ISSN 0013-5569 · 06352 · HUSS-MEDIEN GmbH · 10400 Berlin · 8,00 € · 69. Jahrgang · April 2015 · www.elektropraktiker.de huss

SONDERDRUCK AUS ELEKTROPRAKTIKER HEFT 3-2015

ELEKTROPRAXIS

www.elektropraktiker.de | Sonderdruck aus Elektropraktiker, Berlin 69 (2015) 3

MESSEN UND PRÜFEN

Lieber im Boden messen als in die Luft fliegenMessung von Erdungswiderständen am Beispiel einer Biosgasanlage

Elementarer Bestandteil der Elektroinstallation ist eine funktionsfähige Erdungs-anlage. Bei dem dazu gehörigen Erdungswiderstand handelt es sich um einen wichtigen Kennwert für die Beurteilung der Sicherheit und der Funktionalität von Maßnahmen zum Schutz gegen elektrischen Schlag sowie auch zum Blitz- und Überspannungsschutz.

Neben Erdungswiderstandsmessungen im Rahmen der Bestimmungen nach DIN VDE 0100-600 [1] und DIN VDE 0105-100 [2] müssen auch Messungen hinsichtlich des Blitzschutzes gemäß DIN EN 62305-3 (VDE 0185-305-3) [3] durchgeführt werden. Hier sind für die Ableitung der bei atmosphärischen Entladungen auftretenden hohen Blitzströme niederohmige Ausbreitungswiderstände (Erd-schleifenwirderstände) gefordert. Darüber hinaus ist bei neu errichteten Erdungsanlagen DIN 18014 [4] anzuwenden. Entsprechende Dokumentation der eingebrachten Erdungs-anlage ist somit immer erforderlich.

Prüfgeräte für Erdungsmessungen Klassische Schutzmaßnahmenprüfgeräte bieten prinzipiell netzspannungsversorgte Messverfahren an. Hingegen arbeiten die klassischen Erdungsmessgeräte oder auch komplexere Prüfgeräte gemäß DIN VDE 0413-5 [5] mit einem batteriebetriebenen Messverfahren (Messungen an Blitzschutz-anlagen sowie Trafostationen).Beispielsweise stellt die Messgeräte-Serie „Profitest Master“ des Herstellers Gossen Metrawatt der befähigten Elektrofachkraft/Blitzschutzfachkraft zahlreiche Funktionen im Rahmen der Erdungswiderstandsmessungen zur Verfügung. Die Prüfgeräte dieser Serie erlauben neben der Messung des Gesamt-widerstands der zu beurteilenden Erdungs-anlage auch eine Beurteilung der Widerstand-werte einzelner Erder anhand selektiver Messverfahren. Dies bietet den Vorzug, dass

so ein Abtrennen des jeweiligen Einzelerders entfällt. Das zugrunde liegende Messprinzip selbst, beruht auf einer Strom-Spannungs-Messung. Während die beiden Prüfgeräte Profitest MBASE+ und MTECH+ an das Versorgungs-netz angeschlossen werden und demnach mit unmittelbarer Stromaufnahme aus dem geerdeten Netz „arbeiten“, bieten die Prüfge-räte Profitest MPRO und MXTRA alle Vorzüge eines entsprechenden Erdungsmessgeräts (Bild 1).

Michael Roick ist als Produktmanager Test- und Measurement bei der GMC-I Messtechnik GmbH, Nürnberg, tätig.

2 Schematische Darstellung des beschriebenen 3-Pol-Messverfahrens

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Rx

IM Messstrom

SondeunbekannterErdungs-widerstand

Hilfserder(S) (H)(E)

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1 Prüfgerät Profitest MXTRA Bedienfunktion in Schalterstellung RE

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Die Messverfahren

Der Erdungswiderstand lässt sich mit unter-schiedlichen Methoden messen. Hierbei wird zwischen autarker Versorgung mittels inter-ner Spannungsquelle und unmittelbarer Stromaufnahme aus dem Netz unterschie-den.Grundlegend basieren die Messverfahren auf dem Prinzip, dass ein Stromfluss innerhalb einer Erdungsanlage einen Spannungsfall hervorruft. Aus dem Quotienten dieser beiden Größen ergibt sich dann der jeweilige Erdungs-widerstand.

Den für die Messung verwendeten Mess-strom, einen Wechselstrom (AC), stellt eine im Prüfgerät integrierte Stromquelle zur Verfügung. Hierbei ist die Frequenz des Messstroms mit 128 Hz so gewählt, dass eine Entkopplung von Strömen mit den Frequenzen 16,7 Hz; 50 Hz, 60 Hz (sowie auch deren ganzzahligen Vielfachen) sicher-gestellt ist. Dies verhindert eine Beeinflussung bzw. Verfälschung des Messergebnisses durch netzfrequente Ströme (Störeinflüsse).

Das 3-Pol-Messverfahren

Für die sogenannte 3-Pol-Messung sind ein entsprechender Hilfserder sowie eine Sonde einzubringen (Erder + Hilfserder + Sonde = 3 Pole). Zwischen den Anschlusspunkten Erder und Hilfserder fließt während der Mes-sung der vom Prüfgerät eingebrachte Mess-strom IM. Der am Erder bedingt durch die Erdungsimpedanz auftretende Spannungsfall UM wird dann gegen das Bezugspotential der Sonde gemessen (Bild 2). Somit errechnet sich der Erdungswiderstand RE aus folgender Formel:

RE =

UM

IM

Hierbei sind:RE – ermittelter Erdungswiderstand;UM – Spannungsfall am Erder, gemessen zwischen den Klemmen Erder/Sonde;IM – Messstrom zwischen Erder und Hilfs- erder.

Abstände von Sonde und Hilfserder sind zu beachten. Enorme Bedeutung kommt bei der 3-Pol-Messung der Anordnung der Sonde und des Hilfserders zu. Hierbei muss der Hilfserder so weit entfernt vom Messob-jekt in das Erdreich eingebracht werden, dass sich die Potentialtrichter des Erders und des Hilfserder nicht überschneiden. Als Merkregel gilt, je größer die Erdungsan-lage ist, desto größere Entfernungen sind auch für den Hilfserder nötig. Ein zu großer Hilfserderwiderstand kann zu Fehlern bei der Messung führen. Bei sehr großen spezi-fischen Erd-widerständen ist es erforderlich, den Hilfs-erder tiefer in das Erdreich einzu-bringen. Für die Abstände zwischen Erder und Hilfserder hat sich in der Praxis ein „Faust-wert“ von 40 m bewährt. Jedoch muss die richtige Anordnung stets überprüft und ggf. angepasst werden. Beispielsweise wird

Hintergrund des BeitragsAn einer Biogasanlage von Green Energy in Mitterteich waren Messungen der Erdungswiderstände durchzuführen. Da hierbei verschiedene Messverfahren zur Anwendung kamen, bot es sich an, das Vorgehen näher zu erläutern und Fotos von der praktischen Umsetzung zu machen. Dies soll Elektropraktikern mit ähn lichen Messaufgaben dabei helfen, sicher und effektiv zu einem korrekten Ergebnis zu gelangen. Zur Biogasanlage. Energiegewinnung durch Vergärung von Biomasse zählt mittlerweile zu den wichtigsten Techniken für Wärme-

und Stromerzeugung aus erneuerbaren Rohstoffen. Weil Biogasanlagen große Men-gen brennbarer Gase erzeugen und verar-beiten, ist hier die Betriebssicherheit von enormer Bedeutung. So können u. a. feh-lerhafte Erdungsanlagen zu erhöhter Ex-plosionsgefahr führen.Über Green Energy. Das Team aus erfah-renen Biogasexperten von Green Energy hat in den vergangenen fünfzehn Jahren mehr als 250 Anlagen in ganz Deutschland bei Konzeption und Umsetzung sowie auch während des laufenden Betriebs begleitet.

Biogasanlage von Green Energy in Mitterteich

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Alle Messverfahren sind bei ihrer Anwen-dung an besondere Bedingungen gebun-den, die sich zum Teil aus dem Mess-verfahren selbst, dem verwendeten Messstrom oder den Gegebenheiten der Erdungsanlage ergeben. Die Elektrofach-kraft muss also entsprechend befähigt sein, um das jeweilige Messverfahren auszuwählen und dann auch fachgerecht anzuwenden.

TIPP

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MESSEN UND PRÜFEN

u. a. bei Stab-erdern als zu wählender Ab-stand die dreifache Tiefe des Staberders emp-fohlen.Das Bild 3 soll diesen Sachverhalt näher verdeutlichen. Bedingt durch den Stromfluss zwischen Erder und Hilfserder bilden sich zwei Spannungstrichter aus, deren Verläufe die kreisförmigen Linien kennzeichnen. Für eine korrekte Messung ist es unerlässlich, dass die Sonde in einem als „neutrale Zone“ bezeichneten Bereich mit neutralem Bezugs-potential eingebracht wird. Würde man eine Vielzahl von Messungen mit steigendem Abstand zwischen dem Erder und der Sonde durchführen, so ergäbe sich eine Messwerte-Kurve mit charakteristi-schem Verlauf. Gekennzeichnet ist dieser Verlauf dadurch, dass seine Enden steil zu-laufen und sich dazwischen ein waagerech-ter Bereich ergibt. Der annähernd konstant waagrecht verlaufende Bereich (neutrale Zone) ergibt sich jedoch nur bei ausreichend großem Abstand zwischen Erder und Hilfs-erder.

Die Überprüfung Anordnung von Sonde und Hilfserder ist durch das Versetzen der Sonde auf der direkten Bezugslinie Erder-Hilfserder möglich. Hierfür wird bei zwei zusätzlichen Messungen die Position der Sonde um jeweils sechs Meter in Richtung Erder bzw. Hilfserder verändert. Liefern dann alle drei Messungen annähernd überein-stimmende Ergebnisse, kann der Mittelwert als Erdungswiderstand angenommen wer-den. Falls sich hingegen voneinander abwei-chende Ergebnisse einstellen, ist die Mes-sung mit größerer Entfernung des Hilfserder zu wiederholen. Hat die Kurve hingegen einen ungewöhnlichen Verlauf, wird die Mes-sung von im Erdreich befindlichen metalle-nen Anlagen (Wasserleitungen o. Ä.) beein-flusst. Eine um 90° veränderte Anordnung der Erdspieße kann in solchen Fällen Abhilfe schaffen.

3 Schematische Darstellung zur Anordnung der „Erdspieße“ für Sonde und Hilfserder („neutrale Zone“)

≥ 20 m

≥ 40 m

IM Messstrom

Sonde Hilfserder

U

(S) (H)(E)

4 Schematische Darstellung zum 4-Pol-Messverfahren

RA

Rx

IM Messstrom

SondeunbekannterErdungs-widerstand

Hilfserder(S) (H)(E und ES)

5 Praktische Anordnung bei 4-Pol-Verfahren und Anzeige auf dem Display des Prüfgeräts

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Für die Prüfung und Protokollierung des Blitzschutzsystems gemäß [3] sowie auch für die Dokumentation der Erdungs-anlage gemäß [4] sind entsprechende Vordrucke von diversen Anbietern erhält-lich.

TIPP

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Das 4-Pol-Messverfahren

Das 4-Pol-Messverfahren ist sozusagen mit der 3-poligen Messung „verwandt“. Einziger Unterschied ist, dass bei einer 4-poligen Erdungsmessung von dem Anschluss für die Erdersonde am Messgerät ein weiterer An-schluss zur Erdungsanlage hergestellt wird, um einen hohen Widerstand der Zuleitung vom Erder zu dem Geräteanschluss zu be-rücksichtigen (Bild 4). Dadurch kann der Widerstand vom Geräte-anschluss Klemme Erder unberücksichtigt bleiben. Dieses Messverfahren findet überwiegend Anwendung bei der Ermittlungn von Aus-breitungswiderständen ausgedehnter und somit sehr niederohmiger Erdungsanlagen (Bild 5). Bei Messungen an solchen Anlagen mit dem 3-Pol-Verfahren resultiert aus der wirksa-men Widerstandserhöhung – bedingt durch den Anschluss des Erders an das Prüfgerät – eine wesentliche Erhöhung des Messwer-tes.

Erdschleifenwiderstandsmessung

Bei Erdungsanlagen, die aus mehreren mit-einander verbundenen Erdern (Verbindung z. B. über PEN–Leiter) bestehen, lässt sich der Erdungswiderstand effektiv und rationell unter Verwendung der sogenannten „Zwei-Zangen-Methode“ ermittelt. Das Verfahren ermöglicht eine selektive Messung ohne den Einsatz von Erdungssonden. Sie bietet zudem ein hohes Maß an Effektivität, da das zeitauf-wendige Abtrennen des jeweiligen Messob-jektes entfällt.Dieses Messverfahren eignet sich somit be-sonders für Gebäude, an denen der Einsatz von „Messspießen“ nicht möglich ist oder bei denen die Erdungsanlage nicht aufgetrennt werden kann (Bild 6). Das zugrunde liegende Prinzip besteht aus dem Zusammenspiel zweier Zangensensoren. Ein entsprechender Stromwandler (E-Clip 2) induziert in die „Erderschleife“ – bestehend aus dem zu ermittelnden Erdungswiderstand und parallelen Erdern – die Messspannung. Der von der Messspannung ausgeprägte und

vom Widerstand bestimmte Strom wird in einem zweiten Zangensensor nach dem Stromwandlerprinzip gemessen. Im Anschluss errechnet das Messgerät den Widerstands-wert und gibt ihn aus.

Bestimmung des spezifischen Erdwiderstands

Die Bestimmung des spezifischen Erdwider-stands ρE ist im Rahmen der Planung von Erdungsanlagen erforderlich. Maßgebend für die Größe des Ausbreitungswiderstands eines Erders ist der spezifische Widerstand

Die bei der 3-poligen Messmethode zwangsläufig auftretende Erhöhung des Widerstands wird in der Praxis durch entsprechend kurze Leitungslängen vom Erder zum Prüfgerät gering gehalten.

TIPP

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6 Praktische Anordnung für Messungen des Erdschleifenwider-stands

30

%

10

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–10

–20

–30

ρE

Jan Mrz Mai Jul Sep Nov

Tabelle 1 Spezifischer Erdwider-stand ρE in Abhängigkeit von der Beschaffenheit des Erdbodens

Art des Erdbodensspezifischer Erdwiderstand ρE [Ωm]

nasser Moorboden 8 ... 60

Ackerboden, Lehm-/Tonboden, feuchter Kies

20 … 300

feuchter Sandboden 200 … 600

trockener Sandboden, trockener Kies

200 … 2 000

steiniger Boden 300 … 8 000

Felsen 104 … 1010

7 Spezifischer Erdwiderstand in Abhängigkeit von der Jahreszeit ohne Beeinflussung durch Nieder-schläge (Erderein-grabtiefe < 1,5m)Q

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MESSEN UND PRÜFEN

des umgebenen Erdreichs. Dieser lässt sich mit Hilfe eines weiteren 4-poligen Mess-verfahrens, der sogenannten „Wenner- Methode“, feststellen.Bei dieser Methode wird anhand von vier speziell angeordneten Erdspießen (zwei für die Einspeisung von Wechselstrom und zwei zum Abgreifen einer Potentialdifferenz ∆U) ein Widerstand R ermittelt.Zur Berechnung des spezifischen Erdwider-stands dient die folgende Formel:

ρE = 2π · d · R

Hierbei sind:ρE – spezifischer Erdwiderstand;d – Abstand der Erdspieße zueinander;R – mit der Wenner-Metode gemessener Widerstand

Der spezifische Erdwiderstand ρE wird in der Einheit Ωm angegeben und entspricht dem sich theoretisch ergebenden Widerstands-werts eines Erdwürfels mit der Kantenlänge von einem Meter (Volumen 1 m³).

Dieser Widerstand variiert sehr stark, ist im Wesentlichen gekennzeichnet durch die geo-logischen Gegebenheiten des Standorts und wird zudem durch die Faktoren Feuchtigkeit und Temperatur beeinflusst.Als Ursachen für starke Schwankungen bei den Werten des spezifischen Erdungswider-stands sind u. a. Durchfeuchtung, Lösungs-konzentrationen von Salzen in den Grund-wasserschichten oder auch klimatische Schwankungen zu nennen. So unterliegt der spezifische Erdwiderstand z. B. ebenfalls Schwankungen im jahreszeitlichen Verlauf (Bild 7). Einflüssen haben z. B. die Boden-temperatur sowie auch sehr stark die unter-schiedlichen Niederschlagsmengen in den Jahreszeiten. In Tabelle 1 sind einige typische spezifische Erdungswiderstände für verschiedene Bo-denwerkstoffe zusammengefasst. Anhand dieser Werte ist eine Abschätzung des sich ergebenden Ausbreitungswiderstands der Erdungsanlage (in Abhängigkeit der Erderart) möglich.

Literatur[1] DIN VDE 0100-600 (VDE 0100-600):2008-06

Errichten von Niederspannungsanlagen – Teil 6: Prüfungen.

[2] DIN VDE 0105-100 (VDE 0105-100):2009-10 Betrieb von elektrischen Anlagen – Teil 100: All-gemeine Festlegungen.

[3] DIN EN 62305-3 (VDE 0185-305-3):2011-10 Blitzschutz – Teil 3: Schutz von baulichen Anlagen und Personen.

[4] DIN 18014:2014-03 Fundamenterder – Planung, Ausführung und Dokumentation.

[5] DIN EN 61557-5 (VDE 0413-5):2007-12 Elektri-sche Sicherheit in Niederspannungsnetzen bis AC 1000 V und DC 1500 V – Geräte zum Prüfen, Messen oder Überwachen von Schutzmaßnahmen – Teil 5: Erdungswiderstand. n

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