Ableitströme in Netzentstörfiltern, Teil 2

Methoden zur Messung der Ableitströme in Netzfiltern

30.10.2006 | Autor / Redakteur: Ulrich Stitz* / Reinhard Kluger

Aufgrund der sicherheitsrelevanten Auswirkungen sind die Ableitströme ein wichtiger Faktor beim Einsatz von Netzfiltern. Viele Hersteller geben aus diesem Grund den maximal zu erwartenden Ableitstrom pro Phase für Filter an. Bei diesen Angaben sollte man beachten, dass der angegebene Ableitstrom nicht das Ergebnis einer Messung ist, sondern ein berechneter Wert. Die Messung der Ableitströme ist in den Normen genau definiert und lässt sich daher gut reproduzieren. Allerdings sollte der Anwender berücksichtigen, dass sich diese Messung nicht als Produktionstest an 100% der Filter vornehmen lässt, sondern nur als Typenprüfung während der Zertifizierung möglich ist.

Ableitströme sind Ströme, die beim Betrieb eines Elektrogerätes über den Schutzleiter gegen Erde abfließen. Da solche Ströme ein Sicherheitsrisiko für den Benutzer darstellen, legen die gängigen Sicherheitsnormen für verschiedene Produkte Grenzwerte für den Ableitstrom fest, die nicht überschritten werden dürfen. Immer häufiger finden dabei auch Fehlerstromschutzschalter Anwendung, die beim Überschreiten des Ableitstroms auslösen und den Stromkreis unterbrechen.

Auch Netzentstörfilter, EMI-Filter genannt, tragen durch ihre Kondensatoren gegen Erde zum Ableitstrom des Gerätes bei. Da aufgrund der heutigen Technologien in immer mehr Produkten Entstörfilter Anwendung finden, wird auch die Thematik des Ableitstroms für solche Filter immer wichtiger. Verunsicherung beim Endanwender entsteht vor allem dadurch, dass Filterhersteller die Ableitströme ihrer Filter auf verschiedene Weisen bestimmen und dadurch die Vergleichbarkeit zwischen einzelnen Filterherstellern verloren geht. Während sich der erste Teil dieses Artikel den Grundlagen und der Berechnung von Ableitströme widmete, veranschaulicht Teil 2 die Messverfahren von Ableitströme.

Neben dem Berechnen des Ableitstroms gibt es auch die Möglichkeit der Messung dieser Ströme. Die notwendigen Messmethoden sind in verschiedenen Normen beschrieben. Obgleich sich die Messungen in Details unterscheiden, sind sie doch grundlegend ähnlich. Daher betrachtet dieser Artikel lediglich die Messung nach EN 60950.

So sieht eine Messung gemäß EN 60950 aus

Wie bereits in Teil 1 unter „Normenvorgaben“ erwähnt, verwendet die EN 60950 die Begriffe „Berührstrom“ und „Schutzleiterstrom“ anstelle von „Ableitstrom“. Gemessen wird dabei der Berührstrom. Weil die Messungen für Ein- und Dreiphasennetze sehr ähnlich aufgebaut sind, wird hier nur die Messmethode für Einphasennetze erläutert.

Bild 1: Prüfanordnung für Berührströme
Bild 1: Prüfanordnung für Berührströme

Der grundsätzliche Prüfaufbau für die Messung zeigt Bild 1. Ausgang B der Messvorrichtung wird mit dem geerdeten Nullleiter des Systems verbunden, Ausgang A über den Schalter SPRÜF mit der Erdungsklemme des Prüflings, Schalter SPE ist dabei geöffnet.

Zusätzlich wird die Prüfung auch mit vertauschter Polarität vorgenommen. Zu diesem Zweck kommt Schalter SPOL zum Einsatz. Der zulässige höchste Berührungsstrom richtet sich nach der Art des Prüflings. Unabhängig von der Art des Gerätes wird der Berührstrom zudem für berührbare Teile des Gerätes gemessen. Diese Messung steht jedoch in keinem Verhältnis zum Ableitstrom über den Schutzleiter und wird daher hier nicht näher erläutert.

Für die in Bild 1 gezeigte Messvorrichtung gibt es grundsätzlich zwei Ausführungsformen. Zum einen kann der Anwender eine Spannungsmessung mit den folgenden Schaltungsparametern vornehmen:

RS 1500Ω, RB 500Ω, R1 10kΩ, CS 0,22μF, C1 0,022 μF.

Das eingesetzte Messgerät für die Spannung U2 muss folgende Voraussetzungen aufweisen: einen Eingangswiderstand größer 1MΩ, eine Eingangkapazität kleiner 200pF sowie einen Frequenzbereich von 15Hz bis 1MHz.

Bild 1a: Umrechnungsformel für den Berührungsstrom.
Bild 1a: Umrechnungsformel für den Berührungsstrom.

Die Umrechnungsformel für den Berührungsstrom lautet dann

Bild 3: Messvorrichtung zur Strommessung
Bild 3: Messvorrichtung zur Strommessung

Alternativ zur Spannungsmessung gemäß Bild 2 kann der Anwender den Strom aber auch mit einer Schaltung, wie sie Bild 3 mit unten folgenden Parametern darstellt, messen. M bezeichnet ein Drehspulmessgerät, D einen Messgleichrichter, S den Bereichsumschalter und RS einen induktionsfreien Widerstand für den Bereich X 10. R1+RV1+Rm betragen 1500Ω ±1% mit C=150nF ±1% oder 2000Ω ±1% mit C=112nF ±1% bei 0,5mA Gleichstrom.

Bild 2: Messvorrichtung zur Spannungsmessung
Bild 2: Messvorrichtung zur Spannungsmessung

Bei nicht sinusförmigen Schwingungsformen und falls die Grundfrequenz über 100 Hz liegt, lassen sich mit der Spannungsmessung gemäß Bild 2 genauere Ergebnisse erzielen.

Netztopologie wirkt sich auf Höhe des Ableitstromes aus

Der Ableitstrom ist dann am geringsten, wenn Netz und Schaltungsaufbau so symmetrisch wie möglich sind. Jede Unsymmetrie erhöht den Ableitstrom. Vor diesem Hintergrund wird auch verständlich, welchen Einfluss die Netztopologie auf den tatsächlichen Ableitstrom ausübt. Daher kann es notwendig sein, für speziell ausgelegte Netze eigene Filter zu entwickeln. Besonders häufig tritt diese Herausforderung auf bei japanischen Versorgungsnetzen und Filtern, die für europäische Netze entwickelt wurden.

Bild 4: Prinzipschaltung eines japanischen Versorgungsnetzes
Bild 4: Prinzipschaltung eines japanischen Versorgungsnetzes

Die Eigenheit des japanischen Netzes besteht darin, dass von den drei Phasen eine direkt geerdet ist, wie Bild 4 veranschaulicht. Durch diese Art der Schaltung entsteht nun ein Parallelkreis zwischen LL2 im einen Zweig und CL2 und C0 im anderen.

Bild 5: Ersatzschaltbild für Abbildung 4
Bild 5: Ersatzschaltbild für Abbildung 4

Das Ersatzschaltbild zeigt Bild 5. Durch diese Anordnung ergeben sich völlig veränderte Impedanzverhältnisse gegen Erde, die auch den Spannungsabfall und damit den Ableitstrom beeinflussen. Daher lassen sich die Angaben für Ableitströme europäischer Filter nicht automatisch für japanische Netze übernehmen.

Um diese Problematik zu umgehen, kann der Anwender für die geerdete Phase eine andere Impedanz im Filter vorzusehen. Damit entstünde ein unsymmetrisches Filter. Alternativ könnten auch die Impedanzen in allen Phasen des Filters erhöht und damit die Gesamtkapazität gegen Erde (Y-Kondensatoren) verringert werden, so dass ein symmetrischer Aufbau möglich ist, ohne dabei einen extremen Anstieg des Ableitstromes zu verursachen.

*Ulrich Stitz ist als Produkt Marketing Manager bei Schaffner EMV in Karlsruhe tätig.

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