Elektrische Erdung erklärt: Methoden, Arten & Installationsrichtlinien

Elektrische Erdung – Komponenten, Methoden & Arten der Erdung – Elektrische Erdungsinstallation

Elektrische Erdung, Grounding, Methoden der Erdung, Arten der Erdung, Komponenten der Erdung und deren Spezifikationen im Hinblick auf elektrische Erdung für elektrische Installationen.

Was ist elektrische Erdung oder Grounding?

Das Verbinden der metallischen (leitfähigen) Teile eines elektrischen Geräts oder einer Installation mit der Erde (Ground) nennt man Erdung oder Grounding.

Anders ausgedrückt: Das Verbinden der metallischen Teile elektrischer Maschinen und Geräte mit der Erdenplatte oder dem Erdungselektroden (die im feuchten Erdreich vergraben sind) über einen dicken Leiterdraht (sehr geringer Widerstand) zu Sicherheitszwecken wird als Erdung oder Grounding bezeichnet.

Erden bedeutet, den Teil elektrischer Apparate wie metallische Ummantelungen, Erdungsanschlüsse von Steckdosenkabeln, Spannseile, die keinen Strom führen, mit der Erde zu verbinden. Erdung kann auch als Verbindung des Neutralpunkts eines Stromversorgungssystems mit der Erde definiert werden, um Gefahren bei Entladung elektrischer Energie zu vermeiden oder zu minimieren.

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Unterschied zwischen Earthing, Grounding und Bonding

Lassen Sie mich die Verwirrung zwischen Earthing, Grounding und Bonding klären.

Earthing und Grounding sind Synonyme für Erdung. Grounding ist der in Nordamerika (Standards wie IEEE, NEC, ANSI, UL) gebräuchliche Begriff, während Earthing in Europa, Commonwealth-Ländern und britischen Standards (IS, IEC) verwendet wird.

Bonding bezeichnet das Verbinden zweier Leiter (sowie Rohre oder Geräte). Es verbindet metallische Teile verschiedener Maschinen, die im Normalbetrieb keinen Strom führen, um sie auf das gleiche elektrische Potential zu bringen.

Warum ist Erdung wichtig?

Der Hauptzweck der Erdung ist, die Gefahr von Stromschlägen, Bränden durch Erdschlussströme auf unerwünschten Wegen zu vermeiden oder zu minimieren und sicherzustellen, dass das Potential eines stromführenden Leiters nicht über seine vorgesehene Isolierung hinaus gegenüber der Erde ansteigt.

Wenn der metallische Teil eines elektrischen Geräts (Teile, die Strom leiten können) mit einem spannungsführenden Leiter in Berührung kommt – etwa durch Installationsfehler oder Kabelisolationsfehler – wird das Metall geladen und statische Ladung sammelt sich an. Berührt eine Person ein solches geladenes Metall, resultiert ein schwerer Schlag.

Um solche Fälle zu vermeiden, müssen Stromversorgungssysteme und Geräteteile geerdet werden, um die Ladung direkt in die Erde abzuleiten. Deshalb benötigen wir elektrische Erdung oder Grounding in elektrischen Installationssystemen.

Nachfolgend die grundlegenden Erfordernisse der Erdung:

• Schutz von Menschenleben sowie Sicherheit für elektrische Geräte und Apparate vor Leckströmen.
• Spannung im fehlerfreien Leiter konstant halten (falls ein Fehler an einer Phase auftritt).
• Schutz von elektrischen Systemen und Gebäuden vor Blitzschlag.
• Dienung als Rückleiter in elektrischen Bahnsystemen und der Kommunikation.
• Vermeidung von Brandgefahr in elektrischen Installationssystemen.

Verschiedene Begriffe in der elektrischen Erdung

• Erde: Die ordnungsgemäße Verbindung zwischen elektrischen Installationssystemen über einen Leiter zur vergrabenen Platte in der Erde.
• Geerdet: Wenn ein elektrisches Gerät, Apparat oder Verdrahtungssystem über die Erdungselektrode mit der Erde verbunden ist.
• Solidly Earthed (Direkt geerdet): Wenn ein elektrisches Gerät, Apparat oder eine Installation ohne Sicherung, Leitungsschutzschalter oder Widerstand/Impedanz mit der Erdungselektrode verbunden ist.
• Erdungselektrode: Ein Leiter (oder leitfähige Platte), der im Erdreich für das elektrische Erdungssystem vergraben ist. Formen: leitfähige Platte, Stab, Metallwasserrohr oder anderer Leiter mit geringem Widerstand.
• Erdungsableiter (Earthing Lead): Der Leiterdraht oder leitfähige Streifen, der zwischen Erdungselektrode und elektrischem Installationssystem bzw. Geräten verbunden ist.
• Erdungsleiter (Earth Continuity Conductor): Der Leiterdraht, der verschiedene elektrische Geräte und Apparate miteinander verbindet (Verteilerkasten, Steckdosen, Geräte etc.). Der Draht zwischen Erdungsableiter und elektrischem Gerät/Apparat. Kann als Metallrohr (voll/teilweise), Kabelmetallmantel oder flexibler Draht ausgeführt sein.
• Sub-Haupt-Erdungsleiter: Ein Draht zwischen Schalttafel und Verteilerkasten, der zu den Unterhauptkreisen gehört.
• Erdwiderstand: Der Gesamtwiderstand zwischen Erdungselektrode und Erde in Ω (Ohm). Die algebraische Summe der Widerstände von Erdungsleiter, Erdungsableiter, Erdungselektrode und Erde.

Zu erdene Punkte

Erdung wird nicht willkürlich durchgeführt. Nach IE-Regeln und IEE-Vorschriften (Institute of Electrical Engineers):

• Erdungsstift von 3-poligen Beleuchtungssteckdosen und 4-poligen Kraftsteckdosen muss wirksam und dauerhaft geerdet sein.
• Alle Metallgehäuse oder metallischen Ummantelungen, die elektrische Versorgungsleitungen oder Apparate enthalten/schützen (GI-Rohre und Leitungen für VIR- oder PVC-Kabel, eiserne Schalter, eiserne Verteiler-Sicherungsbretter etc.) müssen geerdet sein.
• Der Rahmen jedes Generators, stationärer Motoren und metallische Teile aller Transformatoren zur Energiesteuerung müssen an zwei getrennten, eindeutigen Stellen mit der Erde verbunden sein.
• In einem DC-3-Leiter-System muss der Mittelleiter am Erzeugerwerk geerdet werden.
• Spannseile für Freileitungen müssen durch Verbinden mindestens eines Strangs mit dem Erddraht geerdet werden.

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Komponenten des Erdungssystems

Ein vollständiges elektrisches Erdungssystem besteht aus folgenden Grundkomponenten:

• Erdungsleiter (Earth Continuity Conductor)
• Erdungsableiter (Earthing Lead)
• Erdungselektrode (Earth Electrode)

Erdungsleiter / Erddraht

Der Teil des Erdungssystems, der alle metallischen Teile der elektrischen Installation miteinander verbindet: Leitungen, Kanäle, Kästen, metallische Schaltergehäuse, Verteilerbretter, Schalter, Sicherungen, Regel- und Steuereinrichtungen, metallische Teile elektrischer Maschinen (Motoren, Generatoren, Transformatoren) und das metallische Gerüst, an dem elektrische Geräte und Komponenten montiert sind.

Der Widerstand des Erdungsleiters ist sehr gering. Nach IEEE-Regeln darf der Widerstand zwischen Verbraucher-Erdanschluss und Ende des Erdungsleiters 1 Ω nicht überschreiten. Einfach gesagt: Widerstand des Erddrahts sollte unter 1 Ω liegen.

Die Größe des Erdungsleiters hängt von der Kabelgröße in der Verdrahtungsschaltung ab.

Größe des Erdungsleiters

Der Querschnitt des Erdungsleiters sollte nicht kleiner als die Hälfte des Querschnitts des dicksten Drahts in der elektrischen Installationsverkabelung sein.

Üblicherweise wird blanker Kupferdraht der Größe 3 SWG als Erdungsleiter verwendet. Aber: Nicht kleiner als 14 SWG als Erddraht verwenden. Kupferband kann statt blankem Kupferdraht verwendet werden, aber nur, wenn der Hersteller es empfiehlt.

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Erdungsableiter / Erdungsverbindung

Der Leiterdraht, der zwischen Erdungsleiter und Erdungselektrode bzw. Erdenplatte verbunden ist, heißt Erdungsverbindung oder „Erdungsableiter“. Der Punkt, an dem Erdungsleiter und Erdungselektrode zusammentreffen, ist der „Anschlusspunkt“.

Der Erdungsableiter ist der letzte Teil des Erdungssystems, der mit der Erdungselektrode (unterirdisch) über den Erdanschlusspunkt verbunden ist.

Es sollten minimale Verbindungen im Erdungsableiter vorhanden sein, zudem gering im Querschnitt und geradlinig in der Richtung.

Üblicherweise kann Kupferdraht als Erdungsableiter verwendet werden, aber Kupferband eignet sich für hohe Installationen und kann höhere Fehlerströme aufgrund der größeren Fläche ableiten.

Hartgezogener blanker Kupferdraht wird auch als Erdungsableiter verwendet. Dabei werden alle Erdungsleiter an einen gemeinsamen (ein oder mehrere) Anschlusspunkte angeschlossen, und der Erdungsableiter verbindet die Erdungselektrode (Erdplatte) mit dem Anschlusspunkt.

Zur Erhöhung des Sicherheitsfaktors werden zwei Kupferdrähte als Erdungsableiter verwendet, um den metallischen Gerätekörper mit der Erdungselektrode oder Erdplatte zu verbinden. Werden zwei Erdungselektroden/Erdplatten verwendet, gäbe es vier Erdungsableiter. Dies sind keine Parallelwege für Fehlerströme – beide Pfade müssen ordnungsgemäß funktionieren, um den Fehlerstrom zu tragen, was für bessere Sicherheit wichtig ist.

Größe des Erdungsableiters

Die Größe bzw. der Querschnitt des Erdungsableiters sollte nicht kleiner als die Hälfte des dicksten Drahts in der Installation sein.

Maximale Größe für Erdungsableiter: 3 SWG, Mindestgröße: nicht kleiner als 8 SWG. Wird 37/.083 Draht verwendet oder beträgt der Laststrom 200 A ab Versorgungsspannung, wird Kupferband statt doppelter Erdungsableiter empfohlen. Die Anschlussmethoden sind in der obigen Abbildung dargestellt.

Hinweis: Wir werden einen weiteren Artikel über Erdplattengröße mit einfachen Berechnungen veröffentlichen – bleiben Sie dran.

Erdungselektrode / Erdplatte

Eine metallische Elektrode oder Platte, die in der Erde (unterirdisch) vergraben ist und den letzten Teil des elektrischen Erdungssystems bildet. Kurz: Der endgültige unterirdische metallische (Platten-)Teil des Erdungssystems, der mit dem Erdungsableiter verbunden ist, heißt Erdplatte oder Erdungselektrode.

Eine metallische Platte, ein Rohr oder ein Stab kann als Erdungselektrode dienen, der sehr geringen Widerstand hat und den Fehlerstrom sicher zur Erde (Ground) ableitet.

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Größe der Erdungselektrode

Sowohl Kupfer als auch Eisen können als Erdungselektrode verwendet werden.

Größe der Erdungselektrode (Kupfer):

2×2 ft (zwei Fuß breit und lang) und 1/8 Zoll Dicke. Also 2′ × 2′ × 1/8″ (600×600×300 mm).

Bei Eisen:

2′ × 2′ × ¼″ = 600×600×6 mm

Empfohlen: Erdungselektrode in feuchtem Erdreich vergraben. Falls nicht möglich, Wasser in das GI-Rohr (Verzinktes Eisen) geben, um Feuchtigkeit herzustellen.

In der Erdungsanlage die Erdungselektrode senkrecht (unterirdisch) einbringen (wie oben gezeigt). Zudem eine ca. 1 Fuß (≈ 30 cm) Schicht aus pulverisierter Holzkohle und Kalk um die Erdplatte legen (Erdungselektrode und Erdplatte sind dasselbe).

Dies vergrößert die effektive Größe der Erdungselektrode, verbessert die Kontinuität im Erdreich und hält die Feuchtigkeit um die Erdplatte.

P.S.: Wir werden ein Berechnungsbeispiel zur Erdungselektroden-Dimensionierung veröffentlichen – bleiben Sie dran.

Wissenswert:

Keinen Koks (nach Verbrennen von Kohle im Ofen verbleibende 88 % Kohlenstoff) oder Steinkohle statt Holzkohle verwenden – dies verursacht Korrosion an der Erdplatte.

Da der Grundwasserspiegel regional unterschiedlich ist, variiert die Einbautiefe der Erdungselektrode. Aber: Die Tiefe sollte nicht weniger als 10 ft (3 Meter) betragen und 1 Fuß (304,8 mm) unter dem konstanten Wasserspiegel liegen.

Motoren, Generatoren, Transformatoren etc. sollten an zwei verschiedenen Stellen mit der Erdungselektrode verbunden werden.

Erdplatten- / Erdungselektrodengröße für kleine Installationen

Bei kleinen Installationen: Metallstab (Durchmesser = 25 mm / 1 Zoll, Länge = 2 m / 6 ft) statt Erdplatte verwenden. Der Metallrohr sollte 2 Meter unter der Erdoberfläche liegen. Zur Feuchthaltung 25 mm (1 Zoll) Kohle-Kalk-Gemisch um die Erdplatte geben.

Für Effektivität und Komfort: Kupferstäbe 12,5 mm (0,5 Zoll) bis 25 mm (1 Zoll) Durchmesser und 4 m (12 ft) Länge. Die Installationsmethode der Staberder wird später besprochen.

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Methoden und Arten der elektrischen Erdung

Erdung kann auf verschiedene Arten durchgeführt werden. Die verschiedenen Methoden bei der Erdung (Hausverkabelung, Fabrik und andere verbundene elektrische Geräte und Maschinen) werden wie folgt besprochen.

Plattenerdung (Plate Earthing):

Bei der Plattenerdung wird eine Platte aus Kupfer (Abmessungen 60 cm × 60 cm × 3,18 mm / 2 ft × 2 ft × 1/8 in) oder verzinktem Eisen (GI) (60 cm × 60 cm × 6,35 mm / 2 ft × 2 ft × ¼ in) senkrecht in die Erde (Erdgrube) vergraben, die nicht weniger als 3 m (10 ft) unter Geländeniveau liegen sollte.

Für ein ordnungsgemäßes Erdungssystem die oben genannten Schritte (Erdplatten-Einführung) befolgen, um Feuchtigkeit um die Erdungselektrode/Erdplatte zu erhalten.

Rohrerdung (Pipe Earthing):

Ein verzinktes Stahlrohr mit Löchern in zugelassener Länge und Durchmesser wird senkrecht in feuchten Boden eingebracht. Dies ist das gängigste Erdungssystem.

Die Rohrgröße hängt von der Stromstärke und Bodenart ab. Üblich: 40 mm (1,5 in) Durchmesser, 2,75 m (9 ft) Länge für normalen Boden; bei trockenem/steinigem Boden größer. Die Bodenfeuchte bestimmt die Einbautiefe, meist 4,75 m (15,5 ft).

Staberder (Rod Earthing)

Ähnlich wie Rohrerdung. Ein Kupferstab von 12,5 mm (1/2 Zoll) Durchmesser oder 16 mm (0,6 in) verzinkter Stahl bzw. Hohlprofil 25 mm (1 Zoll) GI-Rohr mit Länge über 2,5 m (8,2 ft) wird manuell oder mit Presslufthammer senkrecht in die Erde getrieben. Die Einbetonlänge der Elektroden im Boden reduziert den Erdwiderstand auf den gewünschten Wert.

Erdung über Wasserrohr (Waterman)

Hier werden Wasserrohre (verzinktes GI) für Erdungszwecke verwendet. Widerstand der GI-Rohre prüfen und Erdungsklemmen verwenden, um den Widerstand für ordnungsgemäße Erdungsverbindung zu minimieren.

Wird Litzenleiter als Erddraht verwendet, die Enden der Litzen reinigen und sicherstellen, dass sie gerade und parallel liegen, um sie fest mit dem Wasserrohr zu verbinden.

Band- oder Drahterdung (Strip or Wire Earthing):

Band-Elektroden mit Querschnitt nicht kleiner als 25 mm × 1,6 mm (1 in × 0,06 in) werden in horizontalen Gräben von mindestens 0,5 m Tiefe verlegt. Bei Kupfer mit 25 mm × 4 mm (1 in × 0,15 in) Querschnitt bzw. 3,0 mm² bei verzinktem Eisen/Stahl.

Bei Rundleitern sollte der Querschnitt nicht zu klein sein: < 6,0 mm² bei verzinktem Eisen/Stahl. Die im Boden verlegte Leiterlänge sollte einen ausreichenden Erdwiderstand ergeben und nicht weniger als 15 m betragen.

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Allgemeine Methode der elektrischen Erdungsinstallation (Schritt für Schritt)

1. Zuerst eine 5×5 ft (1,5×1,5 m) Grube ca. 20–30 ft (6–9 m) tief ausheben. (Tiefe und Breite hängen von Bodenbeschaffenheit und -struktur ab.)
2. Eine passende (üblicherweise 2′ × 2′ × 1/8″ / 600×600×300 mm) Kupferplatte in dieser Grube senkrecht vergraben.
3. Erdungsableiter fest über Muttern und Schrauben an zwei verschiedenen Stellen der Erdplatte anschließen.
4. Zwei Erdungsableiter pro Erdplatte verwenden (bei zwei Erdplatten) und festziehen.
5. Zum Korrosionsschutz Fett um die Verbindungen geben.
6. Alle Drähte in einem Metallrohr von der Erdungselektrode(n) sammeln. Rohr muss 1 ft (30 cm) über Erdoberfläche ragen.
7. Zur Feuchthaltung 1 ft (30 cm) Schicht pulverisierter Holzkohle (Holzkohlepulver) und Kalkgemisch um die Erdplatte geben.
8. Drahtenden mit Kabelschuhen und Muttern fest an Maschinenfundamentplatten anschließen. Jede Maschine an zwei verschiedenen Stellen erden. Mindestabstand zwischen zwei Erdungselektroden: 10 ft (3 m).
9. Erdungsleiter, der mit Gehäuse und metallischen Teilen aller Installationen verbunden ist, fest mit Erdungsableiter verbinden. Durchgangsprüfung durchführen.
10. Zum Schluss (aber nicht weniger wichtig): Gesamtes Erdungssystem mit Erdtester prüfen. Wenn alles planmäßig verläuft, Grube mit Erde verfüllen. Maximal zulässiger Erdwiderstand: 1 Ω. Liegt er höher, Querschnitt (nicht Länge) von Erdungsableiter und Erdungsleitern vergrößern. Rohrenden offen halten und regelmäßig Wasser nachgießen, um Feuchtigkeit um die Erdungselektrode zu erhalten – wichtig für besseres Erdungssystem.

SI-Spezifikation für Erdung

Verschiedene Spezifikationen bezüglich Erdung gemäß indischen Standards (wenige Beispiele):

• Eine Erdungselektrode sollte nicht in der Nähe des zu erdenenden Gebäudes installiert werden – mindestens 1,5 m Abstand.
• Der Erdwiderstand sollte niedrig genug sein, um einen ausreichenden Stromfluss für das Auslösen von Schutzrelais oder das Durchbrennen von Sicherungen zu bewirken. Der Wert ist nicht konstant (wetterabhängig durch Feuchtigkeit), aber nicht unter 1 Ohm.
• Erddraht und Erdungselektrode sollten aus demselben Material bestehen.
• Die Erdungselektrode sollte immer senkrecht im Erdreich/Grube platziert werden, um Kontakt mit allen Erdschichten zu haben.

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Gefahren bei fehlender Erdung eines Versorgungsnetzes

Wie bereits betont, dient die Erdung dazu:

• Elektroschocks zu vermeiden
• Brandgefahr durch Erdschlussströme auf unerwünschten Wegen zu vermeiden
• Sicherzustellen, dass kein stromführender Leiter ein Potential gegenüber der allgemeinen Erdmasse erreicht, das seine vorgesehene Isolierung übersteigt.

Wenn übermäßiger Strom nicht geerdet wird, werden Geräte ohne Sicherungsschutz beschädigt. Übermäßige Ströme werden an ihren Erzeugerstationen geerdet, weshalb Erddrähte sehr wenig oder gar keinen Strom führen. Es ist daher nicht notwendig, irgendeinen der Drähte (Phase, Erde, Neutralleiter) in einem PVC-Kabel zu erden. Das Erden des Phasenleiters wäre katastrophal.

Ich habe einen Fall gesehen, bei dem eine Person getötet wurde, weil ein Phasendraht vom Mast abriss und auf nassen Boden fiel. Übermäßiger Strom wird an Erzeugerstationen geerdet; bei Erdungsfehler helfen Erdfehlerunterbrecher. Sicherungen helfen nur, wenn die übertragene Leistung die Nennleistung der Geräte übersteigt – sie unterbrechen den Strom und schützen die Geräte.

In unseren elektrischen Geräten würden wir ohne Erdung bei Überschussströmen schwere Schläge erleiden. Erdung in Geräten erfolgt nur bei Fehlern und schützt uns vor Gefahr. Wenn in einer elektrischen Installation ein metallisches Teil eines Geräts direkt mit einem Phasendraht in Kontakt kommt (durch Installationsfehler oder sonstiges), wird das Metall geladen und statische Ladung sammelt sich an.

Berühren Sie das Metall in diesem Moment, erhalten Sie einen Schlag. Ist das Metall geerdet, wird die Ladung in die Erde abgeleitet statt sich anzusammeln. Strom fließt nicht durch Erddrähte in Geräten – nur bei Problemen, um unerwünschten Strom zur Erde zu leiten und uns vor schwerem Schlag zu schützen.

Zusätzlich: Berührt ein Phasendraht versehentlich (in fehlerhaftem System) den metallischen Teil einer Maschine und ein Mensch fasst diesen an, fließt Strom durch dessen Körper zur Erde – er wird elektrisiert, was zu schweren Verletzungen oder Tod führen kann. Deshalb ist Erdung so wichtig?

Elektrische Erdung & Grounding… Fortsetzung folgt…

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