Erdung des Transformator-Neutralpunkts erklärt: Vergleich von direkter Erdung, Widerstandserdung und Zickzack-Erdung

Der Schaltanlagenplan sah eine Hochwiderstands-Erdung mit 5 A und einem 10-Sekunden-Widerstand vor. Der Auftragnehmer installierte genau dies. Niemand maß den kapazitiven Systemstrom, der bei den abgeschirmten 5-kV-Kabeln, den Überspannungsableitern und den Eingangsfiltern der Antriebe in diesem Werk etwa 6,8 A betrug. Bei dem ersten Fehlerphase-zu-Erde trug der Widerstand den gesamten kapazitiven Strom; das Überwachungsrelais registrierte keinen Anstieg, und das Werk lief zwei Tage lang mit einer geerdeten Phase weiter. Der zweite Fehler an einer anderen Phase verwandelte die Störung in einen Phase-zu-Phase-Lichtbogen. Alles war gemäß den Zeichnungen gebaut worden – dennoch war das Erdungskonzept fehlerhaft.

Erdung des Transformator-Neutralpunkts ist die Konstruktionsentscheidung, die festlegt, wie viel Strom fließt, wenn eine Isolationsstörung auftritt, ob der Schutz auslöst oder lediglich ein Alarm ausgibt und wie viel dieses Stroms vom Transformator, den Kabeln und der Schaltanlage sicher getragen werden muss. Sie wird einmalig in der Entwurfsphase getroffen und nimmt üblicherweise nur eine Zeile einer Spezifikation ein.

Vier Verfahren decken nahezu alle industriellen, versorgungstechnischen und Rechenzentrums-Systeme ab: direkte Erdung, Erdung über geringen Widerstand, Erdung über hohen Widerstand sowie Erdung über einen Zick-Zack- oder Stern-Dreieck-Erdungstransformator. Jedes dieser Verfahren beantwortet eine andere Frage; die richtige Antwort hängt davon ab, was das System beim ersten Erdschluss leisten soll.

 

Was die Erdung des Transformator-Neutralpunkts bestimmt

Ein Erdschluss schließt einen Stromkreis zwischen einem Außenleiter und der Erde. Der fließende Strom wird durch die Impedanz des Rückführpfads bestimmt; dieser Rückführpfad entsteht durch die Verbindung zwischen dem Systemneutralleiter und dem Erdungssystem. Ändern Sie diese Verbindung, so ändern Sie den Kurzschlussstrom, die Erkennungsgeschwindigkeit sowie das Ausmaß der Schäden, die während der Fehlerbeseitigung entstehen.

Zwei Referenzen verdienen es, in der Spezifikation genannt zu werden. IEEE Std 3003.1-2019 behandelt die Systemerderdung für industrielle und gewerbliche Stromversorgungssysteme und ist der moderne Nachfolger der Green-Book-Familie; IEEE Std C62.92.1-2016 behandelt die Neutralerderdung für Versorgungsnetze mit einer Nennspannung über 1.000 V. Beide Standards beruhen auf demselben Kompromiss: Der Erdschlussstrom muss hoch genug sein, um zuverlässig erkannt zu werden, und zugleich niedrig genug, um keine Geräteschäden zu verursachen.

Die nachstehende Tabelle fasst die vier Verfahren zusammen.

Methode	Typischer Kurzschlussstrom	Erkennungsphilosophie	Einsatzbereich
Feste Erdung	Bis zum kurzgeschlossenen Dreiphasenwert	Sofortige Überstromauslösung	480 V und darunter, Niederspannungsverteilung
Niedrigohmige Erdungsart (LRG)	100 A – 1.000 A, üblicherweise 200 A – 400 A	Überstromrelais, selektive Koordination	Mittelspannungs-Industrieverteilung mit Anforderung an selektives Auslösen
Hochohmige Erdungsart (HRG)	5 A – 25 A	Empfindliches Relais, zunächst Alarmierung	Antriebsintensive Anlagen, kontinuierliche Prozesse, Rechenzentren
Zick-Zack-Erdungstransformator	Eingestellt durch den Widerstand oder das Transformator-Design	Empfindliches Relais	Dreieck-Systeme, kein zugänglicher Neutralleiter

 

Feste Erdung: Die geringsten Kosten und der höchste Fehlerstrom

Bei einem fest geerdeten System ist der Neutralleiter direkt mit dem Erdungselektrodensystem verbunden. Nichts begrenzt den Strom, sodass ein Phasen-Fehler-zu-Erde nahe am dreiphasigen Kurzschlussstromwert liegen kann, der an dieser Stelle verfügbar ist – zehn Kilopampere bei einer 2.000-kVA-Einheit mit 480 V. Das ist kein Konstruktionsfehler; das ist genau der Sinn dahinter. Der Fehlerstrom ist groß, jedes Schutzelement erkennt ihn, und er wird innerhalb weniger Netzzyklen abgeschaltet.

Die Rechnung kommt anderswo herein. Die Bus-Stützung, die Unterbrechungsleistung der Leistungsschalter und die Berechnung der Einwirkenergie in der Lichtbogen-Studie skalieren alle mit diesem Strom. Eine feste Erdung bleibt für die meisten 480-V-Systeme die praktische Wahl, weil die Phasen-zu-Erd-Spannung bei 277 V bleibt und die Anforderungen an Isolierung sowie Überspannungsableiter moderat bleiben. Wo dies keinen Sinn mehr ergibt, ist im Mittelspannungsbereich, wo dieselbe Logik Kurzschlussströme erzeugt, die Transformator, Kabel und Schaltanlagen lieber nicht sehen würden.

Eine Folge überrascht Menschen. Bei einem fest geerdeten System beginnen die meisten Fehler als einphasige Phasen-zu-Erd-Störung und werden behoben, bevor sie sich verschärfen. Bei einem nicht geerdeten oder hochwiderständig geerdeten System wird der erste Fehler häufig überhaupt nicht beseitigt.

 

Widerstandserdung: Niedrigwiderstand versus Hochwiderstand

Das Einsetzen eines Widerstands zwischen Neutralleiter und Erdung verwandelt eine Konstruktionsphilosophie in eine konkrete Zahl. Bei der niederohmigen Erdung wird der Strom typischerweise auf einige hundert Ampere begrenzt – im Mittelspannungsbereich sind 200 A bis 400 A üblich – was immer noch ausreichend ist, damit herkömmliche Überstromrelais den Fehler erkennen und eine selektive Auslösung koordinieren können. Daher wird die niederohmige Erdung (LRG) dort eingesetzt, wo das Betriebswerk eine fehlerbehaftete Zuleitung gezielt abschalten möchte, anstatt den Hauptanschluss abzuschalten.

Die hochohmige Erdung geht noch einen Schritt weiter und begrenzt den Erdfehlerstrom auf 5 A, 10 A oder 25 A. Auf diesen Stufen löst der Fehler normalerweise lediglich eine Alarmmeldung aus, statt einen Abschaltvorgang auszulösen; der Betrieb kann daher fortgesetzt werden, während die Instandhaltung die Fehlerstelle lokalisiert. Industrieanlagen mit vielen Antrieben, kontinuierliche Prozessanlagen, die einen unvorhergesehenen Abschaltvorgang nicht verkraften können, sowie Mittelspannungsverteilungen in Rechenzentren setzen alle auf diesen Ansatz. Der Transformator und die Kabel müssen nicht mehr einem mehrkilosampere-Stromstoß standhalten, und die Lichtbogenexplosionsgefahr (arc-flash) bei einem Erdfehler nimmt mit dem Strom ab.

Hier ist der Teil, den die meisten Käufer übersehen. Ein Hochwiderstands-Erdungssystem funktioniert nur dann, wenn der durch den Widerstand fließende Strom größer ist als der System-Lade-Strom. Der Lade-Strom von abgeschirmten Kabeln, Überspannungsableitern und Antriebseingangsfiltern ist ein realer Strom und fließt bei einem Erdfehler gemeinsam durch den Widerstand und den Fehler. Ist der Widerstandsstrom kleiner als dieser, kann das Relais einen Fehler nicht von normaler kapazitiver Strömung unterscheiden – genau das ist im Beispiel passiert, mit dem dieser Artikel eröffnet wurde. Die korrekte Vorgehensweise ist: Erst den kapazitiven Strom der konkreten Installation messen, dann einen Widerstandsstrom wählen, der deutlich darüber liegt, und erst danach die Zeitvorgabe festlegen.

 

 

Zick-Zack-Erdungstransformatoren: Ein Neutralleiter, wo keiner vorhanden ist

Alles oben Gesagte setzt eine neutrale Verbindung voraus, an die man einen Widerstand anschließen kann. Eine dreieckförmig geschaltete Quelle oder ein Transformator, dessen sekundärer Neutralleiter nicht herausgeführt ist, bietet keinen solchen Anschlusspunkt. Eine Zickzack-Schaltung löst dieses Problem. Ihre Wicklungen weisen eine geringe Impedanz gegenüber Nullsequenzstrom auf und schaffen daher gezielt einen Rückführpfad für Erdfehlerstrom; gleichzeitig weisen sie eine hohe Impedanz gegenüber Positiv- und Negativsequenzstrom auf, sodass das Gerät im Normalbetrieb nahezu keinen Laststrom führt. Eine Stern-Dreieck-Schaltung erfüllt dieselbe Aufgabe mit einer anderen Wicklungsanordnung.

Dieses Verhalten ist der Grund dafür, dass ein erdungstransformator wird aus einem völlig anderen Datenblatt als ein Lasttransformator spezifiziert. Die zu vereinbarenden Werte sind der kurzzeitige Neutralstrom und seine Dauer – 10 Sekunden und 1 Minute sind die üblichen Nennwerte – sowie eine kontinuierliche Neutralstromfähigkeit für die bei normalem Betrieb auftretende Unsymmetrie, die bei einer Zick-Zack-Einheit typischerweise nur wenige Prozent des kurzzeitigen Wertes beträgt. Legt man die Spezifikation allein auf den kurzzeitigen Wert fest, führt eine dauerhafte Unsymmetrie zu einer Überhitzung. Legt man sie wie bei einem Lasttransformator fest, kauft man Kupfer, das niemals genutzt wird.

Bei systemen mit vielen Antrieben wird die Zick-Zack-Einheit üblicherweise mit einem Widerstand kombiniert. Der Widerstand bestimmt den durchlassbaren Strom; der Transformator stellt das Neutralpotential bereit, das der Widerstand benötigt.

 

Dimensionierung des Widerstands: Vier Werte, die entscheiden, ob er funktioniert

Ein Neutralpunkt-Erdungswiderstand ist ein Kurzzeitgerät mit nur wenigen kritischen Nennwerten. Diese vier Werte entscheiden, ob die Schaltung im Betrieb funktioniert:

• Gemessener kapazitiver Strom. Messen Sie es an der realen Installation und bei der realen Spannung. Tabellenwerte sind ein Ausgangspunkt, keine endgültige Antwort.
• Durchlassstrom. 5 A, 10 A oder 25 A für hochohmige Erdung; 200 A bis 400 A für niederohmige Erdung. In beiden Fällen muss der Wert oberhalb des gemessenen kapazitiven Stroms liegen – mit Sicherheitsabstand.
• Zeitbelastbarkeit. Zehn Sekunden und eine Minute sind üblich. Ein 400-A-Widerstand mit 10-Sekunden-Belastbarkeit in einem 13,8-kV-System setzt während des Fehlerstromdurchgangs etwa 3,2 MW um – das entspricht rund 32 MJ Energie innerhalb von zehn Sekunden. Ein dauerhafter Fehlerstrom zerstört das System.
• Spannungs- und Isolationsfestigkeit. Während eines Erdfehlers hält der Widerstand kontinuierlich die volle System-Phasen-Nulleiter-Spannung für die gesamte Dauer des Ereignisses.

Zwei weitere Punkte gehören zwar zum gleichen Themenkreis, stehen aber nicht auf dem Widerstands-Datenblatt: das Erkennungsverfahren – also, wie die Schutzeinrichtung auf den gemessenen Strom reagiert (Alarm oder Auslösen) – sowie bei niederohmiger Erdung die Frage, ob die Koordinationsstudie weiterhin gültig bleibt, sobald der Strom begrenzt wird.

 

Wie Ryan Electric das Erdungsdesign bei Sonderanfertigungen unterstützt

Das Erdungsdesign beginnt beim Transformator, denn die Wicklungskonfiguration entscheidet darüber, ob überhaupt ein Neutralleiter vorhanden ist. Bei einem kundenspezifischer Dreiphasen-Transformator mit Sternschaltung am Sekundär werden wir den Neutralleiter über eine isolierte Durchführung führen, die für die vom Berechnungsbericht festgelegte Erdschlussbelastung ausgelegt ist; zudem liefern wir die für Erdungs- und Koordinationsstudien erforderlichen Daten zur Wicklungskonfiguration und zum Vektorkreis. Falls das Erdungskonzept des Kunden Widerstands- oder Zickzack-Erdung vorsieht, klären wir die Neutralleiter-Anordnung bereits in der Angebotsphase ab – nicht erst bei der Abnahmeprüfung im Werk. Dies ist ein fünfzehnminütiges Gespräch zu Beginn und vermeidet sonst eine Nacharbeit.

Wir fertigen in einer 120.000 Quadratmeter großen Anlage mit mehr als 180 Produktions- und Prüfeinrichtungen sowie 37 Patenten und besitzen Zertifizierungen nach UL, CSA, IEEE, DEKRA, CNAS und CE. Seit 2023 agiert Ryan Electric als offizieller Joint-Venture-Partner von Eaton. Der Routine-Prüfbericht, der mit jeder Einheit ausgeliefert wird, enthält die Daten zum Wicklungswiderstand und zum Übersetzungsverhältnis, die ein Inbetriebnahme-Team vor Ort benötigt, um die Neutral- und Erdverbindungen zu bestätigen.

 

Senden Sie das Erdungskonzept zusammen mit der Transformator-Anfrage

Senden Sie uns das einpolige Schaltbild, die Erdungsmethode, den vorgesehenen Neutralstrom und dessen Dauer sowie die Transformator-Nennleistung. Unser Ingenieurteam liefert Ihnen daraufhin eine Neutralpunkt-Erdungsanordnung für den Transformator, die genau auf Ihre Studie abgestimmt ist – inklusive Neutralpunktdurchführung –, sodass der Inbetriebnahmeingenieur lediglich ein bereits vorhandenes Design bestätigt, statt eines neu zu entdecken. Die richtige Grundlagenarbeit bereits bei der Angebotserstellung kostet nichts; ihre Entdeckung erst nach dem ersten Erdschluss bedeutet einen Ausfall.

 

Über den Autor: Dieser Artikel wurde vom Ingenieurteam bei Ryan Electric (Jiangsu Ryan Transformers) verfasst, einem Hersteller von Gießharz-, ölgekühlten und platzsparenden Transformatoren, der seit 2007 Versorgungsunternehmen, Rechenzentren, Anlagen zur Erzeugung erneuerbarer Energien sowie Industriekunden bedient. Das Team arbeitet täglich mit den Anforderungen der Normen IEEE C57 und IEC 60076 und unterstützt Projektentwickler sowie EPC-Unternehmen bei der Spezifikation, der Werksprüfung und der Inbetriebnahme vor Ort.