Netzsysteme / Netzformen

Achtung: elektrischer Strom ist lebensgefährlich! Zum Arbeiten an elektrischen Anlagen sind Fachkenntnisse und eine spezielle Ausbildung erforderlich.  Ich übernehme keine Haftung für die Korrektheit meiner Beiträge. Auch für Sach- oder Personenschäden, die durch das Arbeiten an elektrischen Anlagen entstehen können, übernehme ich keine Haftung!

Sobald man sich näher mit der Elektroinstallation in Gebäuden beschäftigt, wird man früher oder später auf die Bezeichnungen TN-C-, TN-S-, TN-C-S-, TT- oder auch IT-System treffen.
Doch was hat es mit den kryptischen Bezeichnungen auf sich und worin unterscheiden sich die verschiedenen Systeme?
Dies soll in diesem Artikel geklärt werden!

Woher kommt der elektrische Strom?
Bei der oberflächlichen Betrachtung der Elektroinstallation kommt die Frage, wo die elektrische Energie überhaupt herkommt, oft zu kurz.
Während eine banale Antwort „vom Kraftwerk!“ heißen könnte, kann eine andere Antwort „aus dem Stromnetz!“ lauten.

Doch wie sieht die Welt jenseits des Hausanschlusskastens - bzw. abseits der elektrischen Anlage - tatsächlich aus?

Selbstverständlich muss die elektrische Energie zunächst von einem Kraftwerk bereitgestellt werden.
Je nach Kraftwerksart folgen anschließend zur Übertragung verschiedene Spannungsebenen - hier stark vereinfacht dargestellt.
Diese Spannungsebenen sind durch Transformatoren voneinander getrennt. Dies gilt auch für die Niederspannungsebene, an der die meisten Gebäude angeschlossen sind.

Bei den verschiedenen Netzsystemen erfolgt die weitere Betrachtung erst ab dem letzten Transformator, sodass allen vorgelagerten Komponenten zunächst keine Beachtung geschenkt wird.
Bei diesem Transformator handelt es sich in der Regel um einen Ortsnetztransformator, der häufig am Wegesrand zu finden ist.

Ortsnetztransformator – Aufbau
Wie vielleicht bereits bekannt ist, besitzt ein Transformator grundsätzlich eine Primärseitige Wicklung - an der die Eingangsspannung angelegt wird - und eine sekundärseitige Wicklung - an der der Transformator die Ausgangsspannung bereitstellt.
Man spricht hier - gemäß der Spannungshöhe - auch von der „Oberspannungswicklung“ und der „Unterspannungswicklung“.

Primärseite sekundärseite

Auch die Oberspannungsseite des Transformators wird im Folgenden nicht näher betrachtet.

Bei dem europäischen Stromnetz handelt es sich jedoch nicht um ein einphasiges Netz, sondern um ein dreiphasiges Wechselstromnetz, das auch als Drehstromnetz bezeichnet wird.
Somit besitzt der Transformator statt nur einer Wicklung, drei Wicklungen auf der Unterspannungsseite.

Ortsnetztransformator – Sternschaltung
Die drei Transformatorwicklungen der Unterspannungsseite sind wie folgt verschaltet (siehe Abbildung rechts).
Hierbei spricht man von der sogenannten Sternschaltung.
Durch eine andere Darstellungsform der Schaltung - die aus elektrotechnischer Sicht der rechten Darstellung jedoch gleicht - kann man mit etwas Fantasie die Bezeichnung nachvollziehen (siehe Abbildung links).

Sternschaltung

Der Punkt, an dem die drei Wicklungen elektrisch miteinander verbunden sind, wird als Sternpunkt bezeichnet.

Übrigens können die Transformatorwicklungen vereinfacht auch durch ein schwarzes Rechteck dargestellt werden.
Doch widmen wir uns wieder unserer ursprünglichen Darstellungsform (siehe Abbildung rechts).

Ortsnetztransformator – L1, L2, L3, N/PEN
An dem anderen Ende der drei Wicklungen - die nicht den Sternpunkt bilden - sind die drei Außenleiter L1, L2 und L3 angeschlossen.
Wenn man nun einen einphasigen Verbraucher an einem der drei Außenleiter betreiben möchte, stellt man fest, dass der Stromkreis noch nicht unmittelbar geschlossen werden kann.

Aussenleiter am Transformator

Es fehlt noch ein Rückleiter. Dieser ist ebenfalls an dem Sternpunkt des Transformators angeschlossen. Zunächst bezeichnen wir diesen als Neutralleiter (N).

Bei dem Niederspannungsnetz in Deutschland und weiten Teilen Europas handelt es sich somit üblicherweise um ein „Vierleitersystem“. Bereits jetzt dürfte daher klar sein, warum im Hausanschlusskasten üblicherweise vier Leiter ankommen.
Somit hätten wir bereits den Grundstein für die weitere Erläuterung der verschiedenen Netzsysteme gelegt.

Vierleitersystem

Doch Moment!? Bei der aktuellen Betrachtung könnte man doch theoretisch einen Außenleiter berühren, ohne dass man einen Stromschlag erhalten würde. Immerhin würde so noch kein Stromkreis geschlossen werden.

Tatsächlich fehlt in der Abbildung noch ein entscheidendes Detail.

Ortsnetztransformator – Betriebserder
Und zwar ist der Sternpunkt des Transformators üblicherweise noch geerdet. Dieser Erder wird „Betriebserder“ genannt.

Jetzt ist auch klar, wieso man einen lebensgefährlichen Stromschlag erhalten kann, wenn z.B. ein leitendes Metallgehäuse eines elektrischen Betriebsmittels - dieses wird auch als Körper bezeichnet - durch einen technischen Defekt unter Spannung steht - also ein Körperschluss vorliegt. Denn nun könnte der Strom durch den Menschen und anschließend über die Erde zurück zum Sternpunkt des Transformators fließen, sodass ein geschlossener Stromkreis vorliegt.

Stromschlag

Verbraucheranlage – Anlagenerder
Damit genau das nicht passiert, sind die Körper der Betriebsmittel über den Schutzleiter (PE) mit dem sogenannten „Anlagenerder“ verbunden. Dies kann etwa der Fundamenterder eines Wohnhauses sein.

Bei einem Körperschluss wird der Stromkreis somit direkt geschlossen und eine Schutzeinrichtung - wie z.B. ein Fehlerstromschutzschalter - kann auslösen und den Stromkreis auftrennen.

Schutzleiter

TT-System
Hiermit hätten wir bereits unser erstes Netzsystem gebildet. Dieses wird TT-System genannt. Zur Bezeichnung später mehr.
Es wird jedoch auch deutlich, dass bei einem Körperschluss der Stromkreis hier über das Erdreich geschlossen wird.

TT-System

TT-System – Schleifenimpedanz
Es dürfte daher einleuchten, dass dieser Stromkreis – der auch Fehlerschleife genannt wird – einen nicht zu verachtenden Widerstand aufweisen wird. Man spricht hierbei auch von der (Fehler-)Schleifenimpedanz.
Dieser Widerstand wird insbesondere durch die beiden Erder hervorgerufen.
Somit ist im Fehlerfall auch der Stromfluss insbesondere durch diesen Widerstand limitiert.

TT-System – Schutzeinrichtungen
Unter Umständen würde eine Überstromschutzeinrichtung - wie z.B. ein Leitungsschutzschalter - bei diesem Fehler (aufgrund des hohen Widerstandes, wodurch auch der Stromfluss limitiert wird) nicht unmittelbar auslösen.
Dies hängt im konkreten Fall jedoch von der Art der Überstromschutzeinrichtung und dem genauen Wert der Schleifenimpedanz ab.

Um bei diesem Fehlerfall daher das zuverlässige Abschalten des Stromkreises zu gewährleisten, kommen hier oft Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen (RCD) zum Einsatz, die auf einen Stromfluss von nur wenigen Milliampere angewiesen sind.
Dieser geringe Strom kann auch bei einer sehr großen Schleifenimpedanz noch fließen.

TN-S-System
Doch wieso führt man dann den Schutzleiter nicht gleich bis zum Transformator, sodass der Strom bei einem Körperschluss gar nicht erst durch die Erde fließen muss und somit auch der Widerstand der Fehlerschleife um ein Vielfaches geringer ausfällt?
Bei unserem zweiten Netzsystem, das betrachte wird, wird genau das gemacht. Dieses wird auch als TN-S-System bezeichnet.

TN-S-System

TN-S-System – Schutzeinrichtungen
Bei einem Körperschluss - der hier praktisch einem Kurzschluss gleichkommt - können durch die geringe Schleifenimpedanz sowohl Überstromschutzeinrichtungen - wie z.B. Leitungsschutzschalter - als auch Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen auslösen.

TN-S-System – Anlagenerder = Betriebserder
Üblicherweise verfügt auch bei diesem Netzsystem die Verbraucheranlage über einen eigenen Erder, der beim TT-System noch als „Anlagenerder“ bezeichnet wurde.

Da dieser nun jedoch direkt mit dem Erder des Transformators über den Schutzleiter verbunden ist, liegt keine klare Trennung mehr zwischen Betriebserder und Anlagenerder vor.
Alle direkt miteinander verbundenen Erder - als auch der Erder von der eigenen bzw. von anderen (benachbarten) Anlagen, die an dem Netz angeschlossen sind - bilden somit gemeinsam den Betriebserder.
Man bezeichnet daher alle Erder gemeinsam auch als ein „Betriebserdersystem“.

Betriebserdersystem

Die vielen Erder haben den Vorteil, dass der Widerstand des Strompfads bei einem Erdschluss deutlich geringer ausfällt. Der gesamte Fehlerstrom teilt sich auf die vielen Erder auf, sodass insgesamt ein größerer Strom fließen kann.
Darüber hinaus wäre das Netz beim Ausfall eines Betriebserders weiterhin über die anderen Erder geerdet.
Auch die nachfolgenden TN-Netz-Systeme verfügen üblicherweise über mehrere Betriebserder - also über ein Betrieberdersystem.

Doch wie zuvor bereits erwähnt, kommen üblicherweise nur vier und nicht fünf Leiter im Hausanschlusskasten an.  Es muss sich hierbei also um ein anderes Netzsystem handeln.

TN-C-S-System
Wenn wir uns die Darstellung des TN-S-Systems noch einmal genauer ansehen, fällt auf, dass der Schutzleiter und der Neutralleiter im ersten Bereich bis zur Verbraucheranlage - bzw. bis zum Hausanschlusskasten - im Grunde einfach parallel verlaufen und zudem auf gleichem Potenzial - nämlich dem Sternpunkt des Transformators - liegen.
Um einen Leiter (und damit Material) einzusparen, könnte man diese beiden Leiter bis zum Hausanschlusskasten - bzw. bis zur Verbraucheranlage - doch auch einfach kombinieren.
Und genau das wird bei unserem dritten Netzsystem auch gemacht.

Der resultierende Leiter wird daher auch „PEN-Leiter“ oder früher auch „Nullleiter“ genannt. Spätestens jetzt wird auch deutlich, dass die Bezeichnungen Nullleiter (PEN) und Neutralleiter (N) nicht äquivalent sind, auch wenn sie fälschlicherweise umgangssprachlich oft gleichbedeutend verwendet werden.

Diese Netzform wird TN-C-S-System genannt. Hierbei handelt es sich tatsächlich im Grunde jedoch um zwei eigenständige Netzsysteme, die lediglich hintereinandergeschaltet wurden.

TN-C-S-System

TN-C-System
So wird der erste Bereich - in dem der Schutzleiter und der Neutralleiter in Form des PEN-Leiters kombiniert wurden - als TN-C-System bezeichnet.
Sofern Betriebsmittel direkt an diesem Netz-System betrieben werden, sind die Körper mit dem PEN-Leiter verbunden. Man spricht hierbei auch von der klassischen Nullung, die früher auch in Wohngebäuden installiert wurde.

TN-C-System – Schutzeinrichtungen
Bei einem Körperschluss muss im TN-C-System eine Überstromschutzeinrichtung - wie z.B. ein Leitungsschutzschalter - auslösen. Ein Fehlerstromschutzschalter kann aufgrund des fehlenden Schutzleiters hier hingegen nicht zum Einsatz kommen.

Die Verbraucheranlage wird heute üblicherweise in Form unseres bereits bekannten TN-S-Systems ausgeführt. Der Blick in den Hausanschlusskasten zeigt, dass an dieser Stelle der ankommende PEN-Leiter in den Neutralleiter und den Schutzleiter aufgetrennt wird. Ab diesem Punkt dürfen die Leiter keinesfalls wieder zusammengeführt werden. Daher kann lediglich aus einem TN-C-Netz ein TN-S-Netz gebildet werden, welches nun insgesamt als TN-C-S-System bezeichnet wird.

Bedeutung der Bezeichnungen bzw. der Buchstaben
Spätestens jetzt ist es jedoch sinnvoll auf die Bedeutung der kryptischen Bezeichnungen einzugehen.
Bei genauerer Betrachtung der Buchstaben sind Analogien zwischen den Bezeichnungen erkennbar.

Der erste Buchstabe gibt Aufschluss über die Erdung des Transformators bzw. der Stromquelle. Bisher haben wurde lediglich die direkte Erdung über den Betriebserder betrachtet, was durch den Buchstaben T deutlich gemacht wird.
Ein I würde an dieser Stelle dafür stehen, dass alle aktiven Leiter isoliert von der Erde sind. Somit würde kein Betriebserder existieren.

Der zweite Buchstabe gibt Aufschluss über die Erdung der Körper in der Anlage. Ein T steht hier für eine direkte Erdung über einen Anlagenerder, während ein N deutlich macht, dass die Körper in der Anlage direkt mit dem Betriebserder verbunden sind.

Der dritte bzw. vierte Buchstabe macht bei den verschiedenen TN-System deutlich, ob der Schutzleiter und der Neutralleiter separat voneinander existieren - daher der Buchstabe S - oder beide Leiter durch den PEN-Leiter kombiniert wurden - was durch den Buchstaben C verdeutlicht wird.
Beim TN-C-S-System sind beide Fälle in getrennten Netzabschnitten vorzufinden.

Die Buchstaben sind übrigens Abkürzungen aus dem französischen, die mit den deutschen Bezeichnungen nur teilweise übereinstimmen.

Netzsysteme Buchstaben

IT-System
Wie anhand der Abkürzungen eventuell deutlich wird, wurde ein Netzsystem allerdings noch nicht betrachtet.
Bei den bisherigen Netz-Systemen war immer der Sternpunkt des Transformators über einen Betriebserder geerdet. Somit kann bei einem Isolationsfehler ein Strom fließen, der durch die vorgeschaltete Schutzeinrichtung das Abschalten der elektrischen Anlage bzw. des Stromkreises bewirkt.

In manchen Gebäuden bzw. Räumen - wie z.B. einem Operationssaal oder der Intensivstation eines Krankenhauses - ist es jedoch denkbar ungünstig, wenn durch einen Isolationsfehler plötzlich Stromkreise von lebenswichtigen Geräten automatisch abgeschaltet werden. Unter anderem für solche Räume existiert daher ein weiteres Netzsystem.

Bei dieser Netzform ist der Sternpunkt des Transformators nicht geerdet, sondern alle aktiven Leiter sind gegen Erde isoliert ausgeführt. Das bedeutet, dass kein Betriebserder existiert.
Hierbei handelt es sich um das sogenannte IT-System. Der Buchstabe I weist (wie bereits erläutert) darauf hin, dass der Transformator von der Erde isoliert ist.
Die Körper in der Anlage müssen jedoch weiterhin geerdet sein.

IT System

Doch was passiert nun, wenn es durch einen technischen Defekt doch zu einem Isolationsfehler in Form eines Körperschlusses kommt?
In diesem Fall kann es nicht zu einem Stromfluss kommen, sodass z.B. in einem Krankenhaus keine Gefahr für Patienten oder behandelnde Ärzte existiert.
Alle elektrischen Körper und auch das Erdreich liegen nun auf dem Potenzial eines Außenleiters.

IT-System – Schutzeinrichtungen
Erst bei einem zweiten Fehler könnte ein Strom fließen und der betroffene Stromkreis muss automatisch abgeschaltet werden.
Um dies zu verhindern, ist bei dieser Netzform eine (Isolations- oder Differenzstrom-) Überwachungseinrichtung erforderlich, die einen ersten Fehler optisch oder akustisch meldet.

Um auf das Beispiel im Krankenhaus zurückzukommen, können somit zunächst lebenswichtige Maßnahmen am Patienten uneingeschränkt fortgeführt werden, bevor der Fehler beseitigt werden kann. Erst bei dem unwahrscheinlichen Fall, dass zeitgleich ein weiterer Fehler auftritt, würde die automatische Abschaltung erfolgen.

Isolationsüberwachung

IT-System – Flächendeckender Einsatz möglich?
Doch wieso wird diese Netzform dann nicht flächendeckend eingesetzt?
Die einfache Antwort lautet, dass ein erster Isolationsfehler nur schwer zu finden wäre, da dieser sich nicht unmittelbar durch das Auslösen einer Schutzeinrichtung bemerkbar machen würde. Außerdem wären hier zusätzliche Überwachungseinrichtungen erforderlich.

Die ausführliche Antwort auf diese Frage ist etwas komplexer.
Obwohl vereinfacht angenommen wurde, dass es bei einem ersten Fehler zu keinem Stromfluss kommen kann, ist dies nicht ganz korrekt. Tatsächlich fließt auch bei einem ersten Fehler ein kleiner Strom. Dies hängt damit zusammen, dass sich die Leitung wie ein Kondensator verhält.
Bei Wechselspannung kommt es bei einem Kondensator jedoch ebenfalls zu einem Stromfluss. Die Kapazität ist hierbei von der Kabellänge abhängig. Hiervon hängt wiederum der Stromfluss ab.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass mit größer Kabellänge auch der Stromfluss bei einem ersten Fehler zunehmen würde.
Daher ist dieses Netzsystem nur örtlich begrenzt einsetzbar und kann somit nicht flächendeckend zum Einsatz kommen. Für Wohngebäude spielt dieses Netz-System daher (in Deutschland) keine Rolle.

IT-System örtlich begrenzt

Wo kommt welches Netzsystem zum Einsatz?
Doch welche Netzform liegt nun im konkreten Fall vor? Dies ist vom Netzbetreiber in Erfahrung zu bringen.
Trotzdem lässt sich sagen, dass in Mitteleuropa (und damit auch Deutschland) das TN-C-S-System am verbreitetsten ist. Hierbei ist das Verteilungsnetz als TN-C-System und die Verbraucheranlage als TN-S-System ausgeführt.
In Deutschlands komm jedoch auch noch das TT-System zum Einsatz.
Das IT-System kommt nur in speziellen Gebäuden zum Einsatz und spielt für Wohngebäude keine Rolle.