NGRM

Elektrische Sicherheit für hochohmig geerdete Systeme

Worum handelt es sich bei der hochohmigen Erdung?

HRG steht für hochohmige Erdung – ein Stromversorgungssystem, das häufig bei Anwendungen eingesetzt wird, die nicht abgeschaltet werden dürfen, oder bei denen die Erdschlussspannung von angetriebenen Geräten überwacht werden muss. 

Bei Auftreten eines Erdschlusses fließt der Strom wie in einem geerdeten System; seine Stärke wird jedoch durch einen Neutralleiter-Erdungswiderstand erheblich begrenzt (üblicherweise maximal 10 Ampere). Dieser begrenzte Strom hat mehrere Vorteile: er reicht aus, um Erdschlüsse zu erkennen und zu lokalisieren. Zudem verursacht er keinen weiteren Schaden am Fehlerort, führt nicht zu einem Erdschluss-Lichtbogen und begrenzt die Berührungsspannung (die Spannung zwischen dem Gerätegehäuse und der Erde) bei tragbaren oder mobilen Lasten auf ein sichereres Maß.

Es ist wichtig zu beachten, dass die Leiter-Erde-Spannung der fehlerfreien Phasen bei einem Erdschluss ansteigt, was die Wahrscheinlichkeit eines zweiten Erdschlusses erhöht. Aus diesem Grund ist ein zuverlässiges Isolationssystem erforderlich, und zwar nicht nur zwischen Leiter und Erde, sondern auch zwischen den Leitern. Die Widerstandserdung verringert die Wahrscheinlichkeit eines Lichtbogens zwischen Leiter und Erde. Dadurch werden die Systeme sicherer gemacht, jedoch nicht   die Lichtbogenenergie zwischen den Leitern begrenzt.

Hochohmige geerdete Systeme dürfen sich für den Schutz vor Erdschlüssen nicht auf Überstrom-Schutzeinrichtungen, wie z.B. Schutzschalter oder Sicherungen verlassen.  Tatsächlich ist es in vielen Fällen zulässig, dass Erdschlüsse in der Anlage verbleiben, bevor diese ordnungs- und planungsgemäß repariert werden können.

In diesem Fall muss ein Erdschluss-Erkennungssystem installiert werden, da der Erdschlussstrom nicht aufgrund eines Überstroms unterbrochen wird. Bei sachgerechter Ausführung kann mit solchen Systemen zudem schnell die defekte Zuleitung, Schaltanlage oder Last ermittelt werden. Derartige Systeme sind jedoch auf die Integrität des Neutralleiter-Erdungswiderstands angewiesen. 

Wie funktioniert ein HRG System?

Vorteile von HRG-Systemen

Die Widerstandserdung wird für verschiedene Zwecke verwendet:

Sie verringert Verbrennungs- oder Schmelzeffekte in fehlerhaften Geräten

Sie verringert die Gefahr eines elektrisches Schlags für das Personal

Sie verringert den Spannungsabfall bei einem Erdschluss

Sie verringert mechanische Belastungen in Stromkreisen mit Erdschlussströmen

Sie kann Abschaltungen im Fall eines ersten Erdschlusses verhindern

Sie reduziert die Wahrscheinlichkeit von Lichtbögen

  •  Erhöhte Sicherheit für Personal in der Nähe von Erdschlüssen
  •  Geminderte Beschädigung von Anlagen und Geräten

Dies ist ebenfalls in der Norm IEEE 142-2007 festgehalten: Recommended Practice for Grounding of Industrial and Commercial Power Systems (Greenbook).

Das HRG nutzt die besten Eigenschaften von geerdeten und ungeerdeten Anlagen und ist dabei zugleich kosteneffizient. Geerdete Systeme sind die gebräuchlichsten Stromversorgungssysteme, allerdings auch die empfindlichsten. Ungeerdete Systeme werden in einigen Branchen und Ländern seltener eingesetzt, obwohl sie gewisse Vorteile aufweisen.

Merkmale von hochohmig geerdeten Systemen (HRG)

Lasten von Leiter zu Nullleiter

Da bei einem Erdschluss die Sternpunktspannung erhöht ist, dürfen Lasten von Leiter zu Nullleiter bei Verwendung eines hochohmig geerdeten Systems nicht versorgt werden. Bei Industrieanlagen macht dies rund 15 % der gesamten Systemlast aus. Dies kann behoben werden, indem ein Trenntransformator für die Stromversorgung dieser Lasten installiert wird und gleichzeitig die Vorzüge eines hochohmig geerdeten Systems genutzt werden.

Intermittierende Erdschlüsse

Ein Problem ist die Erkennung von intermittierenden Erdschlüssen. Da die meisten Erdschlussmessgeräte nur konstante Erdschlüsse anzeigen, reagieren diese nicht auf intermittierende Erdschlüsse, und es ist zudem sehr unwahrscheinlich, dass gerade zum Zeitpunkt eines intermittierenden Erdschluss Wartungspersonal vor Ort ist. Die Lösung besteht in der Nachrüstung auf ein fortschrittlicheres Überwachungssystem, wie z.B. das NGRM700, welches Alarme in einer Anlage mit Zeit- und Datumsstempel zur Unterstützung der Fehlersuche erkennen und erfassen kann.

Wartung von HRG-Systemen

Ein weiterer Punkt, der manchen Technikern Sorge bereitet, ist die Wartung von HRG-Systemen. Entscheidend hierbei ist der Neutralleiter-Erdungswiderstand. Wenn der Widerstand im Pfad zwischen Nullleiter und Erde (wo sich das NGR befindet) unter 75 % des gewünschten Wertes abfällt, bewegt sich das System in Richtung eines starr geerdeten Systems. 

Wenn der Widerstand zu hoch ist, beispielsweise 125 % des gewünschten Wertes, bewegt sich das System in Richtung eines ungeerdeten Systems. Die Verlässlichkeit der Erdschlusserkennung und die Fähigkeit zur Erkennung von Berührungsspannung kann durch solche Faktoren begrenzt werden. Es wird empfohlen, und ist zudem in einigen Ländern vorgeschrieben, den NGR-Widerstand fortlaufend zu überwachen. 

Das NGRM700 leistet dies und bietet zudem weitere Funktionen (AC/DC-Erdschlusserkennung, Messung von Sternpunktspannung- und -strom, Phasenspannungsüberwachung, Datenprotokollierung und Kommunikation).

Ortung von Erdschlüssen

Ähnlich wie bei ungeerdeten Systemen hält sich das Gerücht, dass Erdschlüsse in HGR-Systemen nur schwer und mit großem Zeitaufwand zu ermitteln sind. Auch wenn in manchen Branchen ein Erdschluss nicht zwingend eine Abschaltung erfordert, ist es trotzdem ratsam, diesen vor dem Auftreten eines zweiten Erdschlusses zu beheben.

Wie bei mit Bender EDS ausgestatteten ungeerdeten (schwebenden) Systemen ermöglicht die bei HRG-Systemen eingesetzte RCMS-Technik von Bender eine schnelle Ortung von Erdschlüssen und bietet eine Auslöseverzögerung, um die fehlerhaften Zuleitung in einem gewünschten Zeitrahmen abzutrennen, damit der Nutzer Wartungsarbeiten planen kann.

Zweiter Erdschluss

Im seltenen Fall eines zweiten Erdschlusses, der auftritt, bevor der Erste behoben werden kann, käme es zu einem Phase-zu-Erde-zu-Phase-Fehler, der zu Schäden führen kann.

Bender stellt fortschrittliche Überwachungssysteme bereit, die den zweiten Erdschluss erkennen und die unbedeutendere der beiden fehlerhaften Zuleitungen abtrennen, um einen Weiterbetrieb der wichtigeren Zuleitung zu ermöglichen. Bestimmte unkritische Lasten können zudem so programmiert werden, dass sie beim ersten Ausfall getrennt werden, um einen Phase-zu-Phase-Fehler zu vermeiden.

Schlussfolgerung

Mit Sicherheit kann gesagt werden, dass – wie beim ungeerdeten (schwebenden) System – das HRG-System eine sehr effiziente Wahl so gut wie ohne Nachteile ist, sofern eine geeignete Überwachungstechnik installiert wird. Das ungeerdete (schwebende) System verwendet die iso685 und EDS Serie für die Erkennung und Ortung von Erdschlüssen, das HRG-System dagegen die NGRM700 und RCMS Serie für die gleichen Funktionen.

Typische HRG-Anwendungen

 

Es gibt viele Arten von Anlagen, bei denen eine hochohmige geerdete Stromversorgung zum Einsatz kommt. Die meisten dieser Systeme erfordern eine hohe Verfügbarkeit, Zuverlässigkeit und umfassende Sicherheit für Personal und Ausrüstung.

HRG-Systeme werden vor allem im Bergbau eingesetzt. 

 

Schmutz, Feuchtigkeit, Vibrationen, extreme Temperaturen, Höhen, große Systeme und Schwermaschinen tragen zu der Schwächung der Isolierung und Schäden bei, die kritische Gefahrenzustände verursachen können. Viele Anwendungen im Bergbau bestehen aus mobiler oder fahrbarer Ausrüstung. HRG ist in jeglicher Hinsicht die optimale Wahl für den Bergbau.

Im Gegensatz zu üblichen Industrieanlagen erfordern die elektrischen Normen und Standards im Bergbau sowohl HRG-Systeme als auch eine Abschaltung bei einem ersten Erdschluss. Sämtliche Zuleitungen und einige der individuellen Lasten werden mit Erdschlussrelais geschützt, damit weniger Geräte vom Netz getrennt werden müssen. So wird eine selektive Koordination der Abschaltung ermöglicht. Die fehlerhaften Geräte werden abgeschaltet, während die übrigen weiterhin in Betrieb bleiben.

Andere Anlagen nutzen HRG, um einen Weiterbetrieb bei einem Erdschluss zu ermöglichen.  Raffinerien, Sägemühlen, Petrochemiebetriebe, Fabriken, Pipelines, die Nahrungs- und Papierindustrie sind nur einige der Branchen, die HRG für ihre standardmäßigen elektrischen Systeme einsetzen. 

Diese Systeme bleiben nicht nur bei einem ersten Erdschluss (bei einer Beschränkung auf höchstens 10 A) einsatzfähig. Zudem können Fehler leicht erkannt und Ausfälle auf einem höheren Niveau vermieden werden.

Hochohmige Erdung und Schutzrelais

Bei geerdeten Systemen wird der Erdschlussstrom nur durch die Systemimpedanz begrenzt. Die Stärke des Erdschlussstroms entspricht der des Kurzschlussstroms. Die Überstrom-Schutzeinrichtungen werden in Betrieb genommen. Bei einem Fehlerstroms schalten sie in jedem Fall ab. 

Diese einfache Methode zur Vermeidung von schädlichen Auswirkungen von Erdschlüssen funktioniert allerdings nicht bei ungeerdeten oder HRG-Systemen, da ein hoher Fehlerstrom zur Auslösung des Überstromschutzes erforderlich ist. Ein ungeerdetes System erfordert eine andere Vorgehensweise für die Stromerfassung, im Idealfall eine Isolationsüberwachung. 

Bei einem HRG-System können stromerfassende Überwachungsrelais zur Erkennung und Ortung von Erdschlüssen eingesetzt werden. Diese Relais können dazu eingesetzt werden, Abschaltungen oder nur Alarme auszulösen. Entscheidend hierbei ist, wie deren Ausgänge mit der übrigen Stromanlage interagieren.

Egal welche Anlagenkonfiguration Sie verwenden – Bender stellt Möglichkeiten zur Überwachung bereit.

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