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Aus dem Facharchiv: Elektropraxis
Sternpunktbehandlung: Wie Netze gegenüber Erde betrieben werden

Bei der Sternpunktbehandlung dreht es sich vordergründig gar nicht um den Sternpunkt und erst recht nicht nur um Anlagen über 1 kV. In diesem Fachbeitrag soll es auch um TN- und IT-Systeme gehen, um SELV sowie PELV und um das schöne Märchen vom isolierten Industrienetz, an dem noch so manch alter Hase hängt

Widerstandsbehafteter Erdschluss in L1 (Bild: Schmidt/ep)

Nicht nur die Zeiten haben sich geändert, sondern auch die Verbraucher in den Anlagen. 

Der größte Anteil der Anlagenfehler sind Erdschlüsse. Wie das Netz darauf reagiert, die Art und Einstellung vieler Schutzeinrichtungen und auch der Betrieb hängen davon ab, ob es sich um ein isoliertes oder geerdetes System handelt.

Isolierte Netze

Isolierte Netze sind solche, die keine direkte Verbindung zur Erde haben. In Anlagen bis 1000 V sind die einfachsten isolierten Systeme die Kleinspannung SELV und die Schutztrennung.

Isolierte Netze haben den großen Vorteil, dass sie mit einem einpoligen (Erd-)Fehler weiterbetrieben werden können. Sie finden daher in kleineren Sicherheitskreisen, z. B. in Notbeleuchtungsanlagen und medizinischen Bereichen eine breite Anwendung als IT-Systeme. In Anlagen >1 kV sind isolierte Systeme auch als OSPE-Netze (OSPE = ohne Sternpunkterdung) bekannt.

In isolierten Wechselstromsystemen steht zwischen den Leitern die Leiter-Leiter-Spannung ULL an, gegenüber Erde davon jeweils der halbe Wert.

In ungestörten Drehstromsystemen (Bild) herrscht zwischen den Leitern die Spannung ULL und zwischen den Leitern und Erde jeweils die Spannung

U0 = ULL / √3                    (Gl. 1)

Im Bild sind die Spannungen bei einem widerstandsbehafteten Erdfehler in L1 dargestellt. Durch die Sternpunktverlagerung erhöhen sich die Leiter-Erde-Spannungen in den gesunden Leitern L2 und L3. Man erkennt leicht, dass bei einem widerstandslosen Erdschluss die Leiter-Erde-Spannung von L1 null wird, während sie in L2 und L3 die volle Leiter-Leiter-Spannung annimmt. (Dies war auch ein Grund, in medizinischen Bereichen Drehstromtransformatoren für IT-Systeme nicht mehr zuzulassen.)

Zwischen den isolierten Leitern untereinander und gegen Erde besteht ein elektrisches Feld (Le Monnier 1752) (Louis Guillaume Le Monnier (1717–1799)).

Bei einem Erdfehler in L1 wird seine Erdkapazität CE kurzgeschlossen, und die Ladeströme der Erdkapazitäten der beiden gesunden Leiter addieren sich geometrisch zum sogenannten kapazitiven Erdschlussstrom. Sein Betrag ist

ICE = ω ∙ CEULL ∙ √3      (Gl. 2)

(Kreisfrequenz ω = 2 ∙ π ∙ f)

Meistens gehen Erdfehler mit Lichtbögen einher. Bleibt ihre Stromstärke unter 10 A, verlöschen sie beim Nulldurchgang der Netzspannung, werden jedoch nach wenigen Millisekunden durch die wiederkehrende Spannung erneut gezündet (sogenannte intermittierende Erdschlüsse). Die bei jeder neuen Zündung auftretende Einschwingspannung erreicht Werte bis zu 3,5 · ULM. Bei einem solchen Trommelfeuer sind Überspannungsschäden kein Wunder.

Damit Lichtbögen von selbst dauerhaft verlöschen, dürfen ihre Ströme 35 A – 60 A nicht überschreiten (sogenannte Löschgrenze nach [1]). Anderenfalls weiten sich solche Fehler zu Kurzschlüssen aus. Bei 20 kV rechnet man mit einem kapazitiven Erdschlussstrom in Freileitungsnetzen überschläglich von 0,06 A/km, in Kabelnetzen sogar mit 4 A/km, sodass diese Grenze schnell erreicht ist und erdschlusskompensierende Maßnahmen erforderlich werden.

Sind in einem OSPE-Netz induktive einpolige Spannungswandler eingebaut, bestehen zusammen mit den Erdkapazitäten des Netzes alle Voraussetzungen für Schwingkreise. Geraten sie in Resonanz, werden meistens die Wandler zerstört. Man versucht, diesen sogenannten Ferroresonanzen die Schwingungsenergie zu entziehen, indem die in Reihe geschalteten und abgesicherten Hilfswicklungen e-n der Spannungswandler mit einem ohmschen Widerstand von etwa 20 – 40 Ω/500 W bebürdet werden.

Den aktuellen Wissensstand zu Kippschwingungen enthält [2].

Wegen des Vorteils, dass einfache Erdschlüsse nicht zur Abschaltung führen, werden nach wie vor auch ausgedehnte 500-V- bzw. 690-V-Industrienetze als isolierte (IT-) Systeme errichtet. Mit Blick aber auf die enormen Schäden durch Überspannungen sollten sie die ganz große und begründete Ausnahme bleiben. Erfahrungsgemäß fallen diesen Rückwirkungen vorwiegend elektronische Komponenten zum Opfer. Die Elektrofachkräfte in Unternehmen mit großen Industrie-IT-Netzen können ein Lied davon singen! Fehlerströme können darüber hinaus auf Dauer auch ein Brandrisiko bedeuten. Insofern ist es verständlich, dass nach [3] in IT-Systemen unter Tage oftmals schon Abschaltungen des ersten Erdfehlers verlangt werden. Hinzu kommt, dass trotz selektiver Erdschlusserfassung der Fehlerort ohne Suchschaltungen kaum zu finden ist, sodass ohnehin Betriebsunterbrechungen nötig sind. Zu bedenken ist auch, dass im Gegensatz zu Freileitungen in Kabelnetzen einem Erdschluss meistens eine äußere Kabelverletzung vorausgeht, die sich oft zu zweipoligen Fehlern ausweitet und damit ohnehin zur Abschaltung führt.

So attraktiv auch die Vorstellung vom Weiterbetrieb eines erdfehlerbehafteten IT-Systems ist – mit zunehmender Netzgröße werden die Auswirkungen der Spannungserhöhungen immer intensiver, während die Fehlersuche komplizierter wird.

Vor- und Nachteile isolierter Netze

Vorteile sind:

  • Das Netz kann bei Erdschluss weiter betrieben werden.
  • Die Beeinflussung fremder Anlagen ist wegen der relativ kleinen Erdfehlerströme gering.
  • Der Netzschutz ist unkompliziert.

Nachteile sind:

  • Bei Erdschluss erhöht sich die Spannung der gesunden Leiter gegen Erde auf die Leiter-Leiter-Spannung. Dadurch steigt das Risiko von Doppelerdschlüssen.
  • Bei intermittierenden Erdschlüssen entstehen hohe Einschwingspannungen mit Frequenzen von mehreren Kilohertz.
  • Das Auftreten von Ferroresonanzen ist sehr wahrscheinlich, wenn im Netz einpolige Spannungswandler betrieben werden.


Autor: F. Schmidt

Literatur:

[1] DIN VDE 0845-6-2 (VDE 0845-6-2):2014-09 Maßnahmen bei Beeinflussung von Telekommunikationsanlagen durch Starkstromanlagen Teil 2: Beeinflussung durch Drehstromanlagen.

[2] DIN IEC/TR 61869-102 (VDE 0414-9-102):2015-02 Messwandler – Teil 102: Ferroresonanzschwingungen in Schaltanlagen mit induktiven Spannungswandlern.

[3] DIN EN 50628 (VDE 0118-10):2016-11 Errichten elektrischer Anlagen im Bergbau unter Tage.

Der vollständige Artikel ist in unserem Facharchiv nachzulesen.

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