Erdungswiderstands-Messung – Spannungsfallverfahren mit Zangen.

Die Messung des Erdwiderstandes ein enorm zeitaufwendiges Unterfangen, erfordert eine Menge Hingabe und ein verantwortungsbewusstes Personal. Abhängige Faktoren wie Bodenbeschaffenheit, Gelände und einige weitere, spielen dabei eine große Rolle. Um eine exakte Messung der Erdung durchzuführen, dürfen keine Bestandteile der Messprozedur vernachlässigt werden. Vernachlässigungen in der Ausführung der Messung können derart große Messfehler verursachen, dass die erzielten Resultate messtechnisch unbrauchbar werden.

In diesem Fall ist jedes Gerät, das die Durchführung dieser Messungen in korrekter Weise erleichtert und vereinfacht, besonders von Vorteil. Erdungen, unabhängig von ihrer Eigenschaft, müssen für eine selektive Erdungsmessung aufgetrennt werden, sollten sie einer von mehreren Blitzableitern eines Erdungssystems sein. Bei der Verwendung von Zangen durch die Spannungsfallmethode, ist dies jedoch nicht mehr notwendig. Außerdem wird der Zeitaufwand zur Durchführung der Messung erheblich reduziert. Es müssen zwei Faktoren bei einer Erdungsmessung mit Zangen in Betracht gezogen werden: der elektrische Stromkreis und der Aufbau der Erdungsanlage. Denken wir zurück an die Gesetzmäßigkeiten der Erdungswiderstandsmessung durch die Spannungsfallmethode, um die Sache etwas auszuweiten.

Bild 1. Prinzip des Spannungsfallverfahrens

Um den Erdwiderstand “E” zu messen, muss der Strom zum Fließen gebracht werden. Dafür wird ein Erdspieß als Hilfselektrode „H“ in einem definierten Abstand zum zu messenden Erder im Boden angebracht. Auf diese Weise entsteht ein elektrischer Stromkreis. Der induzierte Wechselstrom aus dem Prüfgerät lässt um den Erder und der Hilfselektrode „H“ ein Spannungsfeld entstehen. Dies geschieht durch den Stromfluss durch die Elektrode „H“, dem Erdreich und der zu messenden Erdverbindung. Es entsteht nun ein Spannungsfall durch den definierten Widerstand des Erders. Es reicht hier aus, einen Spannungskreis aufzubauen, um über den Spannungsfall den Erdungswiderstand zu ermitteln. Wir verwenden einen zweiten Erdspieß als Hilfselektrode „S“. Dieser wird im Boden zwischen Erder und der Strom-Hilfselektrode platziert. Diese Art der Messung ist in Bild 1. dargestellt. Parallel hierzu müssen dabei allerdings einige wichtige Regeln beachtet werden. Diese Hilfselektrode muss so weit entfernt angebracht werden, dass sich das Potential um den gemessenen Erder nicht mit dem Potential der Hilfselektrode „H“ überlappt. Die Spannungselektrode S muss im Bereich des Nullpotentialpunktes platziert werden. Betrachtet man den gesamten Messvorgang, ist dies bereits ein wichtiger Aspekt in puncto Genauigkeit und Zeitersparnis. Einzelne Messungen reichen hier aber nicht aus, um die Richtigkeit dieser zu gewährleisten. Mindestens zwei oder mehr Messungen sind notwendig, um ein verlässliches und genaues Resultat des Erdwiderstandes zu erzielen. Referenzmessungen sollten hier durch Versetzten der Spannungselektrode ein paar Meter näher des Erders und dann näher der Stromhilfselektrode durchgeführt werden. Wir betrachten eine Messung nur als korrekt, wenn die drei erzielten Messergebnisse gleiche oder nahezu identische Werte haben.

Im Fall von Einzelerdungen treten meist keine praktischen Probleme in der Ausführung auf, wie z.B. an einem Mast einer Mittelspannungsleitung.

Bild 2. Mittlespannungsmast

Ein typisches Beispiel einer Einzelerdung, da die Erder der Masten nicht miteinander verbunden sind. Die Anwendung einer anderen Messmethode, als oben beschrieben, können die Messergebnisse hier komplett verfälschen. In diesem Fall ist die Verwendung von Zangen  verboten. Veranschaulichen wir, wann die Spannungsfallmethode mit Zangen angewandt werden kann.

Führen wir eine Widerstandsmessung zur Beurteilung der Beständigkeit von einzelnen Blitzschutzleitern durch, muss der zu messende Teil der Anlage vom gesamten System getrennt werden. Es ist jedoch auch möglich, durch den Einsatz von Stromzangen den durch den Erder fließenden Strom und die Höhe des Spannungsfalls ohne Auftrennen der Erdverbindung zu den Blitzableitern zu ermitteln. Diese Erdungswiderstandsmessung ist absolut identisch zur Spannungsfallmethode, dargestellt in Bild 1. Der einzige Unterschied besteht darin, dass nur der Strom, welcher durch einen einzelnen Blitzableiter fließt,

Bild 3. Grundlagen der Erdungsmessung durch den Einsatz von Stromzangen

Ein Blitzableiter eines Gebäudes ist in Bild 3. dargestellt. Die gesamte Erdungsanlage besteht hier aus vier Einzelsegmenten, welche auf dem Dach miteinander verbundenen sind. Der induzierte Strom fließt zwar durch die gesamte Anlage, durch den Einsatz von Zangen kann jedoch nur der Widerstand eines individuellen Elementes der Anlage gemessen werden. Dies ist zweifelsohne eine sehr komfortable Methode, welche aber leider nicht überall angewandt werden. Der Grund dafür ist die Bauweise der Zangen selbst. Auf Grund der spezifischen Abmessung wie Stärke und Winkel der Zangenbacken, ist es nicht mögliche diese überall anzubringen. Besonders in Neubauten oder modernisierten Gebäuden ist es schwierig zu den Messstellen der Erdungsanlage zu gelangen, da viele Bereiche mit Styropor isoliert oder nur spärliche Zugänge eingerichtet wurden. Meist sind diese dann kaum per Hand bzw. mit Zangen zu erreichen.

Bild 4. Erdung eines Niederspannungsmasten

Die Erdung des Masts einer Niederspannungsleitung, wie in Bild 4 dargestellt, zeigt, dass alle Masten durch ein PEN-Kabel miteinander verbunden sind. Betrachten wir Bild 3. Sollte es ausreichen, eine Zange am Testpunkt zu platzieren und die Messung durchzuführen - leider nicht. Der Erdverbinder ist mit der Stahlkonstruktion des Masts verbunden, Feuchtigkeit des Betons und das durch Mineralsalze entstandenen Elektrolyt haben eine leitfähige Verbindung entstehen lassen. Induzieren wir nun den Prüfstrom, wird dieser durch alle leitfähigen Verbindungen fließen. Die Absicht besteht aber darin, mit den Zangen nur den Strom zu messen, welcher durch die eigentliche Erdung des Mastes abfließt. Zusätzlich fließt der Strom aber auch durch die Stahlkonstruktion und das Betonfundament des Mastes. Letzteres beeinflusst die Messung minimal, muss jedoch ebenso berücksichtigt werden. Das Prüfgerät misst den Spannungsabfall für die Summe der fließenden Ströme durch den Mast, das Betonfundament und die gemessenen Erde, den Stromwiderstand jedoch nur des Zangenstromes. Ist dies der Fall, wird durch den Ström welcher höher als der erzeugt ist, ein Spannungsabfall erzeugt. Das Ergebnis des ermittelten Erdwiderstandes wird daher bedeutend höher sein als die Normwerte, was zu einer unnötigen Erneuerung der Erdung führt und zusätzliche Kosten mit sich bringen könnte. Ein Austausch wäre in diesem Falle eine Möglichkeit, ist bei stromführenden Starkstromkabeln jedoch verboten und durch die Sicherheitsregularien verboten worden. Das Abschalten der Leitungen verursacht ebenso enorme Kosten und Probleme für Betreiber und Verbraucher. Noch größer wird der Aufwand bei Hochspannungsleitungen, da deren enorm große Verbindungselemente es unmöglich machen, Zangen zu verwenden. Problematisch ist auch, dass zusätzliche Erdungssystem der Hochspannungsmasten mit deren Stahlkonstruktion verbunden sind, was den Strom auch durch diesen fließen lässt. Dies macht eine plausible Messwertanalyse nur durch Messen an den Erdverbindungen dieser Systeme unmöglich. Deshalb möchten wir Ihnen – vielleicht keine revolutionäre aber bahnbrechende Methode der Erdungsmessung mit Zangen vorstellen. SONEL entwickelte dazu flexible Zangen, welche bedeutend schmaler und bis zu einer Länge von 5m erhältlich sind. Die bisher verwendeten Zangen hatten nicht annähernd diese Eigenschaften. Auch die Arbeitsweise unterscheidet sich wesentlich durch die Anpassungen des Eingangsmesskreises. Es ist jedoch nicht notwendig, neue Prüfgeräte zur Nutzung dieser neuen Methode zu beschaffen, lediglich der neue ERP-1 Zwischenadapter, welcher zwischen Zange und Erdungsmessgerät geschalten wird, ist dafür notwendig.

Bild. 5 Flexible Zangen (Rogowski Zange) und Adapter ERP-1

Für die Messung können die bereits bekannten flexiblen Zangen des Typs F, sowie FS Zangen (höhere Empfindlichkeit) und kundenspezifische Zangen des Typs FSX (hochempfindlich für extrem schwierige Umgebungsbedingungen). Der Adapter ERP-1 wird standardmäßig mit 4m FS Zangen angeboten. Er ermöglicht eine Anpassung an die verschiedenen Zangenausführungen, welche durch LED´s angezeigt werden. Weiter Einstellungen, wie Anzahl der Windungen um den Erder, können ebenso vorgenommen werden. Nehmen wir zu Veranschaulichung die Situation in Bild 4. und 6.

Bild.6 Korrekte Messung der Erdung eines Niederspannungsmasts ohne Auftrennen an den Testpunkten und ERP-1 Adapter.

Wie im Bild dargestellt, ermöglicht ein Umschließen des gesamten Mastes durch die Zange die Erfassung sämtlicher fließender Ströme der Anlage zur Erde. Ein absolut korrektes Messergebnis ist somit die Folge. Die Schwierigkeiten aus der Vergangenheit, spielen somit nicht länger eine Rolle, da die Messung vollständig auf die elektrischen Gegebenheiten abgestimmt ist. Einfach-Schleuderbetonmasten und Doppel-Schleuderbetonmasten finden heutzutage immer mehr Verwendung, z.B. in 20/04 kV Umspannstationen. Das Messen des Erdwiderstandes dieser Konstruktionen ist normalerweise sehr schwierig. Die Verwendung des ERP-1 in Verbindung mit den flexiblen Zangen und dem Erdungsmessgerät machen dies jetzt jedoch zu einem sehr leichtem Unterfangen.

Bild 7 Erdungsmessung an Schleuderbetonmasten

Durch den Einsatz von Zangen ist es mögliche beide Masten gleichzeitig zu umschließen. Dass die beiden Erder der Masten durch den Boden miteinander verbunden sind, spielt hier keine Rolle, da die Zange den gesamten Stromfluss durch den Erder aus beiden Masten erfasst.

Dies macht die Überprüfung von Schleuderbetonmasten zu einer viel einfacheren Angelegenheit. Die aufgezeigte Lösung von SONEL könnte neue Maßstäbe in dieser Sache setzen. Es ermöglicht dem Prüfer die Erdungsmessung an Masten durch die Spannungsfallmethode, ohne Abschalten der Hochspannungsnetze. Die optimale Lösung zur Diagnose von Schleuderbetonmasten sind das MRU-200 und der ERP-1 Adapter. Früher wäre dies durch den Einsatz der einzelnen Zangen (an Hochspannungsleitungen) nicht möglich gewesen.  

Bild. 8 Erdungsmessung an Betonfußmasten

Bei dieser Messung wird der gesamten Mastfuß umschlossen. Um ein genaueres Ergebnis zu erzielen, besteht die Möglichkeit, mehr als eine Windung um den Mast zu legen. Diese Methode kann über den ERP-1 Adapter, durch die Auswahl Mastfüße (1,2,3 oder 4) eingestellt und mit einem Erdungsmessgerät durchgeführt werden. Beachtet werden muss, dass bei der Veränderung der Position der Zangen auch der Testpunkt, durch den der Strom E induziert wird, entsprechend verändert werden muss. Das MRU wird nach einer Reihe von durchgeführten Tests den Erdwiderstand der gesamten Mastanlage anzeigen. Eine automatische Errechnung des Erdungswiderstandes ist nur mit dem MRU-200 möglich. Es ist hervorzuheben, dass das Prüfgerät die Stromrichtung der individuellen Tests überprüft. Aus diesem Grund müssen die Zangen bei jeder Messung in derselben Richtung angebracht werden. Das MRU erkennt mechanische Beschädigungen durch Rost und Korrosion der Verbinder zu den Ringerdern der Masten. Diese Funktion ist einzigartig und bei keinem anderen Messgerät auf dem Markt zu finden.

Autor: 
Roman Domański