Das Erdungssystem stellt zwar keine Maßnahme bezüglich der EMV dar, jedoch kann durch die Wahl eines geeigneten Potentialausgleichssystems die elektromagnetische Umgebung in entscheidendem Maße positiv beeinflusst werden. Somit wird die Wahrscheinlichkeit elektromagnetischer Beeinflussungen und Havarien stark gesenkt. Der nachfolgende Beitrag analysiert diese Problematik und stellt Lösungsmöglichkeiten vor.

Die Minimierung der Oberwellenanteile am Ort ihres Entstehens (Geräte, Maschinen…) ist ein sehr wichtiger Schwerpunkt. Sie reicht jedoch leider nicht aus, um einen störungsfreien Betrieb aller Verbraucher zu gewährleisten. Neben vielen anderen Einflussfaktoren bestimmen die Ausführung der Elektroinstallation und vor allem das Potentialausgleichs- und Erdungssystemsystem maßgeblich die tatsächlichen Störpegel und Beeinflussungswahrscheinlichkeiten vor Ort.

Ausgangspunkt – die „ideale“ Anlage
Betrachtet man zunächst eine „ideale“ Elektroanlage, so stellen sich die Verhältnisse im dreiphasigen Netz wie folgt dar: Die Leiter L1, L2 und L3 des Versorgungskabels (Abbildung 1; hier ohne PE) sind konstruktiv um jeweils 120° versetzt angeordnet.

Abb. 1: Querschnitt eines Vierleiterkabels (vereinfacht)

Auf Grund der Phasenunterscheide (120°) der Versorgungsspannungen auf den Einzelleitern kommt es zu Kompensationserscheinungen.

Ergebnis:

• Das resultierende äußere Magnetfeld ist ab einem bestimmten Abstand vom Kabel fast Null.
• Der Rückleiterstrom auf „N“ ist ebenfalls nahezu Null.

So zumindest sagt es die Theorie. Sicherlich weiß jede Elektrofachkraft, dass dieses Resultat im Gegensatz zu früheren Zeiten heute auf fast keine Installation mehr zutrifft. Damit es zu den genannten Kompensationserscheinungen kommt, müssen zunächst die folgenden Voraussetzungen erfüllt sein:

• Es dürfen sich keine einphasigen Verbraucher im Netz befinden.
• Ein symmetrischer Betrieb muss gewährleistet sein.
• Es dürfen nur sinusförmige Lasten angeschlossen sein.

So sieht die Realität aus
Gerade diese Punkte können unter anderem auf Grund der Schaltungstechnik der Geräte meist nicht oder zumindest nicht vollständig realisiert werden. Die Folge sind Rückleiterströme und niederfrequente Magnetfelder teilweise sehr großer Amplituden.

50-Hz-Magnetfelder entstehen beispielsweise durch ungünstige Anbindung einphasiger Betriebsmittel an die Leiter L1 bis L3. Diese werden sehr oft nicht, entsprechend ihrer Leistung, möglichst gleichmäßig auf die Phasenleiter verteilt. Die Unsymmetrien bedingen äußere Magnetfelder. Diese können näherungsweise mit Hilfe der Beziehung

abgeschätzt werden.

Hierbei sind
H … die magnetische Feldstärke in A/m,
Iunsymm … die Stromdifferenz in A,
d … der Leiterabstand in m und
r … der Abstand zwischen Kabel und Feldstärkeaufpunkt, ebenfalls in m.

Durch das Auftreten von Oberschwingungen werden die 50-Hz-Felder zusätzlich von Magnetfeldern, deren Frequenz Vielfache der 50 Hz sind, überlagert.
Eine Schirmung gegen niederfrequente Magnetfelder gestaltet sich recht schwierig, meist können durch diese Maßnahme keine oder nur sehr geringe Erfolge erzielt werden.

Durch nichtlineare Lasten (Strom- und/oder Spannungsverlauf der Verbraucher ist nicht sinusförmig) kommt es zur Ausbildung geradzahliger und vor allem ungeradzahliger Vielfache der Grundfrequenz (50 Hz), den sogenannten Oberschwingungen. Auf Grund ihrer Phasenlage zueinander kompensieren sich die Oberschwingsströme nicht. Der Rückleiterstrom (auf „N“) kann somit teilweise sehr hohe Amplituden annehmen. Insbesondere die 150-Hz- und die 450-Hz-Oberschwingung verursachen eine sehr starke Rückleiterbelastung, da sie phasengleich auftreten und es somit zu einer Addition der Amplituden kommt. Die teilweise sehr hohen Stromstärken auf dem N-Leiter führen natürlich auch zu starken thermischen Beanspruchungen. Diese können zu sehr hohen Temperaturen innerhalb des Kabels führen. Damit verbietet sich der Einsatz von Kabeln mit reduziertem Rückleiterquerschnitt in der heutigen Zeit für fast alle Anwendungen von selbst. Die Folgen einer Nutzung dieser Kabel können ein Schmelzen der Isolationen (Kurzschlussgefahr!) oder in einigen Fällen sogar Brände sein.

Einfluss der Netzform
Die Beeinflussungswahrscheinlichkeit elektrischer Betriebsmittel durch Oberschwingungen werden in vielen Fällen durch ungünstige Netzformen zusätzlich erhöht.

Bei TN-C-Systemen (Vierleitersysteme) werden der N- und der PE-Leiter zu einem PEN-Leiter zusammengefasst. Wie gerade herausgearbeitet wurde, ist der N-Leiter im normalen Betrieb stromführend, während dies für den PE nur kurzzeitig im Fehlerfall zutrifft. Der PEN ist aus Gründen des Personenschutzes in den Potentialausgleich einbezogen, ebenso wie Strukturen, deren Aufgaben nicht im Transport elektrischer Energie liegen (z.B. Wasserleitungen, Heizungselemente, metallische Armierungen usw.) Durch den PEN werden nun Störströme auch in die letztgenannten Elemente eingespeist.

Abb. 2: Schleifenströme im TN-C-System

Es kommt zu zusätzlichen Schleifenströmen und dadurch bedingt zu niederfrequenten Magnetfeldern. Je größer die Schleifenflächen und die Stromstärken sind, desto höher werden die Feldamplituden. Es gilt also hier bereits in der Planungsphase einer Anlage die Anbindungen so zu realisieren, dass die Schleifenflächen auf ein Mindestmaß begrenzt werden. Besser ist aber auf jeden Fall ein genereller Verzicht zugunsten von TN-S-Netzen. Hier sind zwar die Strukturen des Potentialausgleichs nicht geändert, jedoch gehen die Schleifenströme gegen „Null“ (Abbildung 3). Der Grund dafür ist, dass die oben genannten Elemente des Potentialausgleichs nur noch mit PE, nicht jedoch mit dem, im Betrieb stromführenden, „N „ verbunden sind.

Abb. 3: Schleifenströme im TN-S-System

Somit wird die Entstehung und Aussendung niederfrequenter Magnetfelder auf ein Mindestmaß reduziert.

Liegt nun ein TN-C-Versorgungsnetz vor, so sollte dies unmittelbar an der Hauptverteilung in ein TN-S-Netz umgewandelt werden. Die Umwandlung partieller Bereiche in TN-S führt fast nie zum Erfolg, da hierbei in großem Umfang nichtleitende Unterbrechungen beispielsweise im Heizsystem und bei Wasserleitungen notwendig wären, die praktisch nicht realisierbar sind.

Ein Beispiel für eine derartige Umwandlung der Netzform zeigt die Abbildung 4.

Abb. 4: Umwandlung TN-C in TN-S

Wichtig ist hierbei, dass die Verbindung zwischen PEN und N/PE nur in genau einem Punkt erfolgt. Diese ist aus Sicherheitsgründen isoliert auszuführen.

Abschließend sollen einige Schwerpunktmaßnahmen genannt werden, die helfen die Beeinflussungswahrscheinlichkeit durch Oberschwingungen deutlich zu reduzieren.

Achtung! Das können Sie tun:

• Verzicht auf TN-C zugunsten von TN-S,
• gleichmäßige Aufteilung einphasiger Lasten auf die Einzelphasen,
• Verringerung von Schleifenflächen innerhalb der Installation durch geschickte Anbindung,
• Auswahl von Kabeln, die eine Magnetfeldkompensation begünstigen (möglichst auf flachverlegte Einzelleiter, z.B. Stromschienen verzichten; Ist dies nicht möglich, zusätzliche Schienen mit Erdpotential nahe den stromführenden Schienen einfügen.),
• Reduzierung von Impulsanstiegsgeschwindigkeiten,
• Differenzstrommessung und –überwachung,
• Schaffung eines „Zentralen Erdungspunktes (ZEP)“; Realisierung nur einer Verbindung zwischen Neutralleiter und Erdungssystem

Autor: Dipl.-Ing. Gerd Zschau, Technische Universität Dresden
Elektrotechnisches Institut