Whitepaper zum Thema Differenzstrom-Überwachung

Applikationsbericht AN1029/V01

Universalwerkzeug Differenzstrom-Überwachung: Mehr Sicherheit, mehr Anlagenverfügbarkeit, weniger Brandgefahr

Für die wiederkehrende Prüfung ortsfester elektrischer Anlagen nach DGUV 3 ist eine Isolationsmessung erforderlich, für die die Anlage abgeschaltet werden muss. Produktionsabläufe und Verwaltungsabläufe werden unterbrochen. Dies erfordert einen erhöhten Aufwand und häufig erhebliche Kosten. Um dies zu vermeiden, bieten die Normen eine Alternative: die kontinuierliche Differenzstrommessung, mit der sich zudem Fehler schneller lokalisieren lassen. Mit einer kontinuierlichen RCM Überwachung kann eine Abschaltung vermieden und der Prüfaufwand minimiert werden. Es findet eine permanente Überprüfung der Anlage statt, wodurch Fehler sofort erkannt werden. Eine konventionelle Widerholungsprüfung kann das nicht gewährleisten. Fehler werden oft erst nach Jahren aufgedeckt.

Hochautomatisierte Fertigungsanlagen, Rechenzentren aber auch Anlagen mit kontinuierlichen Prozessen (z. B. Lebensmittel, Kabelfabriken, Papierfertigung) erfordern eine zuverlässige Stromversorgung – oft sogar Hochverfügbarkeit, d.h. eine Verfügbarkeit von mindestens 99,9%, häufig sogar 99,9999 %. Hört sich eine 99%ige Verfügbarkeit recht gut an, so muss doch bedacht werden, dass man hier mit einer Ausfallzeit von 87,7 Stunden rechnen muss im Vergleich zu 0,53 Minuten bei „six nines“ (99,9999 %). Die vielen Server, Automatisierungssysteme,Aufzüge,Sicherheitssysteme, Kommunikationseinrichtungen, Speichermedien und Netzwerkkomponenten tolerieren in der Regel keine Spannungsunterbrechungen oder Unterspannungen > 10ms.

Grundvoraussetzung für alle weiterführenden Maßnahmen ist eine zuverlässige Installation. TN-S-Systeme sind Stand der Technik und in den meisten kritischen Anwendungen ohnehin vorgeschrieben. Im Gegensatz zu den früher üblichen TN-C-Systemen weisen sie z. B. günstige EMV-Eigenschaften auf.

Außerdem ermöglichen sie eine Differenzstromüberwachung (Residual Current Monitoring, kurz RCM), wie in Bild 1 illustriert.

Bild 1: Moderne TN-S-Systeme weisen günstigere EMV-Eigenschaften auf als die altenTN-C-Systeme.
Bild 1: Moderne TN-S-Systeme weisen günstigere EMV-Eigenschaften auf als die altenTN-C-Systeme.

RCM-Messgeräte wie UMG 96RM-E / UMG 509-PRO / UMG 512-PRO / UMG 20CM von Janitza sind zur Überwachung von Wechselströmen, pulsierenden Gleichströmen gemäß IEC/TR 60755 (2008-01) geeignet und können zur permanenten Überprüfung von Fehlerströmen in TN-S-Systemen eingesetzt werden.

Mit einem flächendeckenden RCM-System sind Fehler in TN-S-Systemen direkt lokalisiert. So kann der Anwender reagieren, bevor ein kritischer Level erreicht wird. Auch können Abschaltungen durch Fehlstromschutzschalter (RCD) vermieden werden. Dies gilt vor allem für schleichend steigende Differenzströme (z. B. ausgelöst durch Isolationsfehler), zu hohe Betriebsströme oder anderweitige Überlastungen von Anlagenteilen oder Verbrauchern (Bild 2).

RCM – Die Funktionsweise

Die grundsätzliche Funktionsweise des Differenzstromprinzips wird in Bild 3 dargestellt. So werden durch den Summenstromwandler die Phase und der Neutralleiter des zu schützenden Abgangs geführt, der Schutzleiter ist ausgenommen. Das Bild zeigt der besseren Übersicht wegen eine stark vereinfachte Schaltung. In der Praxis laufen alle drei Phasen und der Neutralleiter durch den Summenstromwandler.

Bei Systemen ohne Neutralleiter zum Beispiel bei geregelten Antrieben laufen nur die drei Phasen durch den Summenstromwandler. Im fehlerfreien Zustand der Anlage ist der Summenstrom Null oder nahe Null (im tolerierbaren Bereich), so dass der im Sekundärkreis induzierte Strom ebenfalls Null oder nahe Null ist. Fließt hingegen im Fehlerfall ein Fehlerstrom gegen Erde ab, verursacht die Stromdifferenz im Sekundärkreis einen Strom, der vom RCM-Messgerät erfasst und ausgewertet wird (Bild 4).

Moderne RCM-Messgeräte lassen dabei unterschiedliche Grenzwerteinstellungen zu (Bild 5). Ein statischer Grenzwert hat den Nachteil, dass er entweder bei Teillast zu groß, oder bei Volllast zu klein ist, d.h. es findet entweder kein ausreichender Schutz statt oder es kommt zu Fehlalarmen, die sich auf Dauer negativ auf die Aufmerksamkeit des Überwachungspersonals auswirken können. Aus diesem Grund ist es empfehlenswert, RCM-Messgeräte mit dynamischer Grenzwertbildung zu verwenden. In diesem Fall wird der FehlerstromGrenzwert auf Basis der aktuellen Lastverhältnisse gebildet und ist damit optimal auf die jeweils vorliegende Last angepasst (Bild 6).

Durch Parametrieren (d.h. Festlegen des typischen Fehlerstromes in “GUT“-Zustand) der Anlage im Neuzustand und das kontinuierliche Monitoring sind alle Veränderungen des Anlagenzustandes ab Inbetriebnahme-Zeitpunkt erkennbar. Hiermit können auch schleichende Fehlerströme erkannt werden. Anhand historischer Verläufe der Last und des Ableitstroms kann der “GUT“-Zustand ermittelt und ein sinnvoller Fehlerstromgrenzwert bestimmt werden. Integrierte Speicher der Messgeräte und überlagerte SCADA Systeme oder die Energiedatenerfassungssoftware GridVis® ermöglichen zeitliche Aussagen und Analysen.

RCM in der Praxis

Es würde den Rahmen des Beitrags sprengen, alle Normen und Vorschriften aufzuzählen, die im Zusammenhang mit RCM entstanden sind. Einige Faustregeln geben jedoch Anhaltspunkte: So sollte man bei Einzelstromkreisen weiterhin mit festen Grenzwerten wie 30 mA arbeiten oder beim Ziel Brandschutz 300 mA. Bei Frequenzumformern sollten die maximalen Ableitströme aus den Datenblättern hinzugezogen werden. Grundsätzlich gilt: Grenzwerte sind Erfahrungswerte und je nach Art der Verbraucher festzulegen. Eine Orientierungshilfe bieten Werke wie die EMV-Fibel von Wilhelm Rudolph (Bild 7).

Zu beachten ist auch die Wahl der richtigen Fehlerstromerfassungstechnik. Die Tabelle in Bild 8 gibt eine Übersicht.

Herausforderung Hochverfügbarkeit

Eine typische Anwendung für RCM-Systeme sind Rechenzentren. EDV-Technik an sich stellt bereits hohe Ansprüche an die Versorgung, oft sogar Hochverfügbarkeit, d.h. eine Verfügbarkeit von mindestens 99,9 %. Besonders kritisch sind jedoch Anwendungen, in denen ein Datenverlust einfach nicht vorkommen darf. So schreibt die BITKOM in Ihrem Leitfaden “Betriebssichere Rechenzentren“ wie folgt: „In Rechenzentren werden höchste Verfügbarkeitsanforderungen gestellt.

Entsprechend ist die Energieversorgung nachhaltig sicherzustellen. Geradezu selbstverständlich ist die Forderung, dass die Stromversorgung des Rechenzentrums selbst und aller Bereiche im gleichen Gebäude, zu denen Datenkabel laufen, als TN-S-System ausgeführt sein muss. Unbedingt nötig für den sicheren Betrieb ist eine permanente Selbstüberwachung eines “sauberen“ TN-S-Systems und die Aufschaltung der Meldungen an eine ständig besetzte Stelle, z. B. an die Leitzentrale. Die Elektrofachkraft erkennt dann über entsprechende Meldungen den Handlungsbedarf und kann durch gezielte Servicemaßnahmen Schäden vermeiden.“ Mit der Janitza-Komplettlösung lässt sich das Sicherheitskriterium “RCM-Fehlerstromüberwachung“ eines derartigen EMV-optimierten TN-S-Systems realisieren (Bild 9). 

Prüfkosten senken mit RCM

RCMs sorgen nicht nur für höchste Sicherheit, sie helfen auch Kosten zu senken. Wiederkehrende Prüfungen wie sie z. B. die DGUV V3 „Elektrische Anlagen und Betriebsmittel“vorschreibt,sindzeitraubendunddamit teuer.RCM-ÜberwachungssystemereduzierenPrüfkosten und sparen Zeit und sorgen trotzdem für mehr Sicherheit. Ortsfeste elektrische Anlagen und Betriebsmittel gelten nämlich als ständig überwacht, wenn sie kontinuierlich von Elektrofachkräften instand gehalten und durch messtechnische Maßnahmen im Rahmen des Betreibens (z. B. Überwachen des Isolationswiderstandes) geprüft werden. Durch eine kontinuierliche RCM-Messung können Überwachungssysteme die geforderte kontinuierliche Prüfung sicherstellen.

Neuer Normentwurf für wiederkehrende Prüfung DIN VDE 0100-600:2015-05, Errichten von Nieder- spannungsanlagen – Teil 6: Prüfungen

Auszug: 6.5.1.2 Die wiederkehrende Prüfung ... „Wenn ein Stromkreis dauernd durch eine RCM nach IEV 62020 oder eine IMD nach IEC 61557-8 überwacht wird, ist es nicht notwendig, den Isolationswiderstand zu messen. Die Funktion der RCM oder IMD muss durch Betätigen der Prüftaste geprüft werden.“

Einsparpotentiale:

  • Reduzierung der Prüfkosten durch Wegfall der Isolationsmessung
  • Vermeidung der Abschaltung der Anlage ermöglicht den ständigen Betrieb
  • Keine Abschaltung von sensiblen Verbraucher, die durch eine hohe Prüfspannung beschädigt werden könnten
  • Kein hoher Personalaufwand und Verwaltungsaufwand wegen Abschaltungen
  • Permanente Überprüfung auf Fehlerströme = Verbesserung der EMV und Minimierung von Störungen auf Steuerungen und Datenleitungen

Unter bestimmten Voraussetzungen kann mit einer kontinuierlichen RCM-Überwachung auch RCDs umgangen werden. Diese sind:

  • Aufschaltung der Meldung und sofortige Reaktion im Fehlerfall
  • Funktionsprüfung der Meldeeinrichtungen
  • Elektrofachkraft vor Ort
  • Steckdosen nicht für Laien zugänglich

Grundsätzlich gilt: Differenzstrom-Überwachungsgeräte (RCMs) sind keine Schutzeinrichtungen, sie dürfen jedoch verwendet werden, um Differenzströme in elektrischen Anlagen zu überwachen. DifferenzstromÜberwachungsgeräte (RCMs) lösen ein hörbares oder ein hörund sichtbares Signal aus, wenn der vorgewählte Wert des Differenzstroms überschritten ist.

(Siehe: VDE 0100-410 415.1 und 411.3.3 / VDS2349 und 2046 / TRBS1201 / DGUV V3 / Neuer Normenentwurf für wiederkehrende Prüfungen DIN VDE 0100-600:2015-05 / IEC CDV 60364-6)

Besonders erwähnenswert ist, dass durch RCM die kostenintensive Messung von Isolationswiderständen zumindest teilweise entbehrlich wird und eine kontinuierliche Prüfung der Isolationsbeschaffenheit stattfindet. Für die konventionelle Isolationsmessung muss die ortsfeste Anlage und der Verbraucher abgeschaltet werden. Zusätzlich besteht die Gefahr, dass durch die hohe Prüfspannung der Isolationsmessung sensible elektronische Bauteile beschädigt werden.

Die Prüfschärfe und der Umfang kann durch eine kontinuierliche Überwachung erheblich reduziert werden. Dies muss allerdings anwendungsspezifisch festgelegt sein. Die Abnahme und Risikobewertung eines Sachverständigen oder der Berufsgenossenschaft, für eine gesamtheitliche RCM-Überwachung, ist empfehlenswert aber nicht verpflichtend.

Ausdrücklich sei an dieser Stelle erwähnt, dass folgende Arbeiten trotz kontinuierlicher RCM-Messung durchzuführen sind:

  • Sichtprüfung auf äußerlich erkennbare Mängel
  • Schutzmaßnahmen und Abschaltbedingungen
  • Schleifenwiderstände und Prüfung der Durchgängigkeit von Schutzleitern
  • Funktionsprüfungen

Verband der Sachversicherer fordert RCM

Der VdS äußert sich zum Thema Stromversorgungssysteme wie folgt: „Bei Stromversorgungssystemen mit PEN-Leiter fließen im gesamten Erdungsund Potentialausgleichssystem betriebsbedingte Ströme, die Schäden verursachen können (siehe Abschnitt 3.3). Für neu zu errichtende elektrische Anlagen sind deshalb TNals TN-S-Systeme zu planen. Für bestehende TNC-Systeme wird die Umrüstung auf ein TN-S-Systeme empfohlen. TN-S-Systeme sind möglichst ab der Einspeisung (Übergabestelle) zu realisieren.

Um die Funktionsfähigkeit eines TN-S-Systems auch auf Dauer zu gewährleisten (kein Leiterschluss zwischen Nund PE-Leiter, Vertauschen von Nund PE-Leiter), ist dieses durch eine Differenzstrom-Meldeeinrichtung (RCM) zu überwachen.

Wenn der eingestellte Ansprechwert erreicht wird, muss eine wahrnehmbare optische und akustische Fehlermeldung erfolgen, damit die Mängel sofort beseitigt werden können. Damit die Meldung erfolgreich ist, sollte sie ggf. an einer besetzten Stelle aufgeschaltet werden. Wird auf eine Aufschaltung verzichtet, ist die zwangsläufige Abschaltung des fehlerhaften Stromkreises erforderlich ...“

Planung einer Fehlerstromüberwachung

Die Planung lässt sich grob in folgende Schritte gliedern:

  • Risikoeinschätzung
  • Messpunkte festlegen (Bei Fehlerströmen müssen Fehlerquellen schnell lokalisiert werden können)
  • Verteilungen messbar aufbauen
  • ZEP und Prüfstellen deutlich erkennbar beschriften
  • Grenzwerte festlegen, dokumentieren und einstellen
  • Zwei autarke Meldewege festlegen (Meldung vor Ort, Meldung in ständig besetzter Leitzentrale)
  • Meldewege durch Einprägen von Fehlern testen (Funktionsprüfung)
  • Personal vor Ort ausbilden (Aktionen im Fehlerfall)
  • Abnahme vom SV ist empfehlenswert
Bild 10: Eine umfassende RCM-Überwachung der Stromversorgung erfolgt auf allen Ebenen: vom ZEP und überwachungsbedürftigen Abgänge in der NSHV, Unterverteilungen, bis hin zu einzelnen kritischen Lasten.
Bild 10: Eine umfassende RCM-Überwachung der Stromversorgung erfolgt auf allen Ebenen: vom ZEP und überwachungsbedürftigen Abgänge in der NSHV, Unterverteilungen, bis hin zu einzelnen kritischen Lasten.

Zusammenfassung und Ausblick

Eine umfassende RCM-Überwachung der Stromversorgung erfolgt auf allen Ebenen: vom ZEP und überwachungsbedürftigen Abgänge in der NSHV, Unterverteilungen, bis hin zu einzelnen kritischen Lasten (Bild 10).

RCM ist jedoch eine Überwachungsmaßnahme, um eine zuverlässige Energieversorgung sicherzustellen. Hierfür hat Janitza seine Baureihen UMG 512-PRO (Bild 11), UMG 96RM-E und UMG 20CM. Zusammen mit der Energiedatenerfassungssoftware GridVis® und dem integrierten Alarmmanagement vereinen sie Lösungen für drei Bereiche in einer gemeinsamen Systemumgebung und nur einem Messgerät je Messstelle:

  • Energiemanagement nach ISO 50001 (Erfassen von V, A, Hz, kWh, kW, kVArh, kvar ...)
  • Spannungsqualitäts-Überwachung (Oberschwingungen, Flicker, Spannungseinbrüche, Transienten ...)
  • Differenzstrommessung RCM

Diese Bündelung der drei unterschiedlichen Funktionen in einem einzigen Messgerät hat den großen Vorteil, dass sowohl die Montage und Installation als auch die restliche Infrastruktur (Stromwandler, Kommunikationsleitungen und -einrichtungen, Datenbank, Software, Analyse-Tools und Reporting-Software ...) nur ein einziges Mal benötigt wird. Ferner sind alle Daten zentral in einer Datenbank erfasst und lassen sich bequem mit nur einer Software verarbeiten, was wiederum die Akzeptanz beim Anwender deutlich steigert.

Artikelautor

Gerald Fritzen

Gerald Fritzen Keyaccount Manager
Rechenzentren
+49 5234 2041439 (Telefon)

Quellenangaben:

  • VDS (Verband der Sachversicherer)
  • DIN VDE Normen
  • BG: DGUV Vorschrift 3 Elektrische Anlagen und Betriebsmittel (BGV A 3)
  • ((Bildquelle)) Janitza electronics GmbH

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