Erder

Ein Erder, auch Erdungselektrode genannt, ist ein unisoliertes elektrisch leitfähiges Teil und Teil einer Erdungsanlage, das als elektrische Kontaktfläche in den Erdboden eingegraben wird. Durch seine Beschaffenheit steht der Erder in guten Kontakt mit der Erde und bildet mit dieser eine elektrische Verbindung.^[1] Dadurch dient der Erder der Ableitung von elektrischen Strömen ins Erdreich.

Erderarten

Erdungsband am Fuß eines Hochspannungsmastes

In der Elektrotechnik unterscheidet man zwischen natürlichen Erdern und künstlichen Erdern.

Natürliche Erder sind alle Bauteile, die zwar elektrische Ströme ins Erdreich ableiten können, jedoch nicht zu diesem Zweck ins Erdreich eingebaut wurden. Natürliche Erder sind z.B. metallische Rohrleitungen und Konstruktionselemente aus Beton mit Stahlarmierung. Bis Ende der 1980er Jahre war es zulässig, die metallenen Wasserrohrleitungen als Schutzerder zu nutzen. Dazu bedurfte es jedoch der Zustimmung des Versorgungsunternehmens. Da im Laufe der Jahre vielfach Metallrohre durch Kunststoffrohre ersetzt wurden, wurden aufgrund geänderter DIN-Normen die Zustimmungen zurückgezogen. Grund war zum einen die nachteilige Auswirkung des Stromflusses auf die Rohrleitungen (Korrosion) und zum anderen konnte die Erderwirkung der Rohrleitung auf Dauer nicht sichergestellt werden.^[2]

Als künstliche Erder bezeichnet man alle Einrichtungen, die zum Zweck der Erdung ins Erdreich eingebracht wurden bzw. werden. Diese künstlichen Erder werden unterteilt in:

• Als Tiefenerder bezeichnet man Erder, die aufgrund ihrer Bauform im Allgemeinen in größeren Tiefen verlegt werden. Tiefenerder bestehen aus Rundstahl, Rohr oder anderen Profilstählen und werden in der Regel in größere Tiefen eingetrieben. Die maximale Erdungstiefe wird dabei durch die Beschaffenheit des Erdbodens bestimmt. In der Regel werden Tiefenerder bis zu 30 Meter in die Erde getrieben, bei felsigem oder steinigem Untergrund kann die Tiefe deutlich darunter liegen. Vorteilhaft ist bei Tiefenerdern die dauerhafte Verbindung mit dem Grundwasser.^[3] Tiefenerder sollten mindestens 9m Tief im Erdreich liegen. Dabei sind 0,5m wegen wetterbedingten Schwankungen des spezifischen Erdwiderstandes nicht als Tiefe mit einzuberechnen. Bei einer angemessenen Tiefe gibt es an der Erdoberfläche nur eine Geringe Potentialdifferenz, was die Schrittspannung gering hält. Nachteilig sind bei Tiefenerdern, die nicht Tief genug in das Erdreich eingetrieben wurden, die schlechte Potentialverteilung und die sich daraus ergebenden höheren Schrittspannungen um den Erder.^[4]
• Oberflächenerder sind Erder, die in geringer Tiefe mit mindestens 0,5 Metern, jedoch im Allgemeinen bis maximal 1 Meter, parallel zur Erdoberfläche verlegt werden. Dieser Erder wird in den Gegenden bevorzugt eingesetzt, wo es bereits an der Oberfläche gut leitende Bodenschichten gibt. Oberflächenerder bestehen in der Regel aus Bandmaterialien, Rundmaterialien oder Seilen und werden zu verschiedenen Formen zusammen gefügt.^[5] Vorteilhaft bei Oberflächenerdern ist die Verlegung ohne besonderes Spezialwerkzeug (Ramme). Nachteilig ist, dass der Ausbreitungswiderstand bei Oberflächenerdern aufgrund der wechselnden Bodenfeuchtigkeit starken Schwankungen unterliegt.

Eine Sonderstellung nehmen Fundamenterder ein. Sie sind zwar einerseits als Stahlarmierung Bestandteil des Gebäudefundaments und somit ein natürlicher Erder, gemäß den DIN-Vorschriften gelten sie aber als künstliche Erder.

Erderformen

Erdungsmanschette für die Montage der Erdung an metallischen Rohrleitungen

Die Erderform hat einen großen Einfluss auf das Potentialverhalten des Erders.^[4] Es gibt folgende Erderformen:

• Staberder sind Rohre oder Rundstähle, die in den Boden eingetrieben werden. Die einzelnen Erderstäbe können ineinander gesetzt werden und werden beim Einschlagen miteinander verbunden. Staberder werden bevorzugt in dicht bebauten Gebieten eingesetzt, da dort aufgrund von Platzmangel andere Erder in der Regel nicht verwendet werden können.
• Plattenerder bestehen aus 3 mm starken Stahlblech- oder Kupferblechplatten. Das Kupferblech ist in der Regel perforiert. Die Plattenfläche beträgt mindestens 0,5 m². Plattenerder werden sowohl als Oberflächenerder als auch als Tiefenerder eingesetzt. Allerdings werden sie nur sehr selten verwendet, ihr Gebrauch beschränkt sich für Spezialfälle wie z. B. Telekommunikationsanlagen.
• Banderder bestehen aus Bandeisen in gestreckter Form. Sie werden oft bei der Kabelverlegung verwendet, da der Graben, der den Erder zusätzlich aufnehmen kann, bereits vorhanden ist. Zur Verbesserung des Ausbreitungswiderstandes werden Banderder hochkant im Erdreich eingegraben.
• Ringerder bestehen aus ringförmig gebogenem Bandstahl. Es gibt Ringerder in verschiedenen Größen. Ringerder werden auch aus Bandstahl vor Ort hergestellt und werden dann in etwa 1 Meter Abstand rings um ein Gebäude im Erdreich eingegraben.
• Strahlenerder werden aus bis zu 6 Banderdern hergestellt, die strahlenförmig um einen Punkt verlegt und miteinander verbunden werden. Der Winkel zwischen zwei Strahlen beträgt dadurch 60°. Durch den Strahlenerder bekommt man einen Erder mit verhältnismäßig kleinem Ausbreitungswiderstand verbunden mit einer geringen Ausdehnung.^[6]
• Maschenerder bestehen aus maschenförmig verlegten und an den Enden miteinander verbundenen Banderdern. Die einfachste Form eines Maschenerders ist ein Strahlenerder, bei dem die Strahlenenden mit einem Ringerder verbunden werden. Um eine größere Widerstandskonstanz zu erreichen, werden oftmals mehrere Tiefenerder zusätzlich um den Maschenerder eingebaut und mit dem Maschenerder elektrisch leitend verbunden.^[7]

Erdermaterial

Da Erder im Erdreich verlegt werden und einer bestimmten Eigenkorrosion unterliegen, werden sie aus korrosionsfesten Materialien hergestellt. Ausreichend korrosionsbeständige Erder sichern für mindestens zehn Jahre eine zuverlässige Erdung. Als Erdermaterialien werden verwendet:

• Feuerverzinkter Stahl eignet sich sowohl für die Einbettung in Beton als auch in fast allen Bodenarten. Die meisten Erder werden aus feuerverzinktem Stahl hergestellt. Die Zinkauflage beträgt dabei mindestens 70 Mikrometer.

• Bei Stahlerdern mit Kupferauflage (verkupferter Stahl) beträgt der Mindestanteil der Kupferauflage 20 % des Stahlgewichtes.^[8]

• Kupfer ist im Erdreich sehr beständig und wird als Erdermaterial für Erder in Starkstromanlagen verwendet: Es gibt Erder aus reinem Kupfer und Erder mit galvanischen Überzügen aus Zinn, Zink oder Blei.

• Erder aus Edelstahl werden in größeren Städten in der Nähe von U-Bahnen und Straßenbahnen mit Gleichstromantrieb verwendet.

Bei Erdern aus unterschiedlichen Materialien, z.B. feuerverzinkten Stahlerdern mit Kupfererdern, kommt es zu großen Problemen insbesondere in der Nähe von Gleichstrombahnen durch starke Korrosionserscheinungen am Erder. Die Lebensdauer von feuerverzinkten Erdern kann dabei auf unter fünf Jahre sinken.

Die geometrischen Abmessungen des Erdermaterial werden in Netzen über 1 kV mit niederohmiger Sternpunkterdung von der geforderten Stromtragfähigkeit des Erders bestimmt. In Niederspannungsanlangen für Erder werden die Mindestquerschnitte in der DIN VDE 0141 geregelt. Dabei ist abhängig aus, welchem Material der Erder besteht.

Die Mindestquerschnitte des Erders betragen für:

• Feuerverzinkter Stahl 100 mm²
• Verkupferter Stahl 50 mm²
• Kupferbandmaterial 50 mm²
• Kupferseile oder Kupferstangen 35 mm²

Die Mindestmaße für verzinkten Bandstahl betragen 30 mm * 3,5 mm oder 25 mm * 4 mm. Bei Rundstahl ist ein Mindestdurchmesser von 10 mm vorgeschrieben.

Erdereinsatz

Erder werden für verschiedene Aufgaben eingesetzt. Entsprechend der Aufgabe unterscheidet man:

• Schutzerder
• Betriebserder
• Blitzschutzerder
• Steuererder
• Hilfserder

Als Schutzerder werden meistens ein oder mehrere Staberder verwendet. Bei Neubauten werden Fundamenterder genutzt.

Die Auslegung von Betriebserdern ist recht umfangreich. Da sich aufgrund der hohen Erdungsströme insbesondere bei Tiefenerdern hohe Schrittspannungen um den Erder ergeben. Häufig werden hier Maschenerder verwendet, da bei diesen Erdern geringe Schrittpotenziale entstehen. Dort wo Maschenerder nicht eingesetzt werden können, werden Ringerder eingesetzt. Eine ebenfalls verwendete Variante sind Staberder mit zusätzlichen Steuererdern.

Als Blitzschutzerder werden häufig Ringerder mit einem Meter Abstand zum schützenden Gebäude ins Erdreich verlegt.

Steuererder sind Erder, die aufgrund ihrer Form und Anordnung hauptsächlich zur Potentialsteuerung eingesetzt werden.^[9] Das Erreichen eines bestimmten Ausbreitungswiderstandes ist bei Steuererdern zweitrangig. Als Steuererder werden in der Regel Ringerder verwendet, die um Haupterder verlegt werden. Die Steuererder werden so um den Haupterder verlegt, dass die äußeren Steuererder tiefer, verlegt werden als die inneren. Alle Erder werden über die Haupterderschiene elektrisch leitend miteinander verbunden.^[10]

Hilfserder sind in der Regel etwa 1 Meter lange nach oben hin komisch geformte Staberder, die zur Erdungsmessung benötigt werden. Dabei variiert die Länge des Erders je nach Bodenbeschaffenheit. Die Hilfserder werden entweder als Erdungsspieße in den Boden gesteckt oder mit einem Holzschraubengewinde an der Spitze in den Boden gedreht. Die Hilfserder werden für die Messung mit einem größeren Abstand (40 m) vom Haupterder in den Boden gebracht und nach der Messung wieder entfernt.^[11]

Erdereinbau

Alle Oberflächenerder und auch Plattenerder (auch als Tiefenerder) werden in den Boden eingegraben. Dazu wird der gewachsene Boden heraus gehobenen und nach den Einbau des Erders wieder eingeschlemmt oder eingestampft. Nachteilig ist bei diesen Erdern, dass der genaue Ausbreitungswiderstand erst nach dem Setzen des Bodens gemessen werden kann.

Tiefenerder werden als Staberder oder Kreuzerder mit einer Rammvorrichtung in den Erdboden eingeschlagen. Werden Plattenerder als Tiefenerder verwendet, so werden sie ebenso wie Oberflächenerder eingegraben.

Elektrische Eigenschaften

Die elektrischen Eigenschaften der Erdung sind abhängig von folgenden Faktoren:

• Erdwiderstand
• Gestaltung des Erders

Der Erdwiderstand setzt sich zusammen aus dem Ausbreitungswiderstand R_D und dem Widerstand R_L des Erders und der Erdleitung. Da der Widerstand R_L wesentlich kleiner ist, als der Ausbreitungswiderstand R_D, wird er in der praktischen Berechnung vernachlässigt. Der Ausbreitungswiderstand setzt sich somit zusammen aus spezifischen Erdwiderstand und den Abmessungen und der Anordnung des Erders.

Der spezifische Erdungswiderstand ist der Widerstand eines Kubikmeters Erdreich in Würfelform mit einer Kantenlänge von einem Meter. Die Maßeinheit für den spezifischen Erdungswiderstand ist Ωm Der spezifische Erdungswiderstand ist abhängig von der Bodenart, der Bodenbeschaffenheit und dem Feuchtigkeitsgehalt des Bodens.

Da der Feuchtigkeitsgehalt im Boden schwankt, lässt sich die Berechnung des Erdungswiderstandes nur mit mäßiger Genauigkeit durchführen. Die Berechnung des Ausbreitungswiderstandes ist somit nur eine grobe Planung für die Praxis und wird durch anschließende Erdungsmessung überprüft.^[12]

Der Ausbreitungswiderstand für Banderder lässt sich anhand der folgenden Formel ermitteln.

$\R_\text{A} = \frac{\rho_E}{\mathrm\pi\cdot l}\cdot ln \frac{2 \, \mathrm \cdot l}{\mathrm d}$

Für einen Staberder lautet die Formel:

$\R_\text{A} = \frac{\rho_E}{\mathrm2\cdot \pi\cdot l}\cdot ln \frac{4 \, \mathrm \cdot l}{\mathrm d}$

Werden mehrere (n) Staberder parallel geschaltet, wird der Ausbreitungswiderstand ermittelt anhand der Formel:

$\R_\text{A} = \frac{1}{\mathrm n}\cdot \frac{\rho_E}{\mathrm2\cdot \pi\cdot D} \cdot ln \frac{4 \, \mathrm \cdot l}{\mathrm d}\cdot{k}$

Die Konstante k beträgt je nach Bodenfeuchte

$k\approx 1...2$

Einen Maschenerder mit der Fläche A kann näher… weise berechnet gemäß der Formel:

$\R_\text{A} \approx \frac{\rho_E}{\mathrm4}\cdot \sqrt \frac{\pi}{\mathrm A}$

Für einen Ringerder mit einem Durchmesser D gilt näherungsweise die Formel:

$\R_\text{A} \approx \frac{\rho_E}{\mathrm2\cdot\pi^2\cdot l}\cdot{k}$

Die Konstante k beträgt dabei:

$k\approx 15...20$

Den Ausbreitungswiderstand eines Plattenerders mit dem Durchmesser D ermittelt man gemäß der Formel:

$\R_\text{A} = \frac{\rho_E}{\mathrm4\cdot D}$

Kommt die Platte nur mit einer Oberfläche mit leitendem Erdreich in Verbindung gilt die Formel:

$\R_\text{A} = \frac{\rho_E}{\mathrm2\cdot D}$

Verbesserung des Ausbreitungswiderstandes

Zur Verringerung des Ausbreitungswiderstandes gibt es mehrere Methoden:

• Verwendung von speziellen Füllermaterialien
• Verwendung mineralischer oder chemischer Bodenelektroden
• Einsatz mehrerer parallel geschalteter Erder

In Böden mit veränderlicher Bodenfeuchtigkeit z. B. felsigen oder sandigen Böden wird zur Kontaktverbesserung ein spezielles Füllmaterial verwendet, das zur Kontaktverbesserung des Erders mit dem Erdreich dient. Die Erder werden in das Füllmaterial eingebettet und dann mit Erdreich überdeckt.

Zur Verbesserung der Bodenleitfähigkeit werden spezielle Bodenelektroden eingesetzt, die mit einer Salzmischung gefüllt werden. Die Erdungselektroden sind mit mehreren Löchern versehen, durch die die Salzlösung in den Boden wandern kann. Füllmaterialien oder chemischen Bodenelektroden werden hauptsächlich bei Blitzschutzerdern angewendet.^[13]

Durch die Parallelschaltung mehrerer Erder wird die Kontaktfläche mit dem Erdreich vergrößert und dadurch der Ausbreitungswiderstand gesenkt. Damit sich die Erder nicht gegenseitig beeinflussen werden sie im Abstand von zwei Erderlängen verlegt.

Zur zusätzlichen Verbesserung der Erdungswirkung werden so genannte Kettenleiter angeschlossen, z. B. Metallmäntel bei Kabeln oder Erdseile bei Freileitungen. In größeren baulichen Anlagen (Industrieanlagen) werden oftmals die Erdungen untereinander verbunden, um somit eine vermaschte Erdungsanlage zu erreichen. Durch die Verbindung der einzelnen Erdungsanlagen werden zum einen die Potentialdifferenzen zwischen den Erdern gesenkt und zum anderen wird der Erdungswiderstand der Gesamtanlage gesenkt.^[14]

Gesetzliche Bestimmungen und sonstige Regelwerke

• DIN VDE 0100-540 Errichtung von Starkstromanlagen mit Nennspannungen bis 1000 V; Auswahl und Errichtung elektrischer Betriebsmittel, Erdung, Schutzleiter, Potentialausgleichsleiter
• DIN VDE 0151 Werkstoffe und Mindestmaße von Erdern bezüglich der Korrosion
• DIN VDE 0101 Errichtung von Starkstromanlagen mit Nennspannungen über 1 kV

Literatur

• Klaus Heuk, Klaus-Dieter Dettmann, Detlef Schulz: Elektrische Energieversorgung. 7. Auflage, Friedrich Vieweg & Sohn Verlag, Wiesbaden, 2007, ISBN 978-3-8348-0217-0
• Gerhard Kiefer: VDE 0100 und die Praxis. 1. Auflage, VDE-Verlag GmbH, Berlin und Offenbach, 1984, ISBN 3-8007-1359-4
• Wilfried Knies, Klaus Schierack: Elektrische Anlagentechnik; Kraftwerke, Netze, Schaltanlagen, Schutzeinrichtungen. 5. Auflage, Hanser Fachbuchverlag. 2006 ISBN 978-3446405745
• ABB Schaltanlagen Handbuch Online

Einzelnachweise

1. ↑ Landesumweltamt Nordrhein-Westfalen: Begriffserläuterungen.
2. ↑ DREWAG Kundeninformation: Verlust der Erdungswirkung des Rohrnetzes.
3. ↑ Diplomarbeit Anton Grabbauer: Ein Beitrag zur Rechnerischen Bestimmung von Erdungsimpedanzen.
4. ↑ ^{a b} Reyer Venhuizen: Erdung und elektromagnetische Verträglichkeit, Erdung mit System, Deutsches Kupferinstitut DKI, Leonardo Power Quality Initiative
5. ↑ Diplomarbeit Johann Frei: Messung der Impedanz ausgedehnter Erdersysteme
6. ↑ Winfried Hooppmann: Die bestimmungsgerechte Elektroinstallationspraxis. 3. Auflage, Richard Pflaum Verlag GmbH & Co. KG, München, 2007, ISBN 3-7905-0885-3
7. ↑ Réne Flosdorff, Günther Hilgarth: Elektrische Energieverteilung. 4. Auflage, Verlag B.G. Teubner, 1982, ISBN 3-519-36411-5
8. ↑ Paul Waldner: Grundlagen der elektrotechnischen und elektronischen Gebäudeausrüstung. Werner-Verlag 1998, ISBN 978-3804139831
9. ↑ TAB Mittelspannung
10. ↑ Erdungshandbuch
11. ↑ Deutsches Kupferinstitut: Messungen und Prüfungen an Erdungsanlagen
12. ↑ Leitfaden Netzqualität: Erdung und elektromagnetische Verträglichkeit; Erdungssysteme - Grundlagen der Berechnung und Auslegung Band 6.3.1; Deutsches Kupferinstitut Leonardo Power Quality Initiative
13. ↑ ENRICO: Technische Information
14. ↑ ABB Merkblatt: Verbindung und Vermaschung von Erdungsanlagen

Weblinks

• Bild eines Hilfserders