Beim Entwurf eines Erdschlussschutzes (GFP) für ein Stromverteilungssystem sollten Sie immer die Art der Stromquelle berücksichtigen. Wenn die Stromquelle aus einem separat abgeleiteten System stammt, müssen Sie bestimmte Regeln und Richtlinien befolgen, damit der GFP ordnungsgemäß funktioniert und das System schützt.
Nach dem National Electrical Code (NEC) ist bekannt, dass ein Motor-Generatorsatz ein separat abgeleitetes System ist. Die Auswirkung eines Aggregats und seines Umschalters auf den Betrieb von GFP-Geräten erfordert besondere Aufmerksamkeit, vor allem wegen der mehrfachen Nullleiter-Erde-Verbindungen.
Wir wollen uns nun im Detail ansehen, was es damit auf sich hat und wie man die Fallstricke unsachgemäßer Konstruktionen und Installationen vermeiden kann. Die folgenden Ausführungen sind ein Auszug aus dem „Practical Guide to Ground Fault Protection“ von EC&M Books und wurden auf die Anforderungen des NEC 2005 aktualisiert.
NEC issues. Abschnitt 250.20(B) legt fest, wann das Stromversorgungssystem geerdet werden muss, während 250.20(D) die Erdung von getrennt abgeleiteten Systemen vorschreibt. Laut FPN Nr. 1 gilt der Neutralleiter einer alternativen Stromquelle jedoch nicht als separat abgeleitetes System, wenn er fest mit dem versorgten System verbunden ist. Was bedeutet das?
Wenn eine separat abgeleitete Quelle, die die Anforderungen von 250.20(B) erfüllt, eine alternative Stromquelle umfasst, deren Neutralleiter fest mit dem der bevorzugten Quelle verbunden ist, wird der Neutralleiter der alternativen Quelle als über die Erdung am Service-Trennschalter der bevorzugten Quelle geerdet betrachtet. Mit anderen Worten: Manchmal ist der Nullleiter einer Stromquelle am Nullleiter des Stromaggregats geerdet, manchmal aber auch nicht. (Was Sie beachten müssen, bevor Sie entscheiden, wann der Neutralleiter geerdet werden soll, finden Sie im Abschnitt „Wann Sie den Neutralleiter des Stromaggregats erden und schalten sollten“ auf Seite 31 und im Abschnitt „Wann Sie den Neutralleiter des Stromaggregats nicht erden sollten“ auf Seite 32.)
Probleme bei mehreren Neutralleiter-Erde-Verbindungen. Bei diesen Verbindungen treten zwei Hauptprobleme auf:
Unvollständige Erdschlusserfassung. Betrachten Sie einen dreipoligen Umschalter mit sequenzlosem GFP am Service, wie in Abb. 1 dargestellt. Angenommen, es tritt ein Fehler zwischen einem der Phasenleiter und dem Metallrohr auf, das diese Leiter umschließt. Der daraus resultierende Erdschlussstrom kann auf zwei Wegen zum Transformator-Neutralleiter zurückgeführt werden.
Weg 1 ist der direkte Weg zurück zum Transformator entlang des Geräte-Erdungsleiters. Weg 2 führt entlang des Geräte-Erdungsleiters zu dem Punkt, an dem der Generator geerdet ist, dann zum Generator-Neutralleiter und schließlich entlang des Neutralleiters zurück zum Transformator-Neutralleiter.
Denken Sie daran, dass ein Nullsequenz-GFP reagiert, wenn er einen vorbestimmten Wert des Stromungleichgewichts erkennt. So wird der Strom, der dem Pfad 2 folgt, durch den GFP-Sensor des Transformators fließen, als ob es sich um einen normalen Laststrom handeln würde, und der Nullstrom-GFP wird nur den Fehlerstrom erfassen, der dem Pfad 1 folgt. Infolgedessen würde der gesamte Fehlerstrom unvollständig erfasst werden.
Nebenauslösung. Betrachten wir nun einen 3-poligen Übergabeschalter und einen Nullstrom-GFP mit einer unsymmetrischen Last, wie in Abb. 2 dargestellt. Auch hier hat der unsymmetrische Strom im Neutralleiter zwei Pfade, denen er folgen kann. Weg 1 führt direkt zum Betriebsnullleiter. Pfad 2 führt zum Neutralleiter des Stromaggregats, durch den Erdungselektroden des Stromaggregats und – über metallische Gerätegehäuse, Leitungen, Armaturen usw. – zurück zum Betriebsneutralleiter.
Der Strom durch Pfad 2 hätte die gleiche Wirkung auf den Erdschluss-Sensor wie der Erdschlussstrom. Daher würde eine unsymmetrische Last die Empfindlichkeit des GFP-Sensors beeinträchtigen und könnte dazu führen, dass er den Schalter auslöst, obwohl kein Fehler oder Kurzschlussstrom vorliegt.
Das Problem bei den beiden oben beschriebenen GFP-Verbindungen besteht darin, dass die Neutralleiter des Transformators und des Stromaggregats im Umschalter miteinander verbunden sind. Es gibt drei mögliche Lösungen, um die oben erwähnten Probleme zu überwinden.
Lösung 1: 4-poliger Transferschalter. Diese Art von Umschalter bietet eine vollständige Isolierung der Neutralleiter von Netz und Generator, wodurch sowohl eine fehlerhafte Erfassung als auch eine störende Auslösung durch mehrere Neutralleiter-Erde-Verbindungen vermieden wird. Abb. 3 zeigt, wie der 4-polige Umschalter die Isolierung im Falle eines Erdschlusses gewährleistet. Wie Sie sehen können, gibt es nur einen Weg, auf dem der Fehlerstrom zurück zum Transformator-Neutralleiter gelangen kann. Wenn der Neutralleiter auf diese Weise isoliert ist, können Sie den Generatorausgang mit konventionellem GFP versorgen.
Seien Sie hier vorsichtig, denn dies kann weitere Probleme verursachen. Wenn der Umschalter die Last von einer Quelle unterbricht, kann es sein, dass die Ströme in den einzelnen Leitungen und im Neutralleiter nicht alle zum gleichen Zeitpunkt abfallen. Es ist möglich, dass der Strom im Neutralleiter, der in der Regel geringer ist als die Ströme in den Leitungen, zuerst abfällt. Daher kann es vorkommen, dass der Umschalter die Last vorübergehend mit einer Stromquelle verbindet, während der Neutralleiter unterbrochen ist. Wenn die Last unsymmetrisch ist, können anormale Spannungen an jeder Phase der Last für bis zu 10 Millisekunden auftreten. Gleichzeitig können induktive Lasten zusätzliche hohe transiente Spannungen im Mikrosekundenbereich verursachen.
Lösung 2: Isolierung durch einen Dreieck-Stern-Transformator. Wenn Sie eine dreiphasige, vieradrige kritische Last haben, die im Vergleich zum Rest der unkritischen Last relativ klein ist, können Sie einen Trenntransformator auf der Lastseite des Umschalters verwenden (Abb. 4). Dies setzt voraus, dass beide netzseitigen Stromquellen des Netzumschaltgeräts dreiphasig und dreidrahtig sind.
Eine Unsymmetrie der kritischen Last hat keine Auswirkungen auf die GFP am ankommenden Netz. Außerdem würden Erdschlussströme nicht durch den Dreieck-Stern-Transformator übertragen werden. Außerdem „sieht“ die Primärschutzeinrichtung jeden Anstieg des Primärstroms aufgrund von Erdschlüssen einfach als Überlast an.
Bei dieser Lösung sind zwei Punkte zu beachten. Erstens bietet sie keinen Schutz gegen Erdschlüsse auf der Sekundärseite des Trenntransformators. Zweitens bietet der Umschalter, da er nicht direkt vor der Last angeordnet ist, keinen Notstromschutz, falls der Trenntransformator ausfällt.
In Bezug auf die Kosten müssen Sie die Wirtschaftlichkeit der Versorgung eines standardmäßigen 3-poligen Umschalters mit einem kleinen Trenntransformator im Vergleich zu anderen Ansätzen bewerten. Es kann sein, dass die Kosten für den Trenntransformator geringer sind als die zusätzlichen Kosten für einen modifizierten Umschalter. Sie müssen auch die Kosteneinsparungen berücksichtigen, die sich aus einer minimalen Installation von Neutralleitern ergeben. In Anwendungen wie Krankenhäusern und Geschäftsgebäuden macht die 4-Draht-Beleuchtungslast in der Regel einen erheblichen Prozentsatz der gesamten Hauptlast aus. Daher ist die Hinzufügung eines Transformators in solchen Fällen selten wirtschaftlich sinnvoll.
Lösung 3: Umschalter mit überlappenden Neutralleiterkontakten. Es gibt Umschalter, die eine Überlappung der Neutralleiterkontakte ermöglichen. Dadurch werden die Neutralleiter von Normal- und Notstromquelle miteinander verbunden, allerdings nur während der Zeit der Umschaltung. Bei einem herkömmlichen magnetbetätigten Umschalter kann die Zeit, in der die Neutralleiter verbunden sind, kürzer sein als die Betriebszeit des Erdschlusswächters, die in der Regel zwischen sechs und 24 Zyklen liegt.
Abbildung 5 zeigt ein typisches System mit einem dreipoligen Umschalter mit überlappenden Kontakten zur Trennung der Neutralleiter. Es kann kein Fehlerstrom durch den Neutralleiter fließen, der die Erkennung eines Erdschlusses beeinträchtigen oder wirksam reduzieren würde. Außerdem kann kein unsymmetrischer Strom durch den Neutralleiter des Stromaggregats fließen, der das Ansprechverhalten des Erdschlusswächters verändern und möglicherweise eine Fehlauslösung verursachen könnte.
Der Neutralleiter der Last ist immer mit einer der beiden Stromquellen verbunden. Da der Neutralleiter beim Betrieb des Umschalters nicht kurzzeitig geöffnet wird, werden abnormale und transiente Spannungen auf ein Minimum reduziert. Außerdem gibt es keine Erosion der überlappenden Kontakte durch Lichtbogenbildung. Dies gewährleistet die Integrität der Stromübertragung und keine Erhöhung der Impedanz des Neutralleiters. Da die überlappenden Kontakte den Strom nicht unterbrechen müssen, sind die Kosten für das Hinzufügen solcher Kontakte zu einem Umschalter in der Regel geringer als die eines vierten Pols.
Diese Lösung hat mehr als einen Nachteil, der sich vor allem auf die Nachrüstung bestehender Umschalter bezieht. Erstens kann es schwierig sein, überlappende Kontakte an Umschalteinheiten mit verriegelten Leistungsschaltern anzupassen, da diese Einheiten relativ feste mechanische Konfigurationen haben. Außerdem könnte ihre langsamere Betriebsübertragungszeit zu einem einschränkenden Faktor werden. Schließlich kann es vorkommen, dass in einem Schaltschrank, in dem ein herkömmlicher Umschalter untergebracht ist, nicht genügend Platz für eine überlappende Kontaktbaugruppe vorhanden ist, oder dass der Umschaltmechanismus unzureichend ist. Dennoch hat sich die Nachrüstung eines vorhandenen Umschalters mit überlappenden Neutralleiterkontakten bei einigen Anwendungen als wirtschaftlich machbar erwiesen. Daher sollte diese Lösung nicht ohne eine gezielte Analyse als Nachrüstungsmöglichkeit abgetan werden.
Die Behandlung von Erdschlussströmen mit separat abgeleiteten Systemen hängt stark von der Anwendung, der Systemkonfiguration und natürlich den damit verbundenen Kosten ab. Um die Höhe des Fehlerstroms zu reduzieren, gibt es auch Widerstandserdungssysteme, die mit einem Erdungswiderstand, einem Trennschalter, einem Erfassungsgerät und einer Steuerung ausgestattet sind. Wenn der Nullleiter nicht verfügbar ist, kann das Paket auch eine Transformatorbank zur Ableitung des Nullleiters enthalten.
Industrieinteresse an GFP. Das Interesse an GFP hat über die verschiedenen Code-Zyklen hinweg nicht nachgelassen. In der Tat haben Elektrounternehmer, das Personal für die elektrische Instandhaltung von Anlagen und Elektroingenieure umfassendere und präzisere Informationen zu diesem Thema gefordert. Der Dollarwert von Anlagenverlusten, Produktionsausfällen und persönlicher Haftung im Zusammenhang mit Erdschlusslichtbögen kann schwindelerregend sein.
Trotz der effektiven und fachkundigen Anwendung herkömmlicher Überstromvorrichtungen besteht das Problem der Erdschlüsse weiterhin. Im Interesse der Sicherheit muss daher bei der Planung elektrischer Anlagen auch der Schutz vor Erdschlüssen berücksichtigt werden. Dies erfordert ein gründliches und detailliertes Verständnis der weitreichenden und komplexen Natur des Fehlerstromflusses in elektrischen Systemen.
Sidebar: Wann Sie den Neutralleiter des Stromaggregats erden und schalten sollten
Wenn der Dienst unter die Anforderungen von 230.95 fällt, sollten Sie den Neutralleiter an jeder Quelle erden und ihn dort schalten, wo der Code eine Koordination der Erdschlusserkennung vorschreibt. Wenn die Nennleistung des Netzes 1.000 A (833 kVA) oder mehr beträgt, verlangt 230.95 einen Erdschlussschutz an der Netzfreischaltung. Was aber, wenn Ihre Last wichtig genug ist, um eine alternative Stromquelle und einen Umschalter zu rechtfertigen? In diesem Fall sollten Sie den Erdschlussschutz gemäß 230.95(C), FPN Nr. 2 auf einen Abzweigschutz der zweiten Ebene erweitern.
Wenn der NEC einen Erdschlussschutz vorschreibt – und Sie eine alternative Stromquelle haben – müssen Sie den Neutralleiter umschalten. Wenn Sie einen Stromkreis mit mehr als 1.000 A haben, verlangt der NEC einen Erdschlussschutz am Hauptschalter des Stromkreises. Wenn der Nullleiter des Stromaggregats über eine feste Verbindung mit dem Nullleiter des Hauptnetzes verbunden ist und das Stromaggregat bei der Einspeisung der Last einen Erdschluss erleidet, wird der Hauptnetzschalter geöffnet. Dadurch wird der Störlichtbogen nicht vom Generator getrennt, und die Koordination geht verloren.
Wenn die Neutralleiter der beiden Quellen getrennt geerdet sind, müssen Sie den Neutralleiter der Last gemäß 230.95(C), FPN Nr. 3 auf die Quelle schalten, die die Last speist. Der Erdschlussstrom fließt nur zu der Quelle zurück, von der er ausgeht, so dass das Erdschlussschutzsystem koordiniert werden kann.
Es ist nicht immer erforderlich, den Neutralleiter des Stromaggregats separat zu erden. Wenn Sie dies jedoch tun, müssen Sie möglicherweise den Neutralleiter einer Last zusammen mit den Phasenleitern schalten, wenn Sie Lasten zwischen Stromquellen übertragen, insbesondere wenn Sie einen Erdschlussschutz verwenden. Der NEC schreibt einen Erdschlussschutz für 480/277V, 3-Phasen, 4-Draht, mit Sternschaltung und einer Stromstärke von 1.000A oder mehr vor, aber er ist optional für andere Konfigurationen, die keinen Erdschlussschutz beinhalten. Wenn jedoch der Neutralleiter eines Abzweigstromkreises zwischen den Stromquellen wechselt, sollten die Schaltmittel sicherstellen, dass der Schaltkontakt des Neutralleiters den Strom nicht unterbricht.
Wann sollte der Neutralleiter des Stromaggregats nicht geerdet werden
Einer der Gründe, den Neutralleiter des Stromaggregats nicht separat zu erden, ist die Tatsache, dass der NEC keine Erdschlusserfassung vorschreibt. Im Allgemeinen schließt eine feste Verbindung des Neutralleiters des Stromaggregats mit dem bevorzugten Serviceneutralleiter eine separate Erdung des Neutralleiters des Stromaggregats aus.
Nun ist es möglich, den Neutralleiter des Stromaggregats von Stromsystemen, die nicht unter 250.20(B) fallen, zu erden, indem man ihn mit dem bevorzugten Serviceneutralleiter der Quelle verbindet. Bei dreiphasigen, 4-adrigen 480/277-V-Netzen mit Sternpunktanschluss und einer Nennleistung von weniger als 1.000 A (833 kVA) können Sie den Neutralleiter des Generators direkt an den bevorzugten Neutralleiter des Netzes anschließen. Sie können den Neutralleiter des Aggregats auch direkt an den bevorzugten Neutralleiter des Netzes für alle 208/120V, 3-Phasen, 4-Leiter, mit Kabel angeschlossenen Stromsysteme anschließen.
Mit der zunehmenden Stromknappheit und Telearbeit steigt auch die Zahl der Wohnungen mit Notstromaggregaten. Der Erdungsstift dieser Steckdosen ist mit dem Rahmen des Stromaggregats verbunden, der wiederum mit dem Nullpunkt der Stromaggregatwicklung verbunden ist. Folglich führt jeder Fehler oder unbeabsichtigte Strompfad zwischen dem Rahmen und einem Phasenleiter zur Abschaltung der Steckdose. Wenn die Gebäudeverkabelung an das Stromaggregat angeschlossen ist, wird der Neutralleiter effektiv geerdet, wenn die Neutralleiter angeschlossen sind.
Wenn es sich um einen 480/277V, 3-Phasen, 4-Leiter, mit Sternschaltung handelt – und das Stromaggregat fest installiert ist – können Sie auf die Neutralleiterschaltung verzichten. Wenn Sie einen solchen Dienst auf weniger als 833kVA begrenzen, können Sie den Neutralleiter des Stromaggregats fest mit dem Neutralleiter des Dienstes verbinden – die Klebebrücke zwischen dem Neutralleiter der Hauptschalttafel und der Erdungssammelschiene erdet den Neutralleiter des Dienstes.