Schutz gegen den elektrischen Schlag

Allgemeines zum elektrischen Schlag

Fließt ein Berührungsstrom von über 30 mA durch den

menschlichen Körper, stellt dies eine ernste Gefahr für den

Menschen dar, wenn der Strom nicht in kürzester Zeit

unterbrochen wird. Der Schutz von Personen gegen

elektrischen Schlag in NS-Anlagen muss nach den

entsprechenden nationalen Normen, gesetzlichen

Vorschriften, Unfallverhütungsvorschriften usw.

gewährleistet sein.

Entsprechende IEC-Normen/VDE-Bestimmungen sind u.a.:

IEC 60364 (VDE 0100),

IEC 60479 (VDE V 0140-479),

IEC 61008 (VDE 0664-10),

IEC 61009 (VDE 0664-20) und

IEC 60947-2 (VDE 0660-101).

Ein elektrischer Schlag ist die physiologische Wirkung, hervorgerufen von einem

elektrischem Strom durch den Körper eines Menschen oder Tieres.

Fließt ein Strom durch den menschlichen Körper, werden hauptsächlich die Muskel-,

Kreislauf- und Atmungsfunktionen beeinträchtigt und es kann zu schweren Verbrennungen

kommen. Die Gefahr für den Menschen hängt von der Stromstärke, den Körperteilen, durch

die der Strom fließt und der Einwirkdauer ab.

Die Norm IEC 60479-1 (VDE V 0140-479-1) definiert vier Bereiche der Stromstärke in

Bezug auf die Stromdurchflussdauer, für die jeweils die pathophysiologischen Auswirkungen

beschrieben werden (siehe Abb. F1). Jede Person, die stromführende Teile berührt, ist dem

Risiko eines elektrischen Schlages ausgesetzt.

Bereich AC 4.1 zeigt, dass das Fließen eines Stromes von über 30 mA durch den

menschlichen Körper (z.B. von einer Hand zur anderen Hand) voraussichtlich zum Tod führt,

wenn der Strom nicht in sehr kurzer Zeit unterbrochen wird.

Der Schnittpunkt 500 ms/100 mA nahe der Kennlinie C1 entspricht einer

Herzkammerflimmern-Wahrscheinlichkeit von ca. 0,14 %.

Der Schutz von Personen gegen elektrischen Schlag in NS-Anlagen muss nach den

entsprechenden nationalen Normen, gesetzlichen Vorschriften, Unfallverhütungsvorschriften

usw. gewährleistet sein. Entsprechende IEC-Normen/VDE-Bestimmungen sind u.a.:

IEC 60364 (VDE 0100), IEC 60479 (VDE V 0140-479),

IEC 61008 (VDE 0664-10), IEC 61009 (VDE 0664-20) und

IEC 60947-2 (VDE 0660-101).

Abb. F1: Konventionelle Zeit-Stromstärke-Bereiche mit Wirkungen von Wechselströmen (15

Hz bis 100 Hz) auf Personen bei einem Stromfluss von der linken Hand zu den Füßen

AC-1: Wahrnehmung möglich, aber im allgemeinen keine Schreckreaktion

AC-2: Wahrnehmung und unwillkürliche Muskelkontraktion, aber im Allgemeinen keine

schädlichen physiologischen Effekte

AC-3: Starke unwillkürliche Muskelkontraktion. Schwierigkeiten beim Atmen, Reversible

Störungen der Herzfunktion. Muskelverkrampfung kann auftreten. Im Allgemeinen ist kein

organischer Schaden zu erwarten.

AC-4: Zunehmend mit Stromstärke und Einwirkdauer können gefährliche,

pathophysiologische Effekte, wie z.B. Herzstillstand, Atemstillstand und Verbrennungen oder

andere Zellschäden auftreten.

AC-4-1: Herzkammerflimmer-Wahrscheinlichkeit steigt auf etwa 5 %.

AC-4-2: Herzkammerflimmer-Wahrscheinlichkeit bis etwa 50 %.

AC-4-3: Herzkammerflimmer-Wahrscheinlichkeit über 50 %

Linie A: Wahrnehmbarkeitsschwelle

Linie B: Schwellwert für Muskelreaktionen

Kurve C1: Wahrscheinlichkeit von Herzkammerflimmern liegt bei 0 %.

Kurve C2: Wahrscheinlichkeit von Herzkammerflimmern bis etwa 5 %. Oberhalb von

Kurve C3: Wahrscheinlichkeit von Herzkammerflimmern über 50 %.

Grundnorm

Die grundsätzlichen Anforderungen für den Schutz gegen elektrischen Schlag sind in der

Norm IEC 61140 (VDE 0140-1) enthalten, die sowohl für elektrische Anlagen als auch

elektrische Betriebsmittel anzuwenden ist.

Gefährliche aktive Teile dürfen nicht berührbar sein und berührbare leitfähige Teile dürfen

nicht gefährlich aktiv sein.

Diese Anforderung muss erfüllt sein:

unter normalen Bedingungen und

unter Einzelfehler-Bedingungen.

Als normale Bedingung betrachtet man den Schutz gegen direktes Berühren (Basisschutz) in

Kombination mit einer Schutzeinrichtung gegen indirekte Berührung (Fehlerschutz).

Eine verstärkte Schutzvorkehrung bewirkt den Schutz unter beiden Bedingungen.

Direktes und indirektes Berühren

Direktes Berühren

Es sind häufig zwei Schutzmaßnahmen gegen gefährliches

direktes Berühren erforderlich, da die erste Maßnahme in

der Praxis nicht immer zu 100 % ausfallsicher ist.

Berühren aktiver Teile durch Menschen oder Tiere (siehe Abb. F2).

In der Norm IEC 61140 (VDE 0140-1) wurde der Ausdruck „Schutz gegen direktes

Berühren” durch den Begriff „Basisschutz” ersetzt. Der frühere Ausdruck wird zu

Informationszwecken beibehalten.

Abb. F2: Direktes Berühren

Indirektes Berühren

In den Normen wird unterschieden zwischen:

direktem und indirektem Berühren.

Entsprechend unterschiedlich sind auch die notwendigen

Maßnahmen.

Elektrischer Kontakt von Menschen und Tieren mit Körpern elektrischer Betriebs-mittel, die

infolge eines Fehlzustandes unter Spannung stehen.

Durch den Fehler führt der Körper eines elektrischen Betriebsmittels u.U. eine gefährliche

Spannung, die einen Berührungsstrom durch eine Person, die diesen Körper berührt,

verursacht (siehe Abb. F3).

Abb. F3: Indirektes Berühren

In IEC 61140 (VDE 0140-1) wurde der Ausdruck „Schutz bei indirektem Berühren” durch

den Begriff „Fehlerschutz” ersetzt. Der frühere Ausdruck wird zu Informations- zwecken

beibehalten.

Basisschutz oder Schutz gegen direktes Berühren

Im Allgemeinen besteht der Schutz gegen direktes Berühren aus einem physikalischen

Schutz durch Abdeckungen oder Isolierung von aktiven Teilen.

In besonderen Bereichen (z.B. elektrische und abgeschlossene elektrische Betriebsstätten)

reicht ein teilweiser Schutz, wie Schutz durch Hindernisse oder Schutz durch Abstand usw.

aus.

In besonderen Fällen (z.B. in Bereichen erhöhter elektrischer Gefährdung) kann ein

zusätzlicher Schutz bei direktem Berühren gefordert sein, um bei eventuellen Fehlern

bei den Schutzmaßnahmen noch eine Schutzwirkung zu haben. Dieser Schutz basiert

auf hochempfindlichen Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen (RCDs) mit einem

Bemessungsdifferenzstrom nicht größer als 30 mA. Aufgrund der sehr kurzen

Ausschaltzeit wird in den meisten Fällen ein Schutz auch bei direktem Berühren

aktiver Teile gewährleistet.

Schutz durch Isolierung aktiver Teile

In den Normen wird zwischen zwei Arten von

Schutzmaßnahmen unterschieden:

vollständiger Schutz (Isolation, Abdeckung) teilweiser Schutz.

Dieser Schutz besteht aus einer Isolierung gemäß den entsprechenden Produkt-normen (siehe

Abb. F4).

Farbanstriche und Lacke gewährleisten keinen ausreichenden Schutz.

Abb. F4: Schutz gegen direktes Berühren durch die Aderisolierung eines 3-phasigen Kabels

Schutz durch Abdeckungen oder Umhüllungen

Diese Maßnahme ist weit verbreitet, denn viele Betriebsmittel werden in Schaltschränke,

Steuerkonsolen und Verteiler eingebaut (siehe Abb. F5).

Damit ein wirksamer Schutz gegen direktes Berühren gewährleistet ist, müssen diese

Abdeckungen oder Umhüllungen mindestens der Schutzart IP 2X oder IP XXB entsprechen

(gem. IEC 61439-1 (VDE 0660-600-1)), siehe Kapitel E, Abschnitt 4.4.

Abb. F5: Beispiel: Isolation durch Gehäuse

Wenn es notwendig ist, Schutzabdeckungen abzunehmen, Umhüllungen zu öffnen oder Teile

davon zu entfernen (Türen, Klappen, Deckel, Verkleidungen u.ä.), muss eine der folgenden

Bedingungen eingehalten werden:

Das Abnehmen, Öffnen und Entfernen ist nur unter Verwendung eines Schlüssels oder Werkzeuges möglich.

Alle aktiven Teile, die nach dem Öffnen der Tür zufällig berührbar sind, müssen elektrisch getrennt sein, bevor sich die Tür öffnen lässt

oder sind mit einer zusätzlichen Berührungsschutzabdeckung zu versehen. In TN-C-Systemen

darf der PEN-Leiter nicht getrennt oder geschaltet werden. In TN-S-Systemen braucht der

Neutralleiter nicht getrennt oder geschaltet werden.

Teilweiser Schutz gegen direktes Berühren

Schutz durch Hindernisse oder Abstand

Dieser Schutz ist ausschließlich für Betriebsstätten vorgesehen, zu denen nur

Elektrofachkräfte oder unterwiesene Personen Zugang haben. Weitere Details über diese

Maßnahme finden Sie in IEC 60364-4-41 (VDE 0100-410).

Sonstige Schutzmaßnahmen

Schutz durch Kleinspannung SELV und PELV (Safety Extra-Low Voltage = SELV; Protective Extra-Low Voltage = PELV) oder Schutz durch Begrenzung der Entladeenergie.

Diese Maßnahmen werden nur in Stromkreisen mit niedriger Leistung und unter besonderen

Bedingungen verwendet (siehe Abschnitt 3.5.).

Zusätzlicher Schutz durch Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen

(RCDs) auch als Schutz bei direktem Berühren bezeichnet

Einen zusätzlichen Schutz bei direktem Berühren bewirken

Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen (Residual current

protective device = RCD) mit einem

Bemessungsdifferenzstrom von nicht mehr als 30 mA.

RCDs mit einem Bemessungsdifferenzstrom von ≤ 30 mA

bezeichnet man auch als hochempfindliche Fehlerstrom-

Schutzeinrichtungen.

Abb. F6: Hochempfindliche Fehlerstrom-Schutzeinrichtung (RCD)

Alle zuvor beschriebenen Maßnahmen sind vorbeugende Maßnahmen. Die Erfahrung hat

jedoch gezeigt, dass sie nicht immer ausreichend sein können, z.B. bei:

fehlender Instandhaltung,

Unvorsichtigkeit, Fahrlässigkeit,

normalem (oder erhöhtem) Verschleiß der Isolierung, z.B. häufige Biegung oder

Abrieb von Kabel/Leitungen insbesondere bei Anschlussleitungen,

unbeabsichtigtem Berühren aktiver Teile,

Eintreten von Situationen, in der die Isolierung nicht mehr wirksam ist (z.B.

Eintauchen in Wasser usw.).

Zum Schutz des Anwenders in solchen Situationen werden hochempfindliche Fehlerstrom-

Schutzeinrichtungen (RCDs) verwendet. Diese Geräte erkennen Fehlerströme (die u.U. durch

den Körper eines Menschen oder Tieres fließen können) und schalten die Stromversorgung

sehr schnell automatisch ab. Sie müssen schnell genug auslösen, um Verletzungen oder den

Tod durch Stromeinwirkung eines Menschen zu verhindern (siehe Abb. F6).

Diese Geräte arbeiten nach dem Prinzip der Differenzstrommessung, bei der jede Differenz in

einem Stromkreis, z.B. bei einem Fehler zur Erde erfasst wird. Differenzen entstehen

entweder durch Isolationsfehler (Körperschluss) oder durch versehentliches Berühren eines

aktiven Teils (z.B. durch Berühren eines stromführenden Leiters).

Die Fehlerstromschutzgeräte (Residual current protective devices = RCD) mit einem

Bemessungsdifferenzstrom von max. 30 mA sind für den Schutz bei direktem Berühren

ausreichend empfindlich.

Dieser zusätzliche Schutz wird für Stromkreise mit Steckvorrichtungen üblicherweise für

Bemessungsströme bis max. 32 A gefordert. In einigen Fällen müssen alle

Steckdosen/Steckdosenstromkreise (ohne Begrenzung des Bemessungsstromes) entsprechend

geschützt sein.

In Kapitel Q, Abschnitt 3 werden Anwendungsfälle aufgeführt, in denen die Verwendung von

hochempfindlichen Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen (RCDs) entweder obligatorisch ist

(kann in den einzelnen europäischen Ländern unterschiedlich sein) oder aber in jedem Fall

dringend für einen wirksamen Schutz sowohl bei direktem als auch bei indirektem Berühren

empfohlen wird.

Fehlerschutz oder Schutz bei indirektem Berühren

Schutzmaßnahmen:

automatische Abschaltung der Stromversorgung

(beim ersten oder zweiten Fehler, je nach Art des

Netzsystems),

sonstige zusätzliche Maßnahmen (entsprechend den

Umgebungsbedingungen)

Die Körper elektrischer Betriebsmittel sind von den aktiven Teilen der Anlagen durch eine

„Basisisolierung” getrennt. Ein Fehler der Basisisolierung führt dazu, dass an den Körpern der

elektrischen Betriebsmittel eine gefährliche Berührungsspannung anstehen kann.

Das Berühren eines normalerweise nichtstromführenden leitfähigen Teils einer elektrischen

Anlage oder eines Betriebsmittels, an dem aufgrund eines Isolationsfehlers eine

Berührungsspannung ansteht, bezeichnet man als indirektes Berühren.

Die verschiedenen Maßnahmen für den Schutz bei indirektem Berühren sind u.a.:

Automatische Abschaltung der Stromversorgung für die angeschlossenen elektrischen

Anlagen und Betriebsmittel.

Spezielle Anordnungen wie z.B.:

o Verwendung von Betriebsmitteln der Schutzklasse II oder mit gleichwertiger

Isolierung,

o Schutz durch nichtleitende Räume,

o Schutz durch einen ungeerdeten örtlichen Potentialausgleich,

o Schutztrennung, Schutztrenntransformatoren.

Schutz durch automatische Abschaltung der Stromversorgung

Prinzip

Der Schutz bei indirektem Berühren durch automatische

Abschaltung der Stromversorgung ist gewährleistet, wenn

die Körper elektrischer Betriebsmittel mit einem

niederohmigen Schutzleiter verbunden sind.

Diese Schutzmaßnahme erfordert die Koordination zwischen dem Netzsystem und den

Eigenschaften der Schutzleiter und Schutzeinrichtungen. Die Anforderungen für diese

Schutzmaßnahme und die Abschaltzeiten werden unter Berücksichtigung von IEC 60479-1

(VDE V 0140-479-1) festgelegt. Daher müssen die Körper unter den für jedes Netzsystem

festgelegten Bedingungen an einen Schutzleiter angeschlossen werden. (Gleichzeitig

berührbare Körper müssen an demselben Schutzleiter/Erdungssystem angeschlossen werden.)

Außerdem müssen in jedem Gebäude der Hauptschutzleiter, der Haupterdungsleiter, die

Haupterdungsklemme oder -schiene und die folgenden fremden, leitfähigen Teile zu einem

Hauptpotentialausgleich verbunden werden:

metallene Rohrleitungen von Versorgungssystemen innerhalb des Gebäudes, z.B. für Gas, für Wasser,

Metallteile der Gebäudekonstruktionen, Zentralheizungs- und Klimaanlagen, wesentliche metallene Verstärkung von Gebäudekonstruktionen aus bewehrtem Beton,

soweit möglich.

Je größer der Wert von UB [1]

ist, desto schneller muss die Versorgungsspannung zur

Gewährleistung des Schutzes abgeschaltet werden (siehe Abb. F8). Der höchste dauernd

zulässige Wert von UB beträgt 50 V AC bzw. 120 V DC.

Erinnerung: max. zulässige Abschaltzeiten nach IEC 60364-4-41 (VDE 0100-410).

System

AC DC

50 V < Uo ≤

120 V

AC DC

120 V < Uo ≤

230 V

AC DC

230 V < Uo ≤

400 V

DC

Uo > 400

V

TT 0,8 s s.

Anm.1 0,4 s 5 s 0,2 s 0,4 s

0,1

s 0,1 s

TN 0,3 s s.

Anm.1 0,2 s 0,4 s 0,07 0,2 s

0,04

s 0,1 s

Abb. F8: Maximal zulässige Dauer gegebener AC-Berührungsspannungswerte (in s)

Wenn in TT-Systemen die Abschaltung durch eine Überstrom-Schutzeinrichtung erreicht

wird und alle fremden leitfähigen Teile in der Anlage an den Schutzpotentialausgleich über

die Haupterdungsschiene angeschlossen sind, darf die auf TN-Systeme anwendbare

Abschaltzeit verwendet werden.

Uo: Nennwechsel- oder Nenngleichspannung Außenleiter gegen Erde

Anmerkung 1: Eine Abschaltung kann aus anderen Gründen als dem Schutz gegen

elektrischen Schlag verlangt sein.

Anmerkung

1. ^ Die Berührungsspannung UB ist die vorhandene Spannung (als Folge eines Isolationsfehlers) zwischen einem berührbaren leitfähigen Teil und jedem beliebigen leitenden zugänglichen Teil mit anderem Potential (i. Allg. Erde).

Automatische Abschaltung in TT-Systemen

Prinzip

Die automatische Abschaltung im TT-System wird in den

allermeisten Fällen nur durch Fehlerstrom-

Schutzeinrichtungen (RCDs) mit einem

Bemessungsdifferenzstrom erreicht, der von folgender

Bedingung abhängig ist: , wobei RA dem

Widerstand des Anlagenerders der Anlage entspricht.

In diesem System müssen alle Körper der Anlage mit einem gemeinsamen Erdungsanschluss

verbunden sein. Der Sternpunkt des Versorgungssystems ist normalerweise an einem Punkt

außerhalb des Einflussbereiches des Anlagenerders geerdet.

Die Erdschlussschleifenimpedanz besteht daher im Wesentlichen aus den zwei in Reihe

liegenden Erdungswiderständen (d.h. dem Quellen und Anlagenanschluss), so dass der

Fehlerstrom, der darüber zum Fließen kommen kann, im Allgemeinen zu niedrig ist, um die

Überstrom-Schutzeinrichtung ansprechen zu lassen. Daher ist die Verwendung einer

Fehlerstrom-Schutzeinrichtung (RCD) fast zwingend notwendig.

Dieses Schutzprinzip ist auch anwendbar, wenn nur ein gemeinsamer Erdungsanschluss

verwendet wird, besonders im Fall einer Kundenstation innerhalb der Anlage, in der die

Platzbeschränkung den Einsatz eines TN-Systems erfordert, aber alle anderen

Voraussetzungen eines TN-Systems nicht erfüllt werden können.

Die automatische Abschaltung der Stromversorgung im TT-System wird durch Fehlerstrom-

/Differenzstrom-Schutzeinrichtungen (RCDs) mit einem Bemessungsdifferenzstrom von:

durchgeführt, wobei gilt:

RA: Summe der Widerstände des Erders und des Schutzleiters der Körper

I∆n: Bemessungsdifferenzstrom der Fehlerstrom-Schutzeinrichtung (RCD)

Für vorübergehend errichtete Versorgungen für den Einsatz in der Landwirtschaft und im

Gartenbau wird der Wert 50 V durch 25 V ersetzt.

Beispiel (siehe Abb. F9)

Der Widerstand des Betriebserders am Sternpunkt in der Umspannstation RBA beträgt 10 Ω. Der Widerstand des Anlagenerders RA beträgt 20 Ω. Der Fehlerstrom ergibt sich aus: U/Rges = 230 V/30 Ω = Id = 7,7 A. Die Berührungsspannung beträgt UB = Id x RA = 154 V und ist daher gefährlich und muss

abgeschaltet werden.

Abb. F9: Automatische Abschaltung der Stromversorgung im TT-System

Um die zulässige Berührungsspannung von AC 50 V am Erder nicht zu überschreiten, muss

mindestens folgender Bemessungsdifferenzstrom gewählt werden:

I∆n = 50 V/20 Ω = 2,5 A. In der Praxis würde man dafür einen Bemessungsdifferenzstrom von

300 mA wählen, da letztlich auch der Schutzleitwiderstand in der Betrachtung mit

berücksichtigt werden muss, so dass eine 300 mA-Fehlerstrom-Schutzeinrichtung in ca. 30 ms

(siehe Abb. F10) unverzögert auslöst und den Fehler beseitigt, wenn die Berührungsspannung

an einem berührbaren leitfähigen Teil überschritten wird.

Uo[1] (V) T (s)

50 < Uo ≤ 120 0,3

120 < Uo ≤ 230 0,2

230 < Uo ≤ 400 0,07

Uo > 400 0,04

[1] Uo = Nennspannung zwischen Außenleiter und Erde.

Abb. F10: Max. Abschaltzeit für Wechselspannungs-Endstromkreise unter 32 A im TT-System

Festgelegte maximale Abschaltzeit

Die Abschaltzeiten von Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen (RCDs) sind herstellerspezifisch im

Allgemeinen kürzer als in den Normen gefordert wird. Diese Eigenschaft vereinfacht deren

Verwendung und ermöglicht den Einsatz eines effektiven Selektivschutzes.

In der Norm IEC 60364-4-41 (VDE 0100-410) ist die maximale Abschaltzeit von

Schutzeinrichtungen im TT-System festgelegt:

Für alle Endstromkreise mit einem Bemessungsstrom bis einschließlich 32 A liegt die maximale Abschaltzeit unter den Werten in Abbildung F10.

Für Verteilungsstromkreise beträgt die maximale Abschaltzeit 1 s. Dieser Grenzwert ermöglicht Selektivität zwischen den in Verteilungsstromkreisen installierten Schaltgeräten mit Fehlerstromschutz.

Der Begriff „Fehlerstromschutzgerät” wird allgemein für alle Geräte verwendet, die nach dem

Fehlerstrom-Prinzip arbeiten. Die Fehlerstrom-/Differenzstrom-Schutzschalter (Residual

Current Operated Circuit-Breaker = RCCB) sind nach den Normen der Reihe IEC 61008

(VDE 0664-10) vorwiegend Fehlerstrom-/Differenzstromschutzschalter ohne eingebautem

Überstromschutz (RCCBs) für Hausinstallation und ähnliche Anwendungen.

Die Abschaltzeit/Fehlerstrom-Kenndaten von Schaltgeräten mit Fehlerstromschutz vom Typ

allgemein und Typ S (selektiv) der Norm IEC 61008 (VDE 0664-10) werden in Abb. F11

dargestellt. Diese Kenndaten ermöglichen gewisse selektive Auslösungen zwischen den

verschiedenen Kenndaten- und Typenkombinationen, wie später in Abschnitt 4.3 beschrieben

wird. Leistungsschalter mit Fehlerstromschutz (nach VDE 0660-101) gewährleisten aufgrund

ihrer flexiblen Zeitverzögerung weitere Selektivitätsmöglichkeiten.

Typ x IΔn 1 2 5 >5

allgemein

Typ S

jeder

Wert 0,3 0,15 0,04 0,04

höchstzulässige

Abschaltzeiten

> 0,030

0,5 0,2 0,15 0,15 höchstzulässige

Abschaltzeiten

0,13 0,06 0,05 0,04 kürzeste

Nichtauslösezeiten

Abb. F11: Höchstzulässige Abschaltzeiten von Schaltgeräten mit Fehlerstromschutz (in s)

Automatische Abschaltung in TN-Systemen

Prinzip

Die automatische Abschaltung in TN-Systemen erfolgt

durch Überstromschutzeinrichtungen oder Fehlerstrom-

Schutzeinrichtungen (RCDs).

In diesem Netzsystem sind alle Körper der elektrischen Betriebsmittel einer Anlage direkt

über Schutzleiter/PEN-Leiter mit dem geerdeten Punkt der Stromquelle verbunden.

Wie in Kapitel E, Abschnitt 2.2 beschrieben, muss unterschieden werden, ob das TN-System

als TN-C-, TN-S- oder TN-C-S-System errichtet wird. In Abbildung F12 wird ein TN-C-

System dargestellt, in dem der vom Sternpunkt der Stromquelle kommende Leiter sowohl als

Schutzleiter als auch als Neutralleiter, d.h. als PEN-Leiter fungiert. In allen TN-Systemen hat

jeder Isolationsfehler zwischen Außenleiter und Schutzleiter/Erde einen Kurzschluss

zwischen Außenleiter und Schutzleiter/PEN-Leiter zur Folge. Hohe Fehlerstromwerte

ermöglichen die Verwendung von Überstromschutzeinrichtungen. Auch hierbei können an

der Fehlerstelle während der kurzen Abschaltzeit Berührungsspannungen von über 50 % der

Spannung zwischen Außenleiter und Neutralleiter auftreten (im Gegensatz zum TT-System,

wo fast immer die volle Spannung gegen die Erde auftreten kann).

In der Praxis profitieren die Energieversorger von der Tatsache, dass bei jeder Baumaßnahme

ein Fundamenterder (über einen PEN-Leiter) installiert werden muss. Hierdurch wird die

Erdungsimpedanz des Versorgungsnetzes gestützt.

In großen Anlagen mit HS-Einspeisung werden häufig zusätzliche Tiefenerder oder

Fundamenterder installiert, um die Berührungsspannung so stark wie möglich zu reduzieren.

In Hochhäusern sind alle außenliegenden leitfähigen Teile mit dem Schutzleiter auf jeder

Ebene verbunden. Zur Gewährleistung eines angemessenen Schutzes muss der Fehlerstrom

gegen Erde:

größer oder gleich Ia sein, wobei:

Uo: Nennwechselspannung (effektiv) zwischen Außenleiter und Erde Id: Fehlerstrom Ia: erforderlicher Stromwert zur Auslösung der Schutzeinrichtung (in Abhängigkeit von der

festgelegten Abschaltzeit) Zs: Fehlerschleifenimpedanz; entspricht der Summe der Quellenimpedanzen, der Impedanz

des stromführenden Außenleiters zur Fehlerstelle und der Impedanz des Schutzleiters von der Fehlerstelle zurück zur Quelle.

Hinweis: Durch den immer vorhandenen Parallelpfad über die Erde verbessert sich die

Abschaltbedingung, wird aber üblicherweise nicht berücksichtigt (Sicherheits- faktor).

Beispiel (siehe Abb. F12)

Abb. F12: Automatische Abschaltung der Stromversorgung im TN-System

Die Berührungsspannung beträgt und ist daher gefährlich.

Die Impedanz der Fehlerschleife beträgt: Zs=ZAB + ZBC + ZDE + ZEN + ZNA.

Sind ZBC und ZDE vorherrschend, gilt:

, so dass

(≈ 22 In bei einem Leistungsschalter NSX 160).

Der Einstellwert des „unverzögerten” magnetischen Auslösesystems des Leistungsschalters

ist sehr viel geringer als dieser Kurzschlusswert, so dass eine einwandfreie Auslösung

innerhalb der schnellstmöglichsten Zeit gewährleistet ist.

Hinweis: In einigen Fällen wird solchen Berechnungen ein Spannungsfall von 20 % im Teil

der Impedanzschleife zugrunde gelegt.

größer oder gleich Ia, wobei:

Zc: Schleifenwiderstand des Fehlerstromes (bei Kurzschlusstemperatur am Leiter)

Diese Methode wird empfohlen und in Kapitel F, Abschnitt 6.2 als „konventionelle Methode”

genauer beschrieben. Man erhält in diesem Beispiel einen geschätzten Fehlerstrom von:

(≈ 18 In).

Festgelegte maximale Abschaltzeiten

In der Norm IEC 60364-4-41 (VDE 0100-410) wird die maximale Abschaltzeit von im TN-

System verwendeten Schutzgeräten zum Schutz gegen indirektes Berühren festgelegt:

Für alle Endstromkreise mit einem Bemessungsstrom kleiner 32 A liegt die maximale Abschaltzeit unter den Werten in Abbildung F13.

Für alle anderen Stromkreise ist die maximale Abschaltzeit auf 5 s festgelegt.

Dieser Grenzwert ermöglicht Selektivität zwischen den in Verteilungsstromkreisen

installierten Schutzgeräten.

Hinweis: Die Verwendung von Schaltgeräten mit Fehlerstromschutz kann in TN-Sys-temen

erforderlich sein. Bei der Verwendung von Schaltgeräten mit Fehlerstromschutz in TN-C-S-

Systemen müssen der Schutzleiter und der Neutralleiter (natürlich) an einer dem Schaltgerät

mit Fehlerstromschutz vorgelagerten Stelle getrennt wer-den. Diese Trennung wird im

Allgemeinen am Hausanschluss vorgenommen.

Uo (1) (V) Abschaltzeit (s)

50 < Uo ≤ 120 0,8

120 <Uo ≤ 230 0,4

230 < Uo ≤ 400 0,2

Uo > 400 0,1

[1] Uo = Nennspannung zwischen Außenleiter und Erde.

Abb. F13: Max. Abschaltzeit für Wechselspannungs-Endstromkreise kleiner 32 A im TN-

System

Schutz durch Leistungsschalter

(siehe Abb. F14)

Wird der Schutz durch einen Leistungsschalter

gewährleistet, ist sicherzustellen, dass der Fehlerstrom

immer den Einstellstromwert des unverzögerten oder

kurzzeitverzögerten Auslösesystems Im (Isd) überschreitet.

Abb. F14: Abschaltung durch Leistungsschalter im TN-System

Das unverzögerte Auslösesystem eines Leistungsschalters beseitigt einen

Körperschluss/Erdschluss in weniger als 0,1 s.

Folglich ist eine automatische Abschaltung der Stromversorgung innerhalb der maximal

zulässigen Zeit stets gewährleistet, da alle Auslösesystemausführungen (magnetisch,

elektronisch, unverzögert oder kurzzeitverzögert) geeignet sind (Ia = Im (Isd)).

Die in den entsprechenden Normen zugelassene maximale Toleranz muss immer

berücksichtigt werden. Es ist daher ausreichend, dass der errechnete (oder vor Ort ermittelte)

Fehlerstrom od. höher ist, als der unverzögerte Einstellwert des Auslösestroms

oder als der kurzzeitverzögerte Auslöseansprechwert, um eine Auslösung innerhalb der

zulässigen Zeit sicherzustellen.

Schutz durch Sicherungen

(siehe Abb. F15)

Ia kann mit Hilfe der Strom/Zeit-Kennlinie der Sicherung

bestimmt werden. Der Schutz ist in keinem Fall

gewährleistet, wenn die Impedanz der Fehlerschleife Zs oder

Zc einen bestimmten Wert überschreitet.

Der für das Schmelzen einer Sicherung erforderliche Stromwert kann der Strom/Zeit-

Kennlinie der betreffenden Sicherung entnommen werden.

Der zuvor bestimmte Fehlerstrom od. muss den für das Schmelzen der

Sicherung erforderlichen Fehlerstrom weit überschreiten. Die zu prüfende Bedingung lautet

daher: od. (siehe Abb. F15).

Abb. F15: Abschaltung durch Sicherungen im TN-System

Beispiel: Die Nennspannung zwischen Außenleiter und Erde des Netzes beträgt 230 V. Die

maximale Abschaltzeit beträgt laut Kennlinie in Abbildung F15 0,4 s. Der entsprechende Ia-

Wert kann der Kennlinie entnommen werden. Unter Verwendung der Spannung (230 V) und

des Stromes Ia kann die gesamte zulässige Schleifenimpedanz oder die Schleifenimpedanz des

Stromkreises wie folgt berechnet werden:

od.

Diese Impedanzwerte dürfen niemals überschritten werden und sollten vorzugsweise

wesentlich kleiner sein, um das einwandfreie Auslösen der Sicherung sicherzustellen.

Schutz durch Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen (RCDs) in TN-S-Systemen

Schaltgeräte mit Fehlerstromschutz müssen dort verwendet werden, wo:

die Schleifenimpedanz nicht exakt bestimmt werden kann (schwer zu schätzende Leitungslängen, metallische Werkstoffe nahe der Leitungen),

der Fehlerstrom so niedrig ist, dass die max. zulässige Abschaltzeit bei Verwen-dung von Überstromschutzeinrichtungen nicht eingehalten werden kann,

Stromkreise mit Steckdosen bis 20 A, die von Laien benutzt werden(IEC 60364-4-410 (VDE 0100-410)),

Endstromkreise für im Außenbereich verwendete tragbare Betriebsmitte mit einem Bemessungsstrom nicht größer als 32 A.

Da der Bemessungsauslösestrom von Schaltgeräten mit Fehlerstromschutz nur einige Ampère

beträgt, liegt er im Allgemeinen weit unter den auftretenden Fehlerstromwerten. Folglich sind

Fehlerstromschutzgeräte hier gut geeignet. In der Praxis werden RCDs als Zusatzschutz in

Unterverteilern nahe der Endstromreise installiert,

wenn der Schleifenwiderstand zu hochohmig ist, um die automatische Abschaltung zu gewährleisten,

oder auf Anforderungen aus Installationsnormen für Sonderbereiche (IEC 60364-7ff (VDE 0100-7ff)

Automatische Abschaltung bei einem zweiten Fehler im

IT-System

In diesem System müssen die aktiven Teile entweder gegen Erde isoliert oder über eine ausreichend hohe Impedanz geerdet sein.

Diese Impedanz darf zwischen Erde und dem Sternpunkt des Systems oder einem künstlichen Sternpunkt liegen.

Der künstliche Sternpunkt darf unmittelbar mit der Erde verbunden werden, wenn die resulierende Nullimpedanz des Systems ausreichend groß ist.

Wenn kein Sternpunkt ausgeführt ist, darf ein Außenleiter über eine Impedanz mit Erde verbunden werden.

Auftreten eines ersten Fehlers

Im IT-System soll der erste Fehler gegenüber Erde nicht zu

einer Abschaltung führen.

Der Fehlerstrom bei Auftreten nur eines Körper- oder Erdschlusses ist niedrig und eine

Abschaltung nicht gefordert, wenn die Bedingung Id x RA ≤ 50 V (s. Abschnitt 3.3

„Automatische Abschaltung in TT-Systemen) erfüllt ist und keine gefährlichen

Fehlerspannungen auftreten können. Unter diesen Bedingungen ist der Strom Id so klein, dass

er weder für das Personal noch für die Anlage eine Gefahr darstellt.

Es müssen jedoch Maßnahmen getroffen werden, um bei Auftreten eines zweiten Fehlers das

Risiko gefährlicher physiologischer Einwirkungen auf Personen, die in Verbindung mit

gleichzeitig berührbaren leitfähigen Teilen stehen, zu vermeiden.

Dennoch erfordert dieses System:

eine Einrichtung zur kontinuierlichen Überwachung des Isolationswiderstandes gegen Erde gem. IEC 60364-4-41 (VDE 0100-410). Sie muss bei Auftreten eines ersten Fehlers eine Meldung (akustisch und/oder visuell usw.) auslösen (siehe Abb. F16),

zwingend die schnelle Beseitigung eines ersten Fehlers, damit die Vorteile des IT-Systems vollständig genutzt werden können. Die Betriebskontinuität ist der Hauptvorteil des IT-Systems.

Abb. F16: Isolationsüberwachungseinrichtung zwischen Außenleiter und Erde: im IT-System

vorgeschrieben

In einem System, in dem neue Kabel/Leitungen/Leiter verwendet werden, ergibt sich z.B. bei

einer Länge von 1 km ein Ableitstrom (kapazitiv) gegen Erde von ca. 3500 Ω pro aktiven

Außenleiter. Im Normalbetrieb beträgt der kapazitive Strom [1]

zur Erde daher:

pro Außenleiter.

Während eines Fehlers zwischen Außenleiter und Schutzleiter/Erde (s. Abb. F17) entspricht

der Strom durch den Widerstand des Erdungsanschlusses RnA der Vektor-summe der

kapazitiven Ströme in den fehlerfreien Außenleitern. Die Spannungen der fehlerfreien

Außenleiter haben sich (aufgrund des Fehlers) auf die verkettete Spannung ( der normalen

Spannung gegen Erde) erhöht, so dass sich die kapazitiven Ströme um denselben Wert

erhöhen. Diese Ströme sind um 60° verschoben, so dass deren Vektorsumme (in diesem

Beispiel) einen Wert von:

3 x 66 mA = 198 mA ergibt.

Die Berührungsspannung UB entspricht daher 198 x 5 x 10-3

= 0,99 V und ist somit

ungefährlich.

Der durch den Körperschluss/Erdschluss verursachte Strom entspricht der Vektorsumme des

Stromes Id1 (=153 mA) und des kapazitiven Stromes Id2(198 mA).

Da die berührbaren leitfähigen Teile der Anlage über Schutzleiter direkt geerdet sind, spielt

die Impedanz Zct bei der Erzeugung von Berührungsspannungen gegen Erde praktisch keine

Rolle.

Abb. F17: Weg des Fehlerstromes bei einem ersten Fehler im IT-System

Auftreten eines zweiten Fehlers

Das gleichzeitige Auftreten zweier

Körperschlüsse/Erdschlüsse (an unterschiedlichen aktiven

Leitern) ist gefährlich und die schnelle Abschaltung der

Stromversorgung durch Sicherungen oder Leistungsschalter

hängt von der Verbindung der Körper mit Erde (einzeln, in

Gruppen oder gemeinsame Erdung) ab.

Tritt ein zweiter Fehler in einem anderen Außenleiter oder in einem Neutralleiter auf, ist eine

Abschaltung der Stromversorgung innerhalb der festgelegten Zeiten zwingend notwendig. Die

Fehlerbeseitigung wird in den folgenden Fällen unterschiedlich durchgeführt:

1. Fall

Betrifft eine Anlage, in der alle Körper gemeinsam mit einem geerdeten Schutzleiter (PE-

Leiter) verbunden sind (siehe Abbildung F18).

In diesem Fall führt der Weg des Fehlerstromes nicht über die Erde, so dass ein relativ hoher

Fehlerstrom auftritt und herkömmliche Überstromschutzeinrichtungen verwendet werden

können, d.h. Leistungsschalter, Leitungsschutzschalter und Sicherungen.

Der erste Fehler könnte an einem Stromkreisende in einem entfernten Anlagenteil auftreten,

während der zweite Fehler am entgegengesetzten Anlagenteil auftreten könnte.

Aus diesem Grund wird zur Berechnung des zu erwartenden Fehlerstromes die ermittelte

Schleifenimpedanz eines Stromkreises verdoppelt.

Enthält das System zusätzlich zu den 3 Außenleitern einen Neutralleiter, treten niedrigere

Kurzschluss-/Fehlerströme auf, wenn einer der (zwei) Fehler zwischen dem Neutralleiter und

Erde auftritt (alle vier Leiter sind in einem IT-System von Erde isoliert). In Vierleiter-IT-

Systemen muss daher die Spannung zwischen Außenleiter und Neutralleiter zur Berechnung

der Kurzschlussströme verwendet werden, d.h. [2]

wobei gilt:

Uo: Nennwechselspannung zwischen Außenleiter und Neutralleiter

ZS: Impedanz der Fehlerstromschleife (siehe Kapitel F, Abschnitt 3.2)

Ia: Auslösestromwert

Bei nichtverteiltem Neutralleiter ist die zur Fehlerstromberechnung zu verwendende

Spannung die Spannung zwischen den Außenleitern, d.h. [2]

Maximale Abschaltzeiten

Die Abschaltzeiten für IT-Systeme hängen von der Art der Erdung der Körper (einzeln, in

Gruppen oder gemeinsame Erdung) ab.

Für Endstromkreise zur Versorgung von elektrischen Anlagen und Betriebsmitteln mit einem

Bemessungsstrom unter 32 A, deren berührbare leitfähige Teile mit dem Erdungsanschluss

der Anlage verbunden sind, ist die maximale Abschaltzeit in Tabelle F8 angegeben. Für die

anderen Stromkreise innerhalb derselben Gruppe, deren berührbare leitfähigen Teile ebenfalls

verbunden sind, beträgt die maximale Abschaltzeit 5 s. Der Grund dafür ist, dass jeder

Doppelfehler einen Kurzschlussstrom wie im TN-System zur Folge hat.

Für Endstromkreise zur Versorgung von elektrischen Anlagen und Betriebsmitteln mit einem

Bemessungsstrom unter 32 A, deren berührbare leitfähige Teile an einen unabhängigen,

elektrisch vom Erdungsanschluss der Station getrennten Erdungsanschluss anschlossen sind,

wird die maximale Abschaltzeit in Abbildung F15 angegeben. Für die anderen Stromkreise

innerhalb derselben Gruppe, deren berührbare leitfähige Teile nicht verbunden sind, beträgt

die maximale Abschaltzeit 1 s.

Der Grund dafür ist, dass jeder Doppelfehler, der durch einen Isolationsfehler in dieser

Gruppe und dem Isolationsfehler in einer anderen Gruppe entsteht, einen Fehlerstrom erzeugt,

der durch die verschiedenen Erdanschlusswiderstände wie im TN-System begrenzt wird.

Schutz durch Leistungsschalter

Für den in Abbildung F18 dargestellten Fall müssen die Einstellungen für das unverzögerte

und kurzzeitverzögerte Überstromauslösesystem gewählt werden. Die hier empfohlenen

Zeiten können eingehalten werden. Der Kurzschlussschutz durch den Leistungsschalter

NSX160 ist für die Beseitigung eines Außenleiterschlusses auf der Verbraucherseite der

betreffenden Stromkreise geeignet.

Abb. F18: Leistungsschalterauslösung im Fall eines Doppelfehlers. Die berührbaren leitfähigen Teile

sind mit einem gemeinsam geerdeten Schutzleiter verbunden.

Zur Erinnerung: In einem IT-System werden zwei von einem Außenleiterschluss betroffene

Stromkreise mit identischer Länge und identischen Leiterquerschnitten angenommen (der

Querschnitt des PE-Leiters ist identisch mit den Querschnitten der Außenleiter). In so einem

Fall ist die Impedanz der Stromkreisschleife bei Verwendung der „konventionellen Methode”

(siehe Kapitel F, Abschnitt 6.2) doppelt so groß wie die, die für einen der Stromkreise im TN-

System berechnet wurde (siehe Kapitel F, Abschnitt 3.3).

Der Widerstand der Stromkreisschleife errechnet sich aus:

,in mΩ wobei gilt:

ρ: Widerstand eines Kupferstabes mit einer Länge von 1 m und einem Querschnitt von

1 mm2, in mΩ

L: Stromkreislänge in m

a: Leiterquerschnitt in mm2

FGHJ = 2 x 22,5 x 50/35 = 64,3 mΩ

und der Schleifenwiderstand B, C, D, E, F, G, H, J beträgt 2 x 64,3 = 129 mΩ.

Der Fehlerstrom beträgt daher .

Schutz durch Sicherungen

Der Strom Ia, bei dem das Auslösen der Sicherung innerhalb einer festgelegten Zeit (wie

zuvor beschrieben) sichergestellt sein muss, kann Auslösekennlinien der Sicherungen

entnommen werden (siehe Abbildung F15).

Der notwendige Abschaltstrom der Schutzeinrichtung muss wesentlich kleiner sein, als die für

den betreffenden Stromkreis berechneten maximalen Fehlerströme.

Schutz durch Fehlerstrom-/Differenzstrom-Schutzeinrichtungen (RCCBs)

Für niedrige Kurzschlussstromwerte sind Fehlerstrom-/Differenzstrom-Schutzschalter

erforderlich. Der Schutz bei indirektem Berühren kann durch die Verwendung eines

Fehlerstrom-/Differenzstrom-Schutzschalters für jedes Betriebsmittel gewährleistet werden.

2. Fall

Betrifft Körper, die entweder einzeln (jedes Teil hat seinen eigenen Erdungsanschluss) oder gruppenweise (jede Gruppe hat einen Erdungsanschluss) geerdet sind.

Sind nicht alle Körper mit einem gemeinsam geerdeten Schutzleiter verbunden, kann der

zweite Körperschluss/Erdschluss möglicherweise in einer anderen Gruppe oder einem separat

geerdeten einzelnen Betriebsmittel auftreten. Es ist, verglichen mit dem 1. Fall, ein

zusätzlicher Schutz notwendig. Dieser wird durch ein Fehlerstromschutzgerät sichergestellt,

das sich jeweils an dem Leistungsschalter befindet, der jede Gruppe oder jedes separat

geerdete Gerät absichert.

Der Grund für diesen zusätzlichen Schutz ist, dass die Erdungsanschlüsse der separaten

Gruppen durch die Erde „verbunden” sind, so dass der Außenleiterschlussstrom beim

Durchfluss durch die Erdverbindung durch die Erdungsanschlusswiderstände im Allgemeinen

begrenzt wird, wodurch ein zuverlässiger Schutz durch Überstromschutzgeräte nicht mehr

gewährleistet ist. Daher sind die empfindlicheren Schaltgeräte mit Fehlerstromschutz

erforderlich, wobei deren Betriebsstrom den bei einem ersten Fehler auftretenden Strom

überschreiten muss (siehe Abb. F19).

Ableitkapazität (μF) Erster Fehlerstrom (A)

1 0,07

50 0,36

30 2,17

Hinweis: 1 μF ist die typische Ableitkapazität für ein 4-Leiter-Kabel mit einer Länge von 1

km.

Abb. F19: Zusammenhang zwischen Ableitkapazität und Strom beim ersten Fehler

Tritt ein zweiter Fehler innerhalb einer Gruppe mit gemeinsamem Erdungsanschluss auf, löst

die Überstromschutzeinrichtung, wie zuvor für den 1. Fall beschrieben, aus.

Hinweis 1: Siehe auch Kapitel G, Abschnitt 7.2: Schutz des Neutralleiters.

Hinweis 2: In dreiphasigen Vierleiteranlagen wird der Überstromschutz im Neutralleiter

manchmal durch Verwendung eines Ringstromwandlers über dem einadrigen Neutralleiter

sichergestellt (siehe Abb. F20).

Abb. F20: Anwendung von Schaltgeräten mit Fehlerstromschutz, wenn die berührbaren leitfähigen

Teile im IT-Netz einzeln oder gruppenweise geerdet sind

Anmerkung

1. ^ Der Ohmsche Fehlerstrom gegen Erde durch die nicht unendlich hochohmige Isolierung der Leiter wird in diesem Beispiel als vernachlässigbar betrachtet.

2. ^ a b Auf Grundlage der „konventionellen Methode”, die im ersten Beispiel im Abschnitt 3.3 erwähnt wird.

Schutz sowohl gegen direktes als auch bei indirektem

Berühren (ohne automatische Abschaltung der

Stromversorgung) Schutz durch SELV oder PELV

Schutz durch Kleinspannung (SELV)

Der Schutz durch SELV wird an Einsatzorten mit hohem

Risiko eingesetzt: Schwimmbäder, für Ausleuchtlampen

und andere tragbare Geräte zur Benutzung im Freien usw.

SELV wird eingesetzt, wenn der Betrieb elektrischer Anlagen und Betriebsmittel eine Gefahr

darstellt (z.B. im Becken von Schwimmbädern). Diese Maßnahme besteht in der Versorgung

mit sicherer Begrenzung der Spannung auf niedere Werte (maximal AC 50 V bzw. DC 120 V,

im Wasser nur AC 12 V oder DC 25 V) durch Verwendung eines Sicherheitstransformators

nach IEC 61558-2-6 (VDE 0570-2-6). Der Isolationspegel zwischen der Primär- und

Sekundärwicklung ist sehr hoch, und/oder manchmal wird eine geerdete Schirmwicklung

zwischen die Wicklungen eingefügt.

Die Sekundärspannung überschreitet nie AC 50 V eff.

Um einen angemessenen Schutz sowohl gegen indirektes als auch bei direktem Berühren zu

gewährleisten, müssen drei Bedingungen eingehalten werden:

Kein aktiver Leiter darf mit Schutzleiter oder Erde verbunden sein. Die Körper elektrischer Betriebsmittel dürfen weder mit Schutzleiter oder Erde verbunden

noch mit Körpern anderer Spannungen verbunden sein. Leiter von Stromkreisen verschiedener Spannung müssen durch einen geerdeten

Metallschirm oder eine geerdete metallene Umhüllung getrennt sein.

Voraussetzungen für diese Maßnahmen:

Mehradrige Kabel, Leitungen oder Leiterbündel dürfen Stromkreise verschiedener Spannungen enthalten, wenn die Leiter von SELV- und PELV-Stromkreisen einzeln oder gemeinsam mit einer Isolierung versehen sind, die für die höchste vorkommende Spannung bemessen ist.

Steckvorrichtungen für das SELV-System dürfen über keinen Schutzkontakt verfügen. Für SELV-Stromkreise müssen spezielle Stecker und Buchsen verwendet werden, so dass ein

unbeabsichtigtes Einstecken an ein anderes Spannungsniveau ausgeschlossen ist.

Hinweis: Unter normalen Bedingungen beträgt die Schutzkleinspannung weniger als 25 V.

Daher ist kein Schutz gegen direktes Berühren notwendig. Spezielle Anforderungen werden

in Kapitel N, Abschnitt 3 „Empfehlungen für Räume und Anlage besonderer Art” erläutert.

Schutz durch PELV (Funktionskleinspannung mit sicherer Trennung:

Protection by Extra Low Voltage = PELV)

(s. Abb. F21)

Diese Maßnahme wird i. Allg. verwendet, wenn eine Kleinspannung benötigt oder aus

Sicherheitsgründen bevorzugt wird, die sich von denen für die zuvor genannten Einsatzorte

mit hohem Risiko unterscheidet. Die Ausführung ist der des SELV-Systems ähnlich, jedoch

dürfen ein aktiver Leiter und/oder die Körper der elektrischen Betriebsmittel mit Erde oder

Schutzleitern verbunden sein.

In der Norm IEC 60364-4-41 (VDE 0100-410) ist die Bedeutung der PELV genau festgelegt.

Der Schutz gegen direktes Berühren ist i. Allg. erforderlich, es sei denn, das Gerät befindet

sich im Potentialausgleichsbereich, die Nennspannung liegt unter 25 V eff, das Gerät wird

ausschließlich an normalerweise trockenen Einsatzorten benutzt und es wird keine Berührung

mit dem menschlichen Körper erwartet. In allen anderen Fällen beträgt die maximal zulässige

Spannung 6 V eff. Bis zu diesem Spannungswert ist kein Schutz gegen direktes Berühren

gewährleistet.

Abb. F21: NS-Versorgung durch einen Sicherheitstransformator

Funktionskleinspannung ohne sichere Trennung (Functional Extra-Low

Voltage = FELV)

In Anlagen, in denen aus funktionalen Gründen eine Spannung von 50 V oder weniger

verwendet wird, aber nicht alle Anforderungen für die Schutz- oder Funktionskleinspannung

erfüllt sind, müssen entsprechende Maßnahmen getroffen werden (gemäß IEC 60364-4-41

(VDE 0100-410)), um den Schutz gegen direktes und indirektes Berühren zu gewährleisten, je

nach Einsatzort und Verwendung der Stromkreise.

Hinweis: Solche Bedingungen sind z.B. gegeben, wenn der Stromkreis Geräte enthält (z.B.

Transformatoren, Relais, Fernschalter, Schütze), die hinsichtlich der Stromkreise mit höheren

Spannungen nicht ausreichend isoliert sind.

Schutz durch Schutztrennung

(siehe Abb. F22)

Die Schutztrennung eines einzelnen Stromkreises ist

vorgesehen, um Gefahren beim Berühren von Körpern zu

verhindern, die durch einen Fehler in der Basisisolierung

des Stromkreises unter Spannung gesetzt werden können.

Das Prinzip der Schutztrennung basiert auf folgenden Anforderungen.

Die aktiven Leiter der Sekundärwicklung eines Trenntransformators müssen von Erde isoliert

sein.

Wird ein Leiter direkt berührt, fließt über die Innenkapazität dieses Leiters gegen Erde nur ein

sehr kleiner Strom durch die berührende Person, durch die Erde und zurück zu einem anderen

Leiter. Da die Leiterkapazität gegen Erde sehr klein ist, liegt der Strom i. Allg. unter der

Wahrnehmbarkeitsschwelle. Mit Zunahme der Leitungslänge erhöht sich der

Berührungsstrom allmählich bis zu einem Wert, bei dem es zu einem gefährlichen

elektrischen Schlag kommen kann.

Abb. F22: Sicherheitsversorgung durch einen Trenntransformator der Klasse II

Obgleich kurze Leitungen die Gefahr durch den kapazitiven Strom ausschließen, kann es

durch einen niedrigen Isolationswiderstand gegen Erde zu einer Gefährdung kommen, da der

Stromweg dann, hervorgerufen durch den niedrigen Isolationswiderstand zwischen Leiter und

Erde, über die berührende Person, durch die Erde und zurück zum anderen Leiter führt.

Aus diesen Gründen sind relativ kurze, gut isolierte Leitungen bei Schutztrennung von

grundlegender Bedeutung.

Speziell für diesen Zweck entwickelte Trenntransformatoren verfügen über einen hohen

Isolationspegel zwischen der Primär- und Sekundärwicklung oder eine entsprechende

Schutzvorrichtung, wie z.B. einen geerdeten Schirm zwischen den Wicklungen. Der

Transformatoraufbau entspricht der Schutzklasse II.

Wie bereits erwähnt, erfordert die erfolgreiche Anwendung dieses Prinzips, dass:

kein Leiter und kein Körper des Sekundärstromkreises mit Schutzleitern oder Erde verbunden ist,

die Länge der Sekundärleiter begrenzt ist, um große Kapazitätswerte zu vermeiden [1], ein hoher Isolationswiderstand für die Leiter und Geräte eingehalten wird.

Durch diese Bedingungen ist die Anwendung dieses Schutzes im Allgemeinen auf ein

einzelnes Verbrauchsmittel beschränkt.

Werden mehrere Verbraucher von einem Trenntransformator versorgt, sind zusätzlich

folgende Anforderungen zu beachten:

Die Körper der elektrischen Betriebsmittel müssen über einen ungeerdeten Schutzleiter miteinander verbunden werden.

Die Steckvorrichtungen müssen über einen Schutzkontakt verfügen. Der Schutzkontakt wird in diesem Fall nur zur Verbindung aller Körper elektrischer Betriebsmittel/Verbrauchsmittel verwendet.

Im Fall eines zweiten Fehlers muss eine automatische Abschaltung der Stromversorgung nach

den gleichen Bedingungen wie beim TN-System erfüllt sein.

Geräte der Schutzklasse II oder mit gleichwertiger Isolierung

Symbol Schutzklasse II oder auch Schutzisolierung:

Diese Geräte werden auch als „schutzisoliert” bezeichnet, denn Geräte der Schutz-klasse II

beinhalten, außer der Basisisolierung, noch eine zusätzliche oder verstärkte Isolierung (siehe

Abb. F23).

Leitfähigen Teile und Körper von Geräten der Schutzklasse II dürfen nicht mit einem

Schutzleiter verbunden sein:

Bei den meisten tragbaren oder optional tragbaren Geräten, bestimmten Lampen und einigen Transformatorausführungen wird eine Schutzisolation von vornherein vorgesehen. Bei der Benutzung von Geräten der Schutzklasse II ist besondere Vorsicht geboten und es ist regelmäßig und häufig zu prüfen, ob der Klasse II-Standard gehalten wird (keine defekten Gehäuse usw.). Die Sicherheitsstandards von elektronischen Geräten, Radios und TV-Geräten entsprechen der Schutz-klasse II, sind aber nicht offiziell Geräte der Schutzklasse II.

Zusätzliche Isolation in einer elektrischen Anlage:

In IEC 60364-4-41, Abschnitt 413-2 (VDE 0100-410) werden die notwendigen Maßnahmen

zum Erhalt der zusätzlichen Isolation während der Installation genauer beschrieben.

Abb. F23: Prinzip der Schutzklasse II

Ein einfaches Beispiel ist das Ziehen eines Kabels in ein PVC-Rohr. Ebenso werden

Methoden für Verteilungen beschrieben.

Für Schaltgerätekombinationen beschreibt IEC 61439-1 (VDE 0660-600-1) sowie die entsprechenden Produktteile einige Anforderungen für den „Schutz durch Schutzisolierung”, die der Schutzklasse II entspricht.

Schutz durch Abstand oder Hindernisse

Der Schutz durch Anordnen von gleichzeitig zugänglichen

leitfähigen Teilen mit angemessenem Abstand oder von

zusätzlichen Hindernissen erfordert einen nichtleitfähigen

Untergrund und ist daher nicht einfach anwendbar.

Durch diese Schutzmaßnahmen wird die Wahrscheinlichkeit der gleichzeitigen Berührung

eines stromführenden, berührbaren leitfähigen Teils und eines außenliegenden leitfähigen

Teils mit Erdpotential minimiert (siehe Abb. F24).

Abb. F24: Schutz durch Abstand und nichtleitende Hindernisse

In der Praxis kann diese Maßnahme nur an trockenen Einsatzorten und unter

Berücksichtigung der folgenden Bedingungen angewendet werden:

Zimmerfußboden und -wände müssen nichtleitend sein, d.h. der Widerstand gegen Erde an jedem beliebigen Punkt muss folgende Werte betragen:

o > 50 kΩ (Anlagenspannung ≤ 500 V) o > 100 kΩ (500 V < Anlagenspannung ≤ 1000 V)

Der Widerstand wird durch spezielle Messgeräte zwischen einer Elektrode auf dem Fußboden

oder an der Wand und Erde (d.h. dem nächsten Schutz-Erdleiter) gemessen. Der

Auflagedruck der Elektrode muss selbstverständlich bei allen Prüfungen gleich groß sein.

Die verschiedenen Messgerätehersteller liefern Elektroden, die speziell auf deren eigene

Produkte ausgelegt sind, daher muss darauf geachtet werden, dass immer die für das

Messgerät vorgesehenen Elektroden verwendet werden.

Die Geräte und Hindernisse müssen so angeordnet werden, dass die gleichzeitige Berührung von zwei berührbaren leitfähigen Teilen oder von einem berührbaren leitfähigen Teil und einem außenliegenden leitfähigen Teil durch eine einzige Person ausgeschlossen ist.

In dem betreffenden Zimmer darf kein berührbarer Schutzleiter vorhanden sein. Die Zimmereingänge müssen so angeordnet sein, dass kein Risiko für eintretende Personen

besteht, z.B. darf eine Person, die auf einem leitfähigen Untergrund außerhalb des Zimmers steht, nicht durch die Tür greifen können und dabei ein leitfähiges Teil berühren, wie z.B. einen Lichtschalter in einem industriellen Druckgussgehäuse.

Erdfreier örtlicher Potentialausgleich

(siehe Abb. F25)

Ein erdfreier örtlicher Potentialausgleich wird in

Verbindung mit speziellen Anlagen (z.B. Labors) eingesetzt

und führt zu einigen Installationsschwierigkeiten.

Abb. F25: Potentialausgleich aller berührbaren leitfähigen Teile, die gleichzeitig zugänglich sind

Bei dieser Schutzmaßnahme sind alle berührbaren leitfähigen Teile, einschließlich des

Fußbodens [2]

, durch entsprechend dimensionierte Leiter verbunden, so dass es zu keiner

größeren Potentialdifferenz zwischen zwei Punkten kommen kann.

Ein Isolationsfehler zwischen einem stromführenden Leiter und dem Metallgehäuse eines

Gerätes hätte einen Spannungsanstieg in der gesamten Anlage auf die Spannung zwischen

Außenleiter und Erde zur Folge, ein Fehlerstrom würde jedoch nicht fließen. Unter diesen

Bedingungen wäre das Eintreten einer Person in diesen Bereich riskant (da sie/er einen

stromführenden Fußboden betreten würde).

Es müssen entsprechende Vorkehrungen getroffen werden, um das Personal vor dieser Gefahr

zu schützen (z.B. nichtleitender Fußboden an Eingängen usw.). Desweiteren sind spezielle

Schutzgeräte erforderlich, die Isolationsfehler auch bei nichtvorhandenem Fehlerstrom

erfassen.

Anmerkung

1. ^ In IEC 364-4-41 (VDE 0100-410) wird empfohlen, dass das Produkt aus Spannung (V) und Leitungslänge (m) nicht größer als 100.000 und die Leitungslänge nicht größer als 500 m ist.

2. ^ Außenliegende leitfähige Teile, die in den Potentialausgleichsbereich ein- oder austreten (wie z.B. Wasserleitungen usw.) müssen mit einer entsprechenden Isolationsumhüllung versehen sein und dürfen nicht in das Potentialausgleichsnetz integriert sein, da solche Teile mit den Schutz(Erd-)leitern an anderer Stelle der Anlage verbunden werden.

Stand: Februar 2016

Quelle: Planungskompendium Energieverteilung Wiki