KoCoS Blog

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Von
Brian Burke, Applikationsingenieur, KoCoS America LLC
Guy Wasfy, Geschäftsführer, KoCoS America LLC
Jürgen Dreier, Produktmanager, KoCoS Messtechnik AG

Erdungs- und Potentialverbindung sind ein wesentlicher Bestandteil für das sichere Funktionieren energie- und nachrichtentechnischer Systeme und zur Sicherstellung der Personen- und Gerätesicherheit.
Spannungspotentialdifferenzen sind durch Erdungsverbindungen und Erdungsverfahren zu vermeiden. Diese Potentialdifferenzen können zwischen metallischen Bauteilen und der Erde auftreten, die die Sicherheit von Menschen und/oder technischen Einrichtungen gefährden können. Metallische Bauteile müssen daher mit dem Erdpotential verbunden sein, um gefährliche Spannungen zu vermeiden. Spannungsabfälle werden durch die Erdung aller nicht spannungsführenden Teile und durch einen umfangreichen Erdpotentialausgleich (Erdungssystem) reduziert. Es ist daher wichtig, dass Erdungsverbindungen einen niedrigen Widerstand aufweisen. Widerstandsmessungen müssen sowohl an den Potential- als auch an den Erdungsverbindungen vorgenommen werden, um sicherzustellen, dass eine ausreichend gute niederohmige Verbindung erreicht und aufrechterhalten wird.

Nachfolgend ist ein Anwendungsbeispiel aus der Energieverteilung aufgeführt, bei denen die Erdung und der Potentialausgleich und deren gute Verbindung wichtig sind. Es gibt jedoch noch viele andere Anwendungen (Schienenfahrzeuge, Luftfahrtindustrie und Flugzeugwartung, usw.), bei denen Erdung und Potentialausgleich berücksichtigt werden müssen. Typische Anwendungen für den Potentialausgleich und die Erdung finden sich in Energieverteilungsanlagen in Nieder- und Mittelspannungsnetzen und insbesondere in Hochspannungsanlagen. Die Erdung aller nicht spannungsführenden Teile und ein umfangreicher Erdpotentialausgleich reduzieren Spannungsabfälle, die in Energieverteilungsanlagen durch kapazitive oder auch induktive Spannungskopplung entstehen können.

Ein Beispiel für diese nicht spannungsführenden Teile sind mechanische Trennschalter, mit denen eine Schaltanlage außer Betrieb genommen wird. Da diese Schalter von Menschen gewartet werden müssen, ist es wichtig, dass ihre Erdungsverbindung nicht beeinträchtigt ist. Bei den Erdungsbändern handelt es sich um Metallgeflechte, die mit Schrauben am Schalter und am Erdungsanschlusspunkt befestigt sind. Diese Bänder können aufgrund von Korrosion oder äußere Schäden zu schlechten Leitern werden. Ein beschädigtes Band kann zu einer unsachgemäßen Erdung des Schalters führen, was ein gefährliches Berührungspotential bei der Benutzung des Schalters verursacht. Um sicherzustellen, dass die Bänder ordnungsgemäß ausgeführt sind, kann die Verbindung mit einer Mikroohmmessung geprüft werden. Ein defektes Erdungsband weist einen hohen Widerstand auf, während ein gut leitendes Band einen niedrigen Widerstand aufweist. Ein hoher Widerstand der Verbindung oder im schlimmsten Fall ein defektes Band kann es erforderlich machen, die Schraubverbindungen zu reinigen und neu zu verbinden oder das Band komplett zu ersetzen.

Neben verschraubten Erdungsbändern können die Erdungsverbindungen auch durch Verschweißungen verbunden werden. Diese Verschweißungen führen zu einer guten mechanischen und elektrischen Verbindung. Dies gilt insbesondere für die Verbindung verschiedener Metalle, wie z. B. die Verbindung eines Kupfererdungsstabs mit einer verzinkten Metallstruktur in einem Umspannwerk. Wenn diese Verschweißungen ordnungsgemäß ausgeführt werden, entsteht eine haltbare und zuverlässige Verbindung (Bild 2). Durch unsachgemäße Erwärmung oder Feuchtigkeit können die Schweißverbindungen Löcher oder Lücken aufweisen (Bild 3) und sowohl mechanisch als auch elektrisch als minderwertig angesehen werden. Die Durchführung einer Mikroohm-Widerstandsmessung an diesen Verbindungen kann Aufschluss über die Schweißqualität geben. Je fachgerechter die Schweißverbindung ausgeführt ist, desto niedriger ist der Widerstandswert. Eine minderwertige Verbindung kann zu einer unzuverlässigen Erdung führen.

Die Widerstandsmessgeräte der KoCoS Messtechnik AG sind ideal für die Messung von Potential- und Erdverbindungen. Das Präzisions-Widerstandsmessgerät PROMET SE dient zur Bestimmung von niederohmigen Widerständen im μΩ- und mΩ-Bereich. Mit einstellbaren Prüfströmen von bis zu 200 A in Verbindung mit einem Vierleitermessverfahren liefern die Systeme Messergebnisse für höchste Genauigkeitsanforderungen. Der Einsatz modernster Leistungselektronik und die robuste Bauweise garantieren höchste Zuverlässigkeit für den mobilen Einsatz.

Das PROMET SE ist ideal für die Vor-Ort-Prüfung, da es batteriebetrieben ist und keinen Netzanschluss benötigt. Viele der beschriebenen Verbindungen können sich an eher unzugänglichen Orten befinden, wie z.B. an Strommasten, sodass der Prüfer auf einer Leiter oder Ähnlichem steht. Ohne den Batteriebetrieb würde das Messgerät auch einen tragbaren Generator benötigen. Außerdem ist das PROMET SE sehr leicht und einfach zu transportieren. Das Messgerät wiegt weniger als 2 kg und kann bequem Vor-Ort eingesetzt werden.

Haben Sie Fragen oder Ergänzungen zur Widerstandsmessung oder zu unseren Messgeräten? Dann kontaktieren Sie uns über die Kommentarfunktion hier im Blog oder per Mail an info(at)kocos.com.

 

Beim Verteilen der elektrischen Energie ist zu bedenken, dass durch schlechte Stromverbindungen Verluste entstehen, für deren Ausgleich zusätzliche Leistung vom Energieerzeuger bereitgestellt werden muss. 

Die Verlustleistung an der Kontaktstelle ist vom Strom und dem Widerstand abhängig: P = I²·R

Bei der Übertragung hoher Ströme müssen somit möglichst geringe Übergangswiderstände an den Verbindungsstellen angestrebt werden. Der Übergangswiderstand wird von mehreren Größen beeinflusst und nimmt im Laufe der Betriebszeit durch Alterung zu. Durch die Prüfung am Einbauort kann eine fehlerhafte Verbindung festgestellt und beseitigt werden.

Die Größe zur Beurteilung einer elektrischen Verbindung ist der Widerstand. Der Widerstand einer elektrischen Verbindung liegt im Mikroohm-Bereich. Diese kleinen Widerstandswerte erfordern spezielle Messtechnik wie die Widerstandsmessung in Vierleiter-Technik (Kelvin-Verfahren).

Um die Qualität einer Verbindung beurteilen zu können, ist das Widerstandsmessgerät PROMET SE und PROMET R300/R600 in der Lage, die Güte einer Verbindung zu bestimmen. Aufgrund zweier Spannungsmesseingänge ist eine einfache und schnelle Bestimmung der Qualität, z.B. von Schraubverbindungen an Stromschienen, möglich. Die Bestimmung erfolgt über den Gütefaktor. Dieser wird durch das Verhältnis des Widerstandes der Verbindung über der Überlappungslänge zum Widerstand der Stromschiene gleicher Länge definiert.

Der Gütefaktor K ergibt sich dabei als das Verhältnis des Widerstands RCON der Verbindung über der Überlappungslänge lCON zum Widerstand RREF der Stromschiene gleicher Länge lREF.

     K = RCON/RREF

     RCON: Widerstand der Verbindung
     RREF: Widerstand der Stromschiene

Beim Herstellen einer elektrischen Verbindung ist daher darauf zu achten, dass eine Alterung eingeschränkt wird und eine wartungsarme und zuverlässige Verbindung entsteht.

Durch eine Bestimmung des Widerstandes beziehungsweise der Güte einer Verbindung kann im Rahmen der Montage und Wartung die korrekte Verbindung nachgewiesen und eine Verringerung der elektrischen Verluste, eine Verlängerung der Lebensdauer und eine Erhöhung der Anlagensicherheit erzielt werden.

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Immer häufiger wird in der Fabrik oder im Labor eine Automatisierung im Bereich der Niederohmmessung gefordert. Sei es im Bereich Automobilindustrie/Elektromobilität, bei der Untersuchung von Löt- oder Schweißverbindungen von Hochstromverbindungen oder bei vielfältigen anderen Anwendungen.

Für besondere Anforderungen, wie z.B. beim Einsatz in Prüfständen, gibt es zur Steuerung und Messung mit den Widerstandsmessgeräten PROMET R300/R600 die einfach zu verwendende Programmierschnittstelle PROMET PI. Diese kann sowohl in COM/ActiveX-unterstützenden als auch in .NET-Umgebungen eingesetzt werden.
Durch einmaliges Programmieren des Messablaufes ist es über die Programmierschnittstelle möglich, die Widerstandsmessgeräte PROMET R300 oder R600 in das Prüfequipment einzubinden und Messungen automatisiert durchzuführen.

Mit der Programmierschnittstelle wird ein Treiber installiert, über den die angeschlossenen Geräte angesprochen werden. Die Kommunikation zwischen der Software/PC und dem externen PROMET R300/R600 wird durch die installierte ActiveX-Komponente ermöglicht. Diese erlaubt die Kommunikation über USB- oder Ethernet-Schnittstellen.
Als Beispiel wird zur Steuerung von PROMET R300/R600 und zur Auswertung der Messergebnisse in dieser Beschreibung ein Excel-Tabellenblatt verwendet, über das die programmierten VBA-Makros (Visual Basic for Applications) ausgeführt werden. Programme können entsprechend der Bedürfnisse geändert und angepasst werden.

Die Präzisionswiderstandsmessegeräte PROMET R300/R600 sind aufgrund ihrer Messung in Vierleitertechnik und der Fähigkeit, sowohl Strom als auch Spannung genau zu messen, ein ideales Werkzeug zur Charakterisierung von Komponenten für einen hohen Strom und einen niederohmigen Widerstand. 
Wie im Artikel aufgezeigt, kann ein über externe Software gesteuertes Widerstandsmesssystem auf einfache Weise in eine automatisierte Anwendung eingebunden werden. Die Verwendung der Widerstandsmessgeräte PROMET R300/R600 zur Durchführung solcher Messungen vereinfacht den Prüfaufbau, verkürzt die Programmierzeit und ermöglicht effiziente Prüfabläufe.

Weitere Informationen zur Verwendung der Programmierschnittstelle PROMET PI finden Sie im Applikationsbericht PROMET R300/R600 - Die intelligente Art der Widerstandsmesstechnik!

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PS:
Auch der dreiphasige Signalgenerator EPOS 360 lässt sich über die Programmierschnittstelle EPOS PI in einer ähnlichen Form in eigene Prüfapplikationen einbinden!

Widerstandsmessung mit PROMET - Ohm sei Dank!

Nachdem Alessandro Volta 1801 mit der sogenannten Volta-Säule eine Quelle schuf, die elektrischen Strom lieferte, war es möglich, die Wirkungen des elektrischen Stromes zu erforschen. Viele Forscher machten zahlreiche Entdeckungen und Beobachtungen, jedoch die rätselhaften Auswirkungen des elektrischen Stromes konnten nicht enthüllt werden.

Erst durch die Entdeckungen und Forschungen von Georg Simon Ohm konnte der Sachverhalt ergründet werden. Ohne seine Erforschung und ohne die daraus resultierenden Grundlagen des Ohm‘schen Gesetzes wären die herausragenden Entwicklungen der Elektrotechnik nicht möglich gewesen.

Georg Simon Ohm, geboren am 16. März 1789 in Erlangen, gestorben am 6. Juli 1854 in München, war ein deutscher Physiker.

Das entscheidende Messinstrument zur Entdeckung der Ohm’schen Gesetze war die von Ohm konstruierte Drehwaage. Die Drehwaage besteht aus einem Thermoelement (A), bei dem die Enden auf unterschiedlichen, aber gleichmäßigen Temperaturen (B) gehalten werden. Einer Magnetnadel (C) an einer einstellbaren Aufhängung (D) und einer Vorrichtung mit der die verschiedenen Testleiter (E), d.h. der variable Widerstand, kontaktiert werden können.

Wird ein Testleiter angeschlossen, sodass ein Strom fließt, wird die Magnetnadel abgelenkt. Die Stellung wird auf einer Skala abgelesen. Die Ablenkung bzw. die abgelesenen Skalenwerte bilden ein proportionales Maß für die magnetische Wirkung des elektrischen Stromes, somit die Stromstärke.

Ohm konnte aus diesen Messungen auf das Gesetz schließen:
I = Uq / (Ri + Rv)
Stromstärke = Quellenspannung / (Innenwiderstand + variabler Widerstand)

Ohm veröffentlicht seine Ergebnisse 1826 und fand zuerst wenig Anerkennung. Erst 1841 erhielt Ohm als Auszeichnung für seine Arbeiten die Copley-Medaille der Royal Society of London, die dem heutigen Nobelpreis entspricht. 1893 wird von dem Elektrischen Welt-Kongress in Chicago die Bezeichnung „Ohm“ (Zeichen Omega: Ω) für die Einheit des elektrischen Widerstandes vergeben. 

Mit der Ohm‘schen Drehwaage ist in diesem Beitrag nur der erste Schritt der Entwicklung von Widerstandsmessgeräten beschrieben. Die Geschichte der Widerstandsmessung zeigt die Veränderungen vom Zeitalter der frühen Experimentatoren bis zum heutigen Computerzeitalter, d.h. von Messbrücken über erste elektronische Geräte bis zu den heutigen digitalen Messsystemen. Die Entwickler nutzten immer die neuesten Ideen und Systeme, um die Produkte nützlicher und bedienfreundlicher zu machen. Durch den technischen Wandel wurde die Entwicklung der Messgeräte vorangetrieben und technologische Fortschritte realisiert.

 

KoCoS fühlt sich dieser Entwicklung verpflichtet und bietet mit der PROMET Serie eine vielfältige Produktpalette an Widerstandsmessgeräten. Mit den PROMET Präzisions-Widerstandsmessgeräten werden niederohmige Widerstände im μΩ- und mΩ-Bereich bestimmt. Mit einstellbaren Prüfströmen von bis zu 600 A in Verbindung mit einem Vierleiter-Messverfahren liefern die Systeme Messergebnisse für höchste Genauigkeitsanforderungen. Typische Anwendungen sind z.B. die Bestimmung des Kontaktwiderstandes von Schaltgeräten und die Widerstandsbestimmung an induktiven Lasten wie Transformatoren. Der Einsatz modernster Leistungselektronik und das robuste Design garantieren maximale Zuverlässigkeit für den mobilen Einsatz, aber auch für stationären Einsatz im Labor und der Fabrik.

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Arbeitszeitersparnis durch gleichzeitige Widerstandsbestimmung an drei Messstellen

Bei Schaltanlagen in der Mittelspannungs- und Hochspannungsebene muss gemäß der Schaltanlagen-Norm IEC 62271-1 eine statische Widerstandsmessung des Hauptstromkreises durchgeführt werden, um eine unzulässige Erwärmung des Strompfades auszuschließen.

Herkömmlich werden die Messungen nacheinander und einzeln an jeder Phase durchgeführt. Der Hauptstromkreis wird mit 100 A Gleichstrom beaufschlagt und der Spannungsfall gemessen. Bewegt sich der Messwert, d. h. der Spannungsfall innerhalb der vorgegebenen Grenzwerte, ist die Prüfung bestanden und die Ergebnisse können aufgenommen/gespeichert werden. Dieses Messverfahren ist zeitaufwendig, da die drei Phasen nacheinander geprüft werden.

 

Das Verfahren ist nicht nur in der Schaltgeräteprüfung einsetzbar, sondern auch in Applikationen wie z. B. im Bereich E-Mobilität, in denen mehrere Widerstände zur gleichen Zeit erfasst werden müssen.

Bei weiteren Fragen hinterlassen Sie einen Kommentar oder sprechen Sie uns direkt an.

Um die Produktivität zu steigern und die Ausfallsicherheit zu verbessern, kann das Messverfahren zur Widerstands- und Spannungsfallmessung mit dem PROMET R300 oder R600 optimiert werden.

Die Ausstattung der Widerstandsmesssysteme PROMET R300/R600 mit drei Spannungsmesseingängen erlauben die parallele Messung an drei Messstellen, um beispielsweise statisch den Widerstand von drei Hauptkontakten messen zu können.

 

Um eine zeitgleiche Messung von drei Hauptkontakten durchzuführen, sind die Prüfobjekte in Reihe zu schalten und mit einem Prüfstromanschluss zu versehen. Da eine Vierleitermessung ausgeführt wird, ist darauf zu achten, dass die Spannungsanschlüsse zwischen den Hochstromanschlüssen liegen und dass sie genau an den Punkten angeschlossen werden, über die der Widerstand bestimmt werden soll.

Anschlussbeispiel für eine Messung an drei in Reihe geschalteten Prüfobjekten, wie z.B. drei Unterbrechereinheiten.

Im Stand-alone Modus können die drei statischen Widerstandsergebnisse mit den Messdetails (tatsächlicher Prüfstrom und Spannungsfall, Messbereiche usw.) im Messgerät gespeichert werden.

 

Mit einer einfach zu bedienenden PROMET-Software können die im Gerät gespeicherten Daten ausgelesen und verwaltet werden. Die übersichtlich dargestellten Messergebnisse können zudem in einem PDF-Prüfbericht ausgegeben oder als CSV-Daten exportiert werden.

Das beschriebene zeitgleiche Messverfahren zur Erfassung von drei Widerständen spart somit Arbeits-, Umrüst- und Messzeit!

Als weitere Automatisierungsmöglichkeit sind PROMET R300/R600 mit Schnittstellen zur Anbindung an die Software zur Schaltgeräteprüfung ACTAS 2.60 ausgestattet. Über die ACTAS-Prüfsoftware ist die Widerstandsmessung komfortabel einzubinden. Auch ohne ein zusätzliches ACTAS-Prüfsystem sind so automatisierte Prüfabläufe und eine umfassende Analyse der Prüfungsergebnisse ohne weiteres durchführbar.

Verwenden der Kelvin-Prüfspitzen KP 200 zusammen mit PROMET R300/R600

Die Kelvin-Prüfspitzen KP 200 wurden für eine sichere und einfache Widerstandsmessung an schwer zugänglichen Messstellen entwickelt. Das Prüfspitzenpaar ist mit federnden Hochstrom- und Spannungskontakten für die Ermittlung niederohmiger Widerstände nach der Vierleiter-Methode für einen Prüfstrom bis 200 A ausgestattet.

 

Können die Prüfspitzen zusammen mit den Widerstandsmessgeräten PROMET R300 oder R600 verwendet werden?

Die PROMET R300/R600 sind mit 13 mm Hochstrombuchsen zum Anschluss von 50 oder 70 mm² Hochstromleitungen ausgelegt. Mit den Reduzierstücken 13/9 von 13 mm auf 9 mm Buchsen-/Steckerdurchmesser ist es möglich Hochstromkabel mit kleinerem Querschnitt und 9 mm Steckern bzw. Buchsen an das PROMET R300/R600 anzuschließen, wie zum Beispiel den Kabelsatz CS 205 (2 x 5 m, 25 mm²). 
Mit diesen Leitungen ist es nun möglich die Kelvin-Prüfspitzen KP 200 mit den PROMET R300 oder R600 zu verwenden.

 

Weiterhin wurde in die Stand-Alone Bedienung der PROMET R300/R600 ein Messmodus für den sicheren Einsatz der Kelvin-Prüfspitzen KP 200 implementiert (ab Firmware Version FWP 1.5).
Entsprechend der Maximalbelastung der Kelvin-Prüfspitzen KP 200 ist die Stromausgabe in diesem Modus auf 200 A begrenzt.

Ist die Messung aktiv gestartet wartet das Messgerät in diesem Messmodus auf das Aufsetzen der Prüfspitzen auf das Prüfobjekt. Erst wenn die Prüfspitzen sicher und vollständig kontaktiert sind (Spannungs- und Stromkontakt), wird eine Messung ausgeführt. Das heißt, der Prüfstrom wird ausgegeben, beste Messbereiche werden ermittelt und der Widerstandwert gemessen. Die Messung wird dabei automatisch mit der kürzest möglichen Messzeit durchgeführt.

Um den Einsatz der Prüfspitzen Vor-Ort zu vereinfachen wird der aktuelle Status einer Messung wird auch mittels der LED-Statusanzeige und einem Signalton signalisiert.
Das Messergebnis bleibt nun solange im Display anstehend, bis die Prüfspitzen abgenommen werden und der nächste Messvorgang durch aufsetzen der Prüfspitzen aktiviert wird. Die Widerstandsmessergebnisse werden in einer Tabelle angezeigt und vor der möglichen Speicherung können die Ergebnisse eingesehen werden.

Mit dieser ausgefeilten Funktionalität ist ein sicheres, und automatisiertes Arbeiten der Kelvin-Prüfspitzen KP 200 zusammen mit den Widerstandsmessgeräten  PROMET R300/R600 möglich.

Bei weiteren Fragen hinterlassen Sie einen Kommentar oder sprechen Sie uns direkt an.