannungen größer 120 V grundsätzlich verboten. Nur unterhalb diese Werte ist die Schutz gegen direktes Berühren gewährleistet. Bei größeren Spannungen ist vor jedem Eingriff die nlage spannungsfrei zu schalten. Bei diesen Spannungen ist die Spannungsfreiheit normalerweise nur durch das Schalten von zwei Trennstecken gewährleistet. usschlaggebend für die Gefährdung ist nicht die Höhe der Spannung, sondern die des Stroms über den Körper. Dabei sind Ströme, die länger als eine Herzperiode (etwa 0,75 s) über das Herz fließen, besonders gefährlich. ußer dem Strom selbst ist auch die Zeitdauer, die der Körper dem Strom ausgesetzt ist, für die Gefährdung maßgeblich. Schon oberhalb von 0,5 können die Muskelverkrampfungen eintreten. Schon nach einer Zeitdauer von einer Sekunde bei einem Strom von 0,05 ist die Gefahr des Herzkammerflimmerns sehr groß. Für Schutzmaßnahmen in elektrischen nlagen gelten im wesentlichen folgende Vorschriften (mit VDE = Verband Deutscher Elektrotechniker, BGV = BerufsgenossenschaftVorschriften, = allgemein): BGV 2 Elektrische nlagen und Betriebsmittel, DIN VDE 0100 Errichten von Starkstromanlagen mit Bemessungsspannungen bis 1000 V, DIN VDE 0105 Betreib von Starkstromanlagen, DIN VDE 0113 Elektrische usrüstung von Maschinen. 16.1 Begriffe nach VDE 0100 und VDE 0105 Neutralleiter ist ein mit dem Mittelpunkt bzw. Sternpunkt des Netzes verbundener Leiter. ußenleiter sind Leiter, die Stromquellen mit Verbrauchsmitteln verbinden, aber nicht vom Mittel oder Sternpunkt ausgehen. Schutzleiter Ein Schutzleiter (PE) ist nach DIN VDE 0100 ein grüngelber Leiter, der für einige 2
Schutzmaßnahmen (Schutzklasse I) gegen gefährliche Körperströme erforderlich ist, um die elektrische Verbindung zu einem der nachfolgenden Teile herzustellen: Körper der elektrischen Betriebsmittel, fremde leitfähige Teile, Haupterdungsklemme, Erder, geerdeter Punkt der Stromquelle oder künstlicher Sternpunkt. Der PENLeiter ist ein geerdeter Leiter, der zugleich die Funktionen des Schutzleiters und des Neutralleiters erfüllt. Trennen Nach DIN VDE 0100 ist Trennen dazu, aus Gründen der Sicherheit die Stromversorgung von allen bschnitten der von einem einzelnen bschnitt der nlage zu unterbrechen, indem die nlage oder deren bschnitte von jeder elektrischen Stromquelle abgetrennt werden. Notusschaltung Betätigung, die dazu bestimmt ist, Gefahren, die unerwartet auftreten können, so schnell wie möglich zu beseitigen. Die Notusschalter sind rote Tastschalter mit gelben Grund. Durch Betätigung dieses Tasters, wird die gesamte Spannungsversorgung des betreffenden Raums ausgeschaltet. Fehlerspannung ist die Spannung, die bei einem Fehler zwischen einem leitfähigen, nicht zum Stromkreis gehörenden Teil (Gehäuse) und der Erde auftritt. Berührungsspannung ist die Spannung, die zwischen gleichzeitig berührbaren Teilen während eines Isolationsfehlers auftreten kann. Diese Spannung ist also der nteil der Fehlerspannung, der von Menschen abgegriffen werden kann. ktives Teil: Jeder Leiter oder leitfähiges Teil, das dazu bestimmt ist, bei ungestörtem Betrieb unter Spannung zu stehen, einschließlich des Neutralleiters, aber nicht der PENLeiter. Körper ist ein berührbares, leitfähiges Teil eines elektrischen Betriebsmittels, das normalerweise nicht unter Spannung steht, das jedoch im Fehlerfall unter Spannung stehen kann. Fremdes leitfähiges Teil ist ein leitfähiges Teil, das nicht zur elektrischen nlage gehört, das jedoch ein elektrisches Potential einschließlich des Erdpotentials einführen kann. 3
Umhüllung ist ein Teil, das ein Betriebsmittel gegen bestimmte äußere Einflüsse schützt und durch das Schutz gegen direktes Berühren in allen Richtungen gewährt wird. Überlaststrom ist ein Überstrom, der in einem fehlerfreien Stromkreis auftritt. Der unbeeinflusste bzw. vollkommene Kurzschlussstrom ist ein Überstrom, verursacht durch einen Fehler vernachlässigbarer Impedanz zwischen aktiven Teilen, die im ungestörten Betrieb ein unterschiedliches Potential haben. Körperschluss ist eine durch einen Fehler entstandene leitende Verbindung zwischen Körper und aktiven Teilen elektrischer Betriebsmittel. Isolationsfehler ist ein fehlerhafter Zustand in der Isolierung. Fehlerstrom ist der Strom, der durch einen Isolationsfehler zum Fließen kommt und voll über den Menschen fließen kann. Vollkommener Körper, Kurz oder Erdschluss liegt vor, wenn die leitende Verbindung an der Fehlerstelle nahezu widerstandslos ist. Elektrische Betriebsstätten sind Räume oder Orte, die im wesentlichen zum Betrieb elektrischer nlagen dienen und in der Regel nur von unterwiesenen Personen betreten werden. bgeschlossene elektrische Betriebsstätten sind Räume oder Orte, die ausschließlich zum Betrieb elektrischer nlagen dienen und unter Verschluss gehalten werden. Der Verschluss darf nur von beauftragten und unterwiesenen Personen geöffnet werden. Eine Elektrofachkraft ist, wer auf Grund seiner fachlichen usbildung, Kenntnisse und Erfahrungen sowie Kenntnis der einschlägigen Normen die ihm übertragenen rbeiten beurteilen und mögliche Gefahren erkennen kann. Eine elektrotechnisch unterwiesene Person ist, wer durch eine Elektrofachkraft über die ihr übertragenen ufgaben und die möglichen Gefahren bei unsachgemäßen Verhalten unterrichtet und gegebenenfalls angelernt sowie über die notwendigen Schutzeinrichtungen und Schutzmaßnahmen belehrt wurde. 4
Ein Laie ist, wer weder als Elektrofachkraft noch als elektrotechnisch unterwiesene Person qualifiziert ist. 16.2 Stromversorgung Die Spannungsversorgung von Gebäuden und Betrieben erfolgt über Drehstromtransformatoren aus dem Hochspannungsnetz. Die Oberspannungsseite hat eine Bemessungsspannung von U 1n = 10 kv oder U 1n = 20 kv. Die Bemessungsspannung der Unterspannungsseite beträgt U 2n = 400 / 230 V. Die Bemessungsleistung eines solchen Transformators beträgt typischer Weise S n = 630 kv (bzw. nach Bedarf auch S n = 400 kv oder S n = 250 kv). Größere Betriebe oder Hochhäuser haben eigene TransformatorStationen. Die Schaltgruppe dieser Transformatoren ist üblicher Weise Dy5 (s. bschnitt 2.7). uf der Unterspannungsseite ist der Sternpunkt geerdet. 16.3 Erder Erder sind im Erdreich eingebettete blanke Leiter (meist verzinktes Eisen). r a) b) c) d) Bild 16.1 Zusammengesetzte Erder a) Maschenerder b) Ringerder c) Strahlenerder d) Halbkugelerder Bei den Transformatorstationen werden meist Maschenerder (Bild 16.1a) verwendet. Die Gebäude haben einen geschlossenen Ring (Ringerder Bild 16.1b) im Fundament als Erder, dieser wird auch Fundamenterder genannt. Für ältere Gebäude ohne Fundamenterder ist durch einen außen liegenden Ring (Banderder) im Erdreich ein Erder gegeben. Manchmal reichen auch mehrere Stäbe Staberder, von Rohren oder Kreuzstäben mit mindestens l = 4 m Länge an den Ecken des Gebäudes eingeschlagen, um hinreichende Erdungsbedingungen zu erreichen. Die Erder sollen alle nlagenteile des Niederspannungsnetzes, Erzeuger (Transformatorstationen) und Verbraucher (Wohnungen und Betriebe), 5
auf ein gemeinsames elektrisches Potential ziehen (quasi Grundwasserpotential). ls weitere Erder gibt es noch Strahlenerder (Bild 16.1c) und Halbkugelerder (Bild 16.1d). Richtiges Erden bestimmt die Sicherheit von Mensch und Betrieb. Im allgemeinen müssen Erdungsleiter so kurz wie möglich sein und zugänglich eingebaut werden. Weiterhin ist Schutz gegen mechanische Beschädigung erforderlich. Eine Einbettung in Beton ist zulässig, jedoch soll an beiden Seiten leicht zugängliche nschlussstellen vorgesehen werden. 16.4 Netzsysteme In Netzsysteme wird Schutz durch automatische bschaltung der Stromversorgung gewährleistet. DIN VDE 0100 schreibt TN, TT und ITSysteme vor. Diese Netze werden durch eine ÜberstromSchutzeinrichtung oder IsolatonsÜberwachungseinrichtung abgeschaltet. Solche Einrichtungen sind FehlerstromSchutzschalter, RCD s mit der alten Bezeichnung FISchutzschalter. RCD s steht für residual current protective devices. Versorgungssysteme werden durch zwei Kennbuchstaben gekennzeichnet. Der erste Buchstabe kennzeichnet die Erdungsverhältnisse der Speisequelle und der zweite Buchstabe kennzeichnet die Erdungsverhältnisse des Verbrauchers. ls ersten Buchstaben gibt es das T und das I, T (Terre) für geerdet und I (Isolation) für isoliert. ls zweiten Buchstaben gibt es das N und das T, N für Körper, die über einen Schutzleiter mit dem Erder der Speisequelle verbunden sind, und T (Terre) für Körper die direkt geerdet sind. In der Kombination gibt es TN, TTund ITSysteme. In den VersorgungsSystemen gibt es die ußenleiter L1, L2 und L3 (Farbcode schwarz, braun und schwarz), den Neutralleiter N (Farbcode hellblau) und den Schutzleiter PE (Farbcode grüngelb). 16.4.1 TNSysteme TNSysteme sind die weitverbreitesten Endversorgungsnetze. Die Speisequelle (Transformator) ist sekundär am Sternpunkt geerdet. Die Körper der verschiedenen Betriebsmittel sind über einen Schutzleiter mit dem Erder der Speisequelle verbunden. In den Versorgungsnetzen der EnergieVersorgungsUnternehmer (EVU) wird der Schutzleiter und der Neutralleiter durch einen einzigen, gemeinsamen Leiter verwendet. Dieser Leiter ist dann sowohl Neutralleiter als auch Schutzleiter und 6
wird als PENLeiter (conditional) bezeichnet (Farbcode grüngelb). Dieses Versorgungssystem wird dann als TNCSystem gekennzeichnet. b Hauseinspeisung oder Betriebseinspeisung wird dann der Neutralleiter und der Schutzleiter getrennt (separat) verlegt. Dieses Versorgungssystem wird als TNSSystem gekennzeichnet. In mittleren und größeren Betrieben wurden für DrehstromGroßverbraucher mit einem Strom I > 63 auch TNCSysteme verwendet. Dieses ist aber wegen des Betriebs von Rechner und BusSystemen in der utomatisierungstechnik heute, wegen belasteter PENLeiter nicht mehr verträglich. Heute werden ausschließlich wegen der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) TNSSysteme verwendet. ls Schutzeinrichtungen in TNSystemen sind zugelassen: Überstromschutzeinrichtungen (Sicherungen), die gegen Überlastung und / (oder) gegen Kurzschluss schützen und RCD s (FehlerstromSchutzschalter), die einen Schutz gegen Erdschluss oder Körperschluss darstellen. 16.4.2 TTSysteme TTSysteme sind Versorgungssysteme die in landwirtschaftliche Betriebsstätten oder in der Großindustrie vorkommen. Die Speisequellen und die Verbraucher sind direkt geerdet. lle Körper die durch eine Überstromschutzeinrichtung geschützt sind, müssen durch den Schutzleiter an einen gemeinsamen Erder angeschlossen werden. ls Schutzeinrichtungen in TTSystemen sind zugelassen: Überstromschutzeinrichtungen und RCD s. In den TTSystemen wird der Schutz im Fehlerfall durch bschalten der Schutzeinrichtungen erreicht. 16.4.3 ITSysteme ITSysteme sind Versorgungssysteme die in Krankenhäuser, dort im Intensivstationen bzw. in Operationsbereichen, und in der Industrie, dort in EX Bereichen (Bereichen mit Explosionsgefahr), angewendet werden. In den TN und TTSystemen wird der Schutz im Fehlerfall durch bschalten der Schutzeinrichtungen erreicht. Im ITSystem erfolgt beim uftreten eines ersten Fehlers 7
gegenüber Erde keine bschaltung, sondern nur eine Meldung. Erst beim uftreten eines zweiten Fehlers erfolgt dann ein Schutz durch bschaltung. ls Schutzeinrichtungen in ITSystemen sind zugelassen Isolationsüberwachungseinrichtungen, Überstromschutzeinrichtungen und RCD s. 16.5 Schutzeinrichtungen 16.5.1 Überstromschutzeinrichtungen Der Schutz von Leitungen gegen Kurzschlüsse im Niederspannungsbereich wird auch heute noch vorwiegend von Schmelzsicherungen wahrgenommen. Man unterscheidet flinke und träge Sicherungen (letztere mit erhöhter Verzögerung beim Schmelzen). Eine 50Sicherung spricht auf einen 100Strom im Mittel erst nach 300 s an, wohingegen Kurzschlussströme bereits nach etwa 1 ms unterbrochen werden. Vorteile der Sicherungen: Wirtschaftlichkeit, weitgehende Selektivität möglich. s t Bild 16.2 ZeitStromBereiche für NHSicherungseinrichtungen (VDE 0639) I 8
m bekanntesten dürften Überstromschutzeinrichtungen mit Schmelzseinsätzen (Schmelzsicherungen) sein. Diese gibt es in verschiedenen Baugrößen (von den kleinen Neozed über die Diazed D0 D00 bis hin zu den NHÜberstromschutzeinrichtungen). Die Unterscheidung liegt in den maximalen zulässigen (maximal ausschaltbaren) Strom. Die Bemessungsströme liegen in einem Bereich von 2 bis 1000. Bild 16.2 zeigt die uslösecharakteristik von Schmelzeinsätzen nach DIN VDE 0636. In Hochspannungsnetzen mit großen usschaltleistungen sind oft die Sicherungen nicht ausreichend, da folgende Einschränkungen gelten: erzielbare Selektivität nicht ausreichend, begrenzte usschaltleistung. Daher haben sich in Hochspannungsnetzen LeistungsSchalter mit Überstromerfassung und der Distanzschutz weitgehend durchgesetzt. Überstromschutzeinrichtungen gibt es in verschiedenen usführungen. Überströme können geringfügige Überlastung eines Betriebsmittels sein oder aber auch ein Kurzschlussstrom mit vernachlässigbarer Fehlerimpedanz. min min s s t t D Vielfaches des Bemessungsstroms Vielfaches des Bemessungsstroms a) Typen, B, C und D b) Typen L und K Bild 16.3 uslösecharakteristiken von Leitungsschutzschaltern (VDE 0641) 9
Weiterhin sind die Leitungsschutzschalter Typ B (utomaten) geläufig. Diese bieten Schutz gegen Kurzschluss und Überlast und werden für den Leitungsschutz von Endstromkreisen eingesetzt. Es gibt sie standardmäßig im Strombereich von 6 bis 32. Der maximale usschaltstrom beträgt 6 k oder 10 k. Die weiteren Leitungsschutzschalter Typ und Typ D sind nicht Standart. Die etwas ältere Varianten sind die Typen L und K mit einem maximalen usschaltstrom von 3 k. Etwas seltener sind Geräteschutzschalter (Leitungsschutzschalter) Typ C (utomaten). Sie bieten Schutz gegen Kurzschluss und Überlast und werden zum Schutz von Geräten eingesetzt und lassen höhere Einschaltströme als der Typ B zu. uch diese gibt es standardmäßig in einem Strombereich von 6 bis 32. Bild 16.3 zeigt die uslösecharakteristik von LeitungsSchutzschaltern nach VDE 0641. Motorschutzschalter bieten Schutz gegen Überlast und nicht gegen Kurzschluss. Die Motorschutzschalter sind Schutzeinrichtungen in verschiedenen usführungen, die den Stromkreis bei Überlastung unterbrechen. Ihre Wirkung beruht meist auf Bimetallstreifen (in Folge der Wärmeausdehnung wird mechanisch ein Schalter ausgelöst). Die Motorschutzrelais geben ihre Schaltbefehle an Leistungsschalter oder Schütze, damit diese den Motor bei Überlastung von Spannungseinspeinspeisung trennen. Zur weiteren Einzelheiten wird auf VDE 0100, Teil 443 und Teil 534, verwiesen. 16.5.2 RCD s RCD s (FehlerstromSchutzschalter) sind ein Schutz gegen Körper bzw. Erd Schluss. Sie arbeiten nach dem Prinzip eines Summenstromwandlers (Summe aller Ströme für Hin und RückLeitungen muss gleich null sein). Im Leistungsteil gibt es folgende Bemessungsströme: 25, 40 und 63. Die FehlerDifferenz Ströme (I d ) haben folgende Bemessungswerte: 30 m, 100 m und 300 m. Die RCD s mit einem Differenzstrom von 30 m werden zum Schutz von Personen eingesetzt, sind z. B. für Badezimmer, Schwimmhallen, WC, Gartenanlagen und ußensteckdosen vorgeschrieben. Die RCD s mit einem Differenzstrom von 300 m werden für Brandschutz vorgeschrieben. Die Sondertypen von RCD s, die sogenannten selektiven RCD s, dürfen nur als übergeordneter Gruppenschutz, nicht aber für Endstromkreise eingesetzt werden. Diese haben als FehlerDifferenzStrom die Bemessungswerte 300 m und 10
500 m. Sie schalten gegenüber den normalen RCD s zeitverzögert aus und werden durch folgendes Symbol gekennzeichnet: 16.5.3 Isolationsüberwachungseinrichtungen Isolationsüberwachungseinrichtungen werden in ITSystemen eingesetzt und geben eine Meldung, optisch und akustisch, bei Unterschreiten eines zulässigen Isolationswiderstands aus. Die akustische Meldung kann quittiert werden. Die optische Meldung darf erst dann erlöschen, wenn auch der Fehler nicht mehr ansteht. In Industrieanlagen darf der Isolationswiderstandswert R iso > 22 k nicht unterschreiten. Für Krankenhäuser in den Intensiv und OPBereichen darf R iso > 50 k nicht unterschritten werden. 16.6 Schutzmaßnahmen Der Mensch ist sehr empfindlich gegenüber elektrischen Strömen. In den normalen Versorgungsnetzen ist eine Wechselspannung 230 V, mit einer Frequenz 50 Hz und ein Bemessungsstrom von 16 ( für normale Stromkreisen wie Beleuchtung und Steckdosen) vorgegeben. Die Wahrnehmungsgrenze des elektrischen Stroms von Menschen liegt bei etwa 1 m. Zwischen 10 m und 15 m tritt eine Muskelverkrampfung in den Gliedmaßen ein. Der Mensch ist dann meistens auf fremde Hilfe angewiesen, welche die Spannungsfreiheit durch ausschalten oder unterbrechen des Stromkreises herstellt. Zwischen 30 m und 50 m erfolgt eine Beeinträchtigung des Herzens, meist kommt es zum Herzkammerflimmern, selten zum Herzstillstand. Die Sauerstoffversorgung der menschlichen Organe, insbesondere des Gehirns ist dann nicht mehr gegeben. Nach einer Zeit von ca. 5 s sterben die ersten Gehirnzellen ab und nach einer Zeit von 5 min muss mit bleibenden Schäden gerechnet werden. Der Strom der durch den menschlichen Körper fließt, ist abhängig von dem jeweiligen Menschen. VDE rechnet mit einem Ersatzwiderstand (R) für den Menschen mit 3 k. Dabei ist der Hautübergangswiderstand an der Stromeintrittstelle ca. 1 k, der innere Blutbahnenwiderstand (R i ) ca. 1 k und der Hautübergangswiderstand an der Stromaustrittstelle ca. 1 k. Diese Werte gelten, wenn der Mensch frisch gebadet hat, bei trockener Haut liegen die Werte der Hautübergangswiderstände höher. 11
Um nicht immer ein Strommesser an das Versorgungsnetz anzuschließen, aber einen Menschen trotzdem zu schützen, wurde festgelegt, dass die zulässige Berührungsspannung 50 V Wechselspannung (C) und 120 V Gleichspannung (DC) betragen darf. Mängel sind so bald wie möglich, wenn sie eine unmittelbare Gefahr für Personen oder Sachen darstellen, unverzüglich zu beseitigen. Die dafür notwendigen rbeiten sind je nach ihrer rt durch Elektrofachkräfte, elektrotechnisch unterwiesene Personen oder durch Laien unter ufsicht einer Elektrofachkraft oder elektrotechnisch unterwiesenen Person durchzuführen. In angemessenen Zeiträumen sind Starkstromanlagen, spätestens alle vier Jahre, außer solche in Wohnungen, durch eine Elektrofachkraft zu prüfen. Bewegliche Betriebsmittel sind alle halbe Jahre durch eine Elektrofachkraft oder unter Leitung und ufsicht einer Elektrofachkraft auf ihren Zustand zu prüfen. n unter Spannung stehenden aktiven Teilen elektrischer nlagen und Betriebsmittel darf, nicht gearbeitet werden. Entsprechende Sicherheitsregeln sind für das Spannungsfreimachen zu beachten: Freischalten, gegen Wiedereinschalten sichern, Spannungsfreiheit feststellen (messen), gegebenenfalls Erden und Kurzschließen, benachbarte unter Spannung stehende Teile abdecken oder abschränken. Die Schutzmaßnahmen Schutzkleinspannung, Schutztrennung und Schutzisolierung sind Schutzmaßnahmen ohne Schutzleiter. Diese Schutzmaßnahmen sollen ein Zustandekommen einer gefährlichen Berührungsspannung verhindern. Die Schutzmaßnahme Schutz durch bschaltung oder Meldung benötigt immer einen Schutzleiter. Diese Schutzmaßnahme soll ein Bestehen bleiben einer gefährlichen Berührungsspannung verhindern. 16.6.1 Schutzkleinspannung Die Schutzmaßnahme Schutzkleinspannung ist erfüllt wenn mindestens alle folgende Bedingungen gegeben sind: Spannung kleiner 50 V (C) oder kleiner 120 V (DC), Spannung aus einer Batterie oder aber mit sicherer Trennung vom speisenden Netz, getrennte Verlegung der Leitungen, 12
keine Verbindung zu anderen Spannungssystemen oder zur Erde oder zu PE Leitern, Steckvorrichtungen unverwechselbar zu anderen Spannungsversorgungen. Die Schutzkleinspannung wird meistens für einzelne Betriebsmittel wie z. B. ckuschrauber oder aber als Spannungsversorgung für SchülerExperimente genutzt. Schüler dürfen aber nur mit einer Spannung < 25 V (C) oder < 60 V (DC) arbeiten. Die sichere Trennung vom Netz erfolgt über einen Schutztrenn Transformator mit verstärkter Isolierung. Die Schutzkleinspannung hat folgendes Symbol: 16.6.2 Schutztrennung Die Schutztrennung erfolgt auch über einen SchutztrennTransformator, lässt aber sekundäre Spannungen bis 500 V zu. Für die Schutzmaßnahme Schutztrennung müssen folgende Bedingungen erfüllt sein: sichere Trennung vom speisenden Netz, nur ein einziger Verbraucher (Betriebsmittel), Spannung < 500 V und Steckvorrichtungen für andere Spannungen unverwechselbar. Wenn mehrere Verbraucher angeschlossen werden sollen, so sind diese über einen örtlichen, erdfreien Potentialausgleichsleiter miteinander zu verbinden. 16.6.3 Geräteschutzklassen Es gibt drei Geräteschutzklassen I, II und III. Geräteschutzklasse I sind Geräte, bei denen der Schutz nicht nur durch die Basisisolierung gegeben ist, sondern ein zusätzlicher Schutz dadurch gegeben ist, dass der Körper des Verbrauchers mit dem Schutzleiter der festen Installation verbunden ist. lso alle diese Geräte haben einen Schutzleiter. Geräteschutzklasse II sind Geräte, bei denen der Schutz nicht nur durch die Basisisolierung gegeben ist, sonder ein zusätzliche Schutz dadurch gegeben ist, dass eine zusätzliche oder eine verstärkte Isolierung vorhanden ist. Diese Geräte sind schutzisolierte Geräte und sind an keinen Schutzleiter angeschlossen. lle 13
handgeführten Geräte müssen der Schutzklasse II entsprechen, z. B. Rasenmäher, Handbohrmaschine, Handschleifmaschine, Mixer, Brotschneidemaschine usw. Das Symbol für schutzisolierte Geräte ist ein doppeltes Quadrat (zweimal isoliert): Geräteschutzklasse III sind Geräte, die eine Sonderform der Schutzklasse II darstellen. Diese Geräte liefern alle eine kleine Spannung, z. B. ckuladegerät, Netzteil für die elektrische Eisenbahn usw. Diese Geräte liefern eine Schutz Kleinspannung. Das Symbol ist eine Raute mit drei Strichen darin: 16.6.4 Schutz durch nicht leitende Räume Die Schutzisolierung wird nicht nur für handgeführte Geräte, Geräteschutzklasse II verwendet, sondern auch für festinstallierte Schaltschränke oder andere Betriebsmittel. Das Wesentliche an der Schutzisolierung ist die doppelte oder verstärkte Isolierung der aktiven, unter Spannung stehenden, Teilen. Eine Sonderausführung der Schutzisolierung ist der Schutz durch nicht leitende Räume. Wenn das / die Betriebsmittel zu groß sind, um sie selbst isolierend zu umhüllen, dann wird die Umgebung (der Raum) isoliert. Mehrere Betriebsmittel (z. B. MaschinenUmformer) werden dann mit einem örtlichen, erdfreien Potentialausgleich miteinander verbunden, um auch im Fehlerfall eines Betriebsmittels keine gefährliche Berührungsspannung zu bekommen. In diesen Raum darf kein Erdpotential oder Schutzleiter der normalen Versorgung eingeführt werden. 16.6.5 Schutz durch bschaltung oder Meldung Der Schutz in der Stromversorgung ist abhängig von der Netzform und von den Schutzeinrichtungen. In den TN, TT und ITSystemen dürfen die Schutzmaßnahmen Schutzkleinspannung, Schutztrennung und Schutzisolierung überall angewendet werden. Der Schutz durch bschaltung oder Meldung bedingt einen Schutzleiter (PE Leiter). Der Schutzleiter hat die ufgabe alle Körper der Betriebsmittel miteinander zu verbinden und somit auf ein Potential zu ziehen, so dass keine 14
gefährliche Berührungsspannung auftritt. Im Fehlerfall eines Körperschluss oder Erdschluss soll auch der Fehlerstrom über den Schutzleiter fließen und ein uslösen der Schutzeinrichtung ermöglichen. Voraussetzung dafür ist eine niederohmige, durchgehende Verbindung des Schutzleiters. Der Schutzleiter Querschnitt ist gleich dem ußenleiterquerschnitt bis zu 16 mm 2, darüber hinaus ist der SchutzleiterQuerschnitt mindestens dem halben ußenleiterquerschnitt. Um auch fremde leitfähige Teile, wie Gas, WasserLeitungen, Heizungssysteme und Konstruktionsteile von Gebäuden mit auf ein einheitliches Potential zu ziehen, werden diese mit dem Schutzleiter verbunden. Dazu dient zentral, in der Nähe der Hauseinspeisung oder Betriebseinspeisung, der Hauptpotentialausgleich. Dieser Potentialausgleich verbindet alle metallene Systeme. Der Querschnitt für diesen Hauptpotentialausgleich ist mindestens dem halben SchutzleiterQuerschnitt, mindestens jedoch 6 mm 2. In besonders gefährdeten Bereichen, wie z. B. im Bad, gibt es dann zusätzlich noch den örtlichen Potentialausgleich, der auch mit dem Schutzleiter verbunden ist. Der zusätzliche örtliche Potentialausgleich hat einen Mindestquerschnitt von 4 mm 2, bei ungeschützter Verlegung und mindestens 2,5 mm 2 bei geschützter Verlegungsart. Schutz durch bschaltung in TNSystemen Die Überstromschutzeinrichtungen sollen zum einen Kurzschlüsse zwischen den aktiven Teilen sicher ausschalten und zum anderen auch bei einem Erd oder Körperschluss ein Bestehen bleiben einer gefährlichen Berührungsspannung verhindern. Dazu muss ein entsprechender Fehlerstrom fließen. Dies ist nur möglich, wenn der Schleifenwiderstand genügend klein ist. Der Schleifenwiderstand ist die Summe der Widerstände von der Speisequelle (Transformator), aller Zuleitungen (z. B. L1) und des Fehlers und der Rückleitung über den PELeiter: I a = U R 0 sch. Hier sind: R sch Schleifenwiderstand U 0 Bemessungsspannung gegen Erde (230 V) I a bschaltstrom (uslösestrom). Die Überstromschutzeinrichtungen haben eine StromZeitabhängige usschalt Charakteristik. Die usschaltung soll für Endstromkreise innerhalb einer Zeit von t < 0,4 s erfolgen. Für übergeordnete Versorgungsstromkreise darf die usschaltzeit dann auch < 5 s sein. Tabelle 16.1 zeigt die bschaltströme I a bei 15
bschaltzeiten 5 s und 0,2 s sowie maximal zulässige Schleifenimpedanzen Z s der Niederspannungssicherungen nach DIN VDE 0100 Teil 610 in TNSystemen. Tabelle 16.1 Beurteilung von ÜberstromSchutzeinrichtungen, bschaltströme und Schleifenimpedanzen in TNSystemen (VDE 0100 Teil 610 230V, 50Hz Niederspannungssicherung nach DIN VDE 0636 I a und Z s von Leitungsschutzschaltern und Leistungsschaltern für die überschlägige Prüfung I n 2 4 6 I a (5 s) 9,21 19,2 28 Z s (5 s) 24,97 11,98 8,21 I a (0,2 s) 20 40 60 Z s (0,2 s) 11,5 5,75 3,83 I a = 5 I n 10 20 30 Z s ( 0,2 s) 23 11,5 7,67 I a = 10 I n 20 40 60 Z s ( 0,2 s) 11,5 5,75 3,83 I a = 15 I n 30 60 90 Z s ( 0,2 s) 7,67 3,83 2,56 10 16 20 25 32 35 40 50 63 80 100 125 160 47 72 88 120 156 173 200 260 351 452 573 751 995 4,89 3,19 2,61 1,92 1,47 1,33 1,15 0,88 0,66 0,51 0,40 0,31 0,23 100 148 191 270 332 367 410 578 750 2,3 1,55 1,20 0,85 0,69 0,63 0,56 0,40 0,31 50 80 100 125 160 175 200 250 315 4,6 2,88 2,3 1,84 1,44 1,31 1,15 0,92 0,73 100 160 200 250 320 350 400 500 630 2,3 1,44 1,15 0,92 0,72 0,66 0,58 0,46 0,37 150 240 300 375 480 525 600 750 945 1,53 0,96 0,77 0,61 0,48 0,44 0,38 0,31 0,24 Wird für den Erdschlussschutz ein RCD verwendet, so ist in obiger Formel als bschaltstrom I a der Differenzstrom I d einzusetzen (I a = I d ). Dadurch ist ein sehr viel besserer Schutz gewährleistet. Schutz durch bschaltung in TTSystemen In den TTSystem sind die Verbrauchsmittel unmittelbar (direkt) geerdet. Die Erdungswiderstände sind aber relativ hoch, so dass ein Erdschlussschutz durch die Überstromschutzeinrichtungen in der Regel nicht gewährleistet ist (R sch zu groß). Darum sind für landwirtschaftliche Betriebsstätten RCD s vorgeschrieben. ls Brandschutz für die fest installierten Verbraucher muss dort ein RCD mit I d = 300 m verwendet werden, während für Steckdosenstromkreise ein RCD mit I d = 16
30 m vorgeschrieben ist. Die Überstromschutzeinrichtungen werden aber immer noch als Kurzschlussschutz (zwischen den aktiven Teilen) benötigt. Tabelle 16.2 zeigt die bschaltströme I a bei bschaltzeiten 5 s und 0,2 s sowie maximal zulässige Erdungswiderstände R der Niederspannungssicherungen nach DIN VDE 0100 Teil 610 in TTSystemen. Tabelle 16.2 Beurteilung von ÜberstromSchutzeinrichtungen, bschaltströme und Erdungswiderstände in TTSystemen (VDE 0100 Teil 610) Niederspannungssicherung nach DIN VDE 0636 I a und R von Leitungsschutzschaltern und Leistungsschaltern für die überschlägige Prüfung I n I a R bei U L = 50 V R bei U L = 25 V I a = 5 I n R bei U L = 50 V R bei U L = 25 V I a = 10I n R bei U L = 50 V R bei U L = 25 V I a = 15I n R bei U L = 50 V R bei U L = 25 V 2 4 6 9,2 19,2 28 5,4 2,6 1,8 2,7 1,3 0,9 10 20 30 5,0 2,5 1,7 2,5 1,25 0,83 20 40 60 2,5 1,25 0,83 1,25 0,63 0,41 30 60 90 1,7 0,83 0,56 1,83 0,41 0,28 10 16 20 25 32 35 47 72 88 120 156 173 1,1 0,69 0,57 0,42 0,32 0,29 0,54 0,36 0,29 0,21 0,17 0,14 50 80 100 125 160 175 1,0 0,63 0,50 0,40 0,31 0,29 0,50 0,32 0,25 0,20 0,16 0,14 100 160 200 250 320 350 0,50 0,31 0,25 0,20 0,16 0,14 0,25 0,16 0,13 0,10 150 240 300 375 480 525 0,33 0,21 0,17 0,13 0,10 0,09 0,16 0,10 Schutz durch bschaltung in ITSystemen In ITSystemen sind die Speisepunkte erdfrei installiert, so dass bei einem Erdschluss eines Verbrauchers kein Stromkreis direkt geschlossen ist. Es wird der Isolationswiderstand überprüft und bei unterschreiten eines Mindestwerts wird eine optische und akustische Meldung ausgegeben. Die akustische Meldung darf quittiert (weggeschaltet) werden, während die optische nzeige erst nach Fehlerbehebung ausgehen darf. Beim uftreten eines ersten Fehlers gegenüber Erde erfolgt keine usschaltung, sondern nur eine Meldung. Es ist in der Regel genügend Zeit den Fehler zu lokalisieren und zu beheben. Beim uftreten eines weiteren, zweiten Fehlers gegenüber Erde (und erst dann) erfolgt eine bschaltung durch Überstromschutzeinrichtungen oder über RCD s. 17
16.7 Praxisbezug Motorschutzschalter schützen die Motoren vor Überlastung und häufig vor Kurzschlüssen. Der Bimetallauslöser F2 (Bild 8.4), der auf den Nennstrom des Motors einstellbar ist, wird in Reihe zu der zu schützenden Motorwicklung geschaltet. Bei länger andauernder zu hoher Stromaufnahme krümmen sich die in F2 enthaltenen Bimetallstreifen so stark, dass sie das Schaltschloss Y1 betätigen und damit den Drehstrommotor dreipolig abschalten. Die Schmelzsicherungen F1 dienen dem Kurzschlussschutz. Sie sind auch dann vorhanden, wenn zusätzlich im Schutzschalter ein elektromagnetischer Schnellauslöser für Überströme vorhanden ist. Q1 stellt den Hauptschalter dar. L1 L2 L3 N 400 / 230 V, 50 Hz F1 Q1 Y1 F2 U V M W PE Bild 16.4 Motorschutzschalter mit Bimetallauslöser Ein fehlerhaftes Gerät ohne entsprechende Schutzeinrichtung kann zur Entstehung gefährlicher Berührungsspannungen führen. Bild 16.5 zeigt einen Drehstrommotor mit einem durch einen Isolationsfehler entstandenen Körperschluss zwischen Leiter L1 und Motorgehäuse. Wegen gut isoliertem Prüfstand, Erdungswiderstand 18
R E der nlage und Erdungswiderstand R B zum Sternpunkt ist der Fehlerstrom so klein, dass weder die Motorsicherung schmilzt noch der Schutzschalter ausgelöst wird. Eine Tischlampe mit Körperschluss ist im Büro jahrelang benutzt worden, ohne dass in Folge des gut isolierenden Fußbodens ein Fehlerstrom fließen und sich ein Unfall ereignen konnte (Bild 16.6). Hat aber eine Person eine Hand am Lampenständer und berührt gleichzeitig mit der anderen Hand einen geerdeten Gegenstand (Wasserleitung, Heizkörper), so tritt zwischen den Händen die Berührungsspannung U B auf, die durch den Körper einen lebensgefährlichen elektrischen Strom schickt. 400/230 V, 50Hz L1 400/230 V, 50Hz L2 N L1 L3 M 3 R B R E R B R E U B E E L2 Bild 16.5 Unfall durch Körperschluss in einem L3 Bild 16.6 Unfall durch Körperschluss in Drehstrommotor (DIN VDE 0100) einer Tischlampe (DIN VDE 0100) PE N PE 19
Fragen zur Selbstkontrolle (Schutzmaßnahmen) Was ist ausschlaggebend für die Gefährdung des Menschens, die Höhe der Spannung oder die des Stroms? b welcher Gleich bzw. Wechselspannung können lebensgefährliche Situationen entstehen? Was sind Erder? Nennen Sie einige usführungen! Was versteht man unter Fehlerspannung, Berührungsspannung und Fehlerstrom? Erläutern Sie die TN, TT und ITNetzsysteme und deren nwendungsgebiete! Welche Schutzeinrichtungen sind jeweils bei diesen Netzsysteme zugelassen? Erwähnen Sie die gängigen Möglichkeiten zum Schutz der Leitungen und Netze in Niederspannungsbereich! Geben Sie jeweils die Grenzen deren Wirksamkeit! Nach welches elektrotechnisches Grundgesetz arbeiten RCD s (Fehlerstrom Schutzschalter)? Erwähnen Sie die Bemessungsströme von gängigen RCD s? In welche Räumlichkeiten ist der Einsatz von RCD s Pflicht? Was versteht man unter Schutzkleinspannung, Schutztrennung und Schutzisolierung? Wie viele Geräteschutzklassen gibt es? Welche Bezeichnungen haben sie? 20