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Erdungsmessungen auf Minengeländen mit dem Fluke 1625

7. Sept 2010 | Erdung

Alle Minengelände sind mit einer geerdeten elektrischen Anlage ausgestattet, sodass der Strom bei einem Blitzschlag, Überspannungen im Versorgungsnetz oder Erdungsfehler einen sicheren Pfad zur Erdung oder zum Neutralleiter des Transformators finden kann. Um eine zuverlässige Erdung zu gewährleisten, werden in elektrischen Vorschriften, technischen Normen und nationalen Normen häufig Höchstwerte für den Widerstand in Erdern angegeben. Dieser Anwendungsbericht beschreibt, wie eines der führenden Bergbau- und Explorationsunternehmen der Welt mithilfe der Erdungsmessgeräte von Fluke eine sichere Arbeitsumgebung schafft.

Rio Tinto ist eines der größten Bergbau- und Explorationsunternehmen. Das Unternehmen sucht die Mineralquellen der Erde, baut die gefundenen Metalle und Mineralien ab und verarbeitet diese; daraus werden tausende alltägliche Produkte hergestellt, die den Bedarf der Gesellschaft decken und den Lebensstandard erhöhen.

Die Produkte sind u. a. Aluminium, Kupfer, Diamanten, Energieprodukte, Gold, industrielle Mineralien und Eisenerz.

Das Unternehmen ist überall auf der Welt aktiv, vornehmlich jedoch in Australien und Nordamerika; größere Standorte befinden sich in Südamerika, Asien, Europa und Südafrika.

Die Pilbara-Region

Rio Tinto leistet bereits seit über vierzig Jahren Pionierarbeit bei der nachhaltigen Innovation und dem nachhaltigen Wachstum in der Pilbara-Region.

Die Eisenerzgeschäfte des Unternehmens in Pilbara belaufen sich mittlerweile auf 220 Millionen Tonnen und es bestehen Pläne für den weiteren Ausbau. Mit 12 Bergwerken, drei Schiffsterminals und dem größten privat betriebenen Eisenbahnnetz für Schwerlasten in Australien bilden die Operationen des Unternehmens in Pilbara einen großen Teil der Eisenerzaktivitäten weltweit. Seit Beginn der Aktivitäten im Jahr 1966 ist das Unternehmen stets gewachsen, um dem wachsenden Bedarf der Eisen- und Stahlindustrie auf der ganzen Welt gerecht zu werden.

Rio Tinto ist ein erstklassiger Anlagenmanager, der alle Bergwerke und Eisenbahnen sowie Strom- und Hafeneinrichtungen in Pilbara im Namen der Anlagenbesitzer Hamersley Iron und Robe River betreibt.

Erdungssysteme

Regelmäßige Erdungsprüfungen sind für Bergwerkunternehmen wie Rio Tinto von wesentlicher Bedeutung. Eine Erdung dient nicht nur dem Schutz von Personen und Geräten, sondern gewährleistet darüber hinaus die sichere Ableitung von Fehlerströmen, Blitzschlägen, Transient-Überspannungen, statischen Entladungen, elektromagnetischen Störungen und Hochfrequenzstörungen.

Eine Erdung ist eine entweder absichtlich oder unabsichtlich hergestellte leitende Verbindung zwischen einem Stromkreis oder einem elektrischen Gerät und der Erde bzw. Masse oder einem leitfähigen Körper, der als Masse dienen kann. Die Verbindung hilft bei der Stabilisierung der Spannung zur Erde im normalen Betrieb und begrenzt den Spannungsanstieg, der durch Blitzschlag, Überspannung oder den unbeabsichtigten Kontakt zwischen zwei Hochspannungsleitungen entstehen kann.

Bei einer elektrischen Störung oder einem Blitzschlag in der Nähe eines Bergwerks leitet ein Erder mit niedriger Impedanz die Energie zur Erde ab. Durch eine geringe Potenzialdifferenz können Schäden minimiert werden.

Ohne ein effektives Erdungssystem besteht nicht nur die Gefahr eines elektrischen Schlags; es können auch Instrumentenfehler, Klirrfaktorprobleme, Leistungsfaktorprobleme und eine ganze Reihe anderer intermittierender Schwierigkeiten auftreten. Wenn Fehlerströme nicht durch ein ordnungsgemäß konzipiertes und gewartetes Erdungssystem abgeleitet werden können, suchen diese sich andere Wege, von denen möglicherweise auch Personen betroffen sind.

Eine unzureichende Erdung trägt nicht nur zu unnötigen Ausfallzeiten bei, sondern stellt eine große Gefahr dar und erhöht das Ausfallrisiko für Geräte. Ein gutes Erdungssystem steigert die Zuverlässigkeit der Geräte und vermindert die Wahrscheinlichkeit von Schäden durch Blitzschlag oder Fehlerströme.

Die Notwendigkeit von Erdungsprüfungen

Mit der Zeit können korrosive Böden mit hohem Feuchtigkeitsgehalt, hohem Salzgehalt und hohen Temperaturen die Erdstäbe und ihre Verbindungen angreifen. Durch frühere Fehler wurden vielleicht bereits Verbindungen verschmolzen, die nicht leicht zu erkennen sind. Obwohl das Erdungssystem bei seiner Installation also einen niedrigen Erdwiderstand hatte, kann der Widerstand des Systems steigen, wenn die Erdstäbe unter Korrosion, Brüchen in den Verbindungsleitungen und einem sich ändernden Grundwasserspiegel leiden mussten.

Der Erdwiderstand ist der Widerstand der Erdung beim Durchfließen des elektrischen Stroms; die Messergebnisse zeigen den Widerstand der Erdstäbe und Verbindungsleitungen an, der bei der Anlage von Rio Tinto unter 1 Ohm liegen sollte. Die Widerstandsfähigkeit definiert die Fähigkeit eines Materials, Strom zu leiten; diese Eigenschaft ist an der Erdung schwer zu messen, da diese von mehreren Faktoren beeinflusst wird, darunter der Bodenzusammensetzung, dem Mineralgehalt, der Temperatur und der Tiefe.

Unregelmäßige elektrische Defekte in einem Bergwerk können auf eine schlechte Erdung oder mangelhafte Netzqualität zurückgeführt werden.

Daher wird empfohlen, alle Erdungen und Erdungsverbindungen bei der Installation und anschließend jährlich zu prüfen. Wenn bei der Durchführung der regelmäßigen Überprüfungen ein Widerstandsanstieg von mehr als 20 Prozent gemessen wird, sollte der Techniker die Ursache ausfindig machen und den Widerstand verringern, indem er zusätzliche Erdstäbe installiert oder Erdstäbe austauscht.

Rio Tinto führt regelmäßig Erdungsmessungen durch, um die Betriebssicherheit eines Bergwerks sicherzustellen. Solche Prüfungen sind die erste Verteidigungslinie. Die Möglichkeit, Erdungsverbindungen erfassen und überwachen zu können, kann wertvolle Daten für geeignete Risikoeinschätzungen für Förderungsaktivitäten liefern.

Erdnetze bieten eine sichere Erdung für elektrische Anlagen in Bergwerken. Das Ziel sollte es sein, einen Erdwiderstand zu erreichen, der so klein wie möglich und dabei wirtschaftlich und physikalisch sinnvoll ist. Im Idealfall sollte der Erdwiderstand 0 Ohm betragen.

David Oxley, Leiter Elektrotechnik in der Abteilung zur Sicherstellung der Zuverlässigkeit am Standort Cape Lambert von Rio Tinto in der Pilbara-Region, überwacht diese Prüfungen.

Oxley: „Wir müssen sicherstellen, dass die Erdung an allen Umspannwerken maximale Leistung erbringt und dass wir vor Ort alle Vorschriften einhalten.“

David und sein Team führen an ihren Umspannwerken regelmäßig Prüfungen durch.

Das Verfahren

Mithilfe von Spezialwerkzeugen ist es für Instandhaltungs- und Sicherheitsteams besonders einfach, den Erdwiderstand zu messen und Probleme zu beheben.

Rio Tinto verwendet das Fluke 1625 für die Messung der Kapazität des Erdungssystems an den Umspannwerken.

Erdwiderstandsmessung: die Spannungsfallmessung

Die klassische Messung mittels des Spannungsfallverfahrens wird am Standort Cape Lambert von Rio Tinto angewandt, um die Fähigkeit eines Erdungssystems oder eines einzelnen Erders zu messen, an einem gegebenen Ort Energie abzubauen.

Zunächst muss die Verbindung des entsprechenden Erders zur Anlage unterbrochen werden. Dann wird das Messgerät mit dem Erder verbunden. Für die 3-polige Spannungsfallmessung werden anschließend zwei Erdspieße so in den Boden eingetrieben, dass sie eine vom Erder wegführende, gerade Linie bilden (normalerweise in einem Abstand von ca. 20 m). Mit dem Fluke 1625 wird durch die zwei äußeren Erdspieße (den zusätzlichen Erdspieß und den Erder) ein Strom erzeugt und der Abfall des Spannungspotenzials wird zwischen den beiden inneren Erdspießen gemessen. Mit Hilfe des Ohmschen Gesetzes (U = I x R) berechnet das Messgerät von Fluke automatisch den Erdwiderstand.

Erdwiderstandsmessungen werden oft durch Erdströme und ihre Oberschwingungen verfälscht. Um dies zu verhindern, nutzt das Fluke 1625 ein System zur automatischen Frequenzregelung (AFC). Das System nutzt automatisch die Testfrequenz mit dem geringsten Rauschanteil, damit Sie einen genauen Erdungswert erhalten.

Mit selektivem Messverfahren Zeit sparen

Das Fluke 1625 ist ein unvergleichliches Erdungsmessgerät. Es misst nicht nur den Erdwiderstand anhand einer klassischen Spannungsabfallprüfung, sondern spart mit seiner selektiven Vorgehensweise auch Zeit. Beim „selektiven“ Verfahren muss das zu prüfende Erdungssystem während der Messung nicht getrennt werden, was zu einer erhöhten Sicherheit beiträgt.

Anhand des selektiven Verfahrens können Prüfgeräte den Erdwiderstand eines bestimmten Erders messen, ohne diesen von einem Erderfeld oder dem Fundamenterder eines Gebäudes zu trennen. Das bedeutet, das Sicherheitsrisiken minimiert werden, da beim Trennen der Elektrode vom Netz keine Gefahr mehr droht.

Bei der selektiven Messung werden zwei Erdspieße in einem Abstand von ca. 20 Metern vom Erder in gerader Linie im Boden platziert. Das Fluke 1625 wird dann mit dem entsprechenden Erder verbunden. Dies hat den Vorteil, dass die Verbindung zur Anlage nicht unterbrochen werden muss.

Stattdessen wird eine spezielle Zange am Erder angebracht, wodurch Einflüsse von Parallelwiderständen innerhalb des Erdungssystems ausgeschlossen werden und nur der jeweilige Erder gemessen wird. Das Fluke 1625 erzeugt einen bekannten Strom zwischen dem äußeren Spieß und dem Erder, während zwischen dem inneren Erdspieß und dem Erder der Abfall des Spannungspotenzials gemessen wird. Mit der Zange wird nur der Strom gemessen, der durch den Erder fließt. Der erzeugte Strom fließt auch durch andere Parallelwiderstände, aber nur der Strom, der durch die Zange fließt, wird zur Berechnung des Widerstands herangezogen.

„Mit dem Fluke 1625 konnten wir Prüfungen auch durchführen, ohne eines der 20 Umspannwerke herunterfahren zu müssen. Dadurch konnten wir die Ausfallzeiten minimieren und die Prüfungen zu jeder Zeit an den Umspannwerken durchführen.“

Steve Hood, Geschäftsführer von Fluke Australia, sagt: „Das Fluke 1625 ist für Energieversorgungsunternehmen oder andere energielastige Umgebungen bestimmt und sehr gut für anspruchsvolle Anwendungen geeignet.

„Unter diesen Umständen ist die selektive Methode für Rio Tinto wesentlich einfacher und sicherer für Erdungsprüfungen, da die Umspannwerke für diese Prüfung nicht heruntergefahren oder vom Netz genommen werden müssen. Die durchgeführte Erdungsprüfung sorgt für eine sichere Umgebung für alle Mitarbeiter und maximiert gleichzeitig den Gewinn der Investoren, indem alles ordnungsgemäß und ohne Ausfallzeiten läuft.“

David sagt weiter: „Das Team hat sehr schnell gelernt, wie das Fluke 1625 zu verwenden ist. Fluke hat uns eine Menge Schulungen und Unterstützung geboten, damit unsere Anforderungen und Bedürfnisse erfüllt werden konnten. Heute ist das Gerät ein unverzichtbares Werkzeug in den Bergwerken.“