Erdung bei Wechsel-/Gleichstrom?
Hallo,
Liege ich richtig bei der Vermutung, dass bei einer Erdung einer Gleichstromleitung die Elektronen „in die Erde geleitet“ werden? Wie verhält sich das ganze bei Wechselstrom? Gerade bei unseren Drehwechselstromnetzen ist oftmals die Rede von Erdungen, aber was passiert da genau bei Wechselstrom? Schließlich bewegen sich hier ja die Elektronen um einen Punkt immer hin und her im Leiter. Welchen Zweck hat denn dann eine Erdung bei Wechselstrom?
3 Antworten
Unser Versorgungsnetz ist auf unterschiedlichen Netzsystemen aufgebaut. Wir Unterscheiden also zwischen verschiedenen Netzformen:
- TT-System
- TN-System
- IT-System
Die verbreitetste Netzform ist das TN-System. Das T steht hierbei für (Terre) und bedeutet "Erde". Das N steht für (Neutre) und bedeutet soviel wie "Neutral"
Das folgende Schaltbild zeigt, wie ein solches Netzsystem aufgebaut ist:
Wir sehen ganz links die Spannungsquelle, in der Regel handelt es sich hier um eine Trafostation, die einzelnen Leitungen sind zudem entsprechend abgesichert und somit vor Überlastungen und Kurzschlüssen geschützt. Solche Transformatoren hast du mit Sicherheit schon einmal gesehen oder bist an diesen vorbei gefahren. So könnten sie aussehen:
Es handelt sich um sogenannte "YD Transformatoren". Diese 3 Phasen Transformatoren haben die Aufgabe die 10000-20000V der Mittelspannungsebene auf die Niederspannungsebene von 230V/400V herunter zu transformieren und die entsprechende Gegend elektrisch zu versorgen.
Am sogenannten "Sternpunkt" der Anlage ist nun der Neutralleiter angeschlossen und gleichzeitig wird dieser Punkt mit dem Erdpotential verbunden.
In einem TN-C-System wobei das C hier für (Combined) steht oder auch "Kombiniert", wird der PE und der N Leiter zusammengeführt. Das heißt dieser "PEN" Leiter hat sowohl eine Schutzfunktion als auch die Funktion eines Neutralleiters.
Die elektrische Energie wird nun über eine 4-Adrige Leitung mit den Adern:
- L1
- L2
- L3
- PEN
bis zum Verbraucher geführt. Beim Verbraucher wird nun der PEN wieder aufgetrennt in einem PE und einen N Leiter. Dies geschieht beim "Panzerkasten":
Wir sehen von unten die Zuleitung ankommen, mit Braun=L1, Schwarz=L2, Grau=L3 und Grün/Gelb=PEN.
Die einzelnen Phasen werden durch 3 NH Sicherungen z.b. 64A abgesichert und werden von oben abgegriffen. Ganz rechts sehen wir, wie sich der Grün/Gelbe PEN von unten kommend, in einen Neutralleiter=Blau und einem PE=Grün/Gelb aufteilt. Gleichzeitig geht eine weitere PE Leitung zur Potentialausgleichsschiene des Gebäudes worüber die Anlage vor Ort durch einen "Fundamenterder" zusätzlich mit dem Erdpotential verbunden wird.
Die nach oben abgehende Leitung geht nun weiter zur Hauptverteilung der Anlage und von dort dann zu den einzelnen Stromkreisen des Gebäudes.
Wir können nun folgende Spannungen abgreifen:
- Phase gegen Phase (egal welche, Phasenverschiebung ist immer 120°) = 400V
- Phase gegen N = 230V
Was hat uns jetzt aber das Auftrennen von PEN in PE und N nun gebracht? Nun zum einen hat dieser Aufbau der elektrischen Anlage den Vorteil eines möglichst geringen Widerstandswert der Erdung. Zum anderen soll der PE eine Schutzfunktion erfüllen.
Das heißt, es befindet sich in einer solchen Anlage in der Regel eine sogenannte "Fehlerstromschutzeinrichtung", welcher im Fehlerstrom Fall auslöst. Ein Fehlerstrom ist hierbei ein Strom, der einen anderen Weg nimmt als er eigentlich soll. Geplant ist ja, dass bei der Versorgung elektrischer Geräte, der Strom von der Phase, durch das Gerät und dann über den Neutralleiter (Oder umgekehrt, ist ja Wechselstrom) zurück fließt.
Nicht gewollt ist, wenn der Strom den Weg über das Erdreich oder über den PE nimmt. Es könnte z.b. sein, dass das Gehäuse eines elektrischen Gerätes metallisch ist. Ein solches Gehäuse ist dabei mit dem PE zu verbinden.
Wenn nun die Phase aufgrund eines Fehlers kontakt mit dem Gehäuse bekommt (Körperschluss), dann würde ein elektrischer Strom über PE fließen und damit über Erde. Der Stromkreis wird sowohl über den PEN als auch über das Erdpotential geschlossen, da Anlage und Trafostation geerdet sind.
Eine "Fehlerstromschutzeinrichtung" hat die Aufgabe die Anlage zu überwachen und solche Fehlerströme zu erkennen. In einem solchen Fall muss dann sofort abgeschaltet werden. Die größe des Schwellenwertes ab wann der Schalter auslöst hängt von dem "Differenzfehlerstrom" ΔI ab. Dieser ist auf FI-Schutzschaltern angegeben und beträgt z.b. 30mA. Das heißt wenn der Fehlerstrom diesen Wert überschreitet, dann schaltet die Anlage innerhalb von 400ms ab.
Es könnte ja auch sein, dass der Strom durch einen Fehler über den Menschen in den Erdreich abfließt. Gerade in diesem Fall muss die Anlage sicher abschalten.
Ein FI darf dabei nicht in einen reinen TN System verbaut werden. Es ist also notwendig PE und N zu trennen, damit der FI überhaupt eingesetzt werden darf. der N wird dabei mit den einzelnen Phasen zusammen durch den FI geführt. Sind die ausgehenden Ströme gleich der eingehenden Ströme ist alles gut. Sobald der Unterschied zwischen eingehenden Strom und ausgehenden Strom größer 30mA löst die Anlage aus.
Das ist jetzt natürlich nur ein Beispiel wie ein solches Netz aufgebaut sein kann. Natürlich unterscheidet sich der Aufbau von Netzform zu Netzform. Das heißt der Strom fließt nicht über die Erde weil wir hier z.b. sowas wie ein Elektronenmangel hat, sondern weil Anlage und Trafostation mit dem Erdpotential verbunden sind und sich hier entsprechend der Stromkreis schließen kann.
Bei der Erdung fließt nichts permanent in die Erde ab. Die Erdung wird angeschlossen, sollte durch irgend einen Defekt ein Isolationsfehler entstehen. Das dient zum Selbstschutz und sorgt, dass bei einem solchen defekt die el. Energie in den Boden geht und ein entsprechendes Schutzorgan die Anlage abschaltet.
Dass "bei einer Erdung einer Gleichstromleitung die Elektronen in die Erde geleitet werden", ist ziemlich missverständlich.
Zunächst hat die Funktion der Erdung mit der Stromart (Gleichstrom oder Wechselstrom) grundsätzlich so wenig zu tun wie mit dem Wochentag. Du dichtest hier der Stromart ähnliche Eigenschaften an wie bei der Frage nach dem offenen Stromkreis hier an anderer Stelle.
Weiterhin ist es belanglos, ob bei einer Erdleitung wie bei jedem anderen Leiter Elektronen zur Erde hin fließen, in Gegenrichtung oder wechselweise in beide Richtungen bei Wechselstrom.
Die Elektronen verschwinden auch nicht einfach in der Erde. Der Erdkörper kann wie jeder beliebige elektrische Leiter in einen Stromkreis eingebunden werden. Dazu braucht man in jedem Falle zwei Erdleitungen, um einen Stromkreis zu schließen. Über eine einzige Erdleitung lässt sich kein Stromkreis schließen, da fließt also auch kein Strom.
Bei unserem öffentlichen Wechselstrom-Versorgungsnetz liegt in Bezug auf den Erdkörper ein technischer Sonderfall vor: Hier ist an der Transformatorenstation des Ortsnetzes einer der beiden Wechselstromleiter ("Mittelpunktleiter", "Neutralleiter" oder "Nullleiter" genannt) geerdet. Der andere ("Außenleiter" oder "Phase" genannt) führt deshalb immer eine Spannung von 230 V gegen Erde ("Strangspannung"). Wird nun die Phase (gewöhnlich über einen Verbraucher) an nur einer Stelle mit der Erde verbunden, dann wird ein Stromkreis geschlossen: Die zweite Erdleitung ist ja bereits an der Trafostation installiert.
Alles klar soweit, oder noch Fragen dazu?