Bodenwiderstand: Definition, Faktoren und Messmethoden

Der Erdwiderstand wird definiert als der Widerstand, den das Erdungselektroden dem Stromfluss in den Boden entgegensetzt. Er wird auch als Widerstand zur Erde oder Bodenwiderstand bezeichnet. Der Erdwiderstand ist ein wichtiger Parameter für die Planung und Wartung von Erdungssystemen, da er die Sicherheit und Leistung elektrischer Anlagen beeinflusst.

Was ist ein Erdungselektrode?

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

Die Erdungselektrode kann aus Kupfer, Stahl, verzinktem Eisen oder anderen Materialien mit guter Leitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit hergestellt werden. Die Größe, Form, Länge und Tiefe der Erdungselektrode hängen von den Bodenbedingungen, dem Strom-Nennwert und der Anwendung des Erdungssystems ab.

Welche Faktoren beeinflussen den Erdwiderstand?

Der Erdwiderstand hängt hauptsächlich von der Spezifischen Widerstandszahl des Bodens zwischen dem Elektroden und dem Punkt des Nullpotentials (unendliche Erde) ab. Die Spezifische Widerstandszahl des Bodens wird von mehreren Faktoren beeinflusst, wie z.B.:

• Die elektrische Leitfähigkeit des Bodens, die hauptsächlich durch Elektrolyse bedingt ist. Die Konzentration von Wasser, Salz und anderen chemischen Komponenten im Boden bestimmt seine Leitfähigkeit. Feuchter Boden mit hohem Salzgehalt hat eine geringere Spezifische Widerstandszahl als trockener Boden mit niedrigem Salzgehalt.

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

• Die Korngröße, Gleichmäßigkeit und Packung der Bodenteilchen beeinflussen dessen Porosität und Feuchtigkeitsbindungskapazität. Feinkörniger Boden mit gleichmäßiger Verteilung und kompakter Packung hat eine geringere Spezifische Widerstandszahl als grobkörniger Boden mit unregelmäßiger Verteilung und loser Packung.

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

Der Erdwiderstand hängt auch vom Widerstand des Elektroden selbst und vom Kontaktwiderstand zwischen der Elektrodenoberfläche und dem Boden ab. Diese Faktoren sind jedoch im Vergleich zur Bodenspezifischen Widerstandszahl in der Regel vernachlässigbar.

Wie misst man den Erdwiderstand?

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

Potentialabfallmethode

Diese Methode wird auch als 3-Punkt-Methode oder Potentialabfallmethode bezeichnet. Sie erfordert zwei Testelektroden (Stromelektrode und Potentialelektrode) und einen Erdwiderstandsmesser. Die Stromelektrode wird in einer Entfernung vom vorhandenen Erdungselektroden bis zu einer Tiefe eingeführt, die der Tiefe des vorhandenen Erdungselektroden entspricht. Die Potentialelektrode wird zwischen ihnen in einem geeigneten Abstand eingeführt, so dass sie außerhalb ihrer Einflussbereiche (Widerstandsgebiete) liegt. Der Messgerät injiziert einen bekannten Strom durch die Stromelektrode und misst die Spannung zwischen der Potentialelektrode und dem vorhandenen Erdungselektroden. Der Erdwiderstand wird mithilfe des Ohmschen Gesetzes berechnet:

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

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

Klemmmethode

Diese Methode wird auch als induzierte Frequenzprüfung oder stangenlose Methode bezeichnet. Sie erfordert keine Testelektroden oder Trennung von Verbindungen zum Erdungselektroden. Sie verwendet zwei Klammern, die um den vorhandenen Erdungselektroden gelegt werden. Eine Klammer induziert eine Spannung an der Elektrode, und die andere Klammer misst den durch sie fließenden Strom. Der Erdwiderstand wird mithilfe des Ohmschen Gesetzes berechnet:

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

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

Angeordnete Stabmethode

Diese Methode verwendet eine Testelektrode (Stromelektrode) und einen Erdwiderstandsmesser. Die Stromelektrode wird mit einem Draht an den vorhandenen Erdungselektroden angebracht. Der Messgerät injiziert einen bekannten Strom durch den Draht und misst die Spannung zwischen dem Draht und dem vorhandenen Erdungselektroden. Der Erdwiderstand wird mithilfe des Ohmschen Gesetzes berechnet:

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

Diese Methode erfordert nicht, dass Verbindungen zum Erdungselektroden getrennt werden, sondern gute Kontakte zwischen dem Draht und der Stromelektrode.

Stern-Dreieck-Methode

Diese Methode verwendet drei Testelektroden (Stromelektroden), die in einem gleichseitigen Dreieck um den vorhandenen Erdungselektroden angeordnet sind. Ein Erdwiderstandsmesser injiziert einen bekannten Strom nacheinander durch jedes Paar von Testelektroden und misst die Spannung nacheinander zwischen jedem Paar von Testelektroden. Der Erdwiderstand wird mithilfe der Kirchhoffschen Gesetze berechnet:

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

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

Tote-Erde-Methode

Diese Methode verwendet zwei Testelektroden (Stromelektroden), die in Reihe mit einem Erdwiderstandsmesser verbunden sind. Eine Testelektrode wird in der Nähe des vorhandenen Erdungselektroden eingebracht, und eine weitere Testelektrode wird weit entfernt davon eingebracht. Der Messgerät injiziert einen bekannten Strom durch beide Testelektroden in den Boden und misst die Spannung zwischen ihnen. Der Erdwiderstand wird mithilfe des Ohmschen Gesetzes berechnet:

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

Diese Methode erfordert nicht, dass Verbindungen zum vorhandenen Erdungselektroden getrennt werden, benötigt jedoch einen sehr langen Draht zwischen beiden Testelektroden.

Steigungsmethode

Diese Methode