Schutzmaßnahmen
|
Elektrotechnik
Erdung und Erdungsmessung
ep1/2007, 4 Seiten
Elektropraktiker, Berlin 61 (2007) 1 FÜR DIE PRAXIS Schutzmaßnahmen Definition Erdung Die DIN VDE-Bestimmungen definieren Erdung als „die absichtliche oder zufällige Verbindung eines elektrischen Stromkreises oder einer elektrischen Anlage zur Erde oder zu einem leitenden Körper, der als Erde dient“. Es wird zwischen Funktionserdung und Schutzerdung unterschieden. Die Schutzerdung dient der elektrischen Sicherheit zum Schutz von Personen und Tieren, die Funktions- oder auch Betriebserdung dem sicheren Betrieb der Anlage. Diese beiden Erdungssysteme sind voneinander getrennt, und werden an einer einzigen Stelle miteinander verbunden, um Potentialdifferenzen im Falle eines Blitzschlags zu verhindern. Neben dem Schutz von Personen und Anlagen wird die Erdung auch zur Ableitung von Fehlerströmen, Blitzeinschlägen, statischen Entladungen und elektromagnetischen Störungen verwendet. Ein funktionsfähiges Erdungssystem kann auch die Zuverlässigkeit von elektrischen Anlagen und Einrichtungen erhöhen, Beschädigungen durch Blitzschlag und Beeinflussung durch Fehlerströme vermindern, und so unnötige Ausfallzeiten und die damit verbundenen Kosten reduzieren. Grenzwerte für den Erdungswiderstand Es gibt viele Unklarheiten, wie eine gute Erdung aufgebaut ist und welchen maximalen Wert der Erdungswiderstand haben sollte. Einen allgemein gültigen Grenzwert, der von allen Organisationen oder Behörden anerkannt wird, gibt es nicht. Die Anforderungen sind unterschiedlich, so bewertet DIN VDE Erder mit < 10 als gut, Telekom oder Mobilfunkbetreiber schreiben < 5 vor. Der jeweils zu beachtende Grenzwert hängt von der Form des Netzes (Systems) und dessen Abschaltbedingungen unter Berücksichtigung der maximalen Berührungsspannung ab. In der Praxis ist man bestrebt, den niedrigsten Erdungswiderstand zu erreichen, der mit wirtschaftlichem Aufwand vertretbar ist. Erdungswiderstand, Erder und Erdungssysteme Erder sind aus folgenden Teilen aufgebaut (Bild ): · Erdungselektrode (Staberder, Tiefenerder, Erdungsband) · Erdungsleiter (Anschlussleitung zum Erder) · Verbindungselemente zwischen dem Erdungsleiter und der Erdungselektrode (Anschlussklemmen, Schrauben) Der Widerstand eines Erders setzt sich aus drei Komponenten zusammen (Bild ): · Widerstand der Erdungselektrode und der Verbindungselemente zum Erdungsleiter. Diese sind im Allgemeinen sehr niedrig, da Erdungsspieße oder Erdungsbänder in der Regel aus gut leitendem Material wie Stahl oder Kupfer bestehen. · Übergangswiderstand der Erdungselektrode zum umgebenden Erdreich. Auch dieser ist nahezu vernachlässigbar, wenn die Erdungselektrode frei von Farbe oder Fett ist und direkten Kontakt zum umgebenden Erdreich hat. · Widerstand des umgebenden Erdreichs. Die Erdungselektrode ist von Erde umgeben, die man sich als konzentrische Schalen von gleicher Dicke vorstellen kann. Diejenigen Schalen, die der Erdungselektrode am nächsten sind, haben die kleinste Fläche und damit den größten Widerstand. Jede nachfolgende Schale verfügt über eine größere Fläche und einen entsprechend geringeren Widerstand. Der Erdungswiderstand bzw. Erdankoppelwiderstand wird also hauptsächlich durch die Kontaktfläche der Erdungselektrode und der Leitfähigkeit des umgebenden Erdreichs bestimmt. Der spezifische Erdwiderstand ist ein Maß für Leitfähigkeit des Erdreichs und wird in m angegeben. Um die Kontaktfläche zum umgebenden Erdreich zu vergrößern, kann man die Erdungselektroden tiefer in den Boden treiben oder den Durchmesser der Erdungselektroden vergrößern. Das Vergrößern des Durchmessers eines Erdspießes, führt kaum zu einem kleineren Widerstand, da bei Verdopplung des Durchmessers der Widerstand nur um 10 % geringer wird. Eine Verdopplung der Länge der Erdungselektrode bewirkt eine Reduzierung des Widerstands um 40 %. Der Erdboden hat jedoch keinen einheitlichen spezifischen Widerstand und das Ergebnis ist nicht immer vorhersehbar. Es gibt Fälle, in denen es physikalisch nicht möglich ist, die Erdungsspieße tiefer in den Boden zu treiben, z. B. wenn man auf Felsgestein, Granit usw. stößt. In diesen Fällen sind alternative Methoden möglich, unter anderem die Verwendung von „leitendem Beton“. Eine weitere Möglichkeit ist das Setzen von mehreren Erdern, welche parallel geschaltet werden. Da- Erdung und Erdungsmessung H.-D.Schüssele, Glottertal Neben dem Schutz von Personen und Anlagen wird die Erdung auch zur Ableitung von Fehlerströmen, Blitzeinschlägen, statischen Entladungen und elektromagnetischen Störungen verwendet. Dieser Beitrag zeigt, wie die Funktionsfähigkeit des Systems gewährleistet werden kann. Autor Hans-Dieter Schüssele ist Produktmanager bei der Fluke Deutschland Gmb H, Bereich Electrical, Glottertal. Aufbau eines Erders a) Erdungselektrode b) Erdungsleiter c) Verbindungselemente zwischen dem Erdungsleiter und der Erdungselektrode Widerstand eines Erders a)Widerstand der Erdungselektrode und der Verbindungselemente zum Erdungsleiter b)Übergangswiderstand der Erdungselektrode zum umgebenden Erdreich c)Widerstand des umgebenden Erdreichs EP0107-38-41 13.12.2006 11:24 Uhr Seite 38 mit die zusätzlichen Elektroden wirksam sind, muss der Abstand der zusätzlichen Spieße mindestens der Eindringtiefe des in den Boden getriebenen Spießes entsprechen. Weiter ist zu beachten, dass die Erdungselektrode unter die Frostgrenze und den Grundwasserspiegel reicht, damit der Widerstand zur Erde nicht wesentlich beeinflusst wird, wenn der umgebende Boden gefriert bzw. austrocknet. Einfache Erder bestehen aus einer einzelnen Erdungselektrode (z. B. Erdspieß), die in den Boden getrieben wird. Die Verwendung einer einzelnen Erdungselektrode ist eine übliche Form der Erdung beispielsweise bei Baustellen oder kleineren Gebäuden. Erdungssysteme werden für Wohnhäuser oder Firmengebäude verwendet, diese bestehen aus mehreren miteinander verbundenen Erdungsspießen oder Erdungsschleifen. Erdungssysteme mit Maschen-, Gitternetzen oder Erdungsplatten werden typischerweise bei Umspannwerken und Sendemasten installiert. Bei Erdungssystemen gibt es wesentlich mehr Kontaktstellen mit der umgebenden Erde, so dass der Erdungswiderstand entsprechend verringert wird, und auch Potenzialdifferenzen innerhalb des Systems vermieden werden. Spezifischer Erdwiderstand Bei der Planung eines Erdungssystems oder vor dem Setzen eines Erders kann mit dem ermittelten Messwert der erreichbare Erdungswiderstand abgeschätzt werden, dazu kann Tafel als Praxishilfe genommen werden. Es ist jedoch zu beachten, dass die Tabelle nur als Anhaltspunkt dienen kann, weil der Erdboden in Schichten aufgebaut und selten homogen ist, so dass die Widerstandswerte auch erheblich variieren können. Außerdem ist der spezifische Erdwiderstand witterungsbedingten jahreszeitlichen Schwankungen durch Trockenheit, Kälte oder Veränderungen des Grundwasserspiegels unterworfen. Im Boden verlegte metallische Rohre, Erdkabel oder im freien Gelände Wasseradern oder Wurzeln beeinflussen den Erdwiderstand ebenfalls. Ein verlässliches Erdungssystem muss auch bei den schlechtesten Bedingungen den geforderten Erdungswiderstand gewährleisten. Messen des Widerstands eines Erders Erdungssysteme und deren Verbindungen unterliegen Einflüssen durch die Witterung. Zusätzlich werden die Erdungselektroden durch Korrosion im Erdboden angegriffen, da hier Wasser und Salze vorhanden sind. Der Erdungswiderstand kann sich unbemerkt verändern, ohne dass dies beim normalen Betrieb auffällig wird. Bei unvorhergesehenen Ereignissen wie Blitzschlag, erhöhte Ableitströme oder Ausfall des Neutralleiters können Schäden an der elektrischen Anlage oder eine Gefährdung von Personen auftreten. Deshalb wird empfohlen, diese regelmäßig zu überprüfen, um den sicheren Betrieb zu gewährleisten. Ebenfalls wird empfohlen, nach Veränderungen oder Reparatur am Erdungssystem Messungen durchzuführen. Messverfahren Zur Ermittlung des Erdungswiderstandes gibt es verschiedene Messverfahren, generell unterscheidet man zwischen der Messung mit Erdspießen und mit Stromzangen. Bei der Ermittlung des Erdungswiderstandes mit Erdspießen erfolgt die Messung nach dem Strom-/Spannungsverfahren, zur Messung wird ein Prüfstrom zwischen einem Erdspieß (Hilfserder) und dem zu messenden Erder eingespeist, mit einem zweiten Erdspieß (Sonde) wird der Spannungsfall gemessen. Dabei muss der zu messende Erder vom Potentialausgleich oder PEN abgetrennt werden, um Elektropraktiker, Berlin 61 (2007) 1 39 Schutzmaßnahmen FÜR DIE PRAXIS Tafel Spezifische Erdwiderstände und Richtwerte für Stab- und Banderder Art des Spezifischer Erdungswiderstand (in ) Bodens Erdwiderstand Staberder (Tiefe in m) Banderder (Länge in m) m 3 6 10 5 10 20 Feuchter Boden, Moor, 30 10 5 3 12 6 3 Morast, Sumpf Ackerboden, Lehm, Ton 100 33 17 10 40 20 10 Sandiger Lehm 150 50 25 15 60 30 15 Feuchter Sandboden 300 66 33 20 80 40 20 Beton 1:5 400 - - - 160 80 40 Feuchter Kies 500 160 80 48 200 100 50 Trockener Sandboden 1000 330 165 100 400 200 100 Trockener Kies 1000 330 165 100 400 200 100 Steiniger Boden 30000 1000 500 300 1200 600 300 Felsgestein 107 - - - - - - EP0107-38-41 13.12.2006 11:24 Uhr Seite 39 Elektropraktiker, Berlin 61 (2007) 1 FÜR DIE PRAXIS Schutzmaßnahmen den Einfluss parallel liegender Erder z. B. von Rohrsystemen zu eliminieren. Bei der selektiven Erdungsmessung wird ebenfalls ein Prüfstrom zwischen einem Hilfserder und dem Erder eingespeist, hier wird jedoch mit einer Stromzange der Strom durch den Erder gemessen, welcher nicht aufgetrennt werden muss. Bei der Messung mit zwei Stromzangen wird die Prüfspannung über eine Stromzange in den Messkreis induziert und mit einer zweiten Stromzange der Strom in der Schleife gemessen, hier muss der Erder ebenfalls nicht aufgetrennt werden. Der Prüfstrom des Erdungsmessgerätes muss ein Wechselstrom sein, um Einflüsse durch Polarisationen am Übergang der Erdungselektrode zur Erde zu verhindern. Messfehler durch Störspannungen oder Strömen im Erdreich von benachbarten Spannungsquellen mit den Frequenzen 16 2/3 Hz, 50 Hz, 60 Hz und 400 Hz werden ausgeschaltet, indem Messfrequenzen ungleich dem ganzzahligen Vielfachen der Netzfrequenz verwendet werden. Einige Messgeräte haben mehrere Messfrequenzen, die abhängig von den vorkommenden Störungen automatisch ausgewählt werden. Die baulichen Anforderungen für Erdungsmessgeräte sind in den Bestimmungen DIN VDE 0413, Teil 5/EN 61557-5 beschrieben. 6.1 Strom-/Spannungsverfahren Beim Strom-/Spannungsverfahren werden zwei Erdspieße (ein Hilfserder und eine Sonde) im Abstand von mindestens 15 bis 20 m voneinander und zum zu messenden Erder gesetzt. Die Anordnung kann in einer Linie oder auch als gleichseitiges Dreieck erfolgen. Der Abstand untereinander ist notwendig, damit im Bereich der Sonde kein Potential durch den Messstrom im Hilfserder oder Erder auftritt. Die Einbringtiefe der Erdspieße hat keinen Einfluss auf den Messwert, da Hilfserder- und Sondenwiderstände durch das Messverfahren kompensiert werden. Um die Zuverlässigkeit des ermittelten Messwerts zu prüfen, empfiehlt es sich die Anschlüsse für Hilfserder und Sonde am Messgerät zu tauschen und die Messung zu wiederholen. Zusätzlich sollte man den Erdspieß für die Sonde um 3 bis 6 m versetzen und die Erdungsmessung (Dreileitermessung) Erdungsmessung (Vierleitermessung) Selektive Erdungsmessung mit einer Stromzange Erdschleifenmessung EP0107-38-41 13.12.2006 11:24 Uhr Seite 40 Messung nochmals wiederholen. Zeigen alle Messanordnungen annähernd vergleichbare Werte an, so liegt die Sonde außerhalb der erzeugten Spannungstrichter von Erder und Hilfserder im neutralen und somit zuverlässigen Bereich. Dreileitermessung. Bei der Dreileitermessung wird nur eine Messleitung an den Erder angeschlossen, der Widerstand der Messleitung vom Messgerät wird dabei mitgemessen. Mit dieser Messung können schnell und sicher die Erdungswiderstände von Fundament-, Baustellen- und Blitzschutzerdern ermittelt werden (Bild ). Vierleitermessung. Die Vierleitermessung kann anstelle der Dreileitermessung eingesetzt werden, wenn es sich um sehr niederohmige Erdungswiderstände (< 1...2 ) handelt und der Einfluss der Messleitung zwischen Messgerät und Erder das Messergebnis wesentlich beeinflusst. Dazu werden zwei Messleitungen getrennt an den zu messenden Erder angeschlossen (Bild ). Zweileitermessung. Bei der Zweileitermessung wird der Widerstand zwischen dem zu messenden Erder und einem bekannten Erder gemessen, hier kann z. B. der PEN-Leiter eines TN-Systems benutzt werden. Vom Messergebnis ist der Widerstand des bekannten Erders abzuziehen. Diese Messung lässt sich auch in einem dicht bebauten oder versiegelten Gebiet durchführen, wo keine Erdspieße zu Messung gesetzt werden können. 6.2 Selektive Erdungsmessung In Erdungsanlagen mit mehreren parallelgeschalteten Erdern wird bei Messungen des Erdungswiderstandes der Gesamtwiderstand der Erdungsanlage gemessen. Sollen die Einzelwiderstände ermittelt werden, so muss jeder Erder bei der Messung aufgetrennt und einzeln gemessen werden, was jedoch in der Praxis sehr aufwändig ist. Zudem kann durch Ausgleichströme eine Gefährdung des Prüfers auftreten. Die selektive Erdungsmessung vermeidet diese Probleme. Die Erder müssen nicht aufgetrennt werden. Bei dieser Messung werden ebenfalls zwei Erdspieße (Hilfserder und Sonde) gesetzt. Der Messstrom wird zwischen Hilfserder und Erder eingespeist und der Spannungsfall zwischen Erder und Sonde gemessen. Die Stromzange wird um den zu messenden Erder gelegt, und damit nur der Teil des Messstromes gemessen, der tatsächlich durch den zu messenden Erder fließt. Teile des Messstromes, die dabei durch parallel geschaltete Erder fließen, beeinflussen das Messergebnis nicht. Mit dieser Messmethode lassen sich z. B. Einzelerder einer Blitzschutzanlage ermitteln (Billd ). 6.3 Erdschleifenmessung Bei Erdungsanlagen mit untereinander verbundenen Erdern, die eine geschlossene Schleife bilden (z. B. die Blitzschutzanlage eines Hauses) oder in TN-Systemen, kann mit Hilfe von zwei Stromzangen der Widerstand jeder Erdschleife schnell und sicher ermittelt werden. Das Setzen von Sonden und Hilfserdern oder das Auftrennen des Erders ist nicht notwendig. Diese Methode eignet sich als Alternative besonders an Gebäuden, in denen Sonden und Hilfserder nicht gesetzt werden können, oder an Hochspannungsanlagen, bei denen das Auftrennen des Erders zu Störungen der Anlage oder gar zur Gefährdung des Prüfers führen kann (Bild ). Spezifische Erdwiderstandmessung (Wenner-Methode) Für die Berechnung des Ausbreitungswiderstandes von Erdern und Erdungsanlagen ist die Ermittlung des spezifischen Erdwiderstands notwendig. Der spezifische Erdwiderstand kann nicht an allen Messgeräten direkt abgelesen werden. Der angezeigte Messwert muss dann zur Berechnung in Gleichung 1 eingesetzt werden. = 2· · a · RE (1) = spezifischer Erdwiderstand (in m) = 3,14159 a = Abstand zwischen den Erdspießen (in m) RE = gemessener Erdwiderstand (in ) Diese Messung wird mit vier Erdspießen durchgeführt, die in einer Linie im gleichen Abstand a eingeschlagen werden. Der Erdwiderstand wird etwa bis zur Tiefe des Abstands a erfasst (Bild ). Gerätebeispiele zur Messung Die Messgeräte Fluke 1623 und 1625 sind universelle Geräte zur Messung des Erdungswiderstands an Erdern und Erdungssystemen. Alle beschriebenen Messverfahren können damit durchgeführt werden. Zusätzliche Eigenschaften des letztgenannten Gerätes sind: automatische Frequenzwahl zur Unterdrückung von Störsignalen, Erdimpedanzmessung mit 55 Hz, zur Bestimmung des Kurzschlussstromes bei Erdschluss, einstellbare Messspannung 20/48 V und einstellbare Grenzwerte. Ein Set besteht aus Messgerät, Messleitungen, Erdspießen, Stromzangen und Kabeltrommeln mit Messleitungen. Elektropraktiker, Berlin 61 (2007) 1 Spezifische Erdwiderstandsmessung Quelle: Fluke EP0107-38-41 13.12.2006 11:24 Uhr Seite 41
Ähnliche Themen
Autor
- H.-D. Schüssele
Downloads
Laden Sie diesen Artikel herunterTop Fachartikel
In den letzten 7 Tagen:
Sie haben eine Fachfrage?