Mit der Entwicklung der Elektronik finden elektronische Produkte zunehmend Anwendung in verschiedenen Produktions- und Alltagsbereichen. Entsprechend steigt auch der Bau von Elektronikproduktionsanlagen stetig. Die Erdungstechnik in diesen Anlagen ist vielfältiger und deckt ein breiteres Anwendungsspektrum ab als die herkömmliche Gebäudeerdung. Dieser Artikel untersucht die Erdung von Elektronikanlagen anhand des Entwurfs einer Produktionsanlage für elektronische Speicherprodukte. Viele der Produktionsanlagen in dieser Anlage sind mikroelektronische Geräte. Diese Geräte zeichnen sich durch sehr niedrige Betriebsspannungen (in der Regel nur etwa 10 Volt), geringe Störfestigkeit und hohe Anforderungen an die antistatischen Eigenschaften aus. Die Produktionsstätte beherbergt außerdem ein IT-Informationszentrum und ein Netzwerk-Produktionsmanagementsystem, wodurch die Erdung zu einem entscheidenden Element dieses Projekts wird. Das Erdungssystem lässt sich zwecksgemäß in verschiedene Typen unterteilen: Erdung des Stromversorgungssystems, Erdung für den elektrischen Schutz, antistatische Erdung, Erdung des Informationssystems, Erdung elektronischer Geräte und Blitzschutzerde. 1. Erdung des Stromversorgungssystems: Dieses Projekt umfasst zwei dreistöckige Hauptgebäude der Fabrik, ein Bürogebäude und Nebengebäude wie eine Kantine. Obwohl die Gebäudefläche Zehntausende Quadratmeter erreicht, sind die Gebäude relativ dicht beieinander, weshalb bei der Planung ein TN-S-System (Transformator-Neutralleiter-System) Priorität hat. Der Neutralpunkt des Transformators ist geerdet, und der Schutzleiter des Systems ist vollständig vom Neutralleiter getrennt. Diese Methode bietet große Vorteile hinsichtlich Stromversorgung, Schutz und Wirtschaftlichkeit. Die Auswahlkriterien entsprechen denen konventioneller Gebäude und werden hier nicht weiter erläutert. Für weit vom Hauptgebäude entfernte Einzelgebäude wie Wachhäuser wird ein fünfadriges Stromkabel mit PE-Leiter (Schutzleiter mit Schutzleiter) verwendet. Gebäude, die mehr als 50 Meter entfernt sind, müssen gemäß den Spezifikationen mehrfach geerdet werden. 2. Bei Verwendung eines TN-S-Systems für die elektrische Schutzerdung sind die nicht spannungsführenden, freiliegenden Metallteile elektrischer Geräte direkt mit dem Erdungspunkt des Stromnetzes verbunden. Berührt ein spannungsführender Phasenleiter aufgrund einer Beschädigung der Isolierung das Gerätegehäuse, entsteht über das Gerätegehäuse ein einphasiger Kurzschluss zum Schutzleiter. Ein hoher Kurzschlussstrom wird genutzt, um die Schutzeinrichtungen der Leitung (wie Sicherungen, Niederspannungs-Leistungsschalter usw.) schnell zu aktivieren, den Stromkreis zu unterbrechen und die Gefahr eines Stromschlags zu eliminieren. In Elektronikfertigungsanlagen sind Produktionslinien dicht mit Geräten bestückt, von denen viele Metallgehäuse besitzen. Ist die Schutzerdung unzureichend oder entspricht sie nicht den Anforderungen, kann ein Erdschluss leicht zu Stromschlägen für die Arbeiter führen. Daher ist die Schutzerdung von entscheidender Bedeutung und muss sowohl in der Planungs- als auch in der Bauphase wirksam umgesetzt werden. Zu den Objekten, die eine Schutzerdung erfordern, gehören hauptsächlich: die Metallrahmen oder -gehäuse von Transformatoren, Hochspannungsschaltanlagen, Verteilerschränken, Schalttafeln usw.; die Metallgehäuse von fest installierten, tragbaren und mobilen Elektrogeräten; die metallenen Schutzrohre oder Kabelrinnen von Stromleitungen, Anschlussdosengehäuse und armierte Kabelmäntel. Flache Stahl- oder Kupferleiter können für Schutzerdungsanschlüsse verwendet werden und gewährleisten einen zuverlässigen elektrischen Pfad. Potenzialausgleich ist ein unverzichtbarer Bestandteil der Elektroplanung für alle Arten von Gebäuden. Es gibt zwei Arten von Potenzialausgleich: den Hauptpotenzialausgleich und den lokalen Potenzialausgleich. Der Hauptpotenzialausgleich verbindet die PE-Hauptleitung, die Erdungsleitung, die Hauptwasserleitung, die Hauptgasleitung sowie die Steigleitungen für Heizung und Klimaanlage am Stromanschluss des Gebäudes und stellt sicher, dass diese Komponenten das gleiche Potenzial aufweisen. Der Hauptpotenzialausgleich ist für jedes Gebäude oder jede elektrische Anlage mit Fehlerstromschutzschaltern zum Schutz vor Stromschlägen obligatorisch. Der lokale Potenzialausgleich bezeichnet die Verbindung der genannten Rohrleitungskomponenten in einem bestimmten Bereich und dient als Ergänzung zum Gesamtpotenzialausgleich, um die elektrische Sicherheit weiter zu verbessern. In einer Elektronikfabrik ist das Potenzial aller Teile gleich, wodurch verhindert wird, dass im Gebäude Überschläge entstehen, und Störungen durch elektromagnetische Blitzimpulse reduziert werden. 3. Antistatische Erdung: Statische Elektrizität entsteht hauptsächlich durch Reibung zwischen verschiedenen Materialien. Im Produktionsprozess einer Elektronikfabrik sind die Gefahren durch statische Elektrizität vielfältig. Erstens reagieren viele Geräte und Instrumente in diesem Projekt empfindlich auf statische Spannungen, was ihren normalen Betrieb beeinträchtigen und sogar Fehler verursachen kann. Zweitens kann die durch statische Elektrizität erzeugte Hochspannung einen Stromschlag verursachen. Darüber hinaus kann starke statische Elektrizität Funkenentladungen auslösen und somit Brände verursachen. Um die von statischer Elektrizität ausgehenden Gefahren zu beseitigen, müssen Maßnahmen ergriffen werden. Es gibt viele Methoden zur Beseitigung statischer Elektrizität, die einfachste und effektivste ist jedoch die Erdung. In diesem Elektronikwerk müssen alle Geräte, die statische Elektrizität erzeugen, zuverlässig geerdet sein. Um zu verhindern, dass sich an Geräten und Personal akkumulierte statische Ladungen gefährliche Potenziale erreichen, wird in wichtigen Produktionsbereichen ein antistatischer Bodenbelag eingesetzt. Dieser Bodenbelag enthält ein Netzwerk aus Kupferdrähten in seinen Schutzmaterialien. Diese Metallnetzwerke bilden elektrische Leiter, die die Ableitung statischer Elektrizität ermöglichen. Im Rahmen der Elektroplanung sollten geeignete Erdungsklemmen an den Gebäudestützen in dem Bereich, in dem der antistatische Bodenbelag verlegt ist, vorinstalliert werden. Nach der Installation des Bodenbelags werden die Metalldrähte im antistatischen Bodenbelag mit diesen Erdungsklemmen verbunden. Des Weiteren müssen die Erdungsklemmen über die Hauptbewehrungsstäbe in den Stützen mit der Erdungselektrode verbunden werden, sodass statische Elektrizität von den Erdungsklemmen entlang der Hauptbewehrungsstäbe zur Erdungselektrode abfließen kann. 4. Erdung des Informationssystems: Dieses Projekt umfasst ein umfassendes Verkabelungssystem, ein IT-Informationszentrum im Bürogebäude sowie IT-Verwaltungsräume in den Nebenräumen jedes Fabrikgebäudes. Informationspunkte sind in den Werkstätten und Büros verteilt, um die zukünftige Produktionsüberwachung und -steuerung zu gewährleisten. Zusätzlich beinhaltet das Projekt eine automatische Brandmeldeanlage. Dies wirft die Frage der Erdung des Informationssystems auf. Gemäß den einschlägigen Bestimmungen der „Norm für die Planung des Blitzschutzes von Gebäuden“ wird für die Erdung des Informationssystems in diesem Projekt ein S-förmiges Potenzialausgleichsnetz verwendet. In Bereichen mit einer hohen Dichte an Informationsgeräten, wie z. B. zentralen Rechenzentren und Niederspannungs-Elektroschächten, sollten Erdungsreferenzpunkte installiert werden. Diese Referenzpunkte sind an das gemeinsame Erdungssystem des Gebäudes anzuschließen. Alle Metallkomponenten des Informationssystems, wie z. B. Gehäuse, Abdeckungen und Gestelle, sollten über Potenzialausgleichsleitungen mit dem Referenzpunkt verbunden werden. Alle ungeschirmten Leitungen und Kabel zwischen den Geräten sollten idealerweise sternförmig parallel zu jeder Potenzialausgleichsleitung angeordnet sein, um Induktionsschleifen zu vermeiden. 5. Erdung elektronischer Geräte: In diesem Produktionswerk befinden sich einige industrielle elektronische Geräte, die zu Testzwecken eingesetzt werden. Die Erdung dieser Geräte dient primär der Genauigkeit des Gerätebetriebs und nicht der Personensicherheit. Hochfrequenzspannungen sind für den menschlichen Körper unschädlich. Selbst wenn das Gehäuse eines elektronischen Geräts nicht geerdet, sondern isoliert ist, bildet es eine Kapazität mit der Erde. Mit steigender Frequenz sinkt die Reaktanz dieser Kapazität. Ab einem bestimmten Frequenzwert entspricht dies einer Erdung. Um den Einfluss von Streuströmen auf die Messwerte zu minimieren, empfiehlt es sich, das Gerät mit einem kurzen, dicken Draht (typischerweise 6 mm² Kupferdraht) zu erden. Dieser wird an eine separate Erdungsschiene in der Nähe des Geräts und von dort an die Haupterdungsleitung angeschlossen. Der Erdungswiderstand sollte 10 Ohm nicht überschreiten. Bei Geräten mit spezifischen Anforderungen an den Erdungswiderstand gemäß der Bedienungsanleitung ist die Erdung entsprechend durchzuführen. 6. Blitzschutz-Erdung: In Gebäuden lässt sich durch Blitzschutzmaßnahmen die Wahrscheinlichkeit von direkten Blitzeinschlägen und Blitzüberspannungsschäden deutlich reduzieren. Da die zulässige Blitzimpulsstärke für elektrische Geräte relativ hoch ist, sind Maßnahmen wie Blitzableiter und Blitzschutznetze äußerst wirksam. Mikroelektronische Geräte sind jedoch sehr empfindlich und weisen eine sehr niedrige Spannungsfestigkeit von in der Regel nur etwa 10 V auf. Sie reagieren extrem empfindlich auf elektromagnetische Blitzimpulse und sind anfällig für elektromagnetische Störungen und Schäden. Blitzimpulse entstehen durch elektromagnetische Induktion und können über Stromleitungen, Antennen und Signalleitungen in mikroelektronische Geräte gelangen und diese beschädigen. Wenn der Blitzschutz lediglich auf dem Standard allgemeiner Gebäude basiert, ist die Schadensrate elektronischer Geräte durch Blitzeinschläge in Gebäuden sehr hoch. Daher sollten geeignete Maßnahmen für die Blitzschutz-Erdungsplanung von Elektronikfertigungsanlagen getroffen werden. Bei der Auswahl von Blitzableitern sollte Blitzschutznetzen Priorität eingeräumt werden. Blitzableiter schützen Objekte vor direkten Blitzeinschlägen, indem sie Blitze anziehen. Dieser Blitzanziehungsmechanismus erhöht jedoch die Wahrscheinlichkeit, dass das Blitzschutzsystem selbst vom Blitz getroffen wird. Blitzableiter sind jedoch nicht völlig unbrauchbar. Einige Hersteller haben neue, optimierte Blitzableiter auf den Markt gebracht, die sowohl direkte Blitzeinschläge verhindern als auch induzierte Sekundärblitze unterdrücken. Diese Produkte zählen zu den fortschrittlichsten auf dem Blitzschutzmarkt. Bei der Anordnung von Blitzschutzableitern sollten diese entlang des Gebäudeumfangs verlegt werden. Die Hauptbewehrungsstäbe in den zentralen Stützen dürfen nicht als Ableiter genutzt werden. Elektronische Informationssysteme verwenden üblicherweise ein Einpunkt-Erdungssystem, dessen Erdungsbezugspunkt sich in der Gebäudemitte befindet und mit der Erdungsplatte am Fuß des Gebäudes verbunden ist. Durch die Verlegung der Blitzschutzableiter entlang des Gebäudeumfangs lassen sich Störungen durch das von den Ableitern erzeugte starke Magnetfeld reduzieren. Hinsichtlich der Erdungseinrichtung können Blitzschutz-, Stromversorgungs-, Schutz- und antistatische Erdung die Stahlbewehrung des Gebäudefundaments als Erdungselektroden nutzen. Lange Zeit gab es unterschiedliche Meinungen zur Erdung von Informationssystemen. Früher ging man allgemein davon aus, dass das Erdungssystem für Informationssysteme separat und vom Gebäude isoliert installiert werden sollte; dies wurde international als isolierte Erdungsmethode bezeichnet. In der Praxis hat sich jedoch gezeigt, dass zwei unabhängige Erdungssysteme den Überspannungsschutz beeinträchtigen. Dies liegt daran, dass bei einem Blitzeinschlag in ein Gebäude die Spannung im Gebäude sehr hoch ist, während die Signalmasse der Informationsgeräte mehr als 20 Meter vom Gebäude entfernt mit der Erde verbunden ist und deren Potenzial deutlich niedriger ist als das der Blitzschutz-Erdungseinrichtung. Während eines Blitzeinschlags bleibt die Gerätespannung auf dem Potenzialniveau der Signalmasse. Die Potenzialdifferenz zwischen den beiden kann durch kapazitive Kopplung elektronische Geräte mit sehr niedriger Spannungsfestigkeit beschädigen. In den letzten Jahren haben viele nationale und internationale Normen von der Verwendung unabhängiger Erdungseinrichtungen für Informationsgeräte abgeraten und stattdessen die Verwendung eines gemeinsamen Erdungssystems empfohlen. Beispielsweise legt die Ausgabe 2000 von GB50057-94 „Code for Design of Lightning Protection of Buildings“ eindeutig fest, dass „jedes Gebäude ein eigenes gemeinsames Erdungssystem verwenden sollte“, was bedeutet, dass die gesamte Erdung innerhalb des Gebäudes einheitlich mit dem Fundament des Gebäudes oder einer externen Erdungseinrichtung verbunden sein sollte. Wird ein Gebäude vom Blitz getroffen, steigen die Spannung des Stromnetzes und die Spannung der Arbeitserdung der elektronischen Geräte gleichzeitig an. Dadurch bleibt die Betriebsspannung der Geräte erhalten und mikroelektronische Geräte können auch während eines Blitzeinschlags normal funktionieren. Ein gemeinsames Erdungssystem nutzt typischerweise das Fundament des Gebäudes als Erdungselektrode, und sein Erdungswiderstand liegt in der Regel unter 1 Ohm. Benötigt ein Gerät einen noch geringeren Erdungswiderstand, sollte der niedrigste Wert verwendet werden. Dies sind einige meiner Erfahrungen im Bereich der Erdungsplanung für Elektronikfabriken. Ich freue mich über Hinweise auf etwaige Lücken oder Unstimmigkeiten. Mit der zukünftigen Entwicklung und Anwendung elektronischer Technologien werden weiterhin verschiedene fortschrittliche Erdungstechnologien und -produkte entstehen, und die Erdungsplanung für Elektronikfabriken wird zweifellos neue Fortschritte machen. Wir freuen uns darauf, durch unsere Planungsarbeit eine wissenschaftlich fundierte und effektive technische Unterstützung und Gewährleistung für die gesellschaftliche Produktion zu bieten.