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
Lieber im Boden messen als in die Luft fliegen Messung von Erdungswiderständen am Beispiel einer Biosgasanlage Elementarer Bestandteil der Elektroinstallation ist eine funktionsfähige Erdungsanlage. 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. so ein Abtrennen des jeweiligen Einzelerders entfällt. Das zugrunde liegende Messprinzip selbst, beruht auf einer Strom-SpannungsMessung. Während die beiden Prüfgeräte Profitest MBASE+ und MTECH+ an das Versorgungsnetz angeschlossen werden und demnach mit unmittelbarer Stromaufnahme aus dem geerdeten Netz arbeiten, bieten die Prüfgeräte Profitest MPRO und MXTRA alle Vorzüge eines entsprechenden Erdungsmessgeräts (Bild 1). 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 (Erdschleifenwirderstände) gefordert. Darüber hinaus ist bei neu errichteten Erdungsanlagen DIN 18014 [4] anzuwenden. Entsprechende Dokumentation der eingebrachten Erdungsanlage ist somit immer erforderlich. Prüfgeräte für Erdungsmessungen Michael Roick ist als Produktmanager Test- und Measurement bei der GMC-I Messtechnik GmbH, Nürnberg, tätig. 1 Prüfgerät Profitest MXTRA Bedienfunktion in Schalterstellung R (E) (S) Rx unbekannter Erdungswiderstand E (H) Sonde IM Messstrom RA Hilfserder Quellen: Gossen Metrawatt 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 Blitzschutzanlagen 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 Gesamtwiderstands der zu beurteilenden Erdungsanlage auch eine Beurteilung der Widerstandwerte einzelner Erder anhand selektiver Messverfahren. Dies bietet den Vorzug, dass 2 Schematische Darstellung des beschriebenen 3-Pol-Messverfahrens www.elektropraktiker.de Sonderdruck aus Elektropraktiker, Berlin 69 (2015) 3
Den für die Messung verwendeten Messstrom, 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) sichergestellt ist. Dies verhindert eine Beeinflussung bzw. Verfälschung des Messergebnisses durch netzfrequente Ströme (Störeinflüsse). Hintergrund des Beitrags An 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 Mengen brennbarer Gase erzeugen und verarbeiten, ist hier die Betriebssicherheit von enormer Bedeutung. So können u. a. fehlerhafte Erdungsanlagen zu erhöhter Explosionsgefahr führen. Über Green Energy. Das Team aus erfahrenen 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. 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 Messung der vom Prüfgerät eingebrachte Messstrom 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 = Biogasanlage von Green Energy in Mitterteich TIPP Alle Messverfahren sind bei ihrer Anwendung an besondere Bedingungen gebunden, die sich zum Teil aus dem Messverfahren selbst, dem verwendeten Messstrom oder den Gegebenheiten der Erdungsanlage ergeben. Die Elektrofachkraft muss also entsprechend befähigt sein, um das jeweilige Messverfahren auszuwählen und dann auch fachgerecht anzuwenden. Die Messverfahren Der Erdungswiderstand lässt sich mit unterschiedlichen Methoden messen. Hierbei wird zwischen autarker Versorgung mittels interner Spannungsquelle und unmittelbarer Stromaufnahme aus dem Netz unterschieden. 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 Erdungswiderstand. Sonderdruck aus Elektropraktiker, Berlin 69 (2015) 3 www.elektropraktiker.de UM IM Hierbei sind: RE ermittelter Erdungswiderstand; UM Spannungsfall am Erder, gemessen zwischen den Klemmen Erder/Sonde; IM Messstrom zwischen Erder und Hilfserder. 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 Messobjekt in das Erdreich eingebracht werden, dass sich die Potentialtrichter des Erders und des Hilfserder nicht überschneiden. Als Merkregel gilt, je größer die Erdungsanlage ist, desto größere Entfernungen sind auch für den Hilfserder nötig. Ein zu großer Hilfserderwiderstand kann zu Fehlern bei der Messung führen. Bei sehr großen spezifischen Erd-widerständen ist es erforderlich, den Hilfs-erder tiefer in das Erdreich einzubringen. Für die Abstände zwischen Erder und Hilfserder hat sich in der Praxis ein Faustwert von 40 m bewährt. Jedoch muss die richtige Anordnung stets überprüft und ggf. angepasst werden. Beispielsweise wird
u. a. bei Stab-erdern als zu wählender Abstand die dreifache Tiefe des Staberders empfohlen. 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 Bezugspotential 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 charakteristischem Verlauf. Gekennzeichnet ist dieser Verlauf dadurch, dass seine Enden steil zulaufen und sich dazwischen ein waagerechter Bereich ergibt. Der annähernd konstant waagrecht verlaufende Bereich (neutrale Zone) ergibt sich jedoch nur bei ausreichend großem Abstand zwischen Erder und Hilfserder. (E) (S) IM Messstrom 40 m U 3 Schematische Darstellung zur Anordnung der Erdspieße für Sonde und Hilfserder ( neutrale Zone ) (E und ES) Rx unbekannter Erdungswiderstand (S) (H) Sonde TIPP RA Hilfserder 4 Schematische Darstellung zum 4-Pol-Messverfahren 5 Praktische Anordnung bei 4-Pol-Verfahren und Anzeige auf dem Display des Prüfgeräts Die Überprüfung Anordnung von Sonde und Hilfserder ist durch das Versetzen der Sonde auf der direkten Bezugslinie ErderHilfserder 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 werden. Falls sich hingegen voneinander abweichende Ergebnisse einstellen, ist die Messung mit größerer Entfernung des Hilfserder zu wiederholen. Hat die Kurve hingegen einen ungewöhnlichen Verlauf, wird die Messung von im Erdreich befindlichen metallenen Anlagen (Wasserleitungen o. Ä.) beeinflusst. Eine um 90 veränderte Anordnung der Erdspieße kann in solchen Fällen Abhilfe schaffen. Hilfserder 20 m IM Messstrom Für die Prüfung und Protokollierung des Blitzschutzsystems gemäß [3] sowie auch für die Dokumentation der Erdungsanlage gemäß [4] sind entsprechende Vordrucke von diversen Anbietern erhältlich. (H) Sonde Quellen: Gossen Metrawatt www.elektropraktiker.de Sonderdruck aus Elektropraktiker, Berlin 69 (2015) 3
Erdwiderstand in Abhängigkeit von der Jahreszeit ohne Beeinflussung durch Niederschläge (Erdereingrabtiefe < 1,5m) 7 Spezifischer 30 % ρe 10 0 10 20 30 Jan Mrz Mai Jul Sep Nov Tabelle 1 Spezifischer Erdwiderstand ρe in Abhängigkeit von der Beschaffenheit des Erdbodens 6 Praktische Anordnung für Messungen des Erdschleifenwiderstands Das 4-Pol-Messverfahren Erdschleifenwiderstandsmessung 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 Anschluss zur Erdungsanlage hergestellt wird, um einen hohen Widerstand der Zuleitung vom Erder zu dem Geräteanschluss zu berücksichtigen (Bild 4). Dadurch kann der Widerstand vom Geräte anschluss Klemme Erder unberücksichtigt bleiben. Dieses Messverfahren findet überwiegend Anwendung bei der Ermittlungn von Ausbreitungswiderständen ausgedehnter und somit sehr niederohmiger Erdungsanlagen (Bild 5). Bei Messungen an solchen Anlagen mit dem 3-Pol-Verfahren resultiert aus der wirksamen Widerstandserhöhung bedingt durch den Anschluss des Erders an das Prüfgerät eine wesentliche Erhöhung des Messwertes. Bei Erdungsanlagen, die aus mehreren miteinander verbundenen Erdern (Verbindung z. B. über PEN Leiter) bestehen, lässt sich der Erdungswiderstand effektiv und rationell unter Verwendung der sogenannten ZweiZangen-Methode ermittelt. Das Verfahren ermöglicht eine selektive Messung ohne den Einsatz von Erdungssonden. Sie bietet zudem ein hohes Maß an Effektivität, da das zeitaufwendige Abtrennen des jeweiligen Messobjektes entfällt. Dieses Messverfahren eignet sich somit besonders 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 Sonderdruck aus Elektropraktiker, Berlin 69 (2015) 3 www.elektropraktiker.de Art des Erdbodens spezifischer 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 vom Widerstand bestimmte Strom wird in einem zweiten Zangensensor nach dem Stromwandlerprinzip gemessen. Im Anschluss errechnet das Messgerät den Widerstandswert und gibt ihn aus. Bestimmung des spezifischen Erdwiderstands Die Bestimmung des spezifischen Erdwiderstands ρe ist im Rahmen der Planung von Erdungsanlagen erforderlich. Maßgebend für die Größe des Ausbreitungswiderstands eines Erders ist der spezifische Widerstand TIPP 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.
des umgebenen Erdreichs. Dieser lässt sich mit Hilfe eines weiteren 4-poligen Messverfahrens, 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 Erdwiderstands dient die folgende Formel: ρ E = 2π d R Hierbei sind: ρ E spezifischer Erdwiderstand; d Abstand der Erdspieße zueinander; R mit der Wenner-Metode gemessener Widerstand Der spezifische Erdwiderstand ρ E wird in der Einheit Ωm angegeben und entspricht dem sich theoretisch ergebenden Widerstandswerts eines Erdwürfels mit der Kantenlänge von einem Meter (Volumen 1 m³). Dieser Widerstand variiert sehr stark, ist im Wesentlichen gekennzeichnet durch die geologischen Gegebenheiten des Standorts und wird zudem durch die Faktoren Feuchtigkeit und Temperatur beeinflusst. Als Ursachen für starke Schwankungen bei den Werten des spezifischen Erdungswiderstands sind u. a. Durchfeuchtung, Lösungskonzentrationen von Salzen in den Grundwasserschichten 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 Bodentemperatur sowie auch sehr stark die unterschiedlichen Niederschlagsmengen in den Jahreszeiten. In Tabelle 1 sind einige typische spezifische Erdungswiderstände für verschiedene Bodenwerkstoffe 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: Allgemeine 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 Elektrische Sicherheit in Niederspannungsnetzen bis AC 1000 V und DC 1500 V Geräte zum Prüfen, Messen oder Überwachen von Schutzmaßnahmen Teil 5: Erdungswiderstand. n 2015 Alle Rechte vorbehalten. Vervielfältigungen auf Datenträgern jeglicher Art sind verboten. HUSS-MEDIEN GmbH, Am Friedrichshain 22, 10407 Berlin Tel. 030 42151-378, Fax 030 42151-251 Internet: www.elektropraktiker.de GMC-I Messtechnik GmbH Südwestpark 15 n 90449 Nürnberg n Germany Fon: +49 911 8602-111 n Fax: +49 911 8602-777 www.gossenmetrawatt.com n info@gossenmetrawatt.com www.elektropraktiker.de Sonderdruck aus Elektropraktiker, Berlin 69 (2015) 3