Grundsätzliches

Aus Planungskompendium Energieverteilung

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Die wichtigsten NS-Verteilsysteme

In einem typischen NS-Netz gehen die Verteilstromkreise von einem NS-Hauptverteiler aus, von dem aus die Verbraucher über Unterverteiler und/oder Installationsverteiler versorgt werden.

NS-Verteilebenen

Für mittelgroße bis große elektrische Anlagen werden im Allgemeinen drei Verteilungsebenen verwendet, um alle Verbraucher mit NS-Leistung zu versorgen:

  • Verteilung vom NS-Hauptverteiler
Von dieser Ebene ausgehend, wird die Energie von einem oder mehreren Verteiltransformator(en), die an das HS-Verteilnetz des Netzbetreibers angeschlossen sind, verteilt zu:
  • verschiedenen Bereichen der elektrischen Anlagen: Werkstätten in einer Fabrik, gleichartige Produktionsbereiche an Industrie-Anlagen, Etagen in Bürogebäuden usw.,
  • zentralisierten leistungsstarken Verbrauchern, wie z.B. Druckluftkompressoren und Kühlwassereinrichtungen in industriellen Prozessen oder Klimaanlagen und Aufzüge in Bürogebäuden
  • Unterverteilung zur Stromverteilung in jedem Bereich
  • Endverteilung zur Versorgung der verschiedenen Verbraucher

Die grundlegenden Netzstrukturen (siehe Abb. E1)

Alle Verteilsysteme sind Kombinationen aus zwei grundlegenden Netzstrukturen:

  • zentrale Energieverteilung über ein strahlenförmiges Netz
  • dezentrale Energieverteilung mit Schienenverteilern als Verteilnetz über einzelne oder mehrere Stränge.

Abb. E1Die zwei grundlegenden Strukturen von Verteilsystemen

Wählen eines Verteilsystems

Die Wahl eines NS-Verteilsystems hängt von einigen Kriterien ab:

Anforderungen an die Versorgungssicherheit

Die Errichtung unabhängiger Stromkreise für verschiedene Anlagenteile ermöglicht:

  • die Begrenzung der Auswirkungen eines Fehlers auf den betreffenden Stromkreis,
  • eine einfachere Fehlerortung,
  • die Durchführung von Wartungsarbeiten oder Stromkreiserweiterungen ohne Unterbrechung der Energieversorgung der gesamten Anlage.

Im Allgemeinen sind folgende Stromkreisgruppen erforderlich:

  • Beleuchtungsstromkreise (die Stromkreise mit den meisten Isolationsfehlern)
  • Stromkreise für Steckvorrichtungen (höchste Anforderungen an den Personenschutz)
  • Heizungs-, Lüftungs- und Klimastromkreise
  • Leistungsstromkreise für fest errichtete Anlagen mit Motorantrieben
  • Energieversorgungsstromkreise für zusätzliche Einrichtungen (Melde- und Steuereinrichtungen)
  • Stromkreise für Sicherheitssysteme (Notbeleuchtung, Brandschutzsysteme und Stromkreise von USV-Anlagen für Rechnersysteme usw.), deren Errichtung normalerweise strengen Vorschriften und Verfahrensregeln unterliegt.

Größe der elektrischen Anlage (zu versorgender Bereich und zu verteilende Gesamtleistung)

  • Kleinere elektrische Anlagen werden direkt aus dem NS-Netz des Netzbetreibers versorgt, wenn die Größe und der erforderliche Leistungsbedarf der elektrischen Anlage kein Verteilsystem mit 3 Ebenen (siehe Abb. E2) rechtfertigen.
Die elektrische Energieverteilung kleinerer elektrischer Anlagen, z.B. in Kaufhäusern, Wohnungen oder kleinen Bürogebäuden, wird meistens nur auf einer oder zwei Ebenen durchgeführt.

Abb. E2Kleine elektrische Anlagen mit geringem Leistungsbedarf

  • Bei mittelgroßen elektrischen Anlagen, z.B. in Fabriken oder großen Bürogebäuden, sind im Allgemeinen die abnehmereigenen Verteiltransformatoren an das HS-Verteilnetz des Netzbetreibers angeschlossen (siehe Abb. E3).
Ein oder mehrere Verteiltransformatoren und deren zugehörige NS-Hauptverteiler versorgen die gesamte Anlage.

Abb. E3Mittelgroße elektrische Anlagen

  • Große Industrie- oder Infrastruktur-Standorte (z.B. Flughäfen) sind im Allgemeinen an das HS-Übertragungsnetz des Netzbetreibers angeschlossen. Ein HS-Verteilsystem versorgt HS/NS-Umspannstationen, die sich an verschiedenen Punkten am Standort befinden (siehe Abb. E4).

Abb. E4Große elektrische Anlagen in der Industrie oder Infrastruktur

Verbraucheranordnung am Standort (Geräte- und Leistungsdichte)

Zwei Verbrauchertypen (abhängig von deren Anordnung am Standort) müssen berücksichtigt werden:

  • Große, zentral angeordnete Verbraucher entsprechen i. Allg. Gebäudeanlagen, die für den gesamten Standort eingesetzt werden (z.B. zentrale Klimaanlagen, Aufzüge, Kühlanlagen in Supermärkten, Druckluftkompressoren in industriellen Anwendungen)
  • Dezentrale Verbraucher können bereichsweise in Gruppen eingeteilt werden (Etagen, Werkstatt einer Fabrik, Fertigungsstraße). Sie werden durch zwei Parameter gekennzeichnet: Leistungsdichte (in VA/m2) und Gerätedichte (in Anzahl der Geräte pro 10 oder 100 m2) (siehe Abb. E5).
Niedrige Leistungsdichte
< 100 VA/m2
Hohe Leistungsdichte
> 100 VA/m2
Niedrige Gerätedichte
  • Maschinenzentren
  • Dachklimaanlagen in Fabriken
    oder Supermärkten
Hohe Gerätedichte
  • Beleuchtung
  • Bürogeräte: Computer, Drucker
  • Handarbeitsplätze, z.B. in der
    Bekleidungsindustrie
  • Maschinenhallen, Pressen

Abb. E5Beispiel für zentrale und dezentrale Verbraucher

Anforderungen an die Anlagenflexibilität

Die Anforderungen an die Anlagenflexibilität steigen besonders aufgrund wirtschaftlicher Anforderungen im industriellen Bereich ständig an. Diese Anforderungen betreffen hauptsächlich dezentral angeordnete Verbraucher und sind auf jeder Verteilebene vorhanden:

  • NS-Hauptverteilebene: Flexibler Aufbau, so dass elektrische Energie auf die verschiedenen Standortbereiche verteilt werden kann, ohne dass die Anforderungen auf der Unterverteilebene genauer bekannt sind.
Typisches Beispiel: In Bürogebäuden werden Steigleitungen zur Verteilung der elektrischen Energie auf allen Etagen eingesetzt. Sie werden entsprechend der durchschnittlich erforderlichen Leistung der gesamten elektrischen Anlage dimensioniert, so dass die sehr unterschiedlichen Leistungsanforderungen auf jeder Etage erfüllt werden können, auch wenn diese während der Planungsphase nicht genau bekannt sind.
  • Unterverteilebene: Flexibilität für die Installation und den Betrieb
  • Endverteilebene: Flexibilität für die Nutzung

Einsatzort der HS/NS-Umspannstation und der NS-Hauptverteiler

Am Anfang der Planung einer elektrischen Anlage und der Festlegung des tatsächlichen Standorts von Unterverteilern und Installationsverteilern sollte eine Zeichnung der Gebäude vorliegen, die den Einsatzort der Verbraucher zusammen mit deren Leistungsanforderungen enthält.

Die HS/NS-Umspannstation, Ersatzstromversorgung und der NS-Hauptverteiler sollten, sowohl aus technischen als auch aus wirtschaftlichen Gründen entsprechend dem Barycenter Verfahren nach IEC 60364-8-1 (VDE 0100-801), so nah wie möglich im Zentrum des Lastschwerpunktes errichtet werden. An großen Industriestandorten können auch mehrere HS/NS-Umspannstationen und NS-Hauptverteiler auf Grundlage der Lastschwerpunkte installiert werden.

Dennoch müssen viele andere Faktoren betrachtet werden, insbesondere muss die Genehmigung des Netzbetreibers eingeholt werden, der für das Versorgungsgebiet und den darin enthaltenen HS/NS-Umspannstationen zuständig ist.

Beispiele für Verteilsysteme

Zentrale Energieverteilung über ein strahlenförmiges Verteilnetz

Dieses Verteilsystem wird am Häufigsten eingesetzt. Es beinhaltet im Allgemeinen Anordnungen, die den im Folgenden beschriebenen ähneln.

  • Vorteile
    • Bei Auftreten eines Fehlers wird bei Einhaltung der Selektivität nur ein Stromkreis ausgeschaltet (durch Leistungsschalter, Sicherung oder Leitungsschutzschalter)
    • Fehler können leicht lokalisiert werden‚
    • Wartungsarbeiten oder Erweiterungen des Stromkreises können auch dann durchgeführt werden, wenn die restliche Anlage in Betrieb ist. Die Leiterquerschnitte können aufgrund der abnehmenden Stromwerte zu den Abgangsstromkreisen hin reduziert werden, abhängig von der Einhaltung der Abschaltbedingungen.
  • Nachteile
    • Ein an einem der Leiter der NS-Hauptverteiler auftretender Fehler führt zu einer Unterbrechung der Versorgung aller Stromkreise von nachgeschalteten Unter- und Installationsverteilern.
  • Versorgungsaufbau mit Kabel (siehe Abb. E6)
Der Aufbau einer Stromversorgung rein auf Kabel ist für die Gebäude geeignet, in denen das elektrische Verteilsystem keinen Veränderungen unterworfen ist und sich die Standorte von Verbrauchern nicht ändern, wie z.B. Wohnungen, Hotels, landwirtschaftliche Betriebe, Schulen usw.

Abb. E6Strahlenförmig verzweigte Verteilung über ein konventionelles Kabel-/Leitungsnetz auf 3 Ebenen

Dezentrale Energieverteilung mit Schienenverteilern als Verteilnetz über einzelne oder mehrere Stränge

  • Schienenverteiler können eingesetzt werden, um eine hohe Flexibilität für zukünftige Erweiterungen oder Änderungen des elektrischen Verteilsystems zu gewährleisten. Um sicherzustellen, dass sich die erhöhte Flexibilität für zukünftige Erweiterungen nicht negativ auf die Bedienfreundlichkeit auswirkt, ist es notwendig, Schutzeinrichtungen möglichst in der Nähe der Verbraucher zu errichten.
  • Schienenverteiler als Unterverteiler (siehe Abb. E7)
Schienenverteiler sind eine hervorragende Lösung für Anlagen in industriell und kommerziell genutzten Gebäuden, in denen sich die Anordnung der Verbraucher aufgrund von Nutzungsänderungen oder Anschlusswerten häufig ändert.
Besondere Vorteile: Flexible und einfache Installation in großen, nicht unterteilten Bereichen. Geringe Brandlast bei hoher Stromtragfähigkeit und geringem Spannungsfall.

Abb. E7Strahlenförmig verzweigte Verteilung mit Hilfe von Schienenverteilern auf der Unterverteilungsebene

  • Schienenverteiler für Installationsverteiler (siehe Abb. E8)
Für Büros, Laboratorien und alle Einsatzorte, die häufigen Nutzungsänderungen unterliegen.
Besondere Vorteile: Eine flexible, attraktive und einfach zu installierende Lösung für Installationsverteiler an Einsatzorten, an denen die Geräteeinteilung häufig benutzerspezifisch geändert wird.

Abb. E8Strahlenförmig verzweigte Verteilung mit Hilfe von Schienenverteilern zur Beleuchtungs- und Steckvorrichtungsendverteilung

Einfache (unverzweigte) strahlenförmige Verteilung

Dieses System (siehe Abb. E9) wird eingesetzt zur zentralen Versorgung, Steuerung, Betriebsleitung, Wartung und Überwachung von Anlagen oder Prozessen, die für eine spezielle Anwendung bestimmt sind.

  • Vorteile
    • Ein abgangsseitiger auftretender Fehler führt nur zur Unterbrechung des betroffenen Stromkreises).
  • Nachteile
    • Hoher Materialaufwand aufgrund der großen Anzahl von Stromkreisen und deren Länge.
    • Hohe Anforderungen an das Abschaltvermögen der Schutzeinrichtung (geringe Dämpfung des Kurzschlussstroms durch die Nähe zur Quelle)

Abb. E9Einfache strahlenförmige Verteilung

Gemischte Verteilung aus NS-Hauptverteilern (zentral) und Hochstrom-Schienenverteilern (dezentral)

Prinzip: Ein an die NS-Hauptverteiler angeschlossener Hochstrom-Schienenverteiler versorgt eine Vielzahl von weiteren Unterverteilern und/oder Verbrauchern im Gebäude, die sich in der Nähe vom Schienenverteilerstrang befinden. Hochstrom-Schienenverteiler werden häufig auch zur Verbindung zwischen Hauptverteilern verwendet, die sich an unterschiedlichen Standorten im Gebäude befinden oder als Transformatorüberleitung anstelle einer Vielzahl von parallel verlegten Kabeln.

Einige Beispiele (siehe Abb. E10 und Abb. E11):

  • Ein einziger NS-Hauptverteiler

Abb. E10Beispiel mit einem einzigen NS-Hauptverteiler

  • Über den gesamten Standort installierte HS/NS-Verteiltransformatoren und NS-Hauptverteiler

Abb. E11Beispiel mit 2 Trafostationen

  • Vorteile
    • Größere Flexibilität im Aufbau, Unabhängigkeit des Aufbaus und der Installation der NS-Hauptverteilebene in Bezug auf die Unterverteilebene, höhere Energieverfügbarkeit für die elektrische Anlage.
    • Parallelgeschaltete Stromquellen gewährleisten die Verfügbarkeit elektrischer Energie bei Ausfall einer der Stromquellen. Sie ermöglichen ebenso die Berücksichtigung ungleichmäßiger Verteilungen aufgrund unterschiedlicher Verbraucheranforderungen innerhalb der elektrischen Anlage.

Wechseln des Netzsystems

In großen NS-Verteilnetzen werden normalerweise zwei Spannungsebenen verwendet:

  • 400 V (Allgemeinversorgung) und 500 V oder 690 V (hauptsächlich für Motoren und Prozessanwendungen)
  • 230 V (für Beleuchtungsstromkreise und Stromkreise für Steckvorrichtungen)

Ist der Neutralleiter nicht verteilt, werden NS/NS-Transformatoren installiert, wo ein Neutralleiter erforderlich ist. Diese Transformatoren ermöglichen eine galvanische Trennung zwischen den Stromkreisen und somit das Wechseln des Netzsystems mit einer Verbesserung der Isolationseigenschaften (s. Abb. E12).

Abb. E12Verwendung eines ein- oder dreiphasigen NS/NS-Transformators zum Wechseln von einem IT- zu einem TT-System