Welche Vorteile bietet die Verwendung eines gemeinsamen Erdungssystems in der Stromverteilung und welche Vorsichtsmaßnahmen sind zu beachten

Was ist Gemeinsame Erdung?

Gemeinsame Erdung bezieht sich auf die Praxis, bei der die funktionale (Arbeits-)Erdung eines Systems, die Schutzeinrichtungsearthing und die Blitzschutzearthing ein gemeinsames Erdungselektrodensystem teilen. Alternativ kann es bedeuten, dass Erdungsleiter von mehreren elektrischen Geräten miteinander verbunden und an ein oder mehrere gemeinsame Erdungselektroden angeschlossen werden.

1. Vorteile der Gemeinsamen Erdung

• Einfacheres System mit weniger Erdungsleitern, was Wartung und Inspektion erleichtert.

• Der äquivalente Erdungswiderstand mehrerer parallel geschalteter Erdungselektroden ist geringer als der Gesamtwiderstand separater, unabhängiger Erdungssysteme. Wenn das Bauwerkseisen oder das Bewehrungsstahl des Gebäudes als gemeinsames Erdungselektrode verwendet wird—aufgrund seines inhärent niedrigen Widerstands—werden die Vorteile der gemeinsamen Erdung noch deutlicher.

• Erhöhte Zuverlässigkeit: Wenn ein Erdungselektrode ausfällt, können andere kompensieren.

• Verringerte Anzahl von Erdungselektroden, was Installation- und Materialkosten senkt.

• Im Falle eines Isolierfehlers, der zu einer Phasen-chassis-Kurzschluß führt, fließt ein größerer Fehlerstrom, wodurch Schutzeinrichtungen schnell wirken. Dies reduziert auch die Berührungsspannung, wenn Personen defekte Ausrüstung berühren.

• Minderung von Gefahren durch Blitzaufspänungen.

Theoretisch sollte zur Vermeidung von Blitzaufspännungen der Blitzschutzeingang in sicherer Entfernung von Gebäudeteilen, elektrischer Ausrüstung und deren Erdungssystemen gehalten werden. In der realen Ingenieurpraxis ist dies jedoch oft nicht praktikabel. Gebäude haben in der Regel zahlreiche eingehende Versorgungsleitungen (Strom, Daten, Wasser usw.), die über weite Flächen verteilt sind. Besonders, wenn Stahlbewehrungen als versteckte Blitzschutzleiter verwendet werden, ist es praktisch unmöglich, das Blitzschutzsystem elektrisch von Gebäuderohrleitungen, Gehäusen von Einrichtungen oder Stromsystem-Erdungen zu isolieren.

In solchen Fällen wird empfohlen, eine gemeinsame Erdung zu verwenden—indem der Transformatorneutralpunkt, alle funktionalen und schützenden Erdungen der elektrischen Ausrüstung und das Blitzschutzsystem an das gleiche Erdungselektrodennetz angeschlossen werden. Zum Beispiel in Hochhäusern, wo die elektrische Erdung mit dem Blitzschutzsystem integriert wird, bildet das interne Stahlskelett des Gebäudes effektiv einen Faradaykäfig. Alle internen elektrischen Einrichtungen und Leiter, die an diesen Käfig angeschlossen sind, sind dadurch vor blitzinduzierten Potentialdifferenzen und Rückflächen geschützt.

Daher ist, wenn das metallische Bauwerksgerüst für die Erdung genutzt wird, die gemeinsame Erdung für mehrere Systeme nicht nur machbar, sondern auch vorteilhaft, vorausgesetzt, der gesamte Erdungswiderstand bleibt unter 1 Ω.

2. Wichtige Überlegungen zur Gemeinsamen Erdung

Natur der Erdströme:
Das Risiko, das mit der Erhöhung des Erdpotentials (GPR) verbunden ist, hängt von der Größe, Dauer und Frequenz der Erdströme ab. Zum Beispiel können Blitzeableiter oder -stäbe während eines Blitzschlags sehr hohe Ströme tragen, aber diese Ereignisse sind kurz und selten—so stellt die resultierende GPR ein begrenztes Risiko dar.

Allerdings muss der gemeinsame Erdungswiderstand den strengsten Anforderungen aller verbundenen Systeme entsprechen, idealerweise ≤1 Ω.

In Niederspannungsverteilungssystemen mit fest erdeter Neutralleitung kann das gemeinsame Erdungselektrode kontinuierliche Leckströme von allen angeschlossenen Lasten tragen, was zirkulierende Erdströme bildet. Wenn der Erdungswiderstand über sichere Grenzen hinaus ansteigt, kann dies sowohl Ausrüstung als auch Personal gefährden.

Darüber hinaus, mit der weit verbreiteten Nutzung von Computern und empfindlichen elektronischen Geräten, ist oft eine Filtererdung erforderlich. Große EMV/RFI-Filter zwischen Leitung und Erdung führen zu signifikanten kapazitiven Leckströmen zur Erde, die ebenfalls zum gesamten Erdstrom beitragen.

Auswirkungen der Erhöhung des Erdpotentials auf angeschlossene Ausrüstung:
Als Beispiel betrachten wir eine kompakte Innentransformationsstation. Traditionell waren der Transformatorneutralpunkt, das Metallgehäuse und der Chassis der Lastausrüstung an eine gemeinsame Erdung angeschlossen. Gleichzeitig wurden Blitzeableiter oft separat geerdet, um gefährliche Potentiale bei Entladungen zu vermeiden.

Wenn jedoch ein Lastgerät einen Isolierfehler entwickelt und Leckströme erzeugt, fließt der gesamte Fehlerstrom durch das gemeinsame Erdungselektrode, was das lokale Erdpotential erhöht und somit die Gehäusespannung der Schaltanlage. Wenn Wartungspersonal unter diesen Bedingungen den Schrank öffnet, besteht das Risiko eines elektrischen Schlags. Solche Vorfälle sind wiederholt aufgetreten.

Daher wird in moderner Praxis oft die funktionale Erdung (z.B. Transformatorneutralpunkt) von schützender und blitzschutz-Erdung in Innentransformationsstationen getrennt—obwohl dies die Installationskomplexität erhöht.

3. Relevante Normen und Vorschriften (China)

• Laut aktuellen chinesischen Elektrizitätsindustrie-Normen:

• Für Klasse B-Elektrikinstallationen, wenn der versorgende Verteilungstransformator nicht in einem Gebäude mit Klasse B-Ausrüstung installiert ist, und seine Hochspannungsseite in einem ungedachten, Petersen-Spule (Bogenlöschspule)-geerdeten oder hochohmig geerdeten System betrieben wird, dann kann die Arbeitserde des Niederspannungssystems das gleiche Erdungselektrode wie der Schutzerde des Transformators teilen, vorausgesetzt, der Erdungswiderstand erfüllt R ≤ 50/I (Ω) und R ≤ 4 Ω.

• Für Klasse A-Elektrikinstallationen, die in effektiv geerdeten Systemen betrieben werden, muss die Arbeitserde des Transformators außerhalb des Schutzeardingitters liegen—d.h., gemeinsame Erdung ist nicht erlaubt.

• Wenn der Verteilungstransformator innerhalb eines Gebäudes mit Klasse B-Elektrikinstallationen installiert ist und seine Hochspannungsseite eine niederohmige Erdung verwendet, dann kann die Niederspannungsarbeitserde die Schutzearde teilen, wenn:

• Der Erdungswiderstand R ≤ 2000/I (Ω) erfüllt, und

• Das Gebäude ein Hauptgleichpotentialbündelungssystem (MEB) implementiert.

• Zusätzlich ist für Systeme über 1 kV, die als große Erdungskurzschlussstromsysteme klassifiziert sind, gemeinsame Erdung zulässig, wenn eine schnelle Fehlerabschaltung gewährleistet ist, aber der Erdungswiderstand muss < 1 Ω sein.

• Die Schutzeardung von Verteilungstransformatoren in Klasse A-Installationen kann das gleiche Erdungselektrode wie die zugehörige Blitzschutzeardung teilen.

4. Schlussfolgerung

Praktische Erfahrungen zeigen, dass in öffentlichen Niederspannungsverteilungssystemen, wo eine vollständige Trennung der Erdungssysteme oft nicht erreichbar ist, die gemeinsame Erdung—die Arbeitserdung, Schutzeardung und Blitzschutzeardung kombiniert—sicherer, wirtschaftlicher, einfacher zu installieren und leichter zu warten ist.

Um potenzielle Risiken der gemeinsamen Erdung zu minimieren, sollten Ingenieure:

• Das Bauwerkseisen des Gebäudes als natürliche Erdungselektrode vollständig nutzen,

• Den gesamten Erdungswiderstand unter 1 Ω halten, und

• Eine umfassende Gleichpotentialbündelung im gesamten Gebäude durchführen.

Diese Maßnahmen minimieren effektiv Gefahren und gewährleisten eine sichere und zuverlässige Betriebsführung moderner elektrischer Installationen.