Erder – Installation und Messungen

Eine sehr effiziente Methode zum Erhalt eines Erdungsanschlusses mit niedrigem Übergangswiderstand ist die Tiefenverlegung eines Leiters in Form eines geschlossenen Rings am Boden der Ausschachtung für Gebäudefundamente.

Der Widerstand R solch eines Erders (in homogenem Boden) wird (annähernd) bestimmt (in Ω) durch:

[math]\displaystyle{ R=\frac{2 \rho}{L} }[/math]

wobei gilt:

L = Länge des tiefenverlegten Leiters in m
ρ = spezifischer Widerstand des Bodens in Ωm

Die Qualität eines Erders (kleinstmöglicher Widerstand) hängt im Wesentlichen von zwei Faktoren ab:

• Verlegeart
• Bodenbeschaffenheit

Verlegearten

Drei übliche Verlegearten werden beschrieben:

Tiefenerdung unterhalb der Fundamente

(siehe Abb. E41)

Besonders im Fall eines neuen Gebäudes. Leitfähiges Teil, das unter einem Gebäudefundament in das Erdreich oder bevorzugt im Beton eines Gebäudefundaments, im Allgemeinen als geschlossener Ring, eingebettet ist. Es ist wichtig, dass der blanke Leiter direkten Kontakt zum Boden hat (und dass er nicht im Kies oder Aufbruchmaterial verläuft, welches häufig die Betonbasis bildet). Mindestens vier vertikal (in großem Abstand zueinander) angeordnete Leiter des Fundamenterders sollten für die Anlagenanschlüsse zur Verfügung stehen und wenn möglich, sollten alle im Beton befindlichen Bewehrungsstäbe an den Erder angeschlossen sein.

Abb. E41 – Tiefenverlegter Leiter unterhalb der Fundamente, d.h. nicht im Beton verlegt

Der Leiter, der den Erder bildet, besonders wenn dieser in einer Ausschachtung für die Fundamente verlegt ist, muss mindestens 50 cm unterhalb des Füllmaterials für das Betonfundament geerdet sein. Weder der Erder noch die vertikal verlaufenden Leiter ins Erdgeschoss dürfen jemals in Kontakt mit dem Fundamentbeton kommen.

Für vorhandene Gebäude sollte der Erdungsleiter unter der Erde um die Außenwand des Einsatzortes herum in einer Tiefe von mindestens 1 m verlegt werden. Allgemein gilt, dass alle vertikalen Anschlüsse von einer Elektrode zu Bereichen über der Erdoberfläche für die Nennspannungen (600-1000 V) isoliert sein müssen.

Die Leiter können bestehen aus:

• Kupfer: blanke Kabel (≥ 25 mm²) oder mehrfach isolierte Kabel (≥ 25 mm²) und ≥ 2 mm dick)
• Aluminium mit Bleiummantelung: Kabel (≥ 35 mm²)
• verzinktem Stahl: blanke Kabel (≥ 95 mm²) oder mehrfach isolierte Kabel (≥ 100 mm²) und ≥ 3 mm dick)

Der ungefähre Elektrodenwiderstand R in Ω beträgt:

wobei gilt:

L = Leiterlänge in m
ρ = spezifischer Widerstand des Bodens in Ωm (siehe Einfluss der Bodenart)

Für n Stäbe: [math]\displaystyle{ R=\frac{1 \rho}{n L} }[/math]

Staberder

(siehe Abb. E42)

Vertikal eingetriebene Erdungsstäbe werden häufig für vorhandene Gebäude und zur Verbesserung (d.h. zur Reduzierung des Widerstands) von vorhandenen Erdern eingesetzt.

Die Stäbe können bestehen aus:

• Rohr aus blankem Kupfer oder (häufiger) aus Stahl mit Kupfermantel.

Letztere haben im Allgemeinen eine Länge von 1 oder 2 m und sind an den Enden mit Gewinden ausgestattet, um falls erforderlich, mehrere Rohre oder Stäbe zu verbinden, um größere Tiefen zu erreichen (z.B. den Grundwasserspiegel in Bereichen mit hohem spezifischem Widerstand des Bodens).

• Feuerferzinkten Stahlrohren mit einem Durchmesser ≥ 25 mm (siehe Hinweis (1) auf der nächsten Seite) oder aus Stäben mit einem Durchmesser ≥ 15 mm, die jeweils eine Länge ≥ 2 m haben.

Abb. E42 – Erdungsstäbe

Häufig ist der Einsatz von mehr als einem Stab erforderlich. In diesem Fall sollte der Abstand zwischen den Stäben 2-3-mal so groß sein, wie der Wert der Tiefe, in die sie eingetrieben wurden.

Der Gesamtwiderstand (in homogenem Boden) entspricht dann dem Widerstand eines Stabes dividiert durch die Anzahl der betreffenden Stäbe. Der ungefähre Widerstand R erreicht (in Ω): bei einem Abstand zwischen den Stäben > 4L.

[math]\displaystyle{ R=\frac{1 \rho}{n L} }[/math]

wobei gilt:

L = Länge des Stabs in m
ρ = spezifischer Widerstand des Bodens in Ωm (siehe Einfluss der Bodenart)
n = Anzahl der Stäbe

Plattenerder

(siehe Abb. E43)

Für einen vertikalen Plattenerder: [math]\displaystyle{ R=\frac{0,8 \rho}{ L} }[/math]

Abb. E43 – Vertikale Platte - Dicke: 2 mm (Cu)

Im Allgemeinen werden rechteckige Platten, deren Seitenlängen ≥ 0,5 m sein müssen, als Erder verwendet. Sie werden unter der Erde in einer vertikalen Ebene verlegt, so dass sich der Plattenmittelpunkt mindestens 1 m unter der Erdoberfläche befindet.

Die Platten können bestehen aus:

• 2 mm dickem Kupfer
• 3 mm dickem verzinktem Stahl.

[math]\displaystyle{ R=\frac{0,8 \rho }{ L} }[/math]

L = Umfang der Platte in m
ρ = spezifischer Widerstand des Bodens in Ωm (siehe Einfluss der Bodenart)

Mindestmaße für gebräuchliche Erder, die in Erde oder Beton verlegt werden, unter Berücksichtigung der Korrosion und der mechanischen Festigkeit

Werkstoff und Oberfläche	Form	Mindestmaße
		Durchmesser (mm)	Querschnitt (mm2)	Dicke (mm)	Gewicht der Schutzschicht (g/m2)	Dicke der Beschichtung/ Umhüllung (μm)
Stahl im Beton verlegt (blank, feuerverzinkt oder nichtrostend)	massives Rundmaterial	10
	Bandstahl oder Flachmaterial		75	3
Stahl feuerverzinkt	Bandstahloder Stahlplatte		90	3	500	63
	Rundstange senkrecht errichtet	16			350	45
	massives Rundmaterial waagerecht errichtet	10			350	45
	Rohr	25		2	350	45
	Seil (in Beton verlegt)		70
	Kreuzprofil senkrecht errichtet		(290)	3
Stahl mit Kuper- umhüllung	Rundstange senkrecht errichtet	(15)				2000
Stahl elektroly- tisch verkupfert	Rundstange senkrecht errichtet	14	-	-		250
	massives Rundmaterial waagerecht errichtet	(8)				70
	Bandstahl waagerecht errichtet		90	3		70
Nichtrostender Stahl	Bandstahl oder Stahlplatte		90	3
	Rundstange senkrecht errichtet	16
	massives Rundmaterial waagerecht errichtet	10
	Rohr	25		2
Kupfer	Kupferband		50	2
	massives Rundmaterial waagerecht errichtet		(25)50
	massive Rundstange senkrecht errichtet	(12) 50
	Seil	1,7 (jeder ein- zelne Draht)	(25) 50
	Rohr	20
	Massive Platte			(1,5) 2	1
	Gitter			2	20	40

Anmerkung Werte in Klammern gelten nur für den elektrischen Schlag. Werte ohne Klammern gelten sowohl für den Blitzschutz als auch für den Schutz gegen elektrischen Schlag.
[a]  Chrom ≥16 %, Nickel ≥5 %, Molybdän ≥2 %, Kohlenstoff ≤0,08 %.
[b]  Als aufgerollter Bandstahl oder Spaltbänder mit abgerundeten Kanten.
[c]  Die Beschichtung muss glatt, gleichmäßig und frei von Flussmittelschmutz sein.
[d]  Wenn aufgrund von Erfahrungen bekannt ist, dass das Risiko der Korrosion und mechanischen Beschädigung extrem gering ist, kann 16 mm² verwendet werden.
[e]  Die Schichtdicke ist vorgesehen als Widerstand gegen mechanische Beschädigung der elektrolytisch aufgetragenen Kupferschicht während der Errichtung.
Sie darf reduziert werden, doch nicht kleiner als 100 μm, wenn besondere Vorkehrungen zur Verhinderung mechanischer Beschädigungen des Kupfers bei der Errichtung vorgesehen werden (z. B. vorgebohrte Löcher oder spezielle Schlagspitzen) entsprechend den Herstellerangaben.

Abb. E43a – Tabelle über Mindestmaße von Erdern gemäß IEC 60364-5-54 (VDE 0100-540)

Einfluss der Bodenart

Messungen an Erdern in ähnlichen Bodenarten sind nützlich, um den für die Planung eines Erdersystems anzuwendenden spezifischen Widerstandswert zu bestimmen.

Bodenart	Durchschnittlicher spezifischer Widerstand in Ωm
Sumpfiger Boden, Sümpfe	1 - 30
Schlick	20 - 100
Humus, Lauberde	10 - 150
Torf	5 - 100
Weiche Tonerde	50
Mergel und verdichtete Tonerde	100 - 200
Mergel aus dem Jura	30 - 40
Tonhaltiger Sand	50 - 500
Kieselhaltiger Sand	200 - 300
Steinige Erde	1500 - 3000
Mit Gras bedeckter steiniger Untergrund	300 - 500
Kalkboden	100 - 300
Kalkstein	1000 - 5000
Rissiger Kalkstein	500 - 1000
Schieferstein	50 - 300
Glimmerschiefer	800
Granit und Sandstein	1500 - 10000
Modifizierter Granit und Sandstein	100 - 600

Abb. E44 – Spezifischer Widerstand (Ωm) verschiedener Bodenarten

Bodenart	Durchschnittlicher spezifischer Widerstand in Ωm
Humus, verdichtete feuchte Füllung	50
Trockener Boden, Kies, nichtverdichtetes Füllmaterial	500
Steiniger Boden, trockener Sand, poröse Felsen	3000

Abb. E45 – Durchschnittlicher spezifischer Widerstand (Ωm) verschiedener Bodenarten

Messung und Konstanz des Widerstands zwischen Elektrode und Erde

Der Widerstand zwischen Elektrode und Erde bleibt nur selten konstant

Die wichtigsten Faktoren, die diesen Widerstand beeinflussen sind u.a.:

• Bodenfeuchtigkeit

Die jahreszeitlich bedingten Änderungen des Feuchtigkeitsgehalts des Bodens können in Tiefen von bis zu 2 m beträchtlich sein.In einer Tiefe von 1 m kann sich der spezifische Widerstand und somit der Widerstand zwischen einem nassen Winter und einem trockenen Sommer um einen Faktor von 1 zu 3 verändern.

• Frost

Durch Bodenfrost kann sich der spezifische Widerstand des Bodens um einige Größenordnungen erhöhen. Daher wird besonders in kalten Klimaten eine Tiefenverlegung von Elektroden empfohlen.

• Abnutzung

Die für Elektroden verwendeten Werkstoffe nutzen sich im Allgemeinen im Laufe der Zeit ab. Die Gründe dafür sind u.a.:

• Chemische Reaktionen (in säurehaltigen oder alkalischen Böden)
• Galvanische Reaktionen aufgrund von Streu-Gleichströmen in der Erde, z.B. von elektrischen Bahnen usw. oder aufgrund von verschiedenen Metallen in Primärzellen. Ist ein Leiter von verschiedenen Böden umgeben, können sich ebenso kathodische und anodische Bereiche bilden, wobei in letzteren das Oberflächenmetall abgetragen wird. Unglücklicherweise fließen unter den für einen niedrigen Widerstand der Erder (d.h. für einen niedrigen spezifischen Widerstand des Bodens) günstigsten Bedingungen auch die größten galvanischen Ströme.

• Korrosion

Verlötete und verschweißte Verbindungsstellen und Anschlüsse sind die gegenüber Oxidation empfindlichsten Stellen. Vorbeugend werden im Allgemeinen neue Verbindungen und Anschlüsse gründlich gereinigt und mit einem geeigneten eingefetteten Tuch umwickelt.

Messung des Widerstands der Erder

Es müssen immer eine oder mehrere trennbare Verbindungen vorhanden sein, um einen Erder zu trennen, so dass dieser geprüft werden kann.

Es müssen immer trennbare Verbindungen vorhanden sein, die eine Trennung des Erders von der Anlage ermöglichen, so dass in regelmäßigen Abständen Tests des Erdungswiderstands durchgeführt werden können. Zur Durchführung solcher Tests sind zwei Hilfselektroden erforderlich, die jeweils aus einem vertikal eingetriebenen Stab bestehen.

• Amperemeter-Methode (siehe Abb. E46.1)

Abb. E46.1 – Messung des Widerstands gegen Erde einer Anlage mit Hilfe eines Amperemeters

[math]\displaystyle{ A= R_T+ R_{t1} = \frac {U_{Tt1}}{I_1} }[/math]

[math]\displaystyle{ B= R_{t1}+ R_{t2} = \frac {U_{Tt1t2}}{I_2} }[/math]

[math]\displaystyle{ C = R_t2+ R_{T} = \frac {U_{t2T}}{I_3} }[/math]

Bei konstanter Quellenspannung U (für jeden Test auf den gleichen Wert eingestellt) gilt:

[math]\displaystyle{ R_T=\frac{U}{2}\left(\frac{1}{I_1}+ \frac{1}{I_3}- \frac{1}{I_2}\right) }[/math]

Um Fehler aufgrund von Streuströmen zu vermeiden (galvanische Gleich- oder Streuströme aus Leistungs- und Kommunikationsnetzen usw.), sollte der Prüfstrom ein Wechselstrom sein, jedoch eine andere Frequenz haben als das Netz oder jede der Oberschwingungen des Netzes. Vorrichtungen, die handbetriebene Generatoren verwenden, erzeugen im Allgemeinen eine Wechselspannung mit einer Frequenz zwischen 85 Hz und 135 Hz.

Die Abstände zwischen den Elektroden sind nicht entscheidend und können in verschiedenen Richtungen zur geprüften Elektrode stehen, je nach Standortbedingungen. Im Allgemeinen werden einige Tests mit verschiedenen Abständen und Richtungen durchgeführt, um die Testergebnisse gegenzuprüfen.

• Einsatz eines direktanzeigenden Erdungswiderstands-Ohmmeters (s. Abb. E46.2)

Diese Geräte verwenden einen handbetriebenen oder elektronischen AC-Generator zusammen mit zwei Hilfselektroden, deren Abstand groß genug sein muss, so dass sich der Einflussbereich der zu prüfenden Elektrode nicht mit dem der Testelektrode (C) überschneidet. Die von der zu prüfenden Elektrode (X) am weitesten entfernte Testelektrode (C) führt einen Strom durch die Erde und die zu prüfende Elektrode, während die zweite Testelektrode (P) eine Spannung aufnimmt. Diese zwischen (X) und (P) gemessene Spannung ist auf den Prüfstrom zurückzuführen und ist ein Maß für den Kontaktwiderstand (der zu prüfenden Elektrode) gegen Erde. Natürlich muss der Abstand zwischen (X) und (P) sorgfältig gewählt werden, um exakte Ergebnisse zu erhalten. Wird der Abstand zwischen (X) und (C) vergrößert, entfernen sich die Widerstandsbereiche der Elektroden (X) und (C) voneinander und die Potentialkennlinie (Spannung) verläuft um den Punkt (O) herum nahezu horizontal.

In Praxistests wird der Abstand zwischen (X) und (C) daher vergrößert, bis die mit der Elektrode (P) an drei verschiedenen Punkten, d.h. an (P) und ca. 5 m in beide Richtungen von (P) entfernt ermittelten Messwerte ähnliche Werte ergeben. Der Abstand zwischen (X) und (P) entspricht im Allgemeinen ca. dem 0,68-fachen des Abstands zwischen (X) und (C).

Abb. E46.2 – Messung des Widerstands gegen Erde des Erders (X) mit Hilfe eines Erder-Test-Ohmmeters

• 

  [a] Das Messprinzip basiert auf angenommenen homogenen Bodenbedingungen, in denen sich die Einflussbereiche der Elektroden C und X überschneiden. Der Standort der Testelektrode P ist schwer zu bestimmen, um zufriedenstellende Messergebnisse zu erhalten.

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  [b] Anzeige der Auswirkung auf das Potentialgefälle, wenn der Abstand zwischen (X) und (C) groß ist. Der Standort der Testelektrode P ist nicht entscheidend und leicht zu bestimmen.