Verfahren der Erdung

Erdungsverfahren und Erdungsmatten

In elektrischen Systemen gibt es mehrere Erdungsverfahren, darunter Draht- oder Streifenerdung, Stabeerdung, Rohreerdung, Platten-Erdung und Erdung über Wasserleitungen. Unter diesen sind Rohreerdung und Platten-Erdung am häufigsten verwendet und werden im Folgenden detailliert erläutert.

Erdungsmatte

Eine Erdungsmatte wird durch die Verbindung mehrerer Stäbe mit Kupferleitern gebildet. Diese Konfiguration reduziert effektiv den Gesamterdungswiderstand und spielt eine entscheidende Rolle bei der Begrenzung des Bodenpotentials. Sie ist besonders geeignet für Bereiche, in denen große Fehlerströme erwartet werden. Bei der Planung einer Erdungsmatte müssen mehrere kritische Faktoren sorgfältig berücksichtigt werden:

Sicherheitsüberlegungen

Bei einem Fehlerzustand muss die Spannungsdifferenz zwischen dem Boden und der Bodenoberfläche auf einem Niveau gehalten werden, das keine Gefahr für Personen darstellt, die möglicherweise mit den nicht stromführenden leitfähigen Oberflächen des elektrischen Systems in Kontakt kommen. Dies gewährleistet die Sicherheit des Personals, das in der Nähe der elektrischen Anlage arbeitet.

Funktion der Schutzrelais

Die Erdungsmatte sollte in der Lage sein, ununterbrochene Fehlerströme zu bewältigen, die groß genug sind, um das Schutzrelais auszulösen. Ein niedriger Bodenwiderstand ist entscheidend, um den Fehlerstrom frei durch die Matte fließen zu lassen, sodass das Schutzrelais schnell reagieren und den defekten Teil des elektrischen Systems isolieren kann.

Verhinderung tödlicher Ströme

Der Widerstand der Erdungsmatte muss sorgfältig so konzipiert sein, dass tödliche Ströme durch den Körper eines Menschen bei versehentlichem Kontakt mit lebenden Teilen verhindert werden. Dies ist eine grundlegende Sicherheitsanforderung zum Schutz des menschlichen Lebens.

Begrenzung des Schrittspannung

Das Design der Erdungsmatte sollte sicherstellen, dass die Schrittspannung - die Spannungsdifferenz zwischen zwei Punkten auf der Bodenoberfläche in einem bestimmten Abstand - unter dem zulässigen Wert bleibt. Dieser zulässige Wert hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie der Leitfähigkeit des Bodens und den Fehlerbedingungen, die notwendig sind, um die defekte Ausrüstung vom lebenden elektrischen System zu isolieren. Durch das Halten der Schrittspannung innerhalb sicherer Grenzen wird das Risiko eines elektrischen Schocks für Personen, die in der Nähe der geerdeten Anlage laufen, minimiert.

Erdungselektroden
Als Erdungselektrode bezeichnet man jedes Kabel, Stab, Rohr, Blech oder ein Bündel von Leitern, das waagrecht oder senkrecht in den Boden eingesetzt wird. In elektrischen Verteilungssystemen ist eine gängige Form der Erdungselektrode ein Stab, der typischerweise etwa 1 Meter lang ist und senkrecht in den Boden getrieben wird. Dieses einfache, aber effektive Design hilft, eine zuverlässige Verbindung zwischen dem elektrischen System und dem Boden herzustellen, was die sichere Ableitung von Fehlerströmen ermöglicht.

Im Gegensatz dazu wird in Umspannwerken oft anstelle einzelner Stäbe eine Erdungsmatte verwendet. Eine Erdungsmatte besteht aus mehreren miteinander verbundenen Leitern, die ein Netzwerk bilden. Dieser Ansatz bietet gegenüber der Verwendung einzelner Elektroden mehrere Vorteile. Die größere Oberfläche und die vernetzte Natur der Erdungsmatte bieten einen geringeren Gesamtwiderstand, was es ihr ermöglicht, höhere Fehlerströme effektiver zu bewältigen. Darüber hinaus hilft sie, das elektrische Potential gleichmäßiger über den Bereich des Umspannwerks zu verteilen, wodurch das Risiko gefährlicher Schritt- und Berührungsspannungen, die eine Bedrohung für Personal und Ausrüstung darstellen könnten, reduziert wird.

Rohreerdung
Unter den verschiedenen Erdungsverfahren, die unter gleichen Boden- und Feuchtigkeitsbedingungen anwendbar sind, steht die Rohreerdung als eines der am häufigsten und höchst effektiven Systeme heraus. Bei diesem Verfahren wird ein perforiertes, galvanisiertes Stahlrohr, das den genehmigten Spezifikationen hinsichtlich Länge und Durchmesser entspricht, senkrecht in einen Boden installiert, der dauerhaft feucht bleibt, wie in der beiliegenden Abbildung dargestellt.

Die Auswahl der Größe des Rohrs ist eine entscheidende Überlegung, da sie von zwei Hauptfaktoren abhängt: der Größe des Stroms, den das Erdungssystem leiten muss, und den Eigenschaften des Bodens. Ein Rohr mit größerem Durchmesser oder eine längeres Rohr kann erforderlich sein, um höhere Fehlerströme zu bewältigen und sicherzustellen, dass der elektrische Ladung sicher und effizient in den Boden abgeleitet werden kann. Zudem haben verschiedene Bodentypen unterschiedliche elektrische Widerstände; beispielsweise kann ein Boden mit höherem Widerstand ein größeres Rohr erfordern, um eine gewünschte niedrigwiderständige Verbindung mit dem Boden herzustellen. Dieser sorgfältige Größenprozess garantiert die Zuverlässigkeit und Sicherheit des Rohreerdungssystems, wodurch es zu einer bevorzugten Wahl für eine Vielzahl von elektrischen Installationen wird.

Für die Rohreerdung legt die Standardpraxis spezifische Maße für das Erdungsrohr fest, die je nach Bodenbedingungen variieren. Typischerweise wird in normalen Böden ein Rohr mit einem Durchmesser von 40 mm und einer Länge von 2,5 Metern verwendet. In trockenen und felsigen Böden ist jedoch ein längeres Rohr notwendig, um eine effektive Verbindung zum Boden herzustellen. Die Tiefe, in der das Rohr vergraben wird, hängt direkt mit dem Feuchtigkeitsgehalt des Bodens zusammen, da eine feuchtere Umgebung eine bessere elektrische Leitfähigkeit fördert.

In einer typischen Installation wird das Rohr in einer Tiefe von 3,75 Metern positioniert. Um seine Leistung zu verbessern, wird die Unterseite des Rohrs von kleinen Stückchen Koks oder Holzkohle umgeben, die etwa 15 cm entfernt platziert sind. Wechselnde Schichten aus Koks und Salz werden verwendet, die jeweils unterschiedliche Zwecke erfüllen. Der Koks erhöht die effektive Kontaktfläche mit dem Boden, während das Salz den Erdwiderstand reduziert, wodurch die Effizienz des Erdungssystems insgesamt optimiert wird.
Ein zusätzliches Rohr mit einem Durchmesser von 19 mm und einer Mindestlänge von 1,25 Metern wird über einen Reduzierkonus an der Spitze des galvanisierten Eisens (GE) angebracht. Dieses sekundäre Rohr spielt eine wichtige Rolle für die Funktionsfähigkeit des Systems, insbesondere bei widrigen Wetterbedingungen.

Während der Sommermonate nimmt der Feuchtigkeitsgehalt im Boden natürlicherweise ab, was zu einer Erhöhung des Erdwiderstands führt. Um dies zu kompensieren, wird eine Zementbetonstruktur errichtet, um eine konstante Wasserversorgung sicherzustellen. Um eine effektive Erdverbindung aufrechtzuerhalten, werden 3 bis 4 Eimer Wasser durch einen Trichter, der an das 19-mm-Rohr angeschlossen ist, das wiederum an das Haupt-GE-Rohr angeschlossen ist, gegossen. Das Erdkabel, das entweder aus GE-Drähten oder GE-Streifen mit ausreichendem Querschnitt zur sicheren Leitung von Fehlerströmen besteht, wird durch ein 12-mm-GE-Rohr geleitet, das etwa 60 cm unter der Bodenoberfläche vergraben ist.
Platten-Erdung
Die Platten-Erdung beinhaltet das Vergraben einer Erdplatte im Boden. Die Platte kann aus Kupfer mit Abmessungen von 60 cm × 60 cm × 3 mm oder aus verzinktem Eisen mit Abmessungen von 60 cm × 60 cm × 6 mm bestehen. Die Platte wird senkrecht positioniert, wobei ihre obere Seite mindestens 3 Meter unter der Bodenoberfläche liegt. Diese Tiefe ist entscheidend für eine zuverlässige elektrische Erdung, da sie es der Platte ermöglicht, ausreichenden Kontakt mit dem Boden herzustellen und die sichere Ableitung von elektrischen Strömen bei einem Fehler zu gewährleisten.

Platten-Erdung
Bei der Implementierung der Platten-Erdung wird die Erdplatte in Hilfsschichten aus Koks und Salz eingebettet, wobei diese Schichten eine Mindeststärke von 15 cm aufweisen. Diese Kombination hilft, den Bodenwiderstand um die Platte herum zu reduzieren und die Effektivität des Erdungssystems zu verbessern. Ein Erdkabel aus verzinktem Eisen (GE) oder Kupfer wird dann mit Muttern und Bolzen fest an die Erdplatte befestigt. Obwohl Kupfer eine bessere elektrische Leitfähigkeit aufweist, werden Kupferplatten und -kabel aufgrund ihres deutlich höheren Kostenfaktors im Vergleich zu GE-Alternativen nicht häufig für Erdungen verwendet. Diese Kosteneffizienz macht GE-Materialien zu der bevorzugten Wahl für die meisten praktischen Erdungsanwendungen.
Erdung über Wasserleitungen
Die Erdung über Wasserleitungen ist eine weitere Methode, um eine elektrische Verbindung zum Boden herzustellen. Bei diesem Verfahren wird ein GE- oder Kupferkabel an die Wasserleitungen angeschlossen. Die Verbindung wird mit Stahlbindedraht gesichert, der an einen Kupferanschluss angebracht wird. Diese Methode nutzt das umfangreiche Metallnetzwerk der Wasserleitungen, die in der Regel gut mit dem Boden in Kontakt stehen, um einen niedrigwiderständigen Pfad für elektrischen Strom bei einem Fehler zu bieten. Allerdings muss diese Erdungsmethode den relevanten Sicherheitsvorschriften und Installationsnormen entsprechen, um sowohl elektrische Sicherheit als auch die Integrität des Wasserversorgungssystems zu gewährleisten.

Wasserleitungen sind in der Regel aus Metall gefertigt und unter der Bodenoberfläche verlegt, was eine direkte Verbindung zum Boden herstellt. Bei einem Fehler fließt der Strom, der durch das GE- oder Kupferkabel für die Erdung geleitet wird, direkt über die Wasserleitung in den Boden. Dies bietet einen bequemen und oft effektiven Weg, um Fehlerströme abzuleiten, indem das umfangreiche unterirdische Netzwerk der Wasserleitung und dessen inhärente Leitfähigkeit als Metallstruktur genutzt wird.