Netzsysteme & netzabhängige Schutzmaßnahmen

Was bedeuten die Buchstaben in der Netzbezeichnung – und welche Netzsysteme gibt es?

Die Kurzbezeichnungen TN-C, TN-S, TN-C-S, TT und IT sind keine willkürlichen Kürzel – sie folgen einem präzisen System nach der internationalen Norm IEC 60364 (in Österreich umgesetzt als ÖVE/ÖNORM E 8001). Jeder Buchstabe beschreibt eine konkrete Eigenschaft des Netzes.

Der erste Buchstabe beschreibt, wie der Sternpunkt der Spannungsquelle (also des Transformators im Netz) mit der Erde verbunden ist:

Der zweite Buchstabe beschreibt, wie die Gehäuse (leitfähige, berührbare Teile) der angeschlossenen Betriebsmittel geerdet sind:

Der optionale dritte Buchstabe gilt nur bei TN-Netzen und beschreibt, ob Neutralleiter (N) und Schutzleiter (PE) als getrennte Leiter oder als kombinierter Leiter geführt werden:

Daraus ergeben sich die fünf Netzsysteme, die in der österreichischen Praxis relevant sind:

Welche Grundbegriffe muss ich kennen, bevor wir Netzformen besprechen?

Bevor wir die einzelnen Netzformen im Detail erklären, klären wir die wichtigsten Begriffe, die in allen Netzsystemen immer wieder auftauchen. Ein solides Verständnis dieser Grundbegriffe ist die Voraussetzung für alles Weitere.

Außenleiter L1, L2, L3 sind die drei spannungsführenden Leiter des Drehstromnetzes. Die Spannung zwischen je zwei Außenleitern beträgt 400 V (verkettete Spannung). Die Spannung zwischen einem Außenleiter und dem Neutralleiter beträgt 230 V (Strangspannung U₀).

Der Neutralleiter N verbindet den Sternpunkt des Versorgungstransformators mit dem Verbraucher. Er führt im Normalbetrieb Betriebsstrom (Unsymmetrie zwischen den Phasen), ist aber kein Schutzleiter. Er darf nicht unterbrochen werden.

Der Schutzleiter PE (Protective Earth) verbindet alle berührbaren leitfähigen Gehäuse mit der Erde. Im Fehlerfall (Körperschluss) fließt der Fehlerstrom über den PE – dadurch spricht die Schutzeinrichtung an. PE ist immer grün-gelb gekennzeichnet. Er ist ausschließlich für Schutzzwecke da und führt im Normalbetrieb keinen Strom.

Der PEN-Leiter (Protective Earth + Neutral) vereint die Funktion von N und PE in einem einzigen Leiter. Er ist typisch für das TN-C-Netz. Weil er sowohl Betriebsstrom führt als auch als Schutzleiter dient, gelten strenge Vorschriften: Der Mindestquerschnitt beträgt 10 mm² Kupfer (bzw. 16 mm² Aluminium) – darunter wäre die Bruchgefahr zu hoch.

Die Fehlerschleife ist der Strompfad, der im Fehlerfall entsteht: von der Spannungsquelle über den Außenleiter, durch die Fehlerstelle (z. B. Gehäuse), zurück über den Schutzleiter zum Sternpunkt. Je niederohmiger diese Schleife, desto höher der Fehlerstrom – und desto schneller spricht die Schutzeinrichtung an.

Die Schleifenimpedanz Z_s ist der Gesamtwiderstand dieser Fehlerschleife (Quellimpedanz + Leitungsimpedanz des Außenleiters + Leitungsimpedanz des Rückleiters). Sie ist die entscheidende Messgröße bei der Prüfung von Schutzmaßnahmen.

Wie ist das TN-C-Netz aufgebaut – und wie funktioniert der Schutz?

Im TN-C-Netz sind Neutralleiter und Schutzleiter zu einem einzigen Leiter – dem PEN-Leiter – zusammengefasst. Das ergibt ein 4-Leiter-System (L1, L2, L3, PEN). Der Sternpunkt des Versorgungstransformators ist direkt geerdet. Diese Netzform war in der österreichischen Industrie über Jahrzehnte Standard und findet sich heute noch in vielen Bestandsanlagen.

Das Schutzprinzip im TN-C-Netz ist die automatische Abschaltung der Stromversorgung. Bei einem Körperschluss – etwa wenn ein Außenleiter das Gehäuse eines Geräts berührt – entsteht ein niederohmiger Kurzschluss. Der Fehlerstrom fließt über das Gehäuse, dann über den PEN-Leiter zurück zum Sternpunkt des Transformators. Dieser Strom muss groß genug sein, um die Überstromschutzeinrichtung (Schmelzsicherung oder Leitungsschutzschalter) innerhalb der vorgeschriebenen Abschaltzeit zum Ansprechen zu bringen.

Was ist die Abschaltbedingung – und wie berechne ich die Schleifenimpedanz?

Das Schutzprinzip der automatischen Abschaltung funktioniert nur, wenn die Überstromschutzeinrichtung auch tatsächlich auslöst. Dafür muss der Fehlerstrom I_F groß genug sein – und das hängt direkt von der Schleifenimpedanz Z_s ab. Die ÖVE/ÖNORM E 8001 definiert daher eine klare Abschaltbedingung.

Die Abschaltzeit beträgt für Endstromkreise bis 32 A maximal 0,4 Sekunden, für Verteilerstromkreise (Unterverteilung) maximal 5 Sekunden. Die Kennlinie des Leitungsschutzschalters bestimmt, welcher Strom I_a nötig ist, um innerhalb dieser Zeit auszulösen.

Welche Einschränkungen und Verbote gelten im TN-C-Netz?

Das TN-C-Netz ist zwar einfach und kostengünstig aufgebaut, bringt aber gravierende Einschränkungen mit sich. Diese resultieren direkt aus der Tatsache, dass N und PE in einem einzigen Leiter vereint sind.

Kein RCD möglich: Ein Fehlerstromschutzschalter (RCD, früher FI-Schutzschalter) funktioniert, indem er den Summenstrom aller Leiter misst. Fließt mehr Strom hin als zurück, liegt ein Fehlerstrom vor. Im TN-C-Netz würde ein RCD den PEN-Leiter unterbrechen. Damit wäre aber auch der Schutzleiterpfad unterbrochen – alle Gehäuse nach dem RCD würden die volle Netzspannung annehmen. Das ist lebensgefährlich.

Kein einpoliges Unterbrechen des PEN: Der PEN darf niemals durch einen einpoligen Schalter unterbrochen werden. Eine Unterbrechung des PEN bedeutet, dass alle danach angeschlossenen Gehäuse spannungsführend werden.

Wiederholungserdung Pflicht: An mehreren Punkten im Netz (z. B. an Hausanschlüssen, Verteilungen, Kabelkästen) muss der PEN erneut mit der Erde verbunden werden. Diese Wiederholungserdung begrenzt die Spannung der Gehäuse bei einem PEN-Bruch auf ein tolerierbares Maß.