Erden von separat abgeleiteten Systemen

von Jack Smith

Wie in meinem letzten Betrag versprochen, geht es in dieser Ausgabe von „Solid Ground“ um Transformatoren und Erdungen. Betrachten wir erst einmal einige Definitionen. Der Begriff „Verteilungstransformator“ wird unterschiedlich definiert. Laut U.S. Federal Register (Ausg. 71, Nr. 81; Seite 24, 995 vom 27.4.2006) ist ein Verteilungstransformator ein Transformator, der folgende Kriterien erfüllt:

• Eingangsspannung von maximal 34,5 kV
• Ausgangsspannung von maximal 600 V
• Ausgelegt für den Betrieb bei 60 Hz
• Kapazität von entweder 10 kVA bis 2500 kVA bei ölgekapselten Transformatoren oder 15 kVa bis 2500 kVa bei Trockentransformatoren.

Diese Definition schließt insbesondere Spartransformatoren sowie Isoliertransformatoren, Sternpunktbildner-Transformatoren, Steuertransformatoren und Trockentransformatoren aus.

Zwar ist sie etwas vage, sie impliziert jedoch, dass ein Verteilungstransformator normalerweise Eigentum eines Energieversorgungsunternehmens und in Umspannwerken oder im Energieversorgungsunternehmen selbst zu finden ist. Viele von uns erinnern sich an solche Transformatoren als Leistungstransformatoren. Die weit verbreitete Unterscheidung scheint zu sein, dass ein Verteilungstransformator dem Kunden eines Energieversorgungsunternehmens dient und ein Leistungstransformator einer Region.

Zuführung der Versorgungskabel

Laut National Electric Code (NEC), Artikel 100, ist die Zuführung der Versorgungskabel der einzige Punkt, an dem Strom in eine Einrichtung eintritt. Die Bedienungsausrüstung umfasst in der Regel Leistungsschalter, Switches, Sicherungen und das entsprechende Zubehör und wird an das Lastende der Bedienungsleiter angeschlossen. Die Bedienungsausrüstung umfasst Hauptsteuerung und Stromversorgungsabschaltung, jedoch nicht die Messausrüstung.

Bedienungsleiter haben ihren Ursprung laut NEC am Elektrizitätswerk und enden in der Leitung der Bedienungsausrüstung. Leiter und Ausrüstung auf der Lastseite der Bedienungsausrüstung (z. B. Sekundärleiter aus kundeneigenen Transformatoren, Leiter aus Generatoren, USV-Systemen oder Fotovoltaik-Systemen sowie Leiter für dezentrale Strukturen) werden als Speiseleitungen bezeichnet.

Ein separat abgeleitetes System ist laut NEC das Verkabelungssystem einer Einrichtung, dessen Leistung aus einer anderen Quelle für elektrische Energie oder Ausrüstung stammt als einer Versorgungseinrichtung. Solche Systeme verfügen über keinen direkten elektrischen Anschluss, darunter fest verbundene geerdete Stromkreisleiter, welche die Leiter versorgen, die in einem anderem System ihren Ursprung haben. Beispiele für separat abgeleitete Systeme sind u. a. Transformatoren, in denen die Primärwicklung von der Sekundärwicklung außer durch eine magnetische Kupplung isoliert ist, Generatoren (alleinstehend oder Wechselstromquelle), bei denen der Erdleiter (Neutralleiter) nicht fest mit dem Transferschalter verbunden ist, Batterie-/Wechselrichtersysteme, deren Ausgang nicht zwischenverbunden ist, und nicht an das Netz angeschlossene Photovoltaiksysteme.

Erdung und Potenzialausgleich

Bei einer Erdung wird an Erde gelegt. Bei einem Potenzialausgleich werden Objekte verbunden. Ein separat abgeleitetes System muss an der Quelle an Erde liegen. Alle nicht stromführenden Metallteile und Komponenten müssen an den Erdungspunkt des abgeleiteten Systems angeschlossen werden. Dieser Potenzialausgleich von Ausrüstungen bietet einen effektiven Erdungsfehler-Strompfad, der sicherstellt, dass das elektrische System vor möglichen Stromschlägen und Bränden geschützt ist. Die ordnungsgemäße Erdung eines separat abgeleiteten Systems stabilisiert die Phase-Erde-Spannung. Artikel 250 des NEC, und insbesondere Artikel 250-26, beschreibt die Erdungsanforderungen eines separat abgeleiteten Systems.

Die ordnungsgemäße Erdung von Transformatoren ist von wesentlicher Bedeutung. Der Aufbau einer Erdungsverbindung (meist zum Gebäudestahl, das mit allen Kaltwasserleitungen verbunden sein muss) stellt eine Bezugserde her. Stellen Sie einen ordnungsgemäßen Potenzialausgleich über exotherme Schweißungen her, nicht über Klemmen, da sich diese mit der Zeit lösen können. Stellen Sie sicher, dass die Hochfrequenz-Impedanz des Anschlusses des Erders so niedrig wie möglich ist. Breite, flache Leiter haben bei höheren Frequenzen einen geringeren induktiven Blindwiderstand und werden runden Leitern aus diesem Grund vorgezogen. Der Abstand zwischen dem Neutralleiter-Erde-Potenzialausgleich (N-G) am Transformator und dem Erder sollte so gering wie möglich sein.

Neutralleiter und Erde müssen an den Neutralbus des Transformators angeschlossen sein. Die Einrichtung des N-G-Potenzialausgleichs auf dem Hauptschaltfeld wird nicht empfohlen, um normale Rückströme von Erdströmen trennen zu können. Der Neutralbus des Transformators ist der einzige Punkt im System, an dem Neutralleiter und Erde ausgeglichen werden sollten.

Auf der Suche nach Fehlern

Ein übermäßiger Erdstrom und übermäßige Erdschleifen können zu Fehlfunktionen in der Ausrüstung, ungenauen Messgerätanzeigen und Sicherheitsproblemen führen. Zwei Ursachen für übermäßige Erdströme sind unzulässige N-G-Verbindungen, die in Unterschalttafeln, Steckdosen oder der Anlage auftreten können, und „isolierte“ Erdstäbe. N-G-Verbindungen auf Unterschalttafeln erzeugen einen parallelen Strompfad, weil der normale Rückstrom über den Erdleiter zurückfließen kann. Dadurch wird die Sicherheitserdung der Anlage der einzige Rückleiter, sobald der Neutralleiter unterbrochen ist. Wenn der Rückleiter eine hohe Impedanz aufweist, können so gefährliche Spannungen entstehen.

Separate „isolierte“ Erdstäbe erzeugen häufig zwei Bezugserden an unterschiedlichen Potenzialen. Dadurch kann der Erdschleifenstrom zirkulieren, um diese Potenzialdifferenz auszugleichen. Auf diese Weise können immer wieder Probleme im System und in der Ausrüstung auftreten sowie potenzielle Sicherheitsrisiken entstehen.

Die Untersuchung der Transformatorerdung sollte daher stets ein Teil Ihrer Wartungsroutine sein. Im Folgenden finden Sie einige Vorschläge für Dinge, auf die Sie bei der Untersuchung von Transformatorerdungen achten sollten:

• Prüfen Sie die Integrität des N-G-Ausgleichs mithilfe eines hochwertigen Erdimpedanz-Prüfgeräts; N-G-Verbindungen mit hoher Impedanz können zu Spannungsschwankungen führen.
• Prüfen Sie die Integrität des Erdleiters und seiner Anschlüsse an das Gebäudestahl mithilfe eines hochwertigen Erdimpedanz-Prüfgeräts; über diese Verbindungen fließen Fehlerströme zurück zur Quelle. Die Impedanz sollte so gering wie möglich sein.
• Messen Sie den Erdstrom am Erdleiter mithilfe einer hochwertigen Strommesszange; Werte über 1 A sollten genauer untersucht werden.

Die Erdung ist für den sicheren und zuverlässigen Betrieb Ihrer Einrichtung von wesentlicher Bedeutung. Allerdings kann es schwierig sein, die richtigen Erdungskonzepte und NEC-Anforderungen zu verstehen. Wenn Sie Zweifel haben, dann sollten Sie auf gar keinen Fall raten. Kontaktieren Sie stattdessen Ihre lokal zuständige Behörde.

Feedback

Kontaktieren Sie mich wie immer über jacksmith.writes@gmail.com und teilen Sie mir Ihre Kommentare und Vorschläge mit. Wenn ich die Antwort nicht weiß, dann finde ich sie heraus.

Bis zum nächsten Mal und bleiben Sie stets auf „Solid Ground.“