Schutzerdung

Symbol für die Schutzerdung

Die Schutzerdung ist eine durchgehende elektrische Verbindung aller leicht berührbaren nicht zum Betriebsstromkreis gehörenden, somit inaktiven, Metallteile mit dem Erdpotential. Diese Verbindung soll verhindern, dass im Fehlerfall des elektrischen Gerätes oder der Anlage eine hohe Berührungsspannung an den elektrisch leitfähigen Anlagen bzw. Geräteteilen auftreten kann.^[1]

Schutzerdung im Niederspannungsnetz

Im Niederspannungsnetz werden 3 Arten der Schutzerdung unterschieden:

• Kombinierte Schutzerdung und Betriebserdung
• Separate Schutzerdung und niederohmige Betriebserdung
• Separate Schutzerdung und hochohmige Betriebserdung

Bei der kombinierten Erdung wird ein Leiter des Betriebsstromkreises, in der Regel der Neutralleiter, in der Nähe der Trafostation über einen Betriebserder geerdet. Beim Endverbraucher (Haushalt, Gewerbe, Industrie) wird ein separater Schutzerder im Erdreich eingebaut. An der Potentialausgleichsschiene werden Schutzerdung und Betriebserdung zusammengeführt. Somit besteht zwischen Betriebserdung und Schutzerdung eine galvanische Verbindung.

Bei dem getrennten System (separate Schutzerdung, und niederohmige Betriebserdung) wird ebenfalls in der Nähe der Trafostation ein Leiter des Betriebsstromkreises über die Betriebserdung geerdet. Beim Endverbraucher werden die zu erdenden Körper direkt geerdet, ohne dass Betriebserdung und Schutzerdung miteinander verbunden werden. Es besteht somit nur eine undefinierte galvanische Verbindung zwischen Betriebserdung und Schutzerdung über das Erdreich.

Bei der dritten Erdungsvariante werden alle aktiven Teile gegen Erde isoliert oder über eine hochohmige Impedanz mit dem Betriebserder verbunden. Beim Endverbraucher werden die zu erdenden Körper direkt geerdet. Dies geschieht unabhängig von der Erdung der Stromversorgung. Es besteht somit keine galvanische Verbindung zwischen Betriebserdung und Schutzerdung.

Schutzerdung in Hoch- und Mittelspannungsnetzen

In Hoch- und Mittelspannungsnetzen, das sind Netze mit Nennspannungen größer 1 kV, werden alle metallene Konstruktionsteile in Schaltanlagen und Kraftwerken über niederohmige Erdungsleitungen mit der Erdungsanlage und somit mit dem Erder verbunden. Außerdem werden alle Füße der Leitungsmasten geerdet. Hierbei wird zusätzlich mittels Steuererder eine Potentialsteuerung bewirkt. In Kraftwerken und Schaltanlagen sind in der Regel gemeinsame Erdungsanlagen für das Hochspannungs- und Niederspannungsnetz vorhanden. Die Erdungsanschlüsse sind lösbar an die Erdungssammelleitung angeschlossen und zur besseren Erkennbarkeit exakt beschriftet.

In Kraftwerken und Umspannanlagen dürfen, zur Vermeidung unzulässig hoher Berührungsspannungen, die metallenen Außenzäune nicht an die Erdungsanlage angeschlossen werden.^[2]

Schutzerdung bei elektrischen Bahnen

Bei der Schutzerdung von elektrischen Bahnen wird unterschieden zwischen:

• Schutzerdung bei Wechselstrombahnen
• Schutzerdung bei Gleichstrombahnen

Schutzerdung bei Wechselstrombahnen

Bei Wechselstrombahnen werden alle leitfähigen Bauteile die sich im Oberleitungsbereich befinden, direkt mit den Fahrschienen elektrisch leitend verbunden. Diese Maßnahmen dienen zum Schutz gegen Potentialunterschiede im Gleisbereich, denn bedingt durch die Erdungswirkung der angeschlossenen Bauteile, Bauwerke und Anlagen, wird ein erhöhtes Schienenpotential vermieden. Außerdem schützt diese Maßnahme auch bei indirekter Berührung wie z.B. Fahrleitungsabriss. Diese Erdungsmaßnahme bei der alle Fahrschienen gezielt mit Erde verbunden werden und bei der die Schienen als Rückleitung benutzt werden, wird auch als Bahnerde bezeichnet. Durch die Bahnerdung können Rückströme in das öffentliche Netz verschleppt werden, die aufgrund der unterschiedlichen Frequenzen der beiden Systeme zur Beeinflussung von Anlagen im EVU Netz führen. Außerdem kann es durch Rückstromverschleppung zur Überlastung der Neutralleiter, Schutzleiter oder PEN Leiter kommen. Hierdurch erwärmen sich diese Leiter unzulässig, durch diese Belastungen kann es sogar zum Leiterbruch kommen. Aus diesem Grund wird die Bahnerdung zu einem separaten Erdungssystem zusammengeführt und von der Erdung des EVU-Netzes galvanisch getrennt.^[3]

Schutzerdung bei Gleichstrombahnen

Da es bei Gleichstrombahnen zu Streuströmen und der damit verbundenen Korrosion von Bauteilen und Erdern kommt, dürfen die Fahrschienen nicht elektrisch leitend mit den geerdeten Bauteilen verbunden werden, sondern müssen sogar gegenüber Erde elektrisch isoliert werden. Bei elektrisch gegen Erde isolierten Schienen ist eine direkt Verbindung der Fahrschienen mit leitfähigen Bauteilen zulässig. Die Stahlarmierung von Tunneln oder Brücken und die Stahlkonstruktionen in Bereich von Haltestellen werden separat als so genannte Bauwerkserder zusammengeführt und geerdet. In besonderen Fällen wie z.B. schlechte Erdbodenleitfähigkeit werden zusätzliche Maßnahmen wie z.B. Erdungsseile angewendet.^[4]

Schutzmaßnahme Schutzerdung

Die klassische Schutzmaßnahme Schutzerdung (heute Schutz durch Abschaltung im TT-System) gibt es bereits seit 1913.^[5] Diese Schutzmaßnahme hat heute jedoch ihre Bedeutung verloren und wird nur noch vereinzelt in den Netzen der EVU angewendet.

Aufbau und Funktion

Die zu erdenden Körper werden an den Schutzerder angeschlossen, der Netztransformator wird über den Betriebserder geerdet. Bei der Schutzerdung wird aus einem Körperschluss ein Erdschluss. Der Fehlerstrom der über die Erdungsleitung fließt bringt das nächst vorgeschaltete Sicherungsorgan (Sicherung, LS-Schalter) zum Abschalten.

Damit das Sicherungsorgan auch innerhalb einer Zeit von 5 Sekunden abschalten kann sind an den Schutzerdungswiderstand bestimmte Bedingungen geknüpft. Diese Bedingungen waren schon in der alten Norm so geregelt, dass die Schutzerdung nur bei Überstrom-Schutzorganen bis 10 A angewendet werden konnte. Diese Einschränkung ist dadurch begründet, dass es in der Praxis kaum möglich ist, niedrigere Erdungswiderstände als 2 Ohm zu erreichen.^[6]

Mit der Neuordnung der Norm wurden die Bedingungen für die Schutzerdung als Schutzmaßnahme verschärft. So wurde zunächst anstelle der Bedingung des Schutzerdungswiderstandes R_A die Schleifenimpedanz - Bedingung eingeführt.

Die Schleifimpedanz Z_S muss mindestens der Bedingung entsprechen:

$Z_S = \frac{U_\text{N}}{I_\text{A}}$

Dabei ist U_N die maximale Nennspannung gegen Erde 50 V (früher 65 V). Der Ausschaltstrom I_A der jeweils vorgelagerten Überstrom-Schutzeinrichtung wird gemäß der Formel

$I_A = m\cdot I_N$

ermittelt.

I_N ist dabei der Nennstrom des Überstrom-Schutzorgans. Der Ausschaltfaktor m wird aus der genormten Sicherungstabelle 10 - 1 ermittelt.

Die Impedanz Z_S der Fehlerschleife wird entweder durch Messung oder durch Rechnung ermittelt. Aufgrund dieser verschärften Bedingungen ist die Schutzmaßnahme nicht mehr anwendbar und muss bei wesentlicher Änderung durch andere Schutzmaßnahmen z.B. durch FI-Schutzschalter als ergänzende Maßnahme ersetzt werden.^[7]

Gesetzliche Bestimmungen und sonstige Regelwerke

• DIN VDE 0101 „Erdungsarten“
• DIN EN 50122-1 VDE 0115-3
• DIN VDE 0100 Teil 540 „Erdung, Schutzleiter, Potentialausgleichsleiter“
• Technische Anschlussbedingungen für den Anschluss an das Mittelspannungsnetz TAB Mittelspannung

Literatur

• Gerhard Kiefer: VDE 0100 und die Praxis. 1. Auflage, VDE-Verlag GmbH, Berlin und Offenbach, 1984, ISBN 3-8007-1359-4
• Klaus Heuk, Klaus-Dieter Dettmann, Detlef Schulz: Elektrische Energieversorgung. 7. Auflage, Friedrich Vieweg & Sohn Verlag, Wiesbaden, 2007, ISBN 978-3-8348-0217-0

Einzelnachweise

1. ↑ Allgemeine Erdungsempfehlung
2. ↑ Réne Flosdorff, Günther Hilgarth: Elektrische Energieverteilung. 4. Auflage, Verlag B.G. Teubner, 1982, ISBN 3-519-36411-5
3. ↑ Erdungshandbuch
4. ↑ Ulrich Bette: Rückstromführung, Erdung und Potentialausgleich im Nah- und Fernverkehr. Technische Akademie Wuppertal e.V. (abgerufen am 21. Juli 2011)
5. ↑ Aus der Geschichte der Elektrizität Eine Zeittafel von Walter Schossig, Gotha
6. ↑ A. Senner: Fachkunde Elektrotechnik. 4.Auflage. Verlag Europa-Lehrmittel, 1965
7. ↑ Schrack Technik: Neue Normen der Energietechnik

Weblinks

• TAB Mittelspannung