Stromversorung: Die Regulierung des Rückflusses

28.11.2002
Eine technische Darstellung des Überspannungsproblems in Stromnetzen


Damit der Strom fliessen kann, werden mindestens zwei Leitungen benötigt, nämlich die stromführende Leitung (L) von der Stromquelle zum Verbraucher (Beispiel: Lampe) und die von der Lampe stromzurückführende Leitung (N = Neutralleiter) zur Stromquelle.

Beide Leitungen sind als zweiadriges Kabel zusammengefaßt. Ein Ende wird in der Lampe befestigt und das andere Ende an einem Stecker. Ein Schalter dazwischen unterbricht/öffnet den Stromfluß. Der Strom, der in der Leitung L zur Lampe führt, fließt in gleicher Stärke über die Leitung N zurück.

Damit im Falle eines technischen Defektes, z.B. Kurzschluß, bei Berührung der Lampe kein körperlicher Schaden durch Stromschlag entstehen kann, wurde eine dritte Leitung (PE = Schutzleiter) in das Kabel integriert. Diese Leitung führt keinen Strom und soll im Falle eines Kurzschlusses den Strom zur Erde ableiten und ist in der Hausinstallation Bestandteil des Erdungssystems. Dieses dreiadrige Kabel wird von der Steckdose bis zur Stromeinspeisung konsequent im gesamten Gebäude installiert. Ist dies der Fall, wird diese Netzform TN-S-System oder auch 5-Leiter-Netz genannt.

Diese dritte Leitung in der gesamten Netzinstallation eines Gebäudes verteuert jedoch die Installation. Deshalb war es in den normalen Hausinstallationen gebräuchlich, die dritte Leitung einzusparen, in dem die beiden Funktionen PE (Schutzleiter) und N (Neutralleiter) zusammengefaßt wurden. Es entstand die Leitung PEN und somit nur zwei Leitungen (L und PEN) innerhalb der Hausinstallation. Für die angeschlossene Lampe hat dieses Netzsystem keine negativen Auswirkungen, während es jedoch zu erheblichen Problemen beim Anschluss elektronischer Verbraucher kommt. Diese Netzform wird TN-C-System oder 4-Leiter-Netz genannt.

Die Netzform TN-S bedeutet im Prinzip, daß der von der Energieversorgung oder eigenen Trafostation ankommende PEN-Leiter ab dem Hausübergabepunkt in einen N-Leiter und einen PE-Leiter aufgeteilt wird. Der N-Leiter ist danach in der gesamten Installation als isolierter Außenleiter zu behandeln und zu führen. Der Rückstrom fließt in solch einem Standardfall zu 100% durch den N-Leiter (return). Ist jedoch nur der PEN-Leiter vorhanden, so muß dieser sowohl die Funktion des N (Rückleiter), als auch die Funktion des PE-Schutzleiters übernehmen. In diesem Fall fließt der N-Rückstrom über alle parallel geschalteten leitenden Verbindungen zum Sternpunkt des Hausanschlusses und/oder Transformators zurück.

Die Folge davon kann eine Erwärmung der dann nicht mehr ausreichend dimensionierten PE-/N-Leiter sein. Ist ein reduzierter PEN oder N-Leiter Querschnitt verlegt, kann es zu Erwärmungen und Bränden kommen. Schraubverbindungen werden durch thermodynamische Wechsel der nicht sinusförmigen Belastung zum Teil stark beansprucht und lockern sich im Laufe der Zeit, oder feine Drähte vibrieren und brechen. Nicht angezogene Schrauben, lockere N-Leiter-Trennklemmen und überlastete N-Leiter in den Verteilungen erhitzen sich, verursachen Übergangswiderstände und führen zu einer Aufhebung des Summenstromausgleiches.

Wird der Summenstromausgleich aufgehoben, kann es zum Abbrennen des N- oder PEN-Leiter-Anschlusses kommen und damit zur Sternpunktverlagerung. Durch diese Störungen innerhalb des Sterndreiecksystems erhalten die Stränge mit den kleinsten elektronischen Verbrauchern die höchste Spannung und können durch eine "Überspannung" zerstört werden.

Eine "Überspannungsschutzmaßnahme" (gegen transiente Überspannungen im Mikro- oder Nanosekundenbereich) kann nicht helfen, da diese nur für kurzzeitige nicht sinusförmige Überspannungen ausgelegt sind.

Die Erdverbindungen in unseren Netzen sind zu folgenden drei bedeutenden Systemen zusammengefaßt:

TN-System
Systeme, in denen ein Punkt des Neutralleiters - meist in der Nähe der speisenden Stromquelle - direkt geerdet ist und die Körper der Betriebsmittel über Schutzleiter mit diesem Punkt verbunden sind.

TT-System
Systeme, in denen ein Punkt des Neutralleiters - meist in der Nähe der speisenden Stromquelle und die Körper der Betriebsmittel mit anderen - das heißt von der Erdung des Neutralleiters unabhängigen Erdern verbunden sind.

IT-System
Systeme, in denen kein Punkt des Systems direkt geerdet ist - die Körper der Betriebsmittel jedoch geerdet sind:

Es gibt drei Varianten des TN-System Netzes:

TN-S-System
Getrennter (separater) Neutralleiter und Schutzleiter im gesamten System.

TN-C-System
Kombinierter Neutral- und Schutzleiter (PEN-Leiter) im gesamten System.

TN-C-S-System
Im ersten Teil des Systems (Netz) kombinierter, im zweiten Teil des Systems getrennter Neutralleiter und Schutzleiter.

Der Potentialausgleich und die Auswahl des zweckmäßigsten Systems TN, TT oder IT für die Stromverteilung in unseren Gebäuden tragen wesentlich zu einer guten elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) der elektrischen Anlagen in Gebäuden bei, insbesondere in Büro- und Verwaltungsgebäuden.

Author: Dipl.-Ing. Karl-Heinz Otto, Sachverständiger


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