Erdungsmessgerät

1. Sichere Stromspannungsentsorgung mit dem Erdungsmessgerät prüfen

Bei jeglicher Anwendung und Nutzung elektrischen Stroms muss die Ableitung der Fließströme gesorgt werden. Neben der anlassbezogenen Erdung sind auch auf natürlichem Weg entstehende elektrische Ströme, wie Blitze durch Erdung zu „entsorgen“. Physikalisch handelt es sich beim Erden um die Ableitung ins Erdreich. Die Ableitung ist allerdings technisch nicht vollständig zu erreichen. Die leitfähige Erdung bringt naturgemäß einen elektrischen Widerstand mit. Um den Ableitungsumfang ausreichende Größe zu verschaffen und zu hohe Restspannungen zu vermeiden, wird das Erdungssystem seiner Aufgabe angepasst. Neben der Dimensionierung und Leistungsfähigkeit der leitfähigen Bauteile spielt die Bodenbeschaffenheit und die Wechselwirkung von Erdungen zueinander eine große Rolle. Bei kontrollierenden Erdungsmessungen werden die tatsächlichen Ableitungspotenziale erfasst.

Erdungssysteme und die dazugehörigen Messungen erfüllen vier Funktionen:

1. Schutz für Mensch und Tier gegen elektrische Spannungen
2. Schutz vor Blitzeinschlag in Bauwerken
3. Sicherung der allgemeinen Elektrizitätsversorgung und Gerätefunktion
4. Minderung elektromagnetischer Auswirkungen und Effekte

Entsprechend ihrer Wichtigkeit sind Erdungssysteme die erste technische Einrichtung, die in neu erstellten Bauwerken installiert beziehungsweise montiert werden muss. Rechtlich werden niedrige Stromspannungen bis 25 Volt bei Wechsel- und sechzig Volt bei Gleichstrom als Kleinspannungen ohne Erdungsbedarf definiert. Ab fünfzig beziehungsweise 120 Volt sind Erdungen zwingend erforderlich. Im Bereich zwischen 25 zu fünfzig und sechzig bis 120 Volt entscheiden Bauausführung und Funktionsweise über den Erdungsbedarf.

1.1 Funktions- und Schutzerdungen

Abhängig von ihrer Einsatzart, Konstruktionsform und Wirkungsweise sind Erdungen in Funktions- und Schutzerdungen einteilbar. Funktionserdungen sichern den störungsfreien Betrieb elektrischer Anlagen und Geräte. Abgeleitet werden Fehlerströme, elektromagnetische Aufladung und statische Entladung. Schutzerdungen werden getrennt montiert und an einem Verbindungspunkt zusammengeführt. Typisches Beispiel ist der Blitzableiter, an den Gehäusezuleitungen „angeklemmt“ werden.

1.2 Entscheidendes Ziel ist der Erdungswiderstand

Wer ein Erdungsmessgerät einsetzt, braucht Kenntnisse zu elektrophysikalischen Gesetzen und zur Maßeinheit Ohm. Das ohmsche Gesetz definiert die Veränderung, die auf Stromstärke wirkt. Der elektrische Widerstand sorgt für proportionale Änderung der Stärke bei hindurchfließender Stromspannung. Das Erdungsverhalten beziehungsweise Ergebnis wird in der elektrotechnischen Normengebung als gut bewertet, wenn zehn Ohm unterschritten werden. Mobilfunkbetreiber setzen fünf Ohm als Grenze. Generelles Ziel einer Erdung ist das Erreichen des niedrigstmöglichen Wertes.

Drei Faktoren entscheiden beim Einsatz eines Erdungsmessgerätes über die Ergebnisse. Die beim Messen genutzten Hilfserder, die einen Stromfluss ermöglichen, die Beschaffenheit der Erdungseinrichtung selber und der spezifische Erdwiderstand nach Art und Zusammensetzung.

1.3 Arten und Zusammensetzungen von Böden

Unterschiedliche Böden bringen spezifische elektrische Widerstände mit. Um die geringstmöglichen Erdungswerte in Ohm zu erhalten, muss die Erdungsausführung dem Boden angepasst werden. Den spezifischen Widerständen müssen passende Erdungsanlagen gegenübergestellt werden, um die Zielwerte in Ohm (?) zu erreichen. Dabei können sowohl Stab- als auch Banderdungen eingesetzt werden. Vereinfachte Formel bei der Auswahl ist, je höher der spezifische Erdwiderstand ist, desto länger muss der Erdungsleiter ausfallen.

Als Richtwerte werden bei folgenden Bodenarten die folgenden Widerstandswerte erreicht:

Feuchter und sumpfiger Boden:
Stab 3m=10 Ω, 6m=5 Ω, 10m=3 Ω, Band 5m=12 Ω, 10m=6 Ω, 20m=3 Ω
Acker mit Lehm & Ton
Stab 3m=33 Ω, 6m=17 Ω, 10m=10 Ω, Band 5m=40 Ω, 10m=20 Ω, 20m=10 Ω
Sandiger Lehmboden
Stab 3m=50 Ω, 5m=25 Ω, 10m=20 Ω, Band 5m=60 Ω, 10m=30 Ω, 20m=15 Ω
Feuchter Sand
Stab 3m=66 Ω, 6m=33 Ω, 10m=20 Ω, Band 5m=80 Ω, 10m=40 Ω, 20m=20 Ω

Alle anderen Bodenarten können erreichen bei den längsten Erdungsbändern oder Stäben bestenfalls 50 Ω.

2. Messmethoden und Hilfsmittel

2.1 Messbedingungen und Fehlervermeidung

Beim Funktionsprinzip eines Erdungsmessgeräts handelt es sich um eine verhältnismäßig einfache „Schaltung“. Durch die vorhandene Erdungsanlage wird testweise Stromspannung „geschickt“ und der entstehende Widerstand gemessen. An den teilweise komplex aufgebauten Erdungssystemen müssen allerdings die Hilfserder, die zu einem Stromkreislauf führen, an den richtigen Verbindungspunkten platziert werden. Fehlerhafte Messung entsteht, wenn nicht auf die Erdungsanlage wirkende Faktoren einwirken. Typische Fehlerquellen sind zu weit entfernte Stromflüsse, ungleichmäßige Erd- und Bodenbeschaffenheit, akute Einwirkungen wie Feuchtigkeit und Nässe und korrodierte Verbindungspunkte. Je nach baulicher Gegebenheit kommen mehrere Messverfahren zum Einsatz.

3. Messmethoden und Anwendungssituationen

3.1 Widerstandsmessung mit Erdspießen

Als Hilfsmittel beziehungsweise Handwerkszeug für die Anwendung eines Erdungsmessgerätes dienen Erdspieße oder Stromzangen. Der Prüfstrom wird zwischen einem Erdspieß und dem Erder geleitet und ein weiterer Erdspieß misst den Spannungsfall. Der zweite „zwischengeschaltete“ Erdspieß wird als Sonde bezeichnet. Bei dieser Messmethode kann eine Drei- oder Vierleitervariante eingesetzt werden. Beim Vierleitermessen wird das Erdungsmessgerät mit einer weiteren und zweiten leitfähigen Prüfverbindung auf dem Erdungsstab oder Band gespeist. Dieser vierte Messkontakt präzisiert das Messvolumen im sehr niedrigen Widerstandsbereich bis zu einem Ohm. Wenn die Bauumgebung oder Erdungsanlage den Einsatz von Erdspießen nicht zulässt, ist auch eine, weniger präzise, Zweileitermessung möglich.

3.2 Kombinierte selektive Widerstandmessung

Eine Messmischform wird mit der selektiven Erdungsmessung mit einer Stromzange angewendet. Wenn die Erdungsanlage aus mehreren parallel im Erdboden versenkten Erdern besteht, misst die normale Erdspießmethode den gesamten Widerstand der Anlage. Um die Werte jedes einzelnen Erders in Erfahrung zu bringen, müsste eine mechanische Trennung erfolgen. Die Messzange vermeidet diesen Aufwand. Die dreipolig unter Prüfstrom gesetzte Erdungsanlage mit zwei Erdspießen wird durch die Prüfzange ergänzt. Beim Anlegen an den einzelnen Erder, dessen Werte erfasst werden sollen, bleiben die Ströme in den anderen Anlagen unberücksichtigt. Diese Messmethode wird vor allem bei mehradrigen Blitzschutzanlagen angewendet.

3.3 Schleifenwiderstandserfassung

Ebenfalls ohne Erdspieße und Sonden kommt die Erdschleifenmessung aus. Zwei Messzangen werden nahe des Erders oder am Erder im Abstand voneinander von etwa zehn Zentimetern angesetzt. Neben dem Einsatz wegen nicht möglicher Erdspießsetzung wird diese Messmethode in Hochspannungsanlagen genutzt, um eine Gefährdung der Messpersonen auszuschließen.

3.4 Erdwiderstandsmessung

Abgesehen von der Erdungsmessung von Erdungsanlagen und deren Einzelbauteilen wird auch der spezifische Erdwiderstand des genutzten oder vorhandenen Erdreichs gemessen. Das Erdungsmessgerät dient zur Entscheidungshilfe, an welchem Ort oder Punkt ein Erder am Günstigsten platziert werden kann. Für die Messung werden vier Erdspieße in einer Linie in den Boden eingetrieben. Je nach Ausführung des Erdungsmessgerätes wird er Messwert direkt umgerechnet und ist ablesbar oder muss nach der sogenannten Formel nach Wenner berechnet werden.

4. Fehlerquellen und Interpretationsgrundlagen

Die Erkenntnisse aus der Ermittlung von Messwerten müssen in den zu messenden Bedingungen „eingebettet“ werden. Insbesondere bei Erdschleifenmessungen sind Fehlinterpretationen schnell möglich. Große Unregelmäßigkeiten in Anzahl und Abstand einzelner Erde verändern die Impedanz und ergeben nur grobe auf Zehnerstellen quantifizierbare Messergebnisse. Wenn nur eine einzelne Erdung ohne „Rücklauf“ vorhanden ist, ist die Schleifenmethode nicht anwendbar. In Erdungsanlagen können neben „echten“ Erdungsleitungen Potenzialausgleichsleitungen existieren. Wenn die Messzangen fälschlicherweise an eine solche Leitung angeschlossen wird, zeigt das Messergebnis den Widerstand dieser Leitung und nicht der Erdung an. Potenzial für die Verfälschung der Erdungsmessungen haben Störspannungen. Ein Erdungsmessgerät sollte unbedingt eine Warnfunktion und automatische Frequenzanpassung verfügen, um zu den „ehrlichen“ oder „richtigen“ Messwerten zu gelangen.

5. Spezielle Messsituationen

Im Privatbereich in eher selteneren Fällen kann es bei Erdungsanlagen zu Wechselwirkungen zwischen Niederspannungs- und Mittel- oder Hochspannungseinrichtungen kommen. Auch wenn die Anlagen baulich getrennt betrieben werden, können Übersprungeffekte entstehen. Diese Erdungskopplungen sind beispielsweise möglich, wenn nahe von Wohnbereichen Geräte und Maschinen mit hoher Betriebsspannung betrieben werden.

6. Analoge und digitale Geräte

Die meisten modernen Erdungsmessgeräte verfügen über ein digitales Display und bewegen sich in Gerätegrößen zwischen Konfekt- und Schuhkarton. Einzelne Anbieter bieten analoge Geräte mit einem Drehspulmesswerk, bei dem ein Zeiger auf einer halbrunden Skala ausschlägt. Aufgrund der teilweise sehr spezifischen Messanforderungen können spezialisierte Erdungsmessgeräte nicht verlässlich durch sogenannte Multimeter ersetzt werden.

6.1 Mögliche Messmethoden und Ausstattung

Erstes Qualitäts- und Nutzungskriterium sind die Messmethoden, die ein Erdungsmessgerät anbietet. Grob gesagt entscheidet die Auswahl an Anschlussmöglichkeiten über den Leistungsumfang. Einfache Erdungsmessgeräte verfügen über drei Eingänge, die eine Dreileitermessung ermöglichen. Modelle zur Anwendung aller möglichen Messmethoden besitzen fünf Anschlussbuchsen, einige Mittelklasseprodukte bieten vier Anschlüsse.

Mögliche Messmethoden des Erdungsmessgerätes bestimmen meist den Umfang des Zubehörs. Einfache Handgeräte der niedrigen Preisklasse werden mit zwei oder drei an Leitungen befindlichen Krokodilklemmen und zwei Metallspießen angeboten. Je nach Hersteller und Funktionsumfang können Sie Sets erwerben, die alle Messmethoden ermöglichen. Alternativ werden Basisausstattungen bis zur Vierleitermessung angeboten, die durch den Zukauf von Messzangen, Erdungsspießen und Messkabel individualisiert werden.

Die meisten Hersteller bieten bei entsprechendem Leistungsspektrum die Messzangen gesondert an. Geräte für die kombinierte oder reine Erdschleifenmessung gehören der höchsten Preiskategorie an. Stromzangen sind nicht nur mit einem Erdungsmessgerät einsetzbar, weshalb sie bei den meisten renommierten Fachherstellern als Zukaufprodukte angeboten werden. Das Kostenverhältnis zwischen Erdungsmessgerät und Zubehör liegt durchschnittlich bei einem Verhältnis von zwei zu eins.

6.2 Kaufkriterien

Natürlich hängt Ihre persönliche Kaufentscheidung stark von dem beabsichtigten und benötigten Einsatz des Erdungsmessgerätes ab. Als allgemeine Kaufkriterien sollten Sie folgende Ausstattungsmerkmale prüfen und deren Bedarf einschätzen:

-Stabilität des Gerätegehäuses
-Wasserdichtigkeit und Isolation des Gehäuses und des Zubehörs
-Displaygröße und Helligkeit mit eventueller Hintergrundbeleuchtung
-Vierstellige Anzeige im Display
-Filterfunktionen für Störquellen
-Menüführung für die Messungseinstellungen
-Speicherfunktionen und Umfang für Messwerte und USB-Schnittstelle
-Messpräzision beziehungsweise Abweichtoleranz
-Zertifiziert und zugelassen nach DIN ISO 9001 oder DIN VDE 0413
-Einstellbare und erfassbar Messbereiche in Volt und Ohm
-Messungszeitraum in Sekunden

6.3 Preisspannen für Geräte und Zubehör

Die einfachsten Handgeräte mit Dreileitermessfunktion sind ab etwa 150 Euro erhältlich. Die Mehrheit der Erdungsmessgeräte im semiprofessionellen Bereich liegt im Preisbereich zwischen 500 und 800 Euro. Zum Gerätepreis hinzukommend müssen Sie für das Zubehör Ausgaben in der Höhe zwischen 200 und 300 Euro kalkulieren, wenn Sie die komplette Leistungsfähigkeit des Geräts nutzen möchten. Ab etwa 1500 Euro beginnen die Preise für Modelle, die jede Messmethode umsetzen. Die teuersten Geräte der Oberklasse kosten bis zu 4000 Euro. Strommesszangen bewegen sich in der Spanne von 100 bis 700 Euro pro Stück. Drei- und vierteilige Sets mit Erdspießen werden ab 80 Euro angeboten. Spitzenprodukte kosten bis zu 400 Euro.

6.4 Präzision und Störungskorrektur

Die Genauigkeit und Messpräzision eines Erdungsmessgeräts hängen vom Gerät selber, der richtigen Anwendung und von berücksichtigten und zuverlässigen Zubehörteilen ab. Alle Strom führenden Kontaktteile müssen aus korrosionsfreiem Metall wie beispielsweise Edelstahl oder Kupfer bestehen. Erdspieße und Messzangen bringen eigene elektrische Widerstände mit, die durch Kalibrierung des Geräts ausgeglichen werden müssen.

Abweichungen der Geräte sollten nach Herstellerangabe in keinem Fall zwei Prozent überschreiten, bei einem hochwertigen Erdungsmessgerät ein Prozent. Um potenzielle Messfehler zu erkennen, sind eine automatische Frequenzregelung (AFC) und eine akustische oder optische Warnfunktion unbedingt empfehlenswert.

Vor der Kaufentscheidung sollten auch technische und physikalische Gegebenheiten in die Überlegungen einbezogen werden. Ein zu „grobes“ Erdungsmessgerät kann beispielsweise nicht in sehr niedrigen Spannungsbereichen, wie sie in der Funk- und Fernmeldetechnik verwendet werden, eingesetzt werden.