Erdableitströme, Differenzströme im Rechenzentrum Kein-FI-Schalter! Darauf kommt es bei der Stromüberwachung an

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Welches sind die Ursachen von Erdableitströmen beziehungsweise von Differenzströmen, was ist das überhaupt, und wie lassen sie sich überwachen. Socomec stellt solche Überwachunsgeräte her und gibt einen Einblick in die Installation einer solchen Anlage und deren Vorteile.

Bei vielen kritischen Anwendungen hat die durchgehende Betriebsfähigkeit höchste Priorität, beispielsweise bei Produktionslinien, deren Betrieb nicht unterbrochen werden darf oder bei Rechenzentren, wo ein Verlust oder eine Beschädigung der Daten droht. Ein Verlust der Betriebsfähigkeit kann katastrophale Auswirkungen haben und hohe Investitions- und Wiederherstellungskosten sowie Qualitätsprobleme nach sich ziehen.

Insbesondere bei TN-S- oder TT-Systemen ist es wichtig, die Risiken, die mit dem Auslösen einer Schutzeinrichtung verbunden sind, im Blick zu haben. Unterstützung hierbei leistet eine durchgehende Überwachung der Erdableitströme. Diese Aufgabe übernehmen Differenzstromüberwachungseinrichtungen, auch kurz als 'RCMs' - Residual Current Monitoring Devices - bekannt.

Was ist ein Differenzstrom?

Differenzstrom

Wenn ein Differenzstrom IΔ durch den PE-Leiter oder anderweitig fließt, ist die vektorielle Summe aller Ströme auf den Außen- und Neutralleitern nicht mehr gleich Null. Dieser Differenzstrom IΔ wird auch als "Leckstrom" bezeichnet.

Dieser wird mit einem Differenzstromwandler gemessen, der alle Außen- und Neutralleiter umschließt.

Ursachen von Differenzströmen

Differenzströme treten grundsätzlich in allen elektrischen Anlagen auf, da jede Last einen durchschnittlichen Differenzstrom von wenigen mA aufweist, verursacht durch:

• ungenügende Isolation durch mechanische Schäden an der Verkabelung,

• verringerte Isolierungswiderstände durch Feuchtigkeit oder Staub,

• Schwächung der Kabelisolation durch Überhitzung.

Eine jede solche Veränderung der Isolationseigenschaften senkt den Widerstand des Isolationsmaterials und führt zwangsläufig zu einem Anstieg der Differenzströme. Wenn diese einen bestimmten Wert übersteigen, können sie Störungen im elektrischen System verursachen. In diesen Fällen sprechen wir von Fehlerströmen.

Solche Fehlerströme können Ereignisse auslösen, die sowohl die technische Sicherheit der Anlage beeinträchtigen und eine Brandgefahr darstellen als auch die Sicherheit von Personen durch mögliche Stromschläge gefährden können.

Empfehlungen für die Auswahl einer RCM

1. Fehlerströme rechtzeitig mit einer RCM vorhersehen: Eine RCM wird in Anlagen eingesetzt, deren Betriebsfähigkeit auf keinen Fall unterbrochen werden darf. Dazu muss der im Laufe der Zeit ansteigende Differenzstrom, der sich irgendwann zu einem Fehlerstrom entwickelt und zum Auslösen des Fehlerstromschutzes führt, durchgehend überwacht werden. Diese Gefahr kann dann rechtzeitig erkannt und durch entsprechende Maßnahmen abgewendet werden.

Die Überwachung

Die Überwachung des Differenzstroms übernimmt die RCM.

Eine RCM funktioniert somit wie folgt: Die RCM misst die Differenzströme mit einem Differenzstromwandler. Wenn der Differenzstrom einen bei der Installation festgelegten Schwellenwert überschreitet, löst die RCM eine Warnung aus.

2. Anwendungen, die eine RCM erfordern : Wie oben beschrieben, warnt eine RCM bei einem Anstieg des Differenzstroms, bevor sich daraus ein möglicher Fehlerstrom entwickelt. Durch rechtzeitige Maßnahmen lässt sich so das Auslösen von Fehlerstromschutzeinrichtungen verhindern.

In Anlagen ohne Fehlerstromschutzeinrichtungen ermöglicht die RCM einen passiven Schutz durch die Warnung vor gefährlichen Strömen (elektrischer Schlag, Feuer und Explosion). Dies ist typischerweise bei Rechenzentren der Fall, wo auf Fehlerstromschutzeinrichtungen verzichtet wird, um ungewollte Abschaltungen zu verhindern. Hier bieten sich RCMs als optimale Lösung an und leisten einen wesentlichen Beitrag zur Sicherheit von Anlagen und Personen.

RCDs werden überall dort eingesetzt, wo ein Auslösen einer Fehlerstromschutzeinrichtung eine kritische Situation herbeiführen kann:

• Industriebetriebe: Unterbrechung von Fertigungslinien,

• Rechenzentren: Verlust der Redundanz, Abschaltung von IT-Servern,

• Bereiche mit Brandgefahr,

• Infrastruktur: Unterbrechung der Versorgung,

• Öffentlicher Raum: Sicherheit von Personen.

Zusätzlich zur Warnfunktion bieten RCMs weitere Vorteile:

• Ständige und dauerhafte Messung der Fehlerströme,

• Überwachung in Echtzeit,

• Aufzeichnung von Abweichungen auf Stunden-, Tages-, Wochenbasis... zur Erkennung von Veränderungen des Differenzstroms in Abhängigkeit vom Betrieb der angeschlossenen Lasten.

Anordnung der RCM in einer TN-S-Installation

Fallbeispiel eines dreiphasigen Netzes mit dreiphasigen Lasten

Die Summe der Differenzströme in einer elektrischen Anlage ist vektoriell ( (IΔ) ⃗=(IΔ1) ⃗+(IΔ2) ⃗ ). Dabei ist in den meisten Fällen der an der Haupteinspeisung gemessene Differenzstrom ‖IΔ‖ geringer als die Summe der an den einzelnen Lasten gemessenen Differenzströme ( ‖IΔ‖ ≤‖IΔ1‖+‖IΔ2‖ ). Er ist deshalb nicht repräsentativ für den Gesamtdifferenzstrom der Anlage.

Einspeiseseitige Messung am PE-Schutzleiter

Bei manchen Installationen kann die Differenzstrommessung an der Haupteinspeisung schwierig umzusetzen sein:

• bei außergewöhnlich breiten Kupferschienen

• oder zu geringem Installationsraum.

In solchen Fällen kann es problematisch sein, mit einem Fehlerstromwandler alle Phasen umschließen zu wollen. Da die Differenzströme IΔ und IPE an der Haupteinspeisung identisch sind, kann eine mögliche Lösung sein, anstelle des Differenzstroms IΔ den im PE-Schutzleiter fließenden Strom IPE zu messen.

Regelmäßige Prüfung der RCM

Die deutsche Norm für den Betrieb von elektrischen Anlagen DIN VDE 0105-100/A1:2017-06 schreibt eine regelmäßige Prüfung der Anlage durch eine anerkannte unabhängige Stelle vor. Eine solche Prüfung kann je nach Größe der Anlage zehntausende Euro kosten.

Im Rahmen dieser Prüfung werden auch die Isolationswiderstände der Anlage geprüft. Diese Prüfung ist invasiv, und es werden hohe Spannungen von 500 VDC in die Anlage geleitet. Dies kann eine Gefahr für die Anlage und Personen darstellen.

Alternativ hierzu lässt die Norm auch den Einbau einer RCM zu. Gemäß der Norm ist bei Stromkreisen, die permanent von einer der Norm IEC 62020 entsprechenden RCM überwacht werden, keine regelmäßige Prüfung des Isolierungswiderstands erforderlich.

Die Anforderungen an RCMs sind in der Produktnorm IEC 62020-1 beschrieben, die die verschiedenen RCM-Typen unterscheidet.

Die RCM-Typen

RCM-Typ A und RCM-Typ B im Vergleich

Typ A wird für den Großteil der Lasten verwendet: Die Tabelle zeigt die unterschiedlichen Konfigurationen von Schaltnetzteilen für elektronische Geräte sowie die entsprechenden Wellenformen der Differenzströme im Fall eines Erdfehlers. Die Tabelle ist der Norm für Fehlerstromschutzeinrichtungen IEC 60755, Anhang B, entnommen. Sie zeigt die Lasten an, für die eine RCM vom Typ A verwendet werden kann.

Der Typ B wird verwendet für Differenzströme bei Komponenten mit hohen Gleichströmen. Die nachfolgende aus der IEC 60755 übernommene Tabelle zeigt, wann RCMs vom Typ B verwendet werden.
Der Typ B ist auch bei DC-Installationen wie beispielsweise PV-Anlagen oder der Lade-Infrastruktur für Elektrofahrzeuge vorgeschrieben, die der Norm IEC 60364-7-712 Anforderungen für Betriebsstätten, Räume und Anlagen besonderer Art – Photovoltaik-(PV)-Stromversorgungssysteme bzw. IEC 60364-7-722 Anforderungen für Betriebsstätten, Räume und Anlagen besonderer Art – Stromversorgung von Elektrofahrzeugen entsprechen.

Um sowohl AC- als auch DC-Hochstromkomponenten messen zu können, müssen RCMs mit spezifischen Ringkernwandlern betrieben werden. Diese Ringkernwandler sind aufwändig in der Herstellung und erfordern eine leistungsstarke Regelelektronik. RCMs des Typs B sind deshalb teurer als solche des Typs A. Deshalb ist es wichtig, sorgfältig anhand der Norm die Lasten mit DC-Komponenten in der Anlage zu identifizieren.

Für die meisten Differenzstrommessungen ist eine RCM vom Typ A am besten geeignet und außerdem die kostengünstigste Lösung. Zur Vermeidung unnötiger Kosten muss deshalb bei der Auswahl einer RCM vom Typ A oder Typ B genau bestimmt werden, bei welchen der gemessenen Lasten DC-Ströme auftreten können.

Die Vorteile auf einen Blick

An strategischen Punkten einer Anlage installierte RCMs bieten bei Anwendungen, bei denen die durchgehende Verfügbarkeit höchsten Stellenwert hat, viele Vorteile:

• Isolationsfehler, die durch nachlassende Isolationswiderstände in der Anlage entstehen (durch mechanische oder thermische Einwirkung, Luftfeuchtigkeit, Verunreinigungen usw.), werden frühzeitig erkannt.

• Isolationsfehler können lokalisiert werden, indem der Differenzstrom so nah wie möglich an der Last gemessen wird.

• Die Sicherheit von Personen wird erhöht.

• Der Brandschutz wird verbessert.

• Die präventive Wartung wird durch Alarme unterstützt.

• Das Ausfallrisiko bei empfindlichen Produktionsprozessen wird dank durchgehender Überwachung verringert.

• Die Datensicherheit in Rechenzentren wird verbessert.

• Der Isolationswiderstand wird durchgehend überwacht.

Das Socomec-System

Das „Diris Digiware RCM“ von Socomec kombiniert die Leistungsüberwachung mit der Differenzstromüberwachung in TN-S- und TT-Anlagen. Das System basiert auf einem modularen Konzept für die Überwachung mehrerer Stromkreise. Es besteht aus folgenden Elementen:

Mehrkreisüberwachung

Das modulare Plug-&-Play-Konzept des Diris-Digiware-Systems ermöglicht die Messung von Differenzströmen nicht nur in der Haupteinspeisung, sondern auch auf Stromkreisebene. Dadurch können mehrere Stromkreise auf Differenzströme überwacht werden. Zudem lässt sich die Isolationsfestigkeit der gesamten Anlage im Detail beobachten.

Das Modul Diris Digiware R-60 verfügt über 6 RJ12-Eingänge für die Differenzstromüberwachung von bis zu sechs dreiphasigen oder einphasigen Stromkreisen.

Das Prinzip 2-in-1

Das Diris Digiware RCM-System basiert auf einem 2-in-1-Ansatz, der die Überwachung von Laststrom und Differenzstrom kombiniert. Mit den Messfunktionen ergänzt das System sämtliche Maßnahmen zur Steigerung der Energie-Effizienz von Anlagen (ISO 50001) durch die Anzeige der Lasten und Bereiche, die die meiste Energie verbrauchen.

Es kann außerdem die Qualität der Stromversorgung durch die Messung der wesentlichen elektrischen Parameter wie Spannung, Frequenz, Verzerrung (THD), Asymmetrien und Weiterem überwachen und ermöglicht die Einstellung von Echtzeit-Schwellenwertalarmen.

Intelligente Alarme zur Sicherstellung des durchgehenden Betriebs

Warnungen zu Differenzströmen IΔ: Alarme zu IΔ-Messwerten warnen vor dem schleichenden Nachlassen des Isolationswiderstands in elektrischen Anlagen, das zu Isolationsfehlern, elektrischem Schlag oder Bränden führen kann.

Schutzalarme: In Kombination mit der „Virtual Monitor“-Technologie (verfügbar mit iTR-Stromsensoren) kann das Modul Diris Digiware R-60 erkennen, ob eine Schutzeinrichtung offen oder ausgelöst ist. Dies ermöglicht die Alarmierung der Wartungsteams bei einem Leistungs- oder Redundanzverlusts, was beispielsweise für Rechenzentren sehr wertvoll ist.

Analyse der Auslöse-Ursache: Dank der Virtual-Monitor-Technologie kann das mit iTR-Sensoren verwendete Modul Diris Digiware R-60 die Auslösung einer Fehlerstromschutzeinrichtung durch Überstrom oder übermäßiger Differenzstrom erkennen.

Alarm zu überlastetem Neutralleiter: Computersysteme in bestimmten Bereichen wie Rechenzentren können Verzerrungen verursachen, insbesondere bei der 3. Harmonischen. Ströme der 3. Harmonischen akkumulieren im Neutralleiter und können zu Überhitzung und möglicherweise Bränden führen. Digiware R-60 kann den im Neutralleiter fließenden Strom messen oder berechnen. Es kann ein Alarm eingestellt werden, der ausgelöst wird, wenn der Strom einen Schwellenwert überschreitet. Dies ist ein wesentlich Beitrag zur Erhöhung des Brandschutzes, insbesondere bei Rechenzentren.

* Guy Schaaf arbeitet im Marketing & Specificatio der Socomec GmbH Germany und ist für Deutschland sowie Österreich zuständig.

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