Erdung und Potenzialausgleich eines elektrischen Gehäuses

Erdung vs. Verbindung: Was der jeweilige Begriff bedeutet

Eine Verdrahtungsrichtlinie für die Automatisierung eines führenden Steuerungsherstellers beschreibt es einfach: Potenzialausgleich ist das Zusammenverbinden der Metallteile von Chassis, Baugruppen, Rahmen, Abschirmungen und Gehäusen; Erdung ist die Verbindung zum Erdungselektrodensystem, die die Ausrüstung auf Erdpotenzial setzt. Beides ist wichtig, aber aus Sicherheitsgründen erfüllen sie unterschiedliche Aufgaben.

In US-Installationen deckt NEC Artikel 250 beides ab. Die Verbindungsvorschriften von Artikel 250 etablieren einen niederohmigen Fehlerstrompfad zurück zur Stromquelle, sodass das Überstromschutzgerät auslöst, wenn ein Erdschluss auftritt. NEC 250.4(A)(5) bezeichnet dies als effektiven Erdschlussstrompfad, wobei die Erde nicht als Teil davon betrachtet wird. Ein Leitfaden zum 2020 NEC erklärt dies: Der Kontaktwiderstand zwischen einer Elektrode und der Erde ist so hoch, dass nur sehr wenig Fehlerstrom darüber zurückfließt, sodass der Leistungsschalter nicht auslösen würde und die Metallteile unter Spannung blieben.

Das praktische Ergebnis für ein Gehäuse: Der Schutzleiter, der mit dem Speisekreis kommt, ist derjenige, der einen Fehler behebt. Ein Erdungsstab, der neben einem mastmontierten Gehäuse in den Boden getrieben wird, ist eine Hilfselektrode gemäß NEC 250.54; er kann mit dem Schutzleiter verbunden werden, ist aber niemals ein Ersatz dafür. Prüfen Sie für jeden Kodexverweis in diesem Leitfaden die von Ihrer zuständigen Behörde vorgeschriebene Ausgabe.

Was verbunden werden muss

NEC 250.96(A) (2020-Ausgabe, wie in einem NEC-Schulungsleitfaden erläutert) schreibt vor, dass Metallteile, die als Erdungsleiter dienen sollen, einschließlich Leitungsbahnen, Kabeln, Geräten und Gehäusen, miteinander verbunden werden müssen, damit sie jeden zu erwartenden Fehlerstrom sicher ableiten können. Für ein typisches Gehäuse bedeutet dies:

• der Gehäusekörper über den eingehenden Erdungsleiter;
• die Montageplatte und alles, was darüber geerdet ist;
• eine Tür oder Abdeckung, die elektrische Geräte trägt;
• Metallschutzrohre und Verbindungsteile, die in das Gehäuse führen;
• die Metallrahmen von Geräten, die über einen eigenen Erdungsterminal verfügen.

Der Schutzleiter wird basierend auf der Bemessung der vorgeschalteten Überstromschutzeinrichtung gemäß NEC Tabelle 250.122 dimensioniert. Einige Zeilen aus der 2020 Tabelle für Kupferleiter:

Der Leiter muss nicht größer als die Stromkreisleiter sein, und NEC 250.122(B) schreibt vor, dass er proportional vergrößert werden muss, wenn die Phasenleiter vergrößert werden, beispielsweise aufgrund von Spannungsfall. Isolierte Schutzleiter von 6 AWG und kleiner müssen grün oder grün mit einem oder mehreren gelben Streifen sein (NEC 250.119).

Erdungsbolzen, die Erdungsschiene und das Stapeln von Kabelschuhen

Schließen Sie den ankommenden Schutzleiter an einen Erdungsbolzen am Gehäusekörper oder an eine auf der Montageplatte montierte Erdungsschiene an und führen Sie dann einen separaten Leiter von jedem Gerät oder Chassis zu einer eigenen Klemme auf der Schiene. Die oben genannte Automatisierungsrichtlinie empfiehlt genau das: eine zentrale Erdungsschiene auf der Rückwand, wobei jedes Chassis an eine individuelle Schraube angeschlossen wird, anstatt sie in Reihe zu schalten.

Auch die Art der Befestigung des Leiters ist entscheidend. NEC 250.8(A) (2017-Ausgabe, wie von EC&M zusammengefasst) listet die zulässigen Methoden für Erdungsleiter und Verbindungsschleifen auf, einschließlich gelisteter Druckverbinder, Klemmleisten, exothermisches Schweißen, Maschinenschrauben, die mindestens zwei Gewindegänge greifen oder mit einer Mutter gesichert sind, gewindebildende Maschinenschrauben, die mindestens zwei Gewindegänge greifen, sowie Verbindungen, die Teil einer gelisteten Baugruppe sind. Gemäß 250.8(B) sind Verbindungen, die ausschließlich auf Lötstellen beruhen, nicht zulässig.

Wenn zwei Kabelschuhe einen Bolzen gemeinsam nutzen, beschreibt dieselbe Richtlinie das Sandwich-Verfahren, bei dem der erste Kabelschuh zwischen einer Zahnscheibe und einer Mutter mit einer festen Zahnscheibe platziert wird, gefolgt vom zweiten Kabelschuh zwischen dieser Mutter und einer zweiten Mutter mit fester Zahnscheibe, sodass jeder Kabelschuh unabhängig voneinander eingeklemmt wird. Jedes NEMA4 Enclosure Wandgehäuse verfügt über Erdungsbolzen für diese Verbindungen.

Potentialausgleich der Montageplatte

Die Montageplatte trägt den Großteil der Geräte, daher muss sie ein fester Bestandteil des Fehlerpfads sein. Die Automatisierungsrichtlinie fordert eine gute elektrische Verbindung zwischen jedem Chassis, der Rückwand und dem Gehäuse über jeden Montagebolzen oder Gewindebolzen, wobei Farbe oder andere nichtleitende Beschichtungen um die Bolzen und Gewindebohrungen entfernt werden müssen. Zusätzlich zu diesen Verbindungen empfiehlt sie 1 Kupfergeflecht oder mindestens 8 AWG Litzenleitung von jedem Chassis, dem Gehäuse und der zentralen Erdungsschiene auf der Rückwand.

Unsere Wandgehäuse verfügen über eine herausnehmbare verzinkte Montageplatte auf geschweißten Bolzen. Da die Platte entnehmbar ist, sind die Bolzen und Muttern als mechanische Befestigung zu betrachten. Fügen Sie einen Potenzialausgleichsleiter von der Platte zu einem Erdungsbolzen hinzu, damit die Verbindung nicht davon abhängt, wie fest die Muttern nach einer Wartung wieder angezogen werden. Ein Praxisbeispiel zur Erdung einer abgedichteten Steuerungsplatte zeigt, warum ein Durchgangsprüfer an den Befestigungsschrauben keinen zuverlässigen Fehlerstrompfad belegt.

Potenzialausgleich der Tür

Ein Scharnier ist ein schlechter Leiter: Es ist ein bewegliches Gelenk und kann lackiert sein. Die Automatisierungsrichtlinie ist hier eindeutig: Verlassen Sie sich nicht auf das Scharnier für den elektrischen Kontakt zwischen der Tür und dem Gehäuse; installieren Sie eine Potentialausgleichsleitung.

Für Industriemaschinen fügt NFPA 79 eine Anforderung hinzu. Abschnitt 8.2.3.6.1 der 2007-Ausgabe lautet, wie von Fachleuten zitiert (prüfen Sie die aktuelle Ausgabe): "Wenn elektrische Geräte auf leitfähigen Türen oder Abdeckungen montiert sind, muss ein (Schutz-)Potenzialausgleichsleiter installiert werden." Der Leiter verbindet die Tür oder Abdeckung mit dem Gehäuse oder mit einem internen Schutzpotenzialausgleichsanschluss. Die Abschnittsnummern können sich zwischen den Ausgaben ändern; prüfen Sie daher die für Ihre Maschine geltende Ausgabe.

In der Praxis: Eine Tür mit Drucktastern, Signalleuchten, einem Messgerät oder einem Display erhält ein flexibles Erdungsband von einem Bolzen an der Tür zu einem Bolzen am Gehäusekörper, mit ausreichend Spielraum, damit sich die Tür vollständig öffnen lässt. Unsere Wandgehäuse haben ein durchgehendes Scharnier, und dieselbe Regel gilt: Erden Sie die Tür mit einem Erdungsband, wenn sie Geräte trägt. Wenn Sie für eine individuelle Konfiguration einen zusätzlichen Bolzen an der Tür benötigen, geben Sie dies in Ihrer Angebotsanfrage an.

Lackierung, Beschichtungen und Kontaktflächen

Der Potenzialausgleich funktioniert nur über blankes Metall. NEC 250.12 schreibt vor, dass nichtleitende Beschichtungen wie Farbe, Lack und Emaille an zu erdenden Geräten von Gewinden und anderen Kontaktflächen entfernt werden müssen, es sei denn, die Verbindungselemente sind so konzipiert, dass eine Entfernung nicht erforderlich ist; 250.96(A) wiederholt diese Regel für Gehäuse und andere Metallteile, die als Erdungsleiter dienen. Im selben Schulungshandbuch wird darauf hingewiesen, dass das Festziehen einer Kontermutter mit Schraubendreher und Zange als ausreichend gilt, um Farbe und andere nichtleitende Oberflächenbeschichtungen an einer Leerrohrverbindung zu durchbrechen. Dies gilt nur für Leerrohrkontermuttern: Entfernen Sie dennoch die Farbe an Erdungsbolzen und jedem anderen Potenzialausgleichspunkt.

• Pulverbeschichteter Kohlenstoffstahl: Kratzen Sie die Beschichtung an jedem Erdungsbolzen, Potentialausgleichspunkt und Kabeleingang ab oder maskieren Sie diese, oder verwenden Sie Verschraubungen, die durch die Beschichtung schneiden.
• Edelstahl: kein Lack zu entfernen, aber die Kontaktflächen sollten sauber und frei von Öl oder Dichtmitteln sein.
• Verzinkte Montageplatten: die Zinkbeschichtung ist metallisch; halten Sie die Kontaktflächen frei von Farbe, Etiketten und Klebeband.

Achten Sie auf Dichtungen und Dichtscheiben unter Rohreinführungen und Kabelverschraubungen: Sie halten Wasser fern, können aber auch den Metall-zu-Metall-Kontakt unterbrechen, den ein Verbindungspfad benötigt. Verwenden Sie eine Verbindungskontermutter oder eine Buchse oder ein Fitting mit eigener Verbindungsvorrichtung, wenn das Metallrohr Teil des Erdungspfads ist.

DIN-Schienen, Schirmungen und Störungen

Eine DIN-Schiene ist eine mechanische Halterung. IEC 60715:2017 besagt, dass die elektrische Funktion einer Schiene zur Schutzerdung durch die entsprechende Produktnorm abgedeckt ist; daher erdet eine Schiene ein Gerät nur dann, wenn dies in der Dokumentation des Geräts so angegeben ist. Einige Produkte haben keine Erdungsklemme und werden nur über die Schiene geerdet; bei diesen besagt die Automatisierungsrichtlinie, dass ein Schutzleiter von der Montageschraube der Schiene zu deren eigener Schraube an der Erdungsschiene zu führen ist.

Gute Erdung reduziert auch elektrische Störungen. Die gleiche Richtlinie empfiehlt ein Stahlgehäuse, um Störungen zu verhindern, weist darauf hin, dass ein Sichtfenster in der Tür eine laminierte Schutzscheibe oder ein leitfähiges optisches Substrat sein sollte, um sie zu blockieren, und verlangt, dass jede Kabelschirmung an einem Ende nur an der Stelle geerdet wird, die das Produktanleitung vorgibt, und nie an die gemeinsame Seite eines Logikschaltkreises angeschlossen wird. Schutzerdung und die 0 V-Referenz eines Steuerkreises sind separate Verbindungen; die Beurteilung einer 0 V-Erde-Verbindung in einem Metallgehäuse erklärt, warum ein Messwert zwischen ihnen wenig über die Abschirmung aussagt, und warum die Schutzerdung nie abgeklemmt wird, um Störungen zu beseitigen. Die Trennung von Strom- und Signalkabeln wird im Leitfaden zur Rückplatte und DIN-Schiene behandelt.

Halten Sie den Neutralleiter vom Gehäuse fern

Nach der Trennvorrichtung werden der Neutralleiter (geerdeter Leiter) und der Schutzleiter getrennt geführt. NEC 250.6 schreibt vor, dass Systeme so installiert werden müssen, dass kein Neutralleiter- oder Betriebsstrom über Metallteile fließt; das Schulungshandbuch führt als Ursache für unerwünschte Ströme das Verbinden des Neutralleiters mit dem Metallgehäuse einer Trennvorrichtung auf, die nicht Teil der Haupttrennvorrichtung ist, und warnt vor Stromschlag, Brand und Fehlfunktionen von Schutzeinrichtungen. In einem Gehäuse, das von einer externen Verteilung gespeist wird, sind Neutralleiter an einer isolierten Neutralleiterklemme und Schutzleiter an der Erdungsschiene anzuschließen; verbinden Sie beide dort niemals miteinander. Separat abgeleitete Systeme, wie ein Steuertransformator mit geerdeter Sekundärseite, folgen ihren eigenen Regeln in Artikel 250; befolgen Sie das Transformatorhandbuch und die geltende Fassung des Regelwerks.

Nichtmetallische Gehäuse

Gehäuse aus Polycarbonat und GFK leiten nicht, daher erfolgt keine Erdung durch die Wand. Jedes Metallteil innerhalb oder an der Box (Montageplatte, Metallkabelverschraubungen, Türbeschläge mit eingebauten Geräten) muss über einen eigenen Potenzialausgleichsleiter oder ein Anschlussstück mit Erdungsmöglichkeit mit dem Schutzleiter verbunden werden. Vergleichen Sie die Materialien in Polycarbonat vs GFK Gehäuse und Gehäusematerialien im Vergleich.

Wenn das fertige Gehäuse ein industrielles Schaltschrank wird, bringen Listung und Inspektion eigene Anforderungen mit sich; siehe UL 50E, NEMA 250 und Listung.

Häufig gestellte Fragen

Quellen

1. Mike Holt, Understanding 2020 NEC Requirements for Bonding and Grounding: 250.96 und 250.12 (sowie Einführung zu Artikel 250)
2. Mike Holt, 2020 NEC: 250.54 Hilfselektroden, Erde ist kein effektiver Fehlerstrompfad gemäß 250.4(A)(5)
3. Mike Holt, 2020 NEC: 250.122 und Tabelle 250.122, Dimensionierung von Erdungsleitern
4. Mike Holt, 2020 NEC: 250.119, Kennzeichnung von Erdungsleitern
5. Mike Holt, 2020 NEC: 250.6, unzulässiger Strom
6. EC&M, "Code Q&A: Anschluss von Erdungs- und Potenzialausgleichseinrichtungen" (NEC 250.8, 2017)
7. Mike Holt Forum, „Control panel door grounding“ (NFPA 79 8.2.3.6.1 zitiert)
8. Rockwell Automation, Industrial Automation Wiring and Grounding Guidelines, Publikation 1770-4.1 (Potenzialausgleich, Erdungsschiene, Türerdungsband, DIN Schienen Erdung)
9. IEC 60715:2017 (Schutzfunktion der Erdung von Schienen gemäß Produktspezifikationen)
10. NFPA 70, National Electrical Code (kostenloser Lesezugriff): Artikel 250