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Neuausgabe der DIN VDE 0100-540(VDE 0100-540): 2012-06

Erdungsanlagen, Schutz- und Schutzpotentialausgleichsleiter

Auf einen Blick Errichten von Niederspannungsanlagen Teil 5-54: Auswahl und Errichtung elektrischer Betriebsmittel – Erdungs­anlagen und Schutzleiter

Der Beitrag liefert einen Überblick zu den wesentlichen Inhalten der neuen Norm
Eine Erdungsanlage umfasst alle elektrischen Verbindungen oder Einrichtungen, die zum Erden einer Anlage, eines Betriebsmittels oder eines Netzes nötig sind. Erdungsanlagen dürfen für Schutz- und Funktionszwecke gemeinsam oder getrennt voneinander verwendet werden. Sinn einer Schutzerdung ist es, den Schutz von Mensch und Tier vor einem elektrischen Schlag sicherzustellen. Die Funktionserdung wird oftmals benötigt, um eine elektrische Anlage elektromagnetisch verträglich zu gestalten.

Ist in einer elektrischen Anlage eine Erde vorhanden, muss dieser durch einen Erdungsleiter mit der Haupterdungsschiene verbunden werden. In Deutschland sind alle neu errichteten Gebäude mit einem Fundamenterder nach DIN 18014 »Fundamenterder – Allgemeine Planungsgrundlagen« zu errichten.

Die gestellten Richtlinien an Erdungsanlagen dienen dazu, eine sichere Verbindung zur Erde herzustellen. Dadurch werden geeignete Schutzanforderungen der elektrischen Anlage zuverlässig aufgebaut. Sichere Verbindungen gewährleisten Erdfehler- und Schutzleiterströme zur Erde zu führen. Die Gefahr durch den elektrischen Schlag wird dadurch eingedämmt.

 

Basiselement Erder

Der Erder ist ein leitfähiges Teil, welches eine elektrische Verbindung einer Anlage zur Erde herstellt. Er wird im Erdreich oder als Fundamenterder in Beton eingebracht.

EI41_Tabelle
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Durch Frost oder Korrosion am Erder dürfen die Schutzmaßnahmen gegen den elektrischen Schlag nicht aufgehoben werden. Die Verlegetiefe richtet sich nach den örtlichen Gegebenheiten. Mögliche Schäden durch Frost oder Bodenaustrocknung sind durch eine entsprechende Einbautiefe zu vermeiden. Daher ist eine Mindestverlegetiefe bei erdfühlig verlegten Erdern von 0,5 m zu empfehlen.

Die Korrosionsbeständigkeit wird durch die entsprechende Materialart und -abmessungen gewährleistet. Das Material eines Erders kann aus einer Vielzahl von Werkstoffen und Abmessungen gemäß der Tabelle  ausgewählt werden. In der Praxis kommt häufig feuerverzinkter Flachstahl zur Verlegung in Beton zum Einsatz. Das Maß des Flacherders beträgt dabei im Querschnitt 75 mm² bei einer Mindestmaterialstärke von 3 mm. Für ein Blitzschutzsystem gelten für den Erder die Anforderungen der DIN EN 62305-3 (VDE 0185-305-3):2011-10. Hiernach ist ein Mindestquerschnitt von 90 mm² erforderlich. Die DIN 18014 fordert die Mindestabmessungen von 30 x 3,5 mm, entsprechend 100 mm².

Zur Vermeidung von Korrosion am Erder, ist bei der Auswahl des Materials auch die Verlegeumgebung zu betrachten. Der pH-Wert des Erdbodens, der spezifische Erdbodenwiderstand und die Feuchtigkeit des Bodens spielen dabei eine wichtige Rolle. Auch die chemische Belastung des Bodens und die Nähe zu anderen Mate­rialien sind Eigenschaften, die die Korrosion des Erders beschleunigen können. Daher ist bei der Auswahl eines Erders eine Betrachtung der genannten Eigenschaften von hoher Wichtigkeit. Insbesondere ist die Verlegung von feuerverzinkten Materialien im Erdreich kritisch zu prüfen. Bei Sickerstoffen wie sie in landwirtschaftlichen Betrieben vorkommen können, sollte aufgrund existierender Praxiserfahrungen auf korrosionsbeständige Materialien im Erdreich zurückgegriffen werden. Ebenso ist beim Zusammenschluss von im Beton und im Erdreich liegender Erder, nach DIN 18014 nur korrosionsbeständiger Edelstahl mit der Werkstoffnummer 1.4571 zu verwenden.

Die Wirksamkeit eines Erders ist demnach abhängig von den Bodenverhältnissen, in denen er verlegt wird. Außerdem ist der Aufbau des Erders wichtig. Für die Errichtung müssen entsprechend der Bodenverhältnisse ein oder mehrere Erder ausgewählt werden, um den entsprechenden Erdungswiderstandswert zu erhalten.

Folgende Beispiele sind für die Verwendung zugelassen:
  • Fundamenterder, in Beton verlegt nach DIN 18014
  • Fundamenterder, in Erde verlegt (Ring­erder) nach DIN 18014
  • Rundstäbe, Drähte, Bänder, Rohre oder Platten
  • Metallmäntel und andere Metallum­hüllungen von Kabeln
  • andere geeignete unterirdische Konstruktionsteile aus Metall (z. B. Rohre), entsprechend den örtlichen Auflagen oder Anforderungen
  • einbetonierter verschweißter Bewehrungsstahl in Erde (ausgenommen Spannbeton).
Die Verwendung von Gas- und Wasserrohren als Erder ist in Deutschland nicht zulässig.

Metallrohre für brennbare Medien dürfen nicht als Teil einer Erdungsanlage verwendet werden. Dennoch müssen Sie, nach der Forderung der DIN VDE 0100-410 (VDE 0100-410), in den Schutz­po­ten­tialausgleich eingebunden und an die Haupterdungsschiene angeschlossen werden.

Erderverbindungen sind durch Verpressen oder Verklemmen mittels zugelassener Verbindungsbauteile herzustellen. Wenn die Erdungsanlage für Blitzschutzsysteme verwendet wird, sind die Bauteile entsprechend der Blitzschutznormen auszuwählen. Alternativ können Verbindungsstellen geschweißt werden. Für Schweißarbeiten an Bewehrungsstählen ist die entsprechende Schweißfachkenntnis erforderlich.

Erdungsleiter als Verbindung

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Der Erdungsleiter verbindet die Haupterdungsschiene mit dem Erder. Dies kann in der Praxis z. B. die Anschlussfahne des Fundamenterders sein. Der Querschnitt des Leiters darf nicht kleiner als 6 mm² Kupfer oder 50 mm²  Stahl sein.

Der Erdungsleiter ist fest und zuverlässig an das Erdungssystem anzuschließen. Die Verbindung kann geschweißt, gepresst oder geklemmt ausgeführt sein. Im Erdreich liegende Anschlussstellen sind gegen Korrosion zu schützen. Hierfür kann eine Korrosionsschutzbinde verwendet werden. Die Anschlussstelle darf den Erder nicht beschädigen.

Der Erdungsleiter ist an den Übergangsstellen von Beton oder Erde zur Luft korrosionsgeschützt auszuführen. Ein feuerverzinkter Erdungsleiter darf nicht im Übergangsbereich ungeschützt eingebracht werden. Der Einsatz von kunstoffumhüllten Materialien oder Edelstahl hat sich in der Praxis bewährt. Im Bild 1 erkennt man im unteren Bereich des Erdungsleiters den Ansatz von Korrosion. Grund dafür ist die falsche Auswahl des Leitermaterials.

Haupterdungsschiene – Zentrum des Potentialausgleichs

Die Haupterdungsschiene verbindet alle Leiter eines in einem Gebäude geforderten Potentialausgleichs. Anzuschließen sind neben dem Erdungsleiter und den Schutzleitern der Stromversorgung auch alle Schutzpotentialausgleichsleiter. Gegebenenfalls sind auch Funktionserdungsleiter einzubinden. Dabei muss aber nicht jeder Schutzleiter zur Haupterdungsschiene geführt werden. Sie können in Verteilern aufgelegt werden und über eine Leitung mit dem entsprechenden Querschnitt zur Haupterdungsschiene verbunden sein.

Jede an der Erdungsschiene angeschlossene Leitung muss eine eigene Trennmöglichkeit haben. Der Anschlusskontakt darf nur mit einem Werkzeug gelöst werden können. Ein fester Sitz der Leitung am Kontakt ist zu gewährleisten. Sind in Gebäuden mehrere Erdungsschienen vorhanden, müssen alle untereinander verbunden werden.

Schutzleiter dient den Schutzmaßnahmen

Bild 2: Mit Werkzeug lösbare Schutzleiterklemme, metallene Rohre dürfen nicht als Schutzleiter verwendet werden
Bild 2: Mit Werkzeug lösbare Schutzleiterklemme, metallene Rohre dürfen nicht als Schutzleiter verwendet werden
Schutzleiter dienen dem Zweck gegen den elektrischen Schlag und damit der Sicherheit einer elektrischen Anlage. Der Leitungsquerschnitt muss den Bedingungen der automatischen Abschaltung entsprechen. Allen thermischen und mechanischen Beanspruchungen, die durch einen Fehlerstrom entstehen, hat der Schutzleiter bis zur automatischen Abschaltung der Schutzeinrichtung standzuhalten.

Als Schutzleiter dürfen grün-gelbe Leiter in mehradrigen Kabeln oder Leitungen zur Anwendung kommen. Metallene Kabelmäntel, Kabelschirme und konzentrische Leiter sind ebenfalls zulässig. Nicht als Schutzleiter dürfen Wasserleitungen aus Metall oder Metallrohre (Bild 2), die brennbare Stoffe führen, verwendet werden. Als Schutzleiter oder Potentialausgleichsleiter dürfen in der Regel bauliche Konstruktionsteile, flexible Metallteile, Tragseile oder Kabelwannen nicht zur Anwendung kommen.

Der Querschnitt eines einzeln verlegten Schutzleiters beträgt mindestens 2,5 mm² Kupfer oder 16 mm² Aluminium. Dieser Mindestquerschnitt ist nur dann zulässig, wenn die Leitung z. B. durch ein Rohr oder einem Kabelkanal mechanisch geschützt verlegt wird. Der Mindestquerschnitt bei einer ungeschützten Verlegung ist 4 mm² Kupfer oder 16 mm² Aluminium.

Elektrische Durchgängigkeit von Schutzleitern

Schutzleiter sind gegen Beschädigungen zu schützen. Jede Verbindung muss dauerhaft eine elektrische Durchgängigkeit und einen hinreichenden mechanischen Schutz bieten. Schrauben, bzw. Anschlüsse eines Schutzleiters dürfen nicht für andere Zwecke genutzt werden. Lötverbindungen sind für den Schutzleiter verboten. Schutzleiterverbindungen müssen für Prüfungen und Besichtigungen zugänglich sein. Ausnahmen bilden unter anderem vergossene oder gekapselte Verbindungen. Körper von elektrischen Betriebsmitteln dürfen nicht als Schutzleiter verwendet werden. Ausnahme bilden dabei Konstruktionen mit durchgehender elektrischer Verbindung. Als Beispiel soll hier das metallene Gehäuse einer Niederspannungsunterverteilung genannt werden. Der Schutzleiter darf nicht über Schaltgeräte geführt werden. Für Prüfzwecke dürfen Schutzleiter von den Anschlussklemmen mit Hilfe eines Werkzeugs gelöst werden.

PEN-Leiter beachten

Bild 3: Auftrennung eines PEN-Leiters
Bild 3: Auftrennung eines PEN-Leiters
Ein PEN-Leiter ist ein Leiter, der gleichzeitig die Funktion des Neutralleiters (N) und die Funktion des Schutzleiters (PE) erfüllt. Gekennzeichnet wird dieser Leiter durch eine durchgehende grün-gelbe Isolierung mit blauer Markierung an den Leiterenden.

Die Verwendung darf nur in fest installierten Anlagen erfolgen. Der Mindestquerschnitt des PEN-Leiters beträgt mindestens 10 mm² Kupfer oder 16 mm² Aluminium. Ist der PEN-Leiter in einer Anlage aufgetrennt, darf dieser an einer anderen Stelle nicht wieder zusammengefügt werden. Fortlaufend ist der PE- und N-Leiter dann getrennt zu führen. Bei Kabeln mit konzentrischen Leitern z. B. entsprechend der Bauart NYCWY, darf die Umhüllung nicht als PEN-Leiter genutzt werden. Der PEN-Leiter ist an die Schutzleiterklemme anzuschließen und mit der Neutralleiterklemme zu verbinden (Bild 3).

Kombinierte Schutz- und Funktionserdungsleiter

Alle Schutz- und Funktionserdungsleiter einer Anlage sind an die Haupterdungsschiene eines Gebäudes anzuschließen. Alle in einem Gebäude befindlichen Erdungsleiter sind ebenfalls miteinander zu verbinden. Schutz- und Funktionserdungsleiter müssen den Anforderungen eines Schutzleiters erfüllen.

Ströme in Schutzleitern

Um die Sicherheit einer elektrischen An­lage zu gewährleisten, dürfen die Ströme eines Schutzleiters nicht größer als 10 mA sein. Beträgt ein Schutzleiterstrom unter normalen Betriebsbedingungen mehr als 10 mA, ist ein verstärkter Schutzleiter zu verwenden.

Für fest angeschlossene Verbraucher mit einem höheren Schutzleiterstrom ist für einen verstärkten Schutzleiteranschluss Folgendes zu beachten:
  • Wenn das elektrische Verbrauchsmittel über nur eine einzige Schutzleiteranschlussklemme verfügt, muss der angeschlossene Schutzleiter einen Querschnitt von mindestens 10 mm² Cu oder 16 mm² Al in seinem gesamten Verlauf aufweisen.
  • Verfügt das elektrische Verbrauchsmittel über eine zweite Anschlussklemme für einen Schutzleiter, ist ein weiterer Schutzleiter mit mindestens dem gleichen Querschnitt wie er zum Fehlerschutz gefordert wird zu verlegen. Der zweite Schutzleiter ist bis zu einem Anschlusspunkt mit einem Mindestschutzleiterquerschnitt von 10 mm² Cu zu ­führen.

Schutzpotentialausgleichsleiter zu fremden leitfähigen Teilen

Bild 4: Schematische Darstellung der Schutzerdung, des Schutzpotentialausgleichs,  der Erdungsanlage und des Blitzschutzes
Bild 4: Schematische Darstellung der Schutzerdung, des Schutzpotentialausgleichs, der Erdungsanlage und des Blitzschutzes
Der Schutzpotentialausgleichsleiter verbindet alle in einem Gebäude befind­lichen fremden leitfähigen Teile. Dazu gehören unter anderem Wasser-, Heizungs- und Gasleitungen. Diese leitfähigen Teile sind durch den Schutzpotentialausgleichsleiter an die Haupterdungsschiene angeschlossen.

Der Leitungsquerschnitt des Schutzpotentialausgleichsleiters für die Verbindung zur Haupterdungsschiene muss mindestens 6 mm²  Kupfer oder 16 mm²  Aluminium oder 50 mm²  Stahl betragen. Der maximale Kupferquerschnitt von Schutzpotentialausgleichsleitern für die Verbindung mit der Haupterdungsschiene beträgt 25 mm². Im Bild 4 ist das Gesamtkonzept der in der DIN VDE 0100-540 beschriebenen Maßnahmen beispielhaft für ein Wohngebäude mit einem Blitzschutzsystem dargestellt.

 
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Über den Autor
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Dirk Maske

BFE Oldenburg

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