Erdung, Isolierung und Kompensation des Transformator-Sternpunkts – Netzgestaltung nach VDE.
I_E = 3 × ω × C_E × U_LEKapazitiver Erdschlussstrom im isolierten Netz
Die Behandlung des Transformator-Sternpunkts bestimmt maßgeblich das Verhalten eines Netzes bei Erdschlüssen. Von der starren Erdung über isolierte Netze bis zur Petersen-Spule – jede Methode hat ihre spezifischen Vor- und Nachteile.
Dieser Ratgeber erklärt die verschiedenen Sternpunktbehandlungen und deren Auswirkungen auf Schutz und Betrieb.
| Sternpunktbehandlung | Erdschlussstrom | Abschaltung | Anwendung |
|---|---|---|---|
| Starr geerdet | Hoch (kA) | Sofort | NS (TN) |
| Niederohmig geerdet | Begrenzt (100-1000 A) | Selektiv | MS, HS |
| Isoliert | Sehr gering (kapazitiv) | Nicht sofort | IT-Netze |
| Kompensiert | Nahe Null (Spule) | Später möglich | MS Freileitungen |
| Merkmal | Beschreibung |
|---|---|
| Erdschlussstrom | Hoch (wie Kurzschluss) |
| Erdschlussspannung | Begrenzt auf U_LE |
| Abschaltung | Sofort durch Überstromschutz |
| Anwendung | NS (230/400V), HS (110kV+) |
| Zustand | Spannung gesunde Leiter |
|---|---|
| Normalbetrieb | U_LE = 230V |
| Erdschluss L1 | U_L2E, U_L3E = √3 × 230V = 400V |
Vorteil: Betrieb bei erstem Fehler möglich Nachteil: Doppelerdschluss → gefährlicher Kurzschluss
| Gerät | Funktion |
|---|---|
| Isolationsüberwachung (IMD) | Meldet Isolationsfehler |
| Erdschlussrelais | Warnung/Alarm |
Die Petersen-Spule kompensiert den kapazitiven Erdschlussstrom:
| Parameter | Formel |
|---|---|
| Kapazitiver Strom | I_C = 3 × ω × C_E × U_LE |
| Spulenstrom | I_L = U_LE / (ω × L) |
| Kompensation | I_C = I_L → Reststrom ≈ 0 |
| Verstimmung | Wirkung | Anwendung |
|---|---|---|
| Überkompensiert | I_L > I_C | Standard (ca. 10%) |
| Unterkompensiert | I_C > I_L | Selten |
| Resonanz | I_C = I_L | Zu vermeiden (gefährlich) |
| Parameter | Typischer Wert |
|---|---|
| Widerstand R_N | 5-50 Ω |
| Begrenzter Strom | 100-1000 A |
| Anwendung | Mittelspannung (10-30 kV) |
| Vorteil | Erklärung |
|---|---|
| Begrenzter Erdschlussstrom | Geringere Schäden |
| Erdschluss erkennbar | Überstromschutz funktioniert |
| Selektive Abschaltung | Nur fehlerbehafteter Abgang |
| Netzsystem | Sternpunktbehandlung |
|---|---|
| TN-S | Starr geerdet (PEN getrennt) |
| TN-C | Starr geerdet (PEN gemeinsam) |
| TT | Starr geerdet (separate Erder) |
| IT | Isoliert oder hochohmig |
Aufgabe
Für ein 20kV-Kabelnetz mit C_E = 2 µF soll die Kompensationsspule berechnet werden.
Lösung
Petersen-Spule mit L = 1,54 H für Vollkompensation + 10%.
DIN VDE 0100-410: Schutzmaßnahmen, Netzsysteme
VDE-AR-N 4100: Anschlussrichtlinien
IEC 60364: Elektrische Anlagen in Gebäuden
Wichtige Festlegungen:
Sternpunktbehandlung – Zusammenfassung:
Varianten:
| Typ | I_E | Abschaltung |
|---|---|---|
| Starr geerdet | Hoch | Sofort |
| Niederohmig | Begrenzt | Selektiv |
| Isoliert | Kapazitiv | Nicht sofort |
| Kompensiert | ≈ 0 | Später |
Netzsysteme:
| System | Sternpunkt |
|---|---|
| TN | Starr geerdet |
| TT | Starr geerdet |
| IT | Isoliert |
Im IT-Netz ist der Sternpunkt des Transformators nicht geerdet (isoliert). Bei einem Erdschluss fließt nur ein sehr geringer kapazitiver Strom, sodass der Betrieb fortgesetzt werden kann. Erst beim zweiten Fehler kommt es zum Kurzschluss. IT-Netze werden in OP-Sälen, Industrieanlagen und auf Schiffen eingesetzt.
Die Petersen-Spule kompensiert den kapazitiven Erdschlussstrom in Freileitungsnetzen. Dadurch erlischt der Erdschlusslichtbogen von selbst (Selbstlöschung). Das Netz kann nach einem vorübergehenden Erdschluss weiterbetrieben werden, ohne dass Schäden entstehen.
In der Niederspannung (230/400V) ist die starre Erdung Standard (TN- oder TT-System). Dadurch wird bei Körperschluss ein hoher Strom erzeugt, der den Schutzschalter auslöst. IT-Netze sind die Ausnahme für besondere Anforderungen (z.B. Medizintechnik).