Definition der Systeme nach Art der Erdverbindung

Aus Planungskompendium Energieverteilung

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Die verschiedenen beschriebenen Systeme nach Art der Erdverbindung kennzeichnen die der Sekundärwicklung eines Verteiltransformators nachgeschaltete Erdungsmethode der Anlage und die verwendeten Mittel zur Erdung der berührbaren leitfähigen Teile des durch diesen Transformator versorgten NS-Verteilnetzes.

Die Wahl dieser Systeme nach Art der Erdverbindung bestimmt die zum Schutz bei indirektem Berühren notwendigen Maßnahmen.

Die Wahl des Systems nach Art der Erdverbindung beinhaltet drei unabhängig voneinander zu treffende Entscheidungen des Planers eines elektrischen Verteilsystems oder eines Netzes:

  • Wahl des Anschlusstyps des elektrischen Systems und der berührbaren Teile an den Erder.
  • Verwendung eines separaten Schutzleiters oder Schutz- und Neutralleiter werden zu einem einzigen Leiter (PEN-Leiter) zusammengefasst.
  • Einsatz von Erdschlussschutz- oder Überstromschutzeinrichtungen, die nur relativ hohe Fehlerströme abschalten oder Einsatz von Fehlerstromschutzschaltern, die selbst kleinste Erdschlussströme aufgrund eines Isolationsfehlers erfassen und abschalten können.

In der Praxis wurden diese Entscheidungen, wie im Folgenden beschrieben, zusammengefasst und standardisiert.

Jeder dieser Entscheidungen liegen Systeme nach Art der Erdverbindung mit Vor- und Nachteilen zugrunde:

  • Der Anschluss der Körper von elektrischen Betriebsmitteln und des Sternpunktes an den Haupterdungsanschluss als Potentialausgleich führt zu niedrigeren Überspannungen, jedoch auch zu einer Erhöhung der Erdschlussfehlerströme.
  • Ein separater Schutzleiter, auch mit einem kleinen Querschnitt, verursacht zusätzliche Kosten, wird jedoch weniger durch Spannungsfälle und Oberschwingungen usw. belastet als ein Neutralleiter. Ebenso werden vagabundierende Ströme vermieden.
  • Durch den Einbau von Fehlerstromschutzschaltern oder Isolationsüberwachungseinrichtungen, die bei geringen Fehlerströmen ansprechen, können Fehler häufig beseitigt werden, bevor große Schäden entstehen können (Tod durch elektrischen Schlag, Brände, Anlagenschäden). Diese aktiven Schutzmaßnahmen sind auch bei Veränderungen vorhandener Anlagen wirksam.

TT-System (geerdeter Sternpunkt)

(siehe Abb. E24)

Ein Punkt an der Stromquelle ist direkt geerdet. Alle berührbaren und außenliegenden leitfähigen Teile sind an einen separaten Erder der Anlage angeschlossen.

Diese Erde kann von der Quellenerde elektrisch unabhängig sein oder nicht.

Die zwei Einflussbereiche dürfen sich nicht überschneiden, damit die Funktion der Schutzeinrichtungen nicht beeinträchtigt wird.

Abb. E24TT-System

TN-Systeme (Körper sind an den geerdeten Sternpunkt über Schutz- und PEN-Leiter angeschlossen)

Die Quelle ist wie im TT-System (oben) geerdet. In dem Netz sind alle berührbaren und leitfähigen Teile an den Schutzleiter (PE) angeschlossen. Die verschiedenen Ausführungen des TN-Systems werden im Folgenden erläutert.

TN-C-System

(siehe Abb. E25)

Es wird ein Leiter verwendet, der zugleich die Funktion eines Schutzerdungsleiters und eines Neutralleiters erfüllt, der als PEN-Leiter (Protective Earth and Neutral) bezeichnet wird. Dieses System ist für Schutzleiter und Neutralleiter mit einem Querschnitt unter 10 mm2 Cu oder für tragbare Betriebsmittel nicht zulässig. In den PEN-Leiter darf keine Schalt- oder Trenneinrichtung eingesetzt werden.

Das TN-C-System erfordert eine Umgebung mit effektivem Potentialausgleich innerhalb der Anlage mit (möglichst gleichmäßig) verteilten Erdern, da der PEN-Leiter den Neutralleiter beinhaltet und gleichzeitig Phasenunsymmetrieströme und Oberschwingungsströme der 3. Ordnung (und deren Vielfache) führt. Der PEN-Leiter muss daher an mehrere Erdern in der Anlage angeschlossen sein.

Vorsicht: Im TN-C-System hat die „Schutzleiter”-Funktion Vorrang vor der „Neutralleiter”-Funktion. Insbesondere muss ein PEN-Leiter immer an die Schutzleiterklemme eines Verbrauchers angeschlossen sein.

Abb. E25TN-C-System

TN-S-System

(siehe Abb. E26)

Das TN-S-System (5-Leiter-System) ist für Stromkreise mit Querschnitten unter 10 mm2 und für ortsveränderliche Betriebsmittel obligatorisch.

Der Schutzleiter und der Neutralleiter sind separat ausgeführt, wobei der Neutralleiter isoliert aufgebaut wird.

Abb. E26TN-S-System

TN-C-S-System

(siehe Abb. E27 und Abb. E28)

Die TN-C- und TN-S-Systeme können im gleichen Netz verwendet werden.

Im TN-C-S-System darf das TN-C-System (4-Leiter-System) niemals dem TN-S-System (5-Leiter-System) nachgeschaltet werden, da in einem solchen Fall Fehlerströme über den Schutzleiter zum Fließen kommen.

Abb. E27TN-C-S-System

Abb. E28Anschluss des PEN-Leiters im TN-C-System

IT-System (isolierter oder über eine hohe Impedanz geerdeter Sternpunkt oder Außenleiter)

IT-System (isoliertes Netz)

Der Sternpunkt der Stromquelle ist isoliert, d.h. nicht geerdet (siehe Abb. E29).

Die berührbaren leitfähigen Teile im Netz sind miteinander verbunden und an einen Erder angeschlossen (wie bei TN- und TT-Systemen).

Abb. E29IT-System (isolierter Neutralleiter)

Im Normalbetrieb (ohne Isolationsfehler) wird das Netz durch die Streuimpedanz des Netzes geerdet. Parallel zu dieser (verteilten) resistiven Kriechstrecke verläuft die verteilte kapazitive Stromstrecke. Beide bilden zusammen die normale Streuimpedanz gegen Erde (siehe Abb. E30).

Abb. E30IT-System (isolierter Sternpunkt)

Beispiel

(siehe Abb. E31)

In einem dreiphasigen 3-Leiter-NS-System hat ein Kabel mit einer Länge von 1 km durch C1, C2, C3 und R1, R2 und R3 eine Streuimpedanz, die einer Erdungsimpedanz Zct von 3000 bis 4000 Ω entspricht, ohne Berücksichtigung der Filterkapazitäten von elektronischen Geräten.

Abb. E31Impedanz entsprechend den Streuimpedanzen in einem IT-System

IT-System (über eine hohe Impedanz geerdeter Sternpunkt)

Um das Potential eines IT-Netzes gegenüber Erde festzulegen, wird, besonders wenn es kurz ist empfohlen, eine Impedanz Zs (ca. 1500 Ω) zwischen den Sternpunkt der NS-Wicklung des Transformators und Erde zu schalten (siehe Abb. E32). Alle berührbaren leitfähigen Teile sind an einen Erder angeschlossen. Die Gründe für diese Form von Quellenerdung sind die Festlegung des Potentials eines kleinen Netzes gegenüber Erde (Zs ist klein, verglichen mit der Streuimpedanz) und die Reduzierung der Überspannungswerte, wie z.B. übertragene Spannungsstöße von den HS-Wicklungen, statische Ladungen usw. gegenüber Erde. Dadurch wird der Fehlerstrom durch den ersten Fehler leicht erhöht.

Abb. E32IT-System (über eine hohe Impedanz geerdeter Sternpunkt)