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SCHURTER White Paper: Ableitströme in Fehlerstromgeschützter Umgebung
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Katalogauszüge

SCHURTER White Paper: Ableitströme in Fehlerstromgeschützter Umgebung - 1

White Paper Achtung Ableitströme! schurter.com/downloads Ableitströme in Fehlerstromgeschützter Umgebung Für einen besseren Personenschutz werden in elektrischen Installationen vermehrt Fehlerstrom-Schutzschalter eingesetzt. Diese lösen aber, durch die von elektrischen Anlagen verursachten Ableitströme, oft unnötigerweise aus. Daraus folgen Maschinenstandzeiten und Kosten, die sich jedoch verhindern lassen - mit Wissen um hohe Ableitströme und gezielten Massnahmen dagegen. Da Frequenzumrichter und Netzfilter wesentliche Gründe für Ströme gegen Erde sind, verdienen sie besondere Aufmerksamkeit. Zusätzlich zu Sicherungen oder Leitungsschutzschaltern, kommen heute in elektrischen Anlagen vermehrt Fehlerstromschutzschalter (auch FI-Schutzschalter oder RCD*) vor. Sicherungen schützen die elektrischen Anlagen primär vor Kurzschlüssen und Bränden. Die Fehlerstromschutzschalter hingegen sorgen für einen zuverlässigen Personenschutz. Sie erfassen Fehlerströme gegen Erde, zum Beispiel hervorgerufen durch einen Isolationsfehler, und schalten diese ab, bevor Personen gefährdet werden. Das Problem dabei ist, dass ein RCD nicht unterscheiden kann zwischen Ableitströmen, die im normalen Betrieb entstehen, und gefährlichen Fehlerströmen. Insbesondere Frequenzumrichter (FU), die es für den energieeffizienten Betrieb von Motoren braucht, verursachen grosse Ableitströme. heisst, der Strom fliesst nicht durch den Nullleiter zurück. Gleiches macht ein Fehlerstrom, der aufgrund eines Isolationsfehlers zwischen spannungsführenden Leitern zu Erde zurückfliesst. Auch wenn eine Person einen unter Spannung stehenden Leiter direkt berührt, fliesst ein Fehlerstrom gegen Erde. Der vorgeschaltete RCD detektiert diesen Fehlerstrom und unterbricht den Stromkreis sofort. Abb. 1: Bei unterbrochenem Erdleiter sind Ableitströme für den Menschen gefährlich (Quelle: SCHURTER AG) Frequenzumrichter und Motoren (Quelle: Control Techniques AG Schweiz) Aber auch die Kapazitäten der Leitungen und die Netzfilter, die zur Einhaltung der elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) nötig sind, erzeugen zusätzlich Ströme gegen Erde. Die Summe aller Ableitströme kann so den Fehlerstromschutzschalter zum Ansprechen bringen und alle Verbraucher am gleichen Leitungsstrang abschalten. Dies hat Maschinenstandzeiten zur Folge, verursacht Produktionsausfälle und damit erhebliche Kosten. Doch es gibt Mittel gegen zu hohe Ableitströme, um einen effizienten aber auch sicheren Betrieb zu garantieren. Ableitstrom versus Fehlerstrom Unter Ableitstrom versteht man den Strom, der in einem fehlerfreien Stromkreis zur Erde oder zu einem fremden leitfähigen Teil fliesst. Das Solche Fehlerströme haben einen hohen ohmschen Anteil, im Gegensatz zu den Ableitströmen, die überwiegend kapazitiv sind. Der RCD kann aber nicht zwischen den verschiedenen Erdströmen unterscheiden. Deshalb kann er bereits auslösen, wenn die Summe aller Ableitströme über dem Auslöseschwellwert liegt. Dies ist auch im normalen Betrieb möglich, ohne dass ein Fehler vorliegt. Die Ableitströme sind abhängig vom Aufbau eines Antriebssystems, von der Netzspannung, Pulsweitenmodulations-Frequenz des Umrichters, Leitungslänge und den eingesetzten Störschutzfiltern. Weiter haben Netzimpedanz und das Erdungskonzept der Anlage einen wesentlichen Einfluss. Sowohl beim 1-Phasen-FU als auch beim 3-Phasen-FU wird zuerst die Netzspannung über eine Brückenschaltung gleichgerichtet und geglättet. Der Wechselrichter formt da- raus eine Ausgangsspannung, die in Spannungsamplitude und Frequenz, entsprechend der gewünschten Motordrehzahl, variieren kann. Ableitströme im Frequenzumrichter entstehen durch die internen Entstör-Massnahmen und alle parasitären Kapazitäten im FU und Motorkabel. Die grössten Ableitströme verursacht aber die Arbeitsweise des Frequenzumrichters. Dieser regelt stufenlos die Motordrehzahl mit einer Pulsweitenmodulation (PWM). Dabei entstehen Ableitströme weit oberhalb der Netzfrequenz von 50 Hz. So kann die Schaltfrequenz des FU zum Beispiel 4 kHz betragen, die dazugehörigen Oberwellen aber sehr hohe Amplituden in höheren Frequenzen haben. Diese Frequenzen gehen über die Motorleitung zum Motor. Dabei wirkt die Motorleitung mit geerdeter Abschirmung wie ein Kondensator gegen Erde. Über diese Kapazität werden Ströme gegen Erde abgeleitet. Es empfiehlt sich, gefilterte und ungefilterte Leitungen zu trennen, da sonst die hochfrequenten Störsignale auf das gefilterte Kabel übertragen werden können (siehe Abb. 2). Transiente Ableitströme Beim Aus- oder Einschalten der Anlage können ausserdem transiente Ableitströme entstehen. Das Einschalten bewirkt, je nach Phasenwinkel, steil ansteigende Spannungsspitzen infolge des schnellen Spannungsanstieges. Dasselbe geschieht aber auch beim Ausschalten infolge der Induktivitäten im Stromkreis. Diese schnellen Spannungsspitzen erzeugen über die Filterkondensatoren einen transienten Ableitstrom gegen Erde. So kann es passieren, dass der Fehlerstromschutzschalter, beim ersten Einschalten der Anlage, den Betrieb lahmlegt. Eine Möglichkeit, dies zu verhindern, ist der Einsatz von RCD mit verzögertem Ansprechverhalten. Um die Personenschutzfunktion des RCD nicht allzu stark zu beeinträchtigen, sind dieser Ansprechverzögerung enge Grenzen gesetzt. RCD Typ B haben in der Regel bereits eine Ansprechverzögerung. Ist kein solcher RCD verbaut, kann man die Maschine relativ einfach schrittweise starten. So lassen sich bei Maschinen mit mehreren Einheiten die verschiedenen FU nacheinander hochfahren.

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SCHURTER White Paper: Ableitströme in Fehlerstromgeschützter Umgebung - 2

Achtung Ableitströme! White Paper schurter.com /downloads Gleichrichter Frequenzumrichter Zwischenkreis Motor Motorleitung Abb. 2: Typische Ableitströme in einem Motorantrieb mit Frequenzumrichter (Quelle: SCHURTER AG) Der Fehlerstromschutzschalter muss bei einer Fehlfunktion den Stromkreis sofort unterbrechen. Dabei gibt es verschiedene Ausführungen. Häufig verwendet werden solche mit einem Auslösewert von 300 mA zum Schutz vor Bränden und von 30 mA für den Personenschutz. Werden die Auslösewerte durch einen Isolationsfehler oder durch eine Berührung erreicht, schaltet der...

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