Kombinierte Erdungsanlagen

Kombinierte Erdungsanlagen für Schutzpotentialausgleichs-, Blitzschutz- und EMV-Anordnungen

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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 von umschlossener Perimeterdämmungen, ist gemäß der DIN 18014 zusätzlich zur gewohnten Erdermasche im Fundament auch ein erdfühliger 
Ringerder vorzusehen. 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 Funk- tionspotentialausgleichs (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.

  1. 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.

  1. 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.

  1. 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 1), 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 (Bild 2) 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 (Bild 2).

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 3) dauerhaft elektrisch leitend zu verbinden und weist eine Maschenweite von ≤ 20 m × 20 m auf (Bild 4) – 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 (Beispiele Bild 5):

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 (Bild 6).

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 (Bild 7).

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 (Bild 8).

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 (Bild 9).

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 (Bild 10).

Verwendung des Funktionspotentialausgleichsleiters (CBN)

Wirkungsweise des CBN

Durch Anbindung dieser Verbraucher/Maschinen/Server usw. an den jeweiligen lokalen Erdungspunkt in Verbindung mit einem engmaschigen Funktionspotentialausgleichsleitersystem werden diese Störenergien/Einkopplungen über hunderte von Bewehrungsstäben untereinander niederimpedant verbunden und ausgeglichen.

  • Die Spannungsdifferenz zwischen den Maschinen geht damit gegen Null.

  • Die Übertragung von Spannungsspitzen auf das Kabel (zwischen PE und den aktiven Leitern) geht gegen Null.

  • Die Störungen gehen gegen Null.

Fazit: Ein Funktionspotentialausgleichsleiter (Bild 11) verhindert bei Gebäuden mit moderner Infrastruktur Störungen.

Aufbau des CBN

Der Funktionspotentialausgleichsleiter ist mit der Bewehrung in Abständen von <2m dauerhaft elektrisch leitend zu verbinden und weist eine Maschenweite von ≤ 20 m × 20 m auf.

  • Weitere Ausführungsbedingungen nach DIN 18014 sind zu beachten.

  • Folgende Verbindungen sind herzustellen:

    • zum Schutzpotentialausgleich über die Haupterdungsschiene nach DIN VDE 0100-410 (VDE 0100-410);

    • zum Ringerder mindestens alle 20 m des Gebäudeumfangs;

    • zum Blitzschutzsystem, je Ableitung;

    • zu weiteren metallisch leitfähigen Teilen zum Zweck des Funktionspotentialausgleichs.

  • Zusätzliche Maßnahmen können nach 
DIN EN 50310 (VDE 0800-2-310) [4] und DIN EN 62305-4 (VDE 0185-305-4) [5] erforderlich sein.

Einsatz des CBN bei WU-Faserbeton

Bei unbewehrtem WU-Faserbeton (Bild 12) sind zu beachten:

  • Es ergibt sich keine zusätzliche Schirmfunktion.

  • Eine starke Verringerung möglicher 
Spannungsdifferenzen wird nicht erreicht.

Fazit: In diesem Fall ist gemäß DIN 18014 technisch kein CBN umsetzbar, und damit auch kein EMV-Nutzen vorhanden.

Was bringt die Zukunft?

  • Es werden immer mehr elektronische Geräte eingesetzt.

  • Im Industriebereich tritt eine totale Vernetzung auf.

  • Es entsteht auch im Wohngebäudebereich eine immer größere Abhängigkeit von der Elektronik.

  • Smart Home und Gebäudesteuerung wird/ ist Standard.

Fazit

Für Erdungsanlagen ist bezüglich EMV (Elektro-Magnetische-Verträglichkeit) und Systemverfügbarkeit eine Weitsicht für viele Jahrzehnte gefordert. Denn eine Nachrüstung ist nicht möglich!

  • Die DIN 18014 fordert den flächigen Erder bzw. CBN.

  • EMV ist auch für Gebäude ohne Blitzschutzsystem wichtig.

  • Bei „unbewehrtem WU-Faserbeton“ ist die EMV-Wirkung des CBN fraglich.

Hier ist zusätzlicher Aufklärungsbedarf beim Planer gefordert, um bei Gebäuden mit EMV- Anforderung direkt auf bewehrten Beton umzustellen.


Bilder:


(1) Isolierung durch Perimeterdämmung

(2) Ringerder und Funktionspotentialausgleichsleiter bei isoliertem Fundament

(3) Verbindung Fundamenterder mit der Bewehrung in Abständen von max. 2 m

(4) Fundamenterder, nicht isolierend: Maschenweite von 20 m x 20 m

(5) Gegenseitige elektromagnetische Beeinflussung zweier Systeme (A und B)

(6) Mögliche Szenarien der induktiven Einkopplung zwischen Störquelle und Störsenke bei einem Blitzeinschlag

(7) Kompletter Aufbau des Fundamenterdersystems nach DIN 18014 (isoliertes Fundament)

(8) Maschine mit internem RC-Glied zur Ableitung der Spannungsspitzen gegen PE

(9) Mathematische Erläuterung der Spannungserhöhung

(10) Erzeugung von Störspannungen aufgrund nicht vorhandenen Funktionspotentialausgleichsleiters

(11) Galvanische Erzeugung von Spannungsdifferenzen durch Schalthandlungen oder Blitzstrom

(12) Einbringen von Ringerder und Funktionspotentialausgleichsleiter in unbewehrtem WU-Faserbeton

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.
[4] DIN EN 50310 (VDE 0800-2-310):2011-05 Anwendung von Maßnahmen für Erdung und Potentialausgleich in Gebäuden mit Einrichtungen der Informationstechnik.
[5] DIN EN 62305-4 (VDE 0185-305-4):2011-10 Blitzschutz – Teil 4: Elektrische und elektronische Systeme in baulichen Anlagen.n

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