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Ströme auf PE/PA-Leitern in Anlagen mit Antriebstechnik Teil 1
Grundlagen zur Entstehung, kapazitiver Einfluss der Leitungen

Dieser Beitrag beschreibt die verschiedenen Ursachen für die Entstehung von Potentialausgleichsströmen in Anlagen, Möglichkeiten zur Messung/Analyse und Maßnahmen zur Vermeidung dieser Ausgleichsströme mit besonderem Bezug auf Antriebsumrichtern. Dabei werden die Phänomene insbesondere aus Sicht der elektromagnetischen Verträglichkeit betrachtet.

Sicherungskasten/Stromunterbrechung  (Foto: Klaus Eppele/stock.adobe.com)

Sicherungskasten/Stromunterbrechung (Foto: Klaus Eppele/stock.adobe.com)

Haushalte, Gewerbe und Industrie in Deutschland sind heutzutage nahezu flächendeckend mit Unterhaltungselektronik, PC und Datenverarbeitungsgeräten sowie energiesparenden Beleuchtungssystemen ausgerüstet.

In Büro- und Verwaltungsgebäuden kommt in zunehmendem Maße neben der einphasigen Elektronik für PC, Energiespar-, LED- und Leuchtstofflampen auch im Drehstromnetz Leistungselektronik für die Regelung von Heizung, Lüftung und Klimatisierung zum Einsatz. Diese nutzen moderne Frequenzumrichtertechnik für maximale Effizienz der Systeme, um so hohen Komfort bei gleichzeitig deutlichen Energieeinsparungen zu erreichen.

Gleiches gilt für den industriellen Bereich, in dem alle Produktionsprozesse stufenlos regelbar sein müssen, um die hohen Qualitätsanforderungen und eine optimale Produktivität zu garantieren.

Weiterhin hat sich ein bedeutender Bestand an Solarwechselrichtern in unseren Niederspannungsnetzen gebildet.

Ursachen und Wirkungen

In modernen Niederspannungsnetzen kommt es – allerdings unbeabsichtigt, sozusagen als unerwünschter Nebeneffekt – zur Entstehung von Strömen, die sich über Schutzleiter (PE-) und Potentialausgleich (PA-Leitungen) sowie mit Erdpotential verbundene Strukturen ausbreiten.

Dies kann im ungünstigen Fall zu unerwünschten Auslösungen von Schutzeinrichtungen führen, die beispielsweise zur Sicherstellung von Personen- und Brandschutz vorgesehen sind. Denn Schutz- und Überwachungsgeräte arbeiten nach dem Prinzip, einen möglichen Fehlerstrom auf dem PE-Leiter durch eine Differenzstrommessung mit Effektivwertauswertung zu detektieren. Eine individuelle Bewertung der vorhandenen Frequenzanteile findet aber nicht statt.

Daher unterscheiden diese Geräte auch nicht zwischen einem betriebsmäßigen Gleichtaktstrom oder einem tatsächlichen Fehlerstrom, z. B. aufgrund eines Isolationsschadens. Ebenfalls kann es zu Störungen von Automatisierungs- und Kommunikationstechnik kommen. Typischerweise ordnet der Anwender diese unerwünschten Ströme schnell einem oder mehreren „Verursachern“ zu.

Potentielle „Verursacher“ von Betriebsströmen auf Potentialausgleichsanlagen sind dabei:

  • Schaltnetzteile in PC und Unterhaltungselektronik;
  • Unterbrechungsfreie Stromversorgungen;
  • Energiesparende Beleuchtungstechnik wie Energiesparlampen und LED;
  • Spül- und Waschmaschinen;
  • Kälte-/Klimageräte;
  • Solarwechselrichter;
  • Aufzüge, Fahrtreppen;
  • Pumpen, Lüfter sowie
  • Maschinenantriebe.

Eine prinzipielle Ursache für die Entstehung liegt zunächst einmal darin begründet, dass PE- und PA-Systeme aus Sicht ihres Funktionsziels nicht streng trennbar sind.

Laut der offiziellen Bezeichnungen unterscheidet zwar das IEC/IEV-Wörterbuch [1] deutlich zwischen Schutzerdung/Schutzpotentialausgleich und Funktionspotentialausgleich, in der Praxis sind aber beide physikalisch miteinander verbunden. Die entsprechenden Definitionen lauten wie folgt:

Schutzerdung
Erdung eines Punktes oder mehrerer Punkte eines Netzes, einer Anlage oder eines Betriebsmittels zu Zwecken der elektrischen Sicherheit (IEV 195-01-11).

Potentialausgleich
Herstellen elektrischer Verbindungen zwischen leitfähigen Teilen, um Potentialgleichheit zu erzielen (IEV 195-01-10).

Schutzpotentialausgleich
Potentialausgleich zum Zweck der Sicherheit (IEV 195-01-15).

Funktionspotentialausgleich
Potentialausgleich aus betrieblichen Gründen, aber nicht zum Zweck der Sicherheit (IEV 195-01-16).

Potentialausgleichsschiene
Schiene als Teil einer Potentialausgleichsanlage für den elektrischen Anschluss einer Anzahl von Leitern zum Zweck des Potentialausgleichs (IEV 826-13-35).

Je nach Spannungsquelle und Vermaschung des Potentialausgleichssystems teilen sich die Ströme demnach untereinander gegenseitig zwischen den PE- und PA-Leitern auf. Dies ist bekannt und wurde auch in früheren Publikationen bereits gut beschrieben, siehe beispielsweise den mehrteiligen Beitrag von Klaus Bödeker und Robert Kindermann „Ableit-/Fehler- und/oder Differenzströme“ aus dem Elektropraktiker 2007 [2].

Dort heißt es u. a.:
„Dem Betreiber einer elektrischen Anlage bleibt gar nichts anderes übrig, als sich über das Vorhandensein und die Werte dieser an den verschiedensten Stellen der Anlage betriebsmäßig vorhandenen Ableitströme gründlich zu informieren. Nur wer sich dieser ‚Herausforderung‘ stellt, kann seine Anlage im Griff behalten.“

Weniger bekannt ist allerdings, dass die Ursachen für die Entstehung dieser PE/PA-Leiter Ströme sehr vielfältig sind.

Sie entstehen oft überhaupt nicht durch das „verursachende“ Gerät, sondern maßgeblich durch die Installation und die vorhandene Anlagenkonfiguration.

Dies zeigt sich nicht zuletzt durch die spektrale Bandbreite (Frequenzanteile), welche die PE-/PA-Leiterströme heute besitzen. Diese kann selbst über 100 kHz hinausgehen. Die Übersicht in Bild 1 zeigt die verschiedenen Frequenzanteile eines Potentialausgleichstroms bei Antriebsumrichtern.

Autor: C. Mieslinger

[1] Die verschiedenen Ursachen und zugehörigen Frequenzbereiche von Strömen auf PE-/PA-Leitern in Anlagen mit Antriebsumrichtern (Quelle: Danfoss/ep)

Gekürzte Version. Der vollständige Artikel ist in unserem Facharchiv nachzulesen.

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