DEP0003559BA - Schutzerdung für elektrische Anlagen - Google Patents

Description

Bei Erdungsanlagen unterscheidet man die sogenannte Schutzerdung und die Betriebserdung. Die Schutzerdung soll verhindern, dass eine Person, welche einen geerdeten Anlageteil, z.B. einen Transformator, Schalter, Wandler oder dgl., berührt, bei einem Erdanschluss einer Spannung ausgesetzt ist, die ihr gefährlich werden kann. Beispielsweise ist vom Verband deutscher Elektrotechniker festgesetzt worden, dass diese sogenannte Berührungsspannung 125 Volt nicht überschreiten darf.

Die Betriebserdung dagegen ist die zum wirksamen Arbeiten der Anlage notwendige Verbindung eines Betriebsstromkreises mit Erde, also z.B. die Verbindung des Sternpunktes des Transformators über eine Löschspule mit Erde. Wird die Betriebserdung nicht mit der Schutzerdung verbunden, so braucht sich die Bemessung der Betriebserdung nicht danach zu richten, dass die Berührungsspannung eine gefährliche Grenze nicht überschreitet, wenn man die Betriebserdung so weit von der Schutzerdung entfernt anordnet, dass sich die beiden kaum beeinflussen, und die Zuleitung zur Betriebserdung isoliert verlegt und z.B. durch eine Abzäunung des Erders dafür sorgt, dass die an der Betriebserdung auftretende gefährliche Spannung von Menschen nicht überbrückt werden kann.

Der Erdungswiderstand der Schutzerdung dagegen muss, ganz gleichgültig, ob sie mit der Betriebserdung verbunden ist oder nicht, zur Vermeidung der Gefährdung von Personen so gewählt werden, dass die Berührungsspannung eine dem Menschen gefährliche Grenze nicht überschreitet, also z.B. nicht größer als 125 Volt ist.

Bei den bisher üblichen elektrischen Anlagen mit Erdanschlusslöschern und Spannungen bis 220 kV bereitet die Ausführung der Schutzerdung keine Schwierigkeiten, da sie wegen des geringen über die Schutzerdung fließenden Erdschlusstromes leicht so bemessen werden kann, dass die Berührungsspannung unter 125 Volt liegt. Ist dagegen der Erdschlusstrom nur teilweise kompensiert oder sind Anlagen mit sehr hoher Spannung vorhanden oder ist der Sternpunkt unmittelbar oder über Widerstände (Ohmsche Widerstände oder Impedanzen, die z.B. zur Kurzschlusstrombegrenzung dienen) geerdet, so können so hohe Ströme bei einem Erdschluss auftreten, dass die Einhaltung eines Erdungswiderstandes, der gefährliche Betriebsspannungen ausschließt, auf große Schwierigkeiten stößt. Es treten dann bei einem Erdschluss in der Anlage zwischen der Erdungsanlage und der Bezugserde (Gebiet des Erdreiches mit dem Potential Null) Spannungen auf, die größer sind als die zulässige Berührungsspannung und z.B. das 3-, 5- oder 10-fache oder noch mehr davon betragen. Insbesondere ist dies der Fall, wenn der Sternpunkt kurz oder über kleine Widerstände geerdet ist und hohe Betriebsspannungen, z.B. 400 kV und darüber, vorhanden sind.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schutzerdung für elektrische Anlagen, beispielsweise Freiluftstationen oder Maste, bei denen eine die Berührungsspannung überschreitende Spannung zwischen der Erdungsanlage und Bezugserde auftreten kann, und sieht Mittel vor, um trotz des Auftretens dieser hohen Spannung eine Gefährdung von Personen zu vermeiden. Gemäß der Erfindung wird eine vermaschte Erdungsanlage vorgesehen, und die Maschenweite wird so gewählt, dass innerhalb der Maschen keine Spannung auftreten kann, die einer Person gefährlich ist. Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass man durch entsprechende Wahl der Maschenweite die Potentialunterschiede, die innerhalb einer Masche vorhanden sind, klein halten kann, dass die auftretende Spannung den Menschen nicht mehr gefährlich werden kann.

Die Vermaschung wird man zweckmäßig nur in dem Bereich der Anlage vorsehen, in welchem die Anlage begangen wird. Man kann die Maschenweite in dem Gebiet, in dem eine die Anlage begehende Person geerdete Anlageteile nicht berühren kann, so wählen, dass keine unzulässig hohe Schrittspannung auftritt. Diese Schrittspannung kann man bei gleichem Gefährdungsgrad höher als die zulässige Berührungsspannung wählen. In der Nähe der geerdeten Apparate, z.B. Transformatoren, Schalter und dgl., dagegen wird die Maschenweite so gewählt, dass keine unzulässig hohe Berührungsspannung auftritt, also keine Spannung, die höher als z.B.

125 Volt ist. Die Größen des Gebietes dieser engen Vermaschung wird dabei so bemessen, dass eine außerhalb dieses Gebietes stehende Person den geeerdeten Anlageteil, z.B. das Gehäuse des Transformators, nicht berühren kann.

Man kann auch im Bereich der gesamten Vermaschung die Maschenweite so wählen, dass innerhalb der Vermaschung die Schrittspannung einen Wert nicht überschreitet, welcher der zulässigen Berührungsspannung entspricht, so dass die Maschenweite ungefähr überall gleich groß ist, und zwar so, dass die Schrittspannung und die Berührungsspannung unterhalb eines bestimmten Wertes, z.B. unter 125 Volt, liegt.

Wie bereits erwähnt, wird man in der Nähe der geerdeten Anlageteile die Vermaschung so wählen, dass keine gefährliche Berührungsspannung auftreten kann. Ist dieses Gebiet verhältnismäßig klein, kann man auch statt dessen isolierende Platten oder geerdete Metallplatten vorsehen und diese so groß wählen, dass eine am Rand stehende Person die geerdeten Anlageteile gerade noch nicht berühren kann.

Besonders zweckmäßig ist es, um den Aufwand für die Erdungsanlage herabzusetzen, Schutzerdung und Betriebserdung zu vereinigen. Dadurch wird die technisch oft schwierig auszuführende getrennte Anordnung beider Erdungsanlagen vermieden und die zur Kleinhaltung des Erdungswiderstandes erforderliche Erdungsanlage nur einmal benötigt.

Die vermaschte Erdungsanlage wird dicht unter der Erdoberfläche oder auf dieser angeordnet. Zur Verringerung des Erdungswiderstandes wird man im allgemeinen noch zusätzliche Erder vorsehen müssen, die mit der vermaschten Erdungsanlage verbunden sind und so tief liegen, dass keine Gefahr besteht, dass der Frost zu ihnen vordringt. An diese Erdung wird man nicht nur die Schutzerdung, sondern auch die Betriebserdung anschließen.

Zwischen dieser vermaschten Erdungsanlage und der umgebenden Erde tritt außerhalb der Vermaschung eine hohe Schrittspannung auf, wenn ein Erdschluss vorliegt. Um Personen dagegen zu schützen, kann man an diesen Stellen isolierende Platten vorsehen, oder man kann erfindungsgemäß sogenannte Erderrampen verwenden. Das sind zusätzliche, in Erde verlegte Erder, die mit der Erdungsanlage verbunden sind und deren Entfernung von der Erdoberfläche mit wachsendem Abstand von dieser Stelle, zunimmt. Dabei ist es zweckmäßig, nicht nur die Eingrabtiefe, sondern auch die Entfernung dieser zusätzlichen Erder mit wachsendem Abstand von dieser Stelle zunehmen zu lassen, um mit geringem Aufwand eine lineare Spannungsverteilung an der Erdoberfläche zu erreichen. Derartige isolierende Platten oder Erderrampen wird man nicht überall, wo diese hohe Schrittspannung auftreten kann, vorsehen, sondern zweckmäßig nur an solchen Stellen, an denen der Zugang zu der Erdungsanlage liegt, die also von Personen begangen werden, während man für die anderen gefährlichen Stellen, die nicht begangen werden sollen, Abzäunungen, Warnschilder oder dgl. vorsieht.

Wesentlich für die Erfindung ist es also, dass systematisch die Erdungsanlage so vermascht wird, dass keine unzulässig hohe Spannung innerhalb der Maschen an einer Person auftreten kann, und dass man ferner noch die Übergangsstellen mit Rücksicht auf die Gefährdung einer Person besonders sichert. Man könnte zwar auch daran denken, die gesamte Anlage auf eine geerdete Metallplatte (Äquipotentialfläche) zu setzen und besondere Übergangsstellen zu dieser vorzusehen. Das würde aber bei ausgedehnten Anlagen praktisch wegen der hohen Kosten nicht durchführbar sein. Dagegen gibt das erfindungsgemäße Mittel der Vermaschung einen genügenden Schutz, ohne dass der Aufwand zu groß ist. Die Erfindung sieht also nicht für die Personen Äquipotentialflächen vor, sondern lässt Potentialunterschiede für eine die Anlage begehende Person auftreten, hält diese aber so gering, dass keine Gefahr besteht.

Die Erfindung unterscheidet sich daher grundsätzlich von vorgeschlagenen Anordnungen, bei denen der zu bedienende Apparat von einer Metallplatte (oder einem Erderrost) umgeben ist, die mit dem geerdeten Gehäuse verbunden ist. Die Platte oder dieser Rost stellt eine Äquipotentialfläche dar, so dass der auf dieser Platte oder diesem Rost Stehende keine Spannung gegenüber dem zu bedienendem Apparat besitzt.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.

Die Figuren 1 und 2 zeigen die Erdungsanlage für eine Freiluftstation. Mit 1 sind Banderder bezeichnet, die so tief in der Erde verlegt sind, dass der Frost zu ihnen nicht vordringen kann. Mit 2 ist eine vermaschte Erdungsanlage bezeichnet, die aus einzelnen Banderdern besteht, die im Gegensatz zu den Banderdern 1 nahe der Oberfläche verlegt sind. Die vermaschte Erdungsanlage 2 ist mit den Banderdern 1 metallisch verbunden. Die Vermaschung ist nur im linken oberen Teil der Freiluftanlage vorgesehen, weil angenommen ist, dass nur in diesem die geerdeten Anlageteile stehen und der andere von den Banderdern 1 umschlossene Teil für einen späteren Ausbau vorgesehen ist. Die Vermaschung wird so gewählt, dass die Schrittspannung innerhalb der Maschen einen Grenzwert nicht überschreitet, welcher einer Person gefährlich werden kann, also z.B. unter 250 Volt liegt. In einigen Bereichen ist die Vermaschung, wie die Figur zeigt, noch enger ausgeführt, da angenommen ist, dass in diesem Bereich geerdete Anlageteile vorgesehen sind. Die Vermaschung ist in diesem Bereich so gewählt, dass die auftretende Berührungsspannung unterhalb des Wertes liegt, welche eine Gefährdung für eine Person bedeutet, also z.B. gleich 125 Volt oder kleiner ist.

Besitzt die Erdungsanlage beispielsweise einen Erdungswiderstand von 0,36 Ohm und tritt bei einem Erdschluss ein Strom von 5000 A auf, so beträgt die Spannung zwischen der Erdungsanlage und der Bezugserde 1800 Volt. Bei einer Maschenweite von 1,7 m ist die Schrittspannung ungefähr 200 Volt. Wählt man die Maschenweite enger, z.B. 0,85 m, so ist die Schrittspannung auf rund 125 Volt herabgesetzt. Wie bereits erwähnt, kann man die Vermaschung überall so wählen, dass eine Schrittspannung von höchstens 125 Volt an einer Person auftreten kann, oder man kann nur in der Umgebung der geerdeten Apparate die Vermaschung so wählen und im übrigen Teil der Anlage, der begangen werden darf, etwas größer, so dass dort eine Schrittspannung von 250 Volt auftritt. Es wird bei der Erdungsanlage gemäß der Erfindung also nicht eine Vermaschung ausgeführt, die sich durch zufällige Führung der Erdleitung ergibt, sondern es wird systematisch mit Rücksicht auf die Gefährdung von Personen die Vermaschung durchgeführt.

Zwischen dieser Erdungsanlage und dem Erdbereich tritt außerhalb der Vermaschung eine Spannung von 1800 Volt bei einem Erdschluss auf. Man wird deshalb die Anlage in einer gewissen Entfernung z.B. mit einem Zaun umgeben, so dass sie von außen nicht betreten werden kann, und nur bestimmte Übergangsstellen vorsehen und an diesen erfindungsgemäß Maßnahmen anwenden, um die Schrittspannung auf ein die Person nicht gefährdendes Maß herabzusetzen. Im Ausführungsbeispiel ist angenommen, dass die Anlage auf einem Weg beschritten werden kann, der durch die beiden gestrichelten Linien 4 dargestellt ist. Es werden nun erfindungsgemäß an den Übergangsstellen zu der Erdungsanlage auf diesem Wege sogenannte Erderrampen vorgesehen. Diese bestehen aus zusätzlichen Erdern 3, die mit den Erdern 1 bzw. 2 metallisch verbunden sind, wie es in Figur 1 dargestellt ist, und deren Eingrabtiefe, d.h. deren Entfernung von der Erdoberfläche, wie aus Figur 2 hervorgeht, mit wachsender Entfernung von der Übergangsstelle zunimmt. Außerdem nimmt auch der Abstand dieser zusätzlichen Erder voneinander mit wachsender Entfernung von der Übergangsstelle zu, wie in der Figur dargestellt. Durch entsprechende Wahl der Eingrabtiefe, der Entfernung der zusätzlichen Erder voneinander und ihrer Zahl kann man die Schrittspannung an den Übergangsstellen entsprechend klein halten.

In Figur 3 ist im vergrößerten Maßstab ein Teil der Vermaschung und die Erderrampe dargestellt und die Potentialverteilung angegeben. Das Potential der Erder 1 bzw. der Erdungsanlage 2 ist gleich 100% gesetzt. Wie die Figur zeigt, ist die Potentialverteilung zwischen den Maschen stark herabgesetzt, so dass die Schrittspannung ein gefährliches Maß nicht überschreiten kann. An der Übergangsstelle würde ohne Erderrampen ein Potentialgefälle auftreten, das strichliert dargestellt ist und eine Gefährdung bedeuten würde. Durch Anwendung der Erderrampen erhält man ein annähernd lineares Spannungsgefälle, das man so bemessen kann, dass Schrittspannungen, die Personen gefährden, nicht auftreten können.

Wie erwähnt, wird man außerhalb der Übergangsstellen, z.B. durch eine Umzäunung, dafür sorgen, dass die Anlage von außen nicht betreten werden kann. Es ist auch ferner dafür Sorge zu tragen, dass die Anlage auch nur an den besonders gesicherten Übergangsstellen verlassen werden darf.

Im Ausführungsbeispiel ist angenommen, dass auch die Banderder 1 bei einem Erdschluss eine gefährliche Schrittspannung erzeugen. Deshalb sind auch an den zu begehenden Übergangsstellen zu den Banderdern 1 Erderrampen vorgesehen. Man kann aber auch die Banderder 1 so tief in das Erdreich eingraben, dass bei einem Erdschluss keine gefährliche Schrittspannung an der Oberfläche auftreten kann. Es sind dann die rechts oben in der Figur 1 dargestellten Erderrampen entbehrlich, nicht aber die Erderrampen zu der vermaschten Erdungsanlage 2, weil diese Erdungsanlage dicht unter der Erdoberfläche liegt.

Die erfindungsgemäßen Maßnahmen für die Schutzerdung kann man auch bei Freileitungsmasten anwenden, welche hohe Erdschlusströme führen und bei denen mit den sonst üblichen Mitteln eine ungefährliche Berührungs- und Schrittspannung nicht eingehalten werden kann. Man wird den Mast in einer vermaschten Erdungeanlage aufstellen, die eine so große Fläche bedeckt, dass eine Person außerhalb dieser Fläche den Mast nicht berühren kann, und die Vermaschung so wählen, dass eine unzulässige Berührungsspannung innerhalb der Maschung nicht auftreten kann. Die vermaschte Fläche wird man mit Erderrampen umgeben, um gefährliche Schrittspannungen in der Umgebung auf ein ungefährliches Maß herabzusetzen.

Ein Ausführungsbeispiel hierfür ist in den Figuren 4 und 5 dargestellt. Mit 5 sind die Mastfüße bezeichnet. Die Mastfüße sind innerhalb einer vermaschten Erdungsanlage 6 aufgestellt, wobei die Vermaschung so gewählt ist, dass keine unzulässig hohe Berührungsspannung auftreten kann, und das Gebiet dieser Vermaschung wird so groß gewählt, dass eine außerhalb dieses Gebietes stehende Person den Mast nicht berühren kann. Mit 7 sind Banderder, welche diese vermaschte Fläche umgeben, bezeichnet, die als Erderrampen dienen und deren Eingrabtiefe, wie Figur 2 zeigt, mit wachsender Entfernung von der vermaschten Erdungsanlage zunimmt, wobei gleichzeitig auch ihr Abstand voneinander wächst. Sie sind durch Bänder 8 mit der Erdungsanlage 6 verbunden. Diese Erderrampen werden wieder so ausgeführt, dass eine unzulässig hohe Schrittspannung bei Annäherung an die vermaschte Erdungsanlage nicht auftreten kann.

Als weitere Schutzmaßnahme kann man noch bei der erfindungsgemäßen Anordnung über der vermaschten Erdungsanlage und den

Erderrampen eine Lage von groben Kies vorsehen.

Die Erfindung kann auch bei Großkraftwerken in Innenraumausführung angewendet werden. Sind derartige Kraftwerke beispielsweise mit einem Stahlskelett versehen, so treten bei entsprechend hohen Erdschlusströme nicht nur innerhalb des Kraftwerkes, sondern auch in der Umgebung, also beispielsweise in den Höfen, gefährliche Schritt- bzw. Berührungsspannungen auf. Man wird daher überall, wo Personen die Anlage begehe können, die Schritt- und Berührungsspannung durch eine vermaschte Erdungsanlage auf ein ungefährliches Maß herabsetzen. So wird dann in den Böden von Kellerräumen, beispielsweise in denen die Kondensationsanlagen für die Kondensation des Dampfes der Dampfturbine untergebracht sind, solche vermaschten Erdungsanlage vorgesehen und ebenso auch in den Höfen. Man wird dabei die Vermaschung so ausführen, dass keine unzulässig hohe Berührungs- oder Schrittspannung auftreten kann.

Man muss auch dafür sorgen, dass an den Übergansstellen Erderrampen oder isolierende Stege vorgesehen werden, und wo dies nicht der Fall ist, durch Zäune oder Mauern ein Betreten der Anlage verhindern.

Ist die Schutzerdung mit der Betriebserdung verbunden, so empfiehlt es sich, das Erdseil ebenfalls mit der Erdungsanlage zu verbinden. Je geringer der Widerstand des Erdseiles ist, umso geringer wird dann bei einem Erdanschluss außerhalb der Anlage der Strom, der durch die Erdungsanlage zurückfließt, da ein Teil des Erdungsstromes den Weg über das Erdseil zur Station nimmt. Es genügt erfindungsgemäß, das Erdseil nur in einem bestimmten Bereich in der Nähe der geerdeten Anlage mit geringem Widerstand auszuführen, z.B. bis zu einer Entfernung bis zu 15 km von der Freiluftanlage, und bei größeren Entfernungen bis zu 15 km von der Freiluftanlage, und bei größeren Entfernungen dann ein Erdseil mit größerem Widerstand zu verwenden. Als Erdseil in der Nähe der Station empfiehlt es sich, ein Erdseil aus gut leitendem Material, z.B. Stahl-Aluminium, zu verwenden. Bei getrennter Schutz- und Betriebserdung wird man zweckmäßig das Erdseil an die Betriebserdung anschließen.

Claims (11)

1. Die Schutzerdung für elektrische Anlagen, bei der die Spannung der Erdungsanlage gegenüber der Bezugserde größer als die zulässige Berührungsspannung ist, z.B. das Drei- oder Mehrfache der zulässigen Berührungsspannung beträgt, beispielsweise für Freiluftanlagen oder Maste mit hohem Erdschlussstrom, insbesondere für Anlagen mit kurz geerdetem Sternpunkt und hoher Betriebsspannung, dadurch gekennzeichnet, dass eine vermaschte Erdungsanlage vorgesehen ist, deren Maschenweite so gewählt ist, dass innerhalb der Maschen keine Spannung auftreten kann, die einen Menschen gefährdet.

2. Erdungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nur in dem Bereich, in dem die Anlage begangen wird, eine Vermaschung vorgesehen ist.

3. Erdungsanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass nur in dem Bereich, in dem die Anlage begangen wird, aber keine Berührung des geerdeten Anlageteils möglich ist, die Vermaschung so gewählt ist, dass die Schrittspannung einen zulässigen Wert nicht überschreitet.

4. Erdungsanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens auf eine Entfernung von einem geerdeten Anlageteil, die etwas größer ist als die Reichweite einer Person, die Vermaschung so gewählt ist, dass eine unzulässig hohe Berührungsspannung nicht auftreten kann.

5. Erdungsanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle dieser engen Vermaschung in der Umgebung des geerdeten Anlageteils eine isolierende Platte oder eine geerdete Metallplatte vorgesehen ist, die so groß gewählt ist, dass eine an dem Rande der Platte stehende Person den geerdeten Anlageteil gerade nicht berühren kann.

6. Erdungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an den Übergangsstellen zu der Erdungsanlage besondere mit dieser verbundene Erder vorgesehen sind, deren Entfernung von der Erdoberfläche mit wachsendem Abstand von der Übergangsstelle zunimmt.

7. Erdungsanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mit wachsendem Abstand auch die Entfernung zwischen den zusätzlichen Erdern zunimmt.

8. Erdungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Schutzerdung und Betriebserdung vereinigt sind.

9. Erdungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vermaschte Erdungsanlage dicht unter der Erdoberfläche verlegt ist.

10. Erdungsanlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass besondere Erder, mit denen diese vermaschte Erdungsanlage verbunden ist, vorgesehen sind, die so tief liegen, dass der Frost nicht zu ihnen vordringen kann.

11. Erdungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erdseile mit der Schutzerdung verbunden sind und in der Nähe der Station eine größere Leitfähigkeit besitzen als in den übrigen teilen der Freileitung.