Umfassender Leitfaden zur Dimensionierung von Schaltanlagen-Erdungssystemen

Planung von Erdungs- / Schutzerdungssystemen in einem Schaltanlagen-Gitternetz

Einführung in das Schaltanlagen-Erdungsgitternetz

In Hoch- und Mittelspannungs-^[1] luftisolierten Schaltanlagen (AIS) induziert das elektromagnetische Feld, dessen Ursachen die statischen Ladungen von blanken Kabeln und Leitern sowie atmosphärische Bedingungen (Überspannungen) sind, Spannungen an spannungsfreien Teilen der Anlage, die Potenzialdifferenzen zwischen metallischen Teilen und Erde sowie zwischen verschiedenen Punkten der Erde erzeugen.

Ähnliche Situationen können auftreten, wenn Fehler zwischen spannungsführenden Teilen der Anlage und spannungsfreien Teilen vorliegen, beispielsweise bei Einphasen-Kurzschluss gegen Erde.

Diese Potenzialdifferenzen führen zu Schrittspannung und Berührungsspannung oder einer Kombination aus beiden, die einen Stromfluss durch den menschlichen Körper verursachen können, der gefährlich für Menschen ist.

Berührungsspannung (E_t) ist die maximale Potenzialdifferenz, die zwischen einer geerdeten metallischen Struktur, die mit der Hand berührt werden kann, und einem beliebigen Punkt der Erde besteht, wenn ein Fehlerstrom fließt.

Üblicherweise wird ein Abstand von 1 m zwischen der metallischen Struktur und dem Erdpunkt berücksichtigt.

Schrittspannung (E_s) ist die maximale Potenzialdifferenz, die zwischen den Füßen besteht, wenn ein Fehlerstrom fließt.

Üblicherweise wird ein Abstand von 1 m zwischen den Füßen berücksichtigt.

Ein besonderer Fall der Schrittspannung ist die Übertragene Spannung (E_trrd): dabei wird eine Spannung von oder zu einem entfernten Punkt außerhalb des Schaltanlagengeländes in die Schaltanlage hinein oder aus ihr heraus übertragen.

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Weitere Begriffe sind:

• Erdpotenzialanstieg (GPR): Das maximale elektrische Potenzial, das ein Schaltanlagen-Erdungsgitternetz relativ zu einem fernen Erdungspunkt erreichen kann, der als fernes Erdpotenzial angenommen wird. Diese Spannung, GPR, entspricht dem maximalen Gitterstrom mal dem Gitterwiderstand.
• Maschenspannung (E_m): Die maximale Berührungsspannung innerhalb einer Masche eines Erdungsgitters.
• Metall-zu-Metall-Berührungsspannung (E_mm): Der Potentialunterschied zwischen metallischen Objekten oder Strukturen innerhalb des Schaltanlagengeländes, die durch direkten Hand-zu-Hand- oder Hand-zu-Fuß-Kontakt überbrückt werden können.

Das Diagramm in Abbildung 1 veranschaulicht die oben genannten Phänomene.

Abbildung 1 – Berührungs-, Schritt- und übertragene Spannungen

Um die Ströme durch den menschlichen Körper auf akzeptable Werte zu minimieren, um die elektrische Sicherheit für Personen, die in oder in der Nähe der Anlage arbeiten zu gewährleisten, und auch um eventuelle elektrische Störungen von Drittanlagenteilen zu begrenzen, müssen AIS mit einem Erdungs- (oder Schutzerdungs-) system ausgestattet sein, an das alle metallischen spannungsfreien Teile der Anlage angeschlossen werden müssen, wie metallische Strukturen, Erdungsschalter, Überspannungsableiter, Schaltfeldergehäuse und Motorgehäuse, Transformatorschienen und metallische Zäune.

Da die Erdung Einfluss auf die Höhe von Netzüberspannungen und Fehlerströmen sowie auf die Definition von Schutzsystemen hat, muss das Erdungssystem so dimensioniert werden, dass der ordnungsgemäße Betrieb von Schutzeinrichtungen wie Schutzrelais und Überspannungsableitern sichergestellt ist.

Auslegung und Bau des Erdungssystems müssen gewährleisten, dass das System für die erwartete Lebensdauer der Anlage funktioniert, und daher zukünftige Erweiterungen und den maximalen Fehlerstrom für die Endausbaustufe berücksichtigen.

Das Erdungssystem besteht aus einem Netz aus vergrabenen blanken Kupferkabeln mit zusätzlichen Erderstäben und muss berechnet werden; die Verwendung von IEEE Std. 80-2000 wird empfohlen.

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Wichtige Formeln für die Dimensionierung eines Schaltanlagen-Erdungsgitternetzes

Der Querschnitt des vergrabenen Kabels sollte entsprechend dem Wert des Einphasen-Kurzschlussstroms gegen Erde berechnet werden; es ist jedoch üblich, den dreiphasigen Kurzschlussstrom hierfür zu verwenden.

Für diese Berechnung muss folgende Formel verwendet werden:

Dabei gilt:

• I”_K1 ist der Einphasen-Kurzschlussstrom gegen Erde [A]
• t_s ist die Fehlerdauer [s]
• Δθ ist der maximal zulässige Temperaturanstieg [°C] – für blankes Kupfer Δθ = 150 °C

Gemäß dem genannten IEEE-Standard werden maximal zulässige Schritt- und Berührungsspannung sowie maximal zulässiger Strom durch den menschlichen Körper (I_hb) und der Widerstand des Erdungsgitters (R_g) durch folgende Formeln berechnet:

Maximal zulässige Schrittspannung

Maximal zulässige Berührungsspannung

Maximal zulässiger Strom durch den menschlichen Körper

Widerstand des Erdungsgitters

Dabei gilt:

• C_s ist der Oberflächen-Schicht-Minderungsfaktor und wird durch die Formel berechnet:
• t_s ist die Fehlerdauer [s]
• ρ_s ist der spezifische Widerstand des Oberflächenmaterials [Ω·m] – typischer Wert für nasses Splitt/Kies: 2.500 Ω·m
• ρ ist der spezifische Widerstand des Erdbodens unter dem Oberflächenmaterial [Ω·m]
• h_s ist die Dicke des Oberflächenmaterials [m]
• A ist die vom Erdungsgitternetz eingenommene Fläche [m²]
• l_T ist die gesamte verlegte Leiterlänge, einschließlich der Erderstäbe [m]

Wird keine schützende Oberflächenlage verwendet, dann gilt C_s =1 und ρ_s = ρ

Diese Berechnungen werden in der Regel mit spezieller Software durchgeführt.

Schaltanlagen-Erdungsgitternetz

Abbildung 2 zeigt ein Beispiel für das Erdungsgitternetz.

Abbildung 2 – Erdungsgitternetz

Die am besten geeigneten Methoden für die Verbindung der Erdungsgitternetz-Anschlüsse sind:

a.) Lichtbogenschweißen (Exothermisches Schweißen)

Abbildung 3 – Exothermisches Schweißen

Exothermisches Schweißen ist ein dauerhaftes Verbindungsverfahren für Leiter, das geschmolzenes Metall und Formen verwendet und auf einer chemischen Reaktion zwischen Metalloxiden (der Leiter) und entzündetem Aluminiumpulver basiert, das als Brennstoff wirkt und Wärmeenergie freisetzt. Diese chemische Reaktion ist eine pyrotechnische Zusammensetzung, bekannt als Thermit.

Es muss sichergestellt werden, dass die Anzahl der exothermischen Schweißungen pro Form die Herstellerangaben nicht überschreitet.

• Außerdem lesen: Was ist der Unterschied zwischen Neutralleiter, Schutzleiter und Erde?

b.) C-Verbinder (Crimpverbinder)

Verwendung eines hydraulischen Crimpwerkzeugs und Matrizen mit einer für die Verbindergröße passenden Größe.

Abbildung 4 – C-Verbinder und Crimpwerkzeug

In der Nähe der Steuerkästen von Leistungsschaltern, Schaltern und Trennschaltern muss ein metallischer Potentialausgleichsrost installiert werden, der mit dem Erdsystem verbunden ist, ähnlich dem in Abbildung 5 gezeigten.

Abbildung 5 – Metallischer Potentialausgleichsrost

Wissenswertes:

[1] Dabei ist U_n die Nennspannung des Netzes: HS – U_n ≥ 60 kV; MS – 1 kV < U_n ≤ 49,5 kV.

Über den Autor: Manuel Bolotinha

• Lizentiatsabschluss in Elektrotechnik – Energie- und Kraftwerkssysteme (1974 – Instituto Superior Técnico/Universität Lissabon)
• Masterabschluss in Elektrotechnik und Informatik (2017 – Faculdade de Ciências e Tecnologia/Nova Universität Lissabon)
• Senior Consultant für Umspannwerke und Energiesysteme; Professioneller Ausbilder