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.
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.
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 (s. Seite E28: „Einfluss der Bodenart”)
n: Anzahl der Stäbe
Plattenerder
(siehe Abb. E43)
Für einen vertikalen Plattenerder: [math]\displaystyle{ R=\frac{0,8 \rho}{ L} }[/math]
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[1].
[math]\displaystyle{ R=\frac{0,8 \rho }{ L} }[/math]
L: Umfang der Platte in m
ρ: spezifischer Widerstand des Bodens in Ωm (s. Seite E28: „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[4] |
Bandstahl[3]oder 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[6] | |
| massives Rundmaterial waagerecht errichtet | (8) | 70 | ||||
| Bandstahl waagerecht errichtet | 90 | 3 | 70 | |||
| Nichtrostender Stahl[2] |
Bandstahl[3] 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)[5] 50 | |||||
| massive Rundstange senkrecht errichtet | (12) 50 | |||||
| Seil | 1,7 (jeder ein- zelne Draht) |
(25)[5] 50 | ||||
| Rohr | 20 | |||||
| Massive Platte | (1,5) 2 | 1 | ||||
| Gitter | 2 | 20 | 40 | |||
[2] Chrom ≥16 %, Nickel ≥5 %, Molybdän ≥2 %, Kohlenstoff ≤0,08 %.
[3] Als aufgerollter Bandstahl oder Spaltbänder mit abgerundeten Kanten.
[4] Die Beschichtung muss glatt, gleichmäßig und frei von Flussmittelschmutz sein.
[5] Wenn aufgrund von Erfahrungen bekannt ist, dass das Risiko der Korrosion und mechanischen Beschädigung extrem gering ist, kann 16 mm2 verwendet werden.
[6] 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 m, 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)
[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).
Anmerkung
- ^ Bei Einsatz von Erdern aus verzinktem leitendem Werkstoff sind ggf. Opferanoden für den kathodischen Schutz erforderlich, um im Fall von aggressivem Boden eine schnelle Korrosion der Elektrode zu verhindern. Speziell preparierte Magnesiumanoden (in einem durchlässigen Sack, der mit geeignetem „Boden” gefüllt ist) sind für den direkten Anschluss an die Elektroden erhältlich. In solchen Fällen ist ein Fachmann hinzuzuziehen.
