Erdung auf den Boden der Tatsachen bringen

Scheinen Ihnen die zahllosen Regeln für die Erdung manchmal etwas zu viel zu sein? Lassen Sie Probleme bei der Umsetzung der Erdung manchmal verwirrt zurück, und die richtige Lösung scheint Ihnen nicht einleuchten zu wollen? Wenn ja, sind Sie nicht allein.

Trotz der umfangreichen Literatur zum Thema Erdung scheinen einige wichtige Konzepte in der mündlichen Überlieferung und der gängigen Praxis der Elektroindustrie zu fehlen – und einige falsche Vorstellungen über die Erdung scheinen dort fest verankert zu sein. Infolgedessen sind viele Entwürfe und Installationen nicht so zuverlässig oder sicher, wie sie sein könnten.

Aber Sie können der Verwirrung aus dem Weg gehen, wenn Sie die Konzepte hinter den Regeln verstehen. Mit einem besseren Verständnis können Sie darauf vertrauen, dass Ihr Erdungssystem so funktioniert, wie Sie es beabsichtigen.

Zurück zu den Grundlagen. Als Erstes muss man verstehen, dass Erdschlussstrom – wie alle Elektrizität – zu seiner Stromquelle zurückkehren will. Dieses Prinzip ist der Grund dafür, dass elektrische Schaltungen überhaupt funktionieren. Was ist die Quelle des Erdschlussstroms? Er kommt nicht aus der Erde, sondern aus dem Transformator des Versorgungsunternehmens.

Das Kirchoffsche Gesetz besagt, dass der Strom umgekehrt proportional zur Impedanz der ihm zur Verfügung stehenden Wege fließt. Somit bestimmen die relativen Impedanzen der verschiedenen Pfade, wie der Fehlerstrom zu seiner Quelle zurückfließt.

Die Impedanz des Pfades zwischen dem Erdungselektroden und der Quelle ist fast immer wesentlich höher als die Impedanz des Pfades durch den geerdeten Leiter.

Wenn Sie sich in Ihrer Anlage nicht sicher sind, messen Sie die Impedanz eines Kupferdrahtes von der Elektrode zur Stromquelle und vergleichen Sie sie mit der Impedanz durch die Erde.

Dieser Impedanzunterschied bedeutet, dass nur ein geringer Teil des Fehlerstroms durch die Erdungselektrode fließt. Der Fehlerstrom fließt in der Regel entlang der Geräteerde (Leiter und Metallkanalsysteme), durch die Nullleiter-Erde-Verbindung und über den geerdeten (neutralen) Leiter zurück zur Quelle. Es ist der hohe Fehlerstrom durch den niederohmigen Pfad, der ein Überstromgerät zum Auslösen bringt – nicht die vernachlässigbare Strommenge, die über einen Erdungsstab durch die Erde fließt (Abb. 1).

Wenn das der Fall ist, welche Funktion hat dann der Erdungselektrode? Ob Sie es glauben oder nicht, er hat mehrere Funktionen, darunter die folgenden:

• Begrenzung von Spannungen, die durch Blitzschlag, Überspannungen oder versehentlichen Kontakt mit Leitungen mit höherer Spannung entstehen.

• Stabilisierung der Spannung zur Erde während des normalen Betriebs, um die Spannung innerhalb vorhersehbarer Grenzen zu halten.

• Unterstützung des Versorgungsunternehmens bei der Beseitigung seiner eigenen Fehler, indem es im Grunde Teil des Mehrpunkt-Erdungssystems des Versorgungsunternehmens wird.

• Bereitstellung eines Weges zur Erde für die Ableitung statischer Elektrizität.

Abstand der Erdungsstange. Angenommen, Sie treiben den ersten Erdungsstab für ein System an. Wenn dieser einen Erdungswiderstand von 25 Ohm oder mehr aufweist, schreibt 250.56 des NEC 2005 vor, dass Sie einen zweiten Erdungsstab einschlagen müssen. Viele Bauunternehmer machen sich jedoch nicht die Mühe, den Erdungswiderstand zu messen. Sie planen einfach, zwei Stangen einzubauen, weil sie damit die Anforderungen von 250.56 erfüllen, unabhängig vom tatsächlichen Erdungswiderstand. Daher sind Installationen mit zwei Stäben weit verbreitet, aber sind sie notwendigerweise korrekt?

Der Code verlangt, dass die Stäbe einen Abstand von mindestens 6 Fuß haben. Dieser Abstand ist jedoch ein Minimum – und bei weitem nicht ideal. Wenn Sie einen typischen 8-Fuß- oder 10-Fuß-Erdungsstab verwenden, erzielen Sie die besten Ergebnisse, wenn Sie die Stäbe in einem Abstand von mindestens 16 bzw. 20 Fuß aufstellen. Das ist viel mehr als der Mindestabstand von 6 Fuß.

Erdungsstäbe, die weniger als zwei Stablängen voneinander entfernt sind, stören sich gegenseitig, da sich ihre effektiven Widerstandsbereiche überlappen (Abb. 2a oben). Als Referenz siehe IEEE-142 und Soares Book on Grounding. Durch die Überlappung erhöht sich der Nettowiderstand der einzelnen Stäbe, so dass das Erdungselektrodensystem weniger effektiv ist, als wenn die Stäbe weiter voneinander entfernt wären (Abb. 2b oben).

Hauptverbindungsbrücke. Die Haupterdungsbrücke ist die Verbindung zwischen dem Nullleiter und den Erdungsstäben der Anlage innerhalb der Anlage. Diese wichtige Verbindung ermöglicht den Rückfluss des Erdschlussstroms zur Quelle. Ohne die Hauptpotentialausgleichsbrücke müsste der Fehler durch die hochohmige Erde anstatt durch das niederohmige Kupfer fließen. Dieser hochohmige Pfad würde höchstwahrscheinlich den Strom begrenzen und das Auslösen von Schutzschaltern verhindern – oder zumindest verhindern, dass sie früh genug auslösen, um Schäden an den Geräten zu vermeiden.

Bemessen Sie die Hauptverbindungsbrücke gemäß Tabelle 250.66. Viele Menschen gehen davon aus, dass diese Tabelle angibt, dass die maximale Größe der Hauptverbindungsbrücke 3/0 AWG ist, aber das ist ein weiterer weit verbreiteter Irrglaube. Der Bonding-Jumper muss mindestens 12,5 % der äquivalenten Fläche der Phasenleiter betragen. Wenn Sie 11 Sätze von 500 kcmil-Leitern (z. B. einen 4.000-A-Service) betreiben, müsste die Haupt-Potentialausgleichsbrücke mindestens 700 kcmil und nicht 3/0 AWG sein.

Dieses Problem ist bei Potentialausgleichsbrücken für sekundär abgeleitete Systeme wie Transformatoren und Generatoren weniger problematisch, da die Fehlerströme in diesen Systemen in der Regel viel niedriger sind.

Dimensionierung von Geräteerdungsleitern. Konstrukteure verwenden in der Regel Tabelle 250.122 für die Dimensionierung von Betriebsmittel-Erdungsleitern. In den meisten Fällen ist die Größe ausreichend, insbesondere bei kleinen Abzweigstromkreisen. Wenn jedoch der verfügbare Fehlerstrom hoch ist – z. B. 100.000 A – und wenn ein vorgeschalteter Schutzschalter so eingestellt ist, dass er seine Auslösung für mehrere Zyklen verzögert, müssen Sie die Erdungsleiter sorgfältiger dimensionieren.

Metallische Kabelkanäle, die in der Regel mehr Strom als Geräteerdungsleiter führen, werden möglicherweise nicht ordnungsgemäß installiert oder können sich im Laufe der Zeit lösen. Infolgedessen kann der Geräteerdungsleiter der einzige verfügbare Erdungsrückweg sein. Unterdimensionierte Erdungsleiter können während eines Fehlers schmelzen, bevor sie ihren Zweck erfüllen, während eines Fehlerzustands einen kontinuierlichen Strompfad mit niedriger Impedanz zurück zur Quelle zu bieten.

Es ist wichtig zu verstehen, dass Leiter Widerstandsfähigkeiten haben. Die Insulated Cable Engineers Association bietet eine Norm mit dem Titel Short-Circuit Characteristics of Insulated Cable, Nummer P 32-382 (1994). Diese Norm besagt, dass die Kurzschlussfestigkeit eines Leiters für einen Zeitraum von 5 Sekunden 1 A pro 42,25 kreisförmigen Millimeter beträgt.

Zum Beispiel kann ein 3/0 AWG-Leiter 5 Sekunden lang 3.972 A sicher übertragen. Die 5-Sekunden-Strombelastbarkeit von I2T beträgt also 78.883.920 A. Nehmen wir nun an, dass ein Schutzschalter so eingestellt ist, dass er in 30 Zyklen auslöst – eine Verzögerung, die Sie bei der Wartung sehen könnten. Sie können schnell feststellen, dass der maximale Strom, den ein 3/0 AWG für 30 Zyklen (0,5 Sekunden) tragen kann, folgender ist:

I2T = 78.883.920

I= √ (78.883.920÷T)

I= √ (78.883.920÷0.5)

I=12.560A

Wenn jedoch der verfügbare Fehlerstrom 65.000A oder 100.000A am Lastende des Erdungsleiters beträgt, wird der Erdungsleiter im Falle eines Fehlers schnell zerstört, wenn man davon ausgeht, dass der Schutzschalter 30 Zyklen zum Öffnen benötigt. Sie sollten den verfügbaren Fehlerstrom beachten und die Ausschaltzeit der Leistungsschalter, insbesondere der Haupt- und Abzweigschalter in der Hauptschalttafel, berücksichtigen. Führen Sie I2T-Berechnungen wie oben beschrieben durch, insbesondere wenn der verfügbare Fehlerstrom hoch ist. Sie sehen, dass die korrekte Dimensionierung von Geräteerdungsleitern nicht so einfach ist wie die Anwendung der NEC-Mindestwerte.

Ströme im Erdungssystem. Strom fließt im Erdungssystem auch unter normalen Betriebsbedingungen, nicht nur im Fehlerfall. Dies erklärt wahrscheinlich, warum der Code zulässt, dass Erdschluss-Sensoren auf bis zu 1.200 A eingestellt werden, um Fehlauslösungen zu verhindern.

Abgesehen von Erdungsfehlern können verschiedene Dinge Strom im Erdungssystem erzeugen, einschließlich der folgenden:

• Induzierte Ströme von benachbarten stromführenden Drähten.

• Induzierte Ströme von Motoren (insbesondere einphasig).

• Kapazitive Kopplung zwischen den Phasen- und Nullleitern mit den Erdungsleitern. Dieses Phänomen ist dafür bekannt, dass es bei langen Stromkreisen zu störenden GFCI-Auslösungen kommt.

• Elektrostatische Entladung von Geräten.

Erdschleifen. Durch das Zusammenspiel von Netzerdung und Niederspannungsverkabelung können Erdschleifen entstehen. Niederspannungsverkabelungen enthalten oft einen Signalerdungsleiter, der im Wesentlichen die internen Signalerdungen zwischen verschiedenen elektronischen Geräten miteinander verbinden kann. Besteht auch eine interne Verbindung zwischen der Netz- und der Signalerdung innerhalb des elektronischen Geräts, kann Strom durch diese Schleife fließen. Obwohl abgeschirmte Niederspannungskabel in der Regel nur an einem Ende geerdet sind, um Masseschleifen zu vermeiden, kann ein separater Signalerdungsdraht innerhalb der Abschirmung dennoch eine Verbindung herstellen.

Ein Beispiel dafür, wo dies häufig auftritt, ist ein Computernetzwerk und die Abschirmungen von Geräten wie Druckern, Routern und Workstations. Wenn Sie verschiedene Geräte miteinander verbinden, verbinden Sie Geräte, die ein Potenzial zwischen ihren jeweiligen Erdungsstiften haben (Abb. 3). Wenn ein vollständiger Stromkreis durch die Signaldrähte besteht, liegt eine Erdungsschleife vor. Aufgrund dieses Potenzials fließen Erdströme, die elektrisches Rauschen erzeugen, das den Systembetrieb stören kann. Elektromagnetische Felder, die durch diese Schleife fließen, können ebenfalls einen Stromfluss verursachen.

Um dieses Phänomen zu minimieren, müssen Sie das Potenzial zwischen diesen verschiedenen Erdungspunkten begrenzen. TIA/EIA J-STD-607-A empfiehlt ein maximales Potenzial von 1 V zwischen den Erdungspunkten. Interessanterweise wird auch eine große Erdungsschleife für die Erdung mehrstöckiger Gebäude empfohlen (Abb. 4). In Computernetzwerken hat die Begrenzung des Potenzials zwischen Erdungspunkten eindeutig Vorrang vor der Sorge um zirkulierende Erdstromschleifen. Audiovisuelle Geräte sind jedoch viel empfindlicher.

In jedem Gebäude gibt es Hunderte, wenn nicht Tausende von Niederspannungskabeln, von denen jedes in Verbindung mit dem Stromerdungssystem seine eigene Erdungsschleife bilden kann. Leider gibt es in einem Standardgebäude keine praktische Möglichkeit, eine gleichmäßige Erdungsfläche zu garantieren.

Das Beste, was Sie tun können, ist, die wichtigsten Geräte richtig zu erden. Das bedeutet, dass man in allen Telekommunikations- und Audio-/Video-Räumen Erdungsschienen anbringen und sicherstellen muss, dass jedes Gerät in diesen Räumen mit diesen Erdungsschienen verbunden ist. Dadurch wird eine ziemlich gleichmäßige Erdungsfläche im Raum gewährleistet – zumindest im unteren Frequenzbereich.

Eine allgemein vorgeschriebene Lösung für diese Art von Erdungsproblemen besteht darin, äquipotentielle Erdungsflächen über einen breiten Frequenzbereich zu schaffen. Zu den Methoden gehören die Verwendung von Erdungsnetzen in Decken und Signalreferenzgittern unter Doppelböden. Angesichts der Kosten solcher Maßnahmen sind diese Methoden in der Regel den empfindlichsten Kommunikationseinrichtungen vorbehalten – nicht den typischen kommerziellen oder institutionellen Einrichtungen. Eine äquipotentielle Erdungsebene ist jedoch nur ein Schritt. Sie ist kein Allheilmittel gegen Erdungsschleifen, denn Ströme können immer durch elektromagnetische Felder induziert werden, die durch Leiter fließen.

Lassen Sie sich nicht von der enormen Menge an Kleinigkeiten im Zusammenhang mit der Erdung überwältigen. Die Kenntnis einiger grundlegender Erdungskonzepte sollte Ihnen helfen, die Dinge in den Griff zu bekommen. Eine gute Erdung ist der Schlüssel zum betrieblichen Erfolg jeder Einrichtung. Je besser Sie also über Ihre Planung informiert sind, desto zuverlässiger wird die Installation sein und desto weniger Probleme mit der Stromqualität werden auftauchen.

Janof, P.E., ist Associate und leitender Projektmanager bei Sparling, einem Beratungsunternehmen für Elektrotechnik und Technologie mit Niederlassungen in Seattle und Portland.