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Verfasser: Dipl.-Ing. Jürgen Wettingfeld

1. Einleitung

Anforderungen an Erdungs- und Potentialaus-gleichsmaßnahmen werden in den DIN VDE Nor-men für die unterschiedlichsten elektrotechnischen Anwendungsbereiche beschrieben. Diese Anwen-dungsbereiche treten in Gebäuden mit moderner technischer Infrastruktur kombiniert auf und dürfen daher nicht isoliert voneinander betrachtet werden. Nutzer, Planer und Errichter müssen darauf ach-ten, dass Erdungs- und Potentialausgleichsmaß-nahmen allen Anforderungen gerecht werden, da-mit die Verfügbarkeit der elektrotechnischen Systeme und Anlagen dauerhaft gegeben ist.

Folgende, beispielhaft aufgeführte Normen müs-sen beachtet werden:

l Anforderungen an Erdungsmaßnahmen an Starkstromanlagen über 1 kV werden in der DIN VDE 0101 (Januar 2000) beschrieben. Bei dieser Norm handelt es sich um das Cenelec Harmonisierungsdokument HD 637 S1. Die Norm DIN VDE 0101 löst die DIN VDE 0141 (Juli 1989) ab. In der neuen DIN VDE 0141 (Ja-nuar 2000) verbleiben noch Teile für spezielle Erdungsmaßnahmen, z.B. für den Bau von Starkstrom-Freileitungen mit Nennspannungen über 1 kV oder für das Errichten elektrischer Anlagen in Tagebauen, Steinbrüchen und ähnli-chen Betrieben.

l Anforderungen an Erdungs- und Potentialaus-gleichsmaßnahmen für Starkstromanlagen unter 1 kV werden in der DIN VDE 0100 T 410 und T 540 behandelt.

l Anforderungen an Erdungs- und Potentialaus-gleichsmaßnahmen im Zusammenhang für Blitzschutzsysteme sind in der Normenreihe DIN EN 62305 zu finden.

l Anforderungen an Antennen und Kommunikationsanlagen sind in der DIN VDE 0855 T 300 enthalten.

l Anforderungen an die Installation von Kom- munikationsverkabelung für Anlagen der Infor-mationstechnik sind in der DIN EN 50174-2 (September 2001), Klassifikation VDE 0800 Teil 174-2, veröffentlicht.

Erdung und Potentialausgleich in Industrieanlagen

Bild 2: Potentialausgleich in Schaltschränken

Die Realisierung eines Erdungs- und Potentialaus-gleichskonzeptes, das allen Anforderungen ge-recht wird, bedarf einer frühzeitigen Planung und Realisierung durch kompetente Fachkräfte, die mit den Anforderungen vertraut sind.

Anhand genau festgelegter Qualitätskriterien muss festgelegt werden, wie die planerisch erarbeiteten Fachziele erreicht werden können. Hierzu gehören detaillierte Ausführungspläne, genaue Funktions-beschreibungen und eine sorgfältige Ausführungs-überwachung. Alle später nicht mehr zugänglichen Details oder wichtige Erdungs- und Potentialaus-gleichsmaßnahmen sind durch Fotos zu dokumen-tieren.

Um Schnittstellenprobleme zu vermeiden, sollte die Ausführung aller Erdungs- und Potentialaus-gleichsmaßnahmen nur durch eine Fachfirma er-folgen, die Kenntnis aus dem Bereich Elektrotech-nik, Blitzschutz, Überspannungsschutz und elek-tromagnetische Verträglichkeit hat.

Die Bedeutung eines integrierten übergreifenden Erdungs- und Potentialausgleichskonzeptes wer-den an mehreren Beispielen verdeutlicht.

Bild 1: Fundamenterder eines 110 kV-Umspannwerkes

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2. Beispiel für Erdungsmaßnahmen

Im nachstehenden Bild sind Erdungs- und Potential-ausgleichsmaßnahmen beispielhaft für ein Schalt-anlagengebäude dargestellt.

Bild 3: Erdungs- und Potentialausgleichsmaßnah-men in einem Schaltanlagengebäude

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Bild 6: Anschluss des Fundamenterders an die Bewehrung mit einer Bewehrungsklemme

Bild 4: Fundamenterder eines 110 kV-Umspannwerkes

Bild 5: Fundamenterder in einem Einzelfundament für die Kolonne einer Chemieanlage

3. Ausführungsdetails

3.1 Hinweise für die Montage von Fundamenterdern in Industrieanlagen

Die Auslegung von Erdungsanlagen muss nach DIN VDE 0101 folgende Anforderungen erfüllen:

a. Die mechanische Festigkeit und Korrosionsbe-ständigkeit muss sichergestellt sein.

b. Der höchste Fehlerstrom (üblicherweise er-rechnet) muss aus thermischer Sicht beherrscht werden.

c. Die Beschädigung von Sachen und Betriebs-mitteln muss vermieden werden.

d. Die Sicherheit von Personen im Hinblick auf Spannungen an Erdungsanlagen, die während des höchsten Erdfehlerstromes auftreten, muss gewährleistet sein.

In einer Anlage mit unterschiedlichen Nennspan-nungen, sind die vier Anforderungen für jedes Hochspannungsnetz zu erfüllen.

Erdungsanlagen können aus Oberflächenerdern (Maschen-, Ring- oder Tiefenerder) und / oder ei-nem Fundamenterder erstellt werden. Für Neubau-ten muss grundsätzlich ein Fundamenterder er-stellt werden.

Der Fundamenterder ist durch zusätzliche Erder zu ergänzen, z.B. Tiefenerder, wenn zusätzliche An-forderungen an einen bestimmten Erdungswider-stand gestellt werden oder die Fundamentplatte zu geringe Abmessungen hat. Üblicherweise fordern Energieversorgungsunternehmen einen Erdungs-widerstand von 2 Ohm für die Erdungsanlage einer Mittelspannungsanlage. Unter Blitzschutzgesichts-punkten muss die Erdungsanlage den Anforderun-gen der Blitzschutzklasse entsprechen.

In die Fundamentplatte ist ein Fundamenterder zu verlegen, der den Anforderungen nach DIN 18014 und DIN VDE 0101 entsprechen muss. Die Ma-schenweite für den Fundamenterder kann zwi-schen mind. 20 x 20 m und 2 x 2 m differieren. Als Material kommt für den Fundamenterder Flachband von mind. 30 x 3,5 mm zum Einsatz.In besonderen Fällen wird auch Flachband bis 40 x 5 mm als Fundamenterder verlegt.

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3.2 Ableitung / Schirmung

Die Erstellung einer Ableitungseinrichtung des Blitzschutzsystems für moderne Industrie- und Verwaltungsgebäude muss drei Ziele realisieren:

1. Der von der Fangeinrichtung aufgefangene Blitzstrom muss sicher auf kurzem Wege zur Erdungsanlage abgeleitet werden.

2. Metallene Bestandteile der Gebäudestruktur (siehe Bild 7), wie Stahlkonstruktionen, Metall-fassaden und Bewehrungseisen sind zu einer wirksamen elektromagnetischen Gebäudeschir-mung auszubilden (siehe Bild 8).

3. Alle metallenen Installationen, die von außen in das Gebäude eintreten, müssen mit der Schir-mung verbunden werden. Der Anschluss aktiver Leiter mit der Schirmung erfolgt durch Über-spannungsschutzgeräte.

In der Praxis kommt es vor, dass Blitzschutzsyste-me zu spät oder nur unvollständig geplant werden. Als Ergebnis dieser Versäumnisse wird dann nur ein konventionelles Ableitungssystem realisiert.

Obwohl z.B. bewehrte Betonstützen oder -wände zur Verfügung stehen, erfolgt nur die Montage von Runddrähten in der vorgeschriebenen Zahl auf oder unter der Fassade. Die Nutzung der vorhan-denen Gebäudestruktur zu Ableitungs- und Schir-mungszwecken erfolgt nicht, so dass ein Schutz der informationstechnischen Systeme gegen elek-tromagnetische Störimpulse nur eingeschränkt und mit großem Aufwand erfolgen kann.

Bild 8: Prinzip der Gebäude- und Raumschirmung

Bild 7: Nutzung der Stahlkonstruktion als Ableitungseinrichtung

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Hinweise zur Nutzung der Stahlkonstruktion

Die Stützen eines Gebäudes aus einer Stahlkon-struktion sollten an der Gebäudeperipherie im Ab-stand von 5 -10 Metern geerdet werden. In Indus-trieanlagen sollten auch Stahlkonstruktionen und Kolonnen im Anlageninneren als Ableitungsein-richtung ausgebildet werden, da Teilströme nicht verhindert werden können. In der Praxis hat sich die Erdung der Stahlkonstruktionen im Anlagen-inneren im Abstand von 10 Metern und die Erdung jeder Kolonne als sinnvoll erwiesen.

Hinweise zur Nutzung von Metallfassaden

Besteht das Gebäudegerüst der Anlage aus einem Stahlbetonskelett, dann sind zusätzliche Maßnah-men erforderlich. Wird die Anlage mit einer Metall-fassade verkleidet, dann müssen Anschlussfahnen für die Stahlbetonstützen und die Metallfassade vorgesehen werden. Bei Stützenabständen größer 10 Meter sind zusätzliche Anschlussfahnen für die Metallfassaden vorzusehen.

Bild 10: Erdung einer Stahlstütze, Anschlussfahne aus nichtrostendem Stahl, V4A, Werkstoff-Nr.1.4571

Bild 9: Stahlkonstruktionen im Anlageninneren

Bild 12: Nutzung von Fertigbetonstützen und Metallfassaden als AbleitungsanlageBild 11: Erdung der Metallfassade

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Bild 13: Mit der Bewehrung verklemmte Erdungsleiter bilden die Grundlage für Gebäudeschirmung und Potentialausgleich

Hinweise zur Nutzung der Bewehrung des Betons

Die leitende Bewehrung des Betons einer bauli-chen Anlage bildet bei richtiger Verwendung das "Rückgrat" für den Potentialausgleich (Bild 13).

Mit der konsequenten Nutzung der leitenden Be-wehrung der baulichen Anlage entsteht zudem ei-ne wirksame elektromagnetische Schirmung, die einen Schutz der dort installierten elektrischen und elektronischen Einrichtung gegen Störungen infol-ge elektromagnetischer Felder des Blitzes darstellt (Bild 13).

Die Bewehrung besteht in der Regel aus geraden oder gebogenen Stahlstäben, die mit Bindedraht an den Kreuzungs-oder Überlappungsstellen mit-einander verbunden (verrödelt) werden.

Durch die zusätzliche maschenförmige Verlegung von zusätzlichen Leitern (z.B. aus Flachband 30 *3,5 mm), die mit der Bewehrung in Abstand von 2-3 Metern verklemmt werden, entsteht eine räumliche Gitterstruktur mit sehr guten Schir-mungseigenschaften (Bild 14).

Die zusätzlichen Leitern stellen definierte belastba-re Strompfade dar, die die Ströme auf die Beweh-rung verteilen. Über zusätzlich leitende Rödelver-bindungen wird so praktisch die gesamte Beweh-rung für Schirmungs- und Potentialausgleichs-zwecke genutzt.

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Bild 14: Nutzung der Armierungsstäbe

Verbindungen von zusätzlichen Leitern mit der Be-wehrung sollten mittels Klemmen erfolgen. Das Schweißen von Stahlbewehrungsstäben ist wegen der sich daraus ergebenden Schwächung der me-chanischen Festigkeit der baulichen Anlage im all-gemeinen nicht zulässig. Schweißarbeiten an der Bewehrung dürfen nur von Schweißern mit gülti-gem Schweißnachweis ausgeführt werden. Die Anforderungen bezüglich Eignung, Schweißauf-sicht und Schweißausbildung werden in der DIN 4099: Schweißen von Betonstahl; Ausführung und Prüfung, geregelt. Vor Aufnahme von Schweißar-beiten an der Bewehrung muss auf jeden Fall die schriftliche Zustimmung des verantwortlichen Sta-tikers vorliegen.

Im Falle eines Blitzeinschlages wird so der Blitz-strom in ein niederimpedantes Netz eingespeist. Der Spannungsabfall infolge des Blitzstromes ist damit gering.

Das durch den Strom in der Stahlbewehrung er-zeugte Magnetfeld ist wegen der geringen Strom-dichte schwach, so dass die Störung von benach-barten elektrischen Leitern entsprechend verringert wird. In einem Raum, der völlig von Stahlbeton-wänden umgeben ist, deren Bewehrung als Schir-mung genutzt wird, ist das Magnetfeld infolge des durch die Bewehrung oder in der Nähe der Wände fließenden Blitzstromes viel geringer als in einem Raum einer konventionell geschützten baulichen Anlage.

Richtig ausgeführt, steht auch für den Potential-ausgleich von energie- und informationstechni-schen Systemen jederzeit ein weitestgehend ein-heitliches Bezugspotential zur Verfügung. Dies trifft in besonderem Maße für bauliche Anlagen mit um-fangreichen Abmessungen zu. Die Maschenweite der zusätzlichen Leiter kann je nach Anwendungs-fall zwischen 5 x 5 und 20 x 20 m liegen. Typi-scher Anwendungsfall für eine Maschenweite von 5 x 5 m ist z.B. ein Rechenzentrum oder eine pro-zesstechnische Leitwarte.

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Hinweise zur Nutzung der Bewehrung von Ortbetonstützen

Stahlbetonstützen können als Ortbeton- oder Fer-tigbetonstütze erstellt werden.

Die Verlegung der Ableitung in einer Ortbetonstüt-ze erfolgt im Zuge des Baufortschrittes in Einzel-abschnitten und muss genau ausgeführt und koor-diniert werden.

Für die Ableitung kann Runddraht 10 mm oder Flachband 30 x 3,5 mm verwendet werden. Die Verbindung der Ableitungszwischenstücke unter-einander und der Ableitung mit der Bewehrung muss sorgfältig ausgeführt und überwacht werden. Nach Möglichkeit sollte die Zahl der Einzelab-schnitte einer Ableitung so gering wie möglich ge-halten werden. Die Ableitung ist im Abstand von 2 bis 3 Metern mit der Bewehrung zu verklemmen. Am Hoch- und Tiefpunkt der Betonstütze müssen Anschlussfahnen aus Edelstahl, V4A, Werkstoff-Nr. 1.4571, herausgeführt werden (Bild 16 und Bild 17).

Bild 15: Anordnung von Ableitungen in Betonstützen

Hinweise zur Nutzung von Fertigteilbeton-stützen

Die beschriebenen Maßnahmen gelten auch bei Fertigbetonstützen (Bild 16 und 17). Durch eine detaillierte Planung muss dem Fertigbetonwerk die Ausführung vorgegeben werden. Es hat sich als sinnvoll erwiesen, den Grund dieser Maßnahmen im Vorfeld der Auftragsvergabe anzusprechen und zu erläutern. Schwieriger ist es, aus fertigungs- und montagetechnischen Gesichtspunkten, An-schlussfahnen für Zwischenbereiche herauszufüh-ren. Dieses Problem kann z.B. dadurch gelöst wer-den, in dem Anschlussplatten (Bild 15) oder Hal-fenschienen (Bild 18) in die Außenseite der Fertig-betonstütze eingelassen und mit der Ableitung stromtragfähig verbunden werden.

Bild 16: Fertigbeton-stütze, Erdungs-festpunkt oben

Bild 18: Geerdete Halfenschienen für Erdungs-maßnahmen

Bild 17: Anschlussfahne am Tiefpunkt

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Hinweise für den Anschluss an die Bewehrung

In der Regel wird der Fundamenterder in stahlar-mierten Fundamenten verlegt. Damit die Funda-mentbewehrung zur Erdung mitgenutzt wird, muss der Fundamenterder im Abstand von 2-3 Metern mit der Bewehrung verklemmt werden (Bild 19).

Bild 19: Bewehrungsanschluss

Hinweise für die Montage von Anschlussfahnen

Anschlussfahnen stellen die Verbindung zwischen zu erdendem Teil und Fundamenterder dar (Bild 20 und Bild 21).

Die Funktion der Anschlussfahne ist am Austritt aus dem Fundament durch Korrosion gefährdet. Im Außenbereich haben sich Anschlussfahnen aus nichtrostendem Stahl, Werkstoff-Nr. 1.4571, in der Praxis am besten bewährt.

Die Korrosionsbeständigkeit von Anschlussfahnen aus verzinktem Stahl mit PVC-Mantel ist nur dann gegeben, wenn der PVC-Mantel nicht beschädigt wird. Während der Bauphase ist dies häufig nicht der Fall. Geringe Verletzungen des PVC-Mantel können zu verstärkter Korrosion führen. An-schlussfahnen aus verzinktem Material ohne Kor-rosionsschutzmaßnahmen sind nur im Innenbe-reich sinnvoll, wenn sichergestellt ist, dass wäh-rend der Bauphase und in der späteren Betriebs-phase keine Feuchtigkeit die Funktionstüchtigkeit der Anschlussfahne beeinträchtigt.

Bild 20: Anschlussfahne (V4A, Werkstoff-Nr. 1.4571) für die Erdung einer Stahlstütze

Bild 21: Erdung von Stahlstützen

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Hinweise zur Nutzung von Stahlbetontürmen im Inneren einer baulichen Anlage

Stahlbetontürme im Inneren einer Anlage müssen bei der Planung und Ausführung besonders beach-tet werden. Hierin können Aufzüge, Räume der Prozessleittechnik und versorgungstechnische Ein-richtungen enthalten sein (Bild 23).

Es empfiehlt sich bei solchen Bauwerken in jeder Ecke eine Ableitung vorzusehen und in jeder Ebe-ne, in der sich Räume mit Prozessleittechnik befin-den, eine Erdungsleitung in der jeweiligen Ge-schossdecke zu verlegen. In jedem Leittechnik-raum sollte mindestens eine Anschlussfahne für Maßnahmen des Potentialausgleiches herausge-führt werden. Weiterhin sind Anschlussfahnen für die Erdung metallener Installationen vorzusehen(Bild 22).

Bild 22: Stahlbetonturm mit Leittechnikräumen

Bild 23: Stahlbeton-turm mit Leittechnik-räumen

Bild 24: Erdungs-festpunkt an der Verschalung befestigt

Erdung und Potentialausgleich in Industrieanlagen

Hinweise zur Nutzung von Erdungsfestpunkten

Erdungsfestpunkte werden direkt mit dem Funda-menterder verbunden. Die Anschlussplatte besteht aus nichtrostendem Material mit einer Gewinde-bohrung von mind. M 10. Richtig montiert, können Erdungsfestpunkte nicht beschädigt oder durch Korrosion in ihrer Funktionstüchtigkeit beeinträch-tigt werden. Bei der Montage ist darauf zu achten, dass die Erdungsfestpunkte mit dem Fundament-erder und mit der Verschalung sicher verbunden sind. Zur Stabilisierung ist der Erdungsfestpunkt noch zusätzlich mit der Bewehrung zu verbinden. In der Praxis kann es vorkommen, dass zwischen Erdungsfestpunkt und Verschalung Beton laufen kann oder der Erdungsfestpunkt nicht direkt auf die Verschalung genagelt werden darf. Die Lage der Erdungsfestpunkte muss dokumentiert werden, damit diese nach dem Ausschalen freigelegt wer-den können.

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Erdungsfestpunkte eignen sich sehr gut im Bereich von Kabeleinführungen. Erdungsschienen für die Erdung von Kabelschirmen können direkt über den Erdungsfestpunkt geerdet werden.

Bild 25: Verbindung zwischen Erdungsfestpunkt und Erdsammelleiter zur Erdung von Kabelschirmen

Erdungsfestpunkte eignen sich sehr gut in rauer industrieller Umgebung. Im Gegensatz zu An-schlussfahnen können Erdungsfestpunkte kaum beschädigt werden und eignen sich auch für die Erdung von starkstromtechnischen Einrichtungen.

Neben den herkömmlichen Erdungsfestpunkten aus nichtrostendem Stahl stehen Erdungsfest-punkte aus Messing zur Verfügung, die für eine Belastung durch hohe Stromstärken ausgelegt sind (Bild 27 und Bild 28). Durch parallele Anordnung von herkömmlichen Erdungspunkten können eben-falls Anschlüsse für eine höhere Strombelastbar-keit erstellt werden (Bild 29).

Bild 26: Erdung von Kabeleinführungen leittechnischer Kabel an einem Erdungsfestpunkt

Bild 27: Erdungsfestpunkt mit hoher Stromtragfähigkeit

Bild 28: Erdungsfestpunkt mit hoher Stromtragfähigkeit

Bild 29: Erdungsfestpunkte zur Erdung eines Generatorblocks

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3.3 Hinweise für Erdungs- und Potentialaus-gleichsmaßnahmen in Transformatoren-boxen

Transformatoren können in Freiluftanlagen oder in abgeschlossenen elektrischen Betriebsstätten auf-gestellt werden. Die Anforderungen werden in der DIN VDE 0101 behandelt.

Für die Erdung eines Transformators in einem ab-geschlossenen Raum muss mindestens eine An-schlussfahne von der Erdungsanlage vorhanden sein (Bild 30).

Innerhalb der Transformatorbox wird vorzugsweise ein Erdsammelleiter aus Flachband verlegt. Je nach Anwendungsfall kann hierfür Flachband aus verzinktem Stahl (Abmessungen zwischen 30 x 3,5 und 40 x 5 mm) oder Flachleiter aus Kupfer (Ab-messungen zwischen 30 x 3 mm und 40 x 10 mm) verwendet werden. An diesen Erdsammelleiter wer-den alle metallenen Einrichtungen wie Türen, Ka-belpritschen, Kabelarmierungen, Halfenschienen von Mittelspannungskabeln, Trafoschienen, Trafo-gehäuse und Gitterbleche auf kurzem Weg ange-schlossen werden (siehe Bild 31 bis Bild 38). Der Trafosternpunkt wird in der Regel noch zusätzlich mit dem zentralen Erdungsbahnhof verbunden.

Bild 30: Transformator, 4 MVA, in einer separaten Transformatorenbox

Bild 31: Halfenschienen für die Befestigung von Mittelspannungskabel müssen geerdet werden

Bild 32: Erdung von Kabelarmierungen eines Mittelspannungskabels

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Bild 33: Flexible Türerdung in der Transformatorbox

Bild 34: Anschluss der Trafoschienen an den Erdsammelleiter

Bild 35: Überbrückung von Kabelpritschen

Bild 36: Überbückung an Holmen für MS-Kabel

Bild 37: Erdung von Kabelbahnen

Bild 38: Erdung einer Metalltür

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3.4 Hinweise für die Montage und Auslegung von Erdungsleitungen und Erdsammelleitungen

Unter einer Erdsammelleitung versteht man einen Hauptpotentialausgleichsleiter, der in Gebäuden oder zwischen verschiedenen Anlagenteilen ver-legt wird. Erdsammelleiter können über mehrere Abschnitte und / oder zwischen verschiedenen Etagen verlegt werden. An die Erdsammelleitung werden Erdungsleitungen von der Erdungsanlage und von metallenen Installationen oder elektri-schen Betriebsmittel angeschlossen. Die Verbin-dung zwischen Erdsammelleiter und Erdungsan-lage erfolgt in Abstand von 5 bis 20 Meter und muss für den konkreten Anwendungsfall in der Planungsphase festgelegt werden (Bild 39).

Bild 39: Erdsammelleitung

Typisches Einsatzgebiet für die Installation einer Erdsammelleitung sind starkstromtechnische Anla-gen über 1 kV oder industrietechnische Anlagen (z.B. Kraftwerke, Müllverbrennungsanlage etc.). Für diese Anwendungsfälle muss eine Erdsammel-leitung für den maximal möglichen Netzkurz-schlussstrom ausgelegt werden.

Die Strombelastbarkeit einer Erdsammelleitung, von Erdungsleitern und Erdern wird nach DIN VDE 0101, Anhang B ermittelt. Maßgebliche Fak-toren für die Strombelastbarkeit sind Werkstoff-Konstante, Leiterquerschnitt, Fehlerstromdauer und Leiterstrom. Kupfer blank oder verzinkt, Alu-minium und verzinkter Stahl sind für eine Endtem-peratur von 300 °C auszulegen. Kupfer verzinnt oder mit Bleimantel ist für eine Endtemperatur von 150 °C zu berechnen.

Je nach Anwendungsfall können für den Erdsam-melleiter Flachband aus verzinktem Stahl (Abmes-sungen zwischen 30 x 3,5 und 40 x 5 mm) oder Rechteckleiter aus Kupfer (Abmessungen zwi-schen 30 x 3 mm und 40 x 10 mm) verwendet wer-den. Erdsammelleiter mit rechteckigen Querschnitt haben eine größere Oberfläche als vergleichbare Leiter mit rundem Querschnitt. Auf Grund des Skin-Effektes haben rechteckigem Leiter deshalb eine geringere Impedanz für hochfrequente Strom-anteile. In Räumen mit umfangreichen leittechni-schen Einrichtungen werden ebenfalls Erdsammel-leiter verlegt. Die Verlegung erfolgt in der Regel unterhalb des Ständerbodens.

Bild 40: Erdsammelleitung unter dem Ständerbo-den eines Kraftwerkes

Alle metallenen Installationen wie z.B. die PE-Schiene eines Schaltschrankes, Motoren, IDM-Durchflussmesser, Messwertumformer, Stahlkon-struktionen etc. werden mit dem Erdsammelleiter verbunden.

Bild 41: Erdsammelleitung für die Erdung von Anlagenkomponenten einer Turbine

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Die Bestimmung der Strombelastbarkeit von Er-dungsleitern und Erdern in Starkstromanlagen mit Nennwechselspannungen über 1 kV wird in der DIN VDE 0101 (Januar 2000) im Anhang B, be-schrieben.

Nennbreite

„b“

Bohrungs-mass„d“

Abstand derBohrung

„e1“

Für rechteckige Erdsammelleitungen gelten für Bohrungen und Verschraubungen die Vorgaben für Stromschienen aus DIN 43 673 Teil 1 und 2. Die nachfolgenden Bilder und Tabellen zeigen beispiel-haft die Anforderungen für Längsverbindungen bis 60 mm Schienenbreite.

Bild 44: Stromschienen für 12 bis 50 mm (Tabelle 1)

Tabelle 1: Maße für Bohrungen u. Längsverbindungen

Für Verschraubungen gelten folgende Angaben: Schraube Festigkeítsklasse 8.8 nach DIN 267 Teil 3, Mutter Festigkeitsklasse 8 oder höher nach DIN ISO 898 Teil 2, Federelement oder Spannscheibe nach DIN 6796, empfohlenes Nennanziehdreh-moment M4/1,5, M5/2,5, M6/4,5, M8/10, M12/40 (Nxm, bei Gewinde).

Bild 42: Kurzschlußstromdichte G für Erdungsleiter in Abhängigkeit von der Fehlerstromdauer t , F

Linien 1, 2 und 4 für Endtemperatur 300 °C, Linie 3 für Endtemperatur 159 °C, 1) Kupfer, blank oder verzinkt, 2) Kupfer, verzinnt oder mit Bleiman-tel, 3.) Aluminium, nur für Erdungsleiter, 4.) ver-zinkter Stahl (nach Bild B.1 aus DIN VDE 0101)

Bild 43: Dauerstrom I für Erdungsleiter mit recht-D

eckförmigen Querschnitt in Abhängigkeit vom Pro-dukt Querschnitt mal Profilumfang ( A*s) Linien 1, 2 und 4 für Endtemperatur 300 °C, Linie 3 für Endtemperatur 159 °C, 1) Kupfer, blank oder ver-zinkt, 2.) Aluminium, 3) Kupfer, verzinnt oder mit Bleimantel, 4.) verzinkter Stahl (nach Bild B.2 b aus DIN VDE 0101)

Bild 45: Stromschienen für 12 bis 50 mm (Tabelle 2)

Tabelle 2: Maße für Bohrungen u. Längsverbindungen

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Erdungsleitungen müssen die Mindestquerschnitte und -anforderungen nach DIN VDE 0101, DIN VDE 0100 T 540 und DIN VDE 0151 einhalten.

Darüber hinaus müssen Erdungsleitungen für die Betriebs- oder Fehlerströme ausgelegt werden. Bei den Fehlerströmen ist die Fehlerdauer t zuberück-F

sichtigen. Werden für Anlagen bis 1000 V und darü-ber 1 kV gemeinsame Erdungsanlagen und Er-dungsleitungen genutzt, dann müssen diese für die höchste Einzelanforderung ausgelegt werden. Das gleichzeitige Auftreten von zwei Fehlern muss nicht berücksichtigt werden. Detaillierte Untersuchun-gen sind nach DIN VDE 0102 durchzuführen. Für die Dimensionierung der Erdungsleitungen können nach Günter G. Seip: Elektrische Installationstech-nik, vereinfachte Rechenverfahren angewendet werden. Die Berechnungen unterscheiden dabei Erdfehlerströme in Anlagen über 1 kV und in Anla-gen bis 1 kV.

Vereinfachte Berechnung der Erdfehlerströme in Anlagen über 1 kV

Die Hochspannungseinspeisung für elektrische Installationsanlagen der Gebäudetechnik erfolgt üblicherweise aus Netzen mit Nennspannungen < 110 kV. Diese Netze weisen einen isolierten Sternpunkt oder eine Erdschlusskompensation auf. Für die Berechnung ist daher die Ermittlung des zweipoligen Erdkurzschlussstromes ausreichend.

Hierbei handelt es sich um einen zweipoligen Kurzschluss mit Erdberührung I´´ . Der zweipoli-k1E

ge Erdkurzschlussstrom kann wie folgt ermittelt werden:

S´´ = Netzkurzschlussleistung k

U = Netznennspannungn

Hierbei wird von einer Fehlerdauer t von höch-F

stens 1 s ausgegangen.

Tabelle 3: Richtwerte für Netzkurzschlussleistungen

Vereinfachte Berechnung der Erdfehlerströme in Anlagen bis 1000 V

In TN- und TT-Netzen bis 1000 V ist der einpolige Erdkurzschlussstrom maßgebend. Für eine verein-fachte Berechnung wird bei Transformatoren mit Dreieck-Stern-Schaltung (Dy) die Netznennspan-nung U und die Summe der vorgelagerten Netz-n

impedanzen Z (im Hochspannungsnetz) und der Q

Transformatorimpedanz Z gerechnet. T´

U = (Netznennspannung)n

S´´ = Netzkurzschlussleistung des k

Hochspannungsnetzesu = Kurzschlussspannung der Transformatorenkr

S = TransformatorleistungT

c = Spannungsfaktor nach DIN VDE 0102

Bei diesen Formeln wird davon ausgegangen, dass die ungeschützte Kabelstrecke zwischen Transformator und Transformatorschalter erd- und kurzschlusssicher ausgeführt ist und ein Transfor-matorfehler durch selbsttätige Überwachungsein-richtungen erfasst und auf der Hochspannungs-seite abgeschaltet wird.

Als Abschaltzeit wird vereinfacht eine Fehlerdauer von t = 0,5 s zugrunde gelegt werden. Unter der F

Abschaltzeit versteht man die Dauer, in der die erste Überstromschutzeinrichtung in der Nieder-spannungsanlage im Fehlerfall abschaltet. In Ab-hängigkeit von den Selektivitätsanforderungen kann diese Zeit im Einzelfall wesentlich kürzer sein.

Tabelle 4: Spannungsfaktoren "c" nach DIN VDE 0102

Erdung und Potentialausgleich in Industrieanlagen

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Beispiel:

1. Berechnung des Erdfehlerstromes auf der Mittelspannungsseite

Die Netzkurzschlussleistung beträgt 250 MVA, die Netznennspannung U ist 10 kV.n

2. Querschnittsermittlung der Erdungsleitung für die Mittelspannungsseite

Nach DIN VDE 0101 errechnet sich der Querschnitt wie folgt:

G = zulässige Kurzschlussdichte in Abhängigkeit von der Dauer des Erdfehlerstromes tF

Aus Bild B.1, DIN VDE 0101, kann für t = 1 s eine F

Kurzschlussstromdichte G = 180 [A/mm²] für Kup-fer (Linie 1) abgelesen werden.

Hieraus ergibt sich ein erforderlicher Mindestquer-schnitt für Erdungsleitungen auf der Mittelspan-nungsseite von

Aus Sicherheitsgründen wählt man bei diesen Wert einen Querschnitt von 95 mm² für den Erdungs-leiter.

3. Berechnung des Erdfehlerstromes auf der Niederspannungsseite

Die Netznennspannung beträgt 400 V, die Kurz-schlussspannung des Transformators 6% und die Transformatorleistung 630 kVA.

4. Querschnittsermittlung der Erdungsleitungfür die Niederspannungsseite

Nach DIN VDE 0101 errechnet sich der Quer-schnitt wie folgt:

G = zulässige Kurzschlussdichte in Abhängigkeit von der Dauer des Erdfehlerstromes tF

Aus Bild B.1, DIN VDE 0101, kann für t = 0,5 s F

eine Kurzschlussstromdichte G = 270 [A/mm²] für Kupfer (Linie 1) abgelesen werden.

Hieraus ergibt sich ein erforderlicher Mindestquer-schnitt für Erdungsleitungen auf der Mittelspan-nungsseite von

Aus Sicherheitsgründen wählt man bei diesen Wert einen Querschnitt von 120 mm² für die Erdungs-leiter.

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Beschichtungen an Rohrleitungen sollten für die Montage von Erdungsschellen nur entfernt werden, wenn eine schriftliche Genehmigung des Betrei-bers oder der Beschichtungsfirma vorliegt.

3.5 Hinweise für die Erdung von Rohrleitungen

Rohrleitungen müssen in den Potentialausgleich einbezogen und wenn sie die das gesamte Gebäu-de durchlaufen, mehrfach, mindestens jedoch zwei-mal, mit dem Erdungssystem verbunden werden. Rohrleitungen zwischen zwei Gebäuden sind je-weils am Gebäudeeintritt zu erden. Flanschver-bindungen müssen sorgfältig auf ihre Stromtrag-fähigkeit hin geprüft werden. Im Zweifelsfall müs-sen zusätzliche Überbrückungslaschen in Abstim-mung mit der Rohrleitungsfirma montiert werden.

Bild 46: Überbrückung eines Isolierflansches

Für die Einbeziehung der Rohrleitungen in den Po-tentialausgleich stehen verschiedene Rohrschel-lentypen zur Verfügung. Die Auswahl richtet sich nach dem jeweiligen Anwendungsfall. Für den Potentialausgleich sind geeignete Rohrschellen zu verwenden. In vielen Fällen empfielt es sich, Band-rohrschellen aus nichtrostendem Stahl zu verwen-den.

Bild 47: Rohrschelle nach DIN EN 50164

Bild 48: Erdung von isolierten Flanschen mit Bandrohrschellen

Bild 49: Erdung von Förder-Rohrleitungen mit Bandrohrschellen

Bild 50: Überbrückung von isolierten Flanschen

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Aktive Leitungen sind über Überspannungsschutz-geräte in den Potentialausgleich einzubeziehen. Hierzu gehören auch Telekommunikations- und Videoüberwachungsleitungen und Zuleitungen zur Außenbeleuchtung (Bild 53 bis Bild 55).

3.6 Hinweise für die Erdung von energie- und informationstechnischen Leitungen

Die Schirme von energie- und informationstech-nisch Leitungen sind am Gebäudeeintritt in den Potentialausgleich einzubeziehen (Bild 51).

Bild 51: Erdung von Steuerkabel nach dem Gebäudeeintritt

Bei der Kabelauswahl ist darauf zu achten, dass grundsätzlich ein stromtragfähiger Schirm vorhan-den ist, der direkt geerdet werden darf. Bestehen Bedenken gegen eine direkte Erdung der Kabel-schirme, dann kann die Einbindung der Kabelschir-me indirekt über eine Funkenstrecke erfolgen(Bild 52).

Die Kabelschirme von Kabeln, die durch ein Ge-bäude oder eine Anlage laufen, sollten mehrfach geerdet werden. Die Erdung der Kabelschirme soll-te mit Schirmungsklemmen erfolgen, die eine voll-ständige Kontaktierung sicherstellen (Bild 52).

Bild 52: Indirekte Erdung von Kabelschirmen über Funkenstrecken

Bild 53: Überspannungsschutz von Videoleitungen

Bild 54: Überspannungsschutz Außenbeleuchtung

Bild 55: Überspannungsschutz MSR-Leitungen

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Bild 58: Klemmschelle für Verbindung eines Erd-seiles zur Kabelpritsche

Die Stoßstellen von Kabelpristchen müssen sicher miteinander verschraubt oder überbrückt sein.

Bild 59: verschraubte Stoßstellen einer Kabelpritsche

Bild 60: Verbindung zwischen Kabelpritsche und Kabelholm

3.7 Hinweise für die Erdung von Kabel-bahnen

Kabelbahnen sind an den Enden zu erden. Bei grö-ßeren Abschnitten sollte zusätzlich eine Erdung mind. alle zwanzig Meter erfolgen. Einzelne Ab-schnitte müssen leitend überbrückt sein, Leitungs-querschnitte müssen für die möglichen Netzkurz-schlussströme ausgelegt werden. Kabelbahnen zwischen zwei Gebäuden sind jeweils am Gebäu-deeintritt zuerden.

Bild 56: Erdung Kabelpritsche und Verteilerschrank

Auf Kabeltragsystemen mit Mittelspannungskabel empfiehlt es sich, einen zusätzlichen Erdungsleiter (z.B. verzinntes Kupferseil 95 mm²) zu verlegen. Dieser Erdungsleiter ist mit dem Kabeltragsystem im Abstand von 10 Meter leitend zu verbinden.

Bild 57: Erdseil auf einer MS-Kabelpritsche

Erdung und Potentialausgleich in Industrieanlagen

Bild 62: Anordnung von Erdungsleitern über einer Kabeltrasse

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3.8 Verbindungsleitung zu Nachbargebäuden

Erdungsanlagen von benachbarten Gebäuden ei-ner Liegenschaft sind miteinander zu verbinden, wenn energie- und informationstechnische Leitun-gen zwischen diesen Gebäuden verlaufen. Über Kabeltrassen von leittechnischen Kabeln sollten grundsätzlich Erdungsleiter verlegt werden, die mit der jeweiligen Gebäudeerdungsanlage zu verbin-den sind (Bild 62).

Bild 63: Schutz-wirkung eines Erdungs-leiters

Erdung und Potentialausgleich in Industrieanlagen

Bild 61 zeigt beispielhaft, wie Probleme entstehen können, wenn die Vermaschung von Erdungsan-lagen, z.B. in einem Industriekomplex, unvollstän-dig erfolgt.

Erdungsleiter über Kabeltrassen sollten entspre-chend Bild 62 und Bild 63 angeordnet werden. Mit dieser Anordnung ergibt sich ein Schutz der Ka-beltrasse gegen direkte Blitzeinschläge. Bei brei-ten Kabeltrassen müssen mehrere Erdungsleiter in Abständen von 1 m zueinander verlegt werden. Parallele Erdungsleiter sollten in Abstand von 20 Metern miteinander verbunden werden.

Bild 61: Probleme können bei einer unvollständiger Vermaschung von Erdungsanlagen auftreten

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Bild 64: Funktionsweise der Potentialsteuerung (UE = Erdungsspannung, UST = Leerlauf-Berührungsspannung, USS = Leerlauf-Schrittspannung)

Bild 65: Potentialsteuerung

3.9 Potentialsteuerung

Unter Potentialsteuerung versteht man die Verän-derung des Erdpotentials, insbesondere an der Erdoberfläche, mit Hilfe von Erdern (siehe DIN VDE 0101). Die Funktionsweise der Potentialsteu-erung ist in Bild 64 dargestellt.

Nach DIN VDE 0101, Anhang D (normativ), muss die zulässige Berührungsspannung U sicherge-TP

stellt sein. In der Vorgängernorm DIN VDE 0141, Bild 10, wurde eine höchst zulässige Berührungs-spannung von 60 V, bei einer Abschaltdauer t von F

3 s, vorgegeben. In der neuen Norm DIN VDE 0101 hat sich diese Anforderung geändert. Nach Bild 9.1 ist jetzt eine höchste zulässige Berüh-rungsspannung U von ca. 82 V bei 3 Sekunden TP

Stromflussdauer erlaubt.

Eine Maßnahme zur Einhaltung der zulässigen Be-rührungsspannung U ist die Erstellung einer Po-TP

tentialsteuerung um ein Gebäude. Die DIN VDE 0101 beschreibt die Ersatzmaßnahmen M 1.2 wie folgt: Potentialsteuerung durch einen Oberflächen-erder in einem Abstand von etwa 1 m außerhalb der Außenwand und in einer Tiefe von höchstens 0,5 m, der an die Erdungsanlage angeschlossen ist (Bild 65).

Erdung und Potentialausgleich in Industrieanlagen

Steuer-erder

Abstand[m]

Tiefe[m]

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Bild 66 Potentialsteuerung für ein Blockheizkraftwerk

Werden für Anschlußfahnen aus dem Erdreich, Ka-bel oder Erdseile verwendet, z.B. NYY 95 mm² oder Kupferseil 95 mm² verzinnt, dann müssen die-se Anschlußfahnen beim Austritt aus dem Erdreich gegen Beschädigung geschützt werden (Bild 68).

Bild 66 zeigt beispielhaft die Planung der Potential-steuerung für ein Blockheizkraftwerk eines Indus-trieunternehmens.

Um das Gebäude wurde ein zweifacher Erdungs-ringleiter verlegt. Der Abstand der Ringleiter unter-einander und zum Gebäude beträgt 1 m, die Ver-legungstiefe ca. 0,5 m und 0,8 m. Bei der Ausfüh-rung wurde darauf geachtet, dass die Verbin-dungsstellen im Erdreich durch Korrosionsschutz-binde gegen das Eindringen von Feuchtigkeit ge-schützt sind (Bild 67).

Bild 67: Verbindungsstellen im Erdreich durch Korrosionsschutzbinde schützen.

Bild 68: Anschlussfahnen aus dem Erdreich (Kabel oder Erdseile), 1) Kabelschuh, 2) Schutzrohr, 3) Anschlussfahne, 4) Verbindungsklemme

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Bild 71: Erdung einer kathodisch geschützten Rohrleitung

Die richtige Werkstoffwahl ist entscheidend in Um-gebungen mit stark korrosionsfördernden Einwir-kungen. Die nachstehenden Bilder zeigen Er-dungsmaßnahmen aus nichtrostendem Stahl, V4A, Werkstoff-Nr. 1.4571 (Bild 72 und 73).

3.10 Diverse Maßnahmen

Zusätzlich zu den zuvor beschriebenen Maßnah-men müssen Potentialausgleich- und Erdungs-maßnahmen auch Messgeräte und besondere ört-liche Verhältnisse berücksichtigen. Ein Beispiel hierfür ist die Einbeziehung von Durchflussmes-sern in den Potentialausgleich (Bild 69). Die Erfor-dernis einer Erdung ergibt sich aus der jeweiligen Betriebsanleitung des Herstellers.

Bild 69: Erdung von Durchflussmessern

Besondere Beachtung müssen Motore und Ver-fahrenseinrichtungen (Rüttelsiebe etc.) finden, die auf Gummipuffern oder Schwingungselementen gelagert sind (Bild 70).

Bild 70: Überbrückung einer auf Gummipuffern ge-lagerten Anlage

In Industrieanlagen sind häufig Gasübernahmesta-tionen vorhanden, die den Betrieb mit entspre-chenden Industriegasen versorgen. Die Einbin-dung dieser Rohrleitungen in den Potential-ausgleich muss den kathodischen Korrosions-schutz beachten. Die Erdung eines Isolierflan-sches über eine Ex-Funkenstrecke zeigt Bild 71.

Bild 72: Erdung

einer Stahlstütze

Bild 73: Motorerdung

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Bild 74: 10 kV-Schaltanlagengebäude, Gebäudeschnitt, System der Erdungsmaßnahmen, geplant nach der Vorgängernorm DIN VDE 0185

- Tiefenerder, Länge 21,0 m, Anzahl: 8 Stück, Material: Stahl feuerverzinkt (Bild 76 und Tabelle 5)

- Flachband 40 x 5 mm, verz., in Ortbetonwän-den bis Ebene + 7,1 m, mit der Bewehrung im Abstand von 2-3 Metern verklemmt (Bild 74).

- Flachband 30 x 3,5 mm, verz., in Ortbetonwän-den von Ebene +7,1 m bis Ebene +12,4 m, mit der Bewehrung im Abstand von 2-3 Metern ver-klemmt (Bild 74).

- Maschenerder aus Flachband 40 x 5 mm, verz., in der Decke Ebene + 8,1 m, mit der Beweh-rung im Abstand von 2-3 Metern verklemmt,Maschenweite: max. 6,5 x 7 m (Bild 77).

- Maschenerder aus Flachband 30 x 3,5 mm, verz., in der Decke Ebene + 12,4 m, mit der Be-wehrung im Abstand von 2-3 Metern verklemmt, Maschenweite: 21 x 12,5 m (Bild 74).

- Erdsammelleiter in Trafoboxen, Kabelschacht, Relaisraum u. Schaltraum 10 kV (Bild 76 und 77).

- Verbindungsleiter zwischen den Ebenen.

3.11 Planung von Erdungsmaßnahmen am Beispiel eines 10 kV-Schaltanlagen-gebäudes

Die nachstehenden Maßnahmen wurden für ein 10 kV-Schaltanlagengebäude realisiert. Die vom Betreiber vorgegebenen Vorgaben wurden in der Ausführungsplanung berücksichtigt.

Vorgaben:

l Kurzschlussstrom I´´ = 25 kA,K2E

l Fehlerstromdauer t = 1 s, F

l Querschnitt für Erdungsleiter als Fundament-erder Flachband 40 x 5 mm,

l Querschnitt für den Erdsammelleiter, Kupfer-schiene 40 x 10 mm, Gesamterdungswider-stand < 2 Ohm (siehe Tabelle 5)

Realisierte Maßnahmen: - Fundamenterder, Flachband 40 x 5 mm, verz.,

mit der Bewehrung im Abstand von 2-3 Metern verklemmt (Bild 75).

- Steuererder, Kupferseil 95 mm², verzinnt, Ab-stand zum Gebäude 1 m, Verlegetiefe 0,5 m (Bild 76).

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Bild 75: 10 kV-Schaltanlagengebäude, Ebene -2,25 m, Fundamenterder

Tabelle 5: Die Erdungswiderstände wurden gegen Sonde und Hilfserder nach DIN VDE 0101, Anhang N, Abschnitt N 2.2 gemessen

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Bild 77: 10 kV-Schaltanlagengebäude, Ebene +8,10 m, Erdungsmaßnahmen

Bild 76: 10 kV-Schaltanlagengebäude, Ebene +0,00 m, Erdungsmaßnahmen

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