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Elektrotechnische Versorgung im Krankenhaus

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besondere Anforderungen an Hauptversorgungssysteme - Bild
besondere Anforderungen an Hauptversorgungssysteme

Die elektrotechnische Versorgung eines Krankenhauses stellt besondere Anforderungen an den Aufbau der Hauptversorgungssysteme. Um bei einem Stromausfall die elektrische Versorgung sicherzustellen, benötigt man zwei getrennte Versorgungssysteme, die trotz ihrer Trennung "verbunden" sein müssen.

Allgemeine (AV) und Sicherheitsstromversorgung (SV)

Das AV-System wird aus dem Mittelspannungsnetz des VNB versorgt. Für das SV-System steht ein Notstrom-Aggregat in Bereitschaft. Dieses Aggregat übernimmt die Versorgung des SV-Systems beim Ausfall des öffentlichen Mittelspannungsnetzes.

Netzformen

Für die Versorgungssysteme ist ab der Niederspannungshauptverteilung (NSHV) das TN-S-System auszuführen [1]. Die Zuleitung kann als TN-C-System oder als TN-S-System ausgeführt werden. Beide Systeme haben Vor- und Nachteile. Die Lösung liegt in der Anwendung des TN-C-S-Systems.

1 TN-C-System

Beim TN-C-System werden der Neutralleiter und der Schutzleiter kombiniert in einer Ader geführt – dem PEN-Leiter. Der Vorteil liegt in der Materialersparnis des PEN-Leiters. Dies bedeutet direkte Kosteneinsparungen bei der Errichtung der Anlage. Als Nachteil wirken sich allerdings die Betriebsströme im Schutzpotenzialausgleichsystem aus.

Abb. 1: TN-C-System

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2 TN-S-System

Das TN-S-System verfügt über getrennt verlegte Schutz- und Neutralleiter. Als Vorteil zeichnet dieses System die Vermeidung von Betriebsströmen im Schutzpotenzialausgleich aus. Der Nachteil liegt in der Materialerfordernis für einen zusätzlichen Leiter.

Abb. 2: TN-S-System

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3 TN-C-S-System

Das TN-C-S-System bietet die Möglichkeit, die Vorteile des TN-C-Systems und des TN-S-Systems zu kombinieren. Durch die Einrichtung eines einzigen Erdungspunktes des Systems und Verwendung eines isoliert geführten PEN-Leiters werden die Betriebsströme im Schutzpotenzialausgleich vermieden und eine Materialersparnis ist möglich.

Abb. 3: TN-C-S-System

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Ableitströme

Ableitströme sind technisch bedingt und lassen sich nicht vermeiden. Sie entstehen durch die endlichen Widerstände der Isolierstoffe der Betriebsmittel. Hierzu zählen neben Kabel und Leitungen sowie Verteilungen auch die in der Anlage befindlichen Geräte. Diese Ableitströme fließen über die Schutzerdungs- und Schutzpotenzialausgleichsanlage zurück zum Erdungspunkt des Versorgungssystems.

Abb. 4: Ableitstrom (3,76 A) im Schutzpotenzialausgleich

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Normative Anforderungen an die Versorgungssysteme

An die Versorgungssysteme werden hohe Anforderungen gestellt. Beim Auftreten eines einzelnen Fehlers müssen wesentlich Anlagenteile weiterbetrieben werden können [2]. Die Versorgung muss sicher und mit einer hohen Verfügbarkeit aufgebaut sein [3]. Die selbsttätigen Umschalteinrichtungen müssen eine sichere Trennung der Systeme gewährleisten [4]. Für jedes Versorgungssystem muss ein eigener Erder vorhanden sein [5]. Nach der Auftrennung des PEN-Leiters in Neutralleiter und Schutzleiter darf keine Wiederverbindung des Neutralleiters mit einem geerdeten Teil erfolgen [6]. Seit erscheinen der „aktuellen“ DIN VDE 0100-710:2002-11 werden für die Niederspannungshauptverteiler eigene abgeschlossene elektrische Betriebsstätten gefordert [7].

Diese normativen Anforderungen können problemlos umgesetzt werden. Es sind keine besonderen Materialien erforderlich. Durch die Tatsache, dass kein Netzparallelbetrieb mit dem Notstrom-Aggregat gefahren wird, ist die Verwendung des TN-S-Systems in der NSHV zulässig. Es erfolgt keine unzulässige Wiederverbindung des Neutralleiters mit dem Schutzleiter durch die Verwendung zweier Versorgungssysteme.

„Historische“ Umsetzungen

Bis Oktober 2002 war es zulässig, beide Niederspannungshauptverteiler in einem Betriebsraum unterzubringen, wenn sich nur diese Hauptverteiler in dem Raum befanden. Es war jedoch erforderlich, die beiden Verteiler lichtbogensicher voneinander zu trennen [8].

Abb. 5: Aufbau einer NSHV nach „alter“ Norm

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Die meisten Hauptverteiler wurden im TN-C-System aufgebaut. Aufgrund des gemeinsam genutzten Erders des Gebäudes sind nur geringe Betriebsströme im Schutzpotenzialausgleichssystem zu erwarten.

Abb. 6: Stromlaufplan einer NSHV im TN-C-System

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Mit der Umsetzung der „neuen“ DIN VDE 0100-710:2002-11 wurden die Hauptverteiler auch im TN-S-System aufgebaut. Hierbei wurden allerdings oftmals nur 3-polige Schalter eingesetzt und die Anlage verfügte über einen Zentralen Erdungspunkt für beide Hauptverteiler. Diese Konstruktion kann man leider in vielen Anlagen vorfinden.

Abb. 7: nicht normgerechte Umsetzung im TN-S-System

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Normgerechte Umsetzung

Die Umsetzung der normativen Forderungen erfordert die Anwendung des TN-S-Systems im Hauptverteiler. Weiterhin sind 4-polige Schalteinrichtungen zwingend erforderlich.

Der „Übergang“ vom TN-C-System der Stromquelle zum TN-S-System der NSHV erfolgt vor dem zugehörigen Einspeiseschalter in der NSHV. Der PEN-Leiter ist auf seinem gesamten Verlauf isoliert zu führen. Eine zusätzliche Erdung des Transformatorsternpunktes am Transformator erfolgt nicht.

Die Erdung der elektrischen Anlage (PEN-Leiter bzw. N-Leiter) erfolgt am Auftrennungspunkt von Neutrallieter und Schutzleiter. Hierdurch befindet sich der ZEP leicht zugänglich außerhalb der Mittelspannungszelle.

Durch die Verwendung einer Messeinrichtung im Zentralen Erdungspunkt wird dem Betreiber eine Anzeige der Ableitströme der elektrischen Anlage generiert.

Abb. 8: normgerechter Aufbau der Hauptverteiler

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Im ungestörten Zustand wird die Gesamtanlage über den Transformator AV versorgt. Alle Schalter mit Ausnahme des Generatorschalters SV sind geschlossen. Die Erdung erfolgt vor dem Transformatorschalter AV. Sämtliche Ableitströme fließen über den ZEP-AV.

Beim mechanischen Zusammenbruch der Hauptverteilung SV bleibt das AV-System unbeeinflusst, da der Abgangsschalter in der NSHV AV allpolig im Kurzschlussfall öffnet. Es werden somit auch keine Betriebsströme des Neutralleiters-AV in die fehlerhafte NSHV-SV geführt, falls in dieser die aktiven Leiter mit einem geerdeten Teil in Verbindung geraten sind.

Im Fall des Versorgungsausfalls im öffentlichen Mittelspannungssystem oder beim mechanischen Zusammenbruch des Hauptverteilers der allgemeinen Versorgung öffnet der Kuppelschalter zur NSHV AV in der NSHV SV und der Generatorschalter wird geschlossen. Auch hier werden Neutralleiterbetriebsströme zum gestörten Netz hin vermieden.

In jedem Fehlerfall ist das unbeeinflusste System betriebssicher. Die Erdungsverhältnisse sind sichergestellt und die normativen Forderungen sind erfüllt.

Fazit

Der Aufbau eines normgerechten und betriebssicheren Versorgungssystems erfordert ein TN-S-System in den Niederspannungshauptverteilern. Durch 4-polige Schalteinrichtungen werden die Systeme sicher getrennt.

Die Montage eines Messwandlers im ZEP ermöglicht es dem Betreiber über die Interpretation des Gesamtableitstromes den Anlagenzustand zu beurteilen. Durch die Platzierung des ZEP in der NSHV ist dieser auch ohne Abschaltung im Mittelspannungssystem leicht zugänglich. Hierzu ist es lediglich erforderlich, den ZEP vor dem Einspeiseschalter in der NSHV einzurichten.

Abb. 9: ZEP mit Messwandler
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Abb. 10: Ableitstrommessung einer Bestandsanlage
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Literaturhinweise
[1]: DIN VDE 0100-710:2002-11, Abschnitt 710.413.1.3
[2]: DIN VDE 0100-710:2002-11, Einleitung
[3]: DIN VDE 0100-710:2002-11, Abschnitt 710.131
[4]: DIN VDE 0100-710:2002-11, Abschnitt 710.537.6
[5]: DIN VDE 0100-551:1997-08, Abschnitt 551.4.2
[6]: DIN VDE 0100-540:2007-06, Abschnitt 543.4.3
[7]: DIN VDE 0100-710:2002-11, Abschnitt 710.51.1.1
[8]: DIN VDE 0107:1994-10, Abschnitt 3.1.4

Autor: Dipl.-Ing. (FH) Olaf Wulf, Fachplaner und Fachbauleiter im Ingenieurbüro Wendt (Bremen/Hamburg, www.ib-joerg-wendt.de)

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Kommentare

Kommentar von Lothar Brungs |

Hallo,
Das ist richtig, dann hätte man zwei ZEPs in einem Netz. Man muss schauen, was benötigt wird. Bei Krankenhäusern findet praktisch kein Parallelbetrieb statt. Entweder normale Einspeisung über den Kuppelschalter ODER Noteinspeisung. Bei einem Lasttest wird der Kuppelschalter geöffnet, sodass kein Parallelbetrieb stattfindet. Die Zeit der Rücksynchronisation ist in der Regel recht kurz und stellt nicht das große Risiko dar. Für diesen kurzen Moment würden sich tatsächlich die N-Leiterströme am ersten Knotenpunkt verzweigen, am zweiten wieder vereinen und die Hälfte der N-Leiterströme über den PE fließen. Umso wichtiger ist da zu beachten, dass es eine direkte PE-Verbindung gibt, die auf diesem Weg keine "Abzweige" mehr hat. Strom sucht sich bekannter Weise immer den Weg des geringsten Wiederstandes. Es geht hier darum, dauerhaft die Ströme im PE so gering wie möglich, idealerweise gegen NULL, zu halten.
Wenn ich einen direkten Parallelbetrieb mit mehreren Einspeisungen habe, ist es logisch, dass ich nur einen ZEP in der NSHV installiere. Alle Sternpunkte der Generatoren (oder Transformatoren) bilden einen gemeinsamen PEN-Leiter. Dieser wird durch einen ZEP dann in den N und PE-Leiter aufgeteilt.
Ich möchte hier ergänzen, dass meine Angaben nach besten Wissen und Gewissen jedoch aber ohne Gewähr sind. Ich empfehle hier, sich auch durch andere Quelle zu informieren. Es gibt Hersteller von solchen Netzüberwachungs- und Umschalteinheiten, die in der Regel auch Informationen zu diesem Thema auf ihrer Internetseite veröffentlichen.
Gruß Lothar

Kommentar von Dieter Steinigeweg |

... und was ist bei Parallellauf/Lasttest oder Rücksynchronisation? Da habe ich 2 ZEP in Betrieb.

Kommentar von Lothar Brungs |

So ganz kann ich die Darstellung (Abb. 8 nicht bestätigen. Ich nummeriere einmal die Leistungsschalter sowie die ZEPs von links nach rechts durch.
Folgende Situation. Auf der AV Seite gibt es DREI Einspeisungen und auf der SV Seite nur eine. Es ist in diesem Fall wichtig, dass der ZEP 1 (AV) in der Hauptverteilung anzuordnen. Im Juni 2009 hat die VDE das Thema „Mehrfacheinspeisung“ in der VDE 0100-100 im Abschnitt 312.2.1.2 aufgegriffen. Dort wurde für das TN-System festgelegt, dass bei Mehrfacheinspeisungen die Sternpunkte der parallelen Spannungsquellen (bzw. Transformatoren) nicht direkt geerdet werden, sondern über einen isolierten Leiter mit einander verbunden und an Einem (!) zentralen Erdungspunkt (ZEP) in der Niederspannungshauptverteilung (NHV!) angeschlossen werden. Danach ist in einem TN-C-S Netz nur ein Zentraler Erdungspunkt erlaubt. Bei dieser Darstellung habe ich sobald zwei Generatoren oder Transformatoren meine NHV einspeisen auch zwei ZEPs. Nur der Kuppelschalter und der Generatorschalter in der SV (in der Abb. 8 -Q3 und -Q4) müssen 4-polig ausgeführt werden. Der ZEP (AV) ist im Normalfall für beide Verteilungen zuständig. Bei drei Eispeisungen in die NSHV-AV (alle Schalter können hier 3-polig ausgeführt werden) wären die Schalter, ich nenne hier sie einmal -Q1.1, –Q1.2, -Q1.3 sowie –Q2 (ebenfalls 3-polig) und der Kuppelschalter –Q3 (4-polig, Motorangetrieben) geschossen. Im Falle einer Störung in der AV Verteilung würde dann der ZEP (AV) durch den Kuppelschalter –Q3 von der SV Verteilung trennen jedoch wird durch den Generatorschalter -Q4 der die SV Verteilung dann einspeist, ein neuer ZEP bereit gestellt. Es ist immer nur ein ZEP im Netz da die SV Verteilung im Gegensatz zur AV Verteilung (hier in diesem Beispiel) nie gleichzeitig von der AV Verteilung und vom Generator eingespeist werden.
Fazit: Der ZEP der AV Seite gehört immer in die NSHV AV und nicht vor dem oder den Leistungsschalter(n) –Q1 (-Q1.1, –Q1.2, -Q1.3,…) der NSHV AV.

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