01.08.2016, 00:00 Uhr

Blitzschutz- und Erdungsmaßnahmen bei Klärwerken

Für den Betrieb von Kläranlagen sind in Deutschland u. a. das Wasserhaushaltsgesetz, die Abwasserverordnung und die einschlägigen Länderverordnungen zu beachten. Hieraus ergeben sich hohe Anforderungen an einen sicheren Betrieb. Dazu gehört auch die Beherrschung von Risiken, die sich durch Blitzeinwirkungen ergeben können. Gerade aufgrund der großen flächenmäßigen Ausdehnung und des weitläufigen informationstechnischen Netzes sind technische Einrichtungen und bauliche Anlagen durch Blitzeinwirkung stark gefährdet. Hierzu gehören Bauwerke, die das Klärwerksgelände deutlich überragen, z. B. Faultürme, bauliche Anlagen mit betriebsbedingte explosionsgefährdeten Bereichen und bauliche Anlagen, die die zentrale Steuer- und Messtechnik für den Betrieb und die Überwachung der Kläranlage enthalten.

Quelle: W. Wettingfeld

Quelle: W. Wettingfeld

Anforderungen an den Blitzschutz für Kläranlagen werden im DWA-Regelwerk Merkblatt DWA-M-261 [8] und in DIN EN 62305-3 Beiblatt 2, Abschnitt 20 [2] beschrieben. Da Elektronikkomponenten der modernen Systemtechnik geringere Isolations- und Spannungs­festigkeiten aufweisen, kann die betrieblich erforderliche Systemverfügbarkeit nur vorgehalten und sichergestellt werden, wenn die Realisierung von Schutzmaßnahmen für Überspannungsschutz-, Blitzschutz-, Potenzialausgleichs- und Erdungsmaßnahmen ganzheitlich geplant und koordiniert wird.

Schutzmaßnahmen gegen Blitzeinwirkung und Überspannungen müssen daher die Verfügbarkeit insbesondere der Betriebsmesseinrichtungen sicherstellen. Hierzu gehören u. a.:

  •  Pegelstandmesseinrichtungen zur Durchflussmessung,
  •  Messeinrichtungen zur Messung des pH-Werts und des Feststoffgehalts,
  •  Mess- und Überwachungseinrichtungen für Pegel- und Füllstände in Pumpensümpfen und Behältern,
  •   Sauerstoffmesseinrichtungen.

Als Schutz gegen gefährliche Spannungen und Ströme sind in Kläranlagen umfangreiche Potenzialausgleichs- und Erdungsmaßnahmen erforderlich, da in bestimmten Bereichen eine explosions­fähige Atmosphäre durch Methangas auftreten kann. Alle Schutzmaßnahmen müssen daher sorgfältig aufeinander abgestimmt sein und die besonderen Betriebsbedingungen eines Klärwerks berücksichtigen. Insbesondere müssen die Einbauorte für die erforderlichen Überspannungsschutzmaßnahmen sorgfältig ermittelt werden.

Die Bedeutung von Blitzschutz- und Überspannungsschutzmaßnahmen für die Betreiber wird erkennbar durch die Veröffentlichungen der Deutschen Ver­einigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e. V. (DWA), die sich in eigenen Publikationen intensiv mit Schutzmaßnahmen gegen Blitzeinwirkung befasst haben (siehe [1; 3]). Die im Abschnitt 20 der DIN EN 62305-3 Beiblatt 2 [2] aufgeführten Informationen berücksichtigen diese Publikationen und ergänzen diese (s. a. Abschnitt 1 aus [4]).

Blitzschutzmaßnahmen für Klär­anlagen

Nach DIN EN 62305-3 Beiblatt 2 entspricht ein Blitzschutzsystem, das für Schutzklasse III ausgelegt ist, den normalen Anforderungen für bauliche An­lagen in Kläranlagen, wenn für diese keine Ex-Bereiche ausgewiesen wurden. Für explosionsgefährdete Bereiche sind in der Regel die Anforderungen der Schutzklasse II zu berücksichtigen. Sind die baulichen Anlagen mit umfangreichen informationstechnischen Einrichtungen ausgerüstet, dann können zusätzliche Maßnahmen erforderlich sein. Zu diesen baulichen Anlagen gehören:

  •  Betriebsgebäude mit einer Leitwarte,
  •  Betriebsgebäude, die Einrichtungen des Prozessleitsystems einschließlich der dazugehörenden Infrastruktur enthalten.

Für bauliche Anlagen mit explosionsgefährdeten Bereichen (z. B. in Vorklär-, Misch- und Ausgleichsbecken, Ein­dickern und Faultürmen) müssen die Anforderungen aus Anhang D der DIN EN 62305-3 (siehe [5; 6])und des Abschnitts 5 der DIN EN 62305-3 Beiblatt 2 [2] berücksichtigt werden.

Blitzschutzmaßnahmen für Betriebsgebäude einer Kläranlage

Die Anforderungen an den Blitzschutz für die Betriebsgebäude einer Kläranlage werden durch die technischen Einrichtungen bestimmt. Gebäude, die Einrichtungen des Prozessleitsystems, einschließlich der dazugehörenden Infrastruktur enthalten, sind durch ein Blitzschutzsystem zu schützen, das mindestens den Anforderungen der Schutzklasse II entspricht, damit eine möglichst hohe Verfügbarkeit sichergestellt ist, wie sie im DWA-Regelwerk DWA-M 261 [1] gefordert wird. Die Planung eines Blitzschutzsystems sollte dabei folgende Punkte berücksichtigen:

  • Zur Sicherstellung der Schutz- und Funktionserdung sowie eines nieder­impedanten Potenzialausgleichs ist bei Neubauten ein engmaschiger Fundamenterder (Maschenweite z. B. 10 m x 10 m) vorzusehen. Neubauten müssen neben der Normenreihe DIN EN 62305 auch die Anforderungen der DIN 18014 [7] beachten.
  • Eine niederimpedante Erdung wird durch eine ausreichende Anzahl von Anschlussfahnen oder Erdungsfestpunkten aus nichtrostendem Material (siehe DIN EN 62305-3 (VDE 0185-305-3), Tabelle 7 [5]) ermöglicht. Diese sind im Bereich von Verteilungen, Kabelein­tritten, Kabelverteilern und Steuerpulten anzuordnen. Im Außenbereich werden Anschlüsse für die Vermaschung der Gebäudeerdungsanlagen benötigt. Natür­liche Bestandteile des Gebäudes, die den Mindestanforderungen der Normen entsprechen, sind als Teile des Blitzschutzsystems bevorzugt zu nutzen.
  • Für Neubauten gilt: Die Stahlbewehrung von Wänden und Decken ist in die Schutzmaßnahmen einzubeziehen, damit eine möglichst hochwertige Schirmung erreicht wird. Durch diese Maßnahme wird die Einkopplung von elektromagnetischen Störimpulsen in das Innere der baulichen Anlage deutlich reduziert.
  • Dachaufbauten sind so zu schützen, dass die Einkopplung von Teilblitzströmen in das Innere der baulichen Anlage verhindert wird. Versorgungsleitungen, die über längere Strecken auf dem Dach geführt werden, sind nach DWA-M 261, Abschnitt 4.3 wie Dachaufbauten zu betrachten und dementsprechend gegen direkten Blitzeinschlag zu schützen. Elektrische Verkabelungen zu Dachaufbauten müssen elektromagnetisch geschirmt sein [1].

Blitzschutzmaßnahmen für Klärbecken

Ein vollständiger Blitzschutz für Klärbecken mit großen Abmessungen ist nur mit sehr großem Aufwand realisierbar. Da ein direkter Blitzeinschlag in die Betonteile eines Klärbeckens in der Regel lediglich zu örtlich begrenzten Schäden führt, wird aus diesem Grund für diese Bereiche vielfach auf Fangeinrichtungen verzichtet. Metallene Einrichtungen sind allerdings nach DIN EN 62305-3, Tabelle 8 in den Blitzschutzpotenzialausgleich einzu­be­ziehen und zu erden. Hierzu gehören z. B. Schieberkonstruktionen, Geländer, Treppen, Rohrleitungen etc. (Bilder 1 und 2).

Bild 1 Potenzialausgleich zwischen Geländerelementen. Quelle: W. Wettingfeld

Bild 1 Potenzialausgleich zwischen Geländerelementen.

Foto: W. Wettingfeld

 

Bild 2 Potenzialausgleichsverbindung zum Erdungsfestpunkt des Fundamenterders Quelle: W. Wettingfeld

Bild 2 Potenzialausgleichsverbindung zum Erdungsfestpunkt des Fundamenterders

Foto: W. Wettingfeld

 

Blitzschutzmaßnahmen für explo­sionsgefährdete Gebäude in Klär­anlagen

Explosionsgefährdete Bereiche (Bild 3) sind bei Vorklär-, Misch- und Ausgleichsbecken (Bild 4), Eindickern und Faultürmen vorhanden.

Bild 3 Beispiel für die Ausweisung von Ex-Bereichen .Quelle: W. Wettingfeld

Bild 3 Beispiel für die Ausweisung von Ex-Bereichen .

Foto: W. Wettingfeld

 

Bild 4 Klärbecken mit ausgewiesenen Ex-Bereichen .Quelle: W. Wettingfeld

Bild 4 Klärbecken mit ausgewiesenen Ex-Bereichen .

Foto: W. Wettingfeld

 

Blitzschutz- und Potenzialausgleichsmaßnahmen müssen die Anforderungen der TRBS 2152-3 [8], der DIN EN 62305-3, Anhang D, der DIN EN 62305-3 Beiblatt 2 [2] und der DIN VDE 0165-1 [9] berücksichtigen.

Faultürme einer Kläranlage stellen i. d. R. die höchsten Gebäude auf dem Gelände einer Kläranlage dar. Durch die Methangasbildung im Faulturm ist im Inneren eine ständige explosionsfähige Atmosphäre vorhanden. Ein Blitzschutzsystem muss daher mindestens den Anforderungen der Schutzklasse II entsprechen. In DIN EN 62305-3 Beiblatt 2, Abschnitt 20.5 wird dazu aufgeführt: „Auf den Faultürmen und den dazugehörenden Verbindungsbrücken sind umfangreiche elektrische und messtechnische Einrichtungen vorhanden. Die Fangeinrichtungen werden so angeordnet, dass ein direkter Blitzeinschlag oder Funkenüberschlag in diese Einrichtungen oder Verkabelungen verhindert wird (Bild 5 und Bild 6).

 

Bild 5 Faulturmanlage, Planung der getrennten Fangeinrichtung mithilfe des Blitzkugelverfahren . Quelle: W. Wettingfeld

Bild 5 Faulturmanlage, Planung der getrennten Fangeinrichtung mithilfe des Blitzkugelverfahren .

Foto: W. Wettingfeld

 

Hierzu kann es erforderlich sein, die Verkabelung in geschlossene Metallkanäle zu verlegen. Die Metallkanäle sollten an den Enden und im Abstand von ca. 10 m bis 20 m geerdet werden. Durch die Verlegung von Kabeln in einem Metallkanal wird eine Schirmung erreicht, die elektromagnetische Störeinkopplungen, insbesondere auf MSR-Leitungen, wirksam reduziert. Die Deckel eines Metallkanals werden so montiert, dass sie die Fugen des Unterteils überlappen. Es muss sichergestellt werden, dass nach allen Arbeiten die Deckel wieder so aufgesetzt werden, dass die vorgesehene Schirmwirkung erreicht wird.

Erdungsanlagen für Kläranlagen

Aufgrund der großen räumlichen Ausdehnung einer Kläranlage kommt der Planung und Errichtung der erforder­lichen Erdungsanlagen eine besondere Bedeutung zu. Wie zuvor erwähnt müssen Neuanlagen immer mit einem Fundamenterder nach DIN 18014 erstellt werden, da nach DIN VDE 0100 T 540, Abschnitt 542.2.3 gilt: „In Deutschland besteht eine Verpflichtung, in allen neuen Gebäuden einen Fundamenterder nach der nationalen Norm DIN 18014 zu errichten“ [7].

Bei der Planung und Errichtung der Erdungsmaßnahmen ist auf eine aus­reichende Vermaschung der Erdungsanlagen zu achten. Über erdverlegte Kabel sind Erdungsleiter zu verlegen, die mit der jeweiligen Gebäudeerdungsanlage zu verbinden sind. Bei einer Verlegung der Kabel auf Rohrbrücken ist auf eine ausreichende Erdung der Rohrbrückenstützen zu achten.

Wird eine bestehende Kläranlage erweitert oder erneuert, dann ist als Erdungsanlage vorzugsweise ein im Erdreich verlegter Oberflächenerder zu erstellen. In Beckenbereichen kann eine Erdung auch durch Tiefenerder erfolgen, wenn sichergestellt ist, dass sie alle untereinander verbunden sind. Diese Verbindung kann durch die Nutzung von Geländern oder Rohrleitungen erfolgen, die damit gleichzeitig auch in den Potenzialausgleich einbezogen werden. Es muss sichergestellt sein, dass der Potenzialausgleich dauerhaft gewährleistet ist und nicht durch Demontagearbeiten z. B. an Geländern aufgehoben werden kann.

Erdungsanlagen, Anschlüsse und Verbindungsklemmen sind grundsätzlich korrosionsbeständig auszuführen. Hierfür eignen sich Erdungsmaterialien aus nichtrostendem Stahl, V4A, Werkstoff-Nr. 1.4571 . Alle Erdungsmaßnahmen sind nach der Ausführung sorgfältig zu dokumentieren und mit Ausführungs­details und Fotos zu ergänzen.

Schutz gegen Überspannungen

Elektrische Betriebsmittel in Kläran­lagen (z. B. Messeinrichtungen) werden im Verbund mit empfindlichen elektro­nischen Steuerungs- und Automatisierungssystemen sowie Komponenten der Leistungselektronik eingesetzt. Aufgrund der weitläufigen Vernetzung der Systemtechnik entstehen große Leitungsschleifen, die die Gefahr durch eingekoppelte Überspannungen in besonderem Maße erhöhen. Aus diesen Gründen hat das Thema Überspannungsschutz in der DIN EN 62305-3 Beiblatt 2, Abschnitt 20.7 [2] und in der DWA-M 261, Abschnitt 5 [1] eine zentrale Bedeutung.

Im Merkblatt DWA-M 261, Abschnitt 5.2 [1] wird für Niederspannungsanlagen konsequent gefordert: „Bei Neuinstallationen, Erneuerungen oder Instandsetzungen in betreibereigenen, betriebsmäßig geerdeten Niederspannungsnetzen sind ausschließlich Systeme mit der Netzform TN-S gemäß DIN VDE 0100-100 (VDE 0100- 100) zu erreichen“. Diese Forderung wird auch für Altanlagen erhoben: „Altanlagen mit den Netzformen TN-C oder TN-C-S sind bei Erweiterungen, Instandsetzungen oder Umbauten in die Netzform TN-S umzurüsten (DIN VDE 0100-444 (VDE 0100-444).“

Ausdrücklich wird eine konsequente Trennung von Neutral- und Schutzleiter gefordert, um Potenzialdifferenzen durch Betriebsströme zu minimieren. Damit werden Systemfunktionsstörungen oder Ausfälle der Automatisierungssysteme reduziert (siehe DWA-M 261, Abschnitt 8 [1]).

Der Schutz gegen Überspannungen für energie- und informationstechnische Einrichtungen kann nach der Norm DIN EN 62305-3 Beiblatt 2, Abschnitt 20.7 wie folgt erreicht werden:

  • Verlegung von Lichtwellenleiter, die keinen metallenen Beidraht haben;
  • Verwendung geschirmter Kabel, der Schirm ist stromtragfähig und mindestens an beiden Enden mit der jeweiligen Gebäudeerdungsanlage zu verbinden;
  • Einsatz von Erdungsleitern, die oberhalb einer Kabeltrasse im Erdreich verlegt und mit den jeweiligen Gebäude­erdungsanlagen verbunden sind;
  • Einsatz von koordinierten Blitzstrom- und Überspannungsableitern,
  • Auswahl von Betriebsmitteln mit ausreichender Spannungsfestigkeit.

Hinweis:

  • Ein Leitungsschirm darf kein Ersatz für einen fehlenden Potenzialausgleichsleiter sein.
  • Eine einseitige Erdung von Leitungsschirmen ist nach DWA-M 261, Abschnitt 6.4 nicht zulässig [1].

Anschluss- und Erdungsleitungen der Überspannungsschutzgeräte müssen so verlegt werden, dass die Schutzwirkung der Geräte nicht aufgehoben und keine Überspannungen eingekoppelt werden.

Nach DWA-M-261, Abschnitt 5.3 [1] sind alle Leitungssysteme, die in ein Gebäude eingeführt werden, in den Blitzschutz-Potenzialausgleich einzubeziehen. Die Systemtechnik im Außenbereich wird in gleicher Weise geschützt wie eine bauliche Anlage. Bei Neuanlagen, Erweiterungen oder bei Instand­setzungen sind Überspannungsschutzmaßnahmen für Energieversorgungsleitungen und für Leitungen der Systeme der Automatisierungstechnik erforderlich.

Bild 6 Realisierte getrennte Fangeinrichtung .Quelle: W. Wettingfeld

Bild 6 Realisierte getrennte Fangeinrichtung .

Foto: W. Wettingfeld

Bild 7 Messstellen einer Kläranlage, für die Überspannungsschutz erforderlich ist. Bild: Dehn

Bild 7 Messstellen einer Kläranlage, für die Überspannungsschutz erforderlich ist. Bild: Dehn

 

Werkstoffauswahl und Korrosion

Die dauerhafte Wirksamkeit der Schutzmaßnahmen im Kläranlagenbereich wird wesentlich von der richtigen Werkstoffauswahl bestimmt. Aufgrund der besonderen Umgebungsbedingungen, die durch die Klärung der Abwässer entstehen, ist der Einsatz korrosions­beständiger Werkstoffe unerlässlich.

Besonders gefährdet sind Anschluss- und Verbindungsbauteile an Geländern und Laufschienen der Beckenbereiche und im Anlageninneren. Praxiserfahrungen zeigen, dass Anschlussbauteile und Verbindungsleitungen aus Aluminium oder verzinktem Stahl in dieser Umgebung keine Korro­sionsbeständigkeit haben. Darüber hinaus haben Unter­suchungen gezeigt, dass durch die Verwendung von Aluminium und Stahl eine Funkenbildung auftreten kann, die insbesondere in explosionsgefährdeten Bereichen zu einer Gefährdung führen.

Für die verschiedenen Verbindungs- und Überbrückungsleitungen empfiehlt sich der Einsatz von nichtrostendem Stahlseil (V4A, Werkstoff-Nr. 1.4571) mit Mindestquerschnitt von 78 mm². Runddrähte aus nichtrostendem massivem Draht haben sich nicht bewährt, da diese Leitungsmaterialien sehr steif sind und sich nur schwer biegen und anpassen lassen.

Für Betriebsgebäude können für Fang- und Ableitungen Aluminiumdrähte verwendet werden, da die zuvor geschilderte Korrosionsproblematik hier in der Regel keine besondere Bedeutung hat.

TS 543

 

Literaturverzeichnis

  1. Merkblatt DWA-M 261: Überspannungsschutz auf Anlagen der Abwasserbehandlung. Hennef: Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e. V. (DWA) 2011.
  2. DIN EN 62305-3 Beiblatt 2: Blitzschutz – Teil 3: Schutz von baulichen Anlagen und Personen – Beiblatt 2: Zusätzliche Informationen für besondere bauliche Anlagen. Berlin: Beuth Verlag 2012.
  3. Merkblatt DWA-M 213: Planung und Bau der Elektrotechnik auf Anlagen der Abwassertechnik – Teil 1: Allgemeines Planungs- und Baugrundlagen. Hennef: Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e. V. (DWA) 2007.
  4. Kern, A.; Wettingfeld, J.: Blitzschutzsysteme 2. VDE-Schriftenreihe Bd. 160. Berlin: VDE- Verlag 2015.
  5. DIN EN 62305-3: Blitzschutz – Teil 3: Schutz von baulichen Anlagen und Personen. Berlin: Beuth Verlag 2011.
  6. Kern, A.; Wettingfeld, J.: Blitzschutzsysteme 1, VDE-Schriftenreihe Bd. 44. Berlin: VDE- Verlag, 2014.
  7. DIN VDE 0100-540: Errichten von Niederspannungsanlagen – Teil 5-54: Auswahl und Errichtung elektrischer Betriebsmittel -Erdungsanlagen, Schutzleiter und Schutz-Potenzialausgleichsleiter. Berlin: Beuth Verlag 2007.
  8. Technische Regeln für Betriebssicherheit (TRBS) 2152-3: Gefährliche explosions­fähige Atmosphäre – Vermeidung der Entzündung gefährlicher explosionsfähiger Atmosphäre. GMBl. (2009) Nr. 77, S. 1583.
  9. DIN EN 60079-14: Explosionsfähige Atmosphäre – Teil 14: Projektierung, Auswahl und Errichtung elektrischer Anlagen. Berlin: Beuth Verlag 2009.

Von Jürgen Wettingfeld, Krefeld

Dipl.-Ing. Jürgen Wettingfeld, W. Wettingfeld GmbH & Co. KG, Krefeld. Mitglied im K 251, Leiter des Arbeitskreises AK 251.02 (Blitzschutz für explosionsgefährdete Bereiche) und des AK 251.07 (Blitzschutz für bauliche Anlagen), Mitarbeiter bei IEC TC 81.

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