Isolationswächter zur Isolationsmessung und Differenzstrom-Überwachungssysteme in Niederspannungsanlagen. 2019-08-01T12:01:52+00:00
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Messen ohne Abschalten

DGUV Prüfungen optimieren durch ständige Überwachung von elektrischen Anlagen.

Warum sind regelmäßige Isolationswiderstandsmessungen notwendig?

Isolationsmessungen können Schädigung, Alterung, Feuchteeinfluss, Fehler innerhalb einer Isolierung oder auch die Nichteignung eines Isolierstoffes aufzeigen, bevor dieser einen Spannungsdurchschlag erfährt. Bei einem Spannungsdurchschlag bildet sich für eine gewisse Zeit ein Kanal, in welchem aus dem Material des Isolators durch Hitze und Ionisation ein elektrisch leitendes Plasma entsteht. Die vom Plasma ausgehende Ultraviolettstrahlung schlägt weitere Elektronen aus dem Material des Isolators, was die Leitfähigkeit im Kanal weiter erhöht. Je nach der Natur der Stromquelle kann der Durchschlag als Funke schnell erlöschen oder als Lichtbogen weiter brennen. Die Folgen sind Versorgungsausfälle, Schäden an den Niederspannungsanlagen und potentiell weitere Sach- und Personenschäden.

Um die Gefahr solcher kostspieligen Ausfälle und Folgeausfälle zu vermeiden, ist eine regelmäßige Kontrolle der Isolation durch Isolationsmessungen sehr wichtig. Eine wichtige Größe bei Isolationsmessungen mit Gleichspannung ist dabei, neben dem Absolutwert des Leckstromes, dessen zeitlicher Verlauf. Bei einem intakten Isolierstoff fällt der gemessene Leckstrom in der ersten Zeit (Sekunden bis Minuten) und nähert sich asymptotisch einem Wert an. Das passiert, weil sich auch in nicht leitfähigen Materialien Elektronen verschieben, wenn eine ausreichend hohe Spannung anliegt (Polarisationseffekt).

Ein Anstieg oder ein diskontinuierlicher Verlauf des Leckstroms dagegen, ist ein Zeichen für den beginnenden Aufbau eines Entladungskanals oder für die temperaturbedingte Zunahme der Leitfähigkeit einer bereits bestehenden Brücke aus Fremdstoffen oder Zersetzungsprodukten.

Das Problem, dass Isolationswiderstandsmessungen aus praktischer Sicht aufwerfen, besteht in der Notwendigkeit, dass eine Messung des Isolationswiderstands nur im abgeschalteten Zustand von Anlagen erfolgen kann. Oft ist eine Abschaltung der Stromversorgung mit hohen Ausfallkosten verbunden oder gar ganz unmöglich z. B. in Rechenzentren oder auf Intensivstationen.

Die deutschen Vorschriften und Normen nach DGUV 3 und DIN VDE bieten jedoch zwei Alternativen für den sicheren Betrieb von Anlagen, die stets verfügbar sein müssen und zwar ohne Abschaltung: Die permanente Differenzstrommessung oder die ständige Messung des Isolationswiderstandes in der ungeerdeten Stromversorgung. Um diese Konzepte zu verstehen, ist ein kurzer Exkurs zu Netzformen in Niederspannungsanlagen hilfreich.

 

Schutzerdung und Funktionserdung in verschiedenen Netzformen für Niederspannungsanlagen (TN-Systeme, TT-Systeme und IT-Systeme)

Man unterscheidet hier TN-Systeme, TT-Systeme und IT-Systeme. Der entscheidende Unterschied liegt jeweils in der Art und Weise, wie diese Niederspannungsanlagen geerdet sind. Die Buchstabenfolgen bezeichnen dabei die Erdungsverhältnisse:

  • Erster Buchstabe: Erdungsverhältnisse der Stromquelle
    T: Direkte Erdung der Stromquelle (Betriebserder) oder
    I: Isolierung aller aktiven Teile gegenüber Erde oder Verbindung eines aktiven Teils mit Erde über eine hochohmige Impedanz
  • Zweiter Buchstabe: Erdungsverhältnisse der Körper der Betriebs- und Verbrauchsmittel in der Verbraucheranlage (z.B. metallene Gehäuse oder Abdeckungen):
    T: Direkt geerdeter Körper, unabhängig von einer ggf. bestehenden Erdung oder
    N: Direkt mit dem Erder der Stromquelle (Betriebserder des Netzes) verbundene Körper

Konzeptionell besteht der größte Unterschied zwischen TN Netzen und IT Netzen. Die Unterschiede werden nachfolgend anhand zweier Abbildungen kurz erläutert.

 

TN Netz:

Im gestrichelten Kasten links oben ist schematisch ein Transformatorenhäuschen, die Stromquelle, dargestellt, wo Strom aus dem Hochspannungsnetz für Niederspannungsanlage transformiert und dann dort eingespeist wird. Da Strom für Niederspannungsnetze hauptsächlich durch Drehstromgeneratoren erzeugt wird, unter anderem auch deshalb weil Strom in dieser Form effizienter über größere Strecken transportiert werden kann, hat er die Form eines Dreiphasenwechselstroms. Deswegen gibt es neben dem Neutralleiter nicht einen, sondern drei Außenleiter L1, L2 und L3. Der gestrichelte Kasten rechts unten stellt schematisch ein Gerät, auch Körper genannt, dar. Im Fall der Stromquelle ist der sogenannte Sternpunkt des einspeisenden Transformators geerdet. Dies ist die Betriebserdung. Sie dient dazu den störungsfreien Betrieb der elektrischen Anlage zu gewährleisten. Sie verhindert Fehlfunktionen (in Privathaushalten beispielsweise Bildstörungen bei Fernsehern oder Flackern von Licht) indem:

  • Störströme und Störquellen abgeleitet werden
  • Prüfadapter, Antennen und andere Geräte, die Funkwellen empfangen, geerdet werden
  • Gemeinsame Bezugspotentiale zwischen einer elektrischen Anlage und den Geräten festgelegt werden

Die elektrischen Verbraucher und alle leitfähigen metallenen Gegenstände, wie Masten, Zäune Wasser- oder Gasleitungen, aber auch Heizungen, sind über ihren Schutzleiter mit dem Betriebserdungspunkt verbunden. Im Fall eines schweren Isolationsfehlers wird über den Schutzleiter ein Stromkreis geschlossen und die Überstromschutzeinrichtungen schalten den betroffenen Teil der Anlage ab. Schutzerdung und Betriebserdung werden im TN Netz also kombinert implementiert.

Beim ersten Fehler wird die Anlage, oder je nach Aufbau ein Teil der Anlage, somit abgeschaltet. Wie verschiedene Abschaltmechanismen funktionieren, haben wir bereits einfach und verständlich in unseren Blogbeiträgen zum FI-Schalter erklärt.

 

IT Netz:

Beim IT-System werden die Schutzerdung und die Betriebserdung unterschiedlich ausgeführt. Im Gegensatz zum TN-Netz wird hier der Sternpunkt der einspeisenden Stromquelle nicht geerdet, sondern isoliert. Berührt ein Mensch bei einem intakten ungeerdeten System einen nicht isolierten stromführenden Leiter oder ein unter Spannung stehendes leitendes Gehäuse, passiert: Nichts! (Es fließen zwar auch hier Fehlerströme, aber unterhalb der Schwellenwerte, die für den Menschen oder die Geräte gefährlich sein können).

Der Grund ist, dass Strom nur im Kreis fließen kann und der Kreis ja nicht geschlossen wurde, indem der Sternpunkt des Transformators nicht geerdet ist. Es ist wie bei einem Vogel auf der Hochspannungsleitung – er ist sicher. Ein damit verbundener Vorteil besteht darin, dass das Netz trotz auftreten eines ersten Fehlers weiterbetrieben werden kann. Im TN System käme es in diesem Fall bereits zu Abschaltungen. Selbstverständlich muss der Fehler in der Isolation schnellstmöglich gefunden und behoben werden, doch die Anlage kann erst einmal weiterbetrieben werden.

Kritisch werden kann jedoch ein zweiter Fehler, vor allem dann, wenn er unterschiedliche Phasen betrifft. Stehen beispielsweise durch zwei Isolationsfehler jeweils unterschiedlicher Phasen die Gehäuse zweier Maschinen unter Spannung verschiedenen Potentials, dann fließen gefährliche Fehlerströme z.B. durch den Körper einer Person, die beide Maschinengehäuse gleichzeitig berührt. Aus diesem Grund müssen auch in IT-Systemen die Körper aller Verbraucher geerdet werden. Für die Abschaltung der Stromversorgung treten dann vergleichbare Abschaltmechanismen in Kraft wie bei TN Systemen.

 

Überprüfung der Isolation durch Differenzstrom-Überwachung in TN Systemen im laufenden Betrieb

Nach DGUV Vorschrift 3 ist für elektrische Anlagen eine regelmäßige Überprüfung des Isolationswiderstands nach der Norm DIN VDE 0100-600: 2008-06 vorgeschrieben. Aus messtechnischen Gründen muss dazu die Anlage abgeschaltet werden.  Überspannung-Schutzeinrichtungen (ÜSE) und die Mehrzahl der Betriebsmittel müssen abgeklemmt werden, um Beschädigungen zu vermeiden. In einem geerdeten Netz wie dem TN-System muss hierfür die oft schwer zugängliche PEN-PE-Verbindung (Zentraler Erdungspunkt) entfernt werden, d.h. die Betriebserdung muss unterbrochen werden. Doch hier gibt es sowohl bei Normen und Vorschriften, als auch messtechnisch Alternativen. Bei Anlagen, die im normalen Betrieb wirksam mit einem Managementsystem vorbeugend gewartet und instand gehalten werden, dürfen die wiederkehrenden Prüfungen durch die angemessene Durchführung einer dauernden Überwachung und Wartung der Anlage und all ihrer Betriebsmittel durch Elektrofachkräfte ersetzt werden. Dafür müssen aber geeignete Nachweise zur Verfügung gehalten werden.

Die technische Lösung besteht darin, geerdete Anlagen (TN-Systeme) mit einem System zur Differenzstrom-Überwachung (RCM) auszurüsten. Eine Verschlechterung der Isolation führt zu einem messbaren Differenzstrom. Dieser Strom errechnet sich aus der Summe der Ströme aller Leiter außer dem Schutzleiter (PE), die in die Anlage führen. Ergänzen sich diese Ströme nicht zu Null, bedeutet dies, dass Fehlerströme über das Schutzleitersystem abfließen. Der Betreiber wird komfortabel über eine Alarmmeldung per E-Mail informiert. Differenzstromüberwachung erfolgt aus technischer Sicht analog zur Überwachung mit Differenzstromschutzgeräten, beispielsweise einem Fehlerstromschutzschalter. Während Fehlerstromschutzschalter beim Überschreiten eines bestimmten Differenzstroms die Spannungsversorgung abschalten, zeigen RCM nur den aktuellen Wert und melden ggf. über Meldekontakte die Überschreitung eines kritischen Wertes. In der Regel wird ein RCM dazu benutzt, noch vor dem Erreichen der Abschaltschwelle eines RCD, dem Anwender eine Meldung zu geben, dass in der Anlage Fehler vorliegen.

Dieses Messverfahren gilt für RCMs bei reinem Wechselstrom bzw. pulsierenden Gleichfehlerströmen (Typ A nach IEC 60755). Bei allstromsensitiven RCMAs, RCMBs Typ B werden spezielle Messstromwandler und ein besonderes Messverfahren verwendet, mit denen Gleich- und Wechselströme unterschiedlicher Frequenz detektiert werden können.

 

 

Überprüfung der Isolation durch Isolationsmessung in IT Systemen mit Isolationsüberwachungsgeräten (Isolationswächter)

Isolationsüberwachungsgeräte überwachen permanent den Isolationswiderstand von IT-Systemen und geben bei Unterschreitung eines Ansprechwertes eine Meldung ab. Zur Messung wird das Gerät zwischen dem IT-System und dem Schutzleiter (PE) angeschlossen und dabei dem Netz ein Messstrom überlagert, der von einer Messschaltung erfasst und ausgewertet wird. Isolationsüberwachungsgeräte erkennen Verschlechterungen des Isolationsniveaus frühzeitig und sicher.

Zusätzlich zeichnen Isolationsüberwachungsgeräte der neuesten Generation, intern den Isolationswiderstand über die Zeit auf. Ein Zugriff auf die Daten ist beispielsweise über einen Webserver möglich. So ist die Forderung, geeignete Nachweise zur Verfügung zu halten, vom Betreiber einfach zu erfüllen.

 

 

Fazit

Überwachen Sie permanent sicherheitsrelevante Stromkreise auf Fehler-, Differenz- und Betriebsströme sowie vagabundierende Ströme. Sie erhalten so frühzeitige Information über sich anbahnende kritische Betriebszustände und vermeiden damit mögliche

  • Personengefährdungen
  • Brand- und Sachschäden
  • EMV-Störungen

 

Ihre Vorteile:

  • Präventive elektrische Sicherheit für Menschen und Maschinen
  • Hochverfügbarkeit der Stromversorgungen
  • Reduzierung von EMV-Störungen
  • Zeit- und kostenoptimierte Instandhaltung
  • Deutliche Senkung der Betriebs- und Kostenrisiken
  • Einsparpotential bei der wiederkehrenden Prüfung nach DGUV Vorschrift 3

 

Wir, die Deutsche Prüfservice GmbH, beraten Sie dabei sehr gern!