Potentialausgleich und Erdungsanlagen in Gewerbe
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Potentialausgleich und Erdungsanlagen in Gewerbe- und Industriebauten Inhaltsverzeichnis Erdung und Potentialausgleich............................................................................................................ 2 Erdungsanlagen im Altbestand............................................................................................................ 2 Potentialausgleich ............................................................................................................................... 3 Unterscheidung nach „Schutz“ und „Funktion“ .................................................................................. 3 Ausführung von Erdungsanlagen ........................................................................................................ 4 Regelwerke .......................................................................................................................................... 5 Bautechniken ....................................................................................................................................... 5 Weiße Wanne ...................................................................................................................................... 5 Faserbeton........................................................................................................................................... 6 Tragschicht .......................................................................................................................................... 6 Hydraulisch gebundene Tragschichten (HGT) ..................................................................................... 6 Feinplanum .......................................................................................................................................... 6 Perimeterdämmung ............................................................................................................................ 7 Noppenbahnen .................................................................................................................................... 7 Frostschürze ........................................................................................................................................ 7 Fundamenterder ................................................................................................................................. 7 Fundamenterder ................................................................................................................................. 7 Ringerder ............................................................................................................................................. 7 Funktionspotentialausgleichsleiter ..................................................................................................... 8 Ausführung der Erdungsanlage ........................................................................................................... 8 Blitzschutzsysteme .............................................................................................................................. 8 Auswahldiagramm ............................................................................................................................... 9 Lösung 1: Bodenplatte aus Faserbeton ......................................................................................... 10 Außenliegender Ringerder ................................................................................................................ 11 Innenliegender Ringerder mit Tiefenerdern ..................................................................................... 12 Verbindungsbauteile ......................................................................................................................... 12 Lösung 2: Bodenplatte aus Stahlbeton mit erhöhtem Erdübergangswiderstand ......................... 12 Sonstige Festlegungen....................................................................................................................... 14 Lösung 3: Bodenplatte aus Stahlbeton.......................................................................................... 14 Dokumentation ................................................................................................................................. 14 Messung von Erdungsanlagen ........................................................................................................... 15 Erdungswiderstand............................................................................................................................ 15 Besonderheiten ................................................................................................................................. 16 1 Erdungsanlagen für bauliche Anlagen gehören im Neubau heute zum Standard. Aufgabe, Erfordernis und Ausführung sind von vielen Einflussfaktoren abhängig. So können Erdungsanlagen in Gewerbe- und Industriebauten viele Aufgaben haben. In der nachfolgenden Aufzählung sind die wichtigsten Aufgaben und zugehörigen Regelwerke dargestellt: Anlagenerder im TT-System zur Sicherstellung des Schutzes gegen elektrischen Schlag nach DIN VDE 0100-410, Betriebserder für die Transformatoren nach DIN EN 61936 (VDE 0101), Funktionserder für informationstechnische Systeme nach DIN EN 50310 (VDE 08002-310), Potentialsteuererder für Maßnahmen gegen Schritt- und Berührungsspannung nach DIN EN 61936 (VDE 0101) und DIN EN 62305 (VDE 0185-305-3) und Blitzschutzerder zum Verteilen von Blitzströmen bei einem Blitzeinschlag nach DIN EN 62305 (VDE 0185-305-3). Wie man der Aufzählung entnehmen kann, gibt es viele Aufgaben, die eine Erdungsanlage übernehmen kann. Aber die Erdungsanlage kann noch mehr! Wichtig ist, dass man als Projektierer, Errichter oder Prüfer zwei wesentliche Systeme unterscheidet. Es gibt die Erdungsanlage und den Potentialausgleich. Die Unterscheidung ist wichtig, weil sich hierüber, wenn es um Ausführungsdetails geht, teilweise Diskussionen in der Praxis erübrigen. Erdung und Potentialausgleich Eine Erdungsanlage dient in der Regel dazu, Ströme über das Erdreich zu leiten. Dieses ist der Fall, wenn ein Blitz in die Blitzschutzanlage oder Antennenerdung einschlägt und direkt in das Erdreich eingeleitet wird. In einem Stromversorgungssystem, das als TT-System aufgebaut ist, fließen im Fehlerfall ebenfalls Ströme über den Anlagenerder zurück zum Transformator. In diesem Fall führen der Anlagenerder (RA) des Gebäudes und der Betriebserder (RB) am Transformator des Verteilnetzbetreibers einen Strom. Erdungsanlagen im Altbestand Erdungsanlagen wurden übrigens bereits mit der Erstausgabe der VDE-Bestimmungen im Jahr 1929 behandelt. Jedoch bestand zu dieser Zeit keine allgemeingültige Forderung nach einer Erdungsanlage für jedes Gebäude. Im Jahr 1940 kam die VDE 0190 heraus, die sich ergänzend zu der DIN VDE 0100 mit der Verwendung von Rohrnetzen als Erder auseinandersetzte. Zu dieser Zeit war es üblich, die Wasserrohrnetze als Erder für die Schutzerdung (heute: TT-System) zu nutzen. Von der Nutzung der Wasserrohre als Erder ist man 1970 wieder abgerückt und hat für Bestandsanlagen, mit einer Übergangsfrist von 20 Jahren, den Wegfall des Bestandsschutzes erklärt. In Systemen mit der Schutzmaßnahme Nullung (heute: TN-C-System) war zu dieser Zeit keine Erdungsanlage gefordert. Mit dem Einzug des Fehlerspannungs-Schutzschalters (FUSchalter) als Schutzmaßnahme gegen zu hohe Berührungsspannungen benötigte man nur einfache Hilfserder. Für ein genulltes System bestand somit niemals eine Forderung nach einer Erdungsanlage, sodass in vielen Altbauten Erdungsanlagen nicht vorhanden sind. Erst 2 2007 wurde die Errichtung von Erdungsanlagen für Neubauten durch die VDE 0100-540 allgemeingültig gefordert. Eine Nachrüstforderung besteht nicht! Potentialausgleich Der Potentialausgleich soll Spannungsunterschiede zwischen Schutzleitern, Rohrsystemen und metallischen Gebäudebestandteilen beseitigen. Diese Teile werden im Allgemeinen als fremde leitfähige Teile bezeichnet und sind in der Lage, das Erdpotential zu verschleppen. Der Potentialausgleich wurde im Jahre 1940 mit der Neuausgabe der VDE 0190 für Neubauten eingeführt. Ebenso wurde für Bestandsgebäude bei der Ablösung des Wasserrohres als Erder die Nachrüs-tung gefordert. Der Schutzpotentialausgleich ist heutzutage ein wertvoller Bestandteil der Schutzmaßnahme gegen elektrischen Schlag im Fehlerfall (Fehlerschutz/Schutz bei indirektem Berühren). Die Anforderungen zur Ausführung sind in der DIN VDE 0100-410 und DIN VDE 0100-540 beschrieben. Die Nachrüstung des Schutzpotentialausgleiches sollte in jedem Bestandsgebäude erfolgen, erfordert jedoch nicht zwingend die Errichtung einer Erdungsanlage. Die vielseitigen Aufgaben der Erdung und des Potentialausgleiches sind in Bild 1 dargestellt. Unterscheidung nach „Schutz“ und „Funktion“ Die Darstellung im Bild 1 zeigt, dass Erdungsanlagen mit Strom beaufschlagt werden und im Wesentlichen Aufgaben wahrnehmen, die der Sicherheit dienen. Diese Unterscheidung wird in zahlreichen Regelwerken immer durch die Verwendung des Wortes „Schutz“ ausgedrückt. Aus Gründen der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) oder für die ordnungsgemäße Funktion von informationstechnischen Sys-temen kann eine Erdungsanlage zusätzlich sinnvoll und erforderlich sein. Dieses dient der Funktion und führt somit zur Verwendung des Wortes „Funktion“ in den Begrifflichkeiten. Die Leiter mit reinen funktionalen Aspekten 3 dürfen nach der DIN VDE 0197 nicht mit der Farbe grün/gelb gekennzeichnet werden. Somit können z. B. Netzwerkschränke mit blanken oder schwarzen Leitern in den Funktionspotentialausgleich einbezogen werden. Potentialausgleichsmaßnahmen sollen hingegen Spannungsunterschiede (Potentialdifferenzen) vermeiden. Der Schutzpotentialausgleich über die Haupterdungsschiene (früher: Hauptpotentialausgleich) sorgt so beispielsweise bei einem Körperschluss in der elektrischen Anlage dafür, dass der Spannungsfall auf dem PEN-Leiter in der Zuleitung vom Trafo bis zum Gebäude auf annähernd 0 V am Hausübergabepunkt begrenzt wird. Die Berührungsspannungen im TN-System werden bei einem ordnungsgemäßen Schutzpotentialausgleich daher immer 0 V betragen. Ebenso soll der Schutzpotentialausgleich Spannungsunterschiede zwischen metallenen Systemen im Gebäude vermeiden. Hier geht es ausschließlich um die Schutzwirkung. Aus diesem Grunde sind Schutzpotentialausgleichsleiter in der Farbkombination grün/gelb auszuführen. Der zusätzliche Schutzpotentialausgleich wird dort durchgeführt oder gefordert, wo die normalen Maßnahmen nicht greifen oder ausreichend sind. Der zusätzliche Schutzpotentialausgleich wird in aktuellen Normen immer weniger gefordert. So gibt es derartige Bestimmungen für Schwimmbäder nach DIN VDE 0100-702, für Viehställe nach DIN VDE 0100-705 und für medizinische Bereiche mit Patientenumgebungen der Gruppe 1 oder Gruppe 2 nach DIN VDE 0100-710. Der Blitzschutzpotentialausgleich ist bei Gebäuden mit äußerem Blitzschutz erforderlich. Hierfür werden möglichst nah an den Gebäudeeinführungen Überspannungsschutzeinrichtungen (ÜSE) installiert. Diese Schutzgeräte stellen bei einer Potentialanhebung durch den Blitz eine leitfähige Verbindung der aktiven Adern untereinander und zur Erdungsanlage her. Die Überspannungsschutzgeräte werden nach ihrem Leistungsvermögen eingruppiert. Der vielfach verwendete Begriff SPD (surge protection device) ist der internationalen Normungsarbeit entsprungen. Ein SPD Typ 1 für die Energietechnik oder ein SPD Typ D1 für die Informationstechnik ist an dem angegebenen Prüfimpuls 10/350 µs und einer zugehörigen Angabe des beherrschbaren Stromes in kA zu erkennen und für den Blitzschutzpotentialausgleich zu verwenden. Diese Schutzgeräte sind fachgerecht nach DIN VDE 0100-534 zu installieren und unbedingt mit der Erdungsanlage zu verbinden. Ausführung von Erdungsanlagen Die Erdungsanlage für ein Gewerbe- und Industriebau ist Bestandteil eines „globalen Erdungssystems“ mit vielen Aufgaben und Funktionen. Zusätzlich bildet das System die Basis für den Schutz- und Funktionspotentialausgleich und ist Bestandteil der elektrischen Anlage. Daher muss eine Erdungsanlage unter Beachtung aller zutreffenden Regelwerke und der jeweiligen Bauausführung individuell geplant und errichtet werden! 4 Regelwerke Für die Planung und Realisierung von Erdungsanlagen sind viele Regelwerke zu beachten, wie die nachfolgende Übersicht aufzeigt: DIN VDE 0100-410 (VDE 0100-410):2007-09, Errichten von Niederspannungsanlagen – Teil 4-41: Schutzmaßnahmen –Schutz gegen elektrischen Schlag, DIN VDE 0100-444 (VDE 0100-444):2010-10, Errichten von Niederspannungsanlagen – Teil 4-444: Schutzmaßnahmen –Schutz bei Störspannungen und elektromagnetischen Stör-größen, • DIN VDE 0100-540 (VDE 0100-540):2012-06, Errichten vonNiederspannungsanlagen – Teil 5-54: Auswahl und Errichtungelektrischer Betriebsmittel – Erdungsanlagen und Schutzleiter DIN EN 50522 (VDE 0101-2):2011-11, Erdung von Starkstromanlagen mit Nennwechselspannungen über 1 kV, DIN EN 62305-3 (VDE 0185-305-3):2011-10, Blitzschutz –Teil 3: Schutz von baulichen Anlagen und Personen, DIN EN 50310 (VDE 0800-2-310):2011-05, Anwendung von Maßnahmen für Erdung und Potentialausgleich in Gebäuden mit Einrichtungen der Informationstechnik und DIN 18014:2014-03 Fundamenterder – Planung, Ausführung und Dokumentation. Erdungsanlagen für Gewerbe- und Industriebauten müssen in der Regel den Anforderungen der DIN VDE 0100-540 als Anlagenerder für die elektrische Anlage, der DIN VDE 0101-2 als Erder für die Mittelspannungstransformatoren, der DIN EN 62305-3 als Blitzschutz-erder und der DIN 18014 als Fundamenterder entsprechen. Aufgrund veränderter Bautechniken und einhergehend neuer Anforderungen in den Regelwerken ist für Erdungsanlagen in Gewerbe- und Industriebauten ein individuelles Konzept zur fachgerechten Realisierung zu erstellen. Hierbei sind die verschiedenen Regelwerke und Bauausführungen zu berücksichtigen. Hier hat der Elektro- oder Blitzschutzfachplaner heute bereits im frühen Planungsstadium die Bauausführung zu hinterfragen und entsprechend zu berücksichtigen. Bautechniken Die Ausführung des Bauwerkes und somit auch der Betonteile, Fundamente und der Bodenplatte ist von vielen Einflussfaktoren wie der Angriffsart des Wassers, der Art des Baugrunds, der Art der Beanspruchung und der geplanten Nutzung sowie den besonderen Anforderungen an die Abdichtung und den Brandschutz abhängig. Für die Funktion der Erdungsanlage ist insbesondere die Art der Wasserabdichtung von Interesse. Wasser kann in Form von Bodenfeuchte als nicht stauendes Sicker-wasser, als zeitweise aufstauendes Sickerwasser, als drückendes oder nichtdrückendes Wasser auf die Außenflächen von Bauwerken einwirken. Dieses muss in der Bautechnik entsprechend berücksichtigt werden, und somit werden Baukörper sehr unterschiedlich unter Berücksichtigung der regionalen Erfordernisse errichtet. Zum besseren Verständnis werden zunächst die im Beitrag verwendeten Begriffe und Bauausführungsdetails kurz erklärt. Weiße Wanne Die „Weiße Wanne“ ist ein Begriff, der wasserundurchlässige Stahlbetonkonstruktionen beschreibt. Bei der „weißen Wanne“ werden zur Bauwerksabdichtung besondere Betongüten 5 und Ausführungsdetails beachtet. Aufgrund ihrer Konstruktion sind bei ihr, im Gegensatz zur „schwarzen Wanne“ (Bitumenabdichtung), keine zusätzlichen Dichtungsbahnen erforderlich. Fundamentplatte und Außenwände werden als geschlossene Wanne aus Beton mit hohem Wassereindringwiderstand nach DIN EN 206-1 und DIN 1045-2 hergestellt. Diesen Beton nannte man in älteren Regelwerken, und heute noch gerne umgangssprachlich, wasserundurchlässigen Beton oder WU-Beton. Betone mit hohem Wassereindringwiderstand haben definierte Rissbreiten, äquivalente Wasserzementwerte, Mindestdruckfestigkeitsklassen und einen Mindestzementgehalt. Die Bodenplattenstärke richtet sich nach der gewünschten Nutzungs- und Beanspruchungsklasse und der Errichtungsweise. Durch diese besonderen Anforderungen an den Stahlbeton ist ein steter Feuchtetransport nicht zu erwarten, und der Erder trocknet gegenüber dem umgebenden Erdreich aus. Ein im Betonkörper liegender Erder ist hinsichtlich seiner Erderwirkung als unwirksam anzunehmen. Faserbeton Als Faserbeton wird Beton bezeichnet, der in einem bestimmten Verhältnis im Betonwerk oder vor Ort beigemischte Fasern enthält. Diese Fasern werden dem Beton als Beimischung aus Stahl-, Glas- oder Kunststofffasern zugeführt. Die Fasern können bestimmte mechanische Eigenschaften des Betons verbessern, beispielsweise die Zugfestigkeit, Schlagfestigkeit oder Verformbarkeit. Die Zugabe von Fasern kann bei bestimmten Bauteilen sogar die herkömmliche Bewehrung ersetzen. Welche Fasern zum Einsatz kommen, hängt von den gewünschten Anforderungen ab. In den Faserbeton eingelegte Rund- oder Bandstähle werden in der Baupraxis oftmals nicht als Erder dienen, da die Bodenplatten gegenüber dem Feinplanum mit Folien und Fließen abgedichtet werden. In den Faserbetonplatten ist in der Regel Edelstahl zu verwenden, da eine Betonüberdeckung von 5 cm gegenüber dem Feinplanum nur schwer sichergestellt werden kann. Tragschicht Unterhalb der Bodenplatte wird je nach Anforderungen an die Bodenplatte und den vorliegenden Bodenverhältnissen eine Schotterschicht eingebaut. Die Schotterschicht hat hierbei zwei wesentliche Aufgaben. Sie soll die Kapillaren brechen und somit aufsteigende Feuchtigkeit verhindern und die Belastungen der Bodenplatte gleichmäßig auf den Untergrund verteilen. Die Tragschicht wird auch als Grobplanum bezeichnet. Hydraulisch gebundene Tragschichten (HGT) Tragschichten können auch als hydraulisch gebundene Tragschichten (HGT) eingebracht werden und bestehen dann aus ungebrochenen oder gebrochenen Baustoffgemischen und beigefügten hydraulischen Bindemitteln. Dieses Gemisch wird in unterschiedlichen Dicken eingebracht und hochverdichtet. Feinplanum Unter der Bodenplatte wird ein Feinplanum aus Schotter bzw. Splitt erstellt. Dieses Feinplanum dient dazu, eine ebene, saubere Fläche zu schaffen. Ein anderer verwendeter Begriff ist die Sauberkeitsschicht. Das Feinplanum wird in der Regel mit einer oder zwei dünnen PE-Folien als Gleitschicht bedeckt. Diese Abdichtung dient zur Verhinderung von Auswaschungen von Betonbestandteilen. 6 Perimeterdämmung Als Perimeterdämmung bezeichnet man die Wärmedämmung erdberührter Bauteile von Gebäuden an ihrer Außenseite. Diese kann sich unterhalb der Bodenplatte eines Gebäudes oder an der Außenseite einer im Erdreich eingebundenen Außenwand befinden. Die Dämmung muss wasser- und druckbeständig sein. Daher verwendet man geschlossenporige Schaumstoffmaterialien, z. B. extrudierte Polystyrol-Hartschaumplatten oder Schaumglasplatten. Die Perimeterdämmung wirkt bei vollflächiger Ausführung wie eine vollflächige Isolierung, und der Betonkörper verliert jegliche Erderwirkung. Noppenbahnen Eine Noppenbahn ist ein Anfüllschutz für die Feuchtigkeitsisolierung oder die Wärmedämmung von Gebäuden im Erdreich. Sie wird außen vor die jeweilige Schicht gestellt oder unter der Bodenplatte angebracht. Zudem besitzt eine Noppenbahn ein so genanntes Drainagesystem. Über dieses kann Wasser, das den Baukörper beschädigen könnte, abgeleitet werden. Hierbei ist es unerheblich, ob es sich bei dem vorliegenden Wasser um Stau-, Schichten-, oder Sickerwasser handelt. Ein so genanntes Geotextil verhindert, dass die Noppenfolie selbst zugeschlammt wird. Die Noppenbahnen wirken bei vollflächiger Ausführung und entsprechender Überlappung wie eine vollflächige Isolierung, und der Betonkörper verliert jegliche Erderwirkung. Frostschürze Eine Frostschürze kommt bei Flachgründungen von nicht unterkellerten Bauwerken zum Einsatz. Die Bodenplatte wird bei Gründung auf frostempfindlichen Böden (Schluff, Ton sowie Sande und Kiese mit nennenswertem Feinkornanteil) ringsum mit dieser Schürze versehen, um zu verhindern, dass am frostexponierten Rand Frostschäden durch Auffrieren der dortigen Böden entstehen. Eine Frostschürze sollte bis mindestens 80 cm unterhalb der endgültigen Geländeoberkante reichen und wird in der Regel aus frostsicherem Material (z. B. Sand) oder unbewehrtem Beton hergestellt. Die regionale Frosteindringgrenze ist sehr unterschiedlich und kann entsprechenden Tabellenwerken entnommen werden. Fundamenterder Die zuvor beschriebenen Bautechniken und einhergehend die Einschränkung der Erderwirkungen machten in den letzten Jahren eine Überarbeitung der DIN 18014 erforderlich. Die DIN 18014 in der Fassung März 2014 unterscheidet hierbei die Begriffe Fundamenterder, Ringerder und Funktionspotentialausgleichsleiter. Fundamenterder Der Fundamenterder besteht aus einem geschlossenen Ring und wird an den Gebäudeaußenkanten in der Bodenplatte oder dem Fundament verlegt. In großflächigen Gebäuden ist eine Vermaschung erforderlich. Der eingelegte Stahl wird mit der Betonbewehrung verbunden. Der Korrosionsschutz erfolgt durch die Betonüberdeckung, daher ist verzinktes Material ausreichend. Die Anschlussfahnen sind vorzugsweise in Edelstahl herauszuführen. Wird der Betonkörper gegenüber dem Boden isoliert, wird ersatzweise ein Ringerder errichtet. Ringerder Der Ringerder besteht aus einem geschlossenen Ring und wird an den Gebäudeaußenkanten erdfühlig außerhalb der baulichen Anlage verlegt. In großflächigen Gebäuden ist eine 7 Vermaschung unterhalb der Bodenplatte erforderlich. Für den Ringerder ist korrosionsfester Edelstahl zu bevorzugen. Funktionspotentialausgleichsleiter Der Funktionspotentialausgleichsleiter wird zusätzlich zu dem Ring-erder in der Bodenplatte bei isolierten Fundamenten errichtet. Über diesen Leiter wird eine elektrische Verbindung zwischen leitfähigen Teilen und verschiedenen Potentialausgleichschienen hergestellt. Hierdurch wird eine Potentialgleichheit erreicht. Der Korrosionsschutz erfolgt durch die Betonüberdeckung, daher ist verzinktes Material ausreichend. Die Anschlussfahnen und Verbindungsleitungen zum Ringerder sind vorzugsweise in Edelstahl herauszuführen. Ausführung der Erdungsanlage Die Ausführung der Erdungsanlage ist in Abhängigkeit des konstruktiven Aufbaus des Baukörpers zu wählen. Daher ist eine frühe Abstimmung und Planung der Erdungs- und Potentialausgleichsanlage erforderlich. Die Planung muss durch Elektro- oder Blitzschutzfachkräfte erfolgen. Die Erdungsanlage dient in der Regel als Betriebs- und Blitzschutz-erder. Darüber hinaus kann die Erdungsanlage zur Sicherstellung des Anlagenerders erforderlich sein, damit die Schutzmaßnahmen im TT-System gewährleistet sind. Sind zudem eigene Mittelspannungstransformatoren vorhanden, so sind die Anforderungen der DIN VDE 0101-2 zusätzlich zu berücksichtigen. Die Ausführung der Erdungsanlage zum Zwecke der Sternpunkterdung, der Reduzierung der Berührungsspannung und der Schrittspannungssteuerung im Bereich der Transformatoren ist nicht Bestandteil dieses Beitrages. Die Erdungsanlage ist anlagenspezifisch zu planen und zu errichten. Zum Beherrschen der auftretenden Blitz- und Erdfehlerströme ist insbesondere die Stromtragfähigkeit der Anschlussteile und des Erders ausreichend zu bemessen. Der Funktionspotentialausgleich kann je nach Art und Nutzung des Bauwerkes für die EMVgerechte Ausführung nach DIN VDE 0100-444 oder die Sicherstellung der Funktion informationstechnischer Anlagen nach DIN VDE 0800-2-310 erforderlich werden. Weitere Anforderungen sind mit dem Bauherrenvertreter abzustimmen. In Gewerbe- und Industriebauten kommen oft Beton- und Stahlstützen als Tragsystem zur Ausführung. Diese Bauteile können vor Ort oder im Fertigteilwerk erstellt werden. Das Realisierungskonzept sollte diese Stützen und Elemente für die Realisierung von Potentialausgleich, Erdung und Blitzschutz berücksichtigen und nutzen. Blitzschutzsysteme Die Betonfertigteile oder die Stahlstützen sollten als natürliche Ableitungen genutzt werden. Innere Ableitungen sind für Blitzschutzsysteme der Klasse LPS III bei Objektabmessungen von über 60 m x 60 m erforderlich. In Abhängigkeit der Berechnung der Trennungsabstände für das Blitzschutzsystem ist festzulegen, wie viele Stützen als innere Ableitungen zu verwenden sind. Alle Stützen sind am Fußpunkt mit dem Potentialausgleichs- und Erdungssystem zu verbinden. Durch diese Maßnahme werden die Anforderungen zur Beherrschung von Schritt- und Berührungsspannungen erreicht. Vom Stützenkopf erfolgt nur dort eine Verbindung an die Fangeinrichtung oder das Dachtragwerk, wo eine Ableitung geplant ist. Der Aufbau des äußeren Blitzschutzes und der Anschluss der Betonfertigteilstützen (BFT) sind im Vorfeld zu planen. Die Erdungsanlage muss den Blitzstrom über große Flächen in den Erdboden einleiten und zugleich die Gefahr der Schritt- und Berührungsspannung bei einem Blitzeinschlag reduzieren. 8 Die Erdfühligkeit der Erdungsanlage kann durch unterschiedliche Bauausführungen beeinträchtigt werden. Dieser Beitrag zeigt praxis- taugliche Lösungen zur Realisierung einer funktionsgerechten Erdungsanlage auf. Die Ausführung der Erdungsanlage wird nachfolgend immer unter der Berücksichtigung eines Blitzschutzsystems betrachtet. Für das Blitzschutzsystem wird grundsätzlich die Schutzklasse LPS III als Bewertungsgrundlage angenommen. Auswahldiagramm Der Beitrag erläutert in Abhängigkeit der folgenden Bauausführungen die Ausführung der Erdungsanlage. Das Auswahldiagramm in Bild 2 hilft die richtige Systemlösung zu finden. 9 Lösung 1: Bodenplatte aus Faserbeton Im Gewerbe- und Industriebau wird aufgrund der Vorteile von Faserbeton und dem Wegfall der aufwendigen Errichtung der Stahlbewehrung dieser Beton zunehmend bevorzugt verwendet. Bei einer gegenüber dem Erdreich isoliert aufgebauten Bodenplatte aus Faserbeton oder wenn aus bautechnischen Gründen die Errichtung in der Bodenplatte nicht möglich ist, muss nach DIN 18014 ein Ringerder errichtet werden. Wird die Bodenplatte ohne Tragschichten realisiert, kann der Ring- erder auf dem Feinplanum unterhalb der Folienabdichtung verlegt werden (Bild 3). Bei dem Einsatz von dünnen PEFolien wäre das Verlegen in der Bodenplatte zulässig, sollte aber unter Berücksichtigung der Bauabläufe nicht favorisiert werden. Wird die Bodenplatte gegenüber dem Erdreich isoliert, ist der Ringerder zwingend erforderlich. Die Isolierwirkung ergibt sich z. B. durch die unterhalb der Bodenplatten eingebrachten Tragschichten mit erhöhtem Übergangswiderstand oder einer vollflächigen Wärmedämmung der Bodenplatte. Als Tragschicht kommen oftmals ungebundene Schotterschichten aus Recycling-Material mit einer Stärke von 15 cm bis 25 cm zum Einsatz. Durch die kapillarbrechende Wirkung der Tragschicht liegt der Betonkörper trocken und besitzt eine schlechte Erdfühligkeit, und der Erdungswiderstand wird sich erhöhen. Die Tragschicht erhält zusätzlich ein Feinplanum. Auf diesem Feinplanum unterhalb der Bodenplatte wird eine 1- bis 2-lagige PE-Folie eingebracht, die eine zusätzliche isolierende Wirkung besitzt. 10 Der Erder kann bei dieser Bauausführung in der Regel nur unterhalb der Folie auf dem Feinplanum verlegt werden. Eine Einbringung unterhalb der Tragschichten ist vom Bauablauf her oftmals nicht möglich (Bild 4). Außenliegender Ringerder Die Erderwirkung ist durch die Tragschicht eingeschränkt, aus diesem Grund ist umlaufend ein mit dem Boden in Kontakt stehender Ringerder erforderlich. Der Ringerder muss dem Abschnitt 5.3 der DIN 18014 entsprechen und ist außerhalb der Bodenplatte im durchfeuchteten, frostfreien Boden erdfühlig zu errichten. Für den Ringerder ist Rundmaterial mit einem Durchmesser von 10 mm oder Bandmaterial mit den Abmessungen 30 mm x 3,5 mm aus Edelstahl (NIRO) mit der Werkstoffnummer 1.4571 (V4A) oder 1.4404 zu verwenden. Die Vermaschung des Ringerders erfolgt mit einer Maschenweite von annähernd 20 m x 20 m unter der Folie. Der umlaufende Ringerder muss außerhalb des Gebäudes in einer Verlegetiefe von mindestens 0,5 m im frostfreien Erdreich und in einem Abstand von etwa 1 m zu den Außenwänden eingebracht werden. Aufgrund der Ausführungspraxis ist es nicht möglich, während der Bauphase die Erdungsleiter zu den inneren Stützen unterhalb der Tragschicht zu verlegen. Diese werden direkt auf die Tragschicht oder dem darüber liegenden Feinplanum verlegt. Die Maschenweite von 20 m x 20 m nach Abschnitt 5.1 der DIN 18014 ist als Vorzugsmaß für die Planung des Ringerders zu verwenden. Die Lage des vermaschten Ringerders sollte 11 sich an den Stützmaßen der Hallenkonstruktion orientieren. Bei ausgedehnten Bodenplatten ist nicht die Maschenweite des Erdungssystems für die Blitzschutzanlage maßgeblich, sondern vielmehr die kürzeste Verbindung zwischen Ableitung und Erdungsanlage und somit die direkte Einleitung von Blitzteilströmen in das Erdreich. Dieses wird erreicht, indem alle Stützen am Fußpunkt mit dem Erdungssystem verbunden sind. Bei Walzbetonbodenplatten ist die Ausführung identisch zur Faserbetonbodenplatte. Innenliegender Ringerder mit Tiefenerdern Ist die Installation eines außenliegenden Ringerders aufgrund bau-seitiger Gegebenheiten nicht möglich, so kann dieser innerhalb der Gebäude auf dem Feinplanum oder auf der Tragschicht verlegt werden. In diesem Fall ist im Bereich der umlaufenden Ringleitung die Erdfühigkeit durch Tiefenerder herzustellen. Tiefenerder sind auf den Hallenecken und bei den Stützen, die als Ableitung dienen, zu setzen. Der Abstand der Tiefenerder richtet sich nach der Blitzschutzklasse und ist durch eine Blitzschutzfachkraft zu planen. Die Tiefenerder müssen die Mindestlänge l1 nach DIN EN 62305 erfüllen. Aufgrund des Bodenaufbaus werden Tiefenerder mit einer Mindestlänge von 4,5 m empfohlen. Die Tiefenerder müssen aus korrosionsfestem Material bestehen. Der Erdungswiderstand der Anlage sollte einen Wert ≤ 10 Ω aufweisen. Verbindungsbauteile Die Forderung der DIN 18014 Abschnitt 6.4, Verbindungsbauteile im Erdreich zusätzlich mit Korrosionsschutzbinde abzudichten, ist nach Auffassung des Autors nicht grundsätzlich erforderlich, wenn nachfolgende Bedingungen beachtet werden. Bei der Auswahl der Verbindungsbauteile ist darauf zu achten, dass zertifizierte Blitzschutzbauteile Verwendung finden und diese komplett aus korrosionsfestem Edelstahl gefertigt sind. Diese sind nach den Herstellervorgaben insbesondere unter Beachtung der Einbaulage und der Anzugsdrehmomente zu montieren. Durch die Konstruktion der Bauteile und der fachgerechten Montage ist eine blitzstromtragfähige, korrosionsbeständige Klemmstelle im Erdreich gegeben. Zusätzlich ist zu prüfen, ob die Dimensionierung der Bauteile die Anforderungen der 50-HzKurzschlussstromberechnung erfüllt. Lösung 2: Bodenplatte aus Stahlbeton mit erhöhtem Erdübergangswiderstand Wenn aus statischen Gründen keine Faserbetonbodenplatte realisiert werden kann, kommt eine Stahlbetonsohle zum Einsatz. Wird unterhalb der Bodenplatte eine vollflächige Wärmedämmung oder kapillarbrechende Tragschichten eingebaut, so ist die Erderwirkung auch hier nicht gegeben. Beim Stahlbeton mit erhöhtem Übergangswiderstand sind daher die Funktionen Potentialausgleich und Erdung getrennt zu betrachten. Aus diesem Grund wird der sonst als Fundamenterder beschriebene Leiter in der Bodenplatte zu einem Funktionspotentialausgleichsleiter umdefiniert (Bild 5) und ein Ringerder mit einer Maschenweite von 10 m x 10 m errichtet. Bei großen Bodenplatten ist ein zusätzlicher Ringerder im Rastermaß von 10 m x 10 m unterhalb der Bodenplatte nicht immer die technisch und wirtschaftlich optimale Lösung. In einem solchen Fall ist es empfehlenswert, den Funktionspotentialausgleichsleiter in der Bodenplatte zur Vermaschung zu verwenden und an den innenliegenden Stahlbeton- oder Stahlstützen zusätzlich Tiefenerder zu errichten. Umlaufend im Bereich der Außenwände wird ein außenliegender oder innenliegender 12 Ringerder realisiert (Bild 6). Die Ausführung des Ringerders ist im Abschnitt Lösung 1 beschrieben. Der Funktionspotentialausgleichsleiter dient der Verteilung des Blitzstromes, dem Blitzschutzpotentialausgleich und der Reduzierung von Schritt- und Berührungsspannungen. Die Maschen des Funktionspotentialausgleichsleiters sind mit dem Vorzugsmaß von 20 m x 20 m unter Beachtung der Lage der Fertigteilstützen zu planen. 13 Der Funktionspotentialausgleichsleiter und der Ringerder sind regelmäßig im Abstand von ≤ 20 m im Bereich der Ableitungen oder sonstigen Anschlussteile miteinander zu verbinden. Die Verbindungsbauteile müssen blitzstromtragfähig sein (Bild 5). Sonstige Festlegungen Bei der Planung und Ausführung von Erdungsanlagen und zugehörigen Anschlussfahnen sind die bautechnischen Besonderheiten zu berücksichtigen und mit den Baufachleuten abzustimmen. Insbesondere muss auf die Überbrückung von Bewegungsfugen und die Abdichtung von Durchführungen durch Beton mit erhöhtem Wassereindringwiderstand geachtet werden. Durchführungen durch Wannenabdichtungen müssen der DIN EN 62561-5 und DIN 18195-9 entsprechen. Fugenprofile aus Stahl (z. B. OMEGA-System) zwischen den Einzelfeldern der Bodenplatte zur Herstellung der Pressfugen (Bewegungsfugen) sind an den Potentialausgleich anzuschließen. Gleiches gilt für andere großflächige elektrisch leitfähige Teile in der Bodenplatte. Lösung 3: Bodenplatte aus Stahlbeton Kommen normale Bodenplatten aus Stahlbeton, ohne irgendwelche Einschränkungen hinsichtlich der Erderwirkung zum Einsatz, so ist ein konventioneller Fundamenterder ausreichend. Hierbei ist zu beachten, dass der Rund- oder Bandstahl vollflächig und ausreichend im Beton eingebettet wird. Seit 2007 ist zudem die regelmäßige Verbindung durch Klemmen oder Schweißen mit dem Betonstahl erforderlich. Die Anschlussfahnen sind vorzugweise mit Edelstahlrunddraht 10 mm herauszuführen. Dieses ermöglicht einen problemlosen Anschluss an die Anschlusspunkte und ist dauerhaft korrosionsbeständig. Dokumentation Da die Erdungs- und Potentialausgleichsanlage mittlerweile deutlich unterschiedlicher und komplexer ausgestaltet werden muss, ist seit 2007 in DIN 18014 eine Dokumentationsverpflichtung aufgenommen worden. So ist zum Beispiel neben allgemeinen Projektangaben der Planer und Errichter festzuhalten. Aber ebenso sind die Ausführungsdetails des Fundament- oder Ringerders sowie des Funktionspotentialausgleichsleiters hinsichtlich Materialauswahl und Abmessungen anzugeben. Zu der Dokumentation gehören des Weiteren Ausführungspläne, Bilddokumentation und Prüfnachweise. Sollte das Gewerk Erdungsanlage durch einen Vorunternehmer erbracht worden sein, so ist der Blitzschutz- oder Elektrofachmann gut beraten, diese Dokumentation von den Bauherren anzufordern. Nur so kann sichergestellt werden, dass die Anlage für die vorgesehenen Zwecke geeignet ist. 14 Messung von Erdungsanlagen Jede Erdungs- und Potentialausgleichsanlage ist vor dem Einbringen von Füllmaterial oder Beton auf die elektrische Durchgängigkeit zu prüfen. In der DIN 18014 wird diese messtechnische Untersuchung seit 2007 gefordert. Die Messung kann mit einem Schutzmaßnahmenprüfgerät entsprechend DIN EN 61557-4 (VDE 0413-4) mit einer Prüfspannung von maximal 24 V und einem Mindestprüfstrom von 200 mA erfolgen. Das Messergebnis ist entsprechend der Leiterlänge, des eingesetzten Materials und des Querschnittes zu beurteilen. Ein Mess- ergebnis unterhalb von 200 mΩ ist zu erreichen. Die genaue Ausführung der Messung ist nicht beschrieben. Werden mehrere Anschlussfahnen realisiert, so ist zwischen den Anschlussfahnen zu messen. Bei einer Anschlussfahne sollte die am weitesten entfernte Strecke gemessen werden (Bild 7). Erdungswiderstand Die Erderwirkung lässt sich durch die Messung des Erdungswiderstands feststellen. Diese Messung sollte zum Abschluss der Baustelle durch die Elektro- oder Blitzschutzfachkraft durchgeführt werden. Die Messung kann nach verschiedenen Messverfahren erfolgen. Eine altbekannte Methode ist die Verwendung einer Erdungsmessbrücke nach DIN EN 61557-5 (VDE 0413-5), eines Hilfserders und einer Sonde. Dieses Messverfahren ist netzspannungsabhängig durchführbar und liefert bei richtiger Anwendung sehr genaue Messergebnisse. Die beiden Erdspieße dürfen sich gegeneinander nicht beeinflussen und müssen aus sämtlichen Beeinflussungsbereichen benachbarter Erder eingebracht werden. So müssen gewisse Abstände zwischen den Erdspießen, Nachbargebäuden, Bahntrassen und der einzumessenden Erdungsanlage eingehalten werden. Die Abstände werden in den Bedienungsanleitungen gerne mit größer 20 m angegeben, können aber je nach Erdungsanlage auch deutlich größer sein. Diese Einschränkung und der damit verbundene Messaufwand führt dazu, dass heutzutage oftmals das Schleifenwiderstandsmess-verfahren nach DIN EN 61557-3 (VDE 0413-3) Verwendung findet. Diese Messmethode ist in vielen Bedienungsanleitungen von Prüfgeräten ggf. unter dem Abschnitt Schleifenwiderstandsmessung oder als sogenannte CityMessmethode zu finden. Hierfür benötigt man einen Niederspannungshausanschluss am 15 öffentlichen Netz. Der Betriebserder des Transformators des Verteilnetzbetreibers (VNB) dient hierbei als Hilfserder. Die Messung kann ohne viel Aufwand in kurzer Zeit erfolgen. Unabhängig von der Messmethode ist es wichtig, dass der Erder keine Verbindung zu dem Hauptschutzleiter oder PEN-Leiter aufweist, da ansonsten die Fehlerschleife zum Transformator gemessen wird. Dieses führt in der Praxis meistens zu Ergebnissen deutlich unterhalb von 1 Ω. Solche Werte sind aber nur bei guten Bodenverhältnissen und ausgedehnten Erdungsanlagen zu erwarten. Grundsätzlich gilt, dass der gemessene Wert im Regelfall lediglich der Beurteilung der Erderwirkung und zum Vergleich in den Folgejahren dient. Einen vorgegebenen Erdungswiderstand findet man nur in den Mittelspannungsregelwerken, Werksnormen und in den Bestimmungen für den Blitzschutz in explosionsgefährdeten Bereichen. Ansonsten gilt grundsätzlich: Form und Abmessungen der Erdungsanlage sind viel wichtiger als ein Messwert. Der erreichbare Erdungswiderstand ist regional sehr unterschiedlich, da er stark von der Art des Bodens und der gespeicherten Feuchtigkeit abhängig ist. Zudem unterliegt die Erdungsanlage einer gewissen jahreszeitlich bedingten Schwankung durch Temperatur und Feuchtigkeit. Wenn die Erdungsanlage notwendig ist, um den Schutz gegen elektrischen Schlag nach DIN VDE 0100-410 im TT-System sicherzustellen, so ist die Einhaltung der Bedingung RA = UL / IDN mit der maximal zulässigen Berührungsspannung (UL) und dem größten Bemessungsdifferenzstrom (IDN) der eingesetzten Fehlerstrom-Schutzeinrichtung (RCD) erforderlich. Der Erdungswiderstand ist in den Blitzschutz- und Elektroprüfprotokollen zu dokumentieren. Wenn die Messbrücke eingesetzt wird, sollte zusätzlich der Standort des Hilfserders und der Sonde festgehalten werden. Besonderheiten Die Normen können nicht alle Bautechniken und Besonderheiten der einzelnen Baustellen berücksichtigen. So kann es sein, dass neue Bauverfahren angewandt werden oder Begriffe wie die „graue Wanne“, den die DIN 18014 nicht kennt, verwendet werden. Aber es kann auch sein, dass die Betonüberdeckung so gering ist, dass keine Stähle auf den Matten verlegt werden können oder, oder … Daher sollten sich Fachleute immer bewusst sein, dass das Schutzziel zu erreichen ist! Hierzu ist es zulässig und teilweise sogar notwendig, von Normen abzuweichen. Es gibt keinen allgemeinen Anwendungszwang für DIN VDE-Bestimmungen und DIN-Normen. Die gewählte Alternative muss eine technisch gleichwertige Lösung aufzeigen. Die Abweichungen von geltenden Regelwerken sind aber immer darzustellen und zu begründen. Eine Abstimmung mit dem Bauherren und ggf. eine Freigabe der Abweichungen ist zusätzlich empfehlenswert, damit es im Nachgang nicht zu Unstimmigkeiten kommt. Quelle: Behrends, Peter und Sven Bonhagen (Hrsg.): Elektrotechnik für Handwerk und Industrie 2017 de-Jahrbuch, Hüthig Verlag, 2016 16 Voltimum GmbH Bergheimer Straße 147 69115 Heidelberg E-Mail: [email protected] Internet: http://www.voltimum.de Copyright © 2017 Voltimum GmbH
