Das IT-System ist in der Praxis wenig bekannt und wird auch in Hochschulen und Ausbildungsstellen kaum behandelt. Entsprechend hat sich das geerdete System durchgesetzt und verbreitet sich immer weiter. Das IT-System findet sich vor allem dort, wo es letztlich um Menschenleben geht – zum Beispiel in Operationsräumen und Intensivstationen oder in der Signaltechnik der Bahn. Doch seine nachfolgend aufgeführten Vorteile lassen sich auch für viele andere Anwendungen nutzen.

Die Vorteile des ungeerdeten Systems (I)

Inhärent sicher

Das IT-System bietet einen inhärenten Schutz vor hohen Berührungsspannungen. Es unterscheidet sich vom TN- oder TT-System hauptsächlich durch eine leitende Verbindung zwischen dem Sternpunkt des Transformators, der das System versorgt, und Erde. Beim geerdeten System ist diese leitenden Verbindung vorhanden, beim ungeerdeten System wird sie weggelassen. Alternativ zum Versorgungstrafo lässt sich ein IT-System auch durch eine Stromquelle herstellen, beispielsweise eine Batterie. Im ungeerdeten System ist die allpolige Absicherung aller aktiven Leiter erforderlich. Gleiches gilt für den N-Leiter (soweit vorhanden). Da auch im Einphasensystem keiner der beiden Leiter geerdet wird, entstehen statt der klassischen „Phase und Null“ zwei unter Spannung stehende Leiter.

Das Isolationsüberwachungsgerät ‘iso685’ dient der Überwachung von ungeerdeten Stromversorgungssystemen (IT-Systemen).

© Bender

Doch worin liegt nun der große Unterschied in der Wirkung, wenn es in der Ausführung nur einen so kleinen Unterschied gibt?

Berührt ein Mensch bei einem intakten ungeerdeten System einen nicht isolierten stromführenden Leiter oder ein unter Spannung stehendes leitendes Gehäuse, passiert: nichts! Und zwar aus dem Grund, dass Strom nur im Kreis fließen kann und der Kreis ja nicht geschlossen wurde, indem der Sternpunkt des Transformators nicht geerdet ist. Es ist wie bei einem Vogel auf der Hochspannungsleitung – er ist sicher.

Anders beim geerdeten System: Hier wird im Vorhinein ein geschlossener Stromkreis bereitgestellt und gewissermaßen auf den Fehler gewartet. Fasst in diesem Fall ein Mensch an einen stromführenden Leiter oder ein unter Spannung stehendes leitendes Gehäuse, fließt aufgrund der niederohmigen Verbindung zum Versorgungstrafo sofort ein Fehlerstrom über den Menschen. Ohne funktionierende, schnell abschaltende Schutztechnik wäre dies gefährlich. So wird dieser Stromkreis über Sicherungen und Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen (auch RCD oder FI-Schalter genannt) abgesichert: im Fehlerfall erfolgt also schnell genug eine Abschaltung, bevor der Mensch nennenswerte Schäden erleidet. Um sicherzustellen, dass dies auch funktioniert, muss die Schutztechnik regelmäßig überprüft werden. So sind zum Beispiel die RCDs in Elektroanlagen alle sechs Monate auf ihre Funktionalität hin zu testen – auch in privaten Haushalten. Aber wie häufig wird dies tatsächlich getan?

Dem IT-System ist also inhärenter Schutz vor hohen Berührungsspannungen inne. Die einzige Ausnahme hierzu bilden AC-Systeme mit sehr großen Netzableitkapazitäten und asymmetrischer Belastung. Gegenmaßnahmen sind hier erstens das Aufteilen in kleinere Subsysteme und zweitens die Messung der Kapazität sowie das Berechnen des maximalen Körperstroms im Fehlerfall, was zum Beispiel mit dem Isolationsüberwachungsgerät „Isometer iso685“ von Bender möglich ist. Natürlich müssen Isolationsfehler auch im IT-System zeitnah beseitigt werden, um das System auf hohem Isolationsniveau zu halten.

Die Vorteile des ungeerdeten Systems (II)

Fehlerlokalisierung

Mittels sogenannter Einrichtungen zur Isolationsfehlersuche (IFLS) lassen sich Isolationsfehler im laufenden Betrieb oder abgeschalteten Zustand lokalisieren. Dazu stehen Geräte zur stationären Installation sowie mobile Geräte zur Verfügung. Grundsätzlich ist dies in geerdeten Systemen basierend auf der Differenzstromtechnik (RCM) auch möglich - jedoch mit der Einschränkung, dass dies nur in eingeschalteten Systemen funktioniert und im Gegensatz zum IT-System auf asymmetrische Isolationsfehler begrenzt bleibt.

Keine ungewollten Betriebsunterbrechungen

Wie bereits ausgeführt, ist das IT-System inhärent sicher, was quasi im Nebeneffekt bedeutet, dass bei einem Isolationsfehler keine Abschaltung erforderlich ist. Dies ist auch der Grund, warum IT-Systeme zum Beispiel in Intensivstationen vorgeschrieben sind: Im Falle eines Isolationsfehlers werden die lebenserhaltenden Geräte weiter versorgt. Das IT-System eignet sich ergo insbesondere für alle Applikationen, in denen Abschaltungen unerwünscht, folgenschwer oder kostspielig sind – etwa in der Prozessindustrie, in Rechenzentren oder in der Automatisierung.

Eine besondere Bedeutung kommt Steuerstromkreisen aller Art zu. Fehlsteuerungen und Ausfälle von Steuerstromkreisen – zum Beispiel in einem Umspannwerk oder einem Atomkraftwerk – können gravierende Folgen haben. Basierend auf den Informationen, die das Isolationsüberwachungsgerät bereitstellt, lassen sich im IT-System Wartungs- und Instandhaltungsmaßnahmen langfristig planen und ungeplante Einsätze zur Störungsbehebung vermeiden.

Die Vorteile des ungeerdeten Systems (III)

Verschlechterungen frühzeitig erkennen

Ein weiterer entscheidender Vorteil ist, dass Verschlechterungen des Isolationsniveaus sofort erkannt werden können. In einem geerdeten System lassen sich Fehlerströme mittels hochentwickelter Differenzstromtechnik (RCM-Technik) im einstelligen mA-Bereich auflösen – aber auch nicht weiter. Dies bedeutet, selbst wenn nur die ohmschen Anteile des Differenzstromes selektiert werden könnten, bei einer Netzspannung von 400 V und einer Auflösung von 10 mA eine Erkennung der Verschlechterung des Isolationsniveaus unterhalb von 40 kΩ. Gegenüber einem geerdeten System, das nicht überwacht wird und irgendwann einfach ungewollt abschaltet, ist dies zwar eine enorme Verbesserung. Aber: Ein Isolationswert von 40 kΩ entspricht beim IT-System bereits dem empfohlenen Hauptansprechwert. Gemessen werden kann im IT-System im Mega-Ohm-Bereich und darüber; gegenüber dem geerdeten System bedeutet dies einen Faktor von mindestens 1000. Ergo lassen sich Isolationsverschlechterungen im ungeerdeten System sehr viel früher messen und beheben.

Symmetrische Fehler erkennen

In einem IT-System sind mittels eines aktiv messenden Isolationsüberwachungsgerätes nach IEC 61557-8 symmetrische Fehler erkennbar. Symmetrische Fehler sind Isolationsverschlechterungen gleicher Größenordnung auf allen Außenleitern. Solche Fehler sind nicht selten - beispielsweise verschlechtern sich die Isolationswerte in Photovoltaik-Anlagen häufig gleich auf der Plus- und der Minusseite.

Die Vorteile des ungeerdeten Systems (IV)

Messungen in DC-Netzen

RCDs für reine DC-Netze wie Batteriesysteme stehen derzeit nicht zur Verfügung. Möglichkeiten dazu stellen entweder Geräte zur Differenzstromüberwachung (RCM) mit einer DC-Versorgungsspannung oder die Ausführung als IT-System mit Isolationsüberwachung dar. Das „Isometer iso685“ bietet zudem den Vorteil, dass es in DC-Netzen anzeigt, ob der Fehler auf der Plus- oder Minusseite vorliegt.

Das Isolationsüberwachungsgerät ‘iso865’ in einer Elektroinstallation.

© Bender

Messungen in gemischten AC-Netzen mit DC-Anteilen

Befinden sich Batteriesysteme, Umrichter, Schaltnetzteile etc. im AC-Netz, sind DC-Fehlerströme möglich. Die weit verbreiteten RCDs vom Typ A für reine AC-Netze sind hier ungeeignet. So können im geerdeten Netz nur RCDs vom Typ B eingesetzt werden oder es muss auf anderem Wege (mittels RCM-Technik) sichergestellt werden, dass bei DC-Strömen oberhalb von 6 mA abgeschaltet wird. Eine sinnvolle Alternative dazu ist, die Anlage als ungeerdetes Netz zu betreiben und mit einem Isolationsüberwachungsgerät zu überwachen.

Offline-Monitoring

Da ein Isolationsüberwachungsgerät nach IEC 61557-8 im IT-System aktiv misst, kann es auch allpolig abgeschaltete IT- oder TN-Systeme überwachen. Dies ist zum Beispiel wichtig für Weichenheizungen, Feuerlöschpumpen auf Schiffen und redundante Kühlsysteme in Atomkraftwerken. So lässt sich zum Beispiel auch im Sommer erkennen, ob eine Weichenheizung einen Isolationsfehler aufweist, und kann sie rechtzeitig reparieren. Anderenfalls würde der Fehler erst beim Einschalten im Winter bemerkt – in Form des unmittelbaren Ausfalls der Anlage genau dann, wenn sie gebraucht wird.

Die Vorteile des ungeerdeten Systems (V)

Lückenschluss zwischen wiederkehrenden Prüfungen

Das im IT-System vorgeschriebene Isolationsüberwachungsgerät überwacht den Isolationswert permanent. Bei den regelmäßigen Prüfungen (Stichwort Prüfung laut DGUV Vorschrift 3) wird im Gegensatz dazu nur der momentane Isolationszustand erfasst. Dieser kann unmittelbar nach der Prüfung schon dramatisch verschlechtert sein und dann lange unbemerkt bleiben. Auch im geerdeten System ist eine permanente Überwachung durch den zusätzlichen Einsatz von Differenzstromüberwachungssystemen (RCM-Technik) möglich.

Brandvorbeugung

Isolationsfehler in Elektroinstallationen sind die häufigste Brandursache überhaupt. Im IT-System ist die Brandwahrscheinlichkeit sehr gering: Erstens lassen sich Isolationsfehler schon in der frühen Entstehungsphase erkennen und beheben. Zweitens fließt aufgrund des fehlenden niederohmigen Rückpfades im Falle des Isolationsfehlers kein Strom, der groß genug wäre, einen Brand zu verursachen. Auch hier gilt wieder die Einschränkung auf Systeme mit nicht zu großer Netzableitkapazität.

Langzeitbetrachtung

Die „Isometer iso685“ und „iso1685“ können über viele Jahre hinweg lückenlos Netzparameter mit Zuordnung von Datum und Zeit aufzeichnen. In Verbindung mit weiteren aufgezeichneten Systemereignissen ermöglicht dies die eventbasierte Fehleranalyse und erleichtert das Auffinden und Beseitigen sporadisch auftretender Fehler sowie die Verbesserung der Entscheidungsgrundlage für zukünftige Investitionen. Die Auswertung ist am Gerät selbst oder via Ethernet durchführbar.

Die Vorteile des ungeerdeten Systems (VI)

Sicherer Umgang mit nichtlinearen Verbrauchern

Heutige Netze enthalten immer weniger lineare (ohmsche) Verbraucher. Die Glühlampe wurde durch Energiesparlampen oder LEDs ersetzt, Computer und Fernseher werden über Schaltnetzteile mit dem Netz verbunden, die Waschmaschine enthält einen Frequenzumrichter und für die Motoren in der Industrie kommen Frequenzumrichter in großer Zahl zum Einsatz. Ein leistungsstarkes Isolationsüberwachungsgerät im IT-System hat damit kein Problem und misst den Isolationswert des gesamten Netzes korrekt. Das IT-System eignet sich besonders für den Einsatz mit Umrichtern: Im IT-System kann es auch bei einem satten Isolationsfehler im Zwischenkreis von großen Umrichterantrieben durch DC-Ströme und die damit verbundenen Sättigungseffekte in Eisenkernen nicht zur Zerstörung der induktiven Elemente von speisenden Generatoren und Transformatoren kommen.

Das Isolationsüberwachungsgerät ‘isoPV1685’ eignet sich für ungeerdete DC-Netze bis 1500 V in Photovoltaik-Anlagen.

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Das „Isometer iso685“ wurde für die Überwachung von Netzen mit Frequenzumrichtern entwickelt und ermöglicht eine logische Verknüpfung von Systemparametern, um eine automatische Abschaltung von Antrieben bei einem kritischen Anlagenzustand auszulösen. Eine Fehlerdifferenzierung in Umrichterantrieben nach Zwischenkreis und Motorseite ist mit dem „iso685“ ohne zusätzliche Aufwendungen und weitere Geräte möglich.

Keine vagabundierenden Ströme

In geerdeten Systemen verursachen vagabundierende Ströme - Ströme, die nicht über die L-, N- und PE-Leiter fließen, sondern sich andere Wege suchen - oft Probleme. Sie verursachen Korrosion und Lochfraß bei Rohrleitungen, Blitzschutzanlagen, Kugellagern, Fundamenterdern und sonstigen leitfähigen Teilen. Auch können sie zur Zerstörung von Schirmen von Signalkabeln bis hin zum Brand führen. Zudem können dadurch Störmagnetfelder auftreten, die Probleme mit EDV- und Kommunikationsanlagen hervorrufen.

Da im ungeerdeten System der Rückpfad zum Sternpunkt des Trafos nicht geschlossen wird, können sich vagabundierende Ströme in ungeerdeten Systemen nicht ausbreiten.

Stabiler bei Transienten

In der IEC 62109-1:2010 wird die Möglichkeit beschrieben, die Überspannungskategorie von ÜK IV auf ÜK III durch Isolation via Trenntransformator, Optokoppler oder ähnliche galvanische Trennung zu reduzieren, weil Transienten keine so hohen Ströme wie bei geerdeten Systemen zur Folge haben. Die praktische Folge daraus ist, dass Bauteile in den elektrischen Verbrauchern im IT-System weniger Belastung durch Spannungsspitzen erfahren und dadurch eine längere Lebensdauer haben.

Die Nachteile des ungeerdeten Systems

Doch natürlich gibt es auch Nachteile beim IT-System:

Größenbeschränkung

Sehr große IT-Systeme können unübersichtlich werden und eine ungewollt hohe Netzableitkapazität aufweisen. Daher ist zu empfehlen, sehr große IT-Systeme mittels Trenntransformatoren in separate Einheiten zu unterteilen, was zusätzliche Kosten und Leistungsverluste in insgesamt aber meist vernachlässigbarer Größe verursachen kann. Die Aufteilung in galvanisch getrennte Subsysteme hat durchaus auch Vorteile, wie etwa die Filterungswirkung gegenüber Störgrößen oder die Möglichkeit der individuellen Anpassung der Spannungen an die versorgten Verbraucher.

Das Isolationsüberwachungsgerät ‘isoPV’ mit dem Ankoppelgerät ‘AGH-PV’ übernimmt die Überwachung ungeerdeter Stromversorgungssystemen in Photovoltaik-Anlagen.

© Bender

Was genau ein sehr großes System ist, ist im Einzelfall zu bewerten und hängt von den Systemparametern ab. So lassen sich beispielsweise die weltgrößten PV-Felder komplett von jeweils einzelnen „Isometern“ des Typs „isoPV“ überwachen - was bedeutet, dass einem einzigen „Isometer“ trotz der Anlagengröße von zehn und mehr Fußballfeldern keine fehlerhafte Steckverbindung, kein schadhaftes Kabel und kein schadhaftes PV-Modul entgeht.

Spannungserhöhung bei Isolationsfehler

In einem IT-System mit Isolationsfehler auf einem Leiter erhöhen sich die Außenleiterspannungen der anderen Leiter gegenüber Erdpotenzial. Bei einem satten Erdschluss eines Leiters im 230-V-Netz erhöhen sich die Spannungen der anderen Leiter gegenüber Erdpotenzial auf circa 400 V. Systemkomponenten, bei denen das Potenzial gegenüber Erde eine Rolle spielt, insbesondere Y-Kondensatoren und Überspannungsbegrenzer, sollten daher für die maximale Nennspannung geeignet sein. Die Spannungserhöhung lässt sich vermeiden wenn die Sekundärseite des Trafos in Delta-Form ausgeführt wird.

Das IT-System als gute Wahl

Gegenüber geerdeten Systemen weist das IT-System wie geschildert viele Vorteile auf. Es eignet sich nicht nur für die hohen Anforderungen im Operationsraum oder in einem Atomkraftwerk, sondern nahezu für jede Anwendung. In vielen Fällen wird es heute gar nicht in Betracht gezogen, obwohl es die bessere Wahl wäre. Die aktuelle Generation an Isolationsüberwachungsgeräten bietet viele wirtschaftliche und technische Vorteile, die dem Betreiber zugutekommen. Manchmal werden die Kosten eines Isolationsüberwachungsgeräts als Argument gegen ein IT-System angeführt, jedoch ist das Gegenteil der Fall: Angesichts der oben aufgeführten Vorteile und der damit verbundenen wirtschaftlichen Auswirkungen ist ein Einsatz im kommerziellen Bereich immer eine bedenkenswerte Möglichkeit.

Autor:

Dr. Dirk Pieler ist ehemaliger Hauptgeschäftsführer von Bender in Grünberg.