Mit welchem Potentialausgleichskonzept erreicht man die höchste EMV-Festigkeit in einer Anlage? Die Beantwortung dieser Frage bzw. die Festlegung, welches Konzept innerhalb einer Anlage angewendet werden soll, fällt oft schwer. Dabei handelt es sich um eine grundlegende Weichenstellung für die Auslegung der gesamten Elektroanlage, beginnend bei der Niederspannungsverteilung bis hin zur Automatisierung.

Ist die Funktionserdung (Functional Earth, FE) oder die vermaschte Potentialausgleichsanlage (Meshed Bonding Network, MESH-BN) die beste Lösung zur Sicherstellung einer hohen EMV-Festigkeit in einer Anlage? Diese grundlegende Weichenstellung muss rechtzeitig getroffen werden, denn eine Vermischung der Konzepte beeinträchtigt die Funktionssicherheit und treibt die Kosten in die Höhe.

Dabei wird allein die richtige Beantwortung dieser Frage nicht alle EMV-Probleme beseitigen. Aber wer angesichts eines über Jahrzehnte gewachsenen Durcheinanders in der Niederspannungsverteilung (NSV) den Kopf in den Sand steckt und keine einheitliche Linie findet, wird seine Funktionsprobleme nicht in den Griff bekommen. Aufgrund des weiter steigenden Automatisierungsgrades werden sogar tendenziell noch mehr Probleme auftreten, wie beispielsweise falsche Messwerte oder unerklärliche Datenverluste, sporadisch ausfallende Bussysteme, flackernde Bildschirme in der Leitwarte oder Häufungen von Gerätedefekten. Der zunehmende Grad an Mikroelektronik innerhalb des Prozesses, gepaart mit immer mehr und leistungsfähiger Leistungselektronik lässt EMV-Probleme akut werden.

Einheitliche Vorgaben

Anweisungen für die Ausführung des Potentialausgleichs (PA) sind oft widersprüchlich - falls es überhaupt welche gibt. Oft wird es dem Elektroinstallateur oder Instandhalter überlassen, was er wie macht. Dabei sind eindeutige Vorgaben unerlässlich. Sie müssen u. a. festlegen: Gibt es einen zentralen PA über die gesamte Anlage oder hat jeder Anlagenteil mit separater Einspeisung seinen eigenen PA und wo wird er zusammengeführt? Wie werden leitfähige Anlagenteile in den Potentialausgleich eingebunden? Allein die Frage, welche Farbe die Leiter des PA haben dürfen, wird oftmals unterschiedlich beantwortet.

Genauso gilt es zu klären, ob die Schirme der Datenleitungen einseitig oder beidseitig aufgelegt werden. Und wenn einseitig, dann zentral in der Schaltanlage oder dezentral an den Gebern? Sollte parallel zu den Busleitungen ein PA-Leiter gezogen werden? Sollten kritische Datenleitungen lieber in Rohren verlegt werden? Aus welchem Material sollten dann diese Rohre sein? Weiterhin sollten Angaben zu folgenden Fragestellungen erfolgen: Wie erfolgt die Trennung von Leistungskabeln und Datenkabeln in den Trassen? Und was passiert an Stellen, z.B. einem Feuerschott, wo sie zwangsläufig zusammen kommen? Welche Art der Einspeisung wird bevorzugt: TN-C (Terre Neutre Combiné), TN-S (Terre Neutre Combiné Séparé) oder IT (Isolé Terre)?

Diese Fragen können nicht einfach nach Gefühl entschieden werden. Schließlich hat der PA neben seiner Aufgabe des Berührungsschutzes (Protective Earth, PE) noch die nicht zu unterschätzende Aufgabe der Sicherstellung eines guten Signalbezugspotentiales (Function Earth, FE). 80 % der späteren EMV-Festigkeit einer Automatisierungsanlage wird von der Güte des verlegten Potentialausgleiches bestimmt.

Das richtige Konzept richtig umsetzen

FE oder MESH-BN - welches Konzept ist das Richtige für mich und wie setze ich es um? Wenn diese Frage einmal beantwortet wird, ergibt sich vieles danach von selbst. Die zwei Aufgaben des PA sind der Berührungsschutz und die Sicherstellung eines guten Signalbezugspotentiales. Für das weitere Vorgehen ist nun entscheidend, ob diese Aufgaben des PA aufgetrennt und voneinander isoliert werden sollen oder ob alles konsequent zusammengelegt wird.

Wer die Chance sieht, die gesamten Elektronikgehäuse (Messstellen, Busmodule, Schieber usw.) und die gesamten Schirme der Leitungen isoliert zur Anlagenerde zu verlegen, der sollte über die FE zumindest nachdenken. Er sollte sich aber auch gleichzeitig überlegen, wie er mit Isolationswächtern diesen Zustand dauerhaft überwacht.

Eine durchgängige Trennung dieser beiden Potentiale wird jedoch oft als aussichtslos angesehen. Dann bleibt nur die MESH-BN übrig, deren Ausführung konsequent erfolgen muss. Anderenfalls entsteht doch wieder eine partielle Vermischung und Inseln mit nicht unerheblichen Potentialdifferenzen. Die Normen EN 50310 und DIN VDE 0100-444 machen dazu ausführliche Angaben.

MESH-BN

Um eine gute MESH-BN herzustellen, braucht es an vielen Stellen (Gitterpunkte) Kontakte zwischen den Leitern des PA-Systems, um die Maschenlänge gering zu halten. Das heißt unter anderem, dass an Stellen in der Anlage, wo sich zwei oder mehrere PA-Leiter in der Kabeltrasse treffen, diese vor Ort in z.B. der Trasse schon miteinander verbunden werden müssen und nicht erst auf dem zentralen Erdungspunkt nach 50 m. Hierbei stellt sich die grundsätzliche Frage, warum die PA-Leiter überhaupt isoliert sind? Ein PA-Leiter ist ein betriebsmäßig nicht stromführender Leiter. Wenn dieser Leiter aber an so vielen Stellen wie möglich Gitterkontakte mit anderen Teilen des PA herstellen soll, warum wird er dann isoliert? Um ihn dann an so vielen Stellen wie möglich wieder abzuisolieren? Gleiches gilt mit Kontakten zu anderen leitfähigen Konstruktionsteilen, wie Rohren, Trassen, Armierungen und Hallenkonstruktionen.

Die Schirme und metallische Bewehrungen aller Kabel (analoger Messwertgeber, Buskabel, Motorkabel oder NSV-Kabel) werden in die MESH-BN mit eingebunden und zwar so oft wie möglich, aber mindestens am Anfang und am Ende. Teilt man eventuell vorhandene Potentialausgleichströme auf unendlich viele kleine Maschen auf, dann entsteht pro Masche ein so geringer Strom mit einem so geringen Feld, dass kein Störpotential übrig bleibt.

Analyse des PA-Systems

Da neben niederfrequenten Ausgleichströmen aus der 50Hz-Seite auch zunehmend höherfrequente Ausgleichströme eine Rolle spielen, muss das gesamte PA-System nicht nur niederohmig, sondern niederimpedant ausgelegt werden (EN 50310). Was ist aber nun niederimpedant und wie messe ich das? Hier bietet das neue spießlose Erdschleifenwiderstandmessprinzip der MWMZ I einen guten Ansatz, mit dem die messtechnische Bewertung einfach ohne Auftrennen der PA-Verbindungen und im laufenden Betrieb durchgeführt werden kann.

Natürlich gehört dazu auch der konsequente Einsatz von symmetrisch gewickelten Kabeln, sowohl in der NSV, als auch zwischen FU und Motor, um Potentialausgleichströme so gut es geht zu reduzieren. Indu-Sol bietet dafür die Motorleitungen der SymFlex-Baureihe. Diese sind für den Einsatz von frequenzgeregelten Antrieben optimiert. Der symmetrische Kabelaufbau garantiert minimale elektromagnetische Emissionen in benachbarte Elektronik-Schaltkreise.