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Makroelement zwischen Betoneisen und der Wasserleitung
Zusammenfassung
Wegen der starken Alkalität im Beton weisen Betoneisen ein viel edleres Potential auf als z.B. Stahl- oder Gussrohre im Erdboden. Deshalb entsteht bei galvanischer Verbindung dieser zwei Metalle ein Makroelement. Das Betoneisen wird zur Kathode und das Stahlrohr im Erdboden wird zur Anode, es fliesst ein Elementstrom welcher an der Anode (also am Stahlrohr) einen elektrolytischen Materialabtrag in Form von Korrosionen bewirkt. Wenn die Wasserleitung als Erdung benötigt wird entsteht über den Potentialausgleich meistens eine galvanische Verbindung zwischen den Betoneisen und der Wasserleitung, dadurch wird letztere durch Korrosionsschäden zerstört. Wenn die Wasserleitung durch ein Isolierstück von der Hauinstallation galvanisch aufgetrennt wird, kann diese nicht mehr für die Erdung verwendet werden. Durch den Einbau einer Abgrenzeinheit welche erst bei einer Spannungsdifferenz von mehr als 0.5V leitend wird, kann die Erdung aber weiterhin an die Wasserleitung angeschlossen werden ohne dass das Makroelement (ca. 0.3 – 0.4VDC) wirksam wird. Die Abgrenzeinheit besteht aus zwei antiparallel angeordneten Dioden welche im Fehlerfall hohe Ableitströme sicher gegen Erde ableiten können. Die Anwendung von Abgrenzeinheiten aus antiparallelen Dioden im Erdungsanschluss an die Wasserleitung ist vom Eidgenössischen Starkstrominspektorat (CH + FL) zugelassen.
Ursache
Zwischen Eisen im Beton (Betoneisen) und Eisen im Erdboden (z.B. erdverlegte Leitungen aus Stahl oder Gusseisen) besteht eine Spannungsdifferenz. Diese entsteht durch Unterschiede im pH-Wert welche normalerweise zwischen Beton und Erdboden bestehen. Durch die Alkalität des Betons entsteht auf der Oberfläche von Eisen im Beton eine Passivschicht welche eine Veränderung des Korrosionspotentials in positiver Richtung verursacht. Das Eisen im Beton wird also auf der Spannungsreihe in Richtung „edel" verschoben.
Deshalb sind Betoneisen nicht korrosionsgefährdet solange die Alkalität des Betons erhalten bleibt. Wenn Eisen im Beton mit Eisen im Erdboden galvanisch verbunden wird entsteht ein Makroelement, es bilden sich zwei Pole:
Eisen im Beton = KATHODE
Eisen im Erdboden = ANODE
Zwischen diesen beiden Polen fliesst ein galvanischer Strom welcher mit Elementstrom bezeichnet wird.
Durch den Elementstrom wird die Anode aufgelöst, d.h. es entsteht Korrosion. Der Materialabtrag welcher durch den Elementstrom an der Anode stattfindet, ist exakt proportional zu diesem. Die Metallauflösung (Elektrolyse) entsteht beim Stromaustritt an der Phasengrenze Metall – Elektrolyt (also im Erdreich) und beträgt 10 Gramm/mA pro Jahr bei Eisen und ca. 11 Gramm/mA pro Jahr bei Zink.
Die galvanische Verbindung zwischen Betoneisen und Leitungsinstallationen welche in ein Gebäude eingeführt sind, kann auf verschiedene Arten zustande kommen. Durch Zufallsberührungen von Betoneisen mit den Leitungen direkt (z.B. bei Mauerdurchführungen), sowie über indirekte Verbindungen durch Befestigungsschrauben von Rohrschellen welche die Armierungseisen berühren oder über die Erdung der Hausinstallation werden diese galvanisch miteinander verbunden. Da die Betoneisen von Gebäudefundamenten immer häufiger zu Erdungszwecken mit dem Potentialausgleich verbunden werden, wird das Betoneisen-Potential oft auch über den Erdleiter auf benachbarte Gebäude verschleppt.
Dies bedeutet, dass hauptsächlich Wasserleitungen aus verzinkten Stahl- oder aus Gussrohren in einem Umkreis von etwa 30 – 50 m um Bauten herum mit grösseren Betonfundamenten erhöht durch Aussenkorrosionen gefährdet sind.
Leitungsanschlüsse in geerdeten Bauten
Früher wurden alle erdverlegten Wasserleitungen mit dem PEN-Leiter des elektrischen Versorgungsnetzes verbunden als Erder für die Hausinstallation. Aus Gründen des Korrosionsschutzes für Wasserleitungen sollten in Übereinstimmung mit den einschlägigen Leitsätzen von Electrosuisse in Zukunft als Erder bei Neubauten nur noch Fundamenterder (Betoneisen) verwendet werden. Die heute verlegten Wasserleitungen werden deshalb durch isolierte Verlegung und mit nicht leitenden Muffenverbindungen elektrisch isoliert, weil diese nicht mehr für Erdungszwecke benützt werden.
Da die bestehenden Leitungsnetze aber noch an vielen Orten über Abschnitte mit einer guten Längsleitfähigkeit verfügen, führt dies an denselben zu den vorgehend beschriebenen Korrosionsproblemen infolge Makroelementbildung. Die Wasserleitungen müssen deshalb in solchen Gebieten mit erhöhter Korrosionsgefahr wegen Makroelementbildung bei jeder Gebäudeeinführung mit einem Isolierstück elektrisch von der Hausinstallation aufgetrennt werden.
Bei bestehenden Gebäuden welche noch ohne Fundamenterder erstellt wurden, müssen für die Einhaltung der Nullungsbedingungen anstelle der Wasserleitung Erder aus verzinktem Bandeisen, Kupfer oder Inox-Stahl erstellt werden.
Dies ist aber mit Grabarbeiten verbunden und erfordert einen gewissen Platzbedarf (Graben von ca. 20m Länge) welcher oft nicht zur Verfügung steht, die Kosten sind auch nicht unerheblich.
Im Falle von bestehenden Wasserleitungsnetzen welche weiterhin noch eine Längsleitfähigkeit aufweisen, kann nun in Verbindung mit einem Isolierstück der Erdleiter über eine Abgrenzeinheit aus antiparallelen Dioden wieder auf der erdverlegten Seite der Wasserleitung angeschlossen werden ohne dass ein Makroelementstrom fliesst. Die Wasserleitung kann also weiterhin die Funktion als Erdung erfüllen ohne dass ein Ersatz durch Erdungsbänder oder Tiefenerder geschaffen werden muss.
Abgrenzeinheit gegen Makroelementströme
Die Abgrenzeinheit aus antiparallelen Dioden verhindert bis zur Durchlassspannung der Dioden (ca. 0.5 Volt) einen Stromfluss, dadurch werden galvanische Ströme (Elementspannung ca. 0.3 – 0.4VoltDC) zwischen dem Erdungssystem und der Wasserleitung gesperrt. Im Fehlerfall werden die Dioden jedoch leitend und können allfällige Kurzschlussströme ableiten, der Personenschutz ist somit in jedem Falle gewährleistet. Abgrenzeinheiten aus antiparallelen Dioden sind vom Eidgenössischen Starkstrominspektorat zugelassen für den Anschluss des Erdleiters an die Wasserleitung und sind ökonomischer als die Verlegung von neuen Horizontal- oder Tiefenerdern. Die Abgrenzeinheit muss eine ausreichende Stromtragfähigkeit aufweisen und soll im Überlastungsfall kurzschliessend sein (Failsafe – Verhalten).
Abgrenzeinheiten sind absolut wartungsfrei und können überall eingebaut werden.
Für die galvanische Auftrennung von Wasserleitungen ist zu beachten, dass die Leitfähigkeit des Wassers eine Isolierstrecke von etwa 5 Rohrdurchmessern oder mindestens 50cm erfordert. Als Isolierstück kann ein Stück Kunststoffrohr oder zwei Isolierholländer mit einem neutralen Mittelstück eingebaut werden.
Der Einbau von Abgrenzeinheiten sowie die begleitenden Massnahmen sollten durch einen Fachmann mit entsprechenden Messungen kontrolliert werden, nur so kann die Wirksamkeit der Auftrennung nachgewiesen werden.
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