Bahnerde

Die Erdung ist eine elektrisch leitfähige Verbindung mit dem Erdboden. Sie besteht aus Erdern, Anschlussleitungen und entsprechenden Klemmen. Die Erdung ist eine Form der Massung. Durch eine Massung wird eine leitfähige Verbindung mit der leitfähigen Umgebung hergestellt. Wenn diese Umgebung den Erdboden umfasst oder mit ihm leitfähig verbunden ist, liegt eine Erdung vor.

Symbol
für die Erdung

Inhaltsverzeichnis

Grundlagen

Wie die Massung hat die Erdung häufig zum Ziel, ein definiertes Bezugspotential oder einen Potentialausgleich herzustellen, durch den eine möglicherweise auftretende Spannung kurzgeschlossen werden soll. Da die Erdung jedoch wie jede andere elektrisch leitfähige Verbindung einen Widerstand aufweist, den sogenannten Erdungswiderstand, bleibt im Fall eines permanenten Stromflusses gemäß dem Ohmschen Gesetz eine Spannung bestehen. Nur in statischen Anwendungsfällen darf daher davon ausgegangen werden, dass mit der Erdung jegliche Potentialdifferenz ausgeschlossen ist.

Fundamenterder-Anschluss in einem Wohnhaus

Erder

Erdungsband am Fuß eines Hochspannungsmastes

Ein Erder ist ein unisolierter elektrischer Leiter, der als elektrische Kontaktfläche in den Erdboden eingebracht wird.

Man unterscheidet

  • Tiefenerder, die senkrecht in den Boden getrieben werden
  • Oberflächenerder, die waagerecht verlegt werden
  • Fundamenterder als Sonderform des Oberflächenerders

Erder sind aufgrund der Feuchtigkeit des Erdbodens gefährdet, durch Korrosion oder durch Bildung eines galvanischen Elements mit anderen Metallteilen zerstört zu werden. Dies ist bei der Wahl des Werkstoffs zu berücksichtigen.

Früher wurden die Rohrleitungsnetze der öffentlichen Wasserversorgung als Erder genutzt. Da dort mittlerweile Kunststoffrohre statt Metallrohre eingesetzt werden, ist dies nicht mehr zulässig.

Tiefenerder

Tiefenerder werden ausgeführt als Staberder, Rohrerder oder Kreuzprofilerder. Sie werden bis zu 15 m in den Untergrund vorgetrieben. Vorteil eines Tiefenerders gegenüber einem Oberflächenerder ist der konstantere Erdwiderstand, der in Oberflächennähe stark in Abhängigkeit von Feuchtigkeit und Temperatur des Bodens schwanken kann.

Oberflächenerder

Oberflächenerder sind Horizontalerder. Sie werden ausgeführt als

  • Ringerder, die einen waagerechten Ring bilden
  • Strahlenerder, die waagerecht strahlenförmig auseinanderlaufen
  • Maschenerder, die ein Gitter bilden

Sie werden verlegt in einer Tiefe von 0,5 - 1 m damit sie sich in einer frostfreien Zone befinden.

siehe auch:Potentialsteuerung

Fundamenterder

Fundamenterder sind eine Sonderform des Oberflächenerders. Sie werden im Fundament unterhalb der Feuchtigkeitsisolation verlegt.

Anwendungen

Grundsätzlich wird zwischen Schutzerdungen unterschieden, die der elektrischen Sicherheit dienen, und Funktionserdungen, die anderen Zwecken dienen.

Schutzerdung im Niederspannungsnetz

Menschen und andere Lebewesen sind gefährdet, wenn sie zwei elektrisch leitfähige Objekte berühren, zwischen denen eine gefährlich hohe elektrische Spannung besteht. Solange nur eines der leitfähigen Objekte berührt wird, besteht keine Gefahr. Im Niederspannungsnetz zur Stromversorgung bei Verbrauchern wird deshalb einer der Leiter, der sogenannte Schutzleiter, geerdet und mit elektrisch leitfähigen Objekten verbunden. Die Verbindung eines Außenleiters mit diesen Objekten führt dann zum Erdschluss, der zur Auslösung der Überstromschutzeinrichtung und damit zur Abschaltung der Spannung führen kann.

Überstromschutzeinrichtungen sind für den Leitungs- und Geräteschutz ausgelegt und schalten nicht schnell genug ab, um einen Menschen zu schützen, der ein geerdetes Objekt beim Auftreten eines solchen Fehlers berührt. Deshalb sind Fehlerstromschutzschalter, die bereits bei kleinen über die Erdung abfließenden Strömen die Spannung schnell genug abschalten, sinnvoll und zum Beispiel für Bäder und Baustellen vorgeschrieben, seit Mitte 2007 auch allgemein für neu errichtete Schuko-Steckdosen Pflicht.

Schutzleiter müssen durch eine grün-gelbe Isolierung gekennzeichnet sein. Grün-gelb gekennzeichnete Leiter dürfen nur als Schutz-, Potentialausgleichs- oder Erdungsleiter verwendet werden. Wenn die Außenleiter elektrischer Leitungen mehr als 6 mm² Querschnitt aufweisen, darf der Schutzleiter im normalen Betrieb keinen Strom führen. In der Regel müssen solche Leitungen deshalb einen zusätzlichen Neutralleiter aufweisen.

Früher war es in einigen Regionen üblich, keine getrennten Schutzleiter und Neutralleiter zu Steckdosen zu führen, sondern den geerdeten Leiter an den Schutzkontakt und einen der beiden anderen Kontakte anzuschließen. Wenn dieser einzige geerdete Leiter der Zuleitung, der dann im normalen Betrieb mit Strom belastet ist, unterbrochen wird, liegt die volle Netzspannung an Objekten an, die eigentlich geerdet sein sollten. Deshalb ist diese sogenannte klassische Nullung (TN-C-System) in Deutschland bei Neuinstallationen seit 1973 im allgemeinen nicht mehr zulässig (siehe Hauptartikel).

TN-Systeme

In TN-Systemen (frz. Terre Neutre) wird vom Verteilungsnetzbetreiber ein geerdeter Schutzleiter mitgeführt. Nur bei einem echten TN-S-System (frz. Terre Neutre Separé) werden separate Neutralleiter (N) und Schutzleiter (PE) vom Transformator bis zu den Verbrauchsmitteln geführt, während ein TN-C-System (frz. Terre Neutre Combiné) einen gemeinsamen PEN-Leiter einsetzt, der gleichzeitig Schutzleiter und Neutralleiter ist. Ein TN-C-S-System (frz. Terre Neutre Combiné Separé) ist vom Transformator aus zunächst wie ein TN-C-System aufgebaut, der PEN-Leiter wird dann aber, meist im Zählerschrank, auf einen Nulleiter und einen Schutzleiter aufgeteilt. In Altbauten herrscht in Deutschland meist noch das TN-C-System vor, neuere Installationen verwenden (außer in Thüringen) TN-S- oder TN-CS-Netze.

TT-System

In TT-Systemen (frz. Terre Terre) wird kein geerdeter Schutzleiter mitgeführt, so dass die Erdung am Hausanschluss von entscheidender Bedeutung ist. Der Vorteil des TT-Systems besteht in der größeren Zuverlässigkeit bei langen unüberwachten Überlandstrecken, wo der Nullleiter beschädigt oder gestohlen werden kann. TT-Netze sind z. B. in der Landwirtschaft verbreitet. Im Bundesland Thüringen finden sie auch in städtischen Agglomerationen Anwendung.

IT-System

Das IT-System (frz. Isolé Terré) ist die Erdisolation, die gleichzeitig erhöhten Anforderungen des Personenschutzes und der Ausfallsicherheit bei Fehlern der Isolation Rechnung trägt. IT-Systeme finden beispielsweise in der Medizintechnik, in Operationssälen, Intensivstationen und in Mittelspannungsnetzen für den Eigenbedarf von Kraftwerken Anwendung. Sie sind nur für verhältnismäßig kleine Netze geeignet.


Explosionsvermeidung

Beim Befüllen z. B. von Tankern, LKW, Waggons, Fässern, Big-Bags etc. entstehen elektrostatische Aufladungen. Mit Erdungsgeräten vermeidet man Zündquellen durch elektrostatische Aufladung. Erdungsgeräte sind beispielsweise Erdungsklammern, die an den zu erdenden Gegenstand geklemmt (hierbei ist darauf zu achten, dass beispielsweise bei einem Fass die "Zähne" der Klammer auch wirklich durch den Lack bis auf das Metall kommen) und mittels eines Kabels mit einem Erder verbunden werden. Dies verhindert somit, dass sich Funken bilden und in einer Ex-Atmosphäre eine Explosion entsteht.

Mobile Stromerzeugungsaggregate

Der sogenannte Erdungsspieß ist ein Zubehörteil des mobilen Stromerzeugungsaggregats von Feuerwehr oder THW. Sollte dessen Generator nicht an einen vor Ort vorhandenen Erder angeschlossen werden können, wird dieser bis zu ein Meter lange Kupferstab in den Boden getrieben und mit dem Generator verbunden. Modernere Generatoren benötigen in der Regel keinen Erdungsspieß mehr, wenn sie als IT-System mit Isolationswächter betrieben werden..

Erdung einer Oberleitung

Arbeitsschutz

Es ist vorgeschrieben, vor Arbeiten an elektrischen Anlagen mit gefährlichen Spannungen, zum Beispiel Verteilern, die Spannung abzuschalten und alle elektrischen Leiter zu erden. Nur in Ausnahmefällen und nur für Elektrofachkräfte ist es zulässig, dies zu unterlassen, zum Beispiel bei Arbeit unter Spannung. Die Erdung bewirkt im Fall eines unbeabsichtigten Einschaltens einen Kurzschluss, der zum Auslösen der Sicherung und damit zur Abschaltung der Spannung führt. Außerdem kann über die Erdung eine möglicherweise noch vorhandene Ladung von der Anlage abgeführt werden, zum Beispiel bei Arbeiten an Hochspannungsleitungen.

Blitzschutz

Blitzschutzsysteme reduzieren das Risiko von Schäden durch Blitzeinschläge in Gebäude. Sie bestehen aus Fangeinrichtungen, Ableitungen, Erdung und Blitzschutzpotentialausgleich. Fangeinrichtungen werden an allen Stellen angeordnet, die von einem Blitz getroffen werden können. Von ihnen leiten die Ableitungen den Blitzstrom zur Erdungsanlage. Überspannungsschutzgeräte stellen bei einem Blitzeinschlag für leitungsgeführte Überspannungen (Surge) einen Potentialausgleich aller elektrischen Leiter mit dem geerdeten Schutzleiter her.

Schutz elektronischer Bauelemente

Zur Vorbeugung gegen ESD (electrostatic discharge - Elektrostatische Entladungen) werden zur Erdung von Personen und zum Potentialausgleich Erdungsbänder, Tischmatten und Werkzeuge mit ableitenden Griffen verwendet. Dies ist immer dann erforderlich, wenn Elektronik oder elektronische Bauelemente gehandhabt oder montiert werden. Insbesondere Diodenlaser, Feldeffekttransistoren, aber auch Schottkydioden, Leuchtdioden sowie die meisten anderen aktiven elektronischen Bauelemente und integrierten Schaltkreise sind gefährdet, wenn diese unsachgemäß gehandhabt, transportiert oder in Platinen eingelötet werden bzw. entsprechende Baugruppen berührt werden.
Die leitenden Verbindungen zwischen der Person, dem Gerät und der Erde baut Spannungsdifferenzen ab, die den Bauteilen gefährlich werden könnten. Die ESD-Empfindlichkeit elektronischer Bauelemente wird mit dem human body-Modell getestet und in ESD-Empfindlichkeitsklassen spezifiziert.

siehe auch: Antistatikband

Bahnerde

Unter der Bahnerde werden die geerdeten Fahrschienen von Bahnen verstanden, die bei einpoligen Oberleitungen als Rückleitung genutzt werden. Diese übliche Konstruktion ist kostengünstig, bewirkt durch den großen Abstand der Leitungen aber ein weiträumiges magnetisches Feld und ist deshalb unter dem Aspekt der elektromagnetischen Verträglichkeit ungünstig.
Bei Gleichstrombahnen werden die Fahrschienen nur als Rückleitung genutzt, jedoch nicht fest geerdet, da durch eine feste Erdung sogenannte vagabundierende Gleichströme im Erdreich fließen würden, die elektrolytische Korrosion und damit große Schäden u. a. an metallischen Rohrleitungen verursachen. Rückleitungssysteme von Gleichstrombahnen sind deshalb von anderen geerdeten Teilen galvanisch zu trennen. Zur Verringerung der Potenzialunterschiede zwischen dieser Rückleitung und der Erde werden zu Fahrschienen parallel geschaltete Rückleitungskabel verlegt. Übersteigt der Potenzialunterschied zwischen der Rückleitung der Gleichstrombahn und der Erde einen bestimmten Wert, werden beide mittels eines sogenannten Erdungskurzschließers kurzzeitig zusammengeschaltet. Passend zu dem von dem Bahnstromunterwerk kommenden Speisekabel für die Oberleitung wird nun der "Rückstrom" mittels Erdkabel in das Unterwerk zurück geführt und dort mit der Gleichstromschaltanlage verbunden. Im Idealfall gehört also ein parallel zu den Fahrschienen geschaltetes Rückleitungskabel zu jedem Speiseabschnitt.

Zu den Erdströmen innerhalb der Schienenfahrzeuge siehe auch Erdungskontakt.

Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung

Bei manchen monopolaren Anlagen zur Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung wird das gut leitende Meerwasser als zweiter Pol verwendet. Hierfür sind spezielle Erdungselektroden nötig. Eine Erdung durch Verbinden des zu erdenden Pols mit irgendwelchen Objekten der Stromrichterstation verbietet sich aus Gründen der Elektrokorrosion und unerwünschter Beeinflussung elektrischer Anlagen, zum Beispiel durch Vormagnetisierung von Transformatoren und durch vagabundierende Gleichströme. Deshalb erfolgt die Erdung von Anlagen zur Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung an einem geeigneten Ort – häufig im Meer – in meist einigen Kilometern Abstand von der Stromrichterstation. Erfolgt die Erdung an Land, so werden für Anoden meist mehrere Grafitelektroden vergraben. Für Kathoden wird ein Kupferring im Erdreich verlegt. Bei Elektroden im Meer werden für Anoden Graphitelektroden oder Titannetze verwendet. Für Kathoden kommt meist ein blanker Kupferring auf dem Meeresgrund mit einem Durchmesser von über 100 Metern zum Einsatz.

Der Standort solcher Elektroden muss in Bezug auf die mögliche Korrosionsgefährdung anderer im Boden befindlicher metallischer Teile, wie Rohre oder der Beeinflussung elektrischer Anlagen sorgfältig ausgewählt werden. Er sollte bei Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsanlagen mit Seekabeln nicht zu nah an der Kabeltrasse liegen, da sonst Streuströme über den Kabelmantel abfließen können, die zur Korrosion desselben führen können.

Funk-Übertragung

Ganz besonders aufwendige Erdungsanlagen findet man bei Sendeanlagen für Langwelle, Mittelwelle und Längstwelle und bei monopolaren Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsanlagen, denn bei derartigen Anlagen hängt der Wirkungsgrad entscheidend von der Niederohmigkeit der Erdung ab. Bei Sendeanlagen für Langwelle, Mittelwelle und Längstwelle werden um den Antennenstandort in geringer Tiefe (10 bis 50 Zentimeter) mehrere Metallbänder vergraben, die radial von diesen weglaufen. Lässt der Boden kein Vergraben zu, so werden diese ggf. auf kleinen Masten oberirdisch verlegt. In diesem Fall spricht man vom Gegengewicht. Diese Erdbänder sollten mindestens so lang sein, wie der Antennenträger hoch ist. In den meisten Fällen ist ein Wert von ein Viertel der abgestrahlten Wellenlänge ausreichend, es wurden aber schon Erdbänder mit einer Länge von den 1,5fachen der abgestrahlten Wellenlänge verlegt. Man bezeichnet eine derartige Anlage als Erdnetz. Steht der Antennenträger auf einer Plattform im Meer, so kann wegen der guten Leitfähigkeit des Meerwassers auf ein Erdnetz verzichtet werden. Dies gilt auch für im Längst-, Lang- und Mittelwellenbereich betriebene Sender an Bord von Schiffen. Für Längstwellensender mit ganz besonders niederen Frequenzen, wie den Sanguine und ZEVS wird ein über Tiefenerder geerdeter Bodendipol verwendet. Bei diesen Anlagen sind die Erder in mehreren Metern Tiefe versenkt.

Normen

  • DIN 18014: Fundamenterder.
  • DIN VDE 0100 Teil 410: Errichten von Starkstromanlagen mit Nennspannungen bis 1000 V, Teil 4: Schutzmaßnahmen, Kapitel 41: Schutz gegen elektrischen Schlag.
  • DIN VDE 0100 Teil 444: Elektrische Anlagen von Gebäuden, Schutzmaßnahmen, Schutz vor Überspannungen - Schutz gegen elektromagnetische Störungen (EMI) in Anlagen von Gebäuden.
  • DIN VDE 0100-540 Errichtung von Starkstromanlagen mit Nennspannungen bis 1000V - Auswahl und Errichtung elektrischer Betriebsmittel - Erdung, Schutzleiter, Potentialausgleichsleiter.
  • DIN VDE 0141: Erdungen für spezielle Starkstromanlagen mit Nennspannungen über 1 kV.
  • DIN VDE 0151: Werkstoffe und Mindestmaße von Erdern bezüglich der Korrosion.
  • DIN V VDE V 0185-3: Blitzschutz Teil 3: Schutz von baulichen Anlagen und Personen.
  • DIN VDE 800-2-310: Anwendung von Maßnahmen für Potentialausgleich und Erdung in Gebäuden mit Einrichtungen der Informationstechnik.

Literatur

Fachbücher

  • Günter Springer: Fachkunde Elektrotechnik. 18.Auflage, Verlag - Europa - Lehrmittel, Wuppertal, 1989, ISBN 3-8085-3018-9
  • Réne Flosdorff, Günther Hilgarth: Elektrische Energieverteilung. 4. Auflage, Verlag B.G. Teubner, 1982, ISBN 3-519-36411-5
  • Gerhard Kiefer: VDE 0100 und die Praxis. 1. Auflage, VDE-Verlag GmbH, Berlin und Offenbach, 1984, ISBN 3-8007-1359-4
  • Ernst Hörnemann, Heinrich Hübscher: Elektrotechnik Fachbildung Industrieelektronik. 1 Auflage. Westermann Schulbuchverlag GmbH, Braunschweig, 1998, ISBN 3-14-221730-4

Fachbroschüren und Fachartikel

  • Leitfaden Netzqualität: Erdung und elektromagnetische Verträglichkeit Band 6.1 Erdung mit System; Deutsches Kupferinstitut Leonardo Power Quality Initiative

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