Die Induktion und Gegeninduktion
Bild 7: Magnetische Streufeldberechnungen für I1 = 250 A, I2 = 216 A, I3 = 195 A und IN = 48,1 A (Quelle: CFW EMV Consulting AG in Reute/Schweiz)
Bild 8: Das Bild zeigt, dass der PE-Leiter im TN-S-Netz als Folge des Induktionsgesetzes nicht stromlos ist. Das rot eingezeichnete Streufeld induziert in die PE-Schlaufen Induktionsspannungen, die sich in der Praxis als Erdschlaufenströme (IPE) jederzeit nachweisen lassen, Teilströme findet man auch auf Elektronikplatinen und Datenkabelabschirmungen (Quelle: CFW EMV Consulting AG in Reute/Schweiz)
Bild 9: PE-Induktionsströme der betrachteten Leiteranordnungen bezüglich Querschnitt und Nennstrom (Quelle: CFW EMV Consulting AG in Reute/Schweiz)
Bild 10: Vergleich der Installationsarten (Quelle: CFW EMV Consulting AG in Reute/Schweiz)
Magnetische Streufelder erzeugen in elektrisch leitenden Materialien Induktionsspannungen, die, wenn diese parallel zu den stromführenden Leiter angeordnet sind – beispielsweise Erdleiter, Kabeltrassen, Gas- und Wasserleitungen – in sogenannte Erdschlaufenströme umgewandelt werden. Bei Nichtbeachtung dieser Problematik können so auch bei TN-S-Installationen massive Erdschlaufenströme entstehen, die nicht selten 10 % bis 15 % des größten Leiterstroms erreichen.
Die unangenehmen Folgen sind beispielsweise Korrosionsschäden, lästige Magnetfelderhöhungen, galvanische und magnetische Einkopplungen auf Elektronikplatinen, Daten- und Signalleitungen sowie zusätzliche Übertragungsverluste.
Genau genommen existieren zwei Induktionsprobleme, einerseits wenn der PE geometrisch unterschiedliche Abstände zu den Außenleitern aufweist (Induktion), anderseits wenn der PE parallel zu den Außenleitern angeordnet ist (Gegeninduktion). Diese physikalisch wichtige Erkenntnis erklärt, warum der PE auch in einer 5-Leiter-Standardleitung nicht induktionsfrei ist, selbst wenn alle Leiter miteinander verseilt sind. Bild 8 zeigt die Induktionsproblematik an den abgebildeten Leiteranordnungen.
Die immer noch weitverbreitete Einzeladerverlegung erweist sich auch in dieser Betrachtung als ungünstigste Variante, sowohl in Bezug auf das magnetische Streufeld (Bild 6) als auch in Bezug auf die induzierten PE-Ströme (Bild 8). Auch Dipl.-Ing. Karl-Heinz Otto, öffentlich bestellter und vereidigter Sachverständiger für Elektrotechnik, rät dringend von einer Einzeladerverlegung ab.
Auch Standardleitungen lösen das PE-Induktionsproblem nicht, weil der geometrische Abstand zu den Außenleitern unterschiedlich ist (Bild 5). Ab einem Leiterquerschnitt von 35 mm² liegen die PE-Induktionsströme im Bereich von 5 A. Alle Berechnungen wurden mit dem Simulationsprogramm EFC 400EP von der Forschungsgesellschaft für Umwelttechnik (FGEU) Berlin erstellt und bestätigen die praktischen Erfahrungswerte in jeder Beziehung.
Fazit
Nur die zentrische Anordnung des PE (Bild 5, rechts) verhindert induktive Einkopplungen und somit die gefürchteten Erdschlaufenströme. Werden die Außenleiter zusätzlich mit der optimalen Schlaglänge um den PE verseilt („CFW PowerCable-Technologie“), reduziert sich das magnetische Streufeld exponentiell. Müssen große Ströme übertragen werden, so dürfen mehrere Leitungen parallel geschaltet werden. Im Gegensatz zu Einleiterkabeln teilen sich bei Parallelschaltung die Ströme gleicher Leiter völlig gleichmäßig auf: Leiterüberhitzungen als Folge ungleicher Stromverteilung sind ausgeschlossen. Die elementaren Aussagen werden in der Tabelle in Bild 9 zusammengefasst. Induktionsfreie, streufeld- und verlustarme Starkstromleitungen gehören heute definitiv zum Stand der Technik.
Literatur
[1] Rudnik, S.: EMV-Fibel für Elektroniker, Elektroinstallateure und Planer. Berlin · Offenbach: VDE VERLAG, 2015
(ISBN 978-3-8007-4007-9)
[2] CFW EMV Consulting AG, Reute/Schweiz: www.cfw.ch