Funktionserde

Symbol für die Funktionserde

Die Funktionserdung ist für die störungsfreie Funktion von bestimmten elektrischen Anlagen von Bedeutung. Allgemein unterscheidet man zwischen zwei Erdungsarten: Der Schutzerdung und der Funktionserdung. Während die Schutzerdung zum Schutz von Menschen und Tieren vor einem elektrischen Schlag dient und nur während eines Fehlerfalls einen Schutz bieten soll, ist die Funktionserdung ein funktioneller Teil und für den regulären Betrieb der elektrischen Anlage wesentlich.

Grundlagen

Mit Erde bezeichnet man zum einen das natürliche Erdreich, zum anderen ein Leitermaterial bzw. einen leitenden Stoff, dessen Potenzial als Null betrachtet wird.

Die Funktionserdung (englisch: functional earth) dient dazu, eine elektrische Anlage EMV-gerecht zu installieren. Der Funktionserdeanschluss wird mit dem entsprechenden Schaltzeichen oder mit den Großbuchstaben "FE" gekennzeichnet. Da die Schutzerde ihrem Zweck entsprechend nicht auf die Funktion eines Gerätes, sondern auf den Personenschutz ausgelegt ist, reicht eine alleinige Schutzerdung oft nicht aus, um neben dem Personenschutz die Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) einer elektrischen Anlage zu gewährleisten. Hierzu ist es meistens erforderlich, eine zusätzliche Funktionserde anzuschließen.

Dabei ist auf eine konsequente Trennung von Funktionserde und Schutzerde zu achten. Die Schutzerde darf, bis auf wenige Ausnahmen, nicht an die Funktionserde angeschlossen werden. Die Funktionserde ist in der Regel nicht dafür ausgelegt, Schutzleiterfunktionen zu übernehmen. Somit ist bei einem Anschluss des Schutzleiters an den Funktionserdeanschluss die elektrische Sicherheit nicht gewährleistet. Eine leitende Verbindung zwischen Schutzerde und Funktionserde wird üblicherweise erst in der Nähe des Erders geschaffen.

Neben der Auswahl des geeigneten Installationsmaterials ist auch die Ausführung des elektrischen Niederspannungs-Versorgungsnetzes sehr wichtig. Das TN-S-System mit zentraler Sternpunkterdung ist in vielen Fällen geeignet, den EMV-gerechten Aufbau eines Niederspannungsnetzes sicherzustellen.

Bei der Erdung hat der Personenschutz Vorrang. Erst in zweiter Linie ist auf die Funktion eines elektrischen Betriebsmittels zu achten.

Aufgaben und Einsatzbereiche der Funktionserdung

Im Wesentlichen hat die Funktionserdung folgende Aufgaben:

• Das Ableiten von Störströmen und somit eine Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit.
• Das Festlegen eines erforderlichen gemeinsamen Bezugspotentials, um den Betrieb elektrischer Geräte und Einrichtungen zu gewährleisten.
• Die Verbesserung der Start- und Dimmeigenschaften von Leuchtstofflampen
• Das Erden von abgeschirmten Prüfadaptern

Metallene Schaltschränke und sonstige leitfähigen Gehäuse oder Montageplatten führen in der Regel bestimmungsgemäß keine Betriebsspannung. Sie sind damit potentielle Antennen, welche elektromagnetische Störungen aufnehmen und weiterleiten können und müssen an die Funktionserde angeschlossen werden.

Steuertransformatoren in elektronischen Steuerungen oder sonstigen elektronischen Geräten werden sehr oft mit einer Schirmwicklung aus Aluminiumfolie versehen, welche über eine nach außen geführte Anschlussleitung mit der Funktionserde zu verbinden ist, um netzseitig eingestrahlte Störungen abzuleiten.

Bei elektronischen Steuerungen wird, um einen Spannungsausgleich zu erreichen, normalerweise die Masse mit der Funktionserde verbunden. Bei symmetrischer Spannungsversorgung ist dies der Mittelpunkt mit 0 V und bei asymmetrischer Spannungsversorgung meistens der Minuspol der Spannungsquelle.

Ortsveränderliche Musikanlagen, die den VDE-Bestimmungen entsprechen, werden über Trenntransformatoren angeschlossen. Um hier einen störungsfreien Betrieb zu gewährleisten, ist es oftmals erforderlich, die angeschlossenen Gehäuse, Anlagenteile, Bezugsleiter von Signaleingängen und Signalausgängen der NF Signale (dies ist in der Regel die Abschirmung) entweder mittelbar oder unmittelbar mit der Funktionserde zu verbinden.

Bei Fernmeldeanlagen ermöglicht die Funktionserde eine ordnungsgemäße Funktion der Anlage. Betriebsstätten mit konsequentem Erdungskonzept, z. B. Schaltwarten, stellen eine separate Funktionserde zur Verfügung.

Bei Leuchtstofflampen mit Kunststoffgehäuse ist ein Funktionserdeanschluss aus mehreren Gründen notwendig. Zunächst einmal optimiert die angeschlossene Funktionserde die Funkentstörung der Leuchte. Außerdem verbessert die Funktionserde die Starteigenschaften der Lampe; dies ist insbesondere bei Leuchten mit elektronischen Vorschaltgeräten erforderlich. Bei Leuchten mit digital dimmbaren Vorschaltgeräten ist für einen einwandfreien Dimmbetrieb ebenfalls der Anschluss der Funktionserde erforderlich.

Bei hochempfindlichen elektronischen Mess- und Prüfgeräten ist es meistens erforderlich, die abgeschirmten Prüfadapter aus EMV-Gründen an die Funktionserde anzuschließen.

Potenzialausgleich

Der Potenzialausgleich muss hochfrequenztauglich und niederohmig ausgeführt werden. Dies bedeutet, dass er eine flächige Verbindung von metallischen Anlageteilen ermöglicht. Eine große Oberfläche ist hierbei sehr wichtig, um einen flächigen Kontaktanschluss zu ermöglichen. Eine Stromtragfähigkeit ist nicht unbedingt erforderlich.

Die Potenzialausgleichschiene innerhalb von Schaltschränken oder Gehäusen muss so konstruiert sein, dass ein großflächiger Anschluss von Massebändern möglich ist. Als Material eignen sich am besten rechteckige Kupferschienen mit einem Länge zu Breite Verhältnis von maximal 3:1.

Die Potenzialausgleichschiene dient für elektronische Steuerungen auch als Massereferenzpunkt. Erst an diesem Referenzpunkt werden alle Masseleitungen sternförmig zusammengeführt. Dies ist insbesondere beim gemeinsamen Einsatz von digitalen und analogen Bausteinen wichtig. Hierbei muss, um eine galvanische Kopplung zu vermeiden, vor dem Massereferenzpunkt auf eine konsequente Trennung der Masseführung geachtet werden. Bei manchen Geräten sind die Bezugspotenziale nicht auf das Erdpotenzial bezogen. Ihre Bezugspotenziale sind angehoben und dürfen nicht direkt mit dem erdpotenzialbehafteten Massereferenzpunkt verbunden werden. Diese Geräte oder Baugruppen müssen über spezielle Zwischenkoppelstufen mit den anderen Baugruppen verbunden werden.

Die Kontaktflächen in den Gehäusen müssen fett und schmutzfrei sein. Sie dürfen nicht lackiert sein und keine Oxidschichten haben. Zur Vermeidung von nachträglich entstehenden Oxidschichten an den Kontaktstellen sind, wenn möglich, geschweißte Masseverbindungen den Schraubverbindungen vorzuziehen.

Bei der Verwendung von metallischen Montageplatten oder Schottwänden sind verzinkte Eisenblechplatten den chromatierten Eisenblechen vorzuziehen. Verzinkte Eisenbleche haben bessere Hochfrequenzeigenschaften und eignen sich somit besser zur großflächigen Erdung.

Einfluss von Leitungslänge und Querschnitt

Masseverbinder für den Potentialausgleich

Bei hochfrequenten Strömen fließen die Elektronen nicht über den gesamten Leitungsquerschnitt sondern zunehmend auf der Leiteroberfläche. Die Eindringtiefe der Elektronen in den Leitungsquerschnitt ist abhängig von der Frequenz. Aufgrund dieses so genannten Skin-Effektes ist für die Ableitung der hochfrequenten Ströme nicht der Leiterquerschnitt sondern die Leiteroberfläche entscheidend. Runde Leiter haben eine kleinere Oberfläche als flache mit rechteckigem Querschnitt. Aus diesem Grund sind runde Leiter zum Ableiten von hochfrequenter Signale weniger geeignet.

Da jede Leitung pro Meter Leiterlänge eine bestimmte Induktivität besitzt, nimmt ihre Impedanz mit steigender Frequenz und größer werdender Leitungslänge zu. Zum Ableiten hochfrequenter Störströme sind deshalb kurze Leitungen oft vorteilhaft. Bei Rechteckleitern, z. B. Massebändern, ist die Induktivität ca. 20 % geringer als bei Rundleitern gleichen Querschnitts. Dies kommt bei Frequenzen oberhalb von 10 MHz zur Geltung.

Die Massebänder sollten möglichst kurz sein, eine großflächige Kontaktfläche haben und ein Verhältnis in Länge zu Breite von 3:1 bis höchstens 5:1 aufweisen.

Um eine wirksame, impedanzarme Erdungsverbindung zwischen den einzelnen Erdungsanschlüssen und dem Erder zu erzielen, gibt es drei Möglichkeiten:

• Verwendung von breitflächigen Verbindungen (Massebänder) mit großen Kontaktflächen. Dabei sollten die Massebänder möglichst ohne verpresste Hülsen ausgeführt sein. Besser ist hier eine Verzinnung (die einen besseren Übergangswiderstand bietet) oder noch besser eine Pressschweißung (die keinen Übergangswiderstand bietet) der Enden.
• Verbindung mittels vieler einzelner gegeneinander isolierter Einzelleiter (Erdungslitze).
• Verbindung mittels kurzer Erdungsleiter.

Erdungsanlage

Eine Erdungsanlage (Erder, Erderverbindungsleitungen) sollte eine niedrige Impedanz aufweisen. Um Ströme sicher in die Erde ableiten zu können, muss der Erder einen großflächigen Kontakt mit dem Erdreich haben. Die Forderungen nach geringer Impedanz im Hochfrequenzbereich werden von normalen Tiefenerder, wie sie z. B. bei Schutzerdungen verwendet werden, in der Regel nicht erfüllt.

Das Einbringen zusätzlicher Erder, in Form eines Erdersystems, verringert die Impedanz. Neben dem schon installierten Fundamenterder oder Tiefenerder werden zusätzliche Ringerder im Erdreich verlegt und an die Erdungsanlage angeschlossen. Gut geeignet ist hierbei ein Ringerder aus Kupferband mit einem Mindestquerschnitt von 50 mm², der in einem Abstand von ca. 1 m und in einer Mindesttiefe von 50 cm um ein Gebäude im Erdreich verlegt ist. Die Unterteilung der Erder in Schutzerder, Funktionserder oder Blitzschutzerder ist wegen möglicher Potenzialunterschiede nicht zulässig. Die Erder müssen gut leitend miteinander verbunden werden, um eventuelle Potenzialunterschiede auszugleichen.

Bei der Verwendung unterschiedlicher Erdermaterialien ist nicht nur auf die Korrosionsfestigkeit der Materialien, sondern auch auf deren Potenzialunterschiede aufgrund der elektrochemischen Spannungsreihe zu achten. Bei Erdern muss regelmäßig der Widerstand gegen Erde, also die Wirksamkeit des Erders, überprüft werden.

Kombinierte Erdungen

Damit man eine Erdung gleichzeitig als Schutzerdung und als Funktionserdung benutzen kann, muss diese Erdung folgende Kriterien erfüllen:

1. Sie muss gefährliche Körperströme sicher in die Erde abführen können. Dafür muss sie einen niedrigen Ohmschen Widerstand haben und stromtragfähig sein.
2. Sie muss Störsignale ableiten können. Dazu muss sie eine niedrige Impedanz besitzen.
3. Sie sollte ein störspannungsfreies Bezugspotential darstellen. Dazu muss die Erdungsanlage entsprechend als maschenförmiges Erdungssystem ausgeführt sein.

Damit man so eine kombinierte Erdung darstellen kann, ist es wichtig, dass man das Verhalten der einzelnen Systemkomponenten kennt und bei der Installation berücksichtigt.

Im Niederfrequenzbereich:

• ist der Querschnitt einer Leitung für deren Leitungswiderstand (bzw. Leitungsimpedanz) entscheidend.
• muss die Leitung stromtragfähig sein, die Impedanz ist nur wichtig für thermische Gesichtspunkte.
• muss der Potenzialausgleich stromtragfähig sein.
• muss der Erder einen niedrigen Erdungswiderstand haben und ebenfalls stromtragfähig sein.

Im Hochfrequenzbereich:

• ist die Leitungslänge entscheidend.
• hat der Leitungsquerschnitt auf die Leitungsimpedanz nahezu keinen Einfluss.
• hat eine große Leiteroberfläche entscheidenden Einfluss auf das "Ableitvermögen".
• ist die Impedanz entscheidend für das Betriebsverhalten.
• muss der Potentialausgleich eine große Kontaktoberfläche besitzen.
• muss der Erder eine niedrige Impedanz und eine große Oberfläche und somit einen großflächigen Kontakt zum Erdreich besitzen.

Alle diese Anforderungen lassen sich nur durch ein netzförmiges vermaschtes Erdungskonzept verwirklichen. Dieses Erdungssystem ist allen anderen Erdungssystemen überlegen.

In das vermaschte Erdungssystem werden leitfähige Metallteile, z. B. Wasserleitungen, Gitterbahnen, Kabeltrassen und Stahlbewehrungen mit einbezogen. Dabei werden die Metallkonstrunktionen untereinander, aber auch mit den Metallgehäusen der elektrischen Betriebsmittel an mehreren Stellen maschenförmig verbunden. Die Maschen sind üblicherweise nicht größer als 3 m × 3 m. Die einzelnen Erdungsmaschen oder „Erdungsinseln“ sind untereinander mehrfach verbunden. Bei mehrgeschossigen Gebäuden müssen die Erdungsnetze an zwei oder mehr Stellen vertikal miteinander verbunden werden. Durch den maschenförmigen Aufbau des Erdungsnetzes entsteht eine große Oberfläche und kurze Leitungslängen und somit eine niedrige Erdungsimpedanz, die für ein gutes Ableitvermögen von Störsignalen förderlich ist. Gleichzeitig bildet das vermaschte System ein Erdpotenzial, das überall gleich ist und nur geringe Potenzialunterschiede gegenüber dem Referenzpunkt aufweist.

Schutzleiter müssen entsprechend den DIN-VDE-Vorschriften dimensioniert werden. Ein korrekt dimensionierter Schutzleiter eignet sich nur bedingt zur Ableitung von EM-Störungen. Kombinierte Schutz- und Funktionserdungsleiter müssen neben dem vorschriftsmäßigen Querschnitt auch eine große Oberfläche haben. Geflecht-Erdungsbänder haben sich für diesen Einsatz bewährt. Diese Erdungsbänder besitzen in der Regel Querschnitte von 10 mm² bis 25 mm². Sollen die Ableitaufgaben von Rundleitern übernommen werden, müssen diese gelegentlich einen größeren Querschnitt haben, als für die Schutzfunktion gefordert wird. Da bei mehradrigen Anschlusskabeln der Schutzleiter nicht größer als die Außenleiter dimensioniert ist, bleibt die Möglichkeit, den Funktionserdungs-/Schutzleiter getrennt zu verlegen.

Innerhalb von Schaltschränken ist ebenfalls ein vermaschter Potenzialausgleich zwischen allen leitfähigen Gehäuseteilen üblich. Als Potentialausgleichsschiene eignet sich eine großflächige blanke Montageplatte aus nicht rostendem Metall. Die Potenzialausgleichschiene muss einen großflächigen Kontakt mit den Potenzialausgleichleitern im Schaltschrank ermöglichen.

Ein vermaschtes Erdungssystem schließt auch die Vermaschung der Erdungsanlage mit ein. Die jeweiligen Erder müssen untereinander an mehreren Stellen elektrisch leitend (maschenförmig) verbunden sein. Durch die Vermaschung der Erdungsanlage werden eine niedrige Impedanz und ein breitflächiger Kontakt zum Erdreich hergestellt. Dadurch kann die Erdungsanlage sowohl mögliche Ströme ins Erdreich abzuleiten als auch Potenzialunterschiede, wie sie zwischen Einzelerdern entstehen können, vermeiden.

Gesetzliche Bestimmungen und sonstige Regelwerke

• Gesetz über die elektromagnetische Verträglichkeit von Betriebsmitteln (EMVG)
• DIN VDE 0100 Teil 540 „Erdung, Schutzleiter, Potentialausgleichsleiter“
• VDE V 0800 Teil 2-548 „ Erdung und Potenzialausgleich für Anlagen der Informationstechnik“
• DIN VDE 0618 Teil 1:1989-08 „Potentialausgleichsschiene (PAS) für den Hauptpotentialausgleich“
• Unfallverhütungsvorschrift BGI 811 „Arbeitssicherheit in Übertragungsfahrzeugen“
• Merkblatt der Gesetzlichen Unfallversicherung GUV-I 810 „Arbeitssicherheit in Produktionsstätten für szenische Darstellung“

Fachliteratur

Fachbücher

• Gerhard Kiefer: VDE 0100 und die Praxis. Wegweiser für Anfänger und Profis 12. Auflage, VDE-Verlag, 2006, ISBN 978-3800728671
• Klaus Tkotz: Fachkunde Elektrotechnik, 25. Auflage, Verlag - Europa - Lehrmittel, 2006, ISBN 978-3808531594
• Elektromagnetische Verträglichkeit Expert - Verlag
• Franz Pigler: EMV und Blitzschutz leittechnischer Anlagen, Siemens Aktiengesellschaft, Publicis Corporate Publishing 2001, ISBN 978-3800915651

Fachbroschüren

• Leitfaden Netzqualität: Erdung und elektromagnetische Verträglichkeit Band 6.1 Erdung mit System; Deutsches Kupferinstitut Leonardo Power Quality Initiative
• Allgemeine Erdungsempfehlung Brüel & Kjaer Vibro GmbH
• Handbuch TAN 1003 Erdung für Überspannungsschutz - ein Ratgeber Telematic Limited
• Elektromagnetische Verträglichkeit, InstallationshinweiseAllgemeine Informationen 9499-047-09118; PMA Prozeß- und Maschinen-Automation GmbH
• Praxis der Antriebstechnik Band 9 EMV in der Antriebstechnik; SEW Eurodrive
• EMV leicht erreicht Pocket Guide; Zentralverband Elektrotechnik und Elektroindustrie e.V.
• EMV Elektromagnetische Verträglichkeit Installationshinweise; Eurotherm Regler GmbH
• Schutz gegen elektromagnetische Störungen durch fremdspannungsarme Sternpunkterdung TÜV Süddeutschland

Fachaufsätze und Fachartikel

• Energieversorgung und Schutzmaßnahmen für Telekommunikationsanlagen Dipl. Ing. Walter Schlothauer, Dipl. Ing. Klaus Schwarz
• Erdung und Potenzialausgleich Praxis - Tipps zur EMV - gerechten Schaltschrank- Installation Dipl. Ing. (Univ.) Hartmut Lohrey, Firma Rittal GmbH & Co KG
• EMV - gerechter Aufbau von Niederspannungsversorgungssystemen Mehr als normgerechte Erdung für den Berührungsschutz Friedrich Hendel, Anton Kohling, Firma Siemens AG
• Messen auf Erden Frank Schneider

Firmenprospekte und Publikationen

• EMV - gerechte Schaltschrankinstallation Jetter AG
• Schutz- und Funktionserde von elektronischen Vorschaltgeräten, insbesondere in Leuchten der Schutzklasse 2 Tridonic.Atco
• Speisemodul RMNT 250 Rittmeyer AG
• Hochspannungsprüfgerät HP5000 Bedienungsanleitung Buerger Electronic
• Niederfrequenzleitungsübertrager NFLUE 1 OHP Automatisierungssysteme
• Erdung und Schirmung UTP vs. STP Sytimax Solutions Bachert Datentechnik