Einklang von Spannungsqualität, EMV und

ELEKTROINSTALLATION
Einklang von Spannungsqualität,
EMV und Personenschutz (2)
NS-NETZE MIT INTEGRIERTER RUSV UND ZEP Bei der Versorgung von kontinuierlichen Fer-
tigungsprozessen und Mikroprozessor-gesteuerten Anlagen müssen alle Qualitätsstörungen der
versorgenden Spannung sowie mögliche EMV-Störungen ausgeschlossen sein. Den bestmöglichen
Schutz gegen alle Arten von Netzstörungen bieten Niederspannungsnetze (NS-Netze) mit integrierter rotierender Diesel-USV (RUSV) und zentralem Erdungspunkt (ZEP).
ZEP. In beiden NS-Teilnetzen stellt die automatische Abschaltung des einpoligen Kurzschlusses durch eine 630-A-NH-Sicherung
den Worst Case bei der Sicherstellung des
Personenschutzes dar.
AUF EINEN BLICK
SCHUTZ RUSV-Systeme bieten den bestmöglichen Schutz gegen alle
Arten von ereignis- und verlaufsorientierten Störgrößen
TN-SYSTEM Bei der Integration von RUSV-Systemen sollte man das
NS-Netz vorzugsweise als TN-System mit ZEP ausführen
Fehlerabschaltung im NS-Teilnetz mit einspeisenahem ZEP
ABSCHALTBEDINGUNG Die Einhaltung der Abschaltbedingung lässt
sich vergleichweise einfach berechnen
Fortsetzung aus »de« 20.2014, S. 28
Gemäß DIN VDE 0100-410(VDE 0100410):2007-06 [8] ist der Schutz gegen elektrischen Schlag immer dann sichergestellt,
wenn der einpolige Fehlerstrom I´´k1 größer ist
als der auf die vorgeschriebene Abschaltzeit
ta bezogene Abschaltstrom Ia der betreffenden Überstrom-Schutzeinrichtung. Demzufolge muss an allen Knoten des mehrfachgespeisten und zentral geerdeten NS-Netzes
I´´k1 > Ia gelten. Der einpolige Fehlerstrom ist
in Übereinstimmung mit DIN EN 609090(VDE 0102):2002-07 [10] zu berechnen.
Nach [10] wird der kleinste einpolige Fehlerstrom berechnet mit:
I"k1 =
c min ⋅ 3 ⋅U nN
Z1 +Z2 +Z
(1)
0
Um den kleinsten einpoligen Fehlerstrom mit
Hilfe von Gleichung (1) zu berechnen, müssen alle Systemparameter des auf sicheren
Personenschutz zu kontrollierenden Netzgebildes bekannt sein. Das in Bild 2 dargestellte 20- / 0,4-kV-Netz mit integrierter RUSV
und ZEP erfüllt die vorgenannte Anforderung. Dieses exemplarische TN-EMV-System
besteht aus zwei Teilsystemen, das heißt aus
einem Teilsystem mit einspeisenahem und
aus einem Teilsystem mit einspeisefernem
Die Stromquellen dieses NS-Teilnetzes sind
der Verteilungstransformator T01 und der
kontinuierlich arbeitende Motor-Generator MG
des RUSV-Systems.
Die Fehlerstromverteilung für den Worst
Case im NS-Teilnetz mit einspeisenahem ZEP
(einpoliger Kurzschluss L1-Gehäuse in NSUV1, Fehlerort F1-E) zeigt Bild 4: Sowohl der
Verteilungstransformator als auch das RUSVSystem liefern einen Beitrag zum einpoligen
Gesamtkurzschlussstrom. Bei der Ermittlung
des einpoligen Gesamtkurzschlussstromes besteht die alleinige Herausforderung darin, die
Mit-, Gegen- und Nullimpedanz der Koppeldrossel D einfach und hinreichend genau in die
Kurzschlussstromberechnung einzubeziehen.
Wegen des Impedanzverhältnisses R1-D <<
X1-D muss man nur die Kurzschlussreaktanzen X1a-D, X1b-D und X1c-D im Mitsystem berechnen. Für deren Berechnung lassen sich auf
ABSCHALTSTRÖME
Abschaltbedingung
I"K1 > Ia
Abschaltströme Ia
in A bezogen auf
die normativ vorgeschriebenen
Abschaltzeiten ta
Ausgewählte Bemessungsströme In von Siemens-NH-Sicherungen in A
80
100
160
200
250
315
400
500
630
800
1 000
1 250
5s
425
580
125
715
950
1 250
1650
2 200
2 840
3 800
5 100
7 000
9 500
13 000
18 200
1s
595
812
1 001
1 330
1 750
2 310
3 080
3 976
5 320
7 140
9 800
13 300
0,4 s
723
986
1 216
1 615
2 125
2 805
3 740
4 828
6 460
8 670
11 900
16 150
22 100
0,2 s
850
1 160
1 430
1 900
2 500
3 300
4 400
5 680
7 600
10 200
14 000
19 000
26 000
Tabelle 2: Abschaltströme Ia von Siemens-NH-Sicherungseinsätzen bezogen auf die gemäß DIN VDE 0100-410(VDE 0100-410):2007-06 [8]
vorgeschriebenen Abschaltzeiten ta
34
de 21.2014
ELEKTROINSTALLATION
der Grundlage der Rechenregeln nach VDE
0102 für Dreiwicklungs-Transformatoren und
Kurzschlussstrom-Begrenzungsdrosseln
nachfolgende Gleichungen anwenden. Es ist:
1
⋅ (ur X-ab + ur X-ac − ur X-bc )
2
1
= ⋅ (ur X-bc + ur X-ab − ur X-ac )
2
1
= ⋅ (ur X-ac + ur X-bc − ur X-ab )
2
u aX-D =
ub X-D
uc X-D
(2)
Wegen des Minusgliedes in den Gleichungen
(2) kann eine der Reaktanzen X1a,b,c-D der
Koppeldrossel negativ werden.
X 1a,b,c-D =
u a,b,c X-D / %
100
⋅
UrD
(3)
3 ⋅ IrD
Die mit Gleichung (3) berechenbaren Reaktanzen gelten nicht nur im Mit-, sondern auch
im Gegen- und Nullsystem [10]. Für die Berechnung aller weiteren Betriebsmittelimpedanzen des NS-Teilnetzes mit einspeisenahem ZEP können die hinreichend bekannten
Gleichungen der DIN EN 60909-0(VDE
0102):2002-07 [10] verwendet werden.
Die Kenntnis der galvanisch wirksamen
Fehlerschleife (Bild 4) und der sie bildenden
Kurzschlussimpedanzen der Betriebsmittel
erlaubt die Entwicklung des komplexen Ersatzschaltbildes der Komponentensysteme
für die einpolige Fehlerstromberechnung bei
Fehler F1-E (Bild 5). Unter Berücksichtigung des Impedanzverhältnisses
Bild 4: Stromverteilung für die automatische Fehlerabschaltung bei einem einpoligen
Kurzschluss im NS-Teilnetz mit einspeisenahem ZEP (Fehler F1-E)
und durch Anwendung der Rechenregeln für
die Zusammenfassung komplexer Einzelwi-
Z 1-Q + Z 1-K01 + Z 1-T01 + Z 1a-D >> Z 1-G + Z 1c-D
Komponentensysteme
R1-G
R1-Q
jX1-Q
R1-K01
jX1-K01
R2-G
jX2-Q
jX1a-D
jX1c-D
a
c
jX1b-D
b
R2-K01 jX2-K01
jX0-Q
Nullsystem (0)
R0-K01 jX0-K01
jX1-K1
F1-E
jX2-G
R2-T01 jX2-T01
jX2a-D
jX2c-D
a
c
jX2b-D
b
R2-K1
jX2-K1
F1-E
Z2-TNS
Gegensystem (2) ≡ Mitsystem (1) Z2-E01
R0-Q
R1-K1
Z1-TNS
Z1-E01
Mitsystem (1)
R2-Q
Komplexe Widerstände
jX1-G
R1-T01 jX1-T01
R0-G
jX0-G
R0-T01
jX0-T01
jX0a-D a
Z0-E01
derstände zu einem komplexen Ersatzwiderstand des Fehlerstromkreises ist eine Verein-
jX0c-D
jX0b-D
c
b
R0-K1
jX0-K1
Z0-TNS
F1-E
R1(2)-Q
jX1(2)-Q
R1(2)-K01
jX1(2)-K01
R1(2)-T01
jX1(2)-T01
R0-T01
jX0-T01
jX1(2)(0)a-D
jX1(2)(0)b-D
jX1(2)(0)c-D
R1(2)-G
jX1(2)-G
R0-G
jX0-G
R1(2)-K1
jX1(2)-K1
R0-K1
jX0-K1
R0-Q
jX0-Q
R0-K01
jX0-K01
0,0000144 Ω
0,0003997 Ω
0,0000038 Ω
0,0000025 Ω
0,00042 Ω
0,00382 Ω
0,00042 Ω
0,00363 Ω
0,03616 Ω
0,00516 Ω
– 0,00437 Ω
0,00075 Ω
0,00498 Ω
0,00075 Ω
0,03044 Ω
0,00187 Ω
0,00348 Ω
0,0132 Ω
0,01553 Ω
irrelevant
Bild 5: Vollständiges komplexes Ersatzschaltbild der Betriebsmittelwiderstände und Komponentensysteme für die Berechnung des einpoligen Fehlerstromes (Fehlerort F1-E, einspeisenaher ZEP)
www.elektro.net
35
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Komponentensysteme
R1-E01(2) jX1-E01(2)
R1-TNS
jX1-TNS
F1(2)-E
Mitsystem (1)
R2-E01(2) jX2-E01(2)
Komplexe Widerstände und Fehlerstrom
R1(2)-E01
jX1(2)-E01
R0-E01
jX0-E01
R1(2)-E02
jX1(2)-E02
R0-E02
jX0-E02
R1(2)-TNS
jX1(2)-TNS
R0-TNS
jX0-TNS
R0-Q
jX0-Q
R0-K01(2)
jX0-K01(2)
R2-TNS
jX2-TNS
I"k1
Gegensystem (2) ≡ Mitsystem (1) F1(2)-E
R0-E01(2) jX0-E01(2)
R0-TNS
jX0-TNS
F1(2)-E
jX0-K01(2)
R0-K01(2)
cmin  3 UnN
jX0-Q
R0-Q
"
=
Ik1
Nullsystem (0)
cmin ⋅ 3 ⋅UnN
(2 ⋅ R1-E01(2) + R0-E01(2) + 2 ⋅ R1-TNS + R0-TNS ) 2 + (2 ⋅ X 1-E01(2) + X 0-E01(2) + 2 ⋅ X 1-TNS + X 0-TNS ) 2
(4)
|I"k1|
Fehlerort
F1-E
F2-E
0,00075 Ω
–
0,00577 Ω
–
0,00034 Ω
–
0,02091 Ω
–
–
0,00045 Ω
–
0,00423 Ω
–
0,03155 Ω
–
0,04638 Ω
0,00187 Ω
0,00348 Ω
0,01320 Ω
0,01553 Ω
Die Nullresistanzen und -reaktanzen
des vorgelagerten 20-kV-Netzes
sind wegen der Verwendung von Verteilungstransformatoren der Schaltgruppe Dyn5 irrelevant für die Berechnung des NS-seitigen einpoligen
Fehlerstromes I"k1
11 336 A
7 173 A
Bild 6: Vereinfachtes komplexes Ersatzschaltbild der Betriebsmittelwiderstände und Komponentensysteme für die Berechnung des einpoligen Fehlerstromes (Fehlerort F1-E und F2-E)
fachung der in Bild 5 dargestellten Ersatzschaltung möglich. Die dementsprechend
vereinfachte Ersatzschaltung für den zu
überprüfenden Fehlerstromkreis F1-E zeigt
Bild 6. Diese Ersatzschaltung zugrunde le-
gend, berechnet sich der minimale einpolige
Fehlerstrom nach Gleichung 4.
Bei einem einpoligen Kurzschluss am Fehlerort F1-E (Bild 4) beträgt der minimale Fehlerstrom I´´k1 = 11 336 A. Zur Sicherstellung
des Personenschutzes muss dieser Fehlerstrom größer als der Abschaltstrom der
630-A-NH-Sicherung sein. Ausgewählte Abschaltströme von NH-Sicherungen enthält
Tabelle 2. In Verteilungsstromkreisen mit
ortsfesten Betriebsmitteln ist eine vereinbarte
Abschaltzeit von ta ≤ 5 s erlaubt [8]. Der auf
die normativ erlaubte Abschaltzeit von ta ≤ 5 s
bezogene Abschaltstrom der 630-A-NH-Sicherung beträgt Ia = 5 100 A (Tabelle 2). Wie
gefordert, ist der minimale einpolige Fehlerstrom größer als dieser Abschaltstrom. Weil
die Abschaltbedingung I´´k1 > Ia auch im
Worst Case eingehalten wird, bietet das NSTeilnetz mit einspeisenahem ZEP einen hinreichend sicheren Personenschutz.
Fehlerabschaltung im NS-Teilnetz mit einspeisefernem ZEP
Bild 7: Stromverteilung für die automatische Fehlerabschaltung bei einem einpoligen
Kurzschluss im NS-Teilnetz mit einspeisefernem ZEP (Fehler F2-E)
36
Einen hinreichend sicheren Personenschutz
muss auch das NS-Teilnetz mit einspeisefernem ZEP bieten. Die Stromquelle dieses NSTeilnetzes ist der Verteilungstransformator
T02. Die Fehlerstromverteilung für den Worst
Case im NS-Teilnetz mit einspeisefernem
ZEP (einpoliger Kurzschluss L1-Gehäuse in
NS-UV2, Fehlerort F2-E) ist in Bild 7 dargestellt. Wie Bild 7 zeigt, fließt der einpolige
Kurzschlussstrom I´´k1 nicht direkt zum Sternpunkt des einspeisenden Transformators
T02 zurück. Der Fehlerstrom muss den
»Umweg« über die PEN-PE-Leiterbrücke in
der NS-HV1 nehmen. Dementsprechend
existiert hier zusätzlich zur L1-PE-Fehlerde 21.2014
ELEKTROINSTALLATION
Komponentensysteme
R1-Q
jX1-Q
R1-K02 jX1-K02
jX2-Q
SS
Z1-E02
Mitsystem (1)
R2-Q
R1-T02 jX1-T02
Komplexe Widerstände
R2-K02 jX2-K02
R0-Q
jX0-Q
jX1-K2
SS R2-K2
R2-T02 jX2-T02
jX2-K2
Z2-TNS
Mitsystem (1)
R0-K02 jX0-K02
F2-E
Z1-TNS
Z2-E02
Gegensystem (2)
R1-K2
R0-T02 jX0-T02 R0-K12 jX0-K12 SS R0-K2
Z0-E02
Nullsystem (0)
jX0-K2
F2-E
cmin ! 3 !UnN
F2-E
Z0-TNS
R1(2)-Q
jX1(2)-Q
R1-K02
jX1-K02
R1(2)-T02
jX1(2)-T02
R0-T02
jX0-T02
R0-K12
jX0-K12
R1(2)-K2
jX1(2)-K2
R0-K2
jX0-K2
R0-Q
jX0-Q
R0-K02
jX0-K02
0,0000144 Ω
0,0003997 Ω
0,0000115 Ω
0,0000076 Ω
0,00042 Ω
0,00382 Ω
0,00042 Ω
0,00363 Ω
0,03113 Ω
0,04275 Ω
0,00187 Ω
0,00348 Ω
0,01320 Ω
0,01553 Ω
irrelevant
Bild 8: Vollständiges komplexes Ersatzschaltbild der Betriebsmittelwiderstände und Komponentensysteme für die Berechnung des einpoligen
Fehlerstromes (Fehlerort F2-E, einspeiseferner ZEP)
schleife des TN-S-Stromkreiskabels K2 eine
Fehlerschleife, die eine Kombination aus
dem PE- und PEN-Leiter des Verbindungskabels K12 ist. Diese zusätzliche PE-PEN-Fehlerschleife erhöht ausschließlich die Impedanz des Rückleiters. Deshalb ist sie rechnerisch im Nullsystem zu berücksichtigen.
Es ist:
Z 0-K12 = R0-K12 + j X 0-K12
1
'
'
⋅ lK12 ⋅ (R0-PE
+ R0-PEN
)
4
1
'
'
= ⋅ lK12 ⋅ ( X 0-PE
)
+ X 0-PEN
4
R0-K12 =
X 0-K12
(5)
Unter Berücksichtigung von Z0-K12 zeigt Bild 8
das vollständige komplexe Ersatzschaltbild
der Betriebsmittelwiderstände und Komponentensysteme für den Fehler F2-E. Durch
Anwendung der Rechenregeln für die Reihenschaltung komplexer Einzelwiderstände
lässt sich dieses Ersatzschaltbild zu dem in
Bild 6 dargestellten vereinfachen. Die komplexen Impedanzwerte aus dem vereinfachten Ersatzschaltbild in Gleichung (4) eingesetzt, ergeben einen minimalen einpoligen
Kurzschlussstrom von I´´k1 = 7 173 A bei Fehler F2-E. Dieser stärker gedämpfte einpolige
Fehlerstrom ist ebenfalls größer als der 5-sAbschaltstrom der 630-A-NH-Sicherung von
Ia = 5 100 A (Tabelle 2), das heißt auch das
NS-Teilnetz mit einspeisefernem ZEP bietet
einen hinreichend sicheren Personenschutz.
Zusammenfassung
Einen bestmöglichen Schutz gegen alle Arten von ereignis- und verlaufsorientierten
38
Störgrößen der Spannungsqualität bieten
RUSV-Systeme. Bei der Integration von
RUSV-Systemen in die Stromversorgung ist
das NS-Netz zur Vermeidung von EMV-Störungen vorzugsweise als TN-System mit ZEP
auszuführen. In dezentral-mehrfachgespeisten NS-Netzen ist der ZEP für mindestens
eine Stromquelle ein einspeiseferner ZEP.
Für die Stromquellen mit einspeisefernem
ZEP stellt der Rückleiter jeder Fehlerschleife
eine, den einpoligen Kurzschlussstrom stark
dämpfende, Kombination aus PE- und PENLeiter dar.
Der gedämpfte einpolige Kurzschlussstrom
lässt sich durch Berücksichtigung der zusätzlichen PE-PEN-Leiterimpedanz im Nullsystem berechnen. Die auf der Anwendung der
symmetrischen Komponentensysteme beruhende Fehlerstromberechnung bietet eine
einfache Möglichkeit, die Einhaltung der Abschaltbedingung für den Schutz gegen elektrischen Schlag zu überprüfen und so einen
sicheren Personenschutz in NS-Netzen mit
integrierter RUSV und ZEP zu garantieren.
Literatur
[1] Kiank, H. u. Fruth, W. : Planungsleitfaden für Energieverteilungsanlagen –
Konzeption, Umsetzung und Betrieb
von Industrienetzen. Erlangen: Verlag
Publicis Publishing, 2011
[2] Piller Group GmbH, Osterode,
Deutschland : www.piller.com
[3] Klein, S. : Herausforderung EMV:
Aufbau richtlinienkonformer Netzwerke.
de 79 (2004) H. 20, S. 40-45
[4] DIN VDE 0100-100(VDE 0100100):2009-06 Errichten von Niederspannungsanlagen – Teil 1: Allgemeine
Grundsätze, Bestimmungen allgemeiner
Merkmale, Begriffe. Berlin, Offenbach:
VDE Verlag
[5] Kiank, H. : EMV und Personenschutz in
mehrfachgespeisten NS-Industrienetzen. etz 126 (2005) H. 11, S. 44-49
[6] Bender GmbH & Co. KG, Grünberg,
Deutschland : www.bender-de.com
[7] DIN VDE 0100-460(VDE 0100460):2002-08 Errichten von Niederspannungsanlagen – Teil 4: Schutzmaßnahmen – Kapitel 46: Trennen und
Schalten. Berlin, Offenbach: VDE Verlag
[8] DIN VDE 0100-410(VDE 0100410):2007-06 Errichten von Niederspannungsanlagen – Teil 4-41: Schutzmaßnahmen – Schutz gegen elektrischen Schlag. Berlin, Offenbach:
VDE Verlag
[9] Siemens AG, Erlangen, Deutschland:
www.siemens.de/simaris
[10] DIN EN 60909-0(VDE 0102):2002-07
Kurzschlussströme in Drehstromnetzen. Berechnung der Ströme.
Berlin, Offenbach: VDE Verlag.
AUTOR
Dr.-Ing. Hartmut Kiank
VDE, ist Principal Key Expert
für Stromversorgungsanlagen
bei Siemens in Erlangen
de 21.2014