Grundlagen der Installation der elektrischen Anlage
In diesem Artikel gehe ich zuerst auf die Gefahren des elektrischen Stromes ein, dann auf den Schutz gegen den elektrischen Schlag und zum Schluss auf Fehlerszenarien in den jeweiligen Netztypen, die Wirkung der Schutzmaßnahmen und die Strompfade im Fehlerfall. Es wird hier ausschließlich um ortsfeste elektrische Anlagen gehen. Grund für diesen Artikel sind die immer wieder ausartenden Threads in den verschiedensten Foren beim Thema Elektroinstallation und vorallem Thema Residual Current protective Device (RCD).
Gefahren des elektrischen Stromes
Allgemeines
Die Gefahren von Netzspannung sollten nicht unterschätzt werden. Je nach Fehlerfall oder unsachgemäßer Anwendung kann es zur Gefährdung von Gesundheit und Leben oder auch zur Brandgefahr kommen.
Gefährdung durch elektrischen Strom von Gesundheit und Leben
Nicht jede Art von Strom ist eine Gefährdung für den Menschen. Es kommt auf die Strombahn durch den Körper, auf die Frequenz und auf die Stromstärke an. Technischer Wechselstrom bis 500Hz ist dabei besonders gefährlich, da er Herzkammerflimmern verursachen kann.
Die Wahrnehmbarkeitsschwelle des elektrischen Stromes liegt bei etwa 0,5mA AC. Diese Stromstärke bewirkt schon ein leichtes kribbeln. Bei ungefähr 10mA beginnen schon krampfartige Schmerzen, eine unter Strom stehende Hand kann man für gewöhnlich dann nicht mehr kontrollieren, das sogenannte "kleben bleiben". Bei 10mA sind aber noch keine medizinisch schädlichen Einwirkungen zu erwarten. Alles was über 10mA durch den menschlichen Körper fließt, ist noch abhängig von der Einwirkdauer. Ströme über 500mA durch den menschlichen Körper, wie sie bei Hochspannungsunfällen auftreten können, sind außerdem noch durch die Wärmeentwicklung im Körper gefährlich, sowie die dabei auftretende Vergiftung, die auch erst nach Tagen zum Tod führen kann. Gleichstrom ist weniger gefährlich als Wechselstrom, es treten ungefähr bei 3facher Stromstärke die gleich Folgen ein, wie bei Wechselstrom.
Die Höhe der Spannung allein ist nicht ausschlaggebend für eine schädliche Einwirkung, man denke nur an einen Weidezaun. Trotzdem wird eine maximale Berührungsspannung angegeben, die ungefährlich für den Menschen sein soll. Hintergrund ist, dass in der Installation davon ausgegangen wird, dass das Netz bei voller Spannung genügend Strom liefern kann, der wirklich gefährlich für den Menschen werden kann. Das ist beim Weidezaun anders, diese Spannungsquelle kann nicht ausreichend Strom bei voller Spannung liefern und somit nicht wirklich gefährlich werden.
Es stellt sich also in der Installation die Frage, wie hoch der Widerstand eines Menschen ist. Dieser schwankt aber ziemlich, je nach Körperbau zwischen 600 und 3000 Ohm. Dazu sinkt er noch mit zunehmender Spannung. Da der Strom ausschlaggebend für den Schaden am Menschen ist, sich aber die Spannung deutlich besser messen lässt wendet man einfach das Ohmsche Gesetz an. Problem bleibt weiterhin der doch sehr schwankende Widerstand des Menschen. Deswegen kann man keine garantiert ungefährliche Berührungsspannung angeben, sondern nur eine wahrscheinlich ungefährliche Berührungsspannung. Und diese wurde dann einfach mal aufgrund dieser ganzen Informationen auf 50V AC und 120V DC festgelegt.
Brandgefahr
Ein Brand kann durch Überbeanspruchung einer elektrischen Leitung oder durch einen Kurzschluss entstehen. Besonders gefährlich sind dabei die unvollkommenen Kurz- und Erdschlüsse, die durch Isolationsfehler entstehen.
Schutz für den Menschen gegen den elektrischen Schlag
Schutz gegen direktes Berühren
Laut VDE 0100 ist der Schutz gegen direktes Berühren der Basisschutz. Dieser Schutz besteht aus Isolierung, Abdecken, Umhüllen oder sogar Abstand. In der VDE 0470 sind die Definitionen für diese Schutzarten genauer beschrieben. Diese beginnen immer mit der allgemeinen Kennzeichnung IP. Die erste darauffolgende Zahl macht Angaben über den Berührungs- und Staubschutz, die zweite Zahl sagt etwas über den Wasserschutz aus. So sagt die Angabe IP44 auf einem elektrischen Betriebsmittel aus, das Berührungsschutz gegen Fremdkörper und Werkzeuge größer 1mm Durchmesser gegeben ist, und das Betriebsmittel spritzwassergeschützt von allen Seiten ist. Für Jede Schutzart gibt es noch entsprechende Symbole, die in der VDE 0710 definiert sind. Näheres dazu im entsprechenden Wikipediaartikel.
Schutz gegen indirektes Berühren
TN- und TT-Netz
Die Maßnahmen gegen indirektes Berühren sind entweder Abschaltung (TN- und TT-Netz) oder Meldung (IT-Netz). Auf das IT-Netz werde ich nicht eingehen, da dieses fast ausschließlich in Krankenhäusern Anwendung findet und die Leute, die damit zu tun haben, mehr Ahnung haben als ich, und für alle anderen ist es eher uninteressant.
Der Unterschied zwischen einem TN- und einem TT-Netz liegt allein in der Erdung. In beiden Netzen ist der Sternpunkt des Trafos geerdet. In beiden Netzen wird dieses Potential Zusammen mit den Außenleitern bis zum Hausanschlusskasten geführt. Im TN-Netz heißt dieser Leiter dann PEN, im TT-Netz nur N. Der Unterschied besteht darin, dass bei einem TN-Netz der PEN-Leiter mit auf die Potentialausgleichsschiene aufgelegt wird, sozusagen auch mit dem Betriebserder des Hauses verbunden wird. Von dieser Schiene an werden PE und N getrennt durch die ganze Installation geführt.
Beim TT-Netz wird der ankommende N mit allen N meiner Hausinstallation verbunden. Nur der PE meiner Hausinstallation ist mit dem Erder des Hauses verbunden. Zwischen PE und N gibt es keine direkte Verbindung.
Das TN-Netz ist das von den Energieversorgern derzeit favorisierte System.
Prinzip TN-Netz
Prinzip TT-Netz
Schutzeinrichtungen
Als Schutzeinrichtung gegen indirektes Berühren gibt es die Überstromschutzeinrichtung und die Fehlerstromschutzeinrichtung. Zusätzlich gibt es noch Geräte zur Isolationsüberwachung und Fehlerspannungsschutzeinrichtungen, auf die ich aber nicht näher eingehe.
Überstromschutzeinrichtung
Dazu zählen sämtliche Sicherungselemente wie Neozed, Diazed( beides Schmelzsicherungen unterschiedlicher Baugröße) LSS(Leitungsschutzschalter) oder Motorschutzschalter. Mit Ausnahme von den Motorschutzschaltern haben alle Sicherungen in einer elektrischen Installation die Aufgabe, den nachfolgenden Leitungsteil bis entweder einer Querschnittsveränderung oder einen Endverbraucher zu schützen. Dies geschieht über zwei Arten:
- Elektromechanisch bei Kurz- oder Erdschluss
- Laut VDE 0100t410 muss eine Schutzeinrichtung, die bei zu hoher Berührungsspannung abschaltet im TN-Netz innerhalb von 0,4s und im TT-Netz innerhalb von 0,2s auslösen. Bei allen übrigen Stromkreisen muss innerhalb von 5s abgeschaltet werden.
- Über Bi-Metall bei Überlast
- Laut VDE 0100t430 darf eine Leitung oder ein Kabel eine Stunde lang mit dem 1,45fachen ihres Nennstromes belastet werden. Alles über einer Stunde muss abgeschaltet werden.
Fehlerstromschutzeinrichtung
Als Fehlerstromschutzeinrichtung versteht man allg einen spannungsunabhängigen Fehlerstrom-Schutzschalter, kurz FI oder auch international RCD genannt. Es gibt noch andere Arten, die unter dem Begriff RCD zu verstehen sind, diese sind aber eher selten im Eigenheimbau anzutreffen, darum gehe ich hier nicht näher darauf ein.
Die Funktion des RCD soll nur kurz erläutert werden. In einem RCD werden alle hinführenden Ströme, also der Strom der Außenleiter mit den rückführenden Strömen, also der Strom des Neutralleiters addiert. Liegt kein Fehlerfall vor, sollte also das theoretische Ergebnis des RCD Null sein. Durch Leitungskapazitäten ist es in der Praxis nicht ganz der Fall, aber das ist eher bei sehr großen Installationen ein Problem, im Eigenheim spielt das eine vernachlässigbare Rolle. Tritt nun der Fehlerfall ein, das ein Außenleiter zwar Strom zu einem Verbraucher hinführt, aber dieser Strom nicht komplett über den Neutralleiter zurück fließt, sondern ein Teil davon entweder über den PE und/oder über einen Menschen ist das Ergebnis des RCD nicht mehr null. Kommt dieses Ergebnis in die Nähe des Bemessungsdifferenzstromes (laut VDE0100t410 für laienbedienbare Endstromkreise bis 20A innen und 32A außen 30mA) des RCD löst dieser aus.
RCD als Brandschutz
Fehlerszenarien und Wirkung der Schutzmaßnahmen
Es gibt unterschiedliche Arten von Fehlern, aber nicht jeder Fehler ist für den Menschen gefährlich. Bei den Leitern muss zwischen aktiven und passiven Leitern unterschieden werden:
- Aktive Leiter
- sind stromführend und werden für den Betrieb eines elektrischen Betriebsmittels für den Energietransport gebraucht. Bei dem Toaster sind Phase und Neutralleiter die aktiven Leiter.
- Passive Leiter
- sind die Schutzleiter. Im Falle des Toasters ist das der Schutzleiter, der am elektrisch leitfähigem Gehäuse angeklemmt ist.
Man kann also sagen, dass die aktiven Leiter nur zum Betrieb eines Gerätes oder einer elektrischen Anlage benötigt werden, und die passiven Leiter zum Schutz für Gesundheit und Leben vorhanden sind.
So kann man sagen, dass die Grenzwerte, die in der VDE 0100t410 genannt sind, nur auf Fehler zutreffen, in denen der passive Leiter beteiligt ist. Zum Beipiel ist es bei einem Schluss zwischen zwei Phasen uninteressant für die Gesundheit eines Menschen, ob eine Schutzeinrichtung innerhalb von 10ms oder von 10s auslöst. Dieser Fehler wird als Phasenschluss bezeichnet. Weiterhin für die Gesundheit uninteressant ist ein Schluss zwischen einer Phase und dem Neutralleiter, auch als klassischer Kurzschluss bekannt.
Im Hinblick auf eine gesundheitliche Gefährdung ist einzig und allein der Schluss einer Phase und dem PE relevant.
TN-Netz
Erdschluss ohne RCD
Wenn ein Erdschluss, wie in dem Bild dargestellt, zustande kommt weil z.B. bei einem Toaster sich die Klemme des Außenleiters (L1, "Phase") lockert, weshalb der Leiter herausrutscht und das leitfähige Gehäuse berührt, dann fließt der Strom wie folgt:
- von der Trafospule L1 über den HAK und die Sicherung F4 für den Stromkreis, an dem das Gerät (z. B. der Toaster) angeschlossen ist
- über die Fehlerstelle
- über den PE und später PEN zurück zur Trafostation, wo er wieder an der Trafospule L1 ankommt und damit den Stromkreis schließt
Jeder dieser Punkte stellen Widerstände dar, die mit Ausnahme des Erders in Reihe geschaltet sind. Der resultierende Gesamtwiderstand wird auch als Schleifenwiderstand bezeichnet. Der Schleifenwiderstand begrenzt allein den Strom im Fehlerfall. Da die Trafospule und die Sicherungen gegenüber den Leitungen einen vernachlässigbaren kleinen Widerstand haben, betrachten wir also nur den Leitungswiderstand. Den Erdschluss an der Fehlerstelle setzen wir in diesem Falle als ideal voraus, also hat dieser praktisch kein Widerstand. Die Leitungen stellen also durch den Fehler die einzigen Verbraucher dar. Die Leitungslängen von L1 und dem PE/PEN sind nahezu identisch. Somit ergibt sich durch die beiden Leitungswiderstände ein Spannungsteiler aus zwei gleichen Widerständen. Über die beiden Widerstände fällt also nahezu die gleiche Spannung ab. Somit liegen für die kurze Zeit, bis die Sicherung auslöst 230V/2=115V gegen Erde am elektrisch leitfähigem Gehäuse des Toasters. Das ist deutlich über dem Grenzwert der Berührungsspannung von 50V bei Wechselspannung. Das bedeutet, wenn eine Person genau in dem Moment des Fehlers das unter Spannung stehende Gehäuse anfasst, kann er ernsthaft verletzt werden, da die Sicherung auch einige Millisekunden braucht, um auszulösen. Darum wird in jedem Haus ein eigener Erder gefordert.
Mit Erder sieht die Problematik schon viel besser aus: Der Widerstand der Leitung der Phase ist der gleiche geblieben, doch der Widerstand des PE/PEN hat sich deutlich verringert. Jetzt sind die beiden Erder der Trafostation und mein Erder zuhause parallel geschaltet und stellen somit in dem Spannungsteiler einen deutlich geringeren Widerstand als den der Phase dar. Kleinerer Widerstand heißt auch kleinerer Spannungsfall und so habe ich an meinem Gehäuse keine 115V mehr anliegen. Das die maximale Berührungsspannung von 50V in der Praxis wirklich nicht überschritten werden, muss ich messtechnisch nachweisen. Dafür gibt es spezielle Messgeräte auf deren Funktion ich hier nicht näher eingehen möchte.
Erdschluss mit RCD
Wie beim Thema Erdschluss ohne RCD schon geschrieben, begrenzt der Schleifenwiderstand den Strom im Fehlerfall. Dieser Widerstand ist für gewöhnlich sehr niedrig, schließlich will ich im Normalbetrieb nicht jede Menge Leistung in den Kabeln umsetzen, sondern es soll der Strom möglichst widerstandsarm bis zum Endverbraucher gelangen, in dem dann die Leistung umgesetzt wird. Außerdem ist dieser hohe Strom im Fehlerfall auch nötig, da sonst die vorgeschaltete Sicherung nicht rechtzeitig auslösen kann. Wieviel Strom fließen muss, so dass die Sicherung rechtzeitig auslöst, kann man berechnen. So muss bei einem B-Automat der 5-fache Strom des Nennstromes fließen, damit die Sicherung rechtzeitig auslöst. Bei einem B16-Automat sind das 80A. Also noch nicht zuviel, aber bei einem C32-Automat müsste schon der 10-fache Strom fließen, also 320A. Näheres dazu im entsprechenden Wikipedia-Artikel.
In Erdschluss ohne RCD bin ich davon ausgegangen, dass die Fehlerstelle in unserem elektrischen Gerät ideal ist, also keinen elektrischen Widerstand darstellt. Das ist in der Praxis leider selten der Fall. Problematisch ist das weil der hohe Strom, der fließen muss, um eine Sicherung schnell genug auszulösen auch über diese Fehlerstelle fließen muss. Ist unser Toaster jetzt schon zehn Jahre alt, ist er sicher etwas verkeimt. Auch dem Draht, der wegbricht sieht man diese Zeit an. Jetzt könnte es also passieren, das der Draht am Gehäuse anliegt, aber über unsere Fehlerstelle eben nicht die 80A zum fließen kommen, weil der Widerstand der Fehlerstelle zu hoch ist. Habe ich wieder in diesem Augenblick meine Hände am Toaster kann es also passieren, das ein gewisser Strom relativ lang durch meinen Körper fließt und ich zu Schaden komme. Aus diesem Grund wurden FI-Schutzschalter oder auch RCD genannt, erfunden. Folgendes Bild zeigt die Anwendung.
Der FI vergleicht den Strom, der zum Gerät hinfließt (I hin) mit dem, der vom Gerät Richtung Erde wieder zurück fließt(I zurück). Im Normalfall – ohne Fehler im Gerät – ist dieser Strom nahezu gleich. Ist der Unterschied zwischen I hin und I zurück größer als 30mA, dann löst der entsprechende 30mA-FI aus. In der Praxis noch etwas eher: Die Hersteller von FI-Schutzschaltern geben einen Strom zwischen 15mA und 25mA an, in dem der FI auslöst, um zu garantieren, dass er bei 30mA auf jedenfall schon ausgelöst hat. Somit müssen im Fehlerfall nicht mehr 80A über die Fehlerstelle im Toaster fließen, sondern es reicht, wenn 30mA darüber fließen, um die Schutzeinrichtung rechtzeitig auszulösen. Dieser geringe Strom ist im Fehlerfall ohne Probleme zu erreichen und durch die evtl. auftretenden hohen Widerstände an der Fehlerstelle ist die Gefahr für den Menschen nochmal deutlich geringer, da die Berührungsspannungen weiter sinken.
TT-Netz
Im TT-Netz besteht, wie weiter oben bereits geschrieben, der Unterschied zum TN-Netz, das der von der Trafostation ankommende N-Leiter nicht mit der Potentialausgleichsschiene und somit nicht mit meinem Schutzleiter verbunden wird. So kann man sagen, wenn ein Fehlerfall auftritt muss der ganze Strom über meinen Erder zuhause abfließen. Ein Erder besitzt auch einen Widerstand zwischen dem eigentlichen Erder und dem Erdreich. Das dieser Widerstand nicht unendlich hoch sein darf, sollte klar sein. Man kann diesen Widerstand auch errechnen, den der Erder mindestens haben sollte. Das ist eine einfache Anwendung des Ohmschen Gesetzes. Die maximale Berührungsspannung von 50V wird durch den größten Auslösestrom in meiner elektrischen Anlage geteilt. Habe ich also einen B16-Automat beträgt der Auslösestrom 80A. Um den Erderwiderstand zu berechnen teile ich also 50V durch 80A = 0,625Ohm. Ein ziemlich niedriger Wert. Im TN-Netz kein Problem, schließlich sind die Erder der Trafostation und mein Erder zuhause parallel geschaltet. Der Energieversorger garantiert an der Trafostation einen Erderwiderstand deutlich unter 1Ohm. Gehen wir also davon aus, dass der Erderwiderstand der Trafostation 0,6Ohm beträgt und der Erderwiderstand zuhause 5Ohm ergibt sich ein Gesamterderwiderstand von 0,54Ohm. Also reicht zuhause auch ein recht hoher Erderwiderstand um eine ordnungsgemäße und sichere Abschaltung im Fehlerfall zu gewährleisten. Problematisch wird es im TT-Netz. Hier sind die beiden Erder nicht parallel geschaltet. Also müsste mein Erder zuhause min. einen Widerstand von 0,625Ohm haben. Dieser niedrige Erderwiderstand wird aber nur mit sehr hohem Aufwand erreicht. Im TT-Netz ist kein RCD vor der kompletten elektrischen Anlage vorgeschrieben, aber aufgrund der fast nicht erreichbaren niedrigen Erderwiderstände ist es fast nicht umgänglich einen RCD vor die komplette eletrische Anlage zu installieren.
Da dieser FI vor der kompletten elektrischen Anlage installiert ist, muss dafür kein 30mA-Typ eingesetzt werden. Meist werden an dieser Stelle 300mA-FI's verbaut. Meist auch mehrere, weil sonst das Problem besteht das immer gleich das komplette Haus stromlos ist, wenn ein Fehlerfall auftritt. Das kuriose an diesem RCD ist, dass im Fehlerfall zwischen Phase und PE er wirklich als Sicherungsersatz dient, weil eine einfache Sicherung in diesem Fall nicht schnell genug auslösen würde, weil der benötigte hohe Strom nicht zum fließen kommt.
Eine weit verbreitete Meinung ist ja, dass ein TT-Netz überholt ist und nicht mehr gebraucht wird. Tatsächlich ist es aber so, das die Anwendung eines TT-Netzes in manchen Fällen durchaus Sinn machen kann und in seltenen Fällen sogar vom Energieversorger vorgeschrieben wird. Problematisch sind Stellen, an denen sehr schlechter Boden in Bezug auf Erdpotential vorliegt. Also wenn man nur Erderwiderstände deutlich >10Ohm hinbekommt. In so einem Fall ist ein TT-Netz sogar besser, da die Berührungsspannungen sinken. Im TN-Netz ist die Verbindung zwischen dem Erder der Trafostation und meinem Erder zuhause sehr niederohmig, wird sie doch über den PEN verbunden. Im TT-Netz ist diese Verbindung hochohmig. Somit fällt über diese hochohmige Verbindung mehr Spannung ab und es bleibt weniger für die Berührungsspannung übrig. So ist ein TT-Netz überall dort vorzuziehen, wo entweder kein guter Erderwiderstand erreicht werden kann(z.B. wenn die Trafostation sehr weit weg ist oder der Boden einfach elektrisch gesehen schlecht ist) oder ich nicht viel Mühe mit dem Erder haben möchte(z.B. auf Baustellen, wird ja eh sehr zeitnah wieder abgebaut). Die Entfernung spielt auch noch eine Rolle bei der Schleifenimpedanz. Sicherheitstechnisch hat keine Netzform Nachteile oder Vorteile gegenüber einer anderen.