Industrieautomatisierungsnetze, Energieverteilungssysteme und komplexe Regelkreise sind in hohem Maße auf eine fachgerechte Erdung angewiesen, um die Betriebssicherheit zu gewährleisten. Daher müssen Regelungsingenieure und Elektrofachkräfte die Unterschiede zwischen Erdung, Masse und Potenzialausgleich genau verstehen. In meinen 15 Jahren bei der Inbetriebnahme verteilter Steuerungssysteme (DCS) und Fabrikautomatisierungsarchitekturen bin ich auf zahlreiche rätselhafte Geräteausfälle gestoßen, die durch unsachgemäße Erdungspraktiken verursacht wurden. Im Folgenden erläutere ich diese grundlegenden Konzepte und beschreibe die Industrienormen für die elektrische Sicherheit in Industrieanlagen.

Die grundlegenden Konzepte von Erde und Masse verständlich erklärt

Die Begriffe Erdung und Masse sorgen bei internationalen Industrieprojekten häufig für Verwirrung. Grundsätzlich bezeichnet die Erde unseren Planeten, der als elektrischer Leiter mit einem theoretischen Bezugspotenzial von null Volt dient. Unter Masse versteht man die direkte Verbindung elektrischer Stromkreise oder Gerätegehäuse mit der Erde oder mit einem leitfähigen Körper, der diese Verbindung herstellt. Regionale technische Normen verwenden diese Begriffe jedoch unterschiedlich. Europäische und IEC-Normen bevorzugen den Begriff „Erdung“, während die nordamerikanischen Normen NEC, IEEE und ANSI den Begriff „Masse“ bevorzugen. Trotz der sprachlichen Unterschiede bezeichnen beide Begriffe die Herstellung eines zuverlässigen Bezugspunkts mit niedriger Impedanz für die Energie- und Signalverteilung.

Unterscheidung zwischen Erdung, Masse und Potenzialausgleich

Obwohl Techniker die Begriffe Erdung und Masse oft synonym verwenden, erfüllt der Potenzialausgleich einen eigenständigen und wichtigen mechanischen Zweck. Bei der Erdung wird eine direkte elektrische Verbindung zu Erdelektroden oder Tiefenerdern hergestellt. Beim Potenzialausgleich hingegen werden alle Metalloberflächen, Gerätegehäuse und Konstruktionselemente mit niederimpedanten Leitern miteinander verbunden. Diese metallische Verbindung stellt einen Potenzialausgleich her und verhindert, dass zwischen einzelnen Punkten gefährliche Spannungsunterschiede entstehen. Verkehrsflugzeuge und Offshore-Produktionsplattformen beispielsweise haben im Flug beziehungsweise im schwimmenden Zustand keine direkte Verbindung zur Erde. Dennoch schützt ein konsequenter interner Potenzialausgleich Personen und empfindliche Steuerungstechnik vor statischen Ladungen und Blitzeinschlägen.

Bewältigung von Herausforderungen durch elektronische Störungen und Spannungsqualität

Die moderne Industrieautomation ist stark auf empfindliche Mikroprozessoren, speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) und Hochgeschwindigkeits-Kommunikationsnetzwerke angewiesen. Deshalb treten während der Inbetriebnahme von Anlagen häufig Probleme mit der Spannungsqualität auf. Elektroingenieure mit Schwerpunkt auf Energieversorgung und Instrumentierungsingenieure mit Schwerpunkt auf Signalen vertreten bei der Störungsminderung oft unterschiedliche Ansichten. Während sich Energieversorgungsspezialisten vor allem auf die Abschaltung von Fehlerströmen konzentrieren, legen Signalingenieure Wert auf Signalreferenznetze und die Reduzierung elektromagnetischer Störungen (EMI). Zur Bewältigung dieser Herausforderungen ist die strikte Einhaltung etablierter Konsensnormen erforderlich, nicht das Improvisieren von Verdrahtungslösungen.

IEEE-Standards für industrielle Stromversorgungssysteme nutzen

Planer industrieller Prozessanlagen stützen sich auf maßgebliche Referenzwerke des Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE). Das IEEE Green Book bietet umfassende Empfehlungen zur Systemerdung in industriellen Stromnetzen und behandelt die Neutralpunkterdung, Transformatoranordnungen und die Erdung von Gerätegehäusen. Das IEEE Emerald Book befasst sich außerdem gezielt mit der Stromversorgung und Erdung empfindlicher elektronischer Geräte, industrieller Steuerungen und informationstechnischer Infrastruktur. Mithilfe dieser farblich gekennzeichneten Fachbücher können Ingenieure Sicherheitsanforderungen und Störungsunterdrückung in modernen Fabrikautomatisierungssystemen aufeinander abstimmen.

Einhaltung der Vorschriften des National Electrical Code (NEC)

Der National Electrical Code (NFPA 70) legt strenge Anforderungen an die elektrische Sicherheit in Industrieanlagen fest. Artikel 250 des NEC enthält genaue Vorgaben zur Erdung elektrischer Systeme, zum Verbinden metallischer Kabelkanäle und zur Installation unterirdischer Erder. Hauptzweck des NEC ist nach wie vor der Schutz von Menschenleben und Sachwerten vor elektrischen Gefahren. Daher müssen Automatisierungsingenieure die Einhaltung der Vorschriften bei der Vorplanung jeder industriellen Prozessanlage als unverzichtbare Grundvoraussetzung betrachten.

Praktisches Lösungsszenario: Erdschleifen in verteilten DCS-I/O-Systemen beseitigen

In einer großen petrochemischen Anlage treten sporadisch Störungen analoger Signale an Thermoelementeingängen auf, die an ein Prozessleitsystem (DCS) angeschlossen sind. Die Fehlersuche ergibt, dass die Schirme der Steuersignalleitungen an beiden Enden unsachgemäß geerdet sind und dadurch eine unbeabsichtigte Erdschleife entsteht, die elektromagnetische Störungen einkoppelt. Das Instrumentierungsteam behebt das Problem, indem es die Kabelschirme isoliert, sie ausschließlich an der zentralen Erdungsschiene im Schaltschrank anschließt und für einen ordnungsgemäßen Potenzialausgleich an den örtlichen Anschlusskästen sorgt. Diese technische Korrektur beseitigt das Signalflattern, stabilisiert die Regelkreise und verhindert unnötige Produktionsstillstände.

Über den Autor

Wang Lei ist ein erfahrener Experte für industrielle Automatisierung mit über 15 Jahren internationaler Praxiserfahrung in den Bereichen elektrischer Schutz, DCS-Inbetriebnahme, Instrumentierungsdesign und Optimierung von Erdungssystemen. Im Laufe seiner beruflichen Laufbahn hat Wang Teams für Elektro- und Steuerungstechnik bei zahlreichen großen Öl- und Gasraffinerien, Chemieanlagen und Schwerindustriebetrieben in Asien und im Nahen Osten geleitet. Als zertifizierter Experte für elektrische Sicherheit verfasst er regelmäßig technische Dokumentationen und Beiträge für internationale Automatisierungszeitschriften.