Brandschäden durch Leitungsüberlastung
Von Fritz Gronemeier, München
Dieser Beitrag zeigt – unter anderem an einem Praxisbeispiel – dass es aufgrund der in vielen Verwaltungsgebäuden immer stärker auftretenden Belastung durch Oberwellenströme nicht nur zu Störungen von elektronischen Geräten und Anlagen (IT, TK, GLT) kommen kann, sondern immer häufiger auch zu Schmor-, Brand- und dadurch letztendlich auch zu Überspannungsschäden.
Diese Gefahr sollte nicht unterschätzt und die Verantwortlichen im Unternehmen informiert werden.
Das Thema der Überlastung durch die so genannten N- oder PEN-Leiter ist bisher eher am Rande behandelt worden. Doch – und das beweisen die Statistiken der Versicherer – kommt es hier nicht selten zu Verschmorungen und auch zu Brandschäden in den Unterverteilungen – eine Bedrohung auch für die IT-Systeme. Glücklicherweise sind die Brand- und Brandfolgeschäden in ihrer Summe bisher noch nicht gravierend, doch muss die Frage: “Ist bei der erkannten Brandursache “technischer Defekt” bei dem einen oder anderen Brandschaden die wahre Brandursache “Überlastung des N- bzw. PEN-Leiters” nicht erkannt worden, oder aber ist nicht exakt genug danach gesucht worden?” gestellt werden.
Als Basis für diesen Beitrag dient ein Gutachten. Das Gutachten wurde von Dipl.-Ing. Michael Rieth-Hoerst (Sachverständiger und vom Innenministerium BW anerkannter Prüfer elektrischer Anlagen) erstellt, das sich speziell mit dieser Problematik beschäftigt. Das nachfolgende Beispiel zeigt an einem konkreten Schadensereignis die Gefahr, die im Prinzip jedem elektrischen System droht.
Die Praxis
In einem großen Kaufhaus mit technischem Angebot wurde eine Abteilung für Audio- und Videotechnik eingerichtet. Für mehrere überdimensionale Fernsehwände wurde aus der vorhandenen Unterverteilung die Last so aufgeteilt, dass die Belastung der einzelnen Phasen in etwa gleich groß war. Die im Wesentlichen von TV-Gräten aufgenommenen Leistungen bewirkten einen Phasenstrom, der in allen 3 Phasen ungefähr 50 Ampere hatte und damit im Rahmen des von der Unterverteilung zu erbringenden Stromes lag. Allerdings hatte sich niemand die Mühe gemacht zu prüfen, welcher Strom auf dem N-Leiter zu messen war. Aber schließlich steht in allen Lehrbüchern der Elektrotechnik, dass bei symmetrischer Belastung der drei Phasen der N-Leiter stromfrei ist. Nur bei unsymmetrischer Last fließt auf dem N-Leiter ein geringer Ausgleichstrom. Dass dies nur bei ohmscher, induktiver oder kapazitiver Last gilt, steht (wenn überhaupt) bestenfalls im Kleingedruckten.
Im vorliegenden Fall addierten sich bei Phasenströmen von jeweils ca. 50 Ampere die Oberwellenströme auf dem N-Leiter auf ca. 90 Ampere auf. Ein Wert, der für den installierten N-Leiter mit einem Querschnitt von 6 mm² deutlich zu hoch war. Durch die permanente Überlastung erhitzte sich der N-Leiter so stark, dass die Isolierung verschmorte. Zu diesem Zeitpunkt bemerkte noch niemand den noch relativ geringen Schaden, das Verhängnis nahm seinen Lauf.
Eine weitere Auswirkung der permanenten Überlastung war, dass der N-Leiter langsam, aber sicher, abschmorte, bis es zum Bruch des N-Leiters kam. Der Bruch des N-Leiters hatte zur Folge, dass durch den nicht mehr festen Sternpunkt mindestens eine der Phasen eine Überspannung erhielt, welche die Netzteile der angeschlossenen TV-Geräte zerstörte. Durch den sich aufgrund der ständig verändernden Belastung (einerseits durch Zerstörung von Netzteilen durch Überspannung, andererseits durch Abschalten von Sicherungsautomaten aufgrund von Überlastung) dauernd veränderten Sternpunkt setzte ein Prozess des ” Hin- und Herschaukelns” ein, der sich so lange fortsetzte, bis nahezu alle Netzteile der TV-Geräte an den Fernsehwänden zerstört waren. Nach Angaben des Personals haben die TV-Geräte “geraucht”. Der Gesamtschaden lag deutlich im 6-stelligen Bereich.
Die “oberwellengerechte” Elektroinstallation:
Für eine “oberwellengerechte” Elektroinstallation sind mehrere Faktoren von Bedeutung. Als Erstes muss selbstverständlich die richtige Netzform für die Stromversorgung vorhanden sein. VerPENnte Stromversorgungsnetze (TN-C- oder TN-C-S-Netz), in denen auf allen PE- und/oder PA-Leitungen und auf allen daran angeschlossenen Systemen vagabundierende Ströme in Größenordnungen bis über 50 (fünfzig) Ampere zu messen sind, dürfen auf keinen Fall akzeptiert werden, wenn folgende elektronische Geräte in nennenswerter Anzahl zum Einsatz kommen:
- Schaltnetzteile (werden für nahezu alle elektrischen Geräte und Anlagen eingesetzt, in denen elektronische Bauteile vorhanden sind)
- USV-Anlagen mit elektronischem Gleich- und Wechselrichter
- thyristorgesteuerte Antriebsregelungen
- elektronische Vorschaltgeräte für Leuchtstofflampen
- Dimmer für ohmsche Lasten (Helligkeitssteuerungen für Glühlampen, Leuchtstofflampen etc.)
IT-Systeme
Nach Erfahrungen treten Probleme in vernetzten Computersystemen (Datenpaketfehler, Server “verliert” Client oder umgekehrt, unerklärbare Abstürze von Servern oder Clients, Datenverfälschungen oder -verluste etc.) bereits ab 50 bis 100 mA vagabundierender Ströme auf den Datenleitungen auf. Messungen haben vagabundierende Ströme von bis zu 0,8 Ampere auf einer Kat-5-Verkabelung, von bis zu 2,3 Ampere auf Koaxialkabeln und von bis zu 3,7 Ampere auf den Systemkabeln einer Rechner-Rechner-Kopplung ergeben. Dabei wurden Frequenzen von 16 2/3, 100 und 150 Hz gemessen, was die für die Stromversorgung zuständigen Fachkollegen nicht selten in höchstes Erstaunen versetzte, denn laut Ausbildung ist “in Deutschland und im europäischen Verbundnetz die Frequenz der Stromversorgung 50 Hz, außer für Bahnanlagen, hier ist die Frequenz 16 2/3 Hz”.
Grundsätzlich muss mit den oben geschilderten oder anderen Problemen bis hin zu Schäden an elektrischen und/oder elektronischen Geräten und Anlagen gerechnet werden, wenn der Strom (Oberwellenstrom) auf dem PEN- oder N-Leiter die Größenordnung von 10 % des geringsten Phasenstromes erreicht oder übersteigt. Ist dies der Fall und treten Probleme der oben geschilderten Art auf, hilft nur der Umbau der Stromversorgung und der Aufbau eines lückenlosen 5-adrigen TN-S-Netzes. Dabei muss nach dem Umbau durch Messung nachgewiesen werden, dass der Strom über die Verbindung vom N- zum PE-Leiter in der Größenordnung von 0 Ampere liegt. Ist dies nicht der Fall, sind entweder noch unentdeckte Brücken zwischen N- und PE-Leiter vorhanden oder die Ableitströme von elektronischen Filtern zu hoch. In beiden Fällen kann ein Experte mit der entsprechenden Erfahrung helfen, die richtige Fehlerquelle zu orten und entsprechende Maßnahmen zur Beseitigung ergreifen.
Auch wenn keine der oben geschilderten Probleme vorhanden oder bekannt sind: Übersteigt der Strom (Oberwellenstrom) auf dem PEN- oder N-Leiter die Größenordnung von 100 % des maximal zulässigen Phasenstromes und ist der PEN- oder N-Leiter NICHT in seinem Querschnitt reduziert, oder übersteigt der Strom (Oberwellenstrom) auf dem PEN- oder N-Leiter die Größenordnung von 50 % des maximal zulässigen Phasenstromes und ist gleichzeitig der PEN- oder N-Leiter in seinem Querschnitt reduziert, muss wegen der Überlastung des PEN- oder N-Leiters mit den eingangs geschilderten Schäden (Verschmorung, Brand, PEN- oder N-Leiterbruch) gerechnet werden.
Die Gefahr durch Verschmorung oder Brand kann entweder durch entsprechende Vergrößerung des Querschnittes (doppelter Phasenquerschnitt) des PEN- oder N-Leiters oder durch spezielle Verdrosselung des N-Leiters (Frequenzsperren für 16 2/3 und/oder 100 und/oder 150 Hz) verringert werden. Welcher der beiden Lösungen im Einzelfall der Vorzug gegeben werden wird, sollte mit einem Experten mit entsprechender Erfahrung besprochen werden.
Fazit
Zusammenfassend muss gesagt werden, dass der oben beschriebene Schaden in seinem Ausmaß sehr leicht hätte verhindert werden können. Die erforderlichen Investitionskosten hätten bei deutlich weniger als 1 % der anschließenden Schadenkosten gelegen.Weiterhin ist festzustellen, dass für den Betrieb von moderner Elektronik in einem modernen Gebäude leider immer noch die hoffnungslos veralteten TN-C- oder TN-C-S-Netze installiert werden, ein Fehler, der nach den gültigen Normen zwar grundsätzlich zulässig ist, nach einem vom Bundesgerichtshof im Mai 1998 veröffentlichten Urteil im Schadensfall aber zu Lasten des Elektroinstallateurs gewertet wird. Für den Handwerksbetrieb ergibt sich hieraus fast zwangsläufig die Forderung nach einer EMV-gerechten Elektroinstallation, aufgebaut als TN-S-Netz.
Fritz Gronemeier ist Senior Security Consultant bei der TESCON, Beratungsgesellschaft für betriebliche Sicherheit mbH.
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KES 3/2000, Seite 18
