Erdung

Dieser Artikel behandelt das Thema Erdung allgemein. Für den Erdungskontakt des 230-V-Netzes, siehe auch Schutzleiter oder Schutzkontakt.

Die Erdung ist eine elektrisch leitfähige Verbindung mit dem Elektrischen Potential des Erdbodens.^[1] Die Erdung ist eine Form der Masseverbindung. Ein Massepotential ist im Allgemeinen nicht identisch mit dem Erdpotential. Durch eine Masseverbindung (Massung) wird eine leitfähige Verbindung mit der leitfähigen Umgebung hergestellt. Wenn diese Umgebung den Erdboden umfasst oder mit ihm leitfähig verbunden ist, liegt eine Erdung vor.

Erdsymbol

Grundlagen

Mit Erde bezeichnet man zum einen das Erdreich und zum anderen das elektrische Potential des leitfähigen Erdreichs.^[2] Sie besteht zum Personenschutz aus Erdern, Schutzleitern, Schutzleiter-Klemmen oder auch Blitzableitern. Der Bereich der außerhalb des Wirkungsbereichs eines Erders liegt wird als Bezugserde oder auch neutrale Erde bezeichnet. Treten zwischen der Erdung und einem willkürlich ausgewählten Erdungspunkt keine merklichen vom Erdungsstrom herbeigeführten Spannungen auf, befindet sich dieser ausgewählte Erdungspunkt im Bereich der neutralen Erde.^[3]

Fundamenterder-Anschluss mit Potentialausgleichsschiene in einem Wohnhaus

Die Erdung hat zum Ziel, ein definiertes Bezugspotential oder einen Potentialausgleich herzustellen, durch den eine möglicherweise auftretende Spannung kurzgeschlossen werden soll. Da die Erdung jedoch wie jede andere elektrisch leitfähige Verbindung einen Widerstand aufweist, den sogenannten Erdungswiderstand, bleibt im Fall eines permanenten Stromflusses gemäß dem Ohmschen Gesetz eine Spannung bestehen.^[4] Nur in statischen Anwendungsfällen darf daher davon ausgegangen werden, dass mit der Erdung jegliche Potentialdifferenz ausgeschlossen ist.

Die grundlegenden Begriffe für Erdungssysteme im Zusammenhang mit Niederspannungsanlagen sind in der DIN VDE 0100-200:2006-06 „Errichten von Niederspannungsanlagen“ im Hauptabschnitt 826-13 – „Erdung und Verbindungen“ festgelegt. Diese Norm enthält weitgehend die deutsche Übersetzung der lEC 60050-826:2004 mit geringfügigen nationalen Anpassungen. Die Begriffsdefinitionen können auch über das frei zugängliche Portal ELECTROPEDIA^[5] in der „Section 826-13“ in 12 Sprachen abgefragt (bzw. in jede der angebotenen Sprachen übersetz) werden.

Erdungsarten

Je nach Aufgabe und Aufbau unterscheidet man in der Elektrotechnik vier verschiedene Arten der Erdung:

• Schutzerdung
• Blitzschutzerdung
• Funktionserdung
• Betriebserdung

Mit der Schutzerdung wird eine sichere Verbindung zum Erdreich erstellt, um bei elektrischen Anlagen und Geräten bei Auftreten eines Fehlers Personen und Tiere vor gefährlich hohen Berührungsspannungen zu schützen. Die Schutzerdung kann auch der Funktionserdung dienen, nicht jedoch umgekehrt.^[6]

Die Blitzschutzerdung soll den Blitzstrom sicher ins Erdreich abführen, um Gebäude zu schützen.^[7]

Die Funktionserdung dient dazu, elektrische Einrichtungen sicher zu betreiben. Mit der Funktionserdung sollen Störströme sicher abgeleitet und elektrische Störeinkopplungen vermieden werden.^[8]

Die Betriebserdung wird überwiegend in Kraftwerken und Schaltanlagen eingesetzt und soll einen störungsfreien Betrieb der Anlage oder der Geräte sicherstellen.^[9]

Vielfach werden Erdungen auch kombiniert und miteinander vermascht.^[6]

Aufgaben des Erdungssystems

Erdungsband am Fuß eines Hochspannungsmastes

Das Erdungssystem (Erdung) umfasst alle Maßnahmen, die zur Verbindung eines elektrischen Teils mit der Erde erforderlich sind und ist ein wesentlicher Bestandteil sowohl in Niederspannungs- als auch in Hochspannungsnetzen.^[10] Bei Neubauten ist die Erdungsanlage die erste technische Einrichtung, die eingebaut werden muss. Die Erdungsanlage besteht aus den Erdungsleitungen und einem oder mehreren Erdern. Die jeweiligen Erder werden, je nach Einbautiefe, eingeteilt in Tiefenerder, die senkrecht in den Boden getrieben werden und Oberflächenerder, die waagerecht verlegt werden. Dabei sind Fundamenterder eine Sonderform des Oberflächenerders. Sie werden im Fundament unterhalb der Feuchtigkeitsisolation verlegt.^[6]

Fundamenterder in der Baugrube eines Einfamilienhauses

Aufgabe der jeweiligen Erdungsanlage ist:

• Schutz von Lebewesen durch Begrenzung der Berührungsspannung und der Schrittspannung
• Blitzschutz von Anlagen und Gebäuden^[7]
• bestimmungsgemäße Funktion der Stromversorgung
• Begrenzung elektromagnetischer Störungen

Entsprechend dieser Anforderungen werden die jeweiligen Erdungssysteme ausgelegt und installiert. Dabei müssen bei der Auslegung der Erdungsanlage bestimmte Anforderungen erfüllt werden:

• Personensicherheit
• Korrosionsbeständigkeit
• mechanische Festigkeit
• Beherrschung des höchsten Fehlerstroms und seiner thermischen Wirkungen

Bei der Installation der Erdungsanlage muss der Konstrukteur sowohl die Beschaffenheit des Erdreichs als auch die Höhe der zu erwartenden Fehlerströme berücksichtigen.^[11]

Beispiele

Personenschutz

Menschen und andere Lebewesen sind gefährdet, wenn sie zwei elektrisch leitfähige Objekte berühren, zwischen denen eine gefährlich hohe elektrische Spannung besteht. In Hoch- und Niederspannungsnetzen werden deshalb alle nicht betriebsmäßig unter Spannung stehenden leitfähigen Teile elektrischer Verbraucher (z. B. Gehäuseteile) über den sogenannten Schutzleiter mit dem Erdpotential verbunden. Bei dieser Erdungsmethode handelt es sich um die Schutzerdung. Die Verbindung eines Außenleiters mit diesen Objekten führt dann zum Erdschluss, der zur Auslösung der Überstromschutzeinrichtung und damit zur Abschaltung der Spannung führen kann.^[12]

Explosionsvermeidung

Erdungen zum Ex-Schutz ähneln Maßnahmen zum ESD-Schutz und schützen Personen und Sachwerte.
Beim Befüllen z. B. von Tankern, LKW, Waggons, Fässern, Bigbags (engl. für großer Sack oder Schüttgutbehälter) etc. entstehen elektrostatische Aufladungen. Mit Erdungsgeräten vermeidet man Zündquellen durch elektrostatische Aufladung. Erdungsgeräte sind beispielsweise Erdungsklammern, die an den zu erdenden Gegenstand geklemmt (hierbei ist darauf zu achten, dass beispielsweise bei einem Fass die „Zähne“ der Klammer auch wirklich durch den Lack bis auf das Metall kommen) und mittels eines Kabels mit einem Erder verbunden werden. Dies verhindert somit, dass sich Funken bilden und in einer Ex-Atmosphäre eine Explosion entsteht.

Mobile Stromerzeugungsaggregate

Der sogenannte Erdungsspieß ist ein Zubehörteil eines mobilen Stromerzeugungsaggregats. Sollte dessen Generator nicht an einen vor Ort vorhandenen Erder angeschlossen werden können, wird dieser bis zu einem Meter lange Kupferstab in den Boden getrieben und mit der Generatoranlage verbunden. Moderne Generatoranlagen benötigen in der Regel keinen Erdungsspieß, wenn sie als IT-System mit Isolationswächter betrieben werden.^[13]

Erdung einer Oberleitung

Wartung/Arbeitsschutz

Es ist vorgeschrieben, vor Arbeiten an elektrischen Anlagen mit gefährlichen Spannungen, zum Beispiel an Verteilern, Freileitungen oder Oberleitungen, die Spannung abzuschalten und alle elektrischen Leiter zu erden. Die Erdung bewirkt im Fall eines unbeabsichtigten Einschaltens einen Kurzschluss, der zum Auslösen der Sicherung und damit zur Abschaltung der Spannung führt. Außerdem kann über die Erdung eine möglicherweise noch vorhandene Ladung von der Anlage abgeführt werden, zum Beispiel bei Arbeiten an Hochspannungsleitungen.

Nur in Ausnahmefällen und nur für speziell ausgebildete Elektrofachkräfte ist es zulässig, dies zu unterlassen, zum Beispiel bei Arbeiten unter Spannung.

Erdungsstab für Wartungsarbeiten im Straßenbahnbau

Blitzschutz

Der Blitzschutz dient dem Schutz von Personen und Sachwerten.

Blitzschutzsysteme reduzieren das Risiko von Schäden durch Blitzeinschläge in Gebäuden. Sie bestehen aus Fangeinrichtungen, Ableitungen, Erdung und Blitzschutz-Potentialausgleich. Fangeinrichtungen werden an allen Stellen angeordnet, die von einem Blitz getroffen werden können. Von ihnen leiten die Ableitungen den Blitzstrom zur Erdungsanlage. Überspannungsschutzgeräte stellen bei einem Blitzeinschlag für leitungsgebundene Überspannungen (Surge) einen Potentialausgleich aller elektrischen Leiter mit dem geerdeten Schutzleiter her. Solche leitungsgebundene Überspannungen können trotz Blitzschutz durch Influenz der hohen Feldgradienten oder durch magnetische Kopplung der Blitzströme in Versorgungs- und Signalleitungen entstehen.^[7]

Bahnerde

Unter der Bahnerde werden die geerdeten Fahrschienen von Bahnen verstanden, die bei einpoligen Oberleitungen als Rückleitung genutzt werden.^[14] Diese übliche Konstruktion ist kostengünstig, bewirkt durch den großen Abstand der Leitungen aber ein weiträumiges magnetisches Feld und ist deshalb unter dem Aspekt der elektromagnetischen Verträglichkeit ungünstig. Aufgrund der unterschiedlichen örtlichen Gegebenheiten und Bodenverhältnisse gibt es in Europa unterschiedliche Erdungskonzepte.^[15] Die neuere Bezeichnung für die Bahnerde ist Verbindung mit der Rückleitung.

Es gibt unterschiedliche Erdungskonzepte für Gleichstrom- und Wechselstrombahnen. Die Rückleitungssysteme von Gleichstrombahnen müssen von anderen geerdeten Teilen galvanisch getrennt werden. Um die Rückleitungsverhältnisse zu verbessern, werden oftmals parallel zur BahntrasseErdseile als zusätzliche Rückleiter verlegt.^[16]

ESD-Schutz

Zur Vorbeugung gegen Elektrostatische Entladung (electrostatic discharge – kurz ESD) werden zur Erdung von Personen und zum Potentialausgleich Erdungsbänder, Tischmatten und Werkzeuge mit ableitenden Griffen verwendet. Dies ist immer dann erforderlich, wenn Elektronik oder elektronische Bauelemente gehandhabt oder montiert werden. Insbesondere Diodenlaser, Feldeffekttransistoren, aber auch Schottkydioden, Leuchtdioden sowie die meisten anderen aktiven elektronischen Bauelemente und integrierten Schaltkreise sind gefährdet, wenn diese unsachgemäß gehandhabt, transportiert oder in Platinen eingelötet werden bzw. entsprechende Baugruppen berührt werden.^[17]

Die leitenden Verbindungen zwischen der Person, dem Gerät und der Erde baut Spannungsdifferenzen ab, die den Bauteilen gefährlich werden könnten. Die ESD-Empfindlichkeit elektronischer Bauelemente wird mit dem human body-Modell getestet und in ESD-Empfindlichkeitsklassen spezifiziert.

siehe auch: Antistatikband

Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung

Bei manchen monopolaren Anlagen zur Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung wird, so verfügbar, das gut leitende Meerwasser als zweiter Pol verwendet. Am Land sind ausgedehnte Erdungselektroden nötig. Die Erdung ist funktionswichtig, muss jedoch auch Aspekte des Personenschutzes berücksichtigen. Eine Erdung durch Verbinden des zu erdenden Pols mit irgendwelchen Objekten der Stromrichterstation verbietet sich aus Gründen der Elektrokorrosion und unerwünschter Beeinflussung elektrischer Anlagen, zum Beispiel durch Vormagnetisierung von Transformatoren und durch vagabundierende Gleichströme. Deshalb erfolgt die Erdung von Anlagen zur Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung an einem geeigneten Ort – so verfügbar im Meer – in meist einigen Kilometern Abstand von der Stromrichterstation.

Erfolgt die Erdung an Land, so werden für Anoden meist mehrere Grafitelektroden vergraben. Für Kathoden wird ein Kupferring im Erdreich verlegt. Bei Elektroden im Meer werden für Anoden Graphitelektroden oder Titannetze verwendet. Für Kathoden kommt meist ein blanker Kupferring auf dem Meeresgrund mit einem Durchmesser von über 100 m zum Einsatz. An Land befindliche Erdungsanlagen wie die der Pacific DC Intertie im Ort Celilo befindet sich der Erder im Abstand von 10 km zur Konverterstation in Form eines metallischen Eisenringes mit einem Durchmesser von über 3 km im Erdreich. Zur Vermeidung von Elektrolyse, welche die metallische Erdungselektrode zerstören würde, ist der metallische Eisenring in Petrolkoks eingebettet, welcher den elektrischen Kontakt zum umgebenden Erdreich herstellt.

Der Standort solcher Elektroden muss in Bezug auf die mögliche Korrosionsgefährdung anderer im Boden befindlicher metallischer Teile, wie Rohre oder der Beeinflussung elektrischer Anlagen sorgfältig ausgewählt werden. Er sollte bei Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsanlagen mit Seekabeln nicht zu nah an der Kabeltrasse liegen, da sonst Streuströme über den Kabelmantel abfließen können, die zur Korrosion desselben führen können.

Funktechnik

Antennen erfordern besonders bei großen Wellenlängen der zu sendenden oder zu empfangenden Funkwellen eine Erdung, um ihre Funktion zu verbessern. Weiterhin müssen exponiert an oder auf Dächern angebrachte Antennen geerdet werden, um den Blitzschutz zu gewährleisten. Dies schützt Personen und angeschlossene Geräte vor Schäden. Ganz besonders aufwendige Erdungsanlagen findet man bei Sendeanlagen für Langwelle, Mittelwelle und Längstwelle, denn bei derartigen Anlagen hängt der Wirkungsgrad entscheidend von der Niederohmigkeit der Erdung ab. Bei Sendeanlagen für Langwelle, Mittelwelle und Längstwelle werden um den Antennenstandort in geringer Tiefe (10 bis 50 Zentimeter) mehrere Metallbänder vergraben, die radial von diesen weglaufen. Lässt der Boden kein Vergraben zu, so werden diese ggf. auf kleinen Masten oberirdisch verlegt. In diesem Fall spricht man vom Gegengewicht. Diese Erdbänder sollten mindestens so lang sein, wie der Antennenträger hoch ist. In den meisten Fällen ist ein Wert von ein Viertel der abgestrahlten Wellenlänge ausreichend, es wurden aber schon Erdbänder mit einer Länge von den 1,5fachen der abgestrahlten Wellenlänge verlegt. Man bezeichnet eine derartige Anlage als Erdnetz. Steht der Antennenträger auf einer Plattform im Meer, so kann wegen der guten Leitfähigkeit des Meerwassers auf ein Erdnetz verzichtet werden. Dies gilt auch für im Längst-, Lang- und Mittelwellenbereich betriebene Sender an Bord von Schiffen. Für Längstwellensender mit ganz besonders niederen Frequenzen, wie den Sanguine und ZEVS wird ein über Tiefenerder geerdeter Bodendipol verwendet. Bei diesen Anlagen sind die Erder in mehreren Metern Tiefe versenkt.

Funktionserdung

Die Funktionserdung von Audioverstärkern oder -signalquellen dient dazu, über elektrische Störfelder empfangene Störsignale zu vermeiden, indem deren metallene Gehäuse miteinander und mit dem Erdpotential verbunden werden.^[18] Oszilloskope und andere Geräte wie Computer besitzen oft eine galvanische Verbindung der Signalmasse mit dem Schutzleiter des speisenden Netzanschlusses, um Störeinstrahlung oder Störabstrahlung zu verringern.^[19] Gehäuse und Signalmasse anderer Geräte sind zu diesem Zweck häufig auch nur über ein RC-Glied mit dem Schutzleiter verbunden.

Anschlüsse für die Funktionserdung oder -masseverbindung müssen nicht wie Schutzerdeverbindungen gekennzeichnet sein und dürfen nicht als Schutzerdeverbindung benutzt werden.

Probleme durch Erdungen

Aufgrund der Vielzahl von unterschiedlichen Erdungssystemen kann es zu Beeinflussung der Erdungssysteme untereinander kommen. Dieses macht sich besonders in städtischen Gebieten mit dichter Bebauung bemerkbar, wenn Bahntrassen in der Nähe der Bebauung verlaufen. Durch Potentialverschleppungen kann es zu Überlagerungen des Bahnstromes auf das Drehstromnetz kommen. Dies führt dazu, dass Anlagen nicht mehr einwandfrei funktionieren. Im schlimmsten Fall können diese Überlagerungen zu Schäden am Erder führen oder sogar den PEN-Leiter zerstören.^[16] Durch vagabundierende Gleichströme kommt es in der Nähe von Gleichstrombahnen zu starken Korrosionen an Erdern aus feuerverzinktem Stahl.

Über die Erdung ins Erdreich eingeleitete Wechselströme führen über längere Zeit zu Korrosionen an Rohrleitungen.^[20] Dies wirkt sich dann besonders aus wenn Rohrleitungen als Erder genutzt werden.^[21][22]

Prüfung

Das Vorhandensein eines Anschlusses zu einem Potentialerder allein bietet noch keine Gewähr für dessen Tauglichkeit und eine sichere Erdung. Daher muss nach dem Einrichten eines Potentialerders eine Prüfung auf Ableitung von Fehlerströmen nach VDE 0100^[23] usw. erfolgen.

Normen

• DIN 18014: Fundamenterder - Allgemeine Planungsgrundlagen.
• DIN VDE 0100-200: Errichten von Niederspannungsanlagen - Teil 200: Begriffe.
• DIN VDE 0100-410: Errichten von Niederspannungsanlage - Teil 4-41: Schutzmaßnahmen - Schutz gegen elektrischen Schlag.
• DIN VDE 0100-444: Errichten von Niederspannungsanlagen - Teil 4-444: Schutzmaßnahmen – Schutz bei Störspannungen und elektromagnetischen Störgrößen.
• DIN VDE 0100-540: Errichten von Niederspannungsanlagen - Teil 5-54: Auswahl und Errichtung elektrischer Betriebsmittel - Erdungsanlagen, Schutzleiter und Schutzpotentialausgleichsleiter.
• DIN VDE 0141: Erdungen für spezielle Starkstromanlagen mit Nennspannungen über 1 kV.
• DIN VDE 0151: Werkstoffe und Mindestmaße von Erdern bezüglich der Korrosion.
• DIN VDE 0185-305-3: Blitzschutz - Teil 3: Schutz von baulichen Anlagen und Personen.
• DIN VDE 800-2-310: Anwendung von Maßnahmen für Potentialausgleich und Erdung in Gebäuden mit Einrichtungen der Informationstechnik.

Literatur

• Gerhard Kiefer, Herbert Schmolke: VDE 0100 und die Praxis, Wegweiser für Anfänger und Profis. 14. Auflage. VDE Verlag GmbH, Berlin und Offenbach 2011, ISBN 978-3-8007-3190-9.
• Wilfried Knies, Klaus Schierack: Elektrische Anlagentechnik; Kraftwerke, Netze, Schaltanlagen, Schutzeinrichtungen. 5. Auflage, Hanser Fachbuchverlag. 2006 ISBN 978-3-446-40574-5
• ABB Schaltanlagen Handbuch Online

Einzelnachweise