Normen für Erdungsanlagen

Für die Erdungsanlagen einer Onshore-WEA mit integrierter Mittelspannungsanlage sind nachfolgende Normen Basis für deren Errichtung:

• DIN EN 61400-24 (VDE 0127-24): Windenergieanlagen – Teil 24: Blitzschutz; IEC 61400-24
• DIN VDE 0100-540: Errichten von Niederspannungsanlagen – Teil 5-54: Auswahl und Errichtung elektrischer Betriebsmittel – Erdungsanlagen und Schutzleiter; IEC 60364-5-54
• IEC 61936-1 (VDE 0101-1): Starkstromanlagen mit Nennwechselspannungen über 1 kV – Teil 1
• DIN EN 62305-3 (VDE 0185-305-3): Blitzschutz; Teil 3: Schutz von baulichen Anlagen und Personen; IEC 62305-3
• DIN 18014: Fundamenterder

DIN 18014: Fundamenterder

Die prinzipielle Ausführung eines Fundamenterders wird in der DIN 18014 erläutert. Insbesondere sind in dieser DIN-Norm die Ausführungsformen des Erders bei Wannenabdichtungen, z. B. Weiße Wanne, Schwarze Wanne und Perimeterdämmung, erläutert. Bei Ausführung einer baulichen Anlage mit Blitzschutz sind darüber hinaus die ergänzenden Festlegungen der VDE 0185-305-3 zu beachten.

Der Fundamenterder gilt als Bestandteil der elektrischen Anlage (DIN 18014, Abs. 4) und erfüllt wesentliche Sicherheitsfunktionen. Seine Errichtung muss deshalb durch eine Elektrofachkraft (Blitzschutzfachkraft) oder unter Aufsicht einer Elektrofachkraft erfolgen. Der Fundamenterder ist als geschlossener Ring auszuführen und in den Fundamenten der Außenwände des Gebäudes oder in der Fundamentplatte entsprechend DIN 18014, Abs. 5.1 anzuordnen.

Erdungsanlage

Die Aufgaben der Erdungsanlage der Windenergieanlage sind:

• Schutz-Erdung mit der Aufgabe, elektrische Einrichtungen sicher mit dem Erdpotential zu verbinden und im Falle eines elektrischen Fehlers für die Sicherheit der Personen und Sachwerte zu sorgen.
• Funktions-Erdung mit der Aufgabe, einen sicheren und möglichst störungsfreien Betrieb von elektrischen und elektronischen Einrichtungen zu gewährleisten.
• Blitzschutz-Erdung mit der Aufgabe, den Blitzstrom sicher von den Ableitungen zu übernehmen und in das Erdreich abzuleiten.

Vom Standpunkt des Blitzschutzes ist eine einzige, gemeinsame Erdungsanlage der WEA für alle Zwecke vorteilhaft (z. B. Mittelspannungsanlage, Niederspannungsversorgung, Blitzschutz, Elektromagnetische Verträglichkeit, Telekommunikations- und Steuersysteme), um die aufgeführten Aufgaben zu übernehmen.
Dafür sollten vorrangig die Fundamente der WEA aus bewehrtem Beton als Fundamenterder genutzt werden. Sie ergeben einen niedrigen Erdungswiderstand und stellen eine ausgezeichnete Basis des Potentialausgleichs dar.

Aufgrund der Installation eines Mittelspannungstrafos in der WEA muss deren Erdungsanlage der DIN EN 61936-1 (VDE 0101-1) entsprechen. Wie in der Blitzschutznorm DIN EN 62305-3 (VDE 0185-305 Teil 3) werden in der DIN EN 61936-1 (VDE 0101-1) auch alle Arten der Erder beschrieben, wobei der Fundamenterder als effektivster Erder bezeichnet wird.

Die Auslegung von Erdungsanlagen nach DIN EN 61936-1 (VDE 0101-1) muss vier Anforderungen erfüllen:

• Die mechanische Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit muss gesichert sein.
• Höchster Fehlerstrom (üblicherweise errechnet) muss aus thermischer Sicht beherrscht werden.
• Die Beschädigung von Sach- und Betriebsmitteln muss vermieden werden.
• Die Sicherheit von Personen im Hinblick auf Spannungen an Erdungsanlagen, die während des höchsten Erdfehlerstroms auftreten, muss gewährleistet sein.

Demzufolge sind für die Bemessung der Erdungsanlage folgende Parameter von Bedeutung:

• Beschaffenheit des umgebenden Erdreichs
• Art der Sternpunktbehandlung und daraus resultierende Kurzschlussströme im Fehlerfall

In einer Anlage, in der unterschiedliche Nennspannungen verwendet werden, sind die Anforderungen für jede Spannungsebene zu erfüllen. Gleichzeitige Fehler in galvanisch getrennten Netzen brauchen nicht betrachtet zu werden.
Der Neutral- oder PEN-Leiter des Niederspannungsnetzes kann dann mit der Erdungsanlage des Mittelspannungsnetzes verbunden werden, wenn während eines Erdfehlers in der Mittelspannungsanlage folgende Bedingungen erfüllt sind:

• Im Niederspannungsnetz oder in den angeschlossenen Verbraucheranlagen treten keine gefährlichen Berührungsspannungen auf.
• Die Höhe der Spannungsbeanspruchung der Niederspannungsgeräte in den Verbraucheranlagen überschreitet nicht die in DIN VDE 0100-410 angegebenen möglichen Werte als Folge eines Potentialanstiegs am Niederspannungssternpunkt.

Die Mittelspannungs-Erdungsanlage sollte auch für den Blitzschutz verwendet werden.

Es sollte ein Lageplan des Erdungsnetzes erstellt werden, in dem das Material, die Lage der Erder, ihre Verzweigungspunkte und die Verlegungstiefe eingetragen sind. Vor der Inbetriebnahme sollte ein Prüfprotokoll erstellt werden, in dem nachgewiesen wird, dass alle Anforderungen der zu beachtenden Normen erfüllt wurden.

Der in der Blitzschutznorm DIN EN 62305-3 (VDE 0185-305-3) geforderte Erdungswiderstand liegt bei ≤ 10 Ω.

Fundamenterder

Der Fundamenterder ist sowohl in technischer als auch in wirtschaftlicher Hinsicht vorteilhaft. Fundamenterder sind nach DIN 18014 auszulegen und auszuführen.

Gefordert wird der Fundamenterder in den Technischen Anschlussbedingungen (TAB) der Verteilungsnetzbetreiber (VNB).
Der Fundamenterder gilt als Bestandteil der elektrischen Anlage (DIN 18014, Abs. 4) und erfüllt wesentliche Sicherheitsfunktionen. Seine Errichtung muss deshalb durch eine Elektrofachkraft oder unter Aufsicht einer Elektrofachkraft erfolgen.

Der Fundamenterder ist als geschlossener Ring auszuführen und in den Fundamenten der Außenwände des Gebäudes oder in der Fundamentplatte entsprechend DIN 18014 anzuordnen. Der Fundamenterder muss so angeordnet werden, dass er allseitig von mindestens 5 cm Beton umschlossen wird. Als Werkstoff für den Fundamenterder ist Stahl zu verwenden. Der Stahl kann sowohl verzinkt als auch unverzinkt ausgeführt sein. Es kann Rund- oder Bandstahl verwendet werden.

• Rundstahl mit mindestens 10 mm Durchmesser
• Bandstahl mit Mindestabmessungen von 30 mm x 3,5 mm

Es ist eine Verbindung über ein Anschlussteil zwischen Fundamenterder und Haupterdungsschiene (HES) in der WEA (Bild 9.24.1) herzustellen.
Nach der Blitzschutznorm DIN EN 62305-3 (VDE 0185-305-3) muss ein Fundamenterder Anschlussfahnen für den Anschluss der Ableitungen des äußeren Blitzschutzes an die Erdungsanlage erhalten (Bild 9.24.1 und Bild 9.24.2).

Bei bewehrten Fundamenten, wie sie bei WEA verwendet werden, wird der Rund- oder Bandstahl auf der unteren Bewehrungslage eingebracht (Bild 9.24.3, Bild 9.24.4 und Bild 9.24.5). Er ist mit der Bewehrung in Abständen von 2 m sicher elektrisch leitend zu verbinden. Als Verbindungen sind Schweiß-, Klemm- oder Pressverbindungen zulässig. Wird der Beton maschinell verdichtet (z. B. mittels Rüttler), dürfen keine Keilverbinder verwendet werden.

Schweißarbeiten

Schweißverbindungen sind nach DIN 1910-100 und DIN 1910-11 herzustellen. Die Schweißarbeiten dürfen nur von Betrieben ausgeführt werden, die einen entsprechenden Eignungsnachweis (Herstellerqualifikation nach DIN EN ISO 17660-1 oder DIN EN ISO 17660-2) besitzen. Die Schweißarbeiten dürfen nur von geprüften Schweißern durchgeführt werden.
Schweißverbindungen mit Bewehrungsstäben sind nur mit Zustimmung des Bauingenieurs zulässig. Die Bewehrungsstäbe sollten über eine Länge von mindestens 30 mm miteinander verschweißt werden.

Blitzschutzsystem

Wird der Fundamenterder als Teil des Blitzschutzsystems verwendet, sind Verbindungsteile nach DIN EN 50164-1 zu verwenden.
Für den Potentialausgleich bei Blitzschutzanlagen und für EMV-Zwecke ist im Fundament ein Rund- oder Bandstahl zu verlegen, der mit der Bewehrung und der Potentialausgleichsschiene zu verbinden ist.
Im Fall eines Blitzeinschlags dürfen keine Überschläge vom Fundament durch die Isolierung zur Erdungsanlage stattfinden. Dies wird nach DIN EN 62305-3 (VDE 0185-305-3) durch eine maximale Maschenweite von 10 m x 10 m des Ringerders erreicht.
Der Ringerder und die Anschlussfahnen müssen in korrosionsgeschützter Ausführung (hochlegierter Edelstahl V4A, Werkstoffnummer 1.4571) erstellt werden.

Dokumentation

Für die Ausführung des Fundamenterders ist ein Verlegeplan notwendig. Zur Dokumentation dienen Fotografien, Pläne und Messungsprotokolle.
Ein Beispiel für die Dokumentation der Erdungsanlage ist im Anhang A der DIN 18014 enthalten sowie zum Download auf http://www.dehn.de/de/pruefprotokolle.

Beispiel: Erdungsanlage einer WEA

Nach dem vorliegenden Beispiel: Für die WEA wird das Fundament als Kreisring mit einem äußeren Durchmesser von 21,00 m und einem inneren Durchmesser von 10,00 m errichtet. Es wird im Fundament ein Fundamenterder aus 30 mm x 3,5 mm verzinktem Flachband und außerhalb des Fundaments ein Ringerder aus 10 mm Edelstahl-Runddraht (V4A 1.4571) installiert (Bild 9.24.7. Bild 9.24.8, Bild 9.24.9 und Bild 9.24.10).

Folgende Anforderungen gelten für die im Beispiel gezeigte Erdungsanlage:

• Ein Fundamenterder, bestehend aus 30 mm x 3,5 mm feuerverzinktem Bandstahl, wird mit einem Radius von r = 10,25 m im Fundament verlegt.
• Der Fundamenterder ist von 25 cm Beton umgeben.
• Ein Innenring mit einem Radius von r = 5,70 m und ein weiterer Ring mit r = 4,60 m wird im Fundament verlegt.
• Die feuerverzinkten Bandstähle werden alle 2 m mittels Klemmverbindungen mit der Bewehrung verbunden (Bild 9.24.5).
• Vom Fundamenterder r = 10,25 m verlaufen, jeweils um 120 ° versetzt, drei Verbindungsleitungen auf den Innenring r = 5,70 m und weiter auf den Innenring r = 4,60 m.
• Die Verbindungsleitungen sind gleichfalls mittels Klemmverbindungen mit der Bewehrung verbunden.
• Vom Innenring r = 4,60 m werden zwei Anschlussfahnen auf jeweils einen Erdungsfestpunkt geführt (Potentialausgleich).
• Vom Innenring r = 4,60 m werden vier Anschlussfahnen zur Verbindung mit den Ableitungen des Turms geführt.
• Im Abstand von 1,0 m zur Außenkante des Fundaments wird ein aus V4A, Werkstoff-Nr. 1.4571, Ø 10 mm Rundstahl, bestehender Ringerder verlegt.
• Vom Ringerder r = 11,50 m verlaufen acht V4A Verbindungsleitungen auf den Innenring r = 4,60 m, mit dem sie über Klemmverbindungen verbunden sind.
• Vier der acht V4A Verbindungsleitungen werden weitergeführt zum Kreismittelpunkt auf eine Kreuzklemme.
• An drei jeweils um 120 ° versetzten Punkten des Ringerders ist optional der Anschluss von V4A-Tiefenerder vorgesehen.

Zusätzlich ist eine Verbindung der Erdungsanlage mit einer Potentialausgleichschiene im Turm herzustellen.