Stellen Sie sich zwei Metallflächen in einem Gebäude vor, die gleichzeitig berührt werden können: das Gehäuse der Elektroverteilung und die direkt daneben verlaufende Wasserleitung. Im Normalbetrieb gelten beide als „geerdet“, und zwischen ihnen besteht keine messbare Spannung. Ein Isolationsfehler oder ein in der Nähe des Gebäudes einschlagender Blitz kann dieses Gleichgewicht jedoch innerhalb von Millisekunden oder sogar Mikrosekunden stören. Entscheidend ist in diesem Moment nicht, welches Potential die Metallteile gegenüber der Erde haben, sondern wie stark sie sich gegenseitig unterscheiden. Die Potentialausgleichsschiene ist eine unscheinbar wirkende, aber für die Anlagensicherheit zentrale Komponente, die genau dazu entwickelt wurde, diesen Unterschied zu beseitigen.
- Potentialausgleichsschiene: die Verbindungsschiene aus Kupfer oder Messing, in der alle leitfähigen Systeme eines Gebäudes an einem einzigen Punkt zusammengeführt werden – in der IEC als MET oder Bonding Bar bezeichnet.
- Zwei grundlegende Gründe: Begrenzung der Berührungsspannung bei Fehlerströmen; Verhinderung von Funkenüberschlägen zwischen der Inneninstallation und dem äußeren Blitzschutzsystem bei Blitzeinschlägen und Überspannungen.
- Die Schienen bestehen aus beschichtetem Kupfer oder Messing und werden auf Isolatoren montiert; dabei sind unterschiedliche Klemmen, stoßstromgeprüfte Verbindungen und eine Messtrennstelle erforderlich.
- Die Leiterquerschnitte richten sich nach dem zu führenden Strom und den IEC-Normen; für Blitzschutzverbindungen sind größere Querschnitte erforderlich, wobei bei Vorliegen einer nationalen Vorschrift diese Vorrang hat.
- Eine Hauptschiene ist in jedem Gebäude vorgeschrieben; Beispiele sind Krankenhäuser, Rechenzentren und Kraftwerke. Typische Fehler: eine ungünstig entfernte Platzierung, zu lange Leiter und Reihenschaltungen.
Was ist eine Potentialausgleichsschiene?
Die Potentialausgleichsschiene (auch als Potentialausgleichsbarre oder Haupterdungsschiene bezeichnet) ist eine in der Regel aus Kupfer oder Messing gefertigte Verbindungsschiene, in der alle leitfähigen Systeme eines Gebäudes an einem einzigen Punkt zusammengeführt werden. In der IEC-Terminologie wird sie hinsichtlich der Niederspannungsanlage als „Haupterdungsklemme“ (MET, Main Earthing Terminal) bezeichnet, hinsichtlich des Blitzschutzes hingegen als „Potentialausgleichsschiene“ (Bonding Bar).
Zu den typischerweise an die Schiene angeschlossenen Systemen zählen: der Schutzleiter (PE) der Elektroinstallation, der Fundamenterder oder Ringerder, die Metallrohre der Wasser-, Gas- und Heizungsinstallation, die Stahlkonstruktion und Bewehrung des Gebäudes, die Ableitungen des Blitzschutzsystems, die metallischen Schirmungen von Kommunikationskabeln sowie große metallische Strukturen wie Lüftungskanäle.
Der entscheidende Punkt liegt bereits im Namen verborgen: Ziel ist nicht, das Potential auf null zu bringen, sondern es anzugleichen. Der Erdungswiderstand kann noch so niedrig sein, das Potential der Anlage steigt dennoch an, sobald ein hoher Strom in die Erdungsanlage fließt. Fließt beispielsweise ein Blitzstrom von 50 kA über einen Erdungswiderstand von 1 Ω ab, steigt das Erdpotential auf rund 50 kV an. Diese Spannung selbst ist für die Personen im Gebäude nicht gefährlich; die Gefahr entsteht dadurch, dass manche Metallteile auf 50 kV ansteigen, während andere auf dem Potential der fernen Erde verbleiben. Die Potentialausgleichsschiene sorgt dafür, dass alle leitfähigen Teile diesen Anstieg gemeinsam mitmachen. Wenn an Bord eines Schiffes alle gemeinsam mit derselben Welle angehoben werden, fällt niemand.
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Zwei Ursachen für Potentialunterschiede
Der Potentialausgleich hat zwei voneinander unabhängige technische Begründungen, und für jede gibt es eine eigene Norm.
Die erste sind Fehlerströme und die Berührungsspannung. Wenn der Außenleiter eines Geräts das Gehäuse berührt, fließt der Fehlerstrom über den Schutzleiter ab, und das Gehäusepotential steigt an. In der Zeit, bis die Schutzeinrichtung den Stromkreis abschaltet, ist eine Person, die gleichzeitig das Gehäuse und ein in der Nähe befindliches Metallrohr berührt, diesem Potentialunterschied ausgesetzt. IEC 60364-4-41 schreibt den Schutzpotentialausgleich als ergänzenden Bestandteil der Schutzmaßnahme „automatische Abschaltung“ vor. Dadurch bleibt die Spannung zwischen den berührbaren leitfähigen Teilen während der Fehlerdauer innerhalb sicherer Grenzen.
Die zweite sind Blitzeinschläge und Überspannungen. IEC 62305-3 verlangt, dass alle in das Gebäude eintretenden leitfähigen Systeme in den Blitzschutzpotentialausgleich einbezogen werden. Ziel ist es, gefährliche Funkenüberschläge zwischen der Inneninstallation und dem äußeren Blitzschutzsystem zu verhindern. Dabei ist eine wichtige Unterscheidung zu beachten: Metallrohre und Baukonstruktionen können direkt leitend mit der Schiene verbunden werden, aktive Leiter von Energie- und Kommunikationsleitungen dagegen nicht. Diese Leiter werden über Überspannungsschutzgeräte (SPD, Überspannungsableiter) an die Schiene angeschlossen. Für die Energieleitung am Gebäudeeintritt bedeutet dies ein Typ-1-SPD, das den Blitzstoßstrom führen kann. Bei kathodisch geschützten Gasleitungen oder solchen mit Isolierflansch würde eine direkte Verbindung den Korrosionsschutz beeinträchtigen; hier kommt eine Trennfunkenstrecke (isolating spark gap) zum Einsatz. Diese isoliert die Leitung im Normalbetrieb und zündet im Moment des Blitzeinschlags, wodurch ein vorübergehender Potentialausgleich entsteht.
Die folgende Animation zeigt, wie sich dasselbe Blitzereignis in einer Anlage ohne und in einer Anlage mit Potentialausgleich unterschiedlich auswirkt.
Aufbau der Potentialausgleichsschiene
Eine Potentialausgleichsschiene ist mehr als nur eine einfache Kupferstange. Der Schienenkörper wird in der Regel aus Elektrolytkupfer, zinn- oder nickelbeschichtetem Kupfer oder aus Messing gefertigt; die Beschichtung schützt die Übergangswiderstände der Anschlusspunkte in feuchten Kellern und Installationsräumen vor Oxidation. Der Körper wird über Isolatorhalterungen an der Wand oder an einer Montageplatte im Schaltschrank befestigt. Diese Isolierung sorgt dafür, dass die Schiene bei Messungen unabhängig von der Montagefläche bleibt.
Die Anschlusspunkte sind nach Leitertyp getrennt ausgeführt. Für Runddrähte mit 8 bis 10 mm Durchmesser und Flachbänder wie 30×3,5 mm, die vom Erder kommen, gibt es separate Klemmen, für mehrdrähtige Kupferkabel dagegen Schraubanschlüsse. Verbindungselemente, die Blitzstrom führen sollen, müssen gemäß IEC 62561-1 stoßstromgeprüft sein; eine gewöhnliche Schaltschrankklemme kann diesem Strom mechanisch und thermisch nicht standhalten.
Ein oft übersehenes, aber wichtiges Bauteil ist die Messtrennstelle. IEC 60364-5-54 fordert, dass der Erdungsleiter von der Haupterdungsklemme trennbar ist und diese Trennung nur mit einem Werkzeug möglich ist. Dadurch kann der Erdungswiderstand unabhängig von den übrigen leitfähigen Systemen des Gebäudes gemessen werden; die Forderung nach einem Werkzeug verhindert zugleich, dass die Verbindung versehentlich offen bleibt.
Leiterquerschnitte: Was sagt die Norm?
Der Querschnitt der an die Schiene angeschlossenen Leiter richtet sich danach, welchen Strom der Leiter führen muss. IEC 62305-3 geht davon aus, dass bei der Verbindung zweier Schienen untereinander oder der Schiene mit der Erdungsanlage ein erheblicher Teil des Blitzstroms fließt, und schreibt für diese Verbindungen größere Querschnitte vor. Bei der Anbindung der inneren Metallinstallation an die Schiene wird dagegen nur ein kleiner Stromanteil erwartet. Für die Niederspannungsanlage definiert IEC 60364-5-54 getrennte Mindestquerschnitte für Haupt- und Zusatzpotentialausgleichsleiter. Zu beachten ist, dass diese Werte unabhängig von der Blitzschutzklasse (LPL I–IV) gelten.
Schreiben nationale Vorschriften oder das Projektlastenheft einen größeren Querschnitt vor, ist stets der größere Wert maßgebend.
Wo wird sie eingesetzt?
Wohn- und Gewerbegebäude. In jedem Gebäude muss mindestens eine Hauptpotentialausgleichsschiene vorhanden sein. Ihr idealer Standort liegt möglichst nahe am Eintrittspunkt der Energie-, Wasser- und Gasleitungen in das Gebäude, in der Regel im Keller neben der Hauptverteilung. In Feuchträumen und Schwimmbädern ist zusätzlich ein (örtlicher) zusätzlicher Potentialausgleich nach IEC 60364-7-701 und 7-702 erforderlich.
Industrieanlagen. In großen Produktionsflächen reicht eine einzige Schiene nicht aus. Um das Gebäude herum oder auf jeder Etage wird ein ringförmiger Potentialausgleichsleiter verlegt; Maschinengehäuse, Kabeltragsysteme und Stahlkonstruktionen werden am nächstgelegenen Punkt an diesen Ring angeschlossen. In Gebäuden mit Blitzschutz verlangt IEC 62305-3, dass diese inneren Ringe in bestimmten Abständen mit der äußeren Erdungsanlage verbunden werden.
Rechenzentren. Empfindliche elektronische Ausrüstung benötigt nicht nur aus Sicherheits-, sondern auch aus Funktionsgründen eine niederimpedante Bezugsebene. Im Ansatz von IEC 62305-4 und ANSI/TIA-607 bilden Hauptschiene, Etagenschienen und das Kupfergitter (Mesh Bonding Network) unter dem Doppelboden gemeinsam ein System. Die Racks werden über kurze Leiter an dieses Netz angeschlossen.
Krankenhäuser. In medizinischen Bereichen der Gruppe 2 wie Intensivstationen und Operationssälen fordert IEC 60364-7-710 für jeden Bereich eine örtliche Potentialausgleichsschiene in der Nähe des Patientenbetts. In diesen Bereichen darf der Widerstand zwischen den Schutzleiterklemmen und der Schiene einschließlich der Verbindungen 0,2 Ω nicht überschreiten, da bei Geräten mit direktem Körperkontakt bereits sehr kleine Fehlerströme ein Risiko darstellen.
Photovoltaik-Kraftwerke und Windturbinen. Da sich Modulkonstruktionen, Wechselrichtergehäuse und Kabelkanäle über eine große Fläche verteilen, ist der Potentialausgleich sowohl für den Blitzschutz als auch für die Wirksamkeit der Überspannungsschutzgeräte auf der DC-Seite eine Grundvoraussetzung. Bei Windturbinen verlangt IEC 61400-24 eine ganzheitliche Betrachtung der Schiene am Turmfuß zusammen mit dem Blitzstromableitweg über Maschinenhaus (Gondel) und Rotorblätter.
Telekom-Basisstationen und explosionsgefährdete Bereiche (Ex-Zonen). An Basisstationen werden die Schirmungen der Antennenkabel beim Abgang vom Mast und beim Eintritt in das Equipment-Gehäuse an die Schiene angeschlossen. In explosionsgefährdeten Bereichen wie petrochemischen Anlagen definiert IEC 60079-14 den Potentialausgleich als grundlegende Schutzmaßnahme, um Potentialunterschiede zu verhindern, die als Zündquelle wirken könnten.
Häufige Fehler in der Praxis
Der häufigste Fehler ist eine falsche Platzierung der Schiene. Mit zunehmender Länge der Anschlussleiter steigt deren Induktivität; ein gerader Leiter trägt pro Meter etwa 1 µH Induktivität bei. Eine Stromänderungsgeschwindigkeit von 10 kA/µs im Blitzstrom bedeutet pro Meter Leiter einen Spannungsabfall von rund 10 kV. Die Schiene sollte deshalb nahe am Gebäudeeintritt platziert werden, und die Leiter sollten kurz, gerade und ohne scharfe Biegungen verlegt werden. Dieselbe Logik gilt für SPD-Anschlüsse: Ein langes Kabel zwischen Überspannungsableiter und Schiene kann das vom Gerät gebotene Schutzniveau in der Praxis zunichtemachen.
Der zweite häufige Fehler ist die Reihenschaltung (Verkettung) von Leitern. Ein Leiter, der von der Wasserleitung über die Heizungsleitung zur Schiene führt, lässt beim Entfernen der Zwischenverbindung das zweite System ohne Schutz. Jedes System muss mit einem eigenen Leiter an die Schiene angeschlossen werden. Der direkte Kontakt unterschiedlicher Metalle wie Kupfer und Aluminium führt zu galvanischer Korrosion; an solchen Übergängen müssen geeignete Bimetall-Verbindungselemente verwendet werden. Nicht zuletzt machen unbeschriftete Leiter und nie durchgeführte Durchgangsmessungen ein am ersten Tag korrekt installiertes System im Laufe der Jahre unzuverlässig. Die Durchgangsprüfung gemäß IEC 60364-6 sollte ein unverzichtbarer Bestandteil der periodischen Prüfungen sein.
Häufig gestellte Fragen
Sind Potentialausgleichsschiene und Erdungsschiene dasselbe?
In der Praxis übernimmt in den meisten Gebäuden ein und dieselbe Schiene beide Funktionen und wird als Haupterdungsklemme bezeichnet. Begrifflich bedeutet Erdung jedoch die Verbindung des Systems mit der Erde, während Potentialausgleich die Verbindung der leitfähigen Teile untereinander bezeichnet. Selbst bei einem hohen Erdungswiderstand gewährleistet ein guter Potentialausgleich die Sicherheit innerhalb des Gebäudes weitgehend.
Kann die Erdgasleitung direkt an die Schiene angeschlossen werden?
Ja, sofern kein Isolierflansch und kein kathodischer Schutz vorhanden ist. Ist dies der Fall, muss die Verbindung über eine Trennfunkenstrecke erfolgen. Vor der Ausführung ist stets die technische Vorschrift des Gasversorgungsunternehmens zu prüfen.
Ersetzt die Potentialausgleichsschiene das SPD?
Nein, beide ergänzen sich. Die Schiene gleicht die Metallteile direkt aus; die aktiven Leiter in Energie- und Datenleitungen lassen sich dagegen nur über ein SPD in das Potentialausgleichssystem einbeziehen.
Die Potentialausgleichsschiene, ist ein stiller Referenzpunkt, der das Verhalten einer Anlage bei Blitzeinschlägen und Fehlerfällen bestimmt. Ein richtig platziertes, mit den richtigen Querschnitten ausgeführtes und durch SPDs und Trennfunkenstrecken ergänztes Potentialausgleichssystem schützt Menschen, erhält empfindliche Ausrüstung am Leben und überträgt die auf dem Papier berechnete Leistung des Blitzschutzsystems in die Praxis.
Als Yılkomer IEC 62305 bieten wir im Rahmen dessen technische Unterstützung für Ihre Projekte in den Bereichen Risikoanalyse, Auslegung des Potentialausgleichs, Auswahl von Überspannungsschutzgeräten und Umsetzung vor Ort. Um den aktuellen Zustand Ihrer Anlage zu bewerten, können Sie sich gerne mit uns in Verbindung setzen.
