Erdungsanlagen in der NS-Technik

Geht es um elektrische Anlagen der Energieversorgung, aber auch der Informationstechnik, spielt die ­Diskussion über die Notwendigkeit der richtigen Erdung unter den Fachleuten eine wichtige Rolle (Bild 1). Viele ­oft unterschiedlich gehandhabte Begrifflichkeiten, eine gehörige Portion Fachwissen, aber auch der ein oder andere Mythos mischen sich dann in eine mitunter umfangreiche Diskussion.

Das Thema Erdung – auf den ersten Blick scheinbar eine Lappalie – entpuppt sich bei näherer Betrachtung als umfangreich und komplex. Es ist tatsächlich so umfangreich, dass dieser Artikel nur einige Facetten dieses Fachgebiets beleuchten kann. Hier soll der Fokus stärker auf die Aufgabe und Ausführung der Erdung in der Niederspannungstechnik ausgerichtet werden. Die nachfolgenden Betrachtungen orientieren sich dabei an den Errichternormen für elektrische Anlagen an und in Gebäuden – also Normen der DIN VDE 0100, insbesondere DIN VDE 0100-540 »Auswahl und ­Errichtung elektrischer Betriebsmittel, Erdungsanlagen und Schutzleiter«.

Grundsätzliche Begriffe

Zunächst einmal erscheint es mir jedoch sinnvoll und wichtig, die Bedeutung einiger grundlegender Begriffe in diesem Artikel zu benennen. Im Weiteren sollen die Aufgaben der Erdungsanlage in der Niederspannungstechnik etwas näher betrachtet werden. Hierbei soll die Notwendigkeit einer sich auf dem Stand der Technik befindlichen Erdungs­anlage für die Sicherheit der elektrischen ­Anlage untersucht werden. Dieser Beitrag orientiert sich bei den nachfolgenden Begriffsdefinitionen an den Vorgaben der DIN VDE 0100-200, Abschnitt 826-13 »Erdung und Verbindung«.

Erde im elektrotechnischen Sinne

Hierunter versteht man den Teil der Erde, der sich in elektrischem Kontakt mit einem Erder befindet und dessen elektrisches Potential nicht notwendigerweise Null ist. In der Begriffserklärung der Norm stecken schon mehrere, für die spätere Betrachtungen relevante Punkte. Für uns wollen wir zunächst einmal festhalten: Unter der Erde verstehen wir die, zur Stromleitung nutzbare, natürliche oder baulich geschaffene Oberfläche des uns umgebenden Geländes bzw. die Grund­fläche des uns umgebenden Bauwerks sowie die Schichten darunter.

Der Begriff erden, oder: das Erden

Erden bedeutet das zufällige oder beabsichtigte, elektrisch leitende Verbinden des Punktes eines elektrischen Netzes, einer Anlage oder eines Betriebsmittels mit der Erde im lokalen Bereich dieses Netzes, der Anlage oder des Betriebsmittels. Wird diese Verbindung beabsichtigt hergestellt, geschieht dies in der Regel mit Hilfe einer ­Erdungsanlage.

Der Begriff Erdungsanlage steht dabei für die Gesamtheit aller Einrichtungen und ­Betriebsmittel welche Verwendung finden, einen Punkt eines Netzes, einer Anlage oder eines Betriebsmittels beabsichtigt und elektrisch leitend mit der lokalen Erde zu verbinden. Die Erdungsanlage beginnt in der Regel daher am zu erdenden Punkt des Netzes, des Betriebsmittels oder der Anlage und endet auf oder unter der lokalen Oberfläche des Geländes bzw. Grundfläche des Bauwerks.

Zur Kontaktierung der Erde dient der ­Erder. Dieser stellt den unmittelbaren, lokalen elektrischen Kontakt mit der Erder her, indem er in das lokale Medium der Erde – z. B. das Erdreich oder den Beton der Bodenplatte – eingebracht wird. Die Güte der elektrischen Verbindung zwischen dem Erder und der ­Erde entscheidet später, neben anderen Faktoren, über die elektrischen Eigenschaften der gesamten Erdungsanlage.

Den Bereich, der durch einen oder mehrere Erder elektrisch beeinflusst wird, bezeichnet man als lokale oder örtliche Erde. Davon ausgehend, dass das elektrische Potential eines Erders von Null verschieden sein kann, ergibt sich, dass auch die örtliche oder lokale Erde ein von Null verschiedenes, elektrisches ­Potential aufweisen kann. Denkt man sich ­einen elektrischen Bezugspunkt der Erde, welcher nicht Teil einer lokalen Erde ist, und ordnet diesem Punkt definitionsgemäß ein Potential von φ = 0 V zu, so lässt sich das ­Potential einer jeden lokalen Erde auch als Spannung, der sogenannten Erdungsspannung, zu diesem Punkt beschreiben. Die ­Erde mit dem definierten Potential 0 V, ­welche nicht Teil einer lokalen Erde ist, wird als Bezugserde bzw. unendlich ferne Erde ­bezeichnet.

Aufgaben von Erdungsanlagen

Abhängig davon, welcher grundsätzlichen Aufgabe die Erdung bzw. die Erdungsanlage dient, sprechen wir von einer Schutzerdung, wenn die Anlage dem Schutz vor elektrischem Schlag dient. Begründet sich die Aufgabe der Erdung und damit der Erdungsanlage aus einer funktionalen Anforderung ­eines Betriebsmittels oder eine Anlage, wird dies als Funktionserdung bezeichnet. Im Gegensatz hierzu wird die Erdung eines Punktes eines Netzes am Speisepunkt als Betriebserdung bezeichnet.

Eine Erdungsanlage kann, je nach Anforderungen und Aufbau einem oder einer Kombination der oben genannten Zwecke dienen. In zweitem Fall spricht man von ­einer kombinierten Erdungsanlage. Die verschiedenen Aufgabenstellungen an die ­Erdung bzw. Erdungsanlage wollen wir im Folgenden näher untersuchen.

Erdung zu Funktionszwecken in der Niederspannung

Manche elektronische Betriebsmittel benötigen für ihren störungsfreien und korrekten Betrieb ein eindeutiges Bezugspotential φ, auf welches sich alle anderen Potentiale im System des Betriebsmittels beziehen. Dieses Bezugspotential kann die örtliche Erde liefern. Für den Potentialbezug wird das Potential der örtlichen Erde mit φ = 0 V angesetzt, auch wenn dies bei globaler Betrachtung der Erdung nicht der Fall ist.

Anlagen, welche das Bezugspotential der Erde zu Funktionszwecken benötigen, finden sich häufig in der Kommunikations- und Antennentechnik, aber auch Filterkreise von Umrichteranlagen oder Kompensationseinrichtungen können eine solche funktionale Erdverbindung benötigen. Hierzu wird eine elektrische Verbindung zwischen Erdungsanlage (für Funktionszwecke) und Betriebsmittel hergestellt. Diese Verbindung wird als Funktionserdungsleiter bezeichnet.

Auch wenn der Funktionserdungsleiter an eine kombinierte Erdungsanlage für Schutz- und Funktionszwecke angeschlossen wird, darf er nicht die für Schutzzwecke reservierte Farbkombination grün-gelb aufweisen.

Erdung zu Schutzzwecken

Einschränkend wollen wir die Bedeutung der Erdung zu Schutzzwecken in der Niederspannungstechnik betrachten. Hierzu führen wir vorab noch einen weiteren Begriff ein, nämlich den Begriff des Potentialausgleichs. Unter dem Begriff des Potentialausgleichs verstehen wir ganz allgemein die Vermeidung von Potentialdifferenzen zwischen beliebigen Punkten durch elektrisch leitende und niederimpedante Verbindung dieser untereinander.

Aus dem ohmschen Gesetz ergibt sich, dass die Schaffung eines Potentialausgleichs grundsätzlich mit dem Auftreten von Ausgleichsströmen zwischen den verbundenen Punkten unterschiedlichen Potentials einhergeht. Entscheidend ist daher, dass die ­Verbindung niederimpedant erfolgt. Stellen wir zunächst folgende grundsätzliche Frage: Braucht eine elektrische Niederspannungsanlage, z. B. die Niederspannungsanlage ­eines Gebäudes, für ihren Betrieb eine Erdungs­anlage? Die Antwort fällt nicht eindeutig aus, d.h. grundsätzlich »Nein, aber …«.

Stellen wir dazu zunächst einige Überlegungen hierzu an der Sekundärseite des Ortsnetztransformators an. Über Kabel- oder Leitungsverbindungen erfolgt die Versorgung der Betriebsmittel einer angeschlossenen, elektrischen Anlage. In der Regel ist die ­Sekundärseite des Ortsnetztransformators in Stern geschaltet und der elektrische Neutralpunkt (Sternpunkt) des Wicklungssystems stromtragend ausgeführt. Verbraucher können daher zwischen dem Neutralpunkt und einem Außenleiter oder zwischen zwei ­Außenleitern betrieben werden, wobei sich bei symmetrischer Ausführung der Sekundärwicklung die beiden Spannungen U_LL und U_LN = U_LL / √3 als Betriebsspannungen für die angeschlossenen Verbraucher ergeben.

Eine Erdung ist für die Versorgung und den Betrieb eines solchen Systems erst einmal nicht notwendig. Bild 2 stellt den prinzipiellen Aufbau eines isolierten Netzes mit Verbrauchsanlage dar. Hätte ein solches Netz eine sehr geringe räumliche Ausdehnung und damit verbunden sehr kurze Leitungswege, könnten wir erst einmal von der Annahme ausgehen, dass zwischen Erde und den aktiven Leitern zwar eine beliebige ­Poten­tial­differenz auftreten, jedoch keine Ströme fließen könnten. Schließlich wäre selbst beim Herstellen einer leitenden Verbindung zu Erde kein geschlossener Stromkreis vorhanden. Hierauf beruht das Prinzip der Schutzmaßnahme Schutztrennung.

Ein weiteres Problem fällt uns jedoch vermutlich bereits ins Auge. Kommt es zu einem Körperschluss zwischen einem aktiven Leiter (zu dem hier auch der Neutralleiter zählt) und einem Körper eines Verbrauchers hat dies erst einmal keine weitere Auswirkung, kommt es jedoch zu einem zweiten Körperschluss in einem anderen Verbraucher und können diese Verbraucher gleichzeitig berührt werden und wird die auftretende Berührungsspannung durch einen Menschen überbrückt, kommt es zu einer Durchströmung des überbrückenden Körpers. Um zu verhindern, dass es zum Auftreten einer solchen, unzulässigen Berührungsspannung kommt, müsste entweder das Auftreten des ersten Fehlers bereits detektiert und die Versorgung abgeschaltet oder alle gleichzeitig berühr­baren, leitfähigen Körper über Potentialausgleich miteinander verbunden werden.

Da auch die Erde als leitfähig zu betrachten und somit ein erster Fehler auch zwischen ­einem aktiven Leiter und der Erde unterstellt werden muss, ergibt sich die Anforderung, die Erde in den Potentialausgleich mit einzubeziehen. Es entsteht somit das uns bekannte IT-Netz (Bild 3). Die Überwachung eines solchen Netzes auf Isolationsfehler bzw. die gezielte Abschaltung derartiger Netzsysteme zum Schutz vor elektrischem Schlag wird bei ausgedehnten Netzen sehr anspruchsvoll – um nicht zu sagen ein Ding der Unmöglichkeit. Bauliche Veränderungen, aber auch Schaltzustände beeinflussen die im Netz auftretenden Erdströme und Erdfehlerströme, so dass jeweils eine Anpassung der Schutzeinrichtungen notwendig wäre. Nicht zuletzt aus diesen Gründen ist es ratsam, einen aktiven Leiter des Netzes zusätzlich mit Erde zu verbinden. Man erdet ihn also, um einfache Verhältnisse im Fehlerfall zu schaffen.

TT- und TN-Systeme

In Ortsnetzen wird üblicherweise der Neu­tralleiter geerdet, was zum Netzmodell des TT- bzw. des TN-Systems führt. Der wesentliche Unterschied der beiden Netzformen besteht in einer niederimpedanten Verbindung zwischen dem Betriebserder des Transformators und den Körpern der elektrischen Betriebsmittel in der Verbraucheranlage im TN-System, welche im TT-System nicht vorhanden ist.

Bild 4 zeigt die entsprechende Anordnung. Durch die zusätzliche Erdung eines ­aktiven Leiters des Versorgungsnetzes lässt sich bereits der erste Erdfehler bzw. Körperschluss sicher detektieren und die Gefährdung durch automatische Abschaltung schnell und wirkungsvoll unterbrechen. Während im TT-System der Fehlerstrom ausschließlich über den Anlagenerder und den Betriebserder zum Sternpunkt des Transformators zurückfließt, fließt im TN-System ein Teil des Fehlerstroms über die niederimpedante, direkte Verbindung zwischen Körper und Transformatorsternpunkt. Der auftretende Fehlerstrom entspricht dem einpoligen Kurzschlussstrom des Netzes an dieser Stelle und kann mitunter sehr hoch ausfallen. Die Verbindungen der Körper zum Sternpunkt des Netztransformators müssen dem Querschnitt nach ausreichend dimen­sioniert sein, um den resultierenden Fehlerstrom I_F jederzeit sicher beherrschen zu können.

Verfolgen wir den Fehlerstromkreis im TN-System gemäß Bild 4, kommen wir jedoch zu dem Schluss, dass hier eine Erdungsanlage – anders als im IT- oder TT-System – für den sicheren Betrieb und Schutz durch automatische Abschaltung im Grunde doch gar nicht erforderlich ist. Schließlich wird der Fehlerstromkreis ja über die PE/PEN-Verbindung sichergestellt. Dies könnte zunächst verwirren, fordert doch DIN VDE 0100-540, dass in jedem Gebäude mit einer elektrischen Anlage unabhängig von der Form des speisenden Netzes eine Erdungsanlage nach DIN 18014 zu errichten und in die elektrische Anlage einzubinden ist.

Erdung im TN-System

Auch bei der Definition der Schutzmaßnahme »Schutz vor indirektem Berühren durch automatische Abschaltung der Stromversorgung« in DIN VDE 0100-410 taucht explizit der Schutzpotentialausgleich über die Haupt­erdungsschiene als grundlegende Anforderung auf. Hierbei stellt die Haupterdungsschiene die Hauptverbindung zur Erdungsanlage des Gebäudes her, siehe DIN VDE 0100-540. Aber wozu sollte das im TN-System notwendig sein? Auf diese berechtigte Fragestellung lassen sich die folgenden zwei Antworten geben:

1. Die Erdungsanlagen aller Gebäude an einer Stromquelle sind niederimpedant unter­einander und mit dem Betriebserder des speisenden Transformators (bzw. der speisenden Transformatoren) verbunden und parallel geschaltet. Dies führt zu sehr geringen Erdungsimpedanzen, was wiederum eine notwendige Bedingung darstellt, um unzulässig hohe Berührungsspannungen zwischen den leitenden Körpern in ­einer elektrischen Anlage und der örtlichen Erde bzw. zwischen dem Neu­tralleiter und der örtlichen Erde zu vermeiden. Die Einhaltung der sogenannten Spannungswaage durch den Netzbetreiber bei Betrieb eines Netzes im TN-System wird in den deutschen DIN-VDE-Normen – anders als in der europäischen Normung – explizit gefordert. Die Bedingungen hierfür sind nur theoretischer Natur. Aus meiner persönlichen Sicht als Autor halte ich einen konsequenten Potentialausgleich im TN-System jedoch für die wirksameren Maßnahmen zur Vermeidung von Berührungsspannungen – im Vergleich zur »deutschen Sonderlösung«. Faktisch können wir festhalten: die Erdungsanlage eines jeden ­Gebäudes ist technisch der Betriebserdung des Netzbetreibers hinzuzurechnen und für die elektrische Anlage des jeweiligen Gebäudes an sich nicht notwendig.
2. Die Erdungsanlage einer elektrischen Anlage, z. B. der Fundamenterder eines Gebäudes, sorgt für eine effektive Einbindung der örtlichen Erde in den Potentialausgleich, wovon die Sicherheit der elek­trischen Anlage wesentlich profitiert.

TN-System im Fehlerfall

Wie wir bei den obigen Fehlerbetrachtungen bereits festgestellt haben, treten im Fehlerfall im TN-System mitunter sehr hohe Fehlerströme im PEN/PE-Leiter auf. Im Falle des Betriebes der Anlage ohne Erdungsanlage tritt an der Fehlerstelle demnach eine Spannung gegen Erde (hier unterstellt die ferne Erde) auf. Diese Spannung resultiert aus dem Produkt der Summe der Impedenzen der Schutzleiter und der Verbindungsleitung zum Sternpunkt des Transformators und dem Fehlerstrom. Diese Situation kann aufgrund der hohen Fehlerströme schnell zu unzulässig hohen Berührungsspannungen führen.

Durch die Verbindung der Schutzleiter mit der örtlichen Erde über die Haupterdungsschiene wird die mögliche, auftretende Berührungsspannung auf das Produkt aus der Summe der Impedanzen der Schutzleiter in der Anlage bis zur Haupterdungsschiene und dem Fehlerstrom durch die Schutzleiter begrenzt. Die Wirksamkeit der Schutzmaßnahmen wird somit wesentlich erhöht.

Fazit

Auch im TN-System ist eine funktionierende Erdungsanlage als Teil jeder elektrischen Anlage für den Fehlerschutz dringend erfor­derlich und notwendig. Die klare Forderung ist daher berechtigt, ­eine solche in jedem Gebäude mit elektrischer Anlage zu errichten, unabhängig von der Form des speisenden Netzes.

Uns als Elektrofachkräften fällt daher die dringliche und wichtige Aufgabe zu, für die ordnungsgemäße Errichtung, Betrieb, Prüfung und Erhalt des technischen Zustandes der Erdungsanlage als essenzieller Teil der elektrischen Anlage Sorge zu tragen. Erdung ist nicht etwa nur »nice to have«, sondern ein Grundbaustein der elektrischen Sicherheit einer Anlage.

Autor

Dipl.-Ing.(FH) Holger Niedermaier, Sachverständigenbüro für Elektrotechnik, Erlangen

Quelle und Bildquelle: www.elektro.net