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Messpraktikum: Schleifenimpedanz und Netzinnenwiderstand 3.8 5 32

Messpraktikum: Schleifenimpedanz und Netzinnenwiderstand

(Kommentare: 15)

Prüfungen an elektrischen Anlagen sind von Elektrofachkräften durchzuführen
(Bildquelle: kadmy/iStock/Thinkstock)

Mit der Durchführung von Messungen kann die Elektrofachkraft die Wirksamkeit von Schutzmaßnahmen nachweisen. Eine der häufigsten Schutzmaßnahmen von elektrischen Stromkreisen ist der Schutz durch Abschaltung. Eine der wichtigsten Messungen in diesem Zusammenhang ist die Messung der Schleifenimpedanz.

Fortsetzung der Artikelreihe "Prüfungen an elektrischen Niederspannungsanlagen"
» Lesen Sie hier Teil 1.

Die Begriffe “Impedanz” und “Fehlerschleifenimpedanz”

Unter einer Impedanz wird der Wechselstromwiderstand eines Stromkreises verstanden. Diese Impedanz setzt sich z.B. aus allen Leitungs-, Klemmen- und Übergangswiderständen des Stromkreises zusammen. In der Normung (z.B. VDE 0100-600 "Errichten von Niederspannungsanlagen - Teil 6: Prüfungen") wird diese zu messende Impedanz auch Fehlerschleifenimpedanz genannt (vgl. Beuth 2016a).

Die Fehlerschleifenimpedanz setzt sich dabei aus den gesamten Wechselstromwiderständen von der Stromquelle (z.B. Transformator) über den aktiven Leiter (Außenleiter) als Hinweg und den Rückleitern zur Stromquelle (z.B. Schutz- bzw. PEN-Leiter) des im Fehlerfall wirkenden Kreises zusammen.

Schleifenimpedanzmessung bedeutet also nichts anderes als die Messung der Widerstände des gesamten Hin- und Rückwegs einer Stromschleife innerhalb eines Wechselstromkreises, die im Fehlerfall (z.B. Gehäuseschluss eines Betriebsmittels) entsteht.

Die folgende Abbildung zeigt eine solche Fehlerschleife für ein TN-CS-System bei einem Fehlerfall.

Abb. 1: Fehlerschleife in einem TN-CS-System mit einem fehlerbehafteten Betriebsmittel (Bildquelle: Dipl.-Ing. (FH) Christoph Schneppe, B.A.)
Klicken Sie bitte auf die Abbildung, um sie zu vergrößern.

Klicken Sie bitte auf die Abbildung, um sie zu vergrößern. Fehlerschleife in einem TN-CS-System.

In der Praxis einer Elektrofachkraft ist das TN-CS-System wohl die am häufigsten angewendete Netzform. Dabei kommen fast immer Spannungen zwischen 230 V und 400 V zur Anwendung. Typische Anwendungsbereiche für die Schleifenimpedanzmessung sind Steckdosenstromkreise und Verbraucherstromkreise mit Nennströmen bis 32 A.

Abschaltzeiten müssen beachtet werden

Laut VDE 0100-410 ("Errichten von Niederspannungsanlagen - Teil 4-41: Schutzmaßnahmen - Schutz gegen elektrischen Schlag"), Tabelle 41.1, muss in einem TN-System zur Realisierung der Schutzmaßnahme “Schutz durch Abschaltung” für Stromkreise bis max. 32 A innerhalb von 0,2 0,4 Sekunden durch die Schutzeinrichtung eine Abschaltung des fehlerbehafteten Stromkreises erfolgen (vgl. Beuth 2016b). Die Abschaltzeit der Schutzeinrichtung hängt dabei von der Charakteristik des Schutzorgans und des Nennstroms ab. So schaltet z.B. ein Leitungsschutzschalter mit einem Nennstrom von 16 A und einer Charakteristik vom Typ B innerhalb von 0,2 0,4 Sekunden ab, wenn mindestens das fünffache des Nennstroms fließt. In der Praxis bedeutet das, dass bei einem Fehlerstrom von 5 x INenn (5 x 16 A = 80 A) die Abschaltzeit normativ durch den beschriebenen Leitungsschutzschalter sichergestellt ist.

Angemerkt sei hier noch, dass Leitungsschutzschalter mit einer Charakteristik vom Typ C den zehnfachen und solche mit der Charakteristik vom Typ D das zwanzigfache des Nennstroms benötigen, um innerhalb der gleichen Zeit eine Abschaltung herbeizuführen. Bei dem Austausch von Leitungsschutzschaltern (z.B. aufgrund von Anlaufströmen an CEE-Steckdosen) ist deshalb auch immer die Schutzmaßnahme zu überprüfen.

Leitungs- und Übergangswiderstände begrenzen den Fehlerstrom

Damit die Schutzmaßnahme “Schutz durch Abschaltung” im Fehlerfall funktioniert, ist es erforderlich, dass ein möglichst großer Fehlerstrom innerhalb der Fehlerschleife fließen kann. Der Fehlerstrom wird jedoch maßgeblich durch den Leitungswiderstand (z.B. aufgrund von Leitungslänge und -querschnitt) bestimmt. Je größer die Leitungslänge und je kleiner der Leitungsquerschnitt, desto größer der Leitungswiderstand.

Die Schleifenimpedanz (Zs) muss laut VDE 0100-410, Abs. 411.4.4 in einem TN-System dabei so bemessen sein, dass diese zur Einhaltung der Schutzmaßnahme nicht größer wird als der Quotient aus Nennspannung (UNennspannung) des Außenleiters gegen Erde (z.B. 230 V für eine Steckdose) und erforderlichen Abschaltstrom (IAbschalt) der Schutzeinrichtung (z.B. 80 A für einen LS-Schalter vom Typ B 16 A). In einer Formel ausgedrückt bedeutet das:

ZS ≤ UNennspannung/IAbschalt

Als Rechen- und Messbeispiel für die maximale Schleifenimpedanz soll hier noch einmal die Steckdose mit 230 V dienen, die über einen LS-Schalter vom Typ B 16 A abgesichert ist:

Zs ≤ 230 V/80 A

Zs ≤ 2,88 Ω

Messwert mit Sicherheitsfaktor beaufschlagen

Die maximale Schleifenimpedanz dürfte somit theoretisch 2,88 Ω betragen. Dabei handelt es sich jedoch um einen rein akademischen Wert. Messgeräte nach VDE 0413 ("Elektrische Sicherheit in Niederspannungsnetzen bis AC 1.000 V und DC 1.500 V – Geräte zum Prüfen, Messen oder Überwachen von Schutzmaßnahmen") dürfen, auch wenn sie kalibriert sind, einen Messfehler (sog. Betriebsmessabweichung) von 30 % besitzen. D.h. die Elektrofachkraft sollte hier einen Sicherheitsaufschlag von mind. 30 % (Faktor 0,7) beachten:

Zs ≤ 0,7 x (230 V/80 A)

Zs ≤ 2,0 Ω

Für die Praxis bedeutet das, dass Schleifenimpedanz Messwerte von deutlich unter 2,0 Ω erreicht werden sollten. Messwerte um die 2,0 Ω sollten immer Grund für eine erhöhte Aufmerksamkeit bzw. Korrektur sein.

Tipps für wiederkehrende Messungen

Für die regelmäßigen wiederkehrenden Prüfungen muss die Schleifenimpedanz nicht zwingend für alle Steckdosen eines Bereichs (z.B. eines Flures) gemessen werden. In der Praxis reicht es vielmehr aus die Schleifenimpedanzmessung an der entferntesten Steckdose eines Stromkreises durchzuführen (z.B. letzte Steckdose des Flures). Diese Steckdose besitzt den längsten Leitungsweg. Demzufolge muss sie auch die höchste Impedanz und somit letztendlich auch den schlechtesten Messwert des gesamten Steckdosenstromkreises im Flur aufweisen.

Unterschied: Schleifenimpedanz und Netzinnenwiderstand

Oft kommt es in der Praxis zu Verwechslungen zwischen den Begriffen “Schleifenimpedanz” und “Netzinnenwiderstand”. Die Schleifenimpedanz wird zwischen Außen- und Schutzleiter gemessen.

Der Netzinnenwiderstand hingegen zwischen Außen- und Neutralleiter. Die Messung des Netzinnenwiderstands ist also keine Ersatzmessung für die Schleifenimpedanz. Die Messung gibt keine direkte Auskunft über den Schutzleiter. Bei dieser Messung wird vielmehr unterstellt, dass die Impedanz von Neutral- und Schutzleiter annähernd gleich sind.

Messungen in der Praxis

In der Praxis wird die Schleifenimpedanzmessung z.B. an Steckdosen durchgeführt, indem das Messgerät mit entsprechendem Adapter (z.B. Steckdosenadapter) in die unter Spannung stehende Steckdose eingesteckt wird. Je nach Messgerät gibt es eine entsprechende Auswahltaste für die Schleifenimpedanz (z.B. “Zs” oder „ZSchl.“).

Nach der automatischen Messung können am Messgerät meist sowohl der Impedanzwert (ZSchl.) als auch der aufgrund der gleichzeitig erfolgten Spannungsmessung (UN) vom Messgerät berechnete theoretische Kurzschlussstrom (IAuslöse oder Ik) abgelesen werden.

Die folgende Abbildung zeigt einen unzureichenden Schleifenimpedanz-Messwert für einen Steckdosenstromkreis ( Ik ≈ UNennspannung/Zs = 230 V / 3,2 Ω = 71,9 A).

Abb. 2: Unzureichender Schleifenimpedanz-Messwert an einem Steckdosenstromkreis (Bildquelle: Dipl.-Ing. (FH) Christoph Schneppe, B.A.)

Unzureichender Schleifenimpedanz-Messwert an einem Steckdosenstromkreis

Fazit

Die Messung der Schleifenimpedanz ist wichtig zur Überprüfung der Einhaltung von Schutzmaßnahmen. Durch den ermittelten Messwert kann die Elektrofachkraft den Nachweis führen, dass ein Stromkreis die normativ geforderten Abschaltbedingungen einhält. Dabei sind die Nennspannungen gegen Erde und der Abschaltstrom der Schutzeinrichtung zur Einhaltung der Abschaltzeiten laut VDE 0100-410 für die verschiedenen Netzformen von der Elektrofachkraft zu berücksichtigen. Sollte die Schleifenimpedanz zu hoch sein, so können zur Korrektur die Leitungslänge verringert, der Leitungsquerschnitt vergrößert oder die Schutzeinrichtung mit ihrer Charakteristik empfindlicher gestaltet werden.

Quellenangaben:

Beuth 2016a: Beuth Verlag GmbH, Am DIN-Platz, Burggrafenstraße 6, 10787 Berlin; VDE 0100-600:2008-06; Errichten von Niederspannungsanlagen - Teil 6: Prüfungen (28.03.2016)

Beuth 2016b: Beuth Verlag GmbH, Am DIN-Platz, Burggrafenstraße 6, 10787 Berlin; VDE 0100-410:2007-06; Errichten von Niederspannungsanlagen - Teil 4-41: Schutzmaßnahmen - Schutz gegen elektrischen Schlag (28.03.2016)

Autor: Dipl.-Ing. (FH) Christoph Schneppe, B.A.

Lesen Sie auch den Expertenbeitrag "Messpraktikum: Auslöseströme und -zeiten von RCDs"

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Kommentare

Kommentar von Martin |

Es müssen auch Beleuchtungsstromkreise gemessen werden, denn im Fehlerfall muss die automatische Abschaltung dort auch gewährleistet sein.

Kommentar von wilson |

Frage :
Müssen bei einer Wiederholungsprüfung auch reine Beleuchtungsstromkreise
gemessen werden ??

Kommentar von Michael MOhr |

Ich suche verzweifelt die Vorschrift, dass bei einer Messung nach DIN VDE 0100-600 (Erstprüfung) bzw. DIN VDE 0105-100 (Wiederholungsprüfung) die Netzimpedanz durch Messung nachgewiesen werden muss.
Folgender Hintergrund: Muss bei einem eingebauten RCD mit einem Nennfehlerstrom 30mA (Personenschutz) die Netzimpedanz / Kurzschluss L-N nachgewiesen werden?
Der RCD löst bei Kurzschluss L-N nicht aus, wenn der vorgeschaltet LS einen nur um 1,13 größeren Nennstrom dauerhaft führt, erfolgt die Auslösung > 1Std. In dieser Zeit könnten die Kontakte des RCD festkleben, was nicht bemerkt werden würde.
Im Falle einen Fehlerstroms welchen der RCD merkt, würde diese nie auslösen. Im günstigen Fall, brennt die Wicklung des RCD bei dauerhafter Überlast durch und der RCD löst aus, hoffentlich.
Kann mir jemand helfen?

Kommentar von wirths |

Hallo zusammen,

die Schleifenmessung bei Steckdosen ist klar. Wie sieht die Praxis denn bei Beleuchtungsanlagen oder ähnlicher Peripherie aus, die nicht so einfach demontiert werden können.

Kommentar von Christoph Schneppe |

Sehr geehrte Leser,
leider ist mir in diesem Fachbeitrag ein Fehler unterlaufen.
Normativ sind natürlich 0,4 Sekunden anstelle 0,2 Sekunden gefordert.
Sie alle hatten vollkommen recht.

Über diesen von mir, trotz mehrfachen Korrekturlesens, entgangenen Fehler im Text habe ich mich geärgert.
Gleichzeitig war ich natürlich über die zahlreichen Kommentare Ihrerseits sehr erfreut. Zeigt es doch, dass die Fachbeiträge kritisch gelesen und auch diskutiert werden.
Der Text wurde bereits aktualisiert. Danke für Ihre Kommentare.
Mit freundlichen Grüßen
Christoph Schneppe

Kommentar von Hartmuth Zittlau |

Kommentar von Bernd Schillke | 20.04.2016:
Hallo Herr Schillke,
ich kann Ihnen nur beipflichten! Bei einer sehr engen Auslegung des 230V-Wertes könnte man natürlich annehmen, dass hier die Grenze von 0,4sec bestünde...aber bei einer korrekten Spannungsmessung ergeben sich oftmals Spannungshöhen von über 230V, diese Werte messe ich als "Praktiker" ständig, wobei in meinen Messungen keine Belastungen(Verbraucher) anhängig sind! Trotzdem gehe ich, wie Sie es beschrieben haben, von der Abschaltzeit von 0,2sec aus, da der Wert über 230V liegt. Betrachtet man nun die tatsächlichen Werte, die erreicht werden(sollten), so wären die Abschaltzeiten gängiger Marken-LS-Schalter untergeordnet! Gleiches gilt bei der Beurteilung des theoretischen Messwertes, z.B. B16A- Automat mit min. 80A Mindestkurzschlussstrom! Kein vernünftiger Installateur käme auf die Idee einen Kurzschlussstrom von genau 80A als "gute" Installation zu verkaufen!

Kommentar von Torsten Schneider |

@ Bernd Schillke:
Über die Ablesefehler kann man nicht streiten, denn die Abschaltzeit ist hier definitiv mit 0,4s anzusetzen. Denn da steht 120V<U0<oder= 230V => 0,4s.
Beachten muss man hier U0(!), welche die Spannung eines Außenleiters gegen geerdete Leiter, Neutralleiter oder PEN Leiter ist. Also 230V und demnach sind wir ganz klar bei eben diesen 0,4s.

@ Sebastian:
Du hast Recht wenn Du sagst mind. 0,2A für den Punkt 18.2 Prüfung 1. Ich würde aber (wenn es der Querschnitt des Schutzleitersystems zulässt) mit 5A oder 10A messen. Das hat den Vorteil, dass bei einer Messdauer von ca. 5-10s unsauber ausgeführte Verbindungen (Spliss beim Pressen von Kabelschuhen etc.) wegbrennen und so fehlerhafte Verbindungen erkannt werden können.
Prüfung 2 kann dann entweder berechnet werden, oder eben die Fehlerschleifenimpedanz gemessen werden und dann mit der Auslösecharakteristik des zugehörigen Überstromschutzorganes verglichen werden.
-> hier kommen bei U0 230V dann wieder die 0,4s ins Spiel.

Kommentar von Bernd Schillke |

Hallo,
einige Kommentare beschäftigen sich mit Ablesefehler aus VDE 0100 T410. Darüber kann man streiten. In der Tabelle wir von 120 - 230 V AC eine Abschaltzeit von max 0,4 sec gefordert.
Für 230 - 400 V AV jedoch eine von max 0,2 sec.
Jetzt ist es Auslegungssache, an was wir uns halten. Da jedoch in einem TN-CS Netz 3 Phasen 230/400V sind ist von 0,2 sec Abschaltzeit auszugehen. Ich (als Elektrotechniker) kenne nur andere, gestandene Fachmänner (Meister, Techniker, Ing.) welche der gleichen Meinung sind. Im Übrigen, sind diese Abschaltzeiten auch in allen, mir bekannten, Tabellenbüchern mit <0,2 sec aufgeführt!

Kommentar von Sebastian |

Die Prüfung mit 10A Messstrom zur Messung des Spannungsfalles stammen aus der DIN EN 60204-1:1997. Diese wurde aber von DIN EN 60204-1:2006 abgelöst, nach welcher der Prüfstrom mind. 0,2A betragen sollte . Durchgängigkeit des Schutzleiters ist dann gegeben, wenn der gemessene Widerstand jenem entspricht, der anhand Länge, Querschnitt und Material des geprüften Schutzleiters zu erwarten ist. Mit der gemessenen Netzimpedanz ließe sich nun der Kurzschlussstrom bzw. die Fehlerschleifenimpedanz für den Motor per Rechnung nachweisen, sofern alle Kabelparameter (Länge, Querschnitt und Material) bekannt sind.

Kommentar von Josef Lamminger |

In Industrieanlagen müssen die Leitungen zu Motoren nach VDE 0113 gemessen werden, hier ist es erforderlich den Schutzleiterwiderstand mit einem geeigneten Messinstrument mit 10A Messstrom auf den Spannungsfall zu überprüfen, dieser kann auch bei ausgeschalteter Anlage festgestellt werden.

Kommentar von Markus Meijer |

Hallo, wie ich die ganzen Messungen in Steckdosen Stromkreisen machen muss ist mir ja klar, aber wie sieht das in Industureanlagen aus. Wenn ich nur Laststromkreise mit Motoren habe, ich kann hier schlecht in den Schutzkreis klettern, den Motor unter Spannung stzen und dann am Motorklemmbrett messen.

Kommentar von Sven Kubin |

Leider ist hier wie so oft der Fehler gemacht worden, dass die Tabelle der VDE 0100-410 falsch gelesen wird. Es handelt sich um eine Spannung von 230 V (egal ob gegen PE oder N gemessen, somit ist eine Abschaltet von 0,4 s einzuhalten.

Kommentar von Rehbein |

Hallo,

ich finde den Beitrag insgesamt gut.
Es hätte vielleicht noch erwähnt werden können , dass die Messung des Netzinnenwiderstandes in der VDE nur empfohlen wird aber, bei Durchführung, damit auch die in der 0100-600 geforderte Überprüfung der Durchgängigkeit des N, also ggfs. vorhandene Unterbrechungen erkannt werden.
Ich halte diese eine, einfache Messung mehr, für eine gute Plausibilitätätsprüfung der durchgeführten Schleifenimpedanzmessung, d.h. die Messwerte dürfen nicht gravierend voneinander abweichen!

Kommentar von Daniel |

Wie ermittelt der Autor hier eine Abschaltzeit von 0,2s für das TN-System? Meiner Meinung nach sollten hier 0,4s genannt werden. Dies leitet sich aus der DIN VDE 0100-410 ab, die für eine Außenleiterspannung kleinergleich 230 V, ganz klar 0,4s nennt. Oder spricht der Autor hier von 690 Volt Netzen und das ist mir entgangen...

Kommentar von Peter Zimmermann |

Hallo,

die Abschalteten im TN-Netz sind hier falsch interpretiert.
Laut VDE 0100 T410 sind 0,4 Sekunden ausreichend. Da hier immer die Spannung U0 genannt wird. U0 ist die Spannung gegen Erde und somit 230 Volt.
Somit steht in der VDE U0 <= 230 Volt und somit gilt 0,4 Sekunden.
Dies wird sehr oft falsch gemacht.

* Pflichtfeld