Erdungsmessung

Die Erdungsmessung ist ein Messverfahren, das dazu dient, die Wirksamkeit von Erdungen zu überprüfen. Eine sorgfältig durchgeführte Erdungsmessung dient der Sicherheit von Menschen, Tieren und technischen Einrichtungen.^[1]

Grundlagen

Bei der Überprüfung von Erdungsanlagen ist die Erdungsmessung eine Maßnahme, die gemäß den Richtlinien durchgeführt werden muss. Die Messung wird angewandt, um einen bestimmten Erdungswiderstand oder eine bestimmte Erdungsimpedanz zu überprüfen. Mittels Erdungsmessung müssen Schutzerdungen und Betriebserdungen auf die Einhaltung der durch die Normen geforderten Werte überprüft werden. Diese Erdungsmessungen werden sowohl bei Schutzerdungen in Niederspannungsnetzen als auch bei Transformatorenstationen, wenn bei diesen die Niederspannungsbetriebserdung und die Hochspannungsbetriebserdung einen gemeinsamen Betriebserder haben, durchgeführt. Außerdem wird in Mittelspannungsnetzen die Erdungsmessung an den Erdungsanlagen für die Erdungsdrosselspule durchgeführt.^[2] Die Erdungsmessung muss bei neu errichteten oder modifizierten Erdungsanlagen durchgeführt werden. Im Abstand von zehn Jahren muss gemäß den Vorschriften eine erneute Erdungsmessung durchgeführt werden.^[1] Bei Blitzschutzerdungen muss eine Erdungsmessung auch dann durchgeführt werden, wenn keine konkreten Messwerte gefordert werden.^[2]

Standardmessverfahren

Für die Erdungsmessung gibt es mehrere verschiedene Messverfahren. Welches Messverfahren angewendet wird, ist von den jeweiligen örtlichen Gegebenheiten abhängig. Es gibt folgende Messverfahren:

• Strom/Spannungsmessung
• Spannungsvergleichsmessung
• Brückenmethode
• Schleifenwiderstandsmessung^[3]

Die Erdungsmessungen werden mit Wechselstrom durchgeführt.^[2]

Strom-/Spannungsmessung

Prinzipielle Darstellung einer Strom-/Spannungsmessanordnung

Bei diesem Messverfahren wird die Netzspannung eines Netzes mit geerdetem Sternpunkt verwendet. Das Messverfahren erfolgt gemäß der DIN VDE 0413 Teil 7. Zunächst wird im Abstand von 50 bis 100 Meter vom Erder eine Sonde ins Erdreich geschlagen. Über einen einstellbaren Prüfwiderstand wird über einen Erder ein Strom ins Erdreich abgeleitet. Der Widerstandswert des Prüfwiderstandes kann zwischen 20 und 1000 Ohm liegen. Der Strom über den Erder wird mit einem Strommessgerät ermittelt. Der unterste Widerstandswert darf dabei 10 Ohm nicht unterschreiten. Zwischen Erder und Sonde wird ein Spannungsmessgerät geschaltet. Dieses Spannungsmessgerät muss möglichst hochohmig sein, damit sich der Spannungsfall am Erder gegen die Sonde genau ermitteln lässt. Bei der Verwendung eines hochohmigen Spannungsmessers lässt sich der Erdungswiderstand der Sonde, der in der Regel zwischen 500 und 1000 Ohm liegt, weitgehend kompensieren. Der Erdungswiderstand errechnet sich aus der Spannung zwischen Erder und Sonde und dem Strom, der über den Erder eingeleitet wird, gemäß dem ohmschen Gesetz.

$R_x = \frac {U}{I}$

Da dieses Messverfahren mittels Netzspannung erfolgt, kann am Erder eine unzulässig hohe Spannung abfallen. Aus diesem Grund muss der Prüfstrom begrenzt werden. Aufgrund von Streuströmen kann es dazu kommen, dass das Spannungsmessgerät bereits eine Spannung anzeigt, obwohl noch kein Prüfstrom fließt. Allerdings sind diese Messfehler nur gering und können in der Regel vernachlässigt werden. Voraussetzung ist dabei, dass die Spannung bei eingeschaltetem Prüfstrom wesentlich höher ist, als die Streuspannung.^[4]

Spannungsvergleichsmessung

Bei diesem Messverfahren wird ein Messgerät mit eigener Spannungsquelle verwendet. Die Gleichspannung der Batterie wird über einen Wechselrichter in eine Wechselspannung umgewandelt. Diese Wechselspannung hat eine Frequenz, die außerhalb der Netzwechselspannung liegt. Außerdem muss ein zweiter Hilfserder R_H verwendet werden. Dieser zweite Hilfserder dient für den Stromrückfluß des Prüfstromes. Damit keiner der Erder im Spannungstrichter des anderen Erders liegt, muss ein Mindestabstand von 20 Metern zwischen den Erdern eingehalten werden. Das Spannungsmessgerät wird über den ersten Hilfserder geerdet. Über einen Schalter lässt sich der Widerstand R_M überbrücken. Über einen Widerstand R_M wird das Messgerät an den zu überprüfenden Erder angeschlossen. Der Wert des Widerstandes R_M ist bekannt, der Erdungswiderstand R_X ist unbekannt. Zwischen den Widerstand R_M und das Spannungsmessgerät wird ein Stellwiderstand W geschaltet. Durch Veränderung des Widerstandes W lässt sich der Spannungsfall an R_M + R_X verändern. Um die Messung durchzuführen, wird zunächst der Widerstand W so verändert, bis der Zeiger des Messgerätes auf Endanschlag steht. Durch Umschaltung wird nun Widerstand R_M überbrückt und der Erder direkt angeschaltet. Dadurch lässt sich nun der Spannungsfall am Erder bestimmen. Die Skala des Messgerätes kann auch in Widerstandseinheiten geeicht sein.^[3]

Brückenmethode

Prinzipielle Darstellung einer Brückenmessanordnung (nach Behrend )

Das Messverfahren mittels Erdungsmessbrücke ist in der DIN VDE 0413 Teil 5 geregelt.^[4] Bei dieser Messmethode wird der Einfluss des Erdungswiderstandes der Messsonde vollkommen kompensiert. Auch hierbei werden ein Hilfserder und eine Erdungssonde benötigt. Der Messstrom wird über einen kleinen Generator erzeugt und über einen Messwandler über den Hilfserder und den zu prüfenden Erder ins Erdreich geleitet. Das Messgerät ist über ein Potentiometer mit dem Messwandler verbunden und wird über die Erdungssonde geerdet. Der Strom im Sekundärkreis des Messwandlers ist abhängig vom Strom im Primärstromkreis. Der Strom im Sekundärstromkreis ruft am Potentiometer einen Spannungsabfall hervor, diese Spannung wird über einen Umschalter mit der Spannung am Erder verglichen. Zur Messung gibt es verschiedene Messgeräte, die entweder mit einem Display oder bei handelsüblichen Geräten mit drei Leuchtdioden ausgerüstet sind.^[3] Bei Geräten mit Display ist dieses in Ohm geeicht, das ermöglicht die direkte Ablesung des gemessenen Erderwiderstandes.^[4]

Schleifenwiderstandsmessung

Dieses Messverfahren wird angewendet, wenn keine Möglichkeit besteht, einen Hilfserder oder eine Erdungssonde zu setzen. Für die Messung wird ein Schleifenwiderstandsmessgerät benötigt. Diese Methode bringt eine angenäherte Messung des Erdungswiderstandes. Dabei wird ein Summenwiderstand gemessen. Dieser Summenwiderstand wird gebildet aus dem Widerstand des Betriebserders, dem Widerstand des Außenleiters und dem unbekannten Widerstand des zu messenden Erders. Da die Widerstände des Außenleiters und des Betriebserders in der Regel sehr klein sind, können sie im allgemeinen vernachlässigt werden. Der so ermittelte Widerstand entspricht mit leichten Abweichungen dem Widerstand des zu messenden Erders.^[3]

Vereinfachte Messung

In Gebieten mit dichter Bebauung ist es oftmals nicht möglich, eine Erdungsmessung unter Zuhilfenahme von Sonden und Hilfserdern durchzuführen. Hierbei wird die Erdungsmessung mit einem Stromzangenmessgerät durchgeführt.^[5] Bei einer Messung mit Stromzangenmessgerät (Erdungsprüfzange) müssen keine Hilferder gesteckt werden und die Anlage braucht nicht vom Erder getrennt werden. Es lassen sich sowohl die zur Erde abfließenden Ströme als auch der Erdungswiderstand mit der Erdungsprüfzange ermitteln, hierfür muss nur das Erdungskabel umgeklemmt werden.^[6]

Bei diesem Messverfahren wird mit zwei Stromwandlern gearbeitet. Beide Stromwandler befinden sich in einem Zangengehäuse und sind magnetisch voneinander abgeschirmt. Zusätzlich befinden sich auch die erforderliche Elektronik und die Speisespannung für die Elektronik und im selben Zangengehäuse. Voraussetzung für eine richtige Messung ist, dass nur die Erdungsschleife, die überprüft werden soll, mit der Erdungszange über den Neutralleiter oder den PEN-Leiter mit dem Netz verbunden ist. Durch einen der beiden Stromwandler wird in die zu prüfende Schleife eine Spannung induziert. Durch diese Spannung wird in der Schleife ein Strom erzeugt. Dieser Strom wird mit dem zweiten Stromwandler gemessen. Anhand der Messdaten für Spannung und Strom lässt sich der Gesamtwiderstand der Erdungsschleife errechnen.^[7]

Ausgedehnte Erdersysteme

Damit auch ausgedehnte Erdersysteme gemessen werden können, wurde die Viersondenmethode entwickelt. Bei dieser Methode, die auch Vierelektrodenmethode genannt wird, erfolgt die Messung über ein im Erdreich erzeugtes elektrisches Strömungsfeld. Die Potentialdifferenz dieses Strömungsfeldes wird an der Erdoberfläche zwischen zwei Punkten mittels Erdungssonde erfasst. Da die Methode nur im homogenen Erdreich genaue Messergebnisse liefert, muss der gemessene Erdwiderstand auf einen Wert zurückgerechnet werden, der unter den schlechtesten Bedingungen vorkommen würde. Für die Anordnung der Messsonden gibt es zwei Anordnungsmethoden, die Methode nach Wenner und die Methode nach Schlumberger. Beide Methoden sind vom Prinzip her identisch, sie unterscheiden sich im Wesentlichen nur durch die verschiedenen Abstände der Erdungssonden.

Bei der Methode nach Wenner wird ein fester Mittelpunkt als Ausgangspunkt festgelegt. Dieser Mittelpunkt wird auch bei weiteren Messungen beibehalten.^[8] Anschließend werden die vier Erdungssonden in einer Linie mit gleichen Abständen untereinander ins Erdreich eingeschlagen. Der Abstand zwischen zwei Erdungsonden ist entscheidend dafür, bis zu welcher Tiefe der Erdwiderstand gemessen wird. Fehlmessungen können durch parallel zu den Erdungssonden verlegte Rohre und Erdkabel entstehen. Ebenfalls können Wasseradern und Wurzelwerk den Messwert verfälschen.^[9] Zur Vermeidung größerer Messfehler muss der Ausbreitungswiderstand der äußeren Messsonden kleiner als 500 Ohm sein. Um bei schlechten Bodenverhältnissen diese Werte einhalten zu können, werden an jedem äußeren Ende vier Erdungselektroden in gleichem Abstand auf dem Umfang eines Kreises verteilt und möglichst tief in das Erdreich eingedreht oder eingeschlagen. Die vier Erdungssonden werden miteinander elektrisch leitend verbunden. Der Kreis darf einen maximalen Durchmesser von 20 Metern haben.

Bei der Methode nach Schlumberger wird auch ein fester Mittelpunkt als Ausgangspunkt festgelegt. Von diesem Mittelpunkt ausgehend werden die inneren Erdungssonden mit einem bestimmten Abstand zueinander ins Erdreich eingeschlagen. Dieser Abstand der beiden inneren Erdungsspieße zueinander ist geringer als der Abstand zu den äußeren Erdungsspießen. Die inneren Erdungsspieße dienen gleichzeitig als Messsonden. Der Abstand der inneren Sonden wird während der Messung nicht verändert. Der Abstand der äußeren Erdungsspieße zu den inneren Erdungsspießen kann beliebig verändert werden. Der Abstand zwischen den inneren und den äußeren Erdungssonden entspricht der Tiefe, bis zu der der Widerstand des Erdreichs ermittelt wird.^[8]

Blitzschutzerdungsmessung

Die Messung von Blitzschutzerdungen darf auf keinen Fall während eines Gewitters oder beim Herannahen eines Gewitters durchgeführt werden. Zur Messung von Blitzschutzerdungen hat sich das Zweipol-Messverfahren als das am meisten verwendete Messverfahren durchsetzen können. Bei diesem Messverfahren ist das Setzen von Hilfserdern oder Sonden nicht erforderlich. Als Bezugserde kann eine Wasserleitung aus Metall oder der Potentialerderanschluss der Schutzerdung verwendet werden. Bei der Messung mit Bezugserde muss der Widerstand der Messleitung kompensiert werden. Eine gute Möglichkeit zur Messung bietet der Hauptanschlussraum des Hauses. Damit es nicht zu Fehlmessungen kommt, müssen sämtliche Anschlüsse an der Potentialausgleichsschiene getrennt werden und jeweils nur ein Erder gemessen werden. Zur Messung von Blitzschutzerdungen lässt sich auch die Dreipunkt-Messmethode mit Hilfserder verwenden.^[10]

Bahnerdungen

Die Erdungsmessung von Bahnerdungen ist oftmals besonders schwierig und umfangreich. Um hinreichend genaue Messergebnisse zu erhalten, müssen eine Reihe von Messungen durchgeführt werden. Hierbei werden von der Bahnerde als Bezugspunkt in unterschiedlichen Abständen Erdungsspieße ins Erdreich gesteckt und als Messpunkt verwendet. Problematisch bei Bahnerdungen ist die Nutzung der Erdleiter im Traktionsnetz. In den Erdleitern des Traktionsnetzes fließen nicht nur Fehlerströme, sondern auch Betriebströme, dadurch wird die Erdungsmessung stark beeinträchtigt. Durch die Frequenz des Bahnstromes (16 2/3 Herz) breiten sich die Erdströme anders aus als beim normalen Bahnstrom. Der Erdstrom kann tiefer ins Erdreich eindringen, dies führt dazu das im Fehlerfall der Erdschlussstrom auch außerhalb der Bahntrasse vagabundiert. Aufgrund der Störgrößen erfordert die Messung mehrere speziell entwickelte Messgeräte, auch der Einsatz von Oszilloskopen ist dabei erforderlich. Obwohl bei der Erdungsmessung von Bahnerdungsanlagen speziell entwickelte und genaue Messgeräte verwendet werden müssen, ist eine präzise Erdungsmessung bei in Betrieb befindlichen Bahnanlagen kaum möglich. Trotzdem können Fehler und Schwachstellen der Erdungsanlage lokalisiert und anschließend beseitigt werden.^[11]

Prüfbericht

Bei Erdungen in Niederspannungsanlagen und Blitzschutzerdunganlagen muss von der Erdungsmessung ein Prüfbericht angefertigt werden. Darin müssen die durchgeführten Messungen und durchgeführte begleitende Maßnahmen angeben werden. Damit die Messung später für andere nachvollziehbar ist, muss der Prüfbericht genau und eindeutig geschrieben werden. Im Prüfbericht muss das verwendete Messverfahren und der Typ des verwendeten Messgerätes angegeben werden. Außerdem müssen die Schalterstellungen der vorhandenen Schalter angegeben werden. Falls für die Messung Verbindungen hergestellt oder getrennt werden mussten, so ist dies auch im Prüfbericht zu erwähnen. Das Messergebnis muss eindeutig, mit allen witterungsbedingten Messzuschlägen, in den Prüfbericht geschrieben werden.^[2]

Literatur

• Gerhard Kiefer: VDE 0100 und die Praxis. 1. Auflage. VDE-Verlag, Berlin/Offenbach 1984, ISBN 3-8007-1359-4.
• Klaus Peter Weber, Herbert Sack, Manfred Leischner: Mehr messen - mehr wissen. 5. überarbeitete Auflage. Dr. Alfred Hüthing Verlag, Heidelberg 1986, ISBN 3-7785-1167-X.

Einzelnachweise

1. ↑ ^{a b} Reinhold Bräunlich: Die messtechnische Überprüfung von grossen Erdungsanlagen. (abgerufen am 30. Juni 2011)
2. ↑ ^{a b c d} Enno Hering: Messungen und Prüfungen an Erdungsanlagen. Deutsches Kupferinstitut (abgerufen am 30. Juni 2011)
3. ↑ ^{a b c d} Hans-Günter Boy, Uwe Dunkhase: Die Meisterprüfung Elektro-Installationstechnik. 12. Auflage. Vogel Buchverlag, Oldenburg/Würzburg 2007, ISBN 978-3-8343-3079-6.
4. ↑ ^{a b c} Heinz Nienhaus, Dieter Vogt: Prüfungen vor Inbetriebnahme von Starkstromanlagen. VDE-Verlag, Berlin/Offenbach 1995, ISBN 3-8007-2071-X.
5. ↑ Dehn + Söhne: Erdungsmessung (abgerufen am 30. Juni 2011)
6. ↑ Sonderreport Erdungsmessungen (abgerufen am 30. Juni 2011)
7. ↑ Michael Hirsch: Die Bestimmung der Schleifenimpedanz in elektrischen Anlagen. (abgerufen am 1. Juli 2011)
8. ↑ ^{a b} Johann Frei: Messung der Impedanz ausgedehnter Erdersysteme sowie deren Berechnung. Diplomarbeit, Technische Universität Graz (abgerufen am 1. Juli 2011)
9. ↑ Wissenswertes über Erdungsmessung (abgerufen am 1. Juli 2011)
10. ↑ Vojtech Kopecky: Prüfen von Blitzschutzanlagen. (abgerufen am 1. Juli 2011)
11. ↑ Reinhold Bräunlich, Günther Storf, Max Sigg: Erdungsmessungen in Unterwerken der schweizerischen Bundesbahnen. (abgerufen am 1. Juli 2011)