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Sicherheit der Verteilanlage - ein komplexer Themenkreis

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Aus ELVjournal 05/2007     0 Kommentare
Sicherheit der Verteilanlage - ein komplexer Themenkreis
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Heute die Eigenschaften einer „sicheren Verteilanlage“ zu beschreiben, ist schwierig bis unmöglich. Zunächst muss man sich einmal klar werden, wie umfänglich der Begriff Sicherheit zu sehen ist. Man kann zwischen Sicherheit für Menschen, Gebäude, Installationen und der sicheren (zuverlässigen) Funktion von Systemen, ihrer gegenseitigen Beeinflussung usw. unterscheiden. Dabei bemerkt man, wie weitläufig das Thema ist und wie verschwommen teilweise die Grenzen zwischen den Bereichen verlaufen. Wir wollen trotzdem versuchen, diese Thematik unkompliziert zu erläutern.

Stichwort: vernetzte Multimediasysteme

Im Zeichen immer komplexerer Installationen wird es zunehmend schwieriger, alle Sicherheitsziele in vollem Umfang und dauerhaft zu erreichen. Die klassischen Maßnahmen des äußeren und inneren Blitzschutzes „Erdung und Potentialausgleich“ in einer Empfangsanlage sind heute nach wie vor unverzichtbar, reichen aber bei weitem nicht aus. Das wahre Problempotential wird sich erst im multimedialen, intelligenten Haus offenbaren. Hier sind durch den Betrieb unterschiedlichster vernetzter Systeme für die Energieversorgung, Unterhaltung, Kommunikation, Datentechnik, Steuerung, Sicherheit etc. völlig neue Probleme entstanden. Deren Lösung ist durch Anwendung der bestehenden Normen und Vorschriften (noch) nicht restlos möglich.

Sicherheit: ein trügerischer, gefühlter Zustand

Bild 1: Tausendmal ist nichts passiert … aber sicher?“
Bild 1: Tausendmal ist nichts passiert … aber sicher?“
Wer glaubt, eine Sache oder ein Verfahren sei sicher, wenn lange genug nichts passiert ist, erliegt einer subjektiven Täuschung. Abbildung 1 verdeutlicht diese Aussage recht gut. Der schweißende Mechaniker ist vielleicht schon vielmals unter solch gewagten Stützkonstruktionen seiner Arbeit nachgegangen. Offensichtlich ist nie etwas dabei passiert, aber ist seine Vorgehensweise deshalb sicher? Sicher nicht, vielmehr lauert die Gefahr im Hintergrund und wartet darauf, das subjektive Sicherheitsgefühl plötzlich und ohne Vorwarnung zu beenden. An der Wikipedia-Definition „Sicherheit bezeichnet einen Zustand, der frei von unvertretbaren Risiken der Beeinträchtigung ist oder als gefahrenfrei angesehen wird“ wird erkennbar, dass eine absolute Sicherheit ohne jedes Restrisiko nicht herstellbar ist. Aber man kann die bestmögliche Sicherheit unter Beachtung aller zeitgemäßen anerkannten Regeln der Technik erzielen.

Die Antennenanlage

Das Empfangs- und Verteilsystem für hochfrequente Rundfunksignale bietet durch die klassischen Maßnahmen des inneren und äußeren Blitzschutzes ein hohes Maß an Sicherheit für Leib und Leben des Benutzers und für das Gebäude, in dem er lebt. Das Thema ist in der VDE 0855, ihrem Nachfolger, der DIN EN 50083, und jetzt aktuell in der DIN EN 60728- 11:2005 (Kabelnetze für Fernsehsignale, Tonsignale und interaktive Dienste, Teil 11: Sicherheitsanforderungen) ausführlich behandelt. Die Norm gilt für Sicherheit von Anlagen und Geräten, des daran arbeitenden Personals, der angeschlossenen Teilnehmer und Endgeräte. Stichwörter: Schutz gegen Umgebungseinflüsse, Potentialausgleich und Erdung, Stromversorgung der Anlage, Schutz gegen Berührung und Annäherung an Starkstromverteilsysteme, Schutz gegen atmosphärische Überspannungen, mechanische Festigkeit von Antennenaufbauten. Einen guten Überblick gibt die Internetseite der DKE (Deutsche Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik im DIN und VDE, www.dke.de/NR/rdonlyres/7FFB6827-8A67-4849-9C3E-DBF6CAAFB2C0/16740/NormenderReiheVDE0855.pdf).

Bild 2: Korrekt blitzschutzgeerdete und potentialausgeglichene Sat-Empfangsanlage
Bild 2: Korrekt blitzschutzgeerdete und potentialausgeglichene Sat-Empfangsanlage
Wir wollen es beim Thema Erdung und Potentialausgleich an dem modifizierten Beispiel 8, einer Sat-Empfangsanlage mit Multischalterverteilung, belassen (Abbildung 2). Das Wesentliche in Kürze: Kern der Anlage ist die Potentialausgleichsschiene, die mit der Gebäudeerde und, falls vorhanden, einer separaten Blitzschutzerde verbunden wird. Den Antennenmast schließt man über einen Massivleiter mit mindestens 16 mm² Kupfer oder 25 mm² Eisen auf kürzestem Weg (zweckmäßigerweise außenliegend) an den Fundamenterder an. Zur Vermeidung von Potentialunterschieden in der geerdeten Verteilanlage werden die Mäntel aller Koaxial-Kabel miteinander verbunden (>4 mm² Cu). Dazu verwendet man am besten Erdungsblöcke. Erdungsklemmschienen, wie sie einige Hersteller noch im Programm haben, sollten wegen Mikroreflexionen an den Quetschstellen nicht eingesetzt werden.

Ausgleichsströme durch ungeeignete Stromnetzformen

Bild 3: Netzformen nach VDE 0100
Bild 3: Netzformen nach VDE 0100
Um das Problem richtig darstellen zu können, ist ein kleiner Exkurs in die Netzformen nach VDE 0100 sinnvoll. Die VDE 0100 unterscheidet im Hinblick auf die Erdungsverhältnisse von Spannungsquelle und Verbraucher verschiedene Netzformen und kennzeichnet diese in Form einer Buchstabengruppierung (Abbildung 3). Der erste Buchstabe kennzeichnet die Erdungsart des Sternpunkts beim Stromnetzbetreiber, in der Regel in der Trafostation des EVU (T: Erde [Terra], I: isoliert). Der zweite Buchstabe beschreibt die Beziehung der berührbaren Teile des Verbrauchers zur Erde: T: Erde (Terra), N: Neutral (mit Betriebserder verbunden). Der dritte und vierte Buchstabe kennzeichnen die Art der Verlegung von Nullleiter (auch Neutralleiter genannt; hellblau) und Schutzleiter (PE = Protective Earth; grün-gelb) in der Anlage des Verbrauchers: S: separat (N und PE sind als separate Leiter ausgeführt), C: combined (N und PE sind in einem Leiter zusammengefasst) Das TN-C-System ist veraltet (bei Neuinstallationen nicht mehr zulässig), aber noch häufig im Gebäudebestand anzutreffen. Insbesondere im Steigleitungsbereich älterer Gebäude finden sich noch oft TN-C-Strukturen, in den renovierten Wohnungen wurde aber die TN-S-Netzform verwendet. Das TN-C-System hat einen großen Nachteil: Bei einer Unterbrechung des PEN-Leiters und defekter Isolation eines leitenden Gerätegehäuses besteht bei dessen Berührung Lebensgefahr. Außerdem rufen reguläre Lastströme im PEN zwischen den über die Schutzleiteranschlüsse geerdeten Verbrauchern Poten tialdifferenzen hervor, die zu Störspannungen und dadurch hervorgerufene Ausgleichsströme führen.
Bild 4: Wo der Neutralleiter gleichzeitig als Schutzleiter „missbraucht“ wird, werden hohe Ausgleichsströme provoziert.
Bild 4: Wo der Neutralleiter gleichzeitig als Schutzleiter „missbraucht“ wird, werden hohe Ausgleichsströme provoziert.
Abbildung 4 illustriert das. Nehmen wir einmal an, die beiden Verbraucher wären PCs mit TV-Empfangskarten und das Koax-Kabel eine durchgeschleifte Antennenleitung. Dann ergibt sich der folgende Ausgleichsstrommechanismus. Der Laststrom von Verbraucher 2 durch den PEN-Leiter erzeugt an dessen Leitungswiderstand im Abschnitt zu Verbraucher 1 eine Störspannung UStör, die einen Ausgleichsstrom IAusgleich über den Schirm eines Koaxial- Kabels zwischen den Verbrauchern fließen lässt. Dieser Ausgleichsstrom kann zu Fehlfunktionen beim Empfang führen. Viel gravierender wird das Problem, wenn ein starker Verbraucher, wie z. B. eine Waschmaschine, den Spannungsfall zwischen Verbraucher 1 und Verbraucher 2 stark erhöht. Das Tückische daran ist, dass der dadurch verursachte Ausgleichsstrom nur zeitweise (bei laufender Waschmaschine) auftritt und die Suche nach der Fehlerursache erschwert.
Bild 5: Auch Lasten an anderen Phasen verursachen Ausgleichsströme.
Bild 5: Auch Lasten an anderen Phasen verursachen Ausgleichsströme.
Auch wenn die Verbraucher an unterschiedlichen Phasen betrieben werden, kommt es wegen des gemeinsamen Rückleiters (das Wort Neutralleiter wird absichtlich nicht verwendet) zu Ausgleichsströmen (Abbildung 5). Hier wird zwischen Verbraucher 1 und der Potentialausgleichsschiene ein im Wesentlichen durch Verbraucher 2 hervorgerufener Spannungsfall zum Auslöser des Ausgleichsstroms über den Schirm des Koaxial-Kabels. Wir sehen an diesem Beispiel, dass ein gemeinsamer Neutral- und Schutzleiter in der Gebäudeverkabelung absolut unzulässig ist. Beim TN-S-System wird im Hausanschluss in Neutralleiter und Schutzleiter aufgetrennt. Im gesamten Verteilsystem darf dann nirgendwo mehr eine Verbindung zwischen Neutral- und Schutzleiter hergestellt werden!
Bild 6: Wenn von der Trafostation bis zur Gebäudeeinführung mit 4 Leitern (TN-C) und ab hier mit 5 Leitern (TN-S) gefahren wird, spricht man von einem TN-C-S-Netz. Jetzt verursacht der Spannungsfall am Neutralleiter keine Ausgleichsströme mehr.
Bild 6: Wenn von der Trafostation bis zur Gebäudeeinführung mit 4 Leitern (TN-C) und ab hier mit 5 Leitern (TN-S) gefahren wird, spricht man von einem TN-C-S-Netz. Jetzt verursacht der Spannungsfall am Neutralleiter keine Ausgleichsströme mehr.
Jetzt verursacht der Rückstrom von Verbraucher 2 zwar am Leitungswiderstand des Neutralleiter-Abschnitts zu Verbraucher 1 eine Störspannung, nicht jedoch im Schutzleiter (Abbildung 6). Also fließt auch kein Ausgleichsstrom über den Schirm eines Koaxial-Kabels zwischen den Verbrauchern.

Rückströme mit Überschwingungen

Im Idealfall eines symmetrisch belasteten Drehstromsystems mit oberwellenfreien „sauberen“ Sinusströmen neutralisieren sich diese wegen ihrer Phasenverschiebung um 120°, wenn sie über den Neutralleiter (daher der Name) zur Quelle zurückfließen. So weit die Theorie. In der Realität ist aber zunehmend durch den massenhaften Einsatz von elektronischen nichtlinearen Verbrauchern wie Phasenan- und -abschnittssteuerungen, Schaltnetzteilen in PCs, Druckern und Monitoren, elektronischen Durchlauferhitzern, elektronischen Vorschaltgeräten (EVG) usw. ein starker Oberwellengehalt in Netzspannung und -strömen zu verzeichnen.
Bild 7: Die Oberwellen mit ungerader Ordnungszahl addieren sich im Neutralleiter. Besonders gravierend sind die Oberwellen 3. Ordnung.
Bild 7: Die Oberwellen mit ungerader Ordnungszahl addieren sich im Neutralleiter. Besonders gravierend sind die Oberwellen 3. Ordnung.
Die ungeraden Oberwellen, und davon besonders die dritte Oberwelle jeder Phase (150 Hz), sind besonders störend, da sie sich auch im symmetrischen Belastungsfall nicht im Neutralleiter kompensieren, sondern aufaddieren (Abbildung 7). Dadurch kann es bei entsprechend vielen nichtlinearen Lasten zu einer Überlastung eines Neutralleiters mit zu geringem Querschnitt kommen.
Bild 8: Nichtlineare Lasten verformen die Sinusschwingungen des Netzes und erzeugen dadurch Oberwellen. (Quelle: Fluke)
Bild 8: Nichtlineare Lasten verformen die Sinusschwingungen des Netzes und erzeugen dadurch Oberwellen. (Quelle: Fluke)
Abbildung 8 demonstriert anhand eines Oszillogramms (links), wie ein impulsförmiger Strom die Netzspannung abflacht. Diese Rückwirkung produziert Spannungsoberwellen. Noch gravierender ist die Oberwellensituation in diesem Beispiel beim Strom selber (rechts), wo die dritte Oberwelle stark ausgeprägt ist. In TN-S-Systemen induziert der Neutralleiter im parallel verlaufenden Schutzleiter durch unsymmetrische Lastverteilung die harmonischen Schutzleiterspannungen, die ohne weiteres zu Ausgleichsströmen von 10 bis 20 A führen können.

Ableitströme von Schaltnetzteilen

In jedem Haushalt gibt es heute inzwischen eine Vielzahl von Geräten der Schutzklasse II. Sie sind verstärkt oder doppelt isoliert und haben keinen Anschluss an den Schutzleiter. Diese Schutzmaßnahme wird auch Schutzisolierung genannt. Geräte mit elektrisch leitenden Oberflächen sind durch eine verstärkte Isolierung vor Kontakt mit spannungsführenden Teilen geschützt. Typische Vertreter dieser Klasse sind TVGeräte, Receiver, Videorecorder, CD-Player usw.
Bild 9: Die Y-Kondensatoren zur HF-Entstörung des Schaltnetzteils verursachen Ableitströme auf dem Schirm eines geerdeten Koaxial-Kabels.
Bild 9: Die Y-Kondensatoren zur HF-Entstörung des Schaltnetzteils verursachen Ableitströme auf dem Schirm eines geerdeten Koaxial-Kabels.
In der weit überwiegenden Zahl der Fälle arbeiten diese Geräte mit Schaltnetzteilen (Abbildung 9), die wegen ihres funktionsbedingt stark nichtlinearen Lastverhaltens Oberwellen bis in den MHz-Bereich hinein produzieren. Zur Funkentstörung ist der Mittelpunkt der Entstörkondensatoren Y mit der Sekundärmasse bzw. dem Chassis des Empfangsgeräts verbunden. Über die Antennenbuchse ist damit auch der Schirm des Koaxial-Kabels angeschlossen. Zwischen seinem Schirm und Nullleiter bzw. Phase steht damit eine (hochohmige) Spannung von 115 V an. Die bei Berührung durch den Menschen fließenden Ableitströme liegen weit unterhalb der Loslassschwelle und sind im ungestörten Betrieb ungefährlich. Nach DIN EN 60065 (VDE 0860) darf ein Grenzwert von 0,7 mA nicht überschritten werden. Wahrscheinlich hat jeder beim Einstecken des Antennensteckers schon einmal das auf die Y-Kondensatoren zurückzuführende „Kribbeln“ gespürt und die kleinen Fünkchen beobachtet. Zusammengefasst: Die Y-Kondensatoren überbrücken in Erfüllung ihrer Entstöraufgabe die Betriebsisolierung des Gerätes und verursachen damit einen Ableitstrom. Aus Sicherheitsgründen müssen sie selbstheilend sein, dürfen also nicht dauerhaft durchschlagen. Schließlich würden sie dann eine Verbindung zwischen Phase und den berührbaren Teilen des Geräts, z. B. der Antennenbuchse, herstellen.

Ableitstrom = Fehlerstrom!

Bild 10: In einer BK-Verteilung wie dieser summieren sich die Ableitströme am geerdeten Abzweiger.
Bild 10: In einer BK-Verteilung wie dieser summieren sich die Ableitströme am geerdeten Abzweiger.
Abbildung 10 erläutert, wie der Ableitstrom eines Fernsehgerätes seinen Weg über den Schirm des Empfängeranschlusskabels, die Steckdose und den Schirm der Koaxial-Verkabelung bis zum geerdeten Abzweiger nimmt, wo er weitgehend abgeleitet wird. An dieser Stelle summieren sich die einzelnen Ableitströme. Eine schlechte Erdung kann zu hohen Berührpotentialen und entsprechend unzulässigen, die Loslassschwelle des Menschen überschreitenden Körperströmen führen. Wird wegen Reparaturarbeiten der Kabel-Verstärker ausgetauscht und der Potentialausgleich entfernt, so besteht ohne Fehlerstromschalter für den Monteur und für alle BKTeilnehmer eine erhebliche Gefahr eines Stromschlags. Aber ein anderer Effekt ist ebenfalls zu beachten. Der vom TV-Gerät abfließende Betriebsstrom ist um den Ableitstrom verringert. Dies wird vom RCD (Residual Current Protective Device, Fehlerstromschalter, früher auch FI-Schalter genannt) als Fehlerstrom gewertet!
Der Betrieb mehrerer derartiger Geräte kann also zum Auslösen des RCDs führen. Besonders gravierend ist es, wenn durch einen Fehler im TV-Gerät vom Benutzer berührbare leitfähige Teile (z. B. Antennenbuchse und Scart-Buchse) gegen Erde unter Spannung stehen. Ist der Kabelanschluss ordnungsgemäß mit in den Potentialausgleich einbezogen, fließt in diesem Fall ein Fehlerstrom über den Koaxialschirm. Wird der Bemessungsdifferenzstrom von z. B. 30 mA überschritten, löst der RCD-Schalter aus und unterbricht den Fehlerstromkreis. Ist kein RCD eingebaut, so muss sich ein ebenfalls über den Koaxialmantel fließender Fehlerstrom von z. B. 80 A (16 A x 5, B-Charakteristik vom Leitungsschutzschalter) ergeben, damit der Stromkreis unterbrochen wird! Abgesehen von den geschilderten sicherheitsrelevanten Aspekten kann die Summe der Ableitströme zu Funktionsstörungen von HF-Geräten führen. Deren Ursache ist oft schwierig auszumachen, weil es sich meist um vom Verbraucherverhalten abhängige und schwer vorhersehbare Phänomene handelt.

In der Zukunft wachsende Probleme

Wohnungs- und gebäudeweite Installationen werden zunehmend Datennetze nach Art einer strukturierten Verkabelung umfassen. Satellitenreceiver, Hi-Fi-Anlagen, Netzwerkspeicher und viele andere IP-basierte (Internet Protocol) Geräte mit RJ45-Ethernet-Buchse stehen heute schon in den Regalen der Händler. In ihrem massenhaften praktischen Einsatz ist mit zusätzlichen Problemen zu rechnen. Vagabundierende Ausgleichsströme und Überspannungen bedrohen die Funktion solcher vernetzter Systeme und können zur Zerstörung ihrer Schnittstellen führen.

Was ist zu tun?

Die beste Abhilfe wäre ein Verzicht auf nichtlineare Lasten und Y-Kondensatoren. Weil dies gleichbedeutend mit einem Verzicht auf die moderne Elektronik mit ihrem hohen Energieeinsparpotential wäre, wird das wohl niemand ernsthaft wollen. Aber man kann die Stromnetze so aufbauen, dass sie den Belastungen besser gewachsen sind. Dazu gehören großzügig dimensionierte Leiterquerschnitte und die Verlegung von fünf Leitern ab der Trafostation. Nur hier einmal Schutzund Neutralleiter miteinander verbinden, dahinter nie mehr! In der heutigen Alltagsrealität kann die Potentialtrennung das Rezept gegen unerwünschte Ausgleichsströme sein. Durch den Einsatz von Glasfasern als Übertragungsmedium ist dies ohnehin gewährleistet.

Internet:
http://www.lpm.uni-sb.de/beruf/contents/elektro/Curricula_harmonisch/CurriculaHarmonisch1.pdf
http://www.lpm.uni-sb.de/beruf/contents/elektro/Curricula_harmonisch/CurriculaHarmonisch2.pdf

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