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EMV in der Gebäudeautomatisierung

In der Gebäudeautomatisierung ist eine hohe Verfügbarkeit der Elektroinfrastruktur entscheidend. Selbst in Projekten erfahrener Planer und Errichter treten Störungen auf, die nicht durch übliche Mängel erklärbar sind. Ursache ist eine unzureichende Abstimmung bei Planung und Ausführung von Erdungsanlage, Potentialausgleich, Leitungsschirmung, Leitungsführung und System-Massung.
Bei Baustellen wird zunächst an Beton, Stahl und Glas gedacht. Bewehrungsstahl und Beton wird mit LKWs eingebracht. Pfeiler, Wände und Etagendecken wachsen zeitgleich in die Höhe. Leitungssysteme für die Technische Gebäudeausrüstung (TGA) werden gewerkeweise eingebaut. Viele Systeme sind durch moderne Automatisierungstechnik vernetzt. Schon bald nach Nutzungsbeginn stellen sich häufig Störungen auch in der Gebäudeautomatisierung ein. Gibt es Inkompatibilitäten zwischen verschiedenen Gewerken? Hätte nicht ein anderes Automatisierungssystem gewählt werden sollen? Fragen dieser Art zählen genau so zur Routine, wie die jahrzehntelang gängige Art, solche Bauwerke zu planen und zu errichten.

Fachkräfte sind gefragt

Seit etwa zehn Jahren regeln Standards das Miteinander unterschiedlicher elektrischer Systeme in baulichen Anlagen. Von Beginn an muss die Akzeptanz dieser Inhalte verbindlich gemacht und ihre Konsequenz in Planung und Ausführung Gewerke übergreifend eingefordert werden. VDI 6004 Blatt 2 behandelt Gewerke übergreifend den Schutz der TGA gegen Blitze und Überspannungen. VDE 0100-444 beschreibt Maßnahmen zum Schutz von elektrischen Anlagen gegen elektromagnetische Störungen. VDE 0185-305 behandelt den Blitzschutz von Gebäuden. DIN 18014 gibt Planern und Errichtern eindeutige Hinweise zur Ausführung von Fundamenterdern. In diesen Anlagen-EMV-Standards wird deutlich: Alle Tätigkeiten, die sich grundlegenden Maßnahmen der Anlagen-EMV widmen, erfordern Fachkräfte mit spezifischen Kenntnissen in Planung, Errichtung und Prüfung solcher Systeme.

Erdungsanlage nur noch fachgerecht

Heute dürfen Erdungsanlagen nicht mehr von fachfernen Planern geplant und unter Aufsicht von Betonspezialisten durch Bauhilfsarbeiter eingebracht werden. Schon lange werden bei fachspezifischen Anforderungen Fachkräfte eingebunden. So wird zum Beispiel ohne geprüfte Statik keine Baugenehmigung erteilt. Bei elektrischen Anlagen kann es heute noch vorkommen, dass vor Beginn der Fundamentierungsarbeiten weder eine Planung der Erdungsanlage vorliegt, noch Anforderungen an die Ausführung eingeholt werden. Die Erdungsanlage ist der wichtigste Teil der Elektroanlage. Alle Schutz- und Sicherheitsmaßnahmen basieren auf einer fachgerecht ausgeführten Erdungsanlage. Die Systemfunktionsverfügbarkeit der TGA steht und fällt mit einer funktionierenden Erdungsanlage. Normativ ist eine den Baufortschritt begleitende Prüfung und Dokumentation vorgeschrieben, für die sich aber häufig niemand interessiert. Erst wenn im fertigen Gebäude Probleme auftreten, wird festgestellt: Die Erdungsanlage ist mangelhaft. Erdungsanlagen sind unter Verantwortung von Elektro- oder Blitzschutz-Fachkräften Gewerke umfassend zu planen, zu errichten, den Baufortschritt begleitend zu prüfen und abzunehmen. Und fast immer ist es ratsam, einen Fachingenieur zu beauftragen.

Die Starkstromanlage

Die Starkstromanlage ist bei kleineren Gebäuden am öffentlichen Energieversorgungsnetz angeschlossen. Solche Anlagen sind ab Hausanschlusskasten als 5-Leiter TN-S-System auszuführen. Ein TT-Systems ist aus EMV-Sicht gleichwertig. Anlagen mit größerem Energiebedarf und/oder mit hohen Anforderungen an Versorgungssicherheit verfügen über eine eigene Mittelspannungsanlage mit einem oder mehreren Transformatoren. Üblicherweise sind diese im Gebäude untergebracht. Die Mittelspannungsanlage ist nach VDE 0101 an die Erdungsanlage anzuschließen. Niederspannungsanlagen sind grundsätzlich als TN-S-System mit Betriebserdung am Zentralen Erdungspunkt (ZEP) der Niederspannungs-Hauptverteilung (NSHV) ausgeführt. Dabei werden alle von den erdfreien Transformator-Sternpunkten herangeführten Neutralleiter an der isolierten N-Sammelschiene in der NSHV angeschlossen. In der gesamten Anlage gibt es keine weiteren PEN-Brücken. Ein Permanent-Monitoring des Stromes durch diese Brücke meldet EMV-kritische Zustände. Ströme von 0,5 bis 1% des Betriebsstromes werden als tolerabel eingestuft. Vorzugsweise sind die N-Leiter räumlich in die Nähe der zugehörigen Außenleiter zu führen. Dies gilt auch in Schaltanlagen.

Gebäudeautomatisierung

Gebäudeautomatisierung wird oft mit 24V DC versorgt, und die Systemmasse wird geerdet. In komplexen Anlagen sind Mehrfacherdungen keine Seltenheit. Durch Mehrfacherdung der Systemmasse können Signalströme zum Teil durch die Erdungsanlage fließen. Auf die gleiche Weise können Ströme aus der Erdungsanlage in die Masseverdrahtung eindringen. Diese vagabundierenden Ströme sind eine der Hauptursachen für Störungen durch Überlagerung systemfremder Spannungen. Energiereiche transiente Ströme führen häufig zur Zerstörung von Betriebsmitteln. Erdfrei betriebene Automatisierungslösungen bieten mit ihren hohen Isolationsfestigkeiten eine deutlich bessere Verfügbarkeit. Isolations-Monitoring meldet Veränderungen des Isolationszustandes im Moment des Entstehens.

Leitungsschirmung gegen elektromagnetische Einkopplungen

System-Leitungen der Gebäudeautomatisierung sind grundsätzlich getrennt von Starkstromleitungen zu führen. Vorzugsweise sind Metallkanäle mit geschlossenen Deckeln zu verwenden. Leitungsschirme zum Schutz gegen niederfrequente elektromagnetische Einkopplungen sind an Anfang und Ende HF-gerecht zu erden. Optional werden Schirme im Verlauf der Leitung zusätzlich geerdet. So wird die Antennenwirkung in höhere Frequenzbereiche verschoben. Einseitig geerdete Schirme zeigen keine niederfrequent elektromagnetisch schirmende Wirkung. Dies gilt auch bei einseitiger Erdung mit Kondensator am offenen Ende. In kritischen Fällen sind doppelt geschirmte Leitungen zu verwenden. Der äußere Schirm wird beidseitig, der innere einseitig an der Steuerung geerdet. Pauschale Herstellerangaben bezüglich der Erdung von Leitungsschirmen sind nie ungeprüft zu übernehmen. Leitungsschirme von Starkstromleitungen sind grundsätzlich beidseitig zu erden. Andernfalls können Brandgefahr sowie unzulässige Berührspannungen entstehen. Zu hohe Schirmströme sind in der Regel Indiz für Mängel beim Potentialausgleich.

Potentialausgleich, Blitz- und Überspannungsschutz

Wird bei Neubauten der Aspekt eines EMV-gerechten Potentialausgleichs von Anfang an berücksichtigt, sind Potentialdifferenzen kein Problem. Dazu werden horizontale und vertikale bauliche Strukturen genutzt. Die Stahlbewehrung der Etagendecken und der Pfeiler wird wie bei der Fundamentplatte etwa alle 2m untereinander stromtragfähig verbunden, etwa durch Schraubverbinder. Rödelverbindungen sind für diesen Zweck untauglich. An geeigneten Stellen werden Anschlusspunkte eingebracht zum Beispiel an jeder Säule in Zwischenböden. Pro 1000m² Fläche sind mindestens 10 Anschlüsse zu setzen. Gebäudeblitzschutzsysteme bestehen immer aus äußerem und innerem Blitzschutz. Soll das Fundament als Erder genutzt werden, ist zu klären, inwieweit ein ausreichender Ausbreitungswiderstand auf Dauer sicher gestellt werden kann. Perimeter-Dämmungen oder Isolierschichten gegen Durchdringen von Feuchtigkeit lassen Fundamenterder nur noch als Potentialausgleich wirken. Hier sind zusätzliche Erder einzubringen, wie erdberührende Maschennetze unter der isolierenden Schicht, Tiefenerder oder Ringerder. Als Material für erdberührte Teile der Erdungsanlage ist nicht rostender Edelstahl – Werkstoffnummer 1.4571 oder mindestens gleichwertig – zu verwenden. Gleiches gilt für Potentialausgleich-Anschlüsse. Blanker oder verzinkter Stahl ist nur noch in Beton fachgerecht. An den EMV-Schutzzonenübergängen sind alle Leitungssysteme in den Potentialausgleich einzubeziehen. Alle aktiven Leiter – auch Systeme der Gebäudeautomatisierung – werden mit geeigneten Überspannungsableitern geschützt. Alle Gewerke-schränke und Verteilungen werden nach den jeweiligen Hauptschaltern mit Typ 2-Ableitern beschaltet. Bei Mittelspannungsanlagen sind Kabelschirme in den Potentialausgleich einzubinden. Mittelspannungskabel sind nach dem Gebäudeeintritt mit Ableitern zu beschalten. Innerhalb von Gebäuden sind diese Kabel in allseitig geschirmten Kanälen zu führen. Außen liegende Betriebsmittel sind vorzugsweise so zu schützen, dass sie nicht von Blitzströmen durchflossen werden.

Fazit

Anlagen-EMV wird in der Gebäudeautomatisierung bislang kaum gelebt – hier ist ein Umdenken erforderlich. Alle für Planung und Ausführung Verantwortlichen sind gefordert, sich rechtzeitig miteinander auszutauschen. Konsequenz in Planung, Errichtung und Betrieb sind Voraussetzung für die höhere Verfügbarkeit, für Anlagen- und Personensicherheit sowie für langfristig zufrieden stellende Systemfunktion der eingesetzten Technik.

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