Bild: Graphic Artist - Fotolia

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Fallen Navigation und Antrieb aus, kann das zu erheblichen Problemen im Schiffsbetrieb führen. Die sichere elektrische Stromversorgung spielt daher eine große Rolle. Stromnetze unterschiedlicher Sicherheitsbedeutung und Spannungen benötigen ein abgestuftes Verteilungs- und Versorgungskonzept mit Überwachungseinrichtungen, um ungeplanten Betriebsunterbrechungen und Gefährdungen vorzubeugen.

Im Gegensatz zur Stromversorgung von Gebäuden an Land, kommen bei Schiffen besondere Anforderungen zum Tragen, die sich zwangsläufig aus dem Einsatzort „See“ ergeben:

  • Ein Schiff ist ein autarkes System, dass längere Zeit ohne Versorgung von außen sein kann.
  • Die klimatische Beanspruchung reicht von tropisch bis arktisch.
  • Beanspruchung auf See durch Schräglage und Stöße (Eisfahrt).
  • Chemisch aggressive Einwirkung von Seewasser.
  • Ortsveränderungen (andere Versorgungssysteme an Land).
Grafik: Aufbau einer Stromversorgung

Aufbau einer Stromversorgung der Schiffsantriebe mit Isolationsüberwachung. Bild: Bender

Die elektrischen Systeme auf Schiffen und Offshore-Einrichtungen sind in Primär- und Sekundärnetze unterteilt: Primärnetze haben eine direkte elektrische Verbindung zum Generator, Sekundärnetze nicht. Sekundärnetze sind zum Beispiel durch einen Transformator oder Motor-Generator isoliert. Grundsätzlich müssen jedoch alle elektrischen Einrichtungen so ausgelegt sein, dass

  • auch unter Berücksichtigung verschiedener Notfälle, die Stromversorgung der Sicherheitseinrichtungen aufrechterhalten bleibt;
  • die Sicherheit der Passagiere, der Besatzung und des Schiffes gegen elektrische Gefahren gewährleistet ist;
  • und die Vorgaben und Auflagen der verschiedenen Vorschriften und Bestimmungen erfüllt werden.

Für den Bau und Betrieb eines seegehenden Schiffes und von Offshore-Einrichtungen sind eine Reihe von Normen und Bestimmungen zu beachten, die einen wesentlichen Einfluss auf die elektrotechnische Ausrüstung haben. Dies sind beispielsweise die Normenreihe IEC 60092-xxx (Electrical installations in ships), Normenreihe IEC 61892-xxx (Mobile an fixed offshore units – electrical installation), Lloyd‘s Register of Shipping (Rules & Regulations for …), Det norske veritas (Rules for classification of …) und International Maritime Organisation, kurz IMO (International Convention for the Safety of Life at Sea SOLAS).

Geerdete Stromversorgungen (TN-Systeme)

Isolationsüberwachungsgerät

Isolationsüberwachungsgerät mit integriertem Prüfstrom-Generator zur Isolationsfehlersuche. Bild: Bender

Spricht man auf Schiffen von geerdeten Systemen, so sind damit die Netze gemeint, in denen ein aktiver Leiter oder der Sternpunkt mit dem Schutzleiter verbunden ist (TN-Systeme). Diese Systeme findet man etwa auf Passagierschiffen für die Kabinenbeleuchtung, im Unterhaltungsbereich von Kreuzfahrtschiffen oder teilweise bei Aufzügen. Aber auch bei Offshore-Einrichtungen wird diese Netzform für Unterverteilungen oder bei weniger wichtigen Stromkreisen beziehungsweise Verbrauchern gelegentlich eingesetzt.

Normen für Schiffe und Offshore-Einrichtungen fordern häufig für geerdete System die permanente Überwachung der Fehlerströme und eine akustischen Meldung im Fehlerfall. Um dies zu bewerkstelligen werden Differenzstrom-Überwachungsgeräte (RCM) nach IEC 62020:2003-11 eingesetzt. Diese typischerweise mehrkanaligen Überwachungssysteme überwachen permanent den Fehlerstrom (auch allstromsensitiv) und melden das Überschreiten eines voreingestellten Wertes. Dadurch kann auch im geerdeten System eine unerwartete Abschaltung vermieden werden. Zusätzlich werden solche Systeme zur Überwachung des zentralen Erdungspunktes in TN-S-Systemen eingesetzt, um mögliche Störungen der Schiffselektronik und mögliche Brandgefahren durch vagabundierende Ströme frühzeitig zu erkennen.

Ungeerdete Stromversorgungen (IT-Systeme)

In ungeerdeten Stromversorgungen ist kein aktiver Leiter direkt mit dem Schutzleiter (PE) verbunden. Dadurch ergibt sich ein bedeutender Vorteil: Ein erster Fehler (Isolationsfehler) führt nicht zum Ansprechen einer Sicherung (Leitungsschutzschalter) und die Stromversorgung bleibt bestehen. In der Praxis heißt das, die Beleuchtung bleibt an, elektrisch gesteuerte Prozesse können gefahrlos beendet werden oder auch Elektromotoren beziehungsweise Antriebe stehen nicht abrupt still. Zudem können dadurch auch Sekundärunfälle, wie Verletzungen und Stürze, vermieden werden. Aber noch viel wichtiger: In medizinischen Bereichen von Schiffen werden dadurch eventuelle lebensbedrohliche Komplikationen durch Ausfall medizinisch elektrischer Geräte und Einrichtungen verhindert.

Damit ein Isolationsfehler nicht unbemerkt bleibt und ein möglicher zweiter Fehler an einem anderen aktiven Leiter zur ungewollten Abschaltung führt, wird der Isolationswiderstand zwischen aktiven Leitern und Erde permanent mit einem Isolationsüberwachungsgerät (IMD) überwacht und das Unterschreiten eines bestimmten Wertes gemeldet.

Messtechnik von Isolationsüberwachungsgeräten

Isolationsüberwachungsgeräte sind in der Produktnorm IEC 61557-8:2007-06 definiert. Danach müssen diese Geräte mit einem aktiven Messverfahren ausgestattet sein. Aktiv heißt in diesem Fall, die Geräte erzeugen eine Messspannung, die dem Netz zwischen aktiven Leitern und Erde überlagert wird. Kommt es zu einem Isolationsfehler schließt sich der Messkreis und es fließt einer dem Isolationsfehler proportionaler Messstrom. Unterschreitet der Isolationswiderstand den eingestellten Ansprechwert, so erfolgt eine Meldung. Damit auch bei der Anwendung im Bereich der geregelten Antriebe (Schiffsantriebe) eine sichere und zuverlässige Isolationsüberwachung erfolgt, müssen diese Geräte mit einem speziellen Messverfahren, dem sogenannten Pulscode-Messverfahren, ausgerüstet sein. Isolationsüberwachungsgeräte, die mit einer reinen Messgleichspannung arbeiten, versagen in dieser Anwendung ihren Dienst und führen zu Fehlmeldungen.

Isolationsfehlersuche in IT-Systemen

Die Elektroinstallation auf Schiffen und Offshore-Einrichtungen ist häufig weit verzweigt und dadurch auch flächenmäßig ausgedehnt. Für den zuständigen Elektriker kann das natürlich im Falle eines Isolationsfehlers einen enormen Zeitaufwand bis hin zum Nichtfinden des Isolationsfehlers bedeuten. In der IEC 60092-507:2008-01 „Electrical installation in ships – Part 507:Pleasure craft” heißt es deshalb zum Beispiel im Abschnitt 7.2.3.1 “Non-earthed systems: Insulation monitoring devices shall be fitted to give warning of earth faults and assist in the location of a fault”. In der Praxis erfolgt dies durch den Einsatz von Einrichtungen zur Isolationsfehlersuche nach IEC 61557-09:2009-01. Diese sind in der Lage, Isolationsfehler innerhalb kürzester Zeit automatisch und präzise zu lokalisieren.

Dies geschieht mit Hilfe eines Prüfstrom-Generators und entsprechenden Messstromwandlern, die in dem jeweiligen Stromkreis installiert werden. Im Falle eines Isolationsfehlers wird vom Prüfstrom-Generator ein Prüfstrom IT erzeugt, der dann durch die verschieden angeordneten Messstromwandler über den Isolationsfehler fließt. Anhand der Zuordnung Messstromwandler/Stromkreis kann so schnell die fehlerbehaftete Stelle automatisch lokalisiert werden. Die Forderung nach einer schnellen Lokalisierung und Beseitigung eines Isolationsfehlers ist auch in der IEC 60364-4-41:2005-7 im Abschnitt 411-6.3.2 enthalten. Dort heißt es: Es ist empfohlen, dass ein erster Fehler so schnell wie praktisch möglich beseitigt wird.

Grafik: Funktionsprinzip eines Isolationsüberwachungsgerätes

Funktionsprinzip eines Isolationsüberwachungsgerätes mit überlagerter Messspannung: Unterschreitet der Isolationswiderstand den eingestellten Ansprechwert, so erfolgt eine Meldung. Bild: Bender

Überwachung abgeschalteter Verbraucher

Auf Schiffen und Offshore-Einrichtungen sind Winden, Motorpumpen und Generatoren typische Hilfsmittel, die an Deck installiert und dort den rauen Seebedingungen ausgesetzt sind. Zu diesen Bedingungen gehören hohe Luftfeuchtigkeit, Salzwasser, extreme Temperaturunterschiede, hohe UV-Strahlung, aggressive Chemikalien und Abgase. Das elektrische Isolationsmaterial der Motoren beziehungsweise Generatoren wird dadurch ständig mechanisch und chemisch extrem beansprucht. Dies gilt auch für Kabel, deren Isolierung einer hohen UV-Strahlung ausgesetzt und dadurch brüchig werden kann. Nicht zuletzt können auch Anschlusskästen unbemerkt mit Salzwasser durchnässt werden. Als Folge können unbemerkt Isolationsfehler auftreten, die dann beim Einschalten eines Motors die Sicherung auslösen und dadurch eine vielleicht wichtige Inbetriebnahme verhindern (etwa Feuerlöschpumpen). Reicht der Fehlerstrom nicht zum Auslösen der Sicherung, besteht die Gefahr, dass es an der Fehlerstelle zu einer Überhitzung und damit zu einer akuten Brandgefahr kommen kann. Um diese Gefahr zu vermeiden, wird der Isolationswiderstand des Verbrauchers im Stillstand überwacht und bei Unterschreitung eines relativen hochohmigen Wertes (≥ 1 MΩ) eine Meldung ausgelöst. Diese sogenannte Offline-Überwachung kann, bedingt durch die allpolige Trennung, sowohl in ungeerdeten als auch geerdeten Netzen eingesetzt werden.

Praktische Anwendungen

IT-Systeme mit Isolationsüberwachung werden in vielen Bereichen von Schiffen eingesetzt. Typischerweise sind dies die Antriebe von Schiffspropellern. Aber auch in untergeordneten Bereichen im Bereich von Pumpen findet man häufig IT-System mit Isolationsüberwachung. In geerdeten Systemen wird die Differenzstromüberwachung beispielsweise zur Kontrolle von AC-230-V-Netzen eingesetzt, um dort ein Ansprechen von Schutzeinrichtungen zu vermeiden beziehungsweise um sich anbahnende mögliche Störungen frühzeitig zu erkennen. Diese Systeme nutzen dann auch die modernen Kommunikationsstrukturen, um diese Informationen an eine zentrale Leittechnik zu melden. Auf Kreuzfahrtschiffen, Tankschiffen und Offshore-Plattformen haben die Betreiber ein gemeinsames Ziel: Passagiere und Personal umfassend vor den Gefahren durch elektrischen Strom zu schützen und einen möglichst störungsfreien Betrieb der elektrischen Anlagen zu gewährleisten.

Mit der Anwendung des IT-Systems mit Isolationsüberwachung oder Differenzstromüberwachung in geerdeten Systemen sind vielfältige Möglichkeiten gegeben. hei

Von Dipl.-Ing. Harald Sellner
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Dipl.-Ing. Harald Sellner
Bender