Kann flacher Stahlstab für Erdungssysteme in Gebäuden verwendet werden?

Einhaltung der NEC und baurechtliche Zulassung von flachem Stahlstab für die Erdung

NEC-Artikel 250.52 und 250.64: Wann ein flacher Stahlstab als Erdungselektrode oder Erdungsleiter zugelassen ist

Der Nationale Elektro-Code (NEC) enthält spezifische Anforderungen an Abmessungen, Materialien und die Installation von Erdungssystemen, zu denen auch Flachstahlstäbe gehören. So definiert beispielsweise Artikel 250.52(A)(7) Flachstahlstäbe als Erdungselektroden, sofern Stäbe aus kohlenstoffarmem Stahl in horizontaler Lage oberhalb oder unterhalb der Frostgrenze verlegt werden. Um diese Stäbe als Erdungsleiter einzusetzen, legt Artikel 250.64 Anforderungen an den mechanischen Schutz, die Querschnittsgröße sowie den Zustand der Komponenten fest. Die Nichteinhaltung dieser Anforderungen kann eine Erhöhung der Impedanz des Erdungssystems um 40–70 % bewirken. Diese Erhöhung kann eine Reihe von Problemen verursachen, darunter ein Ausfall der Fehlerstromerkennung sowie ein Ausfall der Geräte. Dies ist der Hauptgrund dafür, dass das NEC-Handbuch 2023 detaillierte Angaben für Elektriker bereitstellt.

Mindestgrößenanforderungen gemäß NEC-Tabelle 250.66: Abmessungen, Dicke und Verlege Tiefe für Flachstahlstäbe

Beschichtete Stahlstäbe müssen nach der Verzinkung bestimmte Abmessungen aufweisen. Der Verlust der Beschichtung darf nicht zu einer Unterschreitung der für die Sicherheit erforderlichen Mindeststahlstärke führen. Metallstäbe in Böden mit einem pH-Wert unter 5,0 korrodieren nahezu dreimal schneller als Standardstäbe, gemäß IEEE Std. 80-2023. Diese beschleunigte Korrosion stellt ein gefährliches Risiko für das Fehlerstrommanagement im System dar. In Gebieten, in denen der Boden zu steinig für eine vollständige Verlegung ist, müssen die Monteure vor Ort sämtliche zusätzlichen Maßnahmen dokumentieren, darunter die Installation korrosionsbeständigerer Schichten, zusätzliche Erdungsmaßnahmen usw. In diesen Fällen müssen die zusätzlichen Maßnahmen von der zuständigen Behörde genehmigt werden.

Korrosionsbeständigkeit und Lebensdauer von Flachstahlstäben für Erdungsanwendungen

HDG-Flachstahlstab: ASTM A123 & 30–50 Jahre Korrosionsbeständigkeit in typischen Böden

Erdungssysteme mit feuerverzinkten Flachstahlstäben gemäß ASTM-A123-Norm haben sich in verschiedenen Feldtests erfolgreich bewährt. Die Zinkschicht wirkt als Barriere gegen Bodenkorrosion und übernimmt zunächst die Korrosionsbeanspruchung, um den darunterliegenden Stahl zu schützen. Unabhängige Tests zeigen, dass diese Schichten mindestens 85 Mikrometer dick sind – dies entspricht der erforderlichen Dicke für einen Korrosionsschutz von 30 bis 50 Jahren in Böden mit einem pH-Wert von 5,5 bis 8,0 und einer Bodenwiderstandsfähigkeit von über 1.000 Ohm·cm. Matrix-Testergebnisse unter extremen Bedingungen zeigen, dass das Material nach einer äquivalenten Salzsprühnebel-Belastung von 1.500 Stunden intakt bleibt – dies entspricht einer Küstenexposition von etwa 20 Jahren. Eine fachgerechte Installation dieser feuerverzinkten Stahlstäbe gewährleistet, dass die Erdungssysteme während ihrer gesamten Lebensdauer einen Widerstand von weniger als 25 Ohm aufrechterhalten und die Anforderungen der IEEE-80-Norm hinsichtlich der Sicherheit erfüllen.

Die Degradation von unbeschichteten und verzinkten Flachstahlstäben in küstennahen und trockenen Umgebungen

Dauerhafte Erdungsinfrastruktur ist Umweltbelastungen ausgesetzt, wobei Korrosion in Erdungssystemen den Anfang macht. Belastungsfaktoren wie Feuchtigkeit, Temperaturschwankungen und Korrosion machen das Verzinken zunehmend wichtig.

Küstennahe und trockene Gebiete

Unbeschichteter Stahl in Küstennähe neigt aufgrund von Chloriden, Feuchtigkeit und Temperaturschwankungen dazu, mit einer Geschwindigkeit von etwa 1,5 mm pro Jahr zu rosten. In trockenen Gebieten wird eine Lebensdauer von über 30 Jahren erwartet, wobei weniger als 15 % der Beschichtung (Zink) verloren gehen; verzinkte (beschichtete) Stahlstäbe werden in trockenen Gebieten auf eine Lebensdauer von etwa 30 Jahren geschätzt.

Unbeschichtete Stahloberflächen werden im Laufe der Zeit unweigerlich pockennarbig. Unbeschichteter Stahl wird deutlich schneller pockennarbig als beschichteter Stahl. Verzinkter (zinkbeschichteter) Stahl behält nach etwa 10 Jahren noch rund 98 % seiner Leitfähigkeit.

Tests unter verschiedenen Vegetations- und Bodenbedingungen in mehreren geografischen Regionen bestätigen die Annahme der Ingenieure, dass verzinkte Beschichtungen die Lebensdauer von Metallkomponenten unter rauen Bedingungen verdoppeln bis verdreifachen.

Dies ist wichtig für zuverlässige elektrische Verbindungen und Systeme zur Einhaltung der Sicherheitsvorschriften ohne Wartungsaufwand.

Einsatz von Flachstahlstäben in Erdungssystemen von Gebäuden

Wohn- und Gewerbeanwendungen: Hauptpotentialausgleichsleiter, Erdungs-Sammelschienen und Elektrodenspannverbindungen

Flachstahlstäbe werden nahezu in allen Bauarten eingesetzt, da sie sich mechanisch überlegen, einfach zu verbinden und günstiger als die meisten Alternativen sind. Im Wohnbau werden sie häufig als Hauptverbindungsjumper verwendet, der die Versorgungseinrichtung mit den Erdungselektroden verbindet. Dies ist insbesondere dann von entscheidender Bedeutung, wenn mehrere Erdungsstäbe erforderlich sind, um den vom IEEE-142-Standard vorgeschriebenen Widerstandswert von 25 Ohm zu erreichen. Bei gewerblichen Gebäuden eignet sich das flache Profil gut als Erdungssammelschiene in Schaltanlagen und Verteilerkästen. Das flache Profil ermöglicht es zudem Elektrikern, diese Komponenten auch in engen Bereichen zu installieren, wobei gleichzeitig die erforderliche Querschnittsfläche der Erdungssammelschiene für eine große Anzahl von Erdungsanschlüssen gewährleistet bleibt. Flachstahlstäbe eignen sich ebenfalls hervorragend zur Verbindung verschiedener Arten von Erdungselektroden – darunter Erdungsstäbe, im Beton eingebettete Ufer-Erdungen sowie sogar metallische Wasserleitungen, die von manchen Menschen als „alte Erdung“ bezeichnet werden. Die Verbindung dieser Elektroden wird von Elektrikern üblicherweise als „Niedrigimpedanz-System“ bezeichnet – eine Lösung, die deutlich besser ist, als diese Komponenten als voneinander getrennte Teile des Systems zu betrachten.

Abstimmung mit der zuständigen Behörde (AHJ), Gewährleistung niederohmiger Verbindungen und Vermeidung mechanischer Beschädigungen

Es gibt einige grundlegende Dinge, die zu beachten sind, um zu beginnen: Verlegen Sie freiliegende flache Stahlstäbe in einer Tiefe von mindestens 750 mm (bzw. 30 Zoll) unter Verwendung der NEC als Leitfaden. Dadurch werden die Auswirkungen einer versehentlichen Ausgrabung minimiert und Temperaturbedingte Probleme an den Stäben vermieden. Für Verbindungen mit Erdungselektroden, Sammelschienen oder anderen Geräten dürfen ausschließlich normgerechte Verbinder verwendet werden, beispielsweise UL-zugelassene Kabelschuhe oder exothermische Schweißverbindungen, da diese eine elektrische und thermische Kontinuität gewährleisten und den Widerstand verringern. Bei Bodenbedingungen außerhalb des normalen Bereichs wird das Feuerverzinken erforderlich. Insbesondere dann, wenn der pH-Wert des Bodens < 5,0 oder > 10,0 beträgt oder die Bodenwiderstandsfähigkeit < 1.000 Ohm·cm liegt, ist das Feuerverzinken zur Erfüllung der Norm ASTM A123 zwingend vorgeschrieben. Es empfiehlt sich zudem, die zuständige Behörde (Authority Having Jurisdiction, AHJ) zu kontaktieren, um festzustellen, ob für den Projektstandort besondere Anforderungen gelten – etwa aufgrund von Feuchtigkeit, Küstennähe oder chemisch korrosiven Bodenbedingungen. Solche Bedingungen können zusätzliche Prüfungen, Beschichtungen und/oder Qualitätskontrollmaßnahmen erfordern.

FAQ

1. Welche Funktion erfüllen flache Stahlstäbe in Erdungssystemen?

Flache Stahlstäbe dienen als Erdungselektroden, die dazu beitragen, Fehlerströme sicher und effektiv in den Boden abzuleiten.

2. Flache Stahlstäbe sind verzinkt. Warum erfolgt dies?

Durch das Verzinken erhalten die Stahlstäbe eine schützende Zinkschicht, wodurch ihre Widerstandsfähigkeit gegenüber Rost und Korrosion erhöht wird. Dies ist besonders wichtig in küstennahen oder sehr trockenen Umgebungen.

3. Wie erfüllen flache Stahlstäbe die Anforderungen der NEC?

Flache Stahlstäbe müssen mindestens 750 mm (30 Zoll) unter der Erdoberfläche verlegt werden. Außerdem müssen sie mit einer durchgehenden metallischen Abdeckung gegen Korrosion geschützt sein. Die mechanischen Verbindungen müssen abrasiv ausgeführt sein; zudem sind UL-Klemmen oder exothermische Schweißverbindungen an den Stäben anzubringen.