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Elektrische Wiederholungsprüfungen an EuK-Vorrichtungen

Ralf-Dieter Rogler

Das Arbeiten an elektrotechnischen Anlagen und Betriebsmitteln erfordert Maßnahmen,

die die Sicherheit der Elektrofachkraft gewährleisten sollen.

Aus diesem Grund sind folgende fünf Sicherheitsregeln einzuhalten:

• Freischalten,

• gegen Wiedereinschalten sichern,

• Spannungsfreiheit feststellen,

• Erden und Kurzschließen* und

• benachbarte, unter Spannung stehende Teile abdecken oder abschranken*.

Eine Sicherheitsregel ist das Erden und Kurzschließen, das die Spannungsfreiheit für

die Dauer der Arbeit gewährleistet und dadurch die Elektrofachkraft vor ungewollten

Netzrückwirkungen sowie beim unbeabsichtigten Wiedereinschalten der Anlage

schützt. Zu diesem Zweck werden gemäß DIN VDE 0105-100 bei Arbeiten an elektro-

technischen Anlagen und Betriebsmitteln Erdungs- und Kurzschließvorrichtungen

(EuK-Vorrichtungen) nach DIN EN 61230 eingesetzt.

Die Schutzfunktion der EuK-Vorrichtung wird von der Gewährleistung der Eigenschaf-

ten der Vorrichtung und der sachgerechten Montage der Vorrichtung vor Ort bestimmt.

In /1/ wird explizit auf den Wunsch hingewiesen, durch ein zerstörungsfreies Messver-

fahren die Einsatzbereitschaft der EuK-Vorrichtung nicht mehr wie bisher ausschließ-

lich optisch, sondern durch eine objektive Messung zu beurteilen. In /2/ wurden die zur

Verfügung stehenden Ansätze grundsätzlich diskutiert.

Für die Beurteilung einer Erdungs- und Kurzschließvorrichtung sind grundsätzlich meh-

rere Verfahren denkbar:

• Thermographische Untersuchung,

• Computertomographie,

• Ultraschall-Untersuchung,

* Nicht zwingend erforderlich bei Spannungen unter 1000 V.

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• Widerstandsmessung.

Der hier gewählte grundsätzliche Ansatz zur Beurteilung soll die Widerstandsmessung

sein, da sie folgende Vorteile bietet:

• primäres Verfahren (Widerstand entscheidend),

• Verfahren der Elektrotechnik (Vorbildung),

• etabliert (z. B. Schutzleiterprüfung VDE 0100-100,

• angelehnt an ASTM F2249-3,

• reproduzierbar und transportierbar und

• finanzierbar.

1 Typische Schadensbilder von EuK-Vorrichtungen

Aus praktischen Messungen an EuK-Vorrichtungen aus der betrieblichen Praxis können

folgende Schadensbilder und deren Wahrscheinlichkeit an EuK-Vorrichtungen benannt

werden (s. Tab. 1) /3/.

Schaden Anteil an

Gesamt-

schäden

Mögliche Ursache Optisches Er-

scheinungsbild

Elektrischer Diagno-

seansatz

Lokaler

Seilschaden

7 %*

Biegewechselbeanspru-

chung

Bruch einzelner

Drähte schwer zu

erkennen

Widerstandsmessung

beim manuellen Be-

wegen des Leiters

Globaler

Seilschaden

7 %*

Chemische Beanspruchung

(Korrosion und Oxidation)

Starke Verfärbung

leicht zu erkennen

Widerstandsmessung

am ruhenden Leiter

Verbinder-

schaden

93 %*

Montagefehler

Materialermüdung

Unerkennbar Widerstandsmessung

beim manuellen Be-

wegen der Verbin-

dung

Tabelle 1. Schadensbilder an EuK-Vorrichtungen

Mit der Messung des absoluten Widerstandes können globale Seilschäden, sowie

schwerwiegend defekte Pressverbindungen erfasst werden. Es wurde untersucht, ab

* An den EuK-Vorrichtungen können mehr als eine Fehlerursache auftreten.

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welchem Widerstand eine EuK-Vorrichtung als defekt anzusehen ist. Mit einer relativen

Widerstandsänderung beim Bewegen der EuK-Vorrichtung können durchtrennte Adern,

schlechte Pressverbindungen und lockere Schraubverbindungen erkannt werden. Es

wurde untersucht, ab welcher Widerstandsänderung eine EuK-Vorrichtung als defekt

anzusehen ist (s. Bild 1).

Zur elektrischen Messung wird es also notwendig, neben dem Gesamtwiderstand (abso-

lut) auch die Widerstandsänderung beim Bewegen der EuK (relativ) zu erfassen. Theo-

retische und experimentelle Untersuchungen haben gezeigt, daß die Genauigkeit der

Messung ausreichend ist, um EuK-Schäden sicher erkennen zu können.

Bild 1. Beurteilungsschema

Für die Untersuchungen wurden bisher 300 neue und gebrauchte EuK-Vorrichtungen

vermessen und davon ca. 50 bis zur Zerstörung geprüft.

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2 Beurteilung von lokalen Seilschäden

Bild 2. Starker lokaler Seilschaden

Wird ein lokal beschädigtes Leiterseil (s. Bild 2) an der Fehlstelle bewegt, ändert sich

der Widerstand, da sich das Strömungsfeld verändert (s. Bild 3).

Bild 3. Einfluss der Leiterbewegung auf das Strömungsfeld bei perforierten EuK-

Vorrichtungen

Das Strömungsfeld kehrt in Leiterrichtung exponentiell auf den Gesamtquerschnitt zu-

rück. Damit ist vor allem bei der Bewegung nicht die vernachlässigbare Widerstandsän-

derung durch die Einschnürung selbst, sondern vor allem der Einfluss auf das Strö-

mungsfeld, abweichend wie in /3/ vermutet, erfassbar. Dieser Effekt wird bei alten

EuK-Vorrichtungen sogar noch größer sein, da die einzelnen Litzen stärker oxidiert sein

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werden als im Neuzustand. Zum Erfassen der Widerstandsänderung wird ein spezielles

Mikroohmmeter eingesetzt /4/. Mit diesem Messgerät ist es möglich, während einer

Messzeit von ca. 30 s den Widerstand in Echtzeit (Abtastfrequenz 10 Hz) zu messen.

Am Ende der Messzeit wird auf dem Display der gemessene Widerstandswert (R) sowie

die resultierende Widerstandsänderung (ΔR) angezeigt (s. Bild 4).

Bild 4. Modifiziertes Mikroohmmeter LoRe EuK

Eine systematische Messung an fabrikneuen und im Einsatz befindlichen EuK-

Vorrichtungen der Leiterquerschnitte 16… 150 mm² führt zu zulässigen Grenzwerten (s.

Tab. 2) /5/, die die Stromstärken nach DIN 57683 Teil 1 / VDE 0683 Teil 1 als Nennwerte

unterstellen (s. Tab 3).

Tabelle 3. Nennwerte von EuK-Vorrichtungen

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3 Beurteilung von Verbinderschäden

Bild 5. Verbinderschaden nach zerstörender Prüfung

Im Gegensatz zum Leiterseilschaden tritt beim Verbinderschaden (s. Bild 5) zwar ein

erhöhter Widerstand auf, die lokale Wärmekapazität ist aber nicht erniedrigt, sondern

sogar durch den größeren Querschnitt des Verbinders gegenüber dem Leiter erhöht.

Deshalb sind grundsätzlich deutlich höhere Grenzwerte zulässig, die zur Zerstörung

führen. Der Grenzwert liegt ca. eine Größenordnung größer als der Grenzwert bei Seil-

schäden. Dieser Zusammenhang kann unter Annahme gleicher Endtemperaturen nach

der Beanspruchung hergeleitet werden (s. Tab. 3) /5/.

4 Beurteilung von globalen Seilschäden

Bild 6. Starker globaler Seilschaden

Unter den Annahmen eines zulässigen Grenzwertes von S² tk = const. kann der globale

Einfluss durch Oxidation (s. Bild 6), also die Gesamtwiderstandserhöhung unter der

Annahme gleicher Endtemperaturen abgeleitet werden. Diese tritt auf, wenn ein Leiter-

seil über weite Abschnitte hinweg massiv oxidiert wurde.

Der Widerstandsbelag r kann für Kupferseile errechnet werden (s. Tab. 3) /5/.

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5 Gesamtbeurteilung

Eine EuK-Vorrichtung kann als einsatzbereit gelten, wenn folgende Bedingungen erfüllt

sind:

• Beim Bewegen des Leiterseils treten Widerstandsänderungen auf, die kleiner als

ΔRS sind. Dabei wird unterschieden, ob die EuK-Vorrichtungen neu oder ge-

braucht sind.

• Beim Bewegen der Verbinder treten Widerstandsänderungen auf, die kleiner als

ΔRV sind.

• Am ruhenden Prüfling werden der Widerstand und die Länge gemessen. Vom

gemessenen Gesamtwiderstand werden pauschal 60 µΩ für die Kugelfixpunkte,

wenn vorhanden, abgezogen. Der verbleibende Widerstand wird auf die Länge

bezogen. Der Widerstandsbelag ist kleiner als Rꞌ = r.

• Die Grenzwerte können folgender Tabelle entnommen werden (s. Tab. 3), wobei

diese abhängig von der Temperatur der EuK-Vorrichtung korrigiert werden.

Tabelle 2. Grenzwerte für EuK-Vorrichtungen

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6 Zusammenfassung

Die Sichtprüfungen ohne technische Hilfsmittel sind nicht objektiv, so dass davon aus-

zugehen ist, dass in den Anlagen viele alte und augenscheinlich defekte EuK-

Vorrichtungen im Einsatz sind. Aus den Erfahrungen kann man erkennen, dass eine

Kombination aus vorgelagerter, optischer Sichtprüfung und nachgelagerter technischer

Überprüfung durch Messung eine deutliche Erhöhung der Sicherheit bedeutet. Die Er-

gebnisse belegen, dass sich auch vor Ort zerstörungsfrei und eindeutig Fehler finden

lassen, die bei alleiniger Sichtprüfung nicht gefunden worden wären (s. Bild 7).

Es lässt sich ableiten, dass man durch die das Vermessen der EuK-Vorrichtungen Er-

kenntnisse zur Instandhaltungsstrategie ableiten kann, bei der eine Ampelfunktion hilf-

reich ist (s. Bild 8). Das von der Auswertesoftware automatisch erzeugte Protokoll dient

als Nachweis für die erfolgte technische Überprüfung, die in regelmäßigen Abständen

erfolgen sollte.

Bild 7. Mit dem Verfahren gefundener Fehler

Bild 8. Ampelfunktion

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Im Laufe der Praxiserprobung /3/, /5/ wurde der Messablauf, das Mikroohmmeter LoRe

EuK und die verwendete Software kontinuierlich weiterentwickelt, um eine praktikab-

len und effektiven Einsatz zu gewährleisten. Gegenüber den bisher beschriebenen zer-

störungsfreien Prüfverfahren (Thermografie, 3D–Röntgenuntersuchung, Ultraschallun-

tersuchung) ist die Widerstandsmessung sowohl im Labor, aber auch beim Kunden di-

rekt vor Ort durchführbar. Weiterhin werden nach einer Unterweisung vom Prüfenden

keine speziellen Kenntnisse außerhalb der Elektrotechnik benötigt.

Das Prüfverfahren liefert eine ideale Ergänzung zur visuellen Kontrolle.

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7 Quellenverzeichnis

/1/ Leonhardi, H.:

Wiederholungsprüfungen von EuK-Vorrichtungen

BG Energie Textil Elektro. Brücke. Ausgabe Elektro Feinmechanik. 4/2009

S. 10-12

/2/ Brocke, R.:

Bewertung von Verfahren zur Wiederholungsprüfung an EuK-Vorrichtungen

Np. 48(2009), Heft 12

S. 20-24

/3/ Rogler, R.-D.:

Verfahren zur Prüfung von Erdungs- und Kurzschließvorrichtungen

16. Vortragsveranstaltung Elektrotechnik der BG ETEM am 30./31.05.2012 in Kassel

/4/ www.theta-dresden.de

/5/ Meier, W.:

Praxiserprobung der Prüfung von ortsveränderlichen Erdungs- und Kurzschließvor-

richtungen

17. Vortragsveranstaltung Elektrotechnik der BG ETEM am 20./21.05.2014 in Kassel