Schutzleiter
Foto: Rainer Schwarz
Autor: Pumbaa80
Der Schutzleiter wird vorwiegend anhand der DIN-VDE-Normen beschrieben, die Norm ist allerdings nur für Deutschland maßgeblich und für die Schweiz und Österreich nicht von Belang. Das meiste im Artikel Beschriebene ist aber auch für andere Länder gültig. Daher Bezüge auf deutsche Normen entfernen (allgemeiner Teil), ein länderspezifischer Teil kann folgen, in der auf den allgemeinen Teil bezogen wird, dort können die Normen beschrieben werden (EN bzw. DIN VDE/ÖN/SN). Ein Schutzleiter ist ein elektrischer Leiter zum Zweck der Sicherheit, zum Beispiel zum Schutz gegen einen elektrischen Schlag. Das Kurzzeichen für den Schutzleiter ist PE. Aufgabe des Schutzleiters in elektrischen Systemen ist der Schutz von Lebewesen im Falle eines Fehlers.
Grundlagen
Die Schutzmaßnahme Schutzerdung von elektrotechnischen Anlagen dient dazu, im Falle eines Schlusses eines aktiven (spannungsführenden) Leiters mit einem leitfähigen, berührbaren Teil (z. B. dem Gehäuse) dieses auf Erdpotenzial zu halten und so einen Stromfluss durch den (menschlichen) Körper gegen Erde zu verhindern oder zumindest zu verringern. Dazu sind bei Schutzklasse-I-Geräten alle berührbaren metallenen Teile mithilfe des Schutzleiters mit der Erde verbunden. Der Basisschutz (Schutz gegen direktes Berühren eines aktiven Teiles) ist die Isolation zwischen berührbarem leitfähigem Teil und der gefährlichen Spannung. Versagt dieser, greift der Fehlerschutz (Schutz bei indirektem Berühren bei Versagen der Basisisolation). Der Schutzleiter ist somit Voraussetzung für die beiden Teilmaßnahmen „Schutzerdung und Schutzpotentialausgleich“ und „Automatische Abschaltung im Fehlerfall“. Der Schutzleiter bildet einen Stromkreis für den Fehlerfall und bringt die Überstrom-Schutzeinrichtung zum Ansprechen.
Für Endstromkreise mit einem Nennstrom bis 32 A sind für das gängige 230/400 V-TN-Wechselstromnetz maximale Abschaltzeiten von 0,2 Sekunden festgelegt.<ref>DIN VDE 0100-410:2007-06 Abschnitt 411.3.2 Automatische Abschaltung im Fehlerfall, Tabelle 41.1</ref>
Maßgeblich für die Schutzeinrichtung ist, dass die Stromkreisimpedanzen folgende Voraussetzungen erfüllen: . Dabei ist
- die Summe aller Impedanzen in der Fehlerschleife (Stromquelle, Außenleiter, Schutzleiterkreis),
- der erforderliche Strom für die automatische Abschaltung,
- die Nennspannung für den Stromkreis, Außenleiter gegen Erde.
Die Abschaltung erfolgt durch Überstrom-Schutzeinrichtungen (Sicherungsautomaten, Sicherungen, Leitungsschutzschalter) und kann durch Fehlerstrom-Schutzschalter (RCDs) ergänzt werden.
Normung in Deutschland
Die aktuelle DIN VDE 0100-410 „Errichten von Niederspannungsanlagen – Schutzmaßnahmen; Schutz gegen elektrischen Schlag“ schreibt eine Reihe von Maßnahmen zum Schutz gegen elektrischen Schlag vor. Grundsätzlich verlangt die DIN VDE, dass eine Schutzmaßnahme aus einer geeigneten Kombination von zwei voneinander unabhängigen Schutzvorkehrungen besteht. Es handelt sich dabei in der Regel um eine Basisschutzvorkehrung und eine Fehlerschutzvorkehrung.
Die Voraussetzungen für die „automatischen Abschaltungen im Fehlerfall“ setzten sich zusammen aus Vorkehrungen, die vom Verteilungsnetzbetreiber verpflichtend zu erfüllen sind und aus Errichtungsbestimmungen für die Kundenanlage, die in der DIN VDE 0100-540 „Errichten von Niederspannungsanlagen – Auswahl und Errichtung elektrischer Betriebsmittel – Erdungsanlagen, Schutzleiter und Schutzpotentialausgleichsleiter“ festgelegt sind.
Neben der Festlegung von Begriffen, der technischen Ausführung von Erdungsanlagen und den Kriterien für Erder, Erdungsleiter und Schutzpotentialausgleichsleitern legt diese Norm wesentliche Ausführungsmerkmale für den Schutzleiter wie Mindestquerschnitte, Arten von Schutzleitern, Anordnung von Schutzleitern und Maßnahmen zum Erhalten der elektrischen Eigenschaften von Schutzleitern fest.
Historische Entwicklung
Dem Schutzleiter in der Form und Anwendung, wie wir ihn heute kennen, geht eine lange Entwicklung hinsichtlich der Methoden für Erdung und Nullung sowie schließlich der Einführung des „besonderen Leiters als Schutzleiter“ und ein langer Entscheidungsprozess hinsichtlich Farbgebung voraus.
Die Schutzmaßnahme „Nullung“ geht auf einen Vorschlag von AEG im November 1913 zurück, und im Jahr 1924 wird die Nullung in den damaligen Vorläufern der VDE 0100 genannt. Gleichzeitig wurde der Begriff „Nullleiter“ (damalige Schreibweise: Nulleiter) eingeführt, allerdings ohne ihn näher zu beschreiben. 1930 wurde der Nullleiter definiert und der Begriff „besondere Nullungsleitung“ (der Vorläufer des heutigen Schutzleiters) angewandt. Für den Anschluss ortsveränderlicher Betriebsmittel wird mit VDE 0488/1930 „eine besondere Steckvorrichtung mit Schutzkontakt“ verlangt. Als VDE 0140:1932 galt diese Forderung bis 1958.
In der VDE 0100:1936, §2 h) ist der Nullleiter beschrieben als Leiter, der mit dem Nullpunkt verbunden ist. Gemäß VDE 0100:1936, §2 g) wird als Nullen die Herstellung einer leitenden Verbindung zum geerdeten Nullleiter definiert. Der damalige Nullleiter entspricht also dem PEN-Leiter im heute als TN-C-System bezeichneten Netz. Mit der VDE 0100/11.58, §10 b.9 (mit Bildern) wird erstmals in der VDE der „besondere Schutzleiter“ für den „fest verlegten Teil der Anlage“ als mögliche Installation behandelt.
Ein ganz anderer Themenkreis ist die Farbgebung der Leitungen, die bis 1965 national sehr individuell war und nach diversen Quellen eine rote Farbkennzeichnung für den Schutzleiter in den Ländern Deutschland, Österreich, Schweiz (und anderen Ländern) vorsah.<ref>Kölner Rundschau vom 26. März 1977, Wiedergabe einer Auskunft des DKE-Telefonservice.</ref> Dabei ist zu beachten, dass die rote Farbkennzeichnung nicht ausschließlich dem Schutzleiter alleine vorbehalten war. Ein rot gekennzeichneter Leiter konnte auch ein geschalteter Außenleiter oder L2 im Dreileiter-Wechselstromnetz, nicht aber der PEN sein.
Was den Schutzleiter betrifft, gab es nur im Jahr 1965 eine wesentliche Umstellung in der Norm. Bis zu diesem Zeitpunkt gab es keinen grün/gelb-isolierten Draht. Die erstmaligen Festlegungen dafür finden sich in der VDE 0100/12.65, §10N, b 9.1 für den Schutzleiter und in der VDE 0100/12.65, §10N, b 8.1 für den Nullleiter (heute PEN-Leiter).<ref>Wilhelm Rudolph: VDE Schriftenreihe 39. Einführung in DIN VDE 0100. 2009, S. 536.</ref>
Ab 1958 gab es erste Gespräche der EG-Länder zum Thema Harmonisierung der „Elektrotechnischen Bestimmungen“. In der Folge begann man mit der 1959 gegründeten CENELCOM (der Vorgängerinstanz der CENELEC, dem Europäischen Komitee für elektrotechnische Normung) die Harmonisierung der Aderfarben zwischen den Mitgliedsländern. Teilerfolge waren die Einführung des grün-gelben Schutzleiters und die Harmonisierung der Aderfarben für flexible Leitungen.
Der Vorschlag einer grün-gelben Kennzeichnung für den Schutzleiter geht zurück auf Obering. Karl Kling (AEG-Zentralmontage in Berlin und Frankfurt am Main), Vorsitzender des Komitees für Sicherheitsvorschriften 1962–1978, wie einem Brief vom 8. September 1956 von Dr. Hans Walther (damals AEG-Fabrikenleitung) zu entnehmen ist.<ref>Zu Karl Klinger und Hans Walther: Siehe auch Geschichte der Elektrotechnik. Bd. 15, Teil 1, VDE-Verlag, Berlin/ Offenbach 1997, S. 246, 249 und 256.</ref> Die Unterlagen zur Entstehung des Schutzleiters in grün-gelber Kennzeichnung sind im VDE-Archiv in der Mappe 1022 gesammelt. Ein weiterer Beleg zu den Anfängen der grün-gelben Kennzeichnung des Schutzleiters ist dem Beitrag „die neue grün-gelbe Schutzleiterkennzeichnung“ von Theodor Wasserburger in ETZ-B – Elektrotechnische Zeitung, Ausgabe B, Band 13 (1961) H. 6 zu entnehmen (VDE-Archiv).
Die grün-gelbe Kennzeichnung dient dazu, den Schutzleiter auch bei schlechten Lichtverhältnissen eindeutig erkennbar zu machen.<ref>Wilhelm Rudolph: VDE Schriftenreihe 39. Einführung in DIN VDE 0100, 2009, S. 534, Bild 510-10.</ref>
Seit dem 1. Dezember 1965 darf ein grün-gelber Draht nur als Schutzleiter (bzw. auch als PEN) und für nichts anderes sonst verwendet werden.
In der aktuellen DIN VDE 0100-200:2006-06 ist der Schutzleiter (Bezeichnung: PE) unter Punkt 826-13-22 wie folgt definiert: „Leiter zum Zweck der Sicherheit, zum Beispiel zum Schutz gegen elektrischen Schlag [IEV 1 95-02-09]“.
Ausführung und Kennzeichnung
Die wesentlichen Bestimmungen hinsichtlich Ausführung und Kennzeichnung des Schutzleiters sind den entsprechenden Normen zu entnehmen, in Deutschland ist das die DIN VDE 0100-540. Dort, wie auch in der Schweiz muss ein Schutzleiter über die gesamte Länge mit der Farbkombination grün/gelb gekennzeichnet sein. Diese Farbkombination darf nur für Leiter mit Schutzleiterfunktion (also auch für PEN-Leiter) und für keinen anderen Zweck verwendet werden. Eventuell ungenutzte grün/gelb isolierte Leiter in mehradrigen Leitungen oder Kabeln dürfen nicht zweckentfremdet werden und bleiben gegebenenfalls ohne Verwendung. Gemäß EN 60204-1 sind zwar Einzelleiter in den Farben GRÜN oder GELB nicht grundsätzlich verboten, es ist aber folgende Festlegung aus Punkt 13.2.4 zu befolgen: Vorlage:Zitat
Für abweichende Drahtfarben des Schutzleiters in Deutschland vor 1965: Siehe Abschnitt Historische Entwicklung weiter oben.
Für Schutzleiter sind Mindestquerschnitte einzuhalten die der Bedingung für die automatische Abschaltung im Fehlerfalle (IEC 60949) unter Berücksichtigung aller wirksamen Stromkreisimpedanzen gerecht wird.
Außerdem gilt für Kabel und Leitungen mit Außenleitern und einem Querschnitt bis einschließlich 16 mm², dass der Schutzleiter gleich dem Querschnitt der Außenleiter sein muss. Für Außenleiter bis 35 mm² darf der Schutzleiter einen Querschnitt von 16 mm² haben und für Außenleiter mit einem Querschnitt > 35 mm² muss der Schutzleiter mindestens die Hälfte dieses Querschnitts aufweisen. Diese Regelung gilt nur für Schutzleiter (PE) und ist nicht auf PEN-Leiter anwendbar.
An Steckverbindern wird der Schutzleiter an besondere Schutzkontakte angeschlossen, die so angeordnet sind, dass sie vor den anderen Kontakten verbunden und nach den anderen Kontakten getrennt werden.
Schutzleiteranschlüsse an Geräten und Steckern sind so auszuführen, dass im Falle einer zu hohen Zugbelastung an der Anschlussleitungen der Schutzleiter erst dann reißt, nachdem alle aktiven (Strom führenden) Leiter getrennt sind. Dies erfordert eine ausreichende Überlänge für den Schutzleiter, die entweder bei der Fertigung der Anschlüsse zu berücksichtigen ist oder durch die örtliche Lage der Schutzleiterklemme zu den anderen Klemmen bei gleich abgelängten Drahtenden erfüllt wird. In solchen Fällen darf unter keinen Umständen die Überlänge des Schutzleiters gekürzt werden.
Geräte, die durch Schutzisolierung geschützt sind, erfordern keinen Schutzleiter. Anschlussleitungen, die einen Schutzleiter beinhalten, sind aber zulässig.
Weitere Schutzmaßnahmen
Der Schutzleiter ist Teil der Schutzmaßnahme Fehlerschutz – Schutz bei direktem Berühren, der die Maßnahmen Schutzerdung (Erdung über den Schutzleiter), Schutzerdung über die Haupterdungsschiene (auch als örtlicher Potentialausgleich bekannt) und die Maßnahme Automatische Abschaltung im Fehlerfall einschließt. Gemäß allgemeiner Regeln der Technik muss in einer elektrischen Anlage eine und dürfen mehrere Schutzmaßnahmen (unter Berücksichtigung aller Einflüsse) angewendet werden (DIN VDE 0100-410 Abschnitt 410.3.3).
Zusätzlich zum Fehlerschutz mit automatischer Abschaltung im Fehlerfall (oder an Stelle) sind folgende Schutzmaßnahmen allgemein erlaubt:
- Schutz durch doppelte oder verstärkte Isolierung; eine Schutzisolierung (Schutzklasse II) verhindert den direkten Kontakt zum Metallgehäuse, entweder durch ein Kunststoffgehäuse oder durch eine zusätzliche Isolierung im Innern.
- Schutz durch Schutztrennung für die Versorgung von elektrischen Anlagenteilen, dabei schalten Fehlerstrom-Schutzschalter die Stromversorgung ab, wenn geringe Fehlerströme gegen Erde fließen.
- Schutz durch Kleinspannung mittels SELV oder PELV.
Prüfung
Bei der Prüfung ist grundsätzlich zwischen der Prüfung einer elektrischen Anlage gemäß DIN VDE 0100-600 (z. B. für übliche Hausinstallationen) und der Prüfung elektrischer Geräte für den Hausgebrauch gemäß EN 60335-1 (VDE 0700-1:2012-10) zu unterscheiden.
Bei der Prüfung elektrischer Anlagen werden die Schutzleiter einschließlich der Potentialausgleichsleiter auf ihre Durchgängigkeit geprüft. Für die Grenzwerte der Leiterwiderstände gelten Richtwerte (< 1 Ω für Schutzleiter und < 0,1 Ω für Potentialausgleichsleiter), zu protokollieren ist die Schleifenimpedanz und zu erfüllen sind die Abschaltbedingungen.
Zur Funktionsprüfung der Schutzleiterverbindung elektrischer Geräte für den Hausgebrauch wird gemäß EN 60335-1 Anhang A, Abschnitt A1 ein Prüfstrom von mindestens 10 A aus einer Spannungsquelle mit einer Leerlaufspannung von bis zu 12 Volt an jedes berührbare Metallteil gegen den Schutzleiterkontakt gelegt und der Erdungswiderstand aus dem gemessenen Spannungsfall und dem Prüfstrom berechnet. Dieser darf maximal < 0,2 Ω für Geräte mit einer Netzanschlussleitung betragen (weitere Details siehe angeführte Norm).
Geringfügig abweichend dazu ist die Funktionsprüfung der Schutzleiterverbindung an Maschinen gemäß EN 60204.<ref>Der Widerstand jedes Schutzleitersystems zwischen der PE-Klemme und relevanten Punkten, die Teil jedes Schutzleitersystems sind, muss mit einem Strom zwischen mindestens 0,2 A und ungefähr 10 A gemessen werden. Dieser Strom ist einer elektrisch getrennten Versorgung (z. B. SELV, siehe IEC 60364-4-41, 413.1) mit einer maximalen Leerlaufspannung von AC 24 V oder DC 24 V zu entnehmen.</ref> Hier sind keine konkreten Werte festgelegt. Der Schutzleiterwiderstand muss hier dem Wert entsprechen, der entsprechend Leiterquerschnitt und Leiterlänge zu erwarten ist.
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