Auf festem Boden bleiben

07-01-2012 | Elektrik

von Jack Smith

Warum muss das elektrische System einer Einrichtung eine solide elektrische Erde haben? Neben den entsprechenden Vorschriften der National Fire Protection Association (NFPA) und der Occupational Safety Health Administration (OSHA)und der Empfehlung des Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), des American National Standards Institute (ANSI) und der International Electrotechnical Commission (IEC)trägt ein gut geerdetes System zur Erhöhung der elektrischen Sicherheit bei und senkt die Gefahr von Beschädigungen oder Ausfällen von Geräten.

Der National Electrical Code (NEC) enthält bestimmte Anforderungen für die Stromversorgung von Elektrizitätswerken und separaten abgeleiteten Systemen. Ein separat abgeleitetes System bezieht Strom aus einer elektrischen Energiequelle oder einer Anlage, die nicht zum Elektrizitätswerk gehört. In dieser Kolumne werden bestimmte Aspekte erörtert, die sich ausschließlich auf die Erdung der von Elektrizitätswerken gelieferten Energie beziehen.

Begriffsdefinitionen

Artikel 100 des NEC enthält die Definition von Begriffen, die für die Anwendung des Codes von Bedeutung sind. Folgende Erdungsdefinitionen für elektrische Systeme sind Teil I des Artikels 100 entnommen:

  • Erdung: Die Erde.
  • Geerdet: Verbunden mit der Erde oder einem leitenden Körper, der die Erdverbindung verlängert.
  • Erdleiter: Leiter eines Systems oder Schaltkreises, der absichtlich geerdet wurde.
  • Geräte-Erdleiter: Leitende/r Pfad/e für die Verbindung normalerweise nicht spannungsführender Metallteile von Geräten miteinander und mit dem Erdleiter des Systems und/oder dem Anschluss des Erders. Es ist gemeinhin anerkannt, dass der Erdleiter der Geräte auch eine Anschlussfunktion erfüllt.
  • Erdungselektrode: Ein leitendes Objekt, über das eine Verbindung zur Erde aufgebaut wird.
  • Anschlüsse des Erders: Ein Leiter, der den Erdleiter des Systems oder das Gerät mit einer Erdungselektrode oder einem Punkt auf dem Erdungselektrodensystem verbindet.

Erdverbindungen

Beim Verkabelungssystem eines Geländes, das mit einer geerdeten Wechselstromversorgung ausgestattet ist, muss ein Anschluss des Erders mit dem Erdstromleiter verbunden sein. Die Verbindung muss an einem zugänglichen Punkt vom Lastende der Versorgungsleitung oder des Hausanschlusskanals zum Anschlusskasten oder zur Sammelschiene gelegt sein, mit der der geerdete Stromleiter mit dem Trennschalter verbunden ist. Versorgungsleitung bezeichnet einen oberirdischen, Hausanschlusskanal einen unterirdischen Leiter.

Wenn sich der stromliefernde Transformator außerhalb des Gebäudes befindet, muss mindestens eine zusätzliche Erdverbindung vom Erdstromleiter zum Erder hergestellt werden – entweder am Transformator oder an einer anderen Stelle außerhalb des Gebäudes. Bei doppelt gespeister Stromversorgung, die in einem gemeinsamen Gehäuse oder in einzelnen Gehäusen zusammengeführt wurde, ist eine einzelne Verbindung des Erders zum Abspannpunkt der geerdeten Leiter von jeder Stromquelle zulässig.

Da die Erdung eine absichtlich gelegte Verbindung von einem Schaltkreis oder Systemleiter zum Erder in der Erde beinhaltet, wird über die Geräteerdung das Gerätegehäuse bzw. der Schrank mit einem Erder verbunden. Der Schaltkreis oder Systemleiter bezieht sich meist auf den Neutralleiter. In Artikel 250.26 des NEC ist festgelegt, welcher Leiter bei Verkabelungssystemen von Wechselstromkonfigurationen geerdet werden muss.

SystemverkabelungskonfigurationZu erdender Leiter
Einphasig, 2-adrigEin Leiter
Einphasig, 3-adrigNeutralleiter
Gemessene V(Ampere)
Mehrphasensysteme mit einem Kabel für alle PhasenGemeinsamer Leiter
Mehrphasensysteme mit einer geerdeten PhaseEinphasenleiter
Mehrphasensysteme mit einer geerdeten Phase EinphasenleiterNeutralleiter

Freiliegende, nicht spannungsführende Metallteile fester Geräte, die zu Leitern oder Komponenten gehören oder diese umgeben, die wahrscheinlich stromführend werden, müssen mit einem Erdleiter für Geräte verbunden werden, wenn Anlagenteile:

  • Klemmen mit über 150 V zur Erde haben
  • Sich in nassen oder feuchten Bereichen befinden und nicht elektrisch isoliert sind
  • Oft berührt werden
  • Durch eine Verkabelungsmethode bereitgestellt werden, die einen Geräteerdleiter umfasst

Schutzerde

Verwenden Sie im privaten Bereich oder bei der Arbeit den berührungslosen Spannungsprüfer Fluke 2AC, um sicher zu bestimmen, ob der Leiter einer Wechselspannung Spannung führt.

Mit dem GEO Erdungsmessgerät Fluke 1625 können Sie eine 3- und 4-polige Spannungsabfallmessung, eine 4-polige Erdwiderstandsmessung, 2-polige Wechselstrom-Widerstandsmessung, 2- und 4-polige Gleichstrom-Widerstandsmessung, selektive Prüfungen und spießlose Prüfungen durchführen.

Durch ordnungsgemäße Erdung eines elektrischen Systems einer Einrichtung wird eine Verbindung mit niedriger Impedanz vom elektrischen System zur Erde sichergestellt. Die Effektivität der Schutzerde hängt jedoch von mehreren Faktoren ab. Der in die Erde eingeführte Erder soll hochleitend sein. Der tatsächliche Erdwiderstand hängt jedoch von der Länge und Tiefe des in die Erde eingeführten Erders, dem Durchmesser der Elektrode, der tatsächlichen Anzahl an Elektroden, dem Design des Erdsystems und dem tatsächlichen Widerstand bzw. der tatsächlichen Leitfähigkeit des Bodens ab.

Das Ausmaß, in dem der Boden Strom leitet, ist variabel und komplex zu bestimmen. Die Bodentiefe wirkt sich auf den Widerstand aus, der meist mit zunehmender Tiefe abnimmt. Durch eine tiefe Platzierung der Elektrode sowie durch die Verwendung mehrerer Elektroden kann die Erdimpedanz abnehmen. Weitere Faktoren, die sich auf den Bodenwiderstand auswirken, sind die Bodenzusammensetzung, der Mineraliengehalt, Absenkung und/oder Verdichtung, Temperatur (der Widerstand nimmt mit sinkender Temperatur zu) und das Vorhandensein (oder Fehlen) von im Boden vergrabenen Metallobjekten (z. B. Behälter oder Rohre).

Da die Erder Oxidation und Korrosion ausgesetzt sind und aufgrund des Schwankungspotenzials des Bodenwiderstands ist der Erder regelmäßig auf Funktionstauglichkeit zu testen. Erdungssysteme können mithilfe von Erdungsmessgeräten geprüft werden. Hierzu zählen die Modelle Fluke 1621, Fluke 1625 und Fluke 1623und Fluke 1630, die allesamt bei Fluke erhältlich sind. Erdungsmessgeräte dienen der Messung des Bodenwiderstands. Hierzu wird an die Elektrode eine Spannung angelegt und der daraus resultierende Strom gemessen. Fluke bietet umfassende Informationen zur Erdungsprüfung auf seiner Website an.

Schließen der Schleife

Ich habe über zwei Jahre Beiträge für diese Kolumne geschrieben. Dies wird jedoch meine letzter „Solid Ground“-Beitrag für Fluke sein, da ich mich neuen Herausforderungen stelle. Ich wurde von CFE Media LLC zum Herausgeber von Applied Automation, einer zweimonatlich erscheinenden Beilage zu den Zeitschriften Control Engineering und Plant Engineering ernannt. Ich übernehme diese Aufgabe ab der Ausgabe vom August 2012.

Wie bereits in meiner ersten Kolumne möchte ich mich auch an dieser Stelle ganz herzlich bei Fluke bedanken, mir die Möglichkeit zum Verfassen dieser Kolumne gegeben zu haben. Das Schreiben dieser Kolumne hat mir jedes Mal viel Freude bereitet. Das werde ich wirklich vermissen.

Aber auch in Zukunft werden Sie weiter auf „festem Boden“ stehen.