Fachbeitrag_MobileStromerzeuger

Fachbeitrag: Elektrische Sicherheit für mobile Stromerzeuger

Fachbeitrag: Elektrische Sicherheit für mobile Stromerzeuger

Mobile Stromerzeuger sind ein unentbehrliches Hilfsmittel, wenn es um die Stromversorgung von Betriebsmitteln geht, bei denen kein unmittelbarer Zugriff auf eine Festinstallation besteht. Dies gilt z. B. für Bau- und Montagestellen, bei Rettungseinsätzen, aber auch bei Veranstaltungen.

Ebenso können mobile Stromerzeuger Teilbereiche von Festinstallationen versorgen, bei denen es durch Ausfall der öffentlichen Stromversorgung zu kritischen Situationen kommen kann, z. B. in Gebäuden für die Tierzucht, Feuerwehrhäusern. Ein besonderes Augenmerk liegt dabei auf dem Schutz gegen elektrischen Schlag, da die Anwender in der Regel elektrotechnische Laien sind.

Unklare Anforderungen?

So vielfältig wie die Einsatzmöglichkeiten von mobilen Stromerzeugern sind auch meist die Diskussionen über die Ausführung der notwendigen Schutzmaßnahmen gegen elektrischen Schlag. Dies ist zum einen damit begründet, dass es eine Vielzahl von Normen rund um den Stromerzeuger gibt und somit auch unterschiedliche Aussagen und Festlegungen über die erforderlichen Maßnahmen.

Insbesondere die Verwendung des Erdspießes sorgt immer wieder für Unklarheiten. Um eine korrekte Funktion der Schutzeinrichtungen sicherzustellen, ist bezüglich der Anwendung zu unterscheiden zwischen:

Maßgebend für den Schutz gegen elektrischen Schlag sind die in der Sicherheitsgrundnorm DIN VDE 0100-410 (VDE 0100-410):2007-06 definierten Schutzmaßnahmen. Diese werden in ihrer Anwendung für mobile Stromerzeuger durch die neue DIN VDE 0100-551 (VDE 0100-551):2017-02 Anhang ZC präzisiert.

In der Praxis werden grundsätzliche folgende Schutzmaßnahmen nach DIN VDE 0100-410 (VDE 0100-410):2007-06 für die mobilen Stromerzeuger eingesetzt:

Es handelt sich also um zwei vollkommen getrennt zu betrachtende Schutzmaßnahmen, die sich auch in ihrer praktischen Anwendung deutlich unterscheiden.

Schutz durch automatische Abschaltung

Nach DIN VDE 0100-410 (VDE 0100-410):2007-06 ist die automatische Abschaltung eine Schutzmaßnahme, bei der

Die automatische Abschaltung im Fehlerfall muss durch eine entsprechende Schutzeinrichtung mit Trenneigenschaften (z. B. Leitungsschutzschalter und Fehlerstrom-Schutzeinrichtung RCD) erfolgen. Für die erforderliche Schutzerdung / den erforderlichen Schutzpotentialausgleich nach DIN VDE 0100-410 (VDE 0100-410):2007-06 Abschnitt 411.3 müssen die Körper (der Betriebsmittel) mit einem Schutzleiter verbunden werden – unter den gegebenen Bedingungen für jedes System nach Art der Erdverbindung. Gleichzeitig berührbare Körper müssen mit demselben Erdungssystem einzeln in Gruppen oder gemeinsam verbunden werden. Je nach Art der Erdverbindung wird dann unterschieden in

Für die Praxis bei mobilen Stromerzeugern ergeben sich folgende erforderliche Maßnahmen:

Geerdete Stromversorgung – TN- und TT-System

Der Sternpunkt des Stromerzeugers muss mit dem Erdungssystem verbunden werden. Dazu ist in der Regel ein Eingriff in das Klemmbrett des Stromerzeugers erforderlich.

Für die Errichtung des notwendigen Erdungssystems muss ein Erdspieß eingeschlagen und der Schleifen- bzw. Erdungswiderstand durch eine Elektrofachkraft bestimmt werden.

Für das TN- und TT-System ist pro Steckdose eine Fehlerstrom-Schutzeinrichtung (RCD) erforderlich – auch im Hinblick auf die Tatsache, dass die Stromerzeuger im Außenbereich eingesetzt werden bzw. für die Benutzung durch Laien bestimmt sind. Somit ist auch DIN VDE 0100-410 (VDE 0100-410):2007-06 Abschnitt 411.3.3 „zusätzlicher Schutz“ zu beachten.

Die ordnungsgemäße Funktion der Schutzmaßnahme – Schutz durch Abschaltung – muss durch eine Elektrofachkraft überprüft werden.

Ungeerdete Stromversorgung – IT-System

Wird der Stromerzeuger als ungeerdete Stromversorgung (IT-System) betrieben, muss eine Isolationsüberwachungseinrichtung (IMD) nach DIN EN 61557-8 (VDE 0413-8):2015-12 installiert werden, die einen ersten Isolationsfehler optisch und/oder akustisch meldet.

Tritt ein zweiter Isolationsfehler an einem anderen Leiter auf, so muss entsprechend durch einen Leitungsschutzschalter abgeschaltet werden. Auch hierbei ist der Nachweis über die ordnungsgemäße Funktion durch eine Elektrofachkraft erforderlich. In DIN 6280:1986-10 ist hier ein Schleifenwiderstand von max. 1,5 Ohm festgelegt.

Zusammenfassend sind bei Verwendung eines mobilen Stromerzeugers als TN-, TT- oder IT-System immer ein Erdungssystem und eine Elektrofachkraft, die die ordnungsgemäße Funktion der erforderlichen Schutz- und Überwachungseinrichtungen kontrolliert, erforderlich.

Dies ist natürlich nicht praxisgerecht und letztlich auch mit Kosten verbunden. Um dies zu umgehen, wird die Schutzmaßnahme „Schutztrennung“ angewendet. Doch auch dabei sind einige Dinge zu beachten, wenn sie für einen elektrotechnischen Laien einsetzbar sein soll.

Schutzmaßnahme: Schutztrennung

Die Schutztrennung ist eine eigenständige Schutzmaßnahme, bei der nach DIN VDE 0100-410 (VDE 0100-410):2007-06 Abschnitt 413

  • der Basisschutz durch eine Basisisolierung der aktiven Teile vorgesehen ist.
  • der Fehlerschutz durch einfache Trennung des Stromkreises von anderen Stromkreisen und Erde erfolgt.

Die Schutzwirkung der Schutztrennung ergibt sich demnach dadurch, dass der Sekundärstromkreis galvanisch vom speisenden Netz und Erde getrennt ist bzw. bei einem mobilen Stromerzeuger die Ausgangswicklung von Erde getrennt ist. Beim Berühren eines aktiven Leiters kann, infolge des hohen lsolationswiderstands und kleinen Netzableitkapazitäten (Ze sehr groß) des Sekundärkreises gegen Erde, praktisch kein Strom über den Menschen fließen.

Die Höhe der Netzableitkapazität wird aber durch die Leitungslänge und die Anzahl der Verbraucher bzw. die daraus resultierende Impedanz zwischen den aktiven Leitern und Erde negativ beeinflusst (Z wird kleiner). Daher gilt allgemein die Forderung, dass diese Schutzmaßnahme auf die Versorgung eines elektrischen Verbrauchsmittels beschränkt bleiben und auch die Leitungslänge berücksichtigt werden muss. Für den Fehlerschutz sind dazu auch weitere Maßnahmen erforderlich:

  • Die Spannung des Stromkreises mit Schutztrennung darf 500 V nicht überschreiten.
  • Die aktiven Teile des Stromkreises mit Schutztrennung dürfen an keinem Punkt mit einem anderen Stromkreis, mit Erde oder mit einem Schutzleiter verbunden werden.
  • Die Körper des Stromkreises mit Schutztrennung dürfen nicht mit dem Schutzleiter, mit den Körpern anderer Stromkreise oder mit Erde verbunden werden.
  • Flexible Kabel und Leitungen müssen an Stellen, die mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt sind, auf der gesamten Länge gut sichtbar sein.

Unter konsequenter Einhaltung dieser Forderungen darf die Schutztrennung mit einem Verbraucher auch durch elektrotechnische Laien einsetzt werden. In der Praxis sind jedoch mobile Stromerzeuger meist mit mehr als einer Steckdose ausgestattet. So gelten dann auch noch die Forderungen von Anhang C.3 von DIN VDE 0100-410 (VDE 0100-410):2007-06.

Der Anhang C.3 dieser Norm beschreibt Schutzvorkehrungen mit mehr als einem Verbrauchsmittel, die nur durch Elektrofachkräfte oder elektrotechnisch unterwiesene Personen betrieben und überwacht werden dürfen.

Wie können diese Anforderungen in der Praxis umgesetzt werden?

Größtes Problem bei dieser Schutzmaßnahme ist der notwendige, isolierte Aufbau des Stromerzeugers, der in der Praxis oft schwer umzusetzen ist, da z. B. der Metallrahmen eines Stromerzeugers oder das Metallgehäuses eines Schutzklasse I Betriebsmittels und somit der Schutzleiter bzw. Potentialausgleichsleiter durch zufälligen Kontakt mit dem möglicherweise feuchten Erdreich verbunden sein kann.

Die Überlegungen dazu und erforderlichen Schutzmaßnahmen für mobile Stromerzeuger sind in der neuen Ausgabe der DIN VDE 0100-551 (VDE 0100-551):2017-02 und dort im Anhang ZC beschrieben.

Die Anwendung der Schutzmaßnahme in Verbindung mit eigenständigen Stromerzeugungs-einrichtungen ist im Abschnitt ZC.3.2 beschrieben. Wird nur ein Betriebsmittel angeschlossen, gelten die Anforderungen der DIN VDE 0100-410 (VDE 0100-410):2007-06 Abschnitt 413.

Bei dem Anschluss von mehr als einem Betriebsmittel gelten die Anforderungen nach Abschnitt ZC.3.2.2. Dieser Abschnitt setzt zunächst voraus, dass die Leitungslänge auf 500 m begrenzt bzw. das Produkt aus Spannung in Volt und Gesamtlänge in Meter nicht größer als 100.000 ist. Dies geschieht vor allem unter dem Aspekt, dass bei einem Schluss zwischen den beiden aktiven Leitern der Überstromschutz des Stromerzeugers entsprechend reagieren muss.

Schutztrennung mit Isolationsüberwachungseinrichtung (IMD) und automatischer Abschaltung

Diese Schutzmaßnahme wird so ausgeführt, dass zwischen den aktiven Leitern und Erde bzw. Potentialausgleich ein Isolationsüberwachungsgerät (IMD) nach DIN EN 61557-8 (VDE 0413-8):2015-12 installiert wird, das permanent den Isolationswiderstand überwacht. Unterschreitet dieser den Wert von 100 Ohm/V der Nennspannung, dann schaltet das Isolationsüberwachungsgerät den Ausgangsstromkreis des Stromerzeugers bzw. die elektrischen Verbraucher innerhalb einer Sekunde ab.

Da in diesem Fall bereits bei einem ersten Isolationsfehler abgeschaltet wird, ist eine Begrenzung der Netzausdehnung und das schnelle Abschalten (Kurzschluss-/Überstromschutz muss bestehen bleiben) bei einem zweiten Fehler nicht erforderlich. Zudem ergibt sich bei der Anwendung eines IMD der Vorteil, dass bei wiederkehrenden Prüfungen eine Isolationsmessung mit einem Messgerät nach DIN EN 61557-2 (VDE 0413-2):2008-02 nicht mehr erforderlich ist. Die aufwändige Demontage des Schaltkastens eines Stromerzeugers entfällt somit.

Bei der Auswahl des IMD ist darauf zu achten, dass die Messtechnik für diese Anwendung geeignet ist. Einfachste Geräte mit überlagerter Messgleichspannung sind üblicherweise nicht in der Lage, Isolationsfehler mit Gleichstromkomponenten oder höheren Netzableitkapazitäten zu erkennen.

Einschalten von Stromerzeugern durch einen elektrotechnischen Laien

In der Vergangenheit war es eigentlich schon immer so, dass ein Stromerzeuger mit mehr als einem Betriebsmittel nur durch eine Elektrofachkraft oder eine elektrotechnisch unterwiesene Person eingesetzt werden durfte. Die neue DIN VDE 0100-551 (VDE 0100-551):2017-02 erlaubt nunmehr auch ein Einschalten ohne Elektrofachkraft, vorausgesetzt, folgende Anforderungen werden erfüllt:

Verwendung von Stromerzeugern zur Versorgung elektrischer Anlagen bei Netzausfall

Fällt die öffentliche Stromversorgung aus, kann dies in bestimmten Bereichen negative Auswirkungen haben, wenn keine Notstromversorgung fest installiert ist. Beispiele dafür sind landwirtschaftliche Betriebe oder Feuerwehrhäuser. In Abschnitt ZC.3.4 ist eine Stromerzeugungseinrichtung dargestellt, bei der mit Hilfe eines allpoligen Umschalters die Betriebsart des Stromerzeugers gewechselt werden kann. Betriebsart 1 entspricht dabei einem Stromerzeuger mit Schutztrennung, Isolationsüberwachung und Abschaltung.

Die Betriebsart 2 ist für die Einspeisung in die fest errichtete elektrische Anlage, z. B. einer landwirtschaftlichen Betriebsstätte. Dazu ist es erforderlich, im Einspeisestromkreis einen RCD zu installieren. Der Bemessungsdifferenzstrom darf nach 705.411.1 der DIN VDE 0100-705 (VDE 0100-705):2007-10 300 mA nicht überschreiten. Wegen des unzulässigen PEN muss die Leitung vom Stromerzeuger zur Einspeisesteckdose fünfadrig ausgeführt sein.

Wenn in der Betriebsart 2, die Einspeisung in eine abgeschaltete Anlage erfolgt, dann wird vorausgesetzt, dass in dem Gebäude ein fest installierter Einspeisestromkreis mit entsprechender Steckvorrichtung vorhanden ist. Die Einspeisung erfolgt dann über eine CEE-Steckverbindung bzw. ein entsprechendes Kabel, wobei die Steckdose einen Schutzleiterkontakt in Ein-Uhr-Stellung haben muss, um eine Verwechslung mit anderen Anschlusskabeln und -leitungen auszuschließen.

Schutztrennung mit Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen (RCD) und automatischer Abschaltung

Die zweite Möglichkeit für den Schutz gegen elektrischen Schlag ist die Anwendung von Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen (RCDs). Hierbei ist jedoch zu beachten, dass dann für jede Steckdose ein eigener RCD vorhanden sein muss, da mit nur einem RCD ein erster Fehler nicht erkannt wird.

Bei der Auswahl ist zu beachten, dass nur Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen Typ B verwendet werden dürfen. RCDs Typ A dürfen nur dann verwendet werden, wenn sichergestellt ist, dass keine Gleichfehlerströme > 6 mA auftreten können. Dies ist aber insbesondere bei dreiphasigen Betriebsmitteln mit elektronischen Komponenten oder drehzahlgeregelten Antrieben nicht möglich.

Fehlergleichströme können das Auslöseverhalten von RCDs Typ A negativ beeinflussen – sowohl in der Ansprechzeit als auch im Ansprechverhalten. Im kritischen Fall kann ein Gleichfehlerstrom sogar das Auslösen des RCD Typ A verhindern. Gerade bei Stromerzeugern, bei denen nicht ausgeschlossen werden kann, dass frequenzgesteuerte Betriebsmittel angeschlossen werden, ist ein RCD Typ B unabdingbar.

Ein weiterer zu beachtender Aspekt ist, dass RCDs aufgrund ihrer Messtechnik nicht in der Lage sind, symmetrische Isolationsfehler zu erkennen (jeweils ein Isolationsfehler von jedem aktiven Leiter zum Potentialausgleich bzw. Erde – gleichmäßig durchfeuchteter Steckverbinder). Auch in diesem Fall löst ein RCD nicht aus, wie in Abb. 4 dargestellt.

Praxisbeispiel ist ein Isolationsfehler im geschützten Anlagenteil (z. B. blanke Leitung des Sekundärstromkreisesberührt feuchtes Erdreich), d. h. ein Körperschluss einer Anschlussleitung mit der leitfähigen Umgebung des Standortes setzt jedoch die Schutzwirkung der Schutztrennung außer Funktion.

Dies ist auch dann der Fall, wenn der Metallrahmen eines Stromerzeugers über die Umgebung, z. B. feuchte Erde oder Wasser, geerdet wird. Gefährliche Berührungsspannungen sind in jenen Fällen die unmittelbare Folge, wenn das geschützte Gerät zufällig einen zweiten Fehler (Körperschluss) mit einem anderen Außenleiter aufweist (Abb. 5).

In diesen Fällen wird die volle Betriebsspannung des Trenntransformators als Berührungsspannung wirksam (zweiter Fehler). Abhilfe schafft hierbei nur eine Isolationsüberwachung (IMD) bzw. eine Kombination verschiedener Schutzmaßnahmen.

Damit die Schutzwirkung der Schutztrennung nicht außer Betrieb gesetzt wird, ist besonders darauf zu achten, dass an den Kabeln und Leitungen auf der schutzgetrennten Seite (Sekundärstromkreise) der Anlage kein Isolationsfehler entsteht.

Es wird empfohlen, wegen der Gefahr von Leitungsbeschädigungen, die (Gesamt-)Leitungslänge auf 500 m zu beschränken bzw. darauf zu achten, dass das Produkt aus Nennspannung in Volt und Leitungslänge in Meter den Wert von 100 000 nicht überschreitet. Flexible Leitungen müssen mindestens der Ausführung H07RN-F entsprechen.

Ebenso ist bei dieser Schutzmaßnahme zu beachten, dass es bei 3ph+N Stromerzeugern bei einem ersten Isolationsfehler zu einer Spannungsverschiebung kommt: Diese hat zur Folge, dass die einphasigen Betriebsmittel, die an den nicht mit einem Isolationsfehler behafteten Phasen angeschlossen sind, mit einer höheren Spannung zwischen dem aktiven Leiter und Erde belastet werden. Dadurch können diese Betriebsmittel eventuell beschädigt werden (insbesondere Entstör-Kondensatoren).

Zusammenfassung

Die Schutzmaßnahme Schutztrennung mit Isolationsüberwachung und Abschaltung stellt eine wirkungsvolle Schutzmaßnahme für den Schutz gegen elektrischen Schlag dar und bietet zudem den Vorteil der sofortigen Einsatzbereitschaft im Bedarfsfall auch ohne Elektrofachkraft. Voraussetzung dafür ist jedoch die sorgfältige Einhaltung einiger weniger Bestimmungen wie

Dipl.-Ing. Harald Sellner, S-N
Dipl.-Ing. Holger Potdevin, S-N

Literaturhinweis:

Normen sind zu beziehen über www.vde-verlag.de oder www.beuth.de

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