Die meisten Gebäude verfügen über geerdete elektrische Anlagen, sodass der Strom bei Blitzeinschlag oder Überspannungen im Versorgungsnetz einen sicheren Erdungspfad findet. Ein Erder stellt den Kontakt zwischen der elektrischen Anlage und dem Erdboden her. Um eine zuverlässige Erdung zu gewährleisten, werden in elektrischen Vorschriften, technischen Normen und nationalen Normen häufig Höchstwerte für die Impedanz des Erders angegeben. In vielen Ländern schreiben Organisationen, die für Sicherheit und Schadensbegutachtung zuständig sind, regelmäßig eine Überprüfung des Erders vor.
Dieser Anwendungsbericht erläutert eingehend die Grundprinzipien von Erdung und die Sicherheitsaspekte und beschreibt anschließend die grundsätzlichen Prüfverfahren: 3- und 4-poliges Spannungsfallverfahren, selektive Prüfung, spießlose Prüfung und 2-polige Prüfung.
Wozu erden?
Der NEC nennt zwei Hauptgründe für das Erden einer Anlage.
- Stabilisierung der Spannung gegenüber dem Erdpotential während des normalen Betriebs.
- Begrenzen des Spannungsanstiegs bei Erdschluss, Blitzschlag, Überspannungen oder unbeabsichtigtem Kontakt mit Leitungen, die höhere Spannungen führen.
Der Strom sucht immer den Weg des geringsten Widerstands zurück zu seiner Quelle, sei diese ein Umspanntransformator des Energieversorgungsunternehmens, ein anlageneigener Transformator oder ein Generator. Blitzströme hingegen suchen immer den Weg zur Erde.
Bei einem Blitzeinschlag in das Stromnetz oder in der Nähe eines Gebäudes hilft ein Erder mit niedriger Impedanz, die Energie in das Erdreich abzuleiten. Die Erdungs- und Anschlusssysteme verbinden den Erdboden in der Nähe eines Gebäudes mit der elektrischen Anlage und dem Fundamenterder des Gebäudes. Bei einem Blitzeinschlag befindet sich die gesamte Anlage auf einem fast einheitlichen Potential. Durch eine geringe Potenzialdifferenz können Schäden minimiert werden.
Falls ein Mittelspannungsnetz (über 1 kV) in Kontakt mit einem Niederspannungsnetz kommt, könnte dies für die nahe gelegenen Anlagen eine bedrohliche Überspannung zur Folge haben. Ein Erder mit niedriger Impedanz hilft, den Spannungsanstieg an der Anlage zu begrenzen. Eine Erdung niedriger Impedanz kann auch einen Rückweg für Überspannungen aus dem Stromnetz liefern.
Impedanz des Erders
Die Impedanz des Erders hängt von zwei Faktoren ab: dem spezifischen Widerstand des umgebenden Erdbodens und der Konstruktion des Erders.
Der spezifische Widerstand ist eine Materialeigenschaft, die die Leitfähigkeit für elektrischen Strom definiert. Der spezifische Widerstand des Erdbodens ist schwierig anzugeben, weil er:
- von der Zusammensetzung des Bodens abhängt (z. B. Lehm, Kies und Sand),
- je nach Materialmischung auch über geringe Distanzen variieren kann,
- vom Mineralgehalt abhängt (d. h. Salze),
- von der Bodenverdichtung abhängt, die sich durch Setzen auch im Laufe der Zeit ändern kann,
- sich mit der Temperatur und Befrostung (und damit der Jahreszeit) ändert. mit sinkender Temperatur steigt.
- durch im Boden befindliche Metallteile wie Tanks, Rohre, Baustahl usw. beeinflusst werden kann,
- sich mit der Tiefe ändert (in der Regel sinkt)
Da der spezifische Widerstand mit zunehmender Bodentiefe meist abnimmt, werden die Erder zur Verringerung der Erdimpedanz möglichst tief verlegt. Durch Verwendung eines Feldes aus mehreren Erdspießen, eines Leiterrings oder eines Netzes kann die wirksame Fläche eines Erders erhöht und damit ebenfalls die Erdimpedanz verringert werden. Außerhalb des „Einflussbereichs“ jedes Einzelnen sollten sich mehrere Stäbe befinden, um eine maximale Wirkung zu erzielen. Als Faustregel gilt: die Abstände größer halten als die Länge der Elemente. Ein Beispiel: Bei Erdspießen mit 1,2 m Länge sollte der Abstand zwischen den einzelnen Spießen mehr als 1,2 m betragen, um eine maximale Wirkung zu erzielen. In der NEC sind 25 Ohm als akzeptable Obergrenzen für die Elektrodenimpedanz angegeben. In der IEEE-Norm 142 „Recommended Practice for Grounding of Industrial and Commercial Power Systems“ (Green Book) wird für den Widerstand zwischen dem Haupterder und dem Erdreich für große gewerbliche oder industrielle Anlagen ein Wert von 1 bis 5 Ohm vorgeschlagen.
Die Festlegung zulässiger Grenzwerte für die Impedanz des Erders ist in den zugehörigen VDE-Normen exakt beschrieben, teilweise wird sie durch die technischen Anschlussbedingungen (TAB) der örtlichen Energieversorger ergänzt.
Hinweis: Energieverteilungssysteme liefern Wechselstrom, und auch Erdungsmessgeräte verwenden Wechselstrom für die Prüfung. Daher sollten wir von Impedanz und nicht von Widerstand sprechen. Bei Netzfrequenzen ist jedoch die ohmsche Komponente der Erdimpedanz in der Regel viel größer als die Blindkomponente, sodass die Begriffe Impedanz und Widerstand praktisch austauschbar sind.
Informationen zu den grundsätzlichen Prüfverfahren für 3- und 4-poliges Spannungsfallverfahren, selektive Prüfung, spießlose Prüfung und 2-polige Prüfung erhalten Sie unter Verwendung von Kabel- und Polerdungsmessgeräten (.pdf).