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Schutzmaßnahmen | Elektrotechnik

Wirksamkeitsnachweis der automatischen Abschaltung - Relevante Größen mit Diagrammen und Software ermitteln

ep7/2008, 4 Seiten

Vorschriftsmäßiges Planen, Errichten, Instandhalten und Prüfen elektrischer Anlagen beinhaltet auch einen Nachweis der automatischen Abschaltung der Stromversorgung im Fehlerfall. Um diesen Nachweis zu erbringen und die geforderte elektrische Sicherheit bei relativ geringem Aufwand zu erreichen, bietet sich die Verwendung einer Planungssoftware an, die aussagekräftige und dokumentationsfähige Berechnungsverfahren zur Verfügung stellt.


Anforderungen an Schutzmaßnahmen Die im Juni 2007 erschienene neue Fassung der DIN VDE 0100-410 (VDE 0100-410) [1] fordert: · Schutz gegen direktes Berühren - Basisschutz sowie · Schutz bei indirektem Berühren - Fehlerschutz. Der Basisschutz wird gewährleistet durch eine Basisisolierung der aktiven Teile oder durch Abdeckungen bzw. Umhüllungen. Der Fehlerschutz beinhaltet den Schutzpotentialausgleich über die Haupterdungsschiene sowie die automatische Abschaltung der Stromversorgung im Fehlerfall, also praktisch die automatische Abschaltung der Stromversorgung eines TN-Systems im Fehlerfall. Automatische Abschaltung der Stromversorgung Die in Deutschland am weitesten verbreitete Netz-Konfiguration ist das TN-C-S-System, das im Bild dargestellt ist. Der in dem Bild eingezeichnete Fehlerstrom (IF) wird durch eine fehlerhafte Basisisolierung und Berührung eines spannungsführenden Leiters mit dem Gehäuse/Körper (Körperschluss) eines elektrischen Betriebsmittels verursacht. Somit handelt es sich um einen leitungsgebundenen einpoligen generatorfernen Anfangskurzschlusswechselstrom oder Dauerkurzschlussstrom (I"k1= Ik1 = IF). Aufgrund des relativ hohen Kurzschlussstroms können in den meisten Fällen Überstrom-Schutzeinrichtungen (Sicherungen, Leitungsschutzschalter und Leistungsschalter) die Aufgabe der automatischen Abschaltung der Stromversorgung relativ kostengünstig übernehmen. Wenn der Kurzschlussstrom die am Anfang des Stromkreises befindliche Überstrom-Schutzeinrichtung (Sicherung, Leitungsschutzschaler, Leistungsschalter) in der geforderten Abschaltzeit bei Einhaltung der Leitergrenztemperatur zum Abschalten bringen soll, muss er mindestens so groß wie der erforderliche Abschaltstrom Ia der Überstrom-Schutzeinrichtungen sein. Bei den Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen (RCDs) ist Ik1 sehr viel größer als der Bemessungsdifferenzstrom IN (meistens ist IN 30 mA) und bewirkt in diesem Fall immer eine sichere Abschaltung der Stromversorgung. Um auf der sicheren Seite zu sein, wird der kleinste einpolige Kurzschlussstrom Ik1min nach DIN EN 60909-0 (VDE 0102) [2] berechnet, der für die Auswahl und Ansprechsicherheit von Schutzeinrichtungen beim Schutz durch automatisches Abschalten der Stromversorgung im Fehlerfall zugrunde gelegt werden muss. Die Bedingung für den Nachweis der Abschaltung lautet also: (1) Ia ist der erforderliche Abschaltstrom der Schutzeinrichtung, der unter Beachtung der in [1] geforderten Abschaltzeiten (0,4 s für Endstromkreise bis 32 A und 5 s für Verteilungsstromkreise bei Niederspannungsnetzen 400/230 V AC) zum fließen kommen muss. Er wird aus den Herstellerangaben für die verwendeten Schutzeinrichtungen ermittelt. Hierbei handelt es sich meistens um Zeit-Strom-Kennlinien (z. B. Bild ), aus denen dieser Strom abgelesen werden kann. Ik1min ist von der Schleifenimpedanz Zs und der Leitertemperatur abhängig. Je kleiner dieser Wert ist, desto größer ist der zu erwartende einpolige Kurzschlussstrom Ik1min und umso sicherer erfolgt die Abschaltung der Schutzeinrichtung. Es gilt folgende Bedingung: (2) Zs zulässige Schleifenimpedanz (Summe der Scheinwiderstände) der Fehlerschleife, bestehend aus: · der Stromquelle · dem Außenleiter bis zum Fehlerort · dem Schutzleiter zwischen dem Fehlerort und der Stromquelle Ia Abschaltstrom, der das automatische Abschalten der Schutzeinrichtung im Fehlerfall bewirkt (siehe oben). U0 Nennwechselspannung (Effektivwert) - üblicherweise 230 V. Bei bereits vorhandenen Anlagen kann der Schleifenwiderstand gemessen und dann mit der nach (2) ermittelten zulässigen Schleifenimpedanz verglichen werden. Die gemessene Schleifenimpedanz muss möglichst kleiner oder zumindest gleich der zulässigen Schleifenimpedanz Zs sein, um ein sicheres Auslösen/Ansprechen der Schutzeinrichtung zu gewährleisten. Beim Erstellen, Erweitern oder Prüfen der Planungsunterlagen elektrischer Anlagen ist der Nachweis der automatischen Abschaltung der Stromversorgung im Fehler- Zs = Ik1min Ia Elektropraktiker, Berlin 62 (2008) 7 630 FÜR DIE PRAXIS Schutzmaßnahmen Wirksamkeitsnachweis der automatischen Abschaltung Relevante Größen mit Diagrammen und Software ermitteln H.-G. Beese, Berlin Vorschriftsmäßiges Planen, Errichten, Instandhalten und Prüfen elektrischer Anlagen beinhaltet auch einen Nachweis der automatischen Abschaltung der Stromversorgung im Fehlerfall. Um diesen Nachweis zu erbringen und die geforderte elektrische Sicherheit bei relativ geringem Aufwand zu erreichen, bietet sich die Verwendung einer Planungssoftware an, die aussagekräfige und dokumentationsfähige Berechnungsverfahren zur Verfügung stellt. Autor Dipl.-Ing. Hans-Georg Beese, Berlin, hat in der Planung und Projektierung sowie für Driescher Wegberg gearbeitet und ist jetzt selbstständig tätig. System nach Art der Erdverbindung: TN-C-S-System Stromversorgungssystem PEN/PE Beispiel für ein TN-C-S-System, bei dem aufgrund einer fehlerhaften Isolierung ein Fehlerstrom zum fließen kommen kann fall durch das Messen der Schleifenwiderstände naturgemäß nicht möglich. Dieser Nachweis muss dann durch Berechnung des zu erwartenden kleinsten einpoligen Kurzschlussstroms Ik1min unter Anwendung der Bedingung (1) erfolgen. Kleinster einpoliger Kurzschlussstrom Ik1min Für die Ermittlung oder Berechnung von Ik1min bieten sich u. a. folgende Möglichkeiten an: 1. Ermittlung von Ik1min mit einem Ruck-Zuck-Diagramm für einfache Fälle und wenn es schnell gehen soll. 2. Berechnung von Ik1min mit der Ruck-Zuck-Planungssoftware (Excel-Datei), wenn umfangreichere Berechnungsergebnisse und/ oder die anlagenspezifische Dokumentation benötigt werden. 3.1 Ermittlung aus Diagramm Diese Möglichkeit der Ermittlung von Ik1min bietet sich in Fällen an, bei denen es nicht auf die Stelle hinter dem Komma ankommt, wenn es schnell gehen muss und es lediglich um die Einhaltung der Bedingung (1) geht, also um einen Vergleich zweier Ströme, der zu Gunsten von Ik1min ausfallen muss. Dies ist der Fall, wenn eine gute Abschätzung ausreicht - z. B. beim Planen, Projektieren, Errichten, Erweitern, Instandhalten sowie bei der Kundenberatung und der Überprüfung des ungünstigsten Verbrauchers mit den größten Leitungs-/Kabellängen in Projektunterlagen oder vorhandenen elektrischen Anlagen. Für diese Möglichkeit der Ermittlung des Ik1min wird mit der Planungssoftware das Diagramm für die betreffende elektrische Anlage unter Beachtung der konkreten Randbedingungen erstellt. In diesem Diagramm wird Ik1min dann über der Kabel-/Leitungslänge (Entfernung) mit speziell geformten Kennlinien für jeden Querschnitt von 1,5 mm2 bis 300 mm2 aufgetragen. Hierfür müssen lediglich die Kurzschlusswerte des speisenden MS-Netzes vom Netzbetreiber und die technischen Daten des speisenden Netztrafos eingetragen werden. Konkrete Angaben für die Kabel-/Leitungsstrecken, wie z. B. in Bild , sind für eine gute Abschätzung nicht erforderlich. Das erhaltene Diagramm (Bild ) kann dann ausgedruckt werden, sodass daraus der zu erwartende kleinste einpolige Kurzschlussstrom Ik1min an jeder beliebigen Stelle der betreffenden elektrischen Anlage ablesbar ist. Das einfache Grundprinzip dabei ist, dass die Kabelstrecken in der Anlage Kennlinienabschnitten im Diagramm entsprechen. Das heißt, ausgehend von dem speisenden Transformator muss man lediglich der Reihe nach den Kennlinien der Kabel- bzw. Leitungsquerschnitte folgen. Wenn es im Strahlennetz zur Änderung des Querschnitts kommt, ändert man auch in dem Diagramm in waagerechter Richtung entsprechend den Querschnitt und folgt dieser Querschnittskennlinie bis zu der Stelle der nächsten Querschnittsänderung bzw. bis zum letzten Verbraucher. Umgekehrt kann man die zur Einhaltung des Abschaltstromes der Schutzeinrichtung (Ia) erforderlichen Kabel-/Leitungsquerschnitte mit dem Diagramm ebenfalls ermitteln. Mit einer waagerecht gedachten Linie im Diagramm ist es möglich, alle in Frage kommenden Querschnitte abzulesen, die zur Einhaltung dieses Wertes geeignet sind. An den Schnittpunkten mit den Querschnittskennlinien ist sofort ablesbar, welcher bzw. welche Querschnitte zum Einsatz kommen müssen, damit die Schutzeinrichtung im Fehlerfall sicher abschaltet. Jedoch begrenzen die kleinen Querschnitte Ik1min, sodass lediglich kurze Kabel-/Leitungslängen vorgesehen werden dürfen. Die Grenzlängen sind bei den größeren Querschnitten wesentlich länger. In Grenzbereichen ist eine genaue Eingabe der Kabel-/Leitungsstrecken erforderlich. Das Programm weist in diesem Fall die genauen Ergebnisse in einer Excel-Tabelle aus und stellt diese ebenfalls in dem Diagramm dar. Daraus ist ablesbar, welche Querschnitte geändert werden müssten, um die Bedingung nach (1) einhalten zu können. Die wichtigsten Vorzüge der beschriebenen Vorgehensweise sind: · Nutzbarkeit ohne besondere Einarbeitung · Schnelligkeit bei ausreichender Genauigkeit und damit große Zeitersparnis · Unabhängigkeit vom PC, da die Berechnung bereits erfolgt ist · ortsunabhängige Nutzbarkeit (z. B. auf Baustellen und in Beratungen) · selbsterklärender Charakter der Ruck-Zuck-Diagramme · einfache Möglichkeit des Variantenvergleichs · Verwendbarkeit für beliebig viele andere Abschätzungsfälle · Übersichtlichkeit, bei der die Abhängigkeit der interessierenden Größen von Einflussparametern sowie Tendenzen auf einen Blick erfasst und besser verfolgt werden können. 3.2 Berechnung mittels Software Hat man sich bereits bei den Kabel-/Leitungsquerschnitten festgelegt, weil sie aus anderen Gründen vorgegeben sind, z. B. aufgrund der Strombelastbarkeit, der Einhaltung des Spannungsfalls oder weil sie bereits vorhanden sind, kann mit der Planungssoftware der kleinste einpolige Kurzschlussstrom ebenfalls relativ einfach und schnell ermittelt werden. Die im Abschnitt 3.1 erwähnten Eingaben in der Excel-Datei des speisenden Netzes müssen nunmehr durch die restlichen Eingaben wie Kabel-/Leitungsquerschnitt sowie genaue Verlegungslängen und maximal zulässige Leitertemperatur ergänzt werden. Neben Feldern für diese Eingaben stehen in der Exel-Datei auch Kommentarfelder zum Eintragen von Vorhaben, Bearbeiter, Verteilungs-Bezeichnung, Stromkreis-Bezeichnung, Kabelnummer und weiteren individuellen Bezeichnungen zur Verfügung. Man erhält für jede beliebige Stelle in der elektrischen Anlage den im Fehlerfall auftretenden kleinsten einpoligen Kurzschlussstrom Ik1min, der nach (1) wieder größer als der erforderliche Abschaltstrom der Schutzeinrichtung sein muss. Die Planungssoftware ist so aufgebaut, dass auch gemischte Netze, bestehend aus Kabel und Freileitungen, berechnet werden können. Ebenso lassen sich die verwendeten Impedanzen editieren, d. h. sie können zum Beispiel durch Impedanzen von Sonderkabeln, Elektropraktiker, Berlin 62 (2008) 7 631 Schutzmaßnahmen FÜR DIE PRAXIS 104 103 102 101 101 100 10-1 2 5 102 2 5 103 2 5 104 2 5 105 2 A 10-2 5 s 0,4 s 2 6 16 25 40 63 100160 250 400 630 1000 Beispiel eines Strom-Zeit-Diagramms für gG-Sicherungseinsätze Je nach geforderter Abschaltzeit (0,4 s oder 5 s) kann der erforderliche Abschaltstrom (Ia) der Sicherung abgelesen werden Elektropraktiker, Berlin 62 (2008) 7 632 wie Kabeln mit Dreieinhalb-Leiter, ausgetauscht werden. Zusätzliche Berechnungsergebnisse sind die maximalen dreipoligen Kurzschlussströme Ik3max, der Spannungsfall, Leistungsverlust und Schleifenimpedanz. Die dazugehörigen Diagramme werden entsprechend der Eingaben errechnet und können wieder je nach Bedarf abgerufen bzw. ausgedruckt werden. Soll eine bereits bestehende elektrische Anlage erweitert werden, empfiehlt es sich, die Schleifenimpedanz vor Ort zu messen und mit diesem Messwert in der Planungssoftware weiterzurechnen. Beispiel Niederspannungsnetze lassen sich in den meisten Fällen in Strahlennetze zerlegen. Die Kurzschlussströme und Netzverluste sind dabei von den in Reihe liegenden Impedanzen der Betriebsmittel (Trafo, Kabel, Leitungen, Schalter, Sicherungen) abhängig. Zur Überprüfung des ungünstigsten Verbrauchers auf Einhaltung der automatischen Abschaltung der Stromversorgung im Fehlerfall wurde der im Bild dargestellte Netzabschnitt zur besonderen Betrachtung herausgelöst. Nur die im Übersichtsplan enthaltenen Angaben sind der Reihe nach in die gelben Felder der zuvor erwähnten Excel-Datei einzugeben [3]. Anschließend können die Tabelle mit den Berechnungsergebnissen sowie das Diagramm (Bild ) mit den kleinsten einpoligen Kurzschlussströmen (Ik1min) ausgedruckt werden. Vorteilhaft ist, dass neben den korrekten Zahlenwerten aus der Tabelle nun auch das Ruck-Zuck-Diagramm zur Verfügung steht. Im Gegensatz zur Excel-Tabelle werden in dem Diagramm die Berechnungsergebnisse sichtbar gemacht. Die kleinen Pfeile verdeutlichen den Stromverlauf wie im Übersichtsplan dargestellt. Die waagerechten Linien für den Ik1min an den interessierenden Stellen in der elektrischen Anlage berühren hier alle Querschnitte, sodass relativ einfach ersichtlich wird, welche anderen Querschnitte für die Einhaltung des Ik1min eingesetzt werden könnten. Das verschafft Klarheit und einen guten Überblick über die Situation im Netz. Lotet man von den Schnittpunkten mit den Querschnittskennlinien auf die Achse mit der Entfernung (in Meter), erhält man die erforderlichen Grenzlängen. Es kann Geld gespart werden, wenn erkannt wird, dass manche Querschnitte überdimensioniert sind und durch kostengünstigere Querschnitte ersetzt werden können, falls sie nicht aus anderen Gründen erforderlich sein sollten. Auf der anderen Seite wird aber auch ersichtlich, wenn eventuell Grenzlängen überschritten wurden und das sichere Abschalten der Stromversorgung im Fehlerfall nicht mehr gewährleistet ist. All diese Informationen sind in einer reinen Auflistung der Berechnungsergebnisse in der Excel-Tabelle nicht ersichtlich. Die Tabelle ist jedoch für die Dokumentation der rechnerisch genau ermittelten Kurz- 300 Cu 240 Cu 185 Cu 150 Cu 120 Cu 95 Cu 70 Cu 50 Cu 35 Cu 25 Cu 16 Cu 10 Cu 6 Cu 4 Cu 2,5 Cu 1,5 Cu 0,1 1 10 100 1000 10000 Entfernung Ik1 MS-Netz 315 kVA 25 m/300 mm2 55 m/185 mm2 50 m/120 mm2 50 m/70 mm2 50 m/35 mm2 20 m/2,5 mm2 1pol. min. Anfangskurzschlusswechselstrom Cu Leiter 1 Leiter 2 Leiter 3 Leiter 4 Leiter 5 Leiter 6 Diagramm, das u. a. mit Angaben zu den einzelnen Kabel-/ Leiterabschnitten ermittelt wurde Pfeile verdeutlichen den Stromfluss vom speisenden Trafo über Leiter 1, 2, 3, 4, 5 und 6 bis zum Verbraucher 300 Cu 240 Cu 185 Cu 150 Cu 120 Cu 95 Cu 70 Cu 50 Cu 35 Cu 25 Cu 16 Cu 10 Cu 6 Cu 4 Cu 2,5 Cu 1,5 Cu 0,1 1 10 100 1000 10000 Entfernung Ik1 MS-Netz 315 kVA 20 m/240 mm2 11 m/16 mm2 6,5 m/2,5 mm2 1pol. min. Anfangskurzschlusswechselstrom Cu Diagramm zur Ermittlung von Ik1min, das nur anhand der Daten des Trafos und des MS-Netzes erstellt wurde FÜR DIE PRAXIS Schutzmaßnahmen schlussströme und Netzverluste mit drei Stellen hinter dem Komma wichtig. Will man eine relativ genaue Abschätzung durchführen oder Reserven für ein Höchstmaß an Sicherheit und Wirtschaftlichkeit aufspüren, ist das entsprechende Ruck-Zuck-Diagramm mit den speziell geformten Kennlinien erforderlich. Die sich aus dieser Optimierung ergebenden Änderungen an Kabel-/Leitungslängen und/oder -querschnitten können dann in die Tabelle für eine endgültige Dokumentation der genauen Berechnungsergebnisse eingegeben werden. Zusammenfassung Die am häufigsten angewendete Schutzmaßnahme in elektrischen Anlagen mit Einsatz des TN-Systems ist der Schutz durch automatische Abschaltung der Stromversorgung im Fehlerfall. Um den rechnerischen Nachweis für die Wirksamkeit dieser Schutzmaßnahme zu erbringen, muss der minimale einpolige Kurzschlussstrom Ik1min bekannt sein. Mit Hilfe der vorgestellten Planungssoftware lässt sich dieser Strom relativ einfach und schnell sowohl aus Diagrammen als auch aus einer Tabelle ermitteln. Dieses Planungswerkzeug hilft dabei, Reserven aufzudecken und die elektrische Sicherheit und Wirtschaftlichkeit zu optimieren. Die Ruck-Zuck-Diagramme haben den Vorzug, dass sie am Arbeitsplatz mit der Planungssoftware am Rechner erstellt werden können und dann auch vor Ort, z. B. auf Baustellen oder bei Kundenberatungen, für schnelle Abschätzungen usw. sofort verfügbar sind. In Grenzbereichen bietet sich eine genaue Berechnung mit der dokumentationsfähigen Ruck-Zuck-Planungssoftware an. Damit wird ein rationelles Planen und Dimensionieren vom ersten Abschätzen über den Variantenvergleich bis hin zu einem genauen Ergebnis möglich. Literatur [1] DIN VDE 0100-410 (VDE 0100-410):2007-06 Errichten von Niederspannungsanlagen, Teil 4-41: Schutzmaßnahmen - Schutz gegen elektrischen Schlag. [2] DIN EN 60909-0 (VDE 0102):2002-07 Kurzschlussströme in Drehstromnetzen - Teil 0: Berechnung der Ströme. [3] Beese, H.-G.: Verfahren zum Ermitteln wichtiger Anlagendaten. Elektropraktiker, Berlin 61 (2007) 8; S. 694-696. [4] Hörmann, W.; Nienhaus, H.; Schröder, B.: Schnelleinstieg in die neue DIN VDE 410 (VDE 0100-410):2007-06; Berlin, VDE-Verlag 2007. Elektropraktiker, Berlin 62 (2008) 7 633 s''k3max = 500 MVA (bzw. I''k3) s''k3min = 250 MVA (bzw. I''k1) vorgeordnetes Netz (bei VNB erfragen) Netztrafo: 20 kV/0,4 kV, 315 kVA DY 5, uk = 4 % (aus Typenschild) NS-Hauptverteilung in der Trafostation Leiter 1: NYY-J 4 x 300 25 m Leiter 2: NYY-J 4 x 185 55 m Leiter 3: NYY-J 5 x 120 50 m Leiter 4: NYY-J 5 x 70 50 m Leiter 5: NYY-J 5 x 35 50 m Leiter 6: NYY-J 5 x 2,5 20 m Gebäudehauptverteilungsebene Unter verteilungsebene 1 Unter verteilungsebene 2 Unter verteilungsebene 3 Unter verteilungsebene 4 ungünstigster Verbrauch (z. B. zu überprüfender Verbrauch) Sicherung 25 A Ia = 120 A Ik = 380 A Übersichtsplan eines zu berechnenden Netzabschnitts Nach Dateneingabe kann aus 14 Diagrammen das entsprechende für IK1min ausgewählt werden Mit CD-ROM Jetzt bestellen! Berücksichtigt die neue DIN VDE 0701/0702! Ich bestelle zur Lieferung gegen Rechnung zzgl. Versandspesen zu den mir bekannten Geschäftsbedingungen beim huss-shop, HUSS-MEDIEN Gmb H, 10400 Berlin KUNDEN-NR. (siehe Adressaufkleber oder letzte Warenrechnung) Firma/Name, Vorname Branche/Position/z. Hd. Telefon/Fax E-Mail Straße, Nr./Postfach Land/PLZ/Ort Datum/Unterschrift ep0807 HUSS-MEDIEN Gmb H 10400 Berlin Direkt-Bestell-Service: Tel. 030 42151-325 · Fax 030 42151-468 E-Mail: bestellung@huss-shop.de www.huss-shop.de Preisänderungen und Liefer möglichkeiten vorbehalten Das Buch vermittelt Ihnen die rechtlichen und technischen Festlegungen beim Prüfen. Sie erfahren welche Vorgaben bei der Umsetzung in der betrieblichen Praxis zu beachten sind. Enthalten sind Angaben zum ordnungsgemäßen Vorbereiten sowie normgerechten Durchführen der Prüfungen Die CD-ROM enthält u. a. Software-Demoversionen, Mustervorlagen und Produktabbildungen Bödeker, Prüfung ortsfester und ortsveränderlicher Geräte, 6., aktual. Aufl. 2008, ca. 260 S., inkl. 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Autor
  • H.-G. Beese
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