Bahnerdung

Die Bahnerdung ist eine Erdungsmaßnahme, die im Bereich von elektrisch betriebenen Bahnen angewandt wird. Bei Arbeiten dient sie dem Schutz von Personen und Betriebsmitteln im Oberleitungs- bzw. Stromschienen- und im Stromabnehmerbereich. Die Bahnerdung wird für Deutschland in der DIN EN 50122-1 geregelt. Die Bahnerdungskonzepte sind aufgrund der verschiedenen Bodenverhältnisse in den jeweiligen Ländern unterschiedlich geregelt.

Stahl-Oberleitungsmast mit zusätzlicher Versorgungsleitung an der Spitze und Erdseil darunter

Grundlagen

Werden bei elektrisch betriebenen Bahnen die Fahrschienen als Stromrückleitung verwendet, entsteht zwischen den Schienen und der Erde eine Potentialdifferenz. Diese Spannung kann ganz oder teilweise von Personen abgegriffen werden. Die Höhe des Schienenpotentials ist von verschiedenen Faktoren abhängig. Je nach Längswiderstand der Rückleitung, Höhe des Betriebsstromes, Unterwerkabstand und Fahrbetrieb in den angrenzenden Strecken kann das Schienenpotential auch unzulässig hohe Werte erreichen. Zum Schutz vor diesem unzulässig hohen Schienenpotential wird die Bahnerdung angewandt. Die Bahnerdung hat gegenüber den Erdungen der öffentlichen Stromversorgung einige wesentliche Besonderheiten. Die Bahnerdung ist mit dem weit verzweigten und weiträumig geerdeten Schienensystem in Verbindung. Außerdem fließen über die Bahnerdung auch Betriebsströme in Form von Triebrückströmen. Da sich die Rückleitung nicht vollständig von der Erde isolieren lässt, fließt der Triebrückstrom auch über das Erdreich zurück. Aufgrund der wesentlich tieferen Frequenz des Bahnstromes von 16,7 Hertz breiten sich diese Erdströme anders aus als bei einer Netzfrequenz von 50 Hertz.

Bahnerde

Erdungskabel an einem Gleis, Kabelseite und Gegenmutter an der gegenüberliegenden Schiene

Basis für die Bahnerdung ist die Bahnerde, früher auch Schienenerde genannt, sie besteht aus den als Fahrstromleiter dienenden Fahrschienen und sämtlichen mit ihnen verbundenen Leitungen, Fahrzeugen und Anlageteilen. Um die Rückführungsanlage bezüglich der Streuströme richtig zu gestalten, müssen die in den einschlägigen Vorschriften (z. B. EN 50122-2) vorgegebenen Grenzwerte eingehalten werden. Das Hauptelement dabei bilden die Fahrschienen. Diese müssen zur Erhöhung des Leitwerts in Längs- und Querrichtung gut leitend miteinander verbunden werden. Zur Verbindung der Schienen eines Gleises sind Laschenverbindungen geeignete Verbindungsmittel. Die Schienenstöße müssen in Längsrichtung überbrückt werden. Bei nebeneinander liegenden Gleisen mit einem Gleisabstand von 30 Metern und weniger müssen die jeweiligen Gleise mittels Gleisverbindern untereinander verbunden werden. Zusätzlich werden zur Verbesserung der Rückleitungsverhältnisse separate Leitungen an den Masten der Oberleitung als Rückleitungsseil montiert und mit der Bahnerde verbunden. Diese Erdseile müssen einen genügend großen Querschnitt haben. In der Regel reichen Erdseile mit einem Querschnitt von 95 mm² aus. Bei felsigem oder schlecht leitendem Untergrund und im Bereich von Gleichstrombahnen muss der Querschnitt größer sein. Hier werden dann mehrere parallel verlegte Erdseile verwendet. Zweck der Verwendung von Erdseilen ist es, den Rückstromanteil überwiegend durch das Erdseil zu führen. Dazu müssen die Erdseile einen deutlich niedrigeren Widerstand als die Fahrschienen und das Erdreich aufweisen. Neben der Rückstromführung dienen die Erdseile gleichzeitig als Schutzerdung und zur Minderung der Potentialdifferenz zwischen den Fahrschienen und dem Erdreich. Die Erdungsseile werden nach Möglichkeit mit den Fahrleitungsmasten verbunden. Um einen möglichst großen Strom über die Erdseile zu ermöglichen, müssen in Abständen von 250 bis 300 Metern Querverbindungen erstellt werden. Diese Querverbindungen verbinden die Fahrschienen elektrisch leitend mit den Fahrleitungsmasten. Die Querverbindungen dienen gleichzeitig als Potentialausgleich. Zum Schutz vor Beschädigungen insbesondere durch Baumaschinen wie Schotterplaniermaschinen werden die Querverbindungen im Schotter eingegraben. Die Fahrschienen und die damit verbundenen elektrisch leitfähigen Teile werden gezielt mit dem Erdreich geerdet.

Bauwerkserdung

Die Bauwerkserdung wird als Erdung bei Tunneln oder sonstigen Kunstbauten angewandt. Hier werden alle elektrisch leitfähigen Metallteile wie z. B. Bewehrungen, Metallkonstruktionen von Tunneln oder Stützmauern und anderen Gebäuden im Bereich der Bahntrasse miteinander elektrisch leitend verbunden. Diese Bauwerkserdung bildet ein zunächst von der Bahnerde und der Erde des öffentlichen Netzes metallisch getrenntes System. Die Bauwerkserde kann entweder von der Bahnerde getrennt bleiben oder elektrisch leitend mit ihr verbunden werden. Werden Bahnerde und Bauwerkserde getrennt verlegt, muss in den Plänen auch eine klare Trennung zwischen beiden Erdungssystemen eingetragen werden und erhalten bleiben. Diese Trennung muss dann auch über die Lebensdauer des Bauwerks sichergestellt sein. Ob die jeweiligen Erdungssysteme getrennt oder verbunden verlegt werden, obliegt den jeweiligen Planern. Bei Gleichstrombahnen ist eine konsequente Trennung zwischen der Schutzerde des Niederspannungsnetzes und der Bauwerkserde und besonders zur Bahnerde einzuhalten. Bei getrennter Verlegung muss der Personenschutz durch andere Maßnahmen wie z. B. isolierte Gehwege erreicht werden. Für die zeitweise Verbindung der Erdungssysteme dienen bei unzulässig hoher Potentialdifferenz automatische Erdungskurzschließer, die die Bauwerkserde mit der Bahnerde im Bedarfsfall leitend miteinander verbinden.

Getrennte Bahnerde und Wassererde

Wassererde

Geerdetes Geländer auf einem Bahnsteig

Rückleiter bei 15 kV ~ Bahnstromsystem

Als Wassererde, EW-Erde (EWE) wird in der Bahntechnik das allgemeine Erdpotential bezeichnet. Sie besteht aus dem metallisch durchverbundenen und bereits vorhandenen örtlichen Wassernetz sowie zusätzlichen Erdern (Banderder, Tiefenerder). Bei der Verwendung von Flächenerdern werden diese unterhalb der Sauberkeitsschicht jedes Bahnhofsbauwerks eingebracht. Die Wassererde wird im Bereich von Werksanlagen der Bahn für die Hochspannungsbereiche entweder separat oder in Kombination mit der Niederspannungserdung verwendet. Bei Transformatoren wird der Sternpunkt auf die Wassererde angeschlossen. In Niederspannungsnetzen der Bahnanlagen dient die Wassererde als Netzerdung. Die Wassererde muss weitestgehend isoliert von der Bahnerdung sein. Dies wird erreicht, indem der Leiter für den Rückstrom und die Fahrschienen isoliert von der Wassererde verlegt werden. Allerdings führt dies dazu, dass es zwischen der Wassererde und der Bahnerde zu großen Potentialunterschieden kommt. Um dieses zu minimieren werden die Bahnerde und die Wassererde in bestimmten Abständen elektrisch leitend miteinander verbunden. Würde man auf eine isolierte Verlegung verzichten käme es zu Schäden an parallel zur Gleisanlage verlegten Rohren oder Kabeln aufgrund von Streuströmen.

Probleme mit der Bahnerdung

Potentialverschleppung

Aufgrund der Bahnerdung kann es unter bestimmten Voraussetzungen zur Potentialverschleppung kommen. Dies kann dazu führen, dass Rückströme in das Netz der öffentlichen Versorger eingeschleppt werden. Dies kann zu einer Beeinflussung der elektrischen Anlagen im VNB-Netz führen. Bei der Frequenz von 16,7 Hz sind die Stromverdrängungseffekte weniger stark ausgeprägt als bei 50 Hz. Dadurch können die Ströme weiter ins Erdreich eindringen. Das hat zur Folge, dass der Erdrückstrom weniger eng an die Leitungstrasse gebunden ist. Zur Verschleppung des Potentials der Bahnerde kommt es insbesondere dann, wenn außerhalb der Bahntrasse liegende Objekte mit der Bahnerde leitend verbunden werden. Dadurch wird der Potentialtrichter, der rechts und links parallel zur Bahntrasse entsteht, von der Bahntrasse nach außen verschoben. Dies führt zu einer Einstreuung von Bahnfrequenzen in das öffentliche Netz. Aber auch in dicht bebauten Gebieten kommt es aufgrund der niedrigen Erdungsimpedanzen zu einer Kopplung des Bahnstroms und des Netzstroms. Im Bereich von Bahnhöfen wird die Niederspannung für die elektrischen Anlagen in der Regel aus dem öffentlichen Netz bezogen; hier kann es zu einem ungewollten, aber auch zu einem gewollten Zusammenschluss der beiden Erdungssysteme kommen. Um einen Potentialausgleich zwischen beiden Erdungen zu erzielen, wird dann die Bahnerde mit der Schutzerde verbunden. Dies kann zum Einkoppeln von störenden 16,7-Hertz-Strömen in das Niederspannungsnetz führen.

Streuströme

Bereits wenige Jahre nach dem Betrieb der ersten mit Gleichstrom betriebenen Bahnen entdeckte man Schäden an den in der Nähe der Bahnlinien unterirdisch verlegten Wasser- und Gasrohren und suchte nach den Ursachen. Bei Gleichstrombahnen kann es zu Streuströmen im Erdreich kommen. Dadurch bedingt werden Rohrleitungen oder andere metallische Bauteile, die im Erdreich verlegt sind, durch elektrochemische Korrosion zerstört. Außerdem besteht die Gefahr, dass Kabel thermisch überlastet werden. Aber auch bei Wechselstrombahnen kann es zu Beeinträchtigungen kommen. Bei kathodisch geschützten Rohrleitungen, die in unmittelbarer Nähe parallel zur Bahntrasse im Erdreich verlegt sind, kommt es zu induktiven Einkopplungen. Das Korrosionsrisiko ist am größten, wenn die Wechselstromdichte den kritischen Wert von 30 Ampere pro Quadratmeter überschreitet und die Fehlstelle etwa 1 Quadratzentimeter groß ist. Dies kann an den Fehlstellen der Rohrleitungen sogar zu Lochfraß führen.

Abhilfen

Um das Verschleppen des Bahnpotentials zu vermeiden, gibt es unterschiedliche Lösungsansätze. Die Bahnerde ist nach Möglichkeit nicht mit der Netzerde zu verbinden. Im Bereich von Bahnhöfen sollte die Netzversorgung über separate Transformatoren erfolgen, dadurch ist die Bahnerde sicher von der Netzerde getrennt. Nach Möglichkeit sollten keine längeren elektrisch leitfähigen Objekte, wie z. B. Rohrleitungen, Leitplanken oder ähnliches, entlang der Bahntrasse verlegt werden. Zäune oder Mauern, die sich entlang der Bahntrasse befinden, sind nicht mit der Bahnerde zu verbinden. Nach Möglichkeit sollte der Berührungsschutz der Schutzerdung vorgezogen werden. Um den Rückführungsstrom der Gleichstrombahnen vom Erdreich wirksam zu trennen, müssen die Schienen von Gleichstrombahnen, insbesondere in Bereichen, in denen mit einer Beeinflussung durch Streuströme zu rechnen ist, gegenüber dem Erdreich isoliert verlegt werden. Das betrifft auch Anlagenteile, die wie Gleisanschlusskästen und Drosselstoßtransformatoren von Gleisstromkreisen prinzipbedingt mit dem Gleisnetz galvanisch verbunden sein müssen. Nach Möglichkeit sollte ein engmaschiger Potentialausgleich zur Vermeidung von Potentialunterschieden erstellt werden. Rohrleitungen, die entlang der Bahntrasse verlegt werden, sollten zum Schutz gegen Lochfraß mit einer Isolierschicht versehen sein. Besonders geeignet sind hier Vollschutzrohre mit optimalem Korrosionsschutz und Zementmörtelumhüllung. Diese Rohre haben keine Verbindung zur Bahn- oder Netzerde, sind aber trotzdem gut elektrisch leitend miteinander verbunden. Dadurch kann es nicht zu Potentialunterschieden kommen.

Die Gleisnetze von Gleich- und Wechselstrombahnen dürfen ebenfalls nicht galvanisch miteinander verbunden werden, um insbesondere das Abirren des Triebrückstromes der Gleichstrombahn in das Wechselspannungsnetz zu verhindern. Gleisverbindungen in dieser Form werden durch Abriegelstöße in Form von zwei Isolierstößen hintereinander in jeder Schiene gegeneinander isoliert.

Einzelnachweise

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3. Christian Budde: Überarbeitung der EN 50122: Bahnanwendungen – Ortsfeste Anlagen – Elektrische Sicherheit, Erdung und Rückstromführung. In Eisenbahn-Unfallkasse (EUK) (Hrsg.): Bahn Praxis E, 2 / 2011, Bahn Fachverlag GmbH, 55013 Mainz, Druck und Gestaltung Meister Druck, S. 3.
4. Christian Budde: Vergleich der Bahnerdungskonzepte verschiedener 16,7-Hz-Bahnen. In Eisenbahn-Unfallkasse (EUK) (Hrsg.): Bahn Praxis Spezial E1, 2007, Bahn Fachverlag GmbH, 55013 Mainz, Druck und Gestaltung Meister Druck, S. 3–5 (abgerufen per Archive org. am 14. Januar 2022; PDF; 495 kB).
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16. Martin Gugla, Ulrich Kahnt: Vefahren und Vorrichtung zur Überwachung Elektrischer Leitungen und Verbindungen in Gleichrichterunterwerken und den zugehörigen Streckenabschnitten elektrischer Bahnen. Europäische Patentanmeldung. Patentnr. EP 3 524 467 A1, Veröffentlicht am 14. August 2019, S. 2–5.
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20. Heidi Hietzge, Jochen Hietzge: EMV-Erdungs- und Streustromgutachten Elektrifizierung der AKN-Strecke A1/S21 Landesgrenze FHH/SH - Kaltenkirchen (PFA2). Bericht Nr. 2016/515260/497-02. Anlage B6, Dresden 2016, S. 5–7.
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22. E. Gerland: Lehrbuch der Elektrotechnik. Mit besonderer Berücksichtigung ihrer Anwendungen im Bergbau. Mit 442 in den Text gedruckten Abbildungen, Verlag von Ferdinand Enke, Stuttgart 1903, S. 388–390.
23. Gabriel Stabentheiner: Streustrombeeinflussung durch mit Gleichstrom betriebene Bahnen, Berechnung und Messkonzepte. Masterarbeit am Institut für elektrische Anlagen und Netze der der Technischen Universität Graz, Graz 2018, S. 11–15.
24. Ulrich Bette, Markus Büchler: Taschenbuch für den kathodischen Korrosionsschutz. 8. Auflage, Vulkan-Verlag GmbH, Essen 2010, ISBN 978-3-8027-2556-2.
25. Markus Roßmann: Auswirkungen der metallischen Strukturen von Wechselstrombahnen auf die induktive Beeinflussung von Rohrleitungen. Diplomarbeit am Institut für Elektrische Anlagen und Netze der Technischen Universität Graz, Graz 2018, S. 1, 2, 4.
26. W.v. Baeckmann, W. Schwenk: Handbuch des kathodischen Korrosionsschutzes. 4. völlig neu bearbeitete Auflage, WILEY-VCH GmbH, Weinheim 1999, ISBN 3-527-29586-0.
27. Heidi Hietzge, Jochen Hietzge: EMV-Erdungs- und Streustromgutachten Regiobahn PFA I, Ia, Ic. Bericht Nr. 2016/515250/501-02. Dresden 2016, S. 5–7.
28. Rene Mathys: Zusammenschluss der Bahn- und Netzerdung (Memento vom 12. Dezember 2011 im Internet Archive) (abgerufen am 22. Juli 2011; PDF; 519 kB).