Deutsch

Prüfen des Potenzialausgleichs

24. Apr 2012 | Erdung

von Chuck Newcombe

Chuck Newcombe

Die Möglichkeiten bei der elektrischen Prüfung haben sich in den vergangenen 45 Jahren sehr verändert. In dieser Kolumne spreche ich über Techniken aus dem Jahr 1963, wie sie in einer Luft- und Raumfahrtgesellschaft angewandt wurden, und vergleiche sie mit modernen Werkzeugen und Verfahren.

Als Beispiel dient mir das Verfahren für die Prüfung des Potenzialausgleichs, wie er laut National Electric Code (NEC) in Erdungssystemen erforderlich ist. Die Verwendung von Standardbaumaßnahmen und visuellen Beobachtungen ist natürlich hilfreich; aber woher wissen Sie, ob die elektrischen Verbindungen, die Sie gelegt haben, auch ihren Zweck erfüllen?

Nachdem wir also Probleme mit den Instrumenten in Teilen eines Produktionsgebäudes hatten, bat mich jene Luft- und Raumfahrtgesellschaft, zu prüfen, ob die empfangenden Erdungsanschlüsse weniger als 15 Ohm vom Stahlgerüst des Gebäudes in der Nähe abwichen; zu messen war also der Potenzialausgleich der Konstruktion eines Gebäudes, das rund um die Uhr Strom benötigte. Es war unmöglich, den Strom zum Gebäude für die Dauer von herkömmlichen Widerstandsmessungen abzuschalten, und überall traten niedrige Gleichstromwerte und 60-Hz-Spannungswerte auf, welche die Situation noch verkomplizierten.

Wie ist in einem solchen Fall vorzugehen? Ich musste ein Prüfverfahren entwickeln, welches die gegebenen Bedingungen umging und trotzdem die gewünschten Prüfdaten lieferte. Und in einer Einrichtung, in der wir aus einem großen Pool von Messgeräten schöpfen konnten, standen mir alle Ressourcen zur Verfügung, die ich brauchte. Ich dachte mir also Folgendes aus:

Ich entschied mich dafür, die Wechselstromimpedanz zwischen ausgewählten empfangenden Erdungsstiften und den vertikalen Stahlträgern im Gebäude zu messen. Hierfür brauchte ich eine Menge Messgeräte:

  1. Einen Funktionsgenerator, um die Sinuswellen einer Niederfrequenzspannung zu erzeugen. Für meine Prüfung habe ich mich für eine Frequenz von 83 Hz entschieden. Dazu später mehr.
  2. Einen Breitband-Audioverstärker mit mehrstufigem Ausgangstransformator, mit dem ich sehr niedrige Ausgangsimpedanzen wählen und so den verfügbaren Strom maximieren konnte.
  3. Ein selektives Schmalband-Spannungsmessgerät zur Messung der Spannungsabfälle, die durch die Funktionsgenerator-Verstärker-Kombi verursacht wurden und im Stromkreis zwischen dem Träger und der Aufnahmebuchse auftraten.
  4. Einen Shunt-Widerstand mit niedriger Reaktanz, der zusammen mit dem selektiven Schmalband-Spannungsmessgerät den Strom erfassen sollte, der im Stromkreis zwischen dem Stahlträger und der Aufnahmebuchse floss.
  5. Einen Rechenschieber zur Berechnung der gemessenen Wechselstromimpedanz gemäß dem Ohmschen Gesetz.

Zudem brauchte ich noch zahlreiche Kabel und Messleitungen, darunter ein Erweiterungskabel und eine 4-fach-Steckdose für die Versorgung der netzbetriebenen Elektronik-Anwendungen. Das alles kostete 1963 schon 4000 USD. Und dann mussten noch Lack und Grundierung an den Testpunkten auf dem Träger entfernt werden, um eine gute elektrische Verbindung herstellen zu können.

Hätte ich den Gleichstromwiderstand des Pfades mit ähnlichen Techniken messen können? Die Antwort ist Ja, aber dafür hätte ich ein Synchron-Demodulationsvoltmeter benötigt, um die sekundären Oberschwingungsdaten aus den Wechselstromsignalen zu entschlüsseln. Das hätte ich tun können, tat ich aber nicht.

Nach der Prüfung mit 83 Hz versuchte ich es mit 94 Hz. Warum die krummen Werte? Ich wollte vermeiden, dass die Oberschwingungen der 60-Hz-Frequenz, die definitiv vorlagen, und die Oberschwingungen der verwendeten Prüffrequenz interagierten und so Fehler auftraten. Und beim Vergleich der Daten, die mit unterschiedlichen Frequenzen erfasst wurden, konnte ich die Induktanz des Stromkreises schätzen und so grob den Gleichstromwiderstand berechnen.

Wie also macht man so eine Messung? Und wo setzt man an?

Für mein Verfahren brauchte ich vier Leitungen. Über die erste Leitung wurde Strom in den Träger eingespeist und über eine zweite Leitung wurde der Schleifenstrom zur Quelle an der Aufnahmebuchse geschlossen. Die dritte Leitung war an den Träger in der Nähe des Einspeisepunkts angeschlossen und die vierte Leitung war mit dem Pin in der Aufnahmebuchse verbunden. (Da zwei der vier Verbindungen auf der Pin-Buchse-Verbindung basierten, ist dies technisch eine Widerstandsmessung mit drei Anschlüssen.)

Die Stromhöhe wurde durch Messen des Spannungsabfalls am Shunt-Widerstand gemessen, der in Reihe mit den Stromleitungen geschaltet war; anhand dieses Stroms und des Spannungsabfalls zwischen Träger und Buchse habe ich die Aufgabe mit dem Ohmschen Gesetz gelöst.

Heute ist da alles ganz anders. Nehmen wir zum Beispiel das Erdungsmessgerät Fluke 1625 Geo. Mit knapp über 3200 USD macht dieses eine Gerät alles, was ich 1963 gemacht habe – und noch viel mehr! Es misst den Gleichstromwiderstand anhand einer Methode, gegen die ich mich damals entschieden habe. Das 1625 bietet zudem verschiedene Verfahren zur Beurteilung von Erdungssystemen. Tatsächlich ist dies seine Hauptauslegung.

Ich schätze an dem Gerät sehr, dass es mit Batterien betrieben werden kann – ich benötige keine Verlängerungskabel mehr in meinem Prüfaufbau.

Epilog

Ich habe gerade mit dem 1621 eine 3-polige Erdungsprüfung an der Zuführung der Versorgungskabel durchgeführt. Ich habe drei Werte gemessen und gemittelt – der Mittelwert war 0,53 Ohm. Die drei Werte schwankten zwischen 0,47 und 0,56.

Dann habe ich dasselbe mit einem 289 Digitalmultimeter gemacht und dabei den Erder und den Messfühler benutzt. Dabei kamen 0,85 Ohm heraus. Nicht schlecht, meinen Sie? Naja, dann habe ich die Leitungen umgekehrt und es noch einmal versucht. Dieses Mal ergab die Messung minus 0,73 Ohm. Ganz recht, negative Ohm. Absolut falsch!

Und nein, die kann man nicht mitteln. Mit so einer Messung weiß man nur, dass ein Gleichstrom vorliegt, der verdächtige Anzeigen hervorruft, und möglicherweise wüsste man das gar nicht, hätte man die Leitungen nicht umgekehrt. Ich könnte mir vielleicht ein kompliziertes Verfahren ausdenken, um mich mithilfe des Digitalmultimeters anzunähern, der dreipolige Leitungstest kann jedoch nicht durchgeführt werden und es ist kaum die Mühe wert. Man muss wirklich wissen, was man tut und wie das Messgerät funktioniert.

Nebenbei, das ganze Verfahren, einschließlich das Verlegen der Kabel, das Eintreiben der Erdspieße, das Prüfen und dann das Abbauen dauert weniger als 30 Minuten – und da sind die Messungen mit dem 289 schon drin.

Ich habe den Potenzialausgleich dann am Bedienfeld zwischen Erdungsleiter und Erder und dem Neutralbus im Bedienfeld geprüft. Hierfür habe ich das zweipolige Verfahren angewendet. Dabei kamen 0,08 Ohm heraus. Einen ähnlichen Wert habe ich mit dem 289 erhalten und als ich die Leitungen umgekehrt habe, sind keine negativen Anzeigen aufgetreten. Da ich den Messleitungswiderstand in beiden Fällen nicht kompensiert habe, vermute ich, dass die Messleitungen einen Großteil des angezeigten Werts ausgemacht haben.