Ableitströme unter der Lupe

Netzfilter werden oft als Blackbox betrachtet, für den effizienten und effektiven Einsatz von Filtern ist es jedoch hilfreich, einige Hintergrundinformationen zu kennen. Im Brennpunkt dieses Artikels stehen Ableitströme und was es in diesem Zusammenhang zu beachten gibt.

Netzfilter werden oft als Blackbox betrachtet, für den effizienten und effektiven Einsatz von Filtern ist es jedoch hilfreich, einige Hintergrundinformationen zu kennen. Im Brennpunkt dieses Artikels stehen Ableitströme und was es in diesem Zusammenhang zu beachten gibt.

Elektrische Einrichtungen müssen die Eigenschaft besitzen, in ihrer elektromagnetischen Umgebung zu funktionieren (Immunität), ohne dass sie diese Umgebung unzulässig beeinflussen (Emission).

Man spricht in diesem Fall von elektromagnetischer Verträglichkeit. Es lassen sich feldgebundene und leitungsgebundene Störungen unterscheiden. Bei den leitungsgebundenen Störungen gibt es symmetrische und asymmetrische Störungen, auch Gegentakt- beziehungsweise Gleichtaktstörungen genannt. Symmetrische Störungen fließen zwischen Phase und Neutralleiter, asymmetrische Störungen zwischen Phase/Neutralleiter und Schutzleiter. Verursacher solcher Störungen sind Schaltnetzteile, Frequenzumrichter, Prozessoren, Schaltvorgänge in elektronischen oder elektrischen Einrichtungen, Motorsteuerungen, usw.

Symmetrische Störungen lassen sich mit X-Kondensatoren reduzieren. Für die Dämpfung von asymmetrischen Störungen kommen für die tiefen Störfrequenzen stromkompensierte Drosseln, für die höheren Störfrequenzen Y-Kondensatoren zum Einsatz. Diese Y-Kondensatoren liegen je zwischen Phase/Neutralleiter und Schutzleiter und leiten die asymmetrischen Störungen von der Phase und des Neutralleiters über den Schutzleiter gegen Erde ab. Dadurch entstehen so genannte Ableitströme (Bild 1). Je größer die Kondensatoren, desto besser ist die Dämpfung des Filters und entsprechend höher sind auch die Ableitströme. Zusätzlich tragen parasitäre Koppelkapazitäten einer Anlage oder eines Gerätes sowie große Leitungslängen zum Ableitstrom des Filters bei. Dies führt zu einer Summe von Strömen, die durch den Schutzleiter fließen.

Diese Ableitströme können ein Sicherheitsrisiko darstellen. Je höher die Impedanz des Schutzleiters ist, desto größer ist das Sicherheitsrisiko für die Anwender. Berührt eine Person ein Gerät mit unterbrochenem Schutzleiter, fließt der Ableitstrom infolge der Unterbrechung über die Person gegen Erde ab (Bild 2).

Weiterhin beeinträchtigen im Gebäudenetz vorgeschaltete Schutzschalter den zuverlässigen Betrieb eines Gerätes infolge zu hoher Ableitströme. Diese so genannten Fehlerstromschutzschalter detektieren Ströme, die über den Schutzleiter abfließen und schalten die Versorgungsspannung beim Überschreiten eines bestimmten Schwellwertes ab. Aus diesem Grund gibt es für Ableitströme Grenzwerte, die einen zuverlässigen Betrieb ermöglichen und dafür sorgen, dass auch bei defektem Schutzleiter keine Personen zu Schaden kommen. Geräte- und Anlagenbauer müssen sicherstellen, dass ihre Produkte den Anforderungen betreffend Ableitstrom und elektromagnetischer Verträglichkeit gerecht werden. Hier besteht ein Zielkonflikt. In der Regel werden jedoch beide Rahmenbedingungen ohne spezielle Maßnahmen eingehalten. Es ist wichtig zu verstehen, dass man sich bei diesem Thema in einem Spannungsfeld befindet, da eine gute Filterwirkung zwingend höhere Ableitströme hervorruft.

Filterhersteller spezifizieren die Ableitströme ihrer Filter in den Datenblättern. Die Filternorm IEC 60939 legt allerdings nicht fest, wie diese Spezifikation zu erfolgen hat. Dies führt dazu, dass die unterschiedlichen Filterhersteller den Ableitstrom nicht zwingend nach derselben Methode bestimmen. Somit lassen sich auch die Angaben in den Datenblättern der unterschiedlichen Hersteller nicht direkt vergleichen. Auf der anderen Seite legen die Gerätenormen wie zum Beispiel die IEC 60950 für Bürogeräte, die IEC 60601-1 für medizinische Geräte oder die IEC 60335-1 für Haushaltsgeräte im Detail fest, welche Grenzwerte einzuhalten sind und nach welchen Verfahren zu messen ist. Geräteund Anlagenbauer stehen nun vor dem Problem, dass sie für die Einhaltung ihrer geltenden Norm-Komponenten verschiedene Hersteller evaluieren müssen, deren Angaben betreffend Ableitstrom nur mit Vorbehalten vergleichbar sind. Für die Bestimmung des Ableitstromes werden Berechnungsmodelle herangezogen, die auf idealisierten Bedingungen beruhen. Zwar werden die Toleranzen der Kapazitäten und der Netzspannung berücksichtigt, auf der anderen Seite werden die parasitären Effekte vernachlässigt. Allerdings führen die im idealisierten Modell gemachten Vereinfachungen zu vernachlässigbaren Fehlern, verglichen zu den doch relativ großen Toleranzen, die in die Berechnung einfließen. So werden beispielsweise die Kondensatoren mit ±20% Toleranz der Kapazität spezifiziert. Die Erfahrung lehrt, dass die Kapazitäten in der Realität viel kleineren Toleranzen unterliegen. Bei der Bestimmung der Ableitströme ist zwischen Ein- und Dreiphasenfiltern zu unterscheiden. Bei den einphasigen Filtern liegen im Regelfall Neutral- und Schutzleiter auf dem gleichen Potenzial.

Aus diesem Grund lässt sich das Schaltbild des Filters (Bild 3) durch ein vereinfachtes Ersatzschaltbild (Bild 4) darstellen. Der Ableitstrom lässt sich nun mit Gleichung (1) berechnen. Den größten zu erwartenden Ableitstrom erhält man bei maximal tolerierbarer Netzspannung (+10%) und maximal tolerierbarer Kondensatorkapazität (+20%) sowie bei einer Netzfrequenz von 60 Hz. Ein idealer dreiphasiger Filter hätte unter der Voraussetzung einer symmetrischen Belastung keine Ableitströme, auch bei großen asymmetrischen Störungen.