Erdungsanlagen in Blitzschutzsystemen: Das müssen Sie wissen

Nach DIN 18014 ist ein Fundamenterder Bestandteil der elektrischen Anlage. Der Fundamenterder darf daher nur von Fachkräften oder unter deren Aufsicht errichtet werden, die die Anforderungen der DIN VDE 1000-10 oder DIN EN 62305-3 (VDE 0185-305-3) erfüllen.

DIN EN 62305-3 (VDE 0185-305-3) Beiblatt 1 führt in Abschnitt E.5.4.3.1 aus: "Der Einbau von Erdungsleitungen und Verbindungsbauteilen in Beton wird von einer Blitzschutz-Fachkraft durchgeführt oder überwacht (Erläuterung zur Blitzschutz-Fachkraft, siehe Vorwort zur DIN EN 62305-3 (VDE 0185-305-3))".

Die Anforderungen an die Planung, Ausführung und Dokumentation eines Fundamenterders sind in DIN 18014 beschrieben:

• Der Fundamenterder muss als geschlossener Ring ausgeführt werden.
• Der Fundamenterder ist in den Fundamenten der Außenwände des Gebäudes oder in der Fundamentplatte anzuordnen und ist vorzugsweise auf der untersten Bewehrungslage zu verlegen.
• Bei größeren Gebäuden müssen Querverbindungen gelegt werden, so dass die vom Fundamenterder umspannte Fläche maximal in etwa 20 m x 20 m große Maschen aufgeteilt wird.
• Verzinkter Bandstahl mit einem Querschnitt von mindestens 30 mm x 3, 5 mm oder verzinkter Rundstahl mit einem Durchmesser von mindestens 10 mm ist als Fundamenterder geeignet.
• Der Fundamenterder muss allseits dicht von Beton umschlossen sein, mindestens 5 cm, damit er vor Korrosion geschützt ist.
• Der Fundamenterder kann flach verlegt werden, wenn die unterste Bewehrungslage des Baustahls vor dem Verfüllen auf Distanzstützen gelagert wurde und der Beton verdichtet (gerüttelt) wird.
• Wird der Beton maschinell verdichtet (z.B. mittels Rüttler), dürfen keine Keilverbinder als Klemmverbindung verwendet werden.
• Der Fundamenterder ist mit der Bewehrung in Abständen von 2 m dauerhaft elektrisch leitend durch Schweißen oder mittels geeigneter Klemmen zu verbinden.

Für Anschlussfahnen außerhalb des Betons sind

• Leitungen aus nichtrostendem Stahl, z.B. Werkstoff-Nr. 1. 4571
• Erdungsfestpunkte oder
• Erdkabel NYY

zu verwenden.

Die Anforderungen an eine Erdungsanlage können vielfältig sein:

• Blitzschutz: Die Erdungsanlage übernimmt den Blitzstrom sicher von den Ableitungen und leitet ihn in das Erdreich ein.
• Schutz vor elektrischem Schlag: Die Erdungsanlage verbindet elektrische Einrichtungen sicher mit dem Erdreich und sorgt im Falle eines elektrischen Fehlers für die Sicherheit von Personen und Systemen.
• Funktions-Erdung: Die Erdungsanlage gewährleitet einen sicheren und möglichst störungsfreien Betrieb von elektrischen und elektronischen Einrichtungen.

Die Erdungsanlage einer baulichen Anlage muss für alle Erdungsaufgaben gemeinsam verwendet werden. Anderenfalls können Potentialdifferenzen auftreten an Einrichtungen, die an unterschiedlichen Erdungsanlagen angeschlossen sind.

Früher wurden z.B. für die Funktions-Erdung der Elektronik eine "saubere Erde" verwendet, die nicht mit der Blitzschutz- und Schutz-Erdung verbunden war. Diese Praxis ist äußerst ungünstig und kann sogar gefährlich werden. Bei Blitzeinschlägen treten sehr große Potentialdifferenzen bis zu einigen 100 kV zwischen den Erdungsanlagen auf, die zu Zerstörungen der elektronischen Einrichtungen und auch zu Personengefährdungen führen können.
Das Konzept der getrennten Erdungen widerspricht außerdem der Forderung nach einem lückenlosen Blitzschutz-Potentialausgleich innerhalb einer baulichen Anlage gemäß DIN EN 62305-3 (VDE 0185-305-3) und ist deshalb grundsätzlich nicht zulässig.

Nur sehr spezielle Einsatzfälle erfordern eine separate Funktions-Erdung der Elektronik. Dann müssen  die hohen Potentialdifferenzen beachtet werden, die bei Fehlern in Energieversorgungssystemen oder durch Blitzeinwirkungen zwischen der Funktionserdung der Elektronik einerseits und der Haupterdungsanlage bzw. dem Blitzschutz-Potentialausgleich andererseits auftreten können.

Um Personengefährdung zu verhindern, müssen die getrennten Erdungsanlagen mittels eines spannungsgesteuerten Kurzschlussschalters miteinander verbunden werden. Dieser stellt im Falle von Überspannungen kurzzeitig eine elektrisch leitfähige Verbindung her, so dass die nach VDE zulässigen Berührungsspannungen nicht überschritten werden.

Im Inneren einer baulichen Anlage kann die Erdung der elektronischen Einrichtungen sowohl sternförmig, zentral als auch vermascht aufgebaut sein. Dies hängt von den Erdungs-Anforderungen der elektronischen Einrichtungen und der zu erwartenden elektromagnetischen Umgebung ab.

Besteht eine größere bauliche Anlage aus mehr als einem Gebäude und existieren elektrische oder elektronische Verbindungsleitungen zwischen diesen, sollten die einzelnen Erdungsanlagen miteinander verbunden werden. Dadurch verringert sich der (Gesamt-) Erdungswiderstand der baulichen Anlage und Potentialdifferenzen zwischen den Gebäuden sinken deutlich. Elektrische und elektronische Verbindungsleitungen zwischen den Gebäuden erfahren eine deutlich niedrigere Spannungsbeanspruchung.

Optimal ist es, wenn durch das Verbinden der einzelnen Erdungsanlagen ein Maschennetz entsteht. Als Knotenpunkte sollten die Punkte an den Gebäuden gewählt werden, wo auch die Ableitungen angeschlossen sind. Je engmaschiger das Erdungs-Maschennetz ausgeführt wird, desto geringer sind bei Blitzeinschlägen die Potentialdifferenzen zwischen den Gebäuden. Die optimale Maschenweite hängt von der Gesamtfläche der baulichen Anlage ab. In der Praxis haben sich Maschenweiten von 10 m x 20 m bis zu 20 m x 40 m als technisch-wirtschaftlich ausgewogen bewährt.

Sind in der baulichen Anlage bevorzugte Blitzeinschlagstellen, z. B. hohe Abluftkamine, vorhanden, sollte das Erdungs-Maschennetz um diese betroffenen Anlagenteile herum enger und möglichst sternförmig mit ringförmigen Querverbindungen angelegt werden (Potentialsteuerung). In der Nähe der elektrischen und elektronischen Verbindungsleitungen zwischen den Gebäuden - möglichst darüber, ansonsten daneben oder darunter -  sollten in jedem Fall Erdungsleitungen als Teil des Erdungs-Maschennetzes verlegt werden. Bei der Materialauswahl für die Leiter des Erdungs-Maschennetzes ist die Korrosionsbeständigkeit zu beachten.

Alle Aufgaben an eine Erdung werden durch eine einzige Erdungsanlage wahrgenommen, um hohe Potentialdifferenzen zwischen den unterschiedlichen geerdeten Einrichtungen zu vermeiden. Die Festlegung einer "sauberen Erde" für die Funktions-Erdung der Elektronik, getrennt von der Blitzschutz- und Schutzerdung, ist ungünstig; sie kann gefährlich sein und verstößt ohne ergänzende Schutzmaßnahmen gegen einschlägige Normen.

Besteht eine bauliche Anlage aus mehreren Gebäuden, sollten die einzelnen Gebäude-Erdungsanlagen durch ein Erdungs-Maschennetz verbunden werden. Diese Maßnahme reduziert deutlich die Potentialdifferenzen zwischen den Gebäuden und damit die Spannungen an den gebäudeübergreifenden elektrischen und elektronischen Verbindungsleitungen.

Wenn von Korrosion die Rede ist, geht es in meist um die elektrochemische Korrosion. Diese kann dann auftreten, wenn zwei Elektroden in einem wässrigen Medium, einem sogenannten Elektrolyten, vorhanden sind. Bei Metallen mit großer Potentialdifferenz in der elektrochemischen Spannungsreihe wird dann das unedlere Metall (Anode) abgetragen.

Korrosion wird verhindert oder zumindest deutlich verringert, wenn mindestens eine Elektrode eine wasserundurchlässige Deckschicht bildet, wie sie zum Beispiel bei Blei und hochlegiertem Edelstahl bekannt ist.

Werkstoff-Kombinationen

Bei der Errichtung von Fangeinrichtungen und Ableitungen können unterschiedliche Werkstoffe genutzt werden - im Blitzschutzsystem selbst als auch bei dessen Verbindung mit Konstruktionsteilen. Es muss geprüft werden, ob bei den verwendeten Werkstoff-Kombinationen Korrosionsgefahr vorliegt und somit zusätzliche Maßnahmen notwendig sind.

Unter der Voraussetzung, dass keine besonderen aggressiven Umwelteinflüsse zu berücksichtigen sind, haben sich in der Praxis die in Tabelle genannten Werkstoff-Kombinationen bewährt.

• Kupfer: scheidet wegen der "Aggressivität" gegenüber anderen unedleren Metallen in der Regel als Erder aus. Ausnahmen sind Erdungsanlagen in geschlossenen Gebieten z. B. Kraftwerken und Umspannstationen.
• Aluminium: darf nicht als Erderwerkstoff verwendet werden!
• Feuerverzinkter Stahl in Beton: ist bei einer Betonumhüllung = 5 cm als Fundamenterder geeignet (siehe auch DIN 18014:2014-03), wenn der folgende Abschnitt beachtet wird.
• Feuerverzinkter Stahl in Erdreich: In den letzten Jahren wird häufiger festgestellt, dass in modernen Baugebieten mit stark eisenarmierter Bauweise Korrosionsschäden an verzinkten Erdern im Erdreich aufgetreten sind. Ursache ist das Verbinden* von verzinkten Erdern, die im Erdboden verlegt sind, mit einem Fundamenterder, der elektrischen Kontakt mit der Eisenarmierung im Fundament hat.
  Deshalb gilt: Bei Bodenplatten mit Eisenarmierung ist ein verzinkter Erder im Erdreich nicht zulässig! Im Erdreich muss ein höherwertiger Erderwerkstoff, zum Beispiel hochlegierter Edelstahl mit mindestens 2 % Molybdängehalt (z.B. Werkstoff Nr. 1.4571), zum Einsatz kommen. Dieser Edelstahl bildet bei einem Mindestangebot an Luft eine ausreichende Deckschicht und ist dadurch weitgehend neutral zu anderen - edleren oder unedleren - Werkstoffen.

*Erklärung: Durch die Notwendigkeit des Potentialausgleichs wird auch die Armierung miteinander verbunden. Bei Vorhandensein eines verzinkten Erders in der Armierung und eines verzinkten Erders im Erdreich liegen zwei werkstoffgleiche Elektroden in zwei unterschiedlichen Elektrolyten vor. Durch einen Polarisationsvorgang (Verschiebung des Normpotentials) der Elektrode in dem Elektrolyten mit der höheren Metallionen-Konzentration zu positiveren Werten entsteht eine Potenzialdifferenz. Das Eisen im Beton nimmt ein Potential ähnlich wie Kupfer an. Die Elektrode mit dem negativeren Potential, das verzinkte Eisen im Erdreich, wird durch Korrosion zerstört.

Bei den meisten Fundamenten oder Kellergeschossen werden heute zur Energieeinsparung oder zur Vermeidung von eindringendem Wasser eine Isolierung durchgeführt oder spezielle Betonsorten verwendet. Typische Bezeichnungen für derartige Bauweisen sind Schwarze Wanne (Bitumenabdichtung), Weiße Wanne (Ausführungen mit wasserundurchlässigem (WU-) Beton) oder Perimeter-Dämmung. Elektrisch gesehen erhöht sich dabei der Erdübergangswiderstand zwischen dem innenliegenden Fundamenterder und dem umgebenden Erdreich.
In diesen Fällen ist zur elektrischen Erdung in der Sauberkeitsschicht unterhalb der Fundamentplatte ein Maschenerder mit einer Maschenweite kleiner 10 m x 10 m und gegebenenfalls ein Ringerder zu errichten (siehe DIN 18014:2014-03 und VDE 0185-305-3:2011-10, Abschn. E.5.4.3.2). Als Werkstoff für den Maschenerder ist z.B. hochlegierter Edelstahl, Werkstoff Nr. 1.4571 geeignet. Feuerverzinktes Material ist nicht zulässig.

Ein besonderes Augenmerk muss auf die Anschlussfahnen des Fundamenterders gelegt werden. Die kritische Stelle ist direkt am Austritt in den Erdboden. Hier besteht lokal Korrosionsgefahr durch ein erhöhtes Angebot von Wasser und Sauerstoff.
In der Praxis haben sich Anschlussfahnen z. B. aus hochlegiertem Edelstahl und Erdkabel 1 x 50 mm² bewährt. In der modernen Schalungsbauweise sind Erdungsfestpunkte optimal, die mit der Schalung vor dem Betonieren in die Armierung eingebracht werden.