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Aus dem Facharchiv: Elektropraxis
Kombinierte Erdungsanlagen für Schutzpotentialausgleichs-, Blitzschutz- und EMV-Anordnungen

Durch DIN 18014, Ausgabe 2014-03, [1] wird der Aufbau der Fundamenterderanlage konkreter beschrieben. Aufgrund des Trends, isolierende Materialien im Fundament und in Erdungsschichten einzusetzen bzw. der stetig steigenden Nutzung umschlossener Perimeterdämmungen, ist gemäß der DIN 18014 zusätzlich zur gewohnten Erdermasche im Fundament auch ein erdfühliger Ringerder vorzusehen.

(1) Isolierung durch Perimeterdämmung

(1) Isolierung durch Perimeterdämmung (Foto: Autor/ep)

Bei vielen Anwendern stellt sich nun die Frage, warum diese Erdermasche im bewehrten Beton (Bezeichnung: Funktionspotentialausgleichsleiter CBN) eingesetzt werden soll.

Aufgaben der Erdungsanlage gemäß DIN 18014

Eine Erdungsanlage für ein Gebäude dient der Umsetzung von Maßnahmen

  • zum Schutz gegen elektrischen Schlag
  • zur Unterstützung der Wirkung des Schutzpotentialausgleichs
  • zur Unterstützung der Wirkung eines Funktionspotentialausgleichs (kombinierter Erder, CBN)
  • zur Potentialsteuerung für das Gebäude
  • und zur Erdung des Blitzschutzsystems (Erdfühligkeit).

Ein Erder muss vier Hauptaufgaben erfüllen:

1. Personensicherheit (Potentialausgleich nach VDE 0100 [2])

Gefährliche Spannungen müssen im elektrischen Fehlerfall (z. B. Isolationsfehler in der Leitung bei einem Metallgehäuse) sicher abgeschaltet werden. Dafür ist eine widerstandsarme Verbindung (Potentialausgleich) zwischen allen metallenen Teilen notwendig.

2. Eine ausreichende Erdfühligkeit sicherstellen – insbesondere beim Blitzschutz

Hier muss, je nach ausgelegter Blitzschutzklasse, ein Blitzstrom von ≤ 200 000 A in einer sehr kurzen Zeit (einige ms) in die Erde eingekoppelt werden. Aufgrund der hohen Stromsteilheit des Impulses ist eine großflächige und damit niederimpedante Erdung zu bevorzugen.

3. Die „Funktion“ der elektrischen und elektronischen Anlage sicherstellen

Die elektrischen und elektronischen Verbraucheranlagen (z. B. Produktionsanlagen, EDV, Gebäudesteuerung) sollen gemäß ihrer ausgelegten Spezifikation im vollen Umfang arbeiten.

4. Bei Blitzschutz die Potentialsteuerung im Gebäude sicherstellen

Die Einkopplung der Blitzenergie in die Erdung kann eine für den Menschen gefährliche Schrittspannung aufbauen. Durch entsprechende Ausgleichsmaßnahmen (Maschen) oder Steuerungen (Ringleitungen) können diese Schrittspannungen auf ein ungefährliches Maß reduziert werden.

Realisierung der Aufgaben

Zu 1: Die Personensicherheit wird umfangreich in der Norm VDE 0100 [2] behandelt.
Zu 2: In DIN 18014 und DIN VDE 0185-305-1 [3] wird konkret darauf hingewiesen, dass

  • bei isolierendem Fundament, verursacht z.B. durch eine komplett umschließende Perimeterdämmung (Bild ), durch Noppenbahnen, schwarze, braune oder weiße Wannen (bei WZ < 06) oder
  • bei zusätzlich eingebrachten, kapillarbrechenden, schlecht elektrisch leitenden Bodenschichten, z.B. aus Recyclingmaterial,

zusätzlich zur bekannten Erdungsmasche in der Fundamentbewehrung /Fundamentplatte außerhalb vom Gebäude erdfühlig ein Ringleiter aus korrosionsfesten V4A-Rund- oder Flachleitern zu verlegen ist. Einzuhalten ist eine Maschenweite von:

  • bei Gebäuden mit Blitzschutz: 10 x 10 m
  • bei Gebäuden ohne äußeren Blitzschutz: 20 x 20 m.

Zu 3: Die elektrischen und elektronischen Verbraucheranlagen (z.B. Produktionsanlagen, EDV, Gebäudesteuerung) sollen gemäß ihrer ausgelegten Spezifikation im vollen Umfang arbeiten. Genau diese Aufgabe übernimmt der Funktionspotentialausgleichsleiter/kombinierte Erdungsanlage CBN.

Gemäß DIN 18014, Abschn. 4.3.1, [1] bildet der Fundamenterder in Verbindung mit dem zusätzlichen Funktionspotentialausgleichsleiter die Grundlage des Funktionspotentialausgleichs entsprechend den EMV-Anforderungen.

Zur Reduzierung elektromagnetischer Störungen (EMV) ist ein Funktionspotentialausgleichsleiter aus Rund- oder Bandmaterial im bewehrten Fundament entlang den Außenwänden vorzusehen. Der Funktionspotentialausgleichsleiter ist mit der Bewehrung in Abständen von höchstens 2 m (Bild 2) dauerhaft elektrisch leitend zu verbinden und weist eine Maschenweite von ≤ 20 m × 20 m auf – kombinierte Potentialausgleichsanlage (CBN).

EMV steht für Elektro-Magnetische-Verträglichkeit. Ziel der EMV-Maßnahmen ist es sicherzustellen, dass elektrische und ganz besonders elektronische Geräte, Systeme und Anlagen ihre Umgebung nicht über ein vertretbares Maß hinaus beeinflussen bzw. von Störungen aus der Umgebung beeinflussbar sind.

  • Störquellen:

Funktelefone – Schaltnetzteile – Zündanlagen – Frequenzumrichter – Blitzeinschlag – Schweißgeräte – große Verbraucher (Produktionsanlagen), PC.

  • Störsenke (Beispiele):

Prozessrechner – Funkempfangsanlagen – Steuerungen – Umrichter – Messgeräte – Produktionsanlagen – Haustechnik.

Die Einkoppelung der Störungen kann z.B. über gemeinsame Energieversorgungs- oder Kommunikationsleitungen erfolgen durch:

  • galvanische Kopplung: → direkt verbunden
  • kapazitive Kopplung → Einstrahlung des elektrischen Felds durch hohe Spannungen
  • induktive Kopplung (magnetisches Feld) durch hohe Ströme, welche in der Nähe auftreten.

Die Kopplung zwischen Störquelle und Störsenke hängt u.a. von der Frequenz und den geometrischen Abmessungen der beteiligten Betriebsmittel ab. Das bedeutet konkret, durch einen Blitzeinschlag in der Ferne kann nicht nur die Zuleitung, sondern auch das Magnetfeld gefährliche Störspannungen einkoppeln.

Vermeidung von Einkopplungen

Durch Schirmungsmaßnahmen (elektrisch leitfähig verbundene Metallgitterstrukturen, die mit dem Potentialausgleich verbunden sind) werden Schirmdämpfungen (Verlöschung der EMV-Störung) aufgebaut, welche – abhängig von den Maschenweiten und dem Material – den Aufbau störender Überspannungen dämpfen können. Maschenweiten (Bewehrungen) kleiner/gleich 25 cm sind hier bereits sehr hilfreich.

Nur auch hier stellt sich schnell die Frage: Was ist, wenn das Gebäude weder einen Blitzschutz noch Schirmungsmaßnahmen an Wänden und Decken besitzt? Welchen Nutzen bringt bei einem Gebäude mit isoliertem Fundament und daraus resultierendem außen erdfühlig verlegtem Ringerder diese im Fundament/Bewehrung verbaute EMV-Masche?

Der größte Nutzen dieser Maßnahme ist nicht in der Abschirmung der induktiven Einkopplung zu sehen, die nur relativ selten auftritt und ohne Unterstützung durch weitere Schirmungsmaßnahmen in Wand und Decke auch nicht zum gewünschten Erfolg führen würde.

Der Nutzen liegt in der niederimpedanten Vernetzung der räumlich unterschiedlichen Potentialausgleichspunkte/Erdungspunkte von Verbrauchern.

Am Beispiel Produktionsmaschine: Bei hohen induktiven oder kapazitiven Lasten (durch Schalten von Motoren oder Schaltnetzteilen) werden die dadurch resultierenden schnellen Spannungsspitzen (kleine Überspannungen) im jeweiligen Verbraucher/in der Produktionsmaschine intern durch RC-Glieder gegen Erdpotential abgeleitet.

Diese schnellen Spannungsspitzen bewirken über die normalen PE-Zuleitungen Spannungspotentialanhebungen. Das heißt, das gesamte PE-Potential wird kurzfristig angehoben. Dadurch können Störungen des Systems verursacht werden.

Bei mehreren verbundenen Maschinen/Verbrauchern dieser Art können diese Spannungsspitzen umfangreiche Störungen im Netz verursachen. Eine Vermaschung dieser Anlagen über Datenanbindung stellt dann den Extremfall dar. Die mögliche Datenperformance wäre aufgrund der Ausgleichsströme und Einkopplungen definitiv nicht gegeben. Die Funktion des Systems wäre nicht mehr gewährleistet.

Literatur: [1] DIN 18014:2014-03 Fundamenterder – Planung, Ausführung und Dokumentation.
[2] DIN VDE 0100 Errichten von Niederspannungsanlagen.
[3] DIN EN 62305-1 (VDE 0185-305-1):2011-10 Blitzschutz – Teil 1: Allgemeine Grundsätze.

Autor: A. König

Der vollständige Artikel ist in unserem Facharchiv nachzulesen.

(Bild 2) Verbindung Fundamenterder mit der Bewehrung in Abständen von max. 2 m (Bildquellen: Autor/ep)

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