Antriebstechnik

Mehr Anlagenverfügbarkeit…

… durch Potenzialausgleich, Erde und Schirm.
Topologien des Potenzialausgleichs Sternform

Elektrische Antriebe, Automatisierungs- und Logistikanlagen reagieren wegen der leistungs- und informationselektronischen Bestandteile infolge ihrer erhöhten Verarbeitungsgeschwindigkeit sowie der demzufolge gestiegenen Übertragungsfrequenzen auf Umwelteinflüsse empfindlich. Stromausfälle, Hardwaredefekte treten hinter die Schäden durch transiente Überspannungen, elektromagnetische Felder sowie von Störströmen zurück. Neben dem Einsatz von Überspannungsableitern, speziellen Konstruktionsformen und anlagenspezifischen Installationsrichtlinien dienen Potenzialausgleich, Erdung (Massung) und Schirmung, aber auch Filter dem Schutz vor Störbeeinflussung. Regelmäßige Inspektion (Wartung) hat die bei Nutzung solcher Mittel projektierte und errichtete Verträglichkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen zu erhalten.

Potenzialausgleich

Elektrisch leitfähige, passive Komponenten werden innerhalb der Anlage mittels Ausgleichsleitungen verbunden. Während des Anstehens einer transienten Spannungsüberhöhung auf der Versorgungsleitung (etwa durch Blitz, eine Schalthandlung) besitzen diese Teile einer Schutzzone dadurch annähernd gleiches Potenzial. Überspannungsableiter sorgen dafür, dass elektrisch aktive Betriebsmittel einbezogen sind. Drei Topologien des Potenzialausgleichs sind verbreitet. Am wirksamsten zeigt sich die maschenförmige Struktur, bei der Unterausgleichsschienen PAS miteinander und jede zusätzlich mit dem Hauptausgleich verkettet werden. Die mit Widerständen und Induktivitäten belegten Verbindungen reduzieren durch Parallelschaltung/Aufteilung Störströme sowie die zwischen unterschiedlichen Anschlusspunkten generierten Spannungsunterschiede. Den Nachteil von Schleifen mit geschlossenem Stromkreis als Quelle induzierter Spannungen vermeidet die sternförmige Topologie. Alle PAS werden an einem Punkt verbunden. Die einfachste Gestalt bietet die Linie. Lediglich bei kurzen Wegen, bei unmittelbar benachbarten Bauteilen verspricht Linienform eine nützliche Lösung. Verbindungen jeder Struktur müssen mit Erdungsleitungen, Erdern und dem Schutzleiter (PE Protection Earth) verknüpft sein, damit das messbare Potenzial den Wert Null, mindestens aber einen für den Menschen ungefährlichen Wert annimmt. Elektromagnetische Störungen über galvanische Kopplungen entstehen nicht. Die in Frage kommende Ausführung bestimmt die Anlage. Sie muss bereits in der Planungsphase berücksichtigt werden, um schon während der Errichtung des umhüllenden Bauwerkes zielführende Voraussetzungen zu realisieren.

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Erdung (Massung)

Die Erde eines elektrischen Systems besitzt Erd-/Bezugspotenzial Null. Die Gesamtheit aller Mittel und Maßnahmen zum leitenden Verbund leitfähiger Teile mit Erde über den Erdleiter und natürliche sowie künstliche Erder (Fundamenterder, Metallrohrleitungen, Gleise) heißt Erdung. Entsprechende Punkte und Verbindungen müssen niederohmig sein und gut leiten, ihre Kontaktstellen fordern Farb- und Korrossionsfreiheit. Handelt es sich um ein mobiles System, entspricht die Erde der Masse, die Erdung der Massung.

Das Bezugspotenzial gleicht nur in einem Frequenzbereich Spannungsunterschiede aus, um in Verbindung mit dem Ableiten von Störströmen elektromagnetische Einflüsse zu vermeiden. In räumlich ausgedehnten Anlagen sichert die Erdung im geringimpedanten Niederfrequenzbereich sicherheitstechnische Belange wie den Berührungsschutz von Personen. Ausreichende Kupplung im Gleichspannungs- oder 50 Hz-Wechselspannungsnetz bedeutet daher nicht gleichzeitig eine entsprechend gute Wirkung für andere Frequenzen. Ähnlich dem Potenzialausgleich kennzeichnen ebenfalls die Erdung verschiedene Strukturen. Bei Stern-Topologie gehen alle Leitungen auf kürzestem Weg schleifenfrei zum zentralen Erdungspunkt (Haupterdungsklemme). Beim räumlich ausgedehnten Flächenerder (Erdungsschiene, Bewehrung in Fußböden/Wänden, vermaschte Leitungen im gestelzten Fußboden oder andere Baukonstruktionen) werden kürzeste Verbindungen zu den Bauteilen installiert. Oft kommen Kombinationen zur Anwendung. Übernehmen Erdungsleiter Schutzleiterfunktion, sind besondere Maßnahmen zu treffen, um Schleifen infolge von Mehrfacherdungen und Störspannungen durch höherfrequente Verbraucherströme (Oberschwingungen) zu verhindern.

Das Bezugspotenzial von Systemspannungen etwa der Informationsverarbeitung ist einmalig zentral zu erden. Eine alternative, ebenbürtige Schutzmaßnahme stellt der isolierte Aufbau der Systemspannung mit Isolationsüberwachung dar. Zur Erdungsanlage gehören alle Erder, Erdungsleitungen, Metallteile wie Gehäuse, Bewehrungen, Kabelmäntel, Rohrleitungen. Für derartige Systeme elektronischer Einrichtungen empfiehlt sich die räumliche Trennung von der Starkstromanlage.

Schutzerdung/-leiter

Der geerdete Schutzleiter PE entspricht einem Potenzialausgleich. Im Normalbetrieb bleibt der PE stromlos, sofern er nicht je nach Netzform (Tabelle) teilweise oder vollständig mit dem Nullleiter geführt wird. Der PE schützt Personen und Nutztiere (Fehlerstrom-, Fehlerspannungsschutz, RCD) vor direkter oder indirekter Berührung von im Fehlerfall unter Spannung stehenden Teilen. Der gefahrlose Maximalwert der Berührungs-/Fehlerspannung wird nie überschritten. Die EMV-freundlichste Struktur TN-S vermeidet Betriebsströme im Erdreich.

Schirmung

Bevorzugt erhalten Signalleitungen einen metallisch leitfähigen, häufig sogar doppelten Schirm. Auch Leistungsverbindungen (Umrichter-Motor) bekommen oft einen solchen Mantel. Sensible Bauelemente schirmen Metallgehäuse. Dieser Faraday-Käfig verhindert das Abstrahlen von elektromagnetischen Wellen/Störungen ebenso wie er die Störfestigkeit des Anlagenteils anhebt. Im fehlerfreien Normalbetrieb stromlose Schirmleiter werden meist separat miteinander verbunden, um an zentraler Position an die Erde angeschlossen zu werden. Schirmunterbrechungen etwa wegen Klemmen, eingebauter aktiver Betriebsmittel sind niederohmig und großflächig unmagnetisch zu überbrücken.

Gesamtpotenzialausgleich

Elektromagnetische Verträglichkeit, Zuverlässigkeit und Anlagenverfügbarkeit zwingen angepasst an die Netzform zum Aufbau eines gewerkeübergreifenden Systems aus Ausgleichs-, Null-, Bezugs-, Schutz-, Erd- und Schirmeiter. Um transiente Überspannungen, Störbeeinflussung durch Felder (Störaussendung wie -festigkeit) optimal zu beherrschen, sind die unterschiedlichen Ausgleichsleiter an zentraler Stelle in der NS-Verteilung schleifenfrei mit dem Erdpotenzial zu verknüpfen und ihre Querschnitte korrekt zu bemessen (DIN VDE 0100). Joachim Krause

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