Was ist der Widerstand der Erde?

Was ist der Widerstand der Erde?

Definition des Erdwiderstands

Ein Erdungselektroden ist ein Metallstab oder -platte, die im Boden vergraben und mit dem Erdterminal eines elektrischen Systems verbunden ist. Es bietet einen niedrigwiderständigen Pfad für Fehlerströme und Blitzstöße, um sie in den Boden abzuleiten. Es hilft auch, die Spannung des Systems zu stabilisieren und elektromagnetische Störungen zu reduzieren.

Erdungselektroden können aus Materialien wie Kupfer, Stahl oder verzinktem Eisen hergestellt werden, die aufgrund ihrer Leitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit ausgewählt werden. Die Größe, Form, Länge und Tiefe der Elektrode hängen von den Bodenbedingungen, dem Stromdurchsatz und der spezifischen Anwendung des Erdungssystems ab.

Faktoren, die den Erdwiderstand beeinflussen

Der Erdwiderstand hängt hauptsächlich von der Widerstandsfähigkeit des Bodens zwischen der Elektrode und dem Punkt des Nullpotentials (unendliche Erde) ab. Die Widerstandsfähigkeit des Bodens wird durch mehrere Faktoren beeinflusst, wie z. B.:

• Die elektrische Leitfähigkeit des Bodens, die hauptsächlich auf Elektrolyse zurückzuführen ist. Die Konzentration von Wasser, Salz und anderen chemischen Bestandteilen im Boden bestimmt seine Leitfähigkeit. Feuchter Boden mit hohem Salzgehalt hat eine geringere Widerstandsfähigkeit als trockener Boden mit geringem Salzgehalt.

• Die chemische Zusammensetzung des Bodens, die seinen pH-Wert und seine Korrosionseigenschaften beeinflusst. Säure- oder alkalischer Boden kann die Erdungselektroden korrodieren und ihren Widerstand erhöhen.

• Die Korngröße, Gleichmäßigkeit und Verpackung der Bodenteilchen beeinflussen seine Porosität und Wasserspeicherkapazität. Feinkörniger Boden mit gleichmäßiger Verteilung und kompakter Verpackung hat eine geringere Widerstandsfähigkeit als grobkörniger Boden mit unregelmäßiger Verteilung und loser Verpackung.

• Die Temperatur des Bodens, die seine thermische Ausdehnung und Gefrierpunkt beeinflusst. Hohe Temperaturen können die Leitfähigkeit des Bodens durch die Erhöhung der Ionmobilität steigern. Niedrige Temperaturen können die Leitfähigkeit des Bodens durch das Einfrieren seines Wassergehalts verringern.

• Der Erdwiderstand hängt auch vom Widerstand der Elektrode selbst und vom Kontaktwiderstand zwischen der Elektrodenoberfläche und dem Boden ab. Allerdings sind diese Faktoren im Vergleich zur Bodenwiderstandsfähigkeit in der Regel vernachlässigbar.

Messung des Erdwiderstands

Es gibt verschiedene Methoden, um den Erdwiderstand in bestehenden Systemen zu messen. Einige der gängigen Methoden sind:

Potentialabfallmethode

Diese Methode, auch als 3-Punkt- oder Potentialabfallmethode bekannt, erfordert zwei Testelektroden (Strom- und Potential-Elektrode) und einen Erdwiderstandsmesser. Die Strom-Elektrode wird in einer Entfernung zur Erdelektrode platziert, die der Tiefe entspricht. Die Potential-Elektrode wird zwischen ihnen, außerhalb ihrer Widerstandsgebiete, platziert. Der Messgerät injiziert einen bekannten Strom durch die Strom-Elektrode und misst die Spannung zwischen der Potential- und der Erdelektrode. Der Erdwiderstand wird dann mit Ohms Gesetz berechnet:

Dabei ist R der Erdwiderstand, V die gemessene Spannung und I der injizierte Strom.

Diese Methode ist einfach und genau, erfordert aber, dass alle Verbindungen zur Erdelektrode vor der Prüfung getrennt werden.

Klemmmethode

Diese Methode wird auch als induzierte Frequenzprüfung oder stangenlose Methode bezeichnet. Sie erfordert keine Testelektroden und es müssen keine Verbindungen zur Erdelektrode getrennt werden. Sie verwendet zwei Klemmen, die um die bestehende Erdelektrode gelegt werden. Eine Klemme induziert eine Spannung an der Elektrode und die andere Klemme misst den durch sie fließenden Strom. Der Erdwiderstand wird mit Ohms Gesetz berechnet:

Dabei ist R der Erdwiderstand, V die induzierte Spannung und I der gemessene Strom.

Diese Methode ist bequem und schnell, erfordert aber ein paralleles Erdnetzwerk mit mehreren Elektroden.

Angehängte Stabmethode

Diese Methode erfordert eine Testelektrode (Strom-Elektrode) und einen Erdwiderstandsmesser. Die Strom-Elektrode wird mit einem Draht an die Erdelektrode angeschlossen. Der Messgerät injiziert einen bekannten Strom durch den Draht und misst die Spannung zwischen dem Draht und der Erdelektrode. Der Erdwiderstand wird dann mit Ohms Gesetz berechnet:

Dabei ist R der Erdwiderstand, V die gemessene Spannung und I der injizierte Strom.

Diese Methode erfordert nicht, dass Verbindungen zur Erdelektrode getrennt werden, benötigt jedoch guten Kontakt zwischen dem Draht und der Strom-Elektrode.

Stern-Dreieck-Methode

Diese Methode verwendet drei Testelektroden (Strom-Elektroden), die in einem gleichseitigen Dreieck um die bestehende Erdelektrode angeordnet sind. Ein Erdwiderstandsmesser injiziert einen bekannten Strom nacheinander durch jedes Paar Testelektroden und misst die Spannung nacheinander zwischen jedem Paar Testelektroden. Der Erdwiderstand wird mit Kirchhoffs Gesetzen berechnet:

Dabei ist R der Erdwiderstand, V_AB, V_BC, V_CA die gemessenen Spannungen zwischen jedem Paar Testelektroden und I der injizierte Strom.

Diese Methode erfordert nicht, dass Verbindungen zur Erdelektrode getrennt werden, benötigt jedoch mehr Testelektroden als andere Methoden.

Tote Erdmethode

Diese Methode verwendet zwei Testelektroden (Strom-Elektroden), die in Reihe mit einem Erdwiderstandsmesser verbunden sind. Eine Testelektrode wird in der Nähe der bestehenden Erdelektrode eingeführt und eine weitere Testelektrode weit davon entfernt. Der Messgerät injiziert einen bekannten Strom durch beide Testelektroden in den Boden und misst die Spannung zwischen ihnen. Der Erdwiderstand wird dann mit Ohms Gesetz berechnet:

Dabei ist R der Erdwiderstand, V die gemessene Spannung und I der injizierte Strom.

Diese Methode erfordert nicht, dass Verbindungen zur bestehenden Erdelektrode getrennt werden, benötigt jedoch einen sehr langen Draht zwischen beiden Testelektroden.

Neigungsmethode

Diese Methode verwendet eine Testelektrode (Potential-Elektrode) und einen Erdwiderstandsmesser. Die Potential-Elektrode wird in regelmäßigen Abständen entlang einer geraden Linie von der bestehenden Erdelektrode weg verschoben. Der Messgerät injiziert einen bekannten Strom durch die bestehende Erdelektrode in den Boden und misst die Spannung zwischen ihr und der Potential-Elektrode an jedem Intervall. Ein Diagramm der Spannung gegen die Entfernung wird erstellt und extrapoliert, um den Schnittpunkt auf der Spannungsachse zu finden. Der Erdwiderstand wird mit Ohms Gesetz berechnet:

Dabei ist R der Erdwiderstand, V₀ der Schnittpunkt auf der Spannungsachse und I der injizierte Strom.

Diese Methode erfordert nicht, dass Verbindungen zur bestehenden Erdelektrode getrennt werden, benötigt jedoch, dass die Potential-Elektrode entlang einer geraden Linie verschoben wird.

Verbesserung des Erdwiderstands

Der Erdwiderstand kann verbessert werden, indem die Bodenwiderstandsfähigkeit reduziert oder die Oberfläche der Elektrode erhöht wird. Einige der gängigen Möglichkeiten, den Erdwiderstand zu verbessern, sind:

• Hinzufügen von Salz oder anderen löslichen Substanzen um die Elektrode herum, um die Bodenleitfähigkeit durch Elektrolyse zu erhöhen.

• Hinzufügen von Holzkohle oder anderen feuchtigkeitsbindenden Substanzen um die Elektrode herum, um den Boden das ganze Jahr über feucht zu halten.

• Verwendung mehrerer in Parallel geschalteter Elektroden, um die gesamte mit dem Boden in Kontakt stehende Oberfläche zu erhöhen.

• Verwendung längerer oder tieferer Elektroden, um Schichten mit geringerer Widerstandsfähigkeit im Boden zu erreichen.

• Verwendung von Elektroden mit größeren Querschnitten oder hohlen Formen, um den Elektrodenwiderstand zu reduzieren.

• Verwendung von Elektroden mit speziellen Beschichtungen oder Legierungen, um Korrosion zu verhindern und den Kontaktwiderstand zu erhöhen.

Es wird empfohlen, den Erdwiderstand regelmäßig (jährlich oder halbjährlich) zu messen und notwendige Maßnahmen zu ergreifen, wenn er den gewünschten Wert für die Anwendung überschreitet.

Zusammenfassung

Der Erdwiderstand ist ein wichtiger Parameter für die Planung und Wartung von Erdungssystemen. Er hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie z. B. der Bodenwiderstandsfähigkeit, der Größe, Form, Tiefe und dem Material der Elektrode. Es gibt verschiedene Methoden, um ihn in bestehenden Systemen zu messen, wie z. B. die Potentialabfallmethode, die Klemmmethode, die angehängte Stabmethode, die Stern-Dreieck-Methode, die tote Erdmethode und die Neigungsmethode.

Der Erdwiderstand kann durch Hinzufügen von Salz, Holzkohle oder anderen Substanzen um die Elektroden, durch die Verwendung mehrerer Elektroden, längere oder tiefere Elektroden, größere oder hohle Elektroden oder spezielle Beschichtungen oder Legierungen für Elektroden verbessert werden. Der Erdwiderstand sollte regelmäßig gemessen und innerhalb akzeptabler Grenzen gehalten werden, um Sicherheit und Leistung zu gewährleisten.