Erdungswiderstandsmessungen - die Wahl des richtigen Messgeräts als Garant einer korrekten Messung

Bei der international angewandten technischen Methode der Erdungswiderstandsmessung liegt der Schwerpunkt auf der Messmethodik und den Fähigkeiten und Kenntnissen des Messtechnikers über die zu prüfende Erdung, ohne welche auch das beste Messgerät keine korrekten Messwerte garantieren kann. Andererseits kann aber auch der beste und sachkundigste Messtechniker solche Messungen nicht korrekt durchführen, wenn er für die gegebene Situation das falsche Messgerät oder die falsche Ausrüstung wählt.

Die Garantie für korrekt durchgeführte Erdungswiderstandsmessungen sind daher sowohl Kenntnisse als auch das richtige Messgerät mit der erforderlichen Ausrüstung. In den beschriebenen Beispielen werden die Funktionen der Messgeräte und ihre Parameter dargestellt, wobei davon ausgegangen wird, dass das Messsystem nach der für die bestimmte Methode geeigneten Theorie aufgebaut wurde.

Technische 3p-Methode

Die grundlegende und einfachste Art der Messung des Erdungswiderstandes mit einer technischen Methode ist die 3-Leiter-Methode (3p), bei der der Strom- und Spannungskreis über eine einzige Leitung mit der Erde verbunden ist. Es ist notwendig, zwei Hilfssonden zu verwenden. Die Stromsonde (H) wird zum Aufbau des Stromkreises verwendet, in den der Messstrom erzwungen wird, und die Spannungssonde (S) ist Teil des Stromkreises, der die Spannung misst (Abb. 1).

Abb. 1. Schematische Darstellung des Messkreises der 3p-Methode. A - Amperemeter, V - Voltmeter, G - Spannungsquelle, Wechselrichter (Wechselstrom)

Nach dem Ohmschen Gesetz ergibt sich der Widerstand der Erdung aus dem im Stromkreis fließenden Strom und der an der zu prüfenden Erdung gemessenen Spannung. Hier kommt also das erste und eigentlich wichtigste Merkmal eines Messgeräts für solche Prüfungen: die Leistung des Wechselrichters. Hier ist es sehr wichtig zu wissen, welche Stromstärke und welche Spannung das Messgerät erzeugen kann. Die Messspannung ist in der EN 61557-5 Norm geregelt und darf aus Sicherheitsgründen 50 V RMS betragen. Werden jedoch Messungen in landwirtschaftlichen Gebieten oder in Bereich, wo sich Nutztiere aufhalten durchgeführt, muss das Messgerät über die Auswahl einer Spannung von 25 V RMS verfügen. Natürlich können wir mit einem Messgerät, das nur 25 V hat, überall Messungen durchführen, aber in den meisten Fällen außerhalb der oben genannten landwirtschaftlichen Gebiete ist es einfacher, Messungen mit einem Gerät durchzuführen, das mehr Leistung hat. Die beste Lösung ist also die Möglichkeit zu haben, Messspannungen auszuwählen. 

Ein weiteres Schlüsselelement bei der Auswahl des richtigen Messgeräts ist der maximale Strom des Wandlers. SONEL S.A. hat eine Auswahl an Messgeräten mit einem Strom von 20 mA oder 200 mA. Daher sollte die Kaufentscheidung bewusst getroffen werden, auch im Hinblick auf die Auswirkungen, die sie in der Zukunft haben kann. Bei der Messung der Erdung nach der technischen Methode tritt der größte Spannungsabfall an der Stromsonde auf. Um die Messung effektiv durchführen zu können, sollte daher - vor allem bei einem Messgerät mit kleinerem Messstrom - darauf geachtet werden, dass der Widerstand der Stromsonde möglichst gering ist. Dies ist besonders wichtig bei Böden mit hohem Widerstand. Angenommen, man verfügt über ein Messgerät mit einem Messstrom von 20 mA und man berücksichtigt Störungen und Schwierigkeiten am Messort, kann es vorkommen, dass der Messstrom im Stromkreis zu niedrig ist, um die Erdungsspannung zu messen. Daher werden für schwierige Messbedingungen Messgeräte mit einem so genannten „hohen Messstrom“, bei Sonel-Geräten von mehr als 200 mA, empfohlen.

Die erste Möglichkeit, den Widerstand der Sonden zu verringern, besteht darin, sie durch längere Sonden zu ersetzen. Die im Lieferumfang der Geräte enthaltenen Standard-Erdsonden sind etwa 30 cm lang; darüber hinaus gibt es noch längere Varianten (Abb. 2). Darüber hinaus - in extremen Fällen! - kann versucht werden, den Eindringbereich der Sonde mit einem Elektrolyten (z. B. Wasser mit Salz) zu sättigen.

 

Abb. 2. Erdsonden mit 30 cm (Standardausrüstung) und 80 cm (Sonderausrüstung) Länge

Die Verwendung von Messgeräten ausschließlich mit der 3p-Methode und Strom 20 mA ist auf die konzentrierten Erder (einfache vertikale Erder, Kabelverbindungen) und kleine Erdungsanlagen wie kleine Gebäudestrukturen, z. B. Einfamilienhäuser, beschränkt (Abb. 3).

Abb. 3. Einfacher vertikaler Erder und kleine Erdungsanlage

In komplexen Systemen ist es notwendig, alle Steueranschlüsse zu trennen. Erst dann werden die Messungen selektiv für einzelne vertikale Erder durchgeführt. Bei Fundament- und Ringerderanlagen wird die Messung für einen ausgewählten Einzelerder durchgeführt und die anderen werden untereinander auf Durchgängigkeit geprüft. Die beschriebene Methode ist in praktisch allen Erdungsmessgeräten implementiert.

Die häufigsten Fehler bei der 3p-Methode sind:

1. De H-Sonde ist zu nahe an die zu prüfende Erdung vertieft,
2. Hilfssonden, die oberhalb der darunter liegenden leitenden Elemente im Erdreich platziert sind,
3. Spannungssonde außerhalb des Nullpotentialbereichs vertieft,
4. Bei der Prüfung von umfangreichen Erdungen (insbesondere bei hohem Bodenwiderstand) zu geringer Messstrom.

Technische 4p-Methode

Die 4-Draht-Methode (4p) unterscheidet sich im Prinzip nicht von der 3p-Methode, mit Ausnahme eines zusätzlichen Drahtes im Spannungskreis (Abb. 4). 

 

Abb. 4. Technische 4p-Methode

Auf diese Weise ist es möglich, den Stromkreis, in dem die Spannungsmessung an der zu prüfenden Erdung erfolgt, separat anzuschließen. Das Ergebnis einer solchen Prüfung wird nämlich nicht durch einen Fehler beeinflusst, der sich aus dem Widerstand der Leitung ergibt, mit der das Messgerät an die zu prüfende Erdung angeschlossen ist (eine Leitung mit einer Länge von bis zu 2,2 m, was sich auf Bruchteile eines Ohm bezieht). 

Messungen nach dieser Methode sind gerechtfertigt, wenn die Messgerätangaben weniger als 1 Ω betragen. Es ist unbedingt darauf zu achten, dass das Messgerät fest mit der zu prüfender Erdung verbunden sein muss. Dies wird durch die in Abbildung 5 gezeigte, speziell konstruierte Schraubstock-Klemme gewährleistet. Die übrigen Grundsätze und möglichen Fehler bei der Anwendung dieser Messmethode sind die gleichen wie bei der zuvor beschriebenen 3p-Methode.

Abb. 5. Schraubstock-Klemme 

3p-Methode mit zusätzlichen Zangen

Die Messprinzipien der 3p-Methode mit zusätzlichen Zangen sind weitgehend dieselben wie bei der 3p-Methode. Der Unterschied besteht darin, dass der Strom nicht als Gesamtstrom im Erdungssystem, sondern nur in den bestimmten Zweig mit Hilfe der Zangen gemessen wird (Abb. 6). Dies ist sehr praktisch, da es nicht notwendig ist, die Kontrollverbindungen zu trennen, um selektiv einen einzelnen Erder des Systems zu messen. Voraussetzung für eine solche Messung ist, dass es keine metallische Verbindung zwischen der zu prüfenden Erdung und dem Rest des Erdungssystems unterhalb der angebrachten Zange gibt. Daher werden die Messungen bei Vorhandensein von Ringerder oder Fundamenterdungen nicht korrekt durchgeführt.

Abb. 6. Messung mit C-3-Zangen

Ein weiterer Aspekt ist die Komplexität des Systems. Je mehr Erder im System vorhanden sind, desto geringer ist der Stromwert, den man an dem Element misst, an dem die Zangen angebracht sind. Daher ist es bei komplexen und umfangreichen Systemen (z. B. Erdung von Niederspannungsmasten) erforderlich, Messgeräte mit einem hohen Messstrom (200 mA) zu verwenden und darauf zu achten, dass der Widerstand der Stromsonde so gering wie möglich ist. 

Bei Messungen im Außenbereich kann z.B. ein Hochspannungspfahl als Hilfssonde verwendet werden. Der Widerstand der Sonde sollte niedrig sein, insbesondere bei hohem Bodenwiderstand. Wenn der gemessene Strom zu niedrig ist, zeigt das Messgerät Ergebnisse mit zusätzlicher Unsicherheit an. Es ist dann schwierig, die Ursache dafür zu ermitteln. Deshalb ist es immer wichtig, für optimale Messbedingungen zu sorgen und den Widerstand der Hilfssonden zu verringern. Erst danach können die möglichen Ursachen für die auftretenden Probleme berücksichtigt werden.

Die Vielfalt der gebauten Erdungen ist groß und es gibt Objekte im Feld, bei denen es aus mechanischen Gründen nicht möglich ist, Sonel C-3 Hartkernzangen zu verwenden. Die Lösung kann hier der Einsatz des Sonel ERP-1-Adapters mit flexiblen Zangen sein (Abb. 7).

 

Abb. 7. ERP-1-Adapter mit flexiblen Zangen

Dieses Produkt richtet sich an Energieversorger und Unternehmen, die Dienstleistungen für die Energiewirtschaft erbringen. Der ERP-1-Adapter ermöglicht in Verbindung mit den Messgeräten Sonel MRU-120, Sonel MRU-120HD, Sonel MRU-200 und Sonel MRU-200-GPS die Durchführung von Zangenmessungen an Orten, an denen dies bisher nicht möglich war. Durch die Verwendung eines Adapters kann die Erdung von Gittermasten gemessen werden, ohne dass die Kontrollverbindungen abgenommen und die Leitung abgeschaltet werden muss.

Abb. 8. ERP-1 auf einem Schleuderbetonmast und bei der Messung eines Gittermastes

Mit einem solchen Set ist es möglich, große Objekte mit den Zangen zu erfassen, wie z. B. zwei Schleuderbetonmasten, auf denen ein MS/NS-Transformator steht. Ein zusätzlicher Vorteil ist ein origineller Algorithmus, des Unternehmens SONEL S.A., welcher in den Messgeräten Sonel MRU-200 und Sonel MRU-200-GPS angewendet wird. Er besteht in der Überprüfung der Stromrichtung bei Einzelmessungen. Durch diese Funktion ist das Messgerät in der Lage, die Beschädigung zu erkennen, die auf Bruch und Abriss (oder in der totalen Korrosion) des mit dem Mast verbundenen Bandeisens beruht. Das ist eine einzigartige Funktion, die in keinem anderen Gerät zur Messung des Erdungswiderstands auf dem Markt zu finden ist. Darüber hinaus wurde in diesen beiden Messgeräten ein automatisches Verfahren zur Berechnung des Erdungswiderstandes eines Gittermastes implementiert, so dass eine manuelle Umrechnung der Teilergebnisse zur Ermittlung des resultierenden Widerstandes nicht mehr erforderlich ist.

Häufigste Fehler bei der 3p-Methode mit zusätzlichen Zangen

Der häufigste Fehler bei der Verwendung von Zangen ist der Glaube, dass damit jede Erdung gemessen werden kann. Nun, diese Methode ist nur für Mehrfacherdungen ohne Ringerder geeignet! Daher ist eine korrekte Messung mit Zangen dort wo es einen einzelnen Erder, ein Fundament- oder Ringerder gibt, nicht möglich. Im Falle umfangreicher (komplexer) Systeme ist es notwendig, Messgeräte mit dem höchstmöglichen Messstrom zu verwenden und darüber hinaus Zubehör, das einen korrekten Aufbau des Messsystems ermöglicht (angemessene Länge der Leitungen und Sonden).

Ein weiteres Problem kann das Anbringen von Zangen auf künstlicher Erdung sein, wenn sich an der Stelle, an der das Messgerät angeschlossen wird, außer den Zangen noch andere leitende Elemente befinden - z. B. Betonmasten, Stahlbetonniederspannungsmasten.

Das Beispiel in Abbildung 9 zeigt genau eine solche Situation. Die an der Erde angebrachten Zangen erfassen nur einen Teil des Stroms, der den gemessenen Spannungsabfall verursacht. Daraus ergibt sich ein höherer Widerstand als der tatsächliche Widerstand. Wenn es um den Schutz vor Stromschlägen geht, ist dies unbedenklich, aber wenn man auf dieser Grundlage eine Entscheidung trifft, um die Erdung zu modernisieren, kann dies unangemessene Kosten verursachen.

Eine Lösung, die für dieses Phänomen unempfindlich ist, ist natürlich die Verwendung flexibler Zangen und das Erfassen mit diesen des gesamten Mastes zusammen mit Erdungsmaterial. 

 

Abb. 9.  Niederspannungsmast. Messung mit C-3-Zangen

Zweizangen-Methode

Die Prinzipien der Zweizangen-Methode hinsichtlich der Art der messbaren Erdungen sind im Grunde die gleichen wie bei der 3p-Methode mit zusätzlichen Zangen. Es ist jedoch wichtig, sich einer Besonderheit dieser Methode bewusst zu sein: die Messung ergibt den Wert der zu messenden Erdung plus den daraus resultierenden Widerstand der Erdungsanlage.

 

Abb. 10. Zweizangen-Methode – Beispiel

Bei Messungen in Anlagen mit Ringerder oder Fundamenterdung kann der Erdungswiderstand mit dieser Methode nicht geprüft werden. Sie ist jedoch sehr bequem, wenn die Durchgängigkeit der metallischen Verbindungen im gesamten Erdungssystem (Kurzschlussleitungen- Ableitungsleitungen - Erdungsleitungen - Ableitungsleitungen - Erdungsleitungen) bestimmt werden muss.

 

Abb. 11. Zweizangen-Messung. Prüfung der Durchgängigkeit der Verbindungen in der Erdungsanlage Impulsmethode

 

Impulsmethode

Ein weiterer Aspekt bei der Auswahl eines Messgerätes ist seine Vielseitigkeit. Wenn der Arbeitsbereich für Erdungsmessungen auch Blitzschutzerdungsmessungen umfasst, ist es wichtig, dass das Gerät in der Lage ist, diese korrekt auszuführen. Bei dieser Art von Messung handelt es sich nämlich um die Erdimpedanz oder den dynamischen Widerstand. 

Die Aufgabe der Blitzschutzerdung besteht darin, die elektrische Ladung, die bei einer Blitzentladung entsteht, abzuleiten. Diese Entladung ist dynamischer Natur, so dass die Methode zur Überprüfung des Zustands der Blitzschutzerdung ebenfalls angemessen sein sollte. Mit den Erdungswiderstandsmessgeräten Sonel MRU-200 und Sonel MRU-200-GPS ist dies hundertprozentig möglich. 

Die Impulsmethode zeichnet sich durch völlig andere Parameter aus als die technische Methode. Der vom Messgerät erzeugte Impuls hat eine streng definierte Form, die der eines Blitzimpulses entspricht. 

 

Abb. 12. Form des Messimpulses bei der Impulsmethode

Die Impulsparameter werden durch zwei Zahlen definiert: die Dauer bis zum Scheitel T1 und die Halbwertszeit T2. Bei den bereits erwähnten Sonel-Messgeräten kann man zwischen drei Impulsformen wählen: 10/350 μs, 8/20 μs und 4/10 μs. Nach der DIN EN 62305 Norm ist ein Impuls mit der Form 10/350μs typisch für den ersten Blitzeinschlag. Der 8/20μs-Impuls wird zur Untersuchung der Auswirkungen von Entladungen auf Geräte verwendet. Der 4/10 μs-Impuls mit so einer Form ist in der polnischen Messpraxis fest etabliert.

Zusammenfassung

Der Auswahl eines Erdungsmessgeräts sollte eine gründliche Überlegung und Bestimmung der eigenen Bedürfnisse vorausgehen. Ein Messgerät, wie jedes andere Werkzeug, wird nur dann die erwartete Arbeit leisten, wenn man die richtige Wahl trifft, die mit der tatsächlichen Messarbeiten übereinstimmt, welche man im Feld durchführt. Der offensichtlich entscheidende Faktor ist die Funktionalität des Messgeräts, aber wie bereits beschrieben, können auch die Ausstattung und die Leistung des Messumformers des Geräts entscheidend sein. Zweifellos sollten die Energieversorgungsunternehmen und die Unternehmen, die für diese Dienstleistungen erbringen, unbedingt leistungsstarke Messgeräte wählen. Dies ist eine wichtige Voraussetzung, da sich das Messgerät in diesen Bereichen mit Sicherheit unter schwierigsten Feldbedingungen befinden wird. Ebenso wichtig ist es, sich mit langen Messleitungen (z.B. 100 m oder 200 m) auszustatten, damit auch umfangreiche Erdungsmessungen, wie z.B. die Erdung eines Umspannwerks, durchgeführt werden können. 

Die hier dargestellten Informationen sollen die Aufmerksamkeit auf jene Aspekte der Erdungswiderstandsmessung lenken, die leider oft übersehen werden und bei denen nur der Preis den Ausschlag für den Kauf eines Gerätes gibt. Dies kann dazu führen, dass eine Entscheidung getroffen wird, deren Auswirkungen erst nach dem Kauf bemerkt werden. In der Zwischenzeit ist ein richtig ausgewähltes Gerät eine Garantie für Arbeitskomfort, Zeitersparnis und allgemeine Zufriedenheit nach der Durchführung effektiver Erdungswiderstandsmessungen. 

 

Abb. 13. Zusammensetzung der MRU Erdungswiderstandsmessgeräte von SONEL S.A.

 

Autoren:
Roman Domański, Adam Szczepanik
SONEL S.A.