Warum ist die Querschnittsgröße des Erdkabels kleiner als die des Phasenleiters

Grundlegende Überlegungen zur Auslegung von Erdungsleitern

Die Größe einer Erdungsleitung muss nicht unbedingt der des Leiterstroms (Phasen- oder Heißleiter) entsprechen. Ihre Abmessungen müssen jedoch strikt den Vorschriften in elektrischen Normen, wie dem National Electrical Code (NEC) in den USA, folgen. Mehrere wesentliche Faktoren beeinflussen die angemessene Auslegung von Erdungsleitungen:

Obwohl dies nicht häufig vorkommt, kann in Situationen mit langen Leitungsläufen oder Schaltkreisen, bei denen die Minimierung des Impedanzwerts entscheidend ist, die Erdungsleitung vergrößert werden müssen. Dies liegt daran, dass eine längere Erdungsleitung einen erheblichen Spannungsabfall erfahren kann, was wiederum den Widerstand des Erdungsweges erhöht. Um dieses Problem zu mildern und die Sicherheit und Zuverlässigkeit des elektrischen Systems zu gewährleisten, kann die Erdungsleitung auf die Größe des Phasenleiters ausgerichtet werden.

In speziellen elektrischen Installationen können Ingenieure als zusätzliche Sicherheitsmaßnahme die Erdungsleitung in der gleichen Größe wie den Phasenleiter auslegen. Diese Praxis ist besonders in kritischen Systemen verbreitet, bei denen elektrische Ausfälle schwerwiegende Folgen haben könnten, oder in Gebieten, wo lokale elektrische Vorschriften strengere Anforderungen stellen. Durch die Verwendung einer größeren Erdungsleitung kann das System Störströme besser bewältigen, wodurch das Risiko von elektrischem Schlag und Geräteschäden reduziert wird.

Verständnis der Auslegung von Erdungsleitungen in elektrischen Schaltkreisen

Wenn die Erdungsleitung kleiner ist als der Leiterstrom

In vielen elektrischen Schaltkreisen ist die Erdungsleitung (oder Erdleitung) im Vergleich zu den Phasen- (Heiß-) und Neutralleitern typischerweise dünner. Diese Designentscheidung basiert auf mehreren wesentlichen Faktoren:

Funktion der einzelnen Leitertypen

• Phasenleiter: Dieser Leiter trägt den vollständigen Laststrom während des normalen Betriebs des Schaltkreises. Er versorgt angeschlossene Geräte und Elektrogeräte mit elektrischer Energie.

• Neutralleiter: Er dient als Rückführweg für den Strom und führt den gleichen Strom wie der Phasenleiter zurück zur Energiequelle.

Erdungsleitung: Ihre Hauptfunktion besteht darin, einen sicheren Weg für Störströme, wie die bei Kurzschlüssen oder elektrischen Leckagen entstehenden, bereitzustellen. Indem sie diese abnormalen Ströme ableitet, schützt sie Geräte und schützt das Personal vor elektrischem Schlag. Wesentlich ist, dass die Erdungsleitung nicht in den normalen Stromkreis integriert ist.

Anforderungen an den Stromtragfähigkeit

Da die Erdungsleitung nur bei Störzuständen Strom leitet, muss sie keine kontinuierlichen Lastströme wie der Phasenleiter tragen. Störströme fließen in der Regel nur sehr kurz, meist bis ein Überstromschutzgerät, wie ein Kipporschalter oder eine Sicherung, den Schaltkreis unterbricht. Daher kann die Erdungsleitung so dimensioniert sein, dass sie diese kurzen Stoßströme ohne Überhitzung aushalten kann. Ihr Design ermöglicht es, Störströme gerade lange genug zu leiten, bis Schutzeinrichtungen den Schaltkreis trennen, und die kurze Störzeit minimiert das Risiko eines erheblichen Wärmeaufbaus. Dies ermöglicht die Verwendung eines dünnwandigeren Drahtes, was Kosten und Materialverbrauch reduziert, während immer noch wesentliche Sicherheits- und Leistungsstandards eingehalten werden. Eine Überdimensionierung der Erdungsleitung würde unnötige Kosten verursachen, ohne substantielle zusätzliche Sicherheitsvorteile zu bieten.

Überlegungen zum Spannungsabfall

Der Spannungsabfall ist bei der Auslegung von Erdungsleitungen kein großes Problem, da sie keinen kontinuierlichen Strom tragen. Darüber hinaus sind Erdungsleitungen oft in relativ kurzer Länge installiert. Diese kurze Länge ermöglicht es, Störströme schnell zur Erde zu leiten, wodurch der Kipporschalter auslösen kann, ohne dass der Draht überhitzt. Daher kann eine dünner ausgelegte Erdungsleitung verwendet werden, ohne die Leistung des Schaltkreises zu beeinträchtigen.

Normbasierte Auslegungsstandards

National Electrical Code (NEC): Der NEC bietet in Tabelle 250.122 detaillierte Richtlinien, die die Mindestgröße des Geräteerdungsleiters (EGC) festlegen. Diese Anforderungen basieren auf der Nennweite des Überstromschutzgeräts, wie einem Kipporschalter oder einer Sicherung, die den Schaltkreis schützt.

Internationale Elektrotechnische Kommission (IEC): Ähnlich wie der NEC definieren IEC-Normen die Mindestgröße von Erdungsleitern. Allerdings berücksichtigen IEC-Richtlinien in der Regel Faktoren wie die Größe der Phasenleiter und den maximal erwarteten Störstrom. Diese Vorschriften stellen sicher, dass Erdungsleitungen angemessen dimensioniert sind - weder zu klein, was zu Fehlfunktionen bei Störzuständen führen könnte, noch übermäßig groß, was Verschwendung bedeuten würde.

Praktische Beispiele

• Für einen Schaltkreis, der durch einen 15-Amp-Kipporschalter geschützt wird, ist der Heißleiter in der Regel #12 AWG, und die Erdungsleitung muss mindestens #14 AWG Kupfer sein.

• Bei einem 20-Amp-Kipporschalter ist der Heißleiter 10 AWG, und die Erdungsleitung sollte mindestens #12 AWG Kupfer sein.

• Im Fall eines 50-Amp-Kipporschalters ist der Heißleiter #6 AWG, und die Mindestgröße für die Erdungsleitung beträgt 10 AWG Kupfer.

• Für einen 100-Amp-Kipporschalter und -verteiler, bei dem das Verbindungskabel #4 AWG ist, muss die Erdungsleitung mindestens #8 AWG Kupfer sein.

• Für einen 200-Amp-Dienst, bei dem die Heißleiter mindestens #3/0 AWG sind, sollte die Erdungsleitung #4 AWG sein.

• Schaltkreise mit sehr großen Kipporschaltern, wie z.B. solche mit einer Nennweite von 600 Amp, erfordern Erdungsleitungen, die entsprechend dimensioniert sind, um potenzielle Störströme zu bewältigen.

Während die Erdungsleitung in den meisten Fällen kleiner als der Phasenleiter ist, gibt es Ausnahmen.

Wenn die Erdungsleitung die Größe des Leiterstroms hat

Es gibt bestimmte Szenarien, in denen die Erdungsleitung die gleiche Größe wie der Leiterstrom haben muss:

Bindungsleiter

Wenn Erdungsleitungen für Bindungszwecke verwendet werden, wie die Verbindung der metallenen Teile von elektrischen Geräten mit dem Erdungssystem, müssen sie möglicherweise die gleiche Größe wie der Leiterstrom haben. Dies stellt sicher, dass sie Störströme effektiv leiten und die Integrität der Bindungsverbindung aufrechterhalten, um zuverlässigen Schutz vor elektrischen Gefahren zu bieten.

Große Leiterquerschnitte

Für Schaltkreise, die große Leiterquerschnitte (z.B. 3/0 AWG oder größer) verwenden, fordert der NEC proportionell größere Erdungsleitungen. Dies soll sicherstellen, dass das Erdungssystem die hohen Störströme von Großleistungsschaltkreisen bewältigen und die Sicherheit der elektrischen Installation aufrechterhalten kann.

Spezielle Geräteanwendungen

Bestimmte Arten von empfindlichen oder hochkapazitären Geräten, wie Photovoltaik-Installationen, erfordern möglicherweise Erdungsleitungen, die die Größe der Phasenleiter haben. Diese Auslegung ist notwendig, um den effizienten Fluss von Störströmen zu gewährleisten und den Impedanzwert zu minimieren, wodurch die Gesamtsicherheit und -leistung des Geräts und des elektrischen Systems verbessert wird.

Die Auswirkungen einer falschen Auslegung der Erdungsleitung

Die Erdungsleitung in einem elektrischen System entspricht nicht immer der Größe des Heiß- oder Neutralleiters; sie kann etwas größer oder kleiner sein. Bei der Verwendung einer größeren Erdungsleitung, obwohl dies für das elektrische System keine Risiken birgt, gehen damit höhere Kosten infolge des zusätzlichen Materials einher. In Situationen, in denen zusätzliche Länge erforderlich ist, kann eine Verbindungsdose verwendet werden, um den Draht ohne Beeinträchtigung der Integrität des Erdungssystems zu verlängern.

Tatsächlich bietet eine größere Erdungsleitung mehrere Vorteile und kann in bestimmten Szenarien besonders nützlich sein. Mit ihrem geringeren Widerstand reduzieren größere Drähte effektiv den Spannungsabfall und gewährleisten eine stabilere elektrische Verbindung. Dies wird insbesondere in Systemen, die eine höhere Stromtragfähigkeit erfordern, besonders wichtig. Durch die Minimierung des Spannungsverlusts hilft eine größere Erdungsleitung, die konstante elektrische Leistung aufrechtzuerhalten und die Zuverlässigkeit und Sicherheit des Gesamtsystems zu verbessern.

Umgekehrt kann die Verwendung einer zu kleinen Erdungsleitung zu ernsthaften Problemen führen. Kleinere Drähte haben einen höheren elektrischen Widerstand, der die korrekte Funktion des magnetischen Auslösemechanismus eines Kipporschalters stören kann. Dies bedeutet, dass der Kipporschalter möglicherweise nicht so schnell auslösen kann, wie es bei einem Störzustand erforderlich wäre, was gefährliche Strommengen durch das System fließen lässt. Darüber hinaus können kleinere Erdungsleitungen möglicherweise keine übermäßigen Störströme bewältigen, was zu Überhitzung führen kann. In Extremfällen kann diese Überhitzung dazu führen, dass der Draht schmilzt, was ein erhebliches Brandrisiko darstellt und sowohl Eigentum als auch Leben gefährdet.

Um die Sicherheit und optimale Leistung eines elektrischen Systems zu gewährleisten, ist es entscheidend, eine Erdungsleitung der richtigen Größe zu verwenden. So wird beispielsweise in einem Standard-100-Amp-Dienst mit einer 150-Fuß-Länge in der Regel eine 8-AWG-Erdungsleitung empfohlen. Das Einhalten dieser Auslegungsrichtlinien schützt vor elektrischen Gefahren und sorgt dafür, dass das Erdungssystem effektiv funktioniert und zuverlässigen Schutz bei einem Störzustand bietet.