Berührungsspannungen-Schutz von indirekten Kontakten

INHALTSVERZEICHNIS

WAS IST EIN INDIREKTER KONTAKT?

INDIREKTER KONTAKT

Kontakt mit einem leitfähigen Teil eines Geräts oder einer Masse, das/die normalerweise spannungsfrei und geerdet ist, jedoch aufgrund eines Defekts der inneren Isolierung unter Spannung gesetzt wird (IEC 60050).

Mit anderen Worten: Ein Versagen der Isolierung eines Bauteils erzeugt einen Fehlerstrom If (siehe Artikel zur Berechnung von Kurzschlussströmen), der die Masse des fehlerhaften Geräts auf ein Potenzial bringt, das vom Fehlerstromkreis abhängt. Wenn eine Person oder ein Tier mit dieser Masse in Berührung kommt, besteht die Gefahr einer Elektrisierung oder eines Stromschlags.

Spannung, die an der fehlerhaften Masse auftritt, wird wie folgt definiert:

Angenommene Berührungsspannung: Die Spannung, die zwischen gleichzeitig zugänglichen leitfähigen Teilen auftritt, wenn diese leitfähigen Teile nicht von einer Person oder einem Tier berührt werden (IEC 60050).
Tatsächliche Berührungsspannung: Die Spannung zwischen leitenden Teilen, wenn sie gleichzeitig von einer Person oder einem Tier berührt werden (IEC 60050).

In der Praxis wird die Berührungsspannung zwischen der fehlerhaften Masse und der Erde berechnet, da Fälle von indirektem Kontakt zwischen zwei gleichzeitig fehlerhaften Massen die Ausnahme sind. Die tatsächliche Berührungsspannung ist immer niedriger als die angenommene Berührungsspannung, da die Impedanz der Person oder des Tier, die/das indirekt berührt wird, die Fehlerschleife verändert. In den folgenden Erläuterungen bezieht sich der Begriff „Berührungsspannung“ (Uc) auf die angenommene Berührungsspannung.

Die konventionelle Berührungsgrenzspannung (oder Sicherheitsgrenzspannung) wird auch wie folgt definiert:

Konventionelle Berührungsgrenzspannung (UL): Der Wert der angenommenen Berührungsspannung, der unter bestimmten äußeren Einflüssen unbegrenzt aufrechterhalten werden kann (IEC 60050).

In Frankreich gilt für Niederspannungen eine Sicherheitsgrenzspannung von:

50 V bei Wechselstrom
120 V bei geglättetem Gleichstrom

Hierbei handelt es sich um die maximal zulässige Berührungsspannung für 5 Sekunden.

DER SCHUTZ VOR INDIREKTEN KONTAKTEN

Es gibt verschiedene Schutzmaßnahmen gegen indirekte Kontakte:

Schutzmaßnahme durch automatische Abschaltung der Stromversorgung
Schutzmaßnahme durch doppelte oder verstärkte Isolierung
Schutzmaßnahme durch elektrische Trennung bei der Versorgung eines einzelnen Geräts
Schutzmaßnahme durch extreme Niederspannung

Schutzmaßnahme durch automatische Abschaltung der Stromversorgung

Diese Schutzmaßnahme beruht auf der Kombination von zwei Bedingungen:

Das Vorhandensein eines Stromkreises (als “Fehlerschleife” bezeichnet), durch den der Fehlerstrom fließen kann. Der Aufbau dieser Fehlerschleife hängt vom Schema der Erdungsverbindungen ab (TN, TT oder IT). Diese Bedingung setzt voraus, dass Schutzleiter verlegt werden, die die Massen aller von der Anlage versorgten elektrischen Geräte so verbinden, dass die Fehlerschleife zustande kommt.
Abschaltung des Fehlerstroms durch eine geeignete Schutzeinrichtung innerhalb einer Zeit, die von bestimmten Parametern abhängt, wie der Berührungsspannung, der eine Person ausgesetzt sein kann, der Wahrscheinlichkeit von Fehlern und der Wahrscheinlichkeit des Kontakts mit fehlerhaften Teilen. Die Bestimmung der Ausschaltzeit basiert auf der Kenntnis der Auswirkungen des elektrischen Stroms auf den menschlichen Körper und der Bedingungen äußerer Einflüsse. Diese Bedingung setzt das Vorhandensein einer automatischen Trennvorrichtung voraus, deren Eigenschaften nach dem TT-, TN- oder IT-Erdungsschema festgelegt sind.

Schema der TT-Erdverbindungen

In diesem Schema ist es nicht möglich, den Fehlerstrom im Voraus festzulegen. Das bedeutet, dass die Schutzeinrichtung eine Differenzialschutzeinrichtung mit folgender Bedingung sein muss:

𝑅_𝐴 × 𝐼Δ𝑛 ≤ 50 𝑉

mit

R_A: Widerstand des Erdungsanschlusses der Massen
IΔn: Bemessungsdifferenzstrom der Schutzeinrichtung

Schema der TN-Erdverbindungen

In diesem Schema ist es möglich, den Fehlerstrom zu berechnen, da die Fehlerschleife nur aktive Leiter und Schutzleiter umfasst. Die Bedingung ist, dass der Strom, der die Funktionsfähigkeit der Trennvorrichtung sicherstellt, kleiner als der berechnete Mindestfehlerstrom ist.

Bei den Schutzvorrichtungen kann es sich um Überstromschutzvorrichtungen (Sicherungen oder Leistungsschalter) oder Fehlerstromschutzvorrichtungen handeln (außer bei TN-C).

Schema der IT-Erdverbindungen

In diesem Schema ist die Installation von der Erde isoliert oder über eine hohe Impedanz mit der Erde verbunden. Bei einem Isolationsfehler in einem aktiven Leiter ist der Fehlerstrom gering und eine automatische Abschaltung ist nicht erforderlich, wenn die folgende Bedingung erfüllt ist:

𝑅_𝐴 × 𝐼𝑓≤ 50 𝑉 (bei Wechselstrom)
𝑅_𝐴 × 𝐼𝑓≤ 120 𝑉 (bei Gleichstrom)

mit

R_A: Widerstand der Erdungsmasse
I_f: ist der Fehlerstrom bei einem ersten eindeutigen Fehler zwischen einem Phasenleiter und einer Masse. Der Wert von I_f berücksichtigt die Leckströme und die gesamte Erdungsimpedanz der elektrischen Anlage.

R_A x I_f: angenommene Berührungsspannung

Wenn ein zweiter Fehler auftritt, gelten die Bedingungen des TN-Schemas: Der Strom, der das Schaltgerät in Betrieb hält, muss kleiner sein als der berechnete minimale Doppelfehlerstrom.

Bestimmung der maximalen Ausschaltzeit Die Gefahr eines indirekten Kontakts hängt von dem Strom ab, der durch den menschlichen Körper fließen kann, und somit von der angenommenen Berührungsspannung sowie von dessen Expositionsdauer. Es muss daher geprüft werden, ob die Einschaltdauer des Schaltgeräts nicht zu schädlichen Auswirkungen führt. Internationale Studien über die Auswirkungen von elektrischem Strom auf den menschlichen Körper haben zur Einführung von maximalen Abschaltzeiten geführt, die von der einfachen Netzspannung, dem Erdungsschema und der Art des Stromkreises abhängen. Die Norm IEC 60364-4-41 legt in der folgenden Tabelle die maximalen Abschaltzeiten (in s) fest, die für Endstromkreise mit dem folgenden maximalen Bemessungsstromwert gelten sollten:

63 A mit einer oder mehreren Steckdosen und
32 A, die nur ein fest angeschlossenes Betriebsmittel versorgen

Die Norm IEC 60364-4-41 spezifiziert, dass diese Ausschaltzeiten für alle Endstromkreise gelten. Für andere Stromkreise ist eine Ausschaltzeit von nicht mehr als 5 Sekunden für TN und nicht mehr als 1 Sekunde für TT zulässig. In IT-Diagrammen gelten im Falle eines zweiten Fehlers die Bedingungen des TN-Diagramms.

Schutzmaßnahme durch doppelte oder verstärkte Isolierung

Die doppelte oder verstärkte Isolierung ist eine Schutzmaßnahme, bei der:

der Hauptschutz durch eine Hauptisolierung gewährleistet wird; und der Schutz bei einem Isolationsfehler durch eine zusätzliche Isolierung gewährleistet wird, oder
der Hauptschutz und der Schutz bei einem Isolationsfehler durch eine verstärkte Isolierung zwischen den aktiven und den zugänglichen Teilen gewährleistet wird.

In den meisten Fällen handelt es sich bei den verwendeten elektrischen Betriebsmitteln um Geräte der Klasse II, d. h. sie müssen den folgenden Typen angehören, Typenprüfungen durchlaufen haben und nach den für sie geltenden Vorschriften gekennzeichnet worden sein:

Betriebsmittel mit doppelter oder verstärkter Isolierung (Betriebsmittel der Klasse II);
Baugruppen, die in den Produktnormen als gleichwertig mit Klasse II deklariert sind, werkseitig hergestellt wurden und eine vollständige Isolierung besitzen.

Diese Materialien sind mit dem Symbol versehen. Mit Ausnahme von in der Norm aufgeführten Sonderfällen müssen Stromkreise, die Geräte der Klasse II versorgen, entlang ihres gesamten Verlaufs einen Schutzleiter mit einer Verbindung am Leitungsende und an jedem Zubehörteil aufweisen.

Schutzmaßnahme durch elektrische Trennung bei der Versorgung eines einzelnen Betriebsmittels

Die elektrische Trennung ist eine Schutzmaßnahme, bei der der Schutz im Fehlerfall durch eine Schutztrennung zwischen dem getrennten Stromkreis und den anderen Stromkreisen und der Erde gewährleistet wird. Der getrennte Stromkreis muss über eine einfach trennende Quelle gespeist werden, und die Spannung des getrennten Stromkreises darf 500 V nicht überschreiten. Die aktiven Teile des getrennten Stromkreises dürfen keine Verbindungspunkte mit einem anderen Stromkreis oder mit der Erde haben. Die Massen des getrennten Stromkreises dürfen weder mit dem Schutzleiter, noch mit den Massen anderer Stromkreise oder mit der Erde verbunden sein.

Schutzmaßnahme durch extreme Niederspannung

Der Schutz durch Niederspannung ist eine Schutzmaßnahme, die aus zwei verschiedenen Arten von Kleinspannungsstromkreisen besteht:

SELV: Sicherheitskleinspannung
PELV: Schutz-Kleinspannung

Bei denen der Schutz durch folgende Maßnahmen gewährleistet wird:

einer Begrenzung der SELV- oder PELV-Spannung auf die Obergrenze des Spannungsbereichs I: 50 V Wechselstrom und 120 V Gleichstrom,
eine Schutztrennung zwischen SELV- oder PELV-Schaltungen und allen anderen Schaltungen außer SELV oder PELV sowie eine Hauptisolierung zwischen SELV- und PELV-Schaltungen und anderen SELV- oder PELV -Schaltungen,
nur bei SELV-Stromkreisen eine Hauptisolierung zwischen dem SELV-Stromkreis und der Erde.

Für die Umsetzung dieser Schutzmaßnahme sind die entsprechenden Abschnitte der Normen (IEC 60364-4-41 §414) zu beachten.

DURCHFÜHRUNG DER KONTROLLEN MIT ELEC CALC™

Verwaltung der Berührungsspannungen

elec calc™ prüft, ob die Betriebszeit der Schutzvorrichtungen unterhalb eines bestimmten Wertes bleibt, der von der Berührungsspannung abhängt. Diese Berührungsspannung ist die Spannung, die im Falle eines Phasen-/Massefehlers zwischen der Masse eines Geräts und der Erde entstehen kann. Sie wird daher aus dem Phase/Erde-Kurzschlussstrom I_f berechnet.

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