KoCoS Blog

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.

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.

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 R_CON der Verbindung über der Überlappungslänge l_CON zum Widerstand R_REF der Stromschiene gleicher Länge l_REF.

     K = R_CON/R_REF

     R_CON: Widerstand der Verbindung
     R_REF: Widerstand der Stromschiene

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.