de 12/2002

Praxisprobleme

Praxisproblem-Datenbank

Neutralleiterüberlastung bei Bildung von drei WS-Stromkreisen aus einem DS-Stromkreis

DIN VDE 0100-430
EN 61000-3-2
VDE 0298 Teil 100: 1992-12

Fragestellung

Es ist immer noch erlaubt, drei Wechselstromkreise aus einem Drehstromkreis mit einem gemeinsamen Neutralleiter zu bilden.

Durch den vermehrten Einsatz nichtlinearer elektrische Verbraucher zwischen einem Außenleiter und dem N-Leiter – z. B. PCs mit Schaltnetzteilen, Lampen mit elektronischen Vorschaltgeräten, Drucker, Kopierer usw. – wird der N-Leiter zusätzlich mit Strömen der dritten Harmonischen belastet. Das ist auch dann der Fall, wenn die Geräte weitgehend symmetrisch auf die Außenleiter verteilt werden. Diese Belastung kann zur Überlastung des N-Leiters führen und weit reichende Folgen haben.

Nach DIN VDE 0100-430 ist im Neutralleiter weder eine Überstromerfassung noch eine Abschalteinrichtung erforderlich, wenn der Querschnitt des Neutralleiters mindestens dem Querschnitt der Außenleiter entspricht. Ist der Querschnitt des Neutralleiters geringer als der des Außenleiters, so muss hierfür ein Schutz vorgesehen werden, der eine Überlastung verhindert. Ist diese Normfestlegung entsprechend den praktischen Gegebenheiten überhaupt noch zureichend?

Wie kann man als Elektrotechniker angemessen mit dieser Situation umgehen?

Antwort

Die in Ihrer Anfrage angedeuteten Zustände sind leider Tatsache. Die Rückströme aus Wechselstromkreisen in einem dreiphasigen System heben sich nur dann gegenseitig auf, wenn die Außenleiterströme nicht nur symmetrisch aufgeteilt sind, sondern auch sinusförmig verlaufen.

Die Frage, ob die Mindestforderung der Norm in jedem Fall ausreicht – die Norm gibt ja stets nur das Minimum vor –, ist berechtigt. Eine wirklich brauchbare Norm zu entwickeln dauert leider sehr lange. Dies umso mehr, seit alle Normen europa- oder weltweit harmonisiert werden sollen. So »hinken« auch Normen, die sich bis dato Jahrzehnte lang gut bewährt haben, etwaigen Veränderungen der technischen Umgebung »hinterher«.

Zunehmende Elektronik in der Bürowelt berücksichtigen

Eine solche Veränderung liegt aber vor, wenn in großem Umfang elektronische Geräte eingesetzt werden, die es früher nicht gab – z. B. Computer, Energiesparlampen, Glühlampendimmer usw.

Drängend ist dieses Problem derzeit vor allem in Bürogebäuden, wo gut die Hälfte des gesamten Stromverbrauchs auf einphasige IT-Endgeräte entfällt. Daran wird auch die im Januar 2001 mit viel Mühe auf den Weg gebrachte EN 61000-3-2 nicht viel ändern, die Höchstgrenzen für die Oberschwingungs-Emission dieser Geräte vorgibt, denn dafür sind die Grenzwerte viel zu hoch gelegt und in die Norm zu viele Schlupflöcher eingebaut worden.

In solchen Bauten ist also in jedem Fall davon abzuraten, drei Wechselstromkreise aus einer Drehstromleitung zu bilden, obwohl dies spätestens in der Steigleitung letztlich doch wieder geschieht. Eigentlich müssten hier Leitungen mit verstärktem Neutralleiter eingesetzt werden. Die gibt es aber kaum. So bleibt vorerst nichts anderes übrig als die Leitung überzudimensionieren (was sich langfristig oft durch die reduzierten Verluste ohnehin bezahlt macht – s. VDE 0298 Teil 100: 1992-12: Verwendung von Kabeln und isolierten Leitungen für Starkstromanlagen, wirtschaftliche Optimierung der Leiterquerschnitte von Kabeln).

Anlagendimensionierung unter neuen Aspekten

Je nach dem, welche Norm Sie zur Auslegung von mehradrigen Kabeln und Leitungen zu Grunde legen, kann es sogar sein, dass bei der thermischen Belastbarkeit von nur drei belasteten (Außen-) Leitern – also einem gänzlich unbelasteten N- oder PEN-Leiter – ausgegangen wurde. Währenddessen kann der Rückleiterstrom im Extremfall 173 % des Außenleiterstroms erreichen siehe Beispiel auf der »de«-Homepage. Das Gleiche gilt für den ohmschen Spannungsfall, also steigt die Verlustleisung des Neutralleiters auf 300% derer eines Außenleiters und die Wärme-Entwicklung des gesamten Kabels somit auf das Doppelte.

Eine andere mögliche Abhilfe besteht in der Anwendung von Filtern. In meinem Buch »Netzbelastung durch aktive und passive Bauelemente« (VDE Verlag) finden Sie dies allerdings relativiert um den Hinweis, dass das Leitungsstück vom Verursacher – also der nicht linearen Last – bis zum Filter nach wie vor von Oberschwingungsströmen belastet wird. Die Belastung ist hier sogar stärker als ohne Filter.

Bezugspotential von IT-Geräten wird beeinflusst

Weiterhin ist es wichtig die Störungen zu betrachten, die in einer vernetzten EDV-Anlage evtl. auftretetenden können, wenn eine Niederspannungs-Verteilung nach dem TN-C- oder TN-C-S-System installiert ist. Fließen diese hohen Ströme nämlich durch einen PEN-Leiter, der gleichzeitig den IT-Geräten das Erdpotential als Referenz zur Verfügung stellt, bekommen nicht wirklich alle Geräte das gleiche Potential. Da die Datensignale heute sehr niedrige Pegel haben, kommt es hierbei zu Übertragungsfehlern. Typischerweise treten diese nicht als fehlerhafte Daten in Erscheinung. Da die Übertragungsprotokolle mit Kontrollmechanismen versehen sind und die Übertragung so oft wiederholen, bis sie endlich gelingt, zeigen sich die Übertragungsfehler als eklatante Verringerung der Übertragungs-Geschwindigkeit oder als Programm-Abstürze. Bei Impulsströmen wie Kurzschlüssen oder Einschalt-Vorgängen werden sogar teilweise z. B. Netzwerkkarten zerstört.

Stromricher – Oberschwingungserzeuger der Industrie

In der Industrie, wo immer mehr Stromrichter eingesetzt werden, treten auch zusehends mehr hierdurch bedingte Probleme auf. Diese haben jedoch kaum einen Einfluss auf die Neutralleiter-Belastung, weil meist so genannte B6-Brücken verwendet werden. Diese werden nicht an den Neutralleiter angeschlossen. Einphasige Geräte machen zumeist den weitaus kleineren Teil der Gesamtlast aus. Hier hätte ich also keine Bedenken, mehrere Wechselstromkreise aus einem Drehstromkreis zu bilden. Dennoch empfiehlt es sich auch hier, ein TN-S-System mit streng getrenntem Neutral- und Schutzleiter zu installieren, denn anderenfalls fließen die Rückleiterströme aus nicht linearen ebenso wie aus unsymmetrischen Lasten nicht nur durch den PEN-Leiter, sondern wegen dessen vielfacher Verbindung mit dem PA-System auch durch alle fremden leitfähigen Teile. Auch dies kann zu Störungen führen – z. B. wegen der magnetischen Streufelder.

Zunehmend belasteteNeutralleiter in Wohnungen

Im Wohnbereich ist die Verbreitung solcher die Stromkurven verzerrender Lasten zahlenmäßig groß, ihr Anteil an der Last aber derzeit noch gering. Es bleibt abzuwarten, was geschieht, wenn Umrichter-gesteuerte Motoren in fast jeder Waschmaschine laufen und die meisten Herde mit Induktionskochfeldern ausgerüstet sind, die schließlich auch Umrichter darstellen.
Ich würde daher zum gegenwärtigen Zeitpunkt in Neu-Anlagen keine drei Wechselstromkreise mehr aus einem Drehstromkreis bilden, es sei denn, die entsprechende Schutztechnik mit Überwachung des Neutralleiterstroms und nötigenfalls bei Überschreitung Abschaltung der Außenleiter würde installiert. Mit Sicherheit ist die aber teurer als ein paar Meter mehr Leitung. Bestehende Anlagen umzurüsten erschiene mir zwar derzeit noch übertrieben; mit dem Unwort »Bestandsschutz«, der in erster Linie vor Verbesserungen schützt, lässt sich dies indes nicht begründen. Die neuartigen Lasten stellen ganz klar eine Nutzungsänderung dar, und die bringt jeden Bestandsschutz zum Erliegen. Theoretisch müsste also umgerüstet werden.

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