Netzsysteme.einfach erklärt.

Ob Wohnung, Bürogebäude, Werkstatt oder Krankenhaus: jede elektrische Anlage ist Teil eines Niederspannungsnetzes mit einer bestimmten Erdungsart. Diese Erdungsart — das Netzsystem — entscheidet darüber, wie Fehlerströme fließen, welche Schutzmaßnahmen wirksam sind und welche Schutzeinrichtungen sinnvoll eingesetzt werden können.

Wer Netzsysteme versteht, versteht auch, warum manche Anlagen mit einem FI-Schutzschalter allein abgesichert werden können, während bei anderen zusätzlich eine Isolationsüberwachung oder eine bestimmte Schleifenimpedanz gefordert ist. In Österreich ist die Auswahl und Ausführung von Netzsystemen in der OVE E 8101 geregelt.

Dieser Beitrag ist eine eigenständige Erklärung auf Basis fachlicher Erfahrung und öffentlich verfügbarer Beschreibungen — der verbindliche Normtext der OVE E 8101 wird ausdrücklich nicht wiedergegeben.

Ein Netzsystem ist die Kombination aus der Erdungsart der Stromquelle (typischerweise der Sternpunkt des Verteilnetz-Transformators) und der Erdungsart der elektrischen Verbraucheranlage. Die international übliche Bezeichnung folgt zwei bzw. drei Buchstaben: TN, TT, IT — ergänzt durch C, S oder C-S beim TN-System.

Aus der Netzsystem-Wahl ergeben sich die Grundlagen für den Schutz gegen elektrischen Schlag, die Anforderungen an den Potentialausgleich, das Verhalten im Fehlerfall und die Auswahl der Schutzeinrichtungen (z. B. LS-Schalter, FI, Isolationswächter).

Die Außenleiter führen die drei Phasen des Drehstromnetzes. In Österreich beträgt die Nennspannung zwischen Außenleiter und Neutralleiter 230 V, zwischen zwei Außenleitern 400 V.

Der Neutralleiter führt den Rückstrom einphasiger Verbraucher zum Sternpunkt zurück. Er wird nicht geschaltet, wenn dies zu einer Aufhebung des Schutzes führen würde, und darf im TN-S nicht mit dem Schutzleiter verbunden werden.

Der Schutzleiter verbindet berührbare leitfähige Teile mit der Erdung. Er ist in der Regel grün-gelb gekennzeichnet und darf im Normalbetrieb keinen Betriebsstrom führen.

Der PEN-Leiter erfüllt die Funktionen von N und PE gleichzeitig. Er wird üblicherweise mit blauem Mantel und grün-gelber Kennzeichnung an den Enden markiert und darf nur in ausreichenden Querschnitten ausgeführt werden.

Als Erdung bezeichnet man die leitfähige Verbindung eines Anlagenteils mit dem Erdreich. Sie ist Voraussetzung für viele Schutzmaßnahmen und wird über einen Erder (z. B. Fundamenterder) realisiert.

In öffentlichen Verteilnetzen sind die Sekundärwicklungen des Transformators im Stern geschaltet. Der gemeinsame Punkt der drei Wicklungen ist der Sternpunkt und bildet den Bezugspunkt für den Neutralleiter.

Wird der Sternpunkt direkt geerdet, entstehen TN- und TT-Systeme (je nach Ausführung der Verbraucheranlage). Ist der Sternpunkt isoliert oder über eine hohe Impedanz mit Erde verbunden, spricht man von einem IT-System.

Die Erdung des Sternpunktes bestimmt den Weg des Fehlerstromes im Fehlerfall, die zu erwartende Berührungsspannung sowie die notwendigen Schutzmaßnahmen. Das ist nicht Formalie, sondern die technische Grundlage jeder sicheren Anlage.

Der Basisschutz verhindert das Berühren aktiver, spannungsführender Teile — etwa durch Isolierung, Abdeckungen oder Gehäuse. Er wirkt im ungestörten Betrieb.

Der Fehlerschutz greift im Fehlerfall, wenn z. B. ein Körperschluss auftritt. Er stellt sicher, dass gefährliche Berührungsspannungen begrenzt oder rechtzeitig abgeschaltet werden — je nach Netzsystem durch Überstromschutz, FI-Schutzschalter oder Isolationsüberwachung.

Als zusätzlicher Schutz wird häufig ein FI mit Bemessungsdifferenzstrom von 30 mA gefordert — insbesondere für Steckdosenstromkreise in Wohnungen, für Räume mit Badewanne oder Dusche und in vielen weiteren Anwendungsfällen.

Im TN-System besteht eine niederohmige Verbindung zwischen dem Sternpunkt der Quelle und dem Schutzleiter der Anlage. Damit fließt ein Kurzschlussstrom im Fehlerfall überwiegend über die Fehlerschleife im Netz zurück — nicht über die Erde.

TN kommt in drei Varianten vor: TN-C (N und PE als PEN kombiniert), TN-S (N und PE durchgehend getrennt) und TN-C-S (Kombination beider Bauarten). In österreichischen Neuanlagen dominiert die Variante TN-C-S mit TN-S im Verteilbereich.

Vom Transformator bis in die Verbraucheranlage wird ein einziger Leiter geführt, der zugleich Rückleiter (N) und Schutzleiter (PE) ist. Der PEN ist geerdet und verbindet die berührbaren leitfähigen Teile mit dem Sternpunkt.

In neuen Endstromkreisen wird TN-C in Österreich nicht mehr ausgeführt. TN-C ist in modernen Anlagen auf den Bereich vom Verteilnetz bis zum Hausanschluss beschränkt — dort geht es dann als TN-C-S in die Anlage über.

Vom Sternpunkt bis in die Verbraucheranlage werden N und PE als eigenständige Leiter geführt. Der PE führt im Normalbetrieb keinen Strom.

TN-S ist der Standard in modernen Endstromkreisen, z. B. in Wohnungen, Bürogebäuden, Rechenzentren und Objekten mit sensibler Elektronik.

An einer definierten Stelle — meist im Hausanschluss- oder Hauptverteiler — wird der PEN in getrennte N- und PE-Leiter aufgeteilt. Ab diesem Punkt ist die Anlage als TN-S ausgeführt.

Der Übergabepunkt zwischen Netzbetreiber und Kundenanlage liegt in Österreich typischerweise im Hausanschlusskasten. Von dort aus verläuft die Zuleitung zum Hauptverteiler.

Am Hauptverteiler erfolgt die Aufteilung in N und PE, der Anschluss der Haupterdungsschiene sowie die weitere Verteilung auf Unterverteiler und Endstromkreise.

Der Anlagen-PE ist nicht mit dem Sternpunkt der Quelle verbunden, sondern über einen eigenen Erder mit dem Erdreich. Der Fehlerstrom fließt im Fehlerfall über das Erdreich zurück zur Quelle.

Die im Erdreich mögliche Impedanz ist deutlich höher als in einer TN-Fehlerschleife, wodurch reine Überstromschutzeinrichtungen häufig nicht rechtzeitig abschalten. Der FI-Schutzschalter ist deshalb im TT-System die zentrale Schutzeinrichtung gegen elektrischen Schlag.

TT-Systeme finden sich häufig bei bestimmten ländlichen Anschlüssen, an Freileitungsabgängen und in speziellen Objekten, in denen keine geeignete PEN-/PE-Verbindung zum Verteilnetz verfügbar ist.

Der Sternpunkt wird entweder gar nicht oder über eine hohe Impedanz mit Erde verbunden. Bei einem ersten Erdschluss fließt nur ein geringer Fehlerstrom — die Anlage kann kontrolliert weiterbetrieben werden.

Ein Isolationsüberwachungsgerät (IMD) misst kontinuierlich den Isolationswiderstand gegen Erde. Bei einer Unterschreitung des Grenzwertes wird ein Alarm ausgelöst, damit der Fehler geplant behoben werden kann, bevor ein zweiter Fehler auftritt.

IT-Systeme kommen dort zum Einsatz, wo eine hohe Verfügbarkeit gefordert ist — insbesondere in medizinisch genutzten Bereichen der Gruppe 2 (z. B. Operationssäle) sowie in Teilen der Industrie und in sicherheitsrelevanten Anlagen.

Historisch, materialsparend, aber empfindlich gegenüber PEN-Bruch und ungeeignet für FI-Anwendungen. In Endstromkreisen nicht mehr üblich.

Stand der Technik in modernen Endstromkreisen — EMV-günstig, sichere FI-Nutzung.

Regelfall in Österreich: TN-C vom Netz bis zum Hauptverteiler, TN-S in der Verbraucheranlage.

Anlage mit eigener Erdung, FI ist zentrales Schutzelement. Geeignet dort, wo keine PEN-Anbindung möglich ist.

Höchste Verfügbarkeit beim ersten Fehler, Isolationsüberwachung erforderlich. Anwendung in Medizin, Industrie und sicherheitsrelevanten Anlagen.

Der Fundamenterder ist in Österreich der Standard bei Neubauten. Er wird als Bandstahl oder Rundstahl im Beton des Fundamentes verlegt und ist wartungsarm sowie langlebig.

Tiefenerder werden vertikal in den Boden getrieben und eignen sich vor allem für Nachrüstungen. Ihre Wirksamkeit ist vom Bodenwiderstand abhängig.

Der Ringerder verläuft ringförmig um das Gebäude und ergänzt oder ersetzt in bestimmten Fällen den Fundamenterder — etwa bei Bestandsobjekten ohne Fundamenterder.

Über die Haupterdungsschiene werden leitfähige Anlagenteile miteinander verbunden. So werden gefährliche Potentialdifferenzen im Gebäude verhindert.

Der Schutzleiter verbindet berührbare leitfähige Teile mit der Erdung. Er darf im Normalbetrieb keinen Strom führen, muss durchgehend niederohmig sein und ist grün- gelb gekennzeichnet. Der PE wird nicht geschaltet und nicht getrennt — jede Unterbrechung ist ein sicherheitskritischer Fehler.

Der Neutralleiter ist im Normalbetrieb betriebsstromführend. In Anlagen mit hohem Anteil an Oberschwingungen (z. B. durch LED-Beleuchtung, Schaltnetzteile oder Frequenzumrichter) kann der Strom im N deutlich höher sein als in den Außenleitern. Der Querschnitt ist entsprechend zu planen. Der N wird bei Einsatz eines FI-Schutzschalters mitgeführt und nur unter den in den Errichtungsregeln beschriebenen Bedingungen geschaltet.

Der PEN-Leiter ist zulässig, wenn ein ausreichender Querschnitt vorhanden ist (üblich sind mindestens 10 mm² Cu bzw. 16 mm² Al). Er darf nicht geschaltet werden und muss geerdet sein. In Wohnungsinstallationen und in Endstromkreisen wird kein PEN verwendet — dort wird konsequent nach TN-S in getrennten N- und PE-Leitern installiert.

Über die Haupterdungsschiene werden PE, PEN, Fundamenterder, metallene Rohrleitungen (Wasser, Gas, Heizung), Blitzschutzanlage und weitere leitfähige Anlagenteile miteinander verbunden. In besonderen Räumen (z. B. Bad und Dusche) wird ergänzend ein zusätzlicher Potentialausgleich ausgeführt.

Beim Kurzschluss steigt der Strom auf ein Vielfaches des Nennstromes an. Die Schutzeinrichtung — meist ein Leitungsschutzschalter (LS) — muss den Stromkreis innerhalb der vorgeschriebenen Zeit abschalten. Die zu erwartende Höhe des Kurzschlussstromes hängt vom Netzsystem und von der Schleifenimpedanz ab.

Bei einem Körperschluss würde die Berührung des Metallteils zu einer gefährlichen Spannung führen, wenn der Schutz nicht funktioniert. Im TN-System fließt der Körperschlussstrom über den PE zurück, im TT-System über die Erde. FI-Schutzschalter erkennen diesen Strom in vielen Fällen zuverlässig und schalten ab.

Im TN- und TT-System löst ein Erdschluss eine Abschaltung durch LS oder FI aus. Im IT-System hingegen fließt beim ersten Erdschluss nur ein sehr kleiner Strom — das System bleibt betriebsbereit, wird aber über die Isolationsüberwachung als fehlerhaft gemeldet.

Als Grenzwert der zulässigen Dauerberührungsspannung wird in trockenen Räumen typischerweise 50 V AC angesetzt. Bei nassen oder besonderen Bereichen gelten strengere Werte (z. B. 25 V AC). Die Schutzmaßnahmen sind so zu planen, dass höhere Berührungsspannungen im Fehlerfall innerhalb der vorgeschriebenen Zeit abgeschaltet werden.

Die Fehlerschleifenimpedanz ist die Summe aller Widerstände auf dem Weg des Fehlerstromes — Transformator, Zuleitung, Fehlerort, PE bzw. Erde und zurück zur Quelle. Sie wird bei der Erstprüfung gemessen und ist entscheidend dafür, ob die vorgeschaltete Schutzeinrichtung ausreichend hohe Ströme sicher abschaltet.

Als Richtwert gelten in Endstromkreisen häufig 0,4 s im TN- und TT-System bei 230 V — bei Verteilstromkreisen sind bis zu 5 s zulässig. Ausschlaggebend sind stets die in den Errichtungsregeln vorgesehenen Grenzwerte. Ein FI-Schutzschalter erfüllt diese Anforderung in vielen Fällen ohne weitere Maßnahmen.

Da im TN-System hohe Kurzschlussströme fließen, würde der Basisschutz bereits durch LS-Schalter oder Sicherungen abschalten. Der FI mit 30 mA sorgt zusätzlich für den Personenschutz — z. B. bei Isolationsfehlern in Steckdosenstromkreisen — und für den Brandschutz durch Erkennung kleiner Ableitströme.

Weil die Fehlerschleife über das Erdreich verläuft, sind reine LS-Schalter oft nicht in der Lage, im geforderten Zeitraum abzuschalten. Der FI übernimmt diese Aufgabe und ist daher im TT-System praktisch nicht wegzudenken.

Beim ersten Fehler soll das IT-System weiterbetrieben werden. Erst beim zweiten Fehler entsteht ein hoher Strom, der von LS- oder FI-Schutzschaltern abgeschaltet wird. FI werden im IT-System daher gezielt in bestimmten Bereichen eingesetzt, nicht als flächendeckende Primärabsicherung.

Ob TN, TT oder IT: die Leitungen müssen so ausgelegt und geschützt werden, dass sowohl der Überlast- als auch der Kurzschlussfall beherrscht wird. Die Auswahl der Kennlinie (B, C, D) richtet sich nach den Einschaltströmen der Verbraucher und den Selektivitätsanforderungen im Verteiler.

Der Netzbetreiber liefert bis zum Übergabepunkt — dem Hausanschlusskasten oder dem Zähler. Ab der Übergabestelle beginnt die Verantwortung des Anlagenbetreibers bzw. der ausführenden Elektrofachkraft. In modernen Bauten erfolgt die Aufteilung des PEN in N und PE üblicherweise am Hauptverteiler — das Netzsystem geht dort von TN-C in TN-S über.

Die OVE E 8101 beschreibt die grundlegenden Anforderungen an die Auswahl und Ausführung von Netzsystemen, an Schutzmaßnahmen, Errichtung, Prüfung und Dokumentation. Dieser Beitrag ersetzt nicht das Studium der Norm — er bietet eine verständliche Einordnung.

Zu den in Österreich üblichen Schutzmaßnahmen zählen die automatische Abschaltung der Stromversorgung, die Schutzisolierung, die Schutztrennung, die Schutzkleinspannung sowie ergänzend die Differenzstrom-Schutzeinrichtung (FI).

PE und N sind so zu führen, dass Fehlerströme sicher zur Quelle zurückfließen können und der PE stromlos bleibt. Die Querschnitte richten sich nach dem zulässigen Bemessungsstrom, nach der Kurzschlussfestigkeit und nach den Umgebungsbedingungen.

Jede Anlage benötigt einen Hauptpotentialausgleich mit einer Haupterdungsschiene. In Sonderbereichen (z. B. Räume mit Badewanne oder Dusche) kommen zusätzliche Potentialausgleichsleiter zum Einsatz.

Netzbetreiber liefert im TN-C bis zum Hausanschlusskasten. Am Hauptverteiler wird der PEN in N und PE aufgeteilt — ab hier läuft die gesamte Wohnungs- und Objektinstallation im TN-S mit FI-Schutzschaltern (30 mA) für die Steckdosenstromkreise und den Nassbereich.

Vom Hauptverteiler gehen mehrere Steigleitungen (5-adrig, TN-S) zu den Wohnungsverteilern. Jede Wohnung erhält ihre eigenen FI- und LS-Schalter. Der Fundamenterder ist die zentrale Erde für das gesamte Objekt.

TN-S im Verteilbereich, LS-Schalter mit passenden Kennlinien für Motoren, FI Typ B oder B+ für Stromkreise mit Frequenzumrichtern. Zusätzlich ausgeführter Potentialausgleich für Maschinenrahmen.

In medizinisch genutzten Räumen der Gruppe 2 wird typischerweise ein medizinisches IT-Netz eingesetzt: isolierter Sternpunkt, Isolationsüberwachung, definierte Trenntransformatoren. FI-Schutzschalter kommen in Nebenstromkreisen zum Einsatz, sind aber nicht die primäre Schutzeinrichtung im OP.