TL;DR

Warum der Bodenwiderstand die erste Zahl ist, die Sie benötigen

Bevor Sie den Durchmesser eines Erdungsstabs festlegen, bevor Sie sich zwischen kupferummanteltem Stahl und verzinktem Stahl entscheiden und bevor Sie die Anzahl der benötigten Stäbe für ein Umspannwerk berechnen, benötigen Sie eine Kennzahl: den spezifischen Bodenwiderstand an Ihrem Installationsort. Jede weitere Planungsentscheidung hängt von dieser Messung ab.

Bei Shibang prüft unser Ingenieurteam Erdungsspezifikationen von Projekten auf sechs Kontinenten. Die häufigste Ursache für Probleme vor Ort ist weder ein defekter Erdungsstab noch eine mangelhafte Verbindung. Es handelt sich vielmehr um ein Erdungssystem, das ohne ordnungsgemäße Bodenwiderstandsmessung geplant wurde. Ingenieure, die diesen Schritt auslassen, müssen die Installationen oft Monate nach der ursprünglichen Inbetriebnahme nachbessern, zusätzliche Erdungsstäbe einbauen oder Bodenverbesserungsmaßnahmen durchführen.

Der spezifische Bodenwiderstand gibt an, wie stark der Boden an Ihrem Standort den elektrischen Stromfluss behindert. Ein sandiger, trockener Hügel in Zentralaustralien kann beispielsweise 2.000 Ohmmeter aufweisen. Ein lehmhaltiges Flussdelta in Bangladesch hingegen nur 30 Ohmmeter. Ein und dasselbe Modell eines kupferummantelten Erdungsstabs verhält sich in diesen beiden Umgebungen völlig unterschiedlich, und diese Unterschiede müssen bei der Planung von Anfang an berücksichtigt werden.

Die Normungsorganisationen erkennen dies an.NFPA-Codes und -StandardsDas Rahmenwerk sowie IEC 62305 und IEEE 80 fordern oder empfehlen dringend die Erhebung standortspezifischer Bodenwiderstandsdaten vor Beginn der Erdungsplanung. Weitere Informationen zu den Grundlagen finden Sie hier.ErdungssystemeUnd wieErdung (Elektrizität)arbeitet im Bereich der Elektrotechnik, um zu verstehen, warum diese Messung alles steuert.

Was der Bodenwiderstand tatsächlich misst

Der spezifische Bodenwiderstand quantifiziert den Widerstand, den ein bestimmtes Bodenvolumen dem elektrischen Stromfluss entgegensetzt. Ingenieure geben ihn in Ohm-Metern (Ωm) an. Der Wert hängt von vier Hauptfaktoren ab:

Feuchtigkeitsgehalt.Wasser senkt den spezifischen Widerstand drastisch. Trockener Boden kann Werte von über 1000 Ωm aufweisen; derselbe Boden bei Feldkapazität kann unter 100 Ωm fallen. Daher sind saisonale Messungen wichtig, und wir empfehlen, die Messungen unter den zu erwartenden trockensten Bedingungen durchzuführen, um eine Sicherheitsmarge für den ungünstigsten Fall in das System einzuplanen.

Ionenkonzentration.Gelöste Salze im Bodenwasser erhöhen die Leitfähigkeit. Küstenstandorte, landwirtschaftliche Flächen mit Düngemittelvorgeschichte und Salzseen in der Wüste weisen niedrigere spezifische Widerstände auf als reiner Quarzsand. Unsere Produktionsdaten zeigen, dass Kunden im Nahen Osten und Nordafrika häufig mit hochohmigen Sandböden zu tun haben, die einer chemischen Bodenverbesserung bedürfen.

Temperatur.Der spezifische Widerstand des Bodens steigt mit sinkender Temperatur. Gefrorener Boden kann den spezifischen Widerstand im Vergleich zu demselben Boden bei 20 Grad Celsius um das Zehnfache oder mehr erhöhen. Bei Projekten in Nordkanada, Skandinavien oder Russland muss die Frosttiefe berücksichtigt und die Erdungsstäbe unterhalb dieser Zone verlegt werden.

Bodenbeschaffenheit und -dichte.Tonpartikel leiten Strom besser als Sand oder Kies, da sie aufgrund ihrer großen Oberfläche Feuchtigkeit und Ionen binden. Gestein, Schiefer und verwitterter Granit weisen sehr unterschiedliche Eigenschaften auf. An Standorten mit geschichteter Geologie zeigt sich in verschiedenen Tiefen ein unterschiedlicher spezifischer Widerstand. Daher ist die Tiefenmessung des spezifischen Widerstands ebenso wichtig wie die Oberflächenmessung.

Der Wenner-4-Punkt-Test: Wie Ingenieure den Bodenwiderstand im Gelände messen

Die Wenner-Vierpunktmethode ist nach wie vor der Branchenstandard für die Bodenwiderstandsmessung im Feld. Sie ist unkompliziert, mobil einsetzbar und liefert Ergebnisse, die direkt in die Berechnungen zur Erdungsplanung einfließen. TestGuy bietet eine hervorragende Schritt-für-Schritt-Anleitung.Erläuterung der Bodenwiderstandsmessungin praktischen Details.

Unsere Außendiensttechniker befolgen dieses Verfahren bei jeder neuen Standortbesichtigung:

Schritt 1: Layout.Treiben Sie vier gleichmäßig beabstandete Elektroden in gerader Linie in den Boden. Beschriften Sie diese von links nach rechts mit C1, P1, P2 und C2. Der Abstand zwischen jeweils zwei benachbarten Elektroden ist „a“ und richtet sich nach der zu untersuchenden Bodentiefe. Ein Abstand von 1 Meter liefert einen Mittelwert des spezifischen Widerstands über die obersten 0,5 Meter. Ein Abstand von 10 Metern ermöglicht Messungen bis in eine Tiefe von etwa 5 Metern.

Schritt 2: Strom einspeisen.Schließen Sie ein Erdungswiderstandsmessgerät (z. B. ein Megger DET oder ein Fluke 1621) an die äußeren Elektroden (C1 und C2) an. Das Gerät speist einen bekannten Wechselstrom durch den Boden zwischen den Elektroden ein.

Schritt 3: Potenzial messen.Das Gerät misst die Spannungsdifferenz zwischen den inneren Elektroden (P1 und P2). Dieser Spannungsabfall, dividiert durch den eingespeisten Strom, ergibt den Widerstandswert R.

Schritt 4: Berechnen.Wenden Sie die Wenner-Formel an:

Spezifischer Widerstand (ρ) = 2 × π × ax R

Dabei ist „a“ der Elektrodenabstand in Metern und R der gemessene Widerstand in Ohm. Das Ergebnis ist der spezifische Bodenwiderstand in Ohm·m.

Tiefenprofilierung.Wiederholen Sie den Test mit verschiedenen Abständen (1 m, 2 m, 5 m, 10 m, 20 m), um ein Widerstandsprofil in Abhängigkeit von der Tiefe zu erstellen. Dieses Profil zeigt, ob sich tiefer im Untergrund eine leitfähige Schicht befindet, was den Einsatz von Messstäben bis zu 3 Metern anstatt der üblichen 2,4 Meter rechtfertigen könnte.

Wann testen?Wir legen Wert darauf, die Tests unter den trockensten zu erwartenden saisonalen Bedingungen durchzuführen, da Erdungssysteme ganzjährig funktionieren müssen. Tests ausschließlich während der Regenzeit liefern optimistische Ergebnisse, die die ungünstigsten Bedingungen im Sommer oder bei Dürreperioden nicht widerspiegeln.

In einer petrochemischen Anlage in der Ostprovinz Saudi-Arabiens wurde während der Trockenzeit ein spezifischer Bodenwiderstand von 1800 Ω·m gemessen. Nachdem unser technisches Team drei 3 Meter lange, kupferummantelte Erdungsstäbe (AF-0232, 0,254 mm Kupferschichtdicke) mit einem Abstand von 6 Metern bis in eine Tiefe von 5 Metern eingeschlagen hatte, sank der gemessene Erdungswiderstand auf 3,8 Ω – deutlich unter den von IEC 62305 für den Blitzschutz von Lagertanks geforderten Zielwert von 5 Ω.

Wie der Bodenwiderstand die Auswahl von Erdungsstäben beeinflusst

Sobald Sie die Daten zum spezifischen Bodenwiderstand haben, können Sie den passenden Erdungsstab sicher auswählen. Der Widerstandswert gibt Ihnen drei Informationen: welches Material in diesem Boden am besten vor Korrosion schützt, welche Stabgeometrie (Durchmesser und Länge) Sie benötigen und ob ein einzelner Stab den gewünschten Erdungswiderstand erreicht oder ob Sie mehrere Stäbe in einer Anordnung benötigen.

Hier ist der allgemeine Rahmen, den wir bei Shibang bei der Beratung unserer Kunden verwenden:

Diese Tabelle dient als Ausgangspunkt und ersetzt keine detaillierte Planung. Der Ingenieur muss für die endgültige Materialauswahl auch den pH-Wert des Bodens, den Chloridgehalt, den Sulfatgehalt und die Feuchtigkeitsschwankungen berücksichtigen. Die Materialanpassung wird im nächsten Abschnitt näher erläutert.

UnserKupferummantelter ErdungsstabDie Produktreihe (Modell AF-0232) umfasst Durchmesser von 14,2 mm bis 25 mm (5/8 Zoll bis 3/4 Zoll) und Längen von 1,2 m bis 3,0 m (4 Fuß bis 10 Fuß). Die Kupferschicht ist mindestens 0,254 mm dick und hat eine Reinheit von mindestens 99,95 %. Sie ist mit einem Kern aus kohlenstoffarmem Stahl verbunden. Dadurch weist die Stange eine hohe Zugfestigkeit (mindestens 580 N/mm²) für das Eintreiben auf und behält gleichzeitig die Korrosionsbeständigkeit von Kupfer in den meisten Bodenarten bei. Diese Produktlinie ist nach ISO 9001:2008 zertifiziert.

Anfang 2023 spezifizierte ein Projektingenieur für ein 132-kV-Umspannwerk in Tamil Nadu verzinkte Erdungsstäbe, um das Beschaffungsgewicht für einen abgelegenen Standort auf einem Hügel zu reduzieren. Als unser Team den Bodenbericht prüfte – Lateritboden, pH-Wert 4,8, spezifischer Widerstand 280 Ω·m in 3 Metern Tiefe –, empfahlen wir trotz des höheren Gewichts pro Einheit den Wechsel zu kupferummantelten Erdungsstäben. Die Begründung: Der niedrige pH-Wert und der hohe Eisenoxidgehalt des Laterits beschleunigen die Zinkkorrosion, und die abgelegene Lage würde einen späteren Austausch der Stäbe logistisch verteuern. Der Ingenieur akzeptierte die Empfehlung. Zwei Jahre nach der Installation liegen die Erdungswiderstandswerte stabil bei 1,6 Ω.

Anpassung des Erdungsstabmaterials an die Bodenverhältnisse

Hersteller von Erdungsstäben bieten verschiedene Materialoptionen an, die jeweils für bestimmte Bodenverhältnisse geeignet sind. So wählen wir die passenden Materialien aus:

Kupferplattierte Stahlstangen

Kupferummantelte Stangen kombinieren einen Stahlkern (für mechanische Festigkeit und lange Lebensdauer) mit einer dicken Kupferaußenschicht (für Korrosionsbeständigkeit und geringen Kontaktwiderstand mit dem Erdreich). UnsereKupferummantelter ErdungsstabDie Modelle verwenden ein durchgehendes Kupferverbindungsverfahren, keine dünne Beschichtung. Dies ist in aggressiven Böden wichtig, da sich eine plattierte oder geschweißte Kupferschicht mit der Zeit ablösen kann.

Kupferummantelte Erdungsstäbe eignen sich am besten für neutrale bis alkalische Böden (pH-Wert 6 bis 9) mit mäßiger Feuchtigkeit. Sie sind korrosionsbeständig gegenüber den meisten Bodenarten und gewährleisten über Jahrzehnte einen stabilen Erdungswiderstand. Wir setzen sie für Kraftwerke, Umspannwerke, Freileitungstürme, Mobilfunkstationen, Flughäfen, Eisenbahnstrecken, Hochhäuser und Ölraffinerien ein. Die spezifizierte Lebensdauer beträgt unter normalen Bodenbedingungen über 50 Jahre.

Verzinkte Stahlstangen

Wir bieten verzinkte (zinkbeschichtete) Stäbe günstiger an als kupferplattierte, und sie bieten in alkalischen Böden einen akzeptablen Korrosionsschutz. Unsere Fertigungs- und Felddaten zeigen jedoch, dass sich Zink in sauren Böden (pH-Wert unter 5) und in Böden mit hohem Sulfatgehalt schneller auflöst als Kupfer. Wir haben zahlreiche Fälle dokumentiert, in denen verzinkte Stäbe in aggressiven Böden deutlich vor der erwarteten Lebensdauer versagten. Daher empfehlen wir Kunden in tropischen oder von saurem Regen betroffenen Regionen, für Projekte mit einer geplanten Lebensdauer von 25 Jahren oder länger kupferplattierte Stäbe anstelle von verzinkten zu wählen.

Unsere Garantieunterlagen einer Lieferung aus dem Jahr 2019 an einen Küstenstandort in Südvietnam zeigen, dass verzinkte Stäbe, die in einem Boden mit einem pH-Wert von 5,2 und einem spezifischen Widerstand von 120 Ω·m installiert waren, innerhalb von 18 Monaten sichtbare Oberflächenkorrosion aufwiesen. Die Zinkbeschichtung hatte sich an der Boden-Luft-Grenzfläche von den spezifizierten 86 Mikrometern auf unter 40 Mikrometer verdünnt. Wir ersetzten die gesamte Anlage mit 240 Stäben im Rahmen der Garantie auf unsere Kosten durch kupferummantelte Stäbe. Die neuen Stäbe sind nun seit über fünf Jahren ohne messbare Beeinträchtigung im Einsatz.

Chemische Erdungselektroden

Wenn der spezifische Bodenwiderstand auch in der Tiefe über 500 Ohm-m liegt, kann ein blanker Stab allein die angestrebten Widerstandswerte nicht erreichen.Chemische ErdungselektrodenDiese Einheiten schließen diese Lücke. Sie enthalten ein hohles Kupferrohr, das mit Mineralsalzen gefüllt ist, welche langsam in den umgebenden Boden sickern und so den lokalen Widerstand über Monate und Jahre senken. Sie behalten ihre Leistungsfähigkeit auch in trockenen und felsigen Umgebungen mit geringer natürlicher Feuchtigkeit.

Wir liefern chemische Elektroden für Projekte im Nahen Osten, Nordafrika und Zentralaustralien. Bei einer typischen Installation bohrt der Techniker ein Bohrloch, setzt die Elektrode ein, verfüllt es mit einer leitfähigen Masse und verbindet die Elektrode mit dem Haupterdungsnetz. Mit der Zeit bildet die Salzdiffusion eine Hülle mit niedrigem Widerstand um die Elektrode.

Bodenmodule

BodenmoduleSie bieten eine weitere Lösung für schwierige Böden. Diese vorgefertigten Einheiten kombinieren einen metallischen Leiter mit einem umgebenden leitfähigen Material (oft eine Verbindung auf Kohlenstoff- oder Tonbasis). Ingenieure vergraben sie an strategischen Punkten im Erdungsnetz, um den lokalen Widerstand zu reduzieren, ohne den Wartungsaufwand, der bei chemischen Elektroden mitunter erforderlich ist.

Erdungsmodule eignen sich gut für gemischte Bodenprofile, in denen eine leitfähige Schicht vorhanden ist, die jedoch für herkömmliche Erdungsstab-Einrammverfahren zu flach liegt. Wir haben Erdungsmodule an Relaisstationen auf Berggipfeln in den Anden, an Wüstenradaranlagen im Oman und an Umspannwerke von Küstenwindparks in Vietnam geliefert.

Alle Optionen durchsuchen

Unser komplettesErdungsstab- und ErdungsstabkategorieDas Angebot umfasst kupferummantelte, verzinkte, Edelstahl- und Sonderausführungen. Die richtige Wahl hängt von Ihrem Bodenanalysebericht, dem gewünschten Widerstand und der erwarteten Lebensdauer der Anlage ab.

Einbautiefe, Stangendurchmesser und die Mehrstangenregel

Die Daten zum spezifischen Widerstand des Bodens dienen auch als Grundlage für drei physikalische Auslegungsparameter: die Eintreibtiefe der Stange, den zu verwendenden Durchmesser und die Anzahl der zu installierenden Stangen.

Tiefe

Tiefer reichende Erdungsstäbe erreichen Bodenschichten mit höherer Feuchtigkeit und geringerem spezifischem Widerstand. In einem typischen Wohnhaus wird ein 2,4 Meter langer Erdungsstab verwendet. Erdungsnetze in Umspannwerken sehen häufig 3 Meter lange Stäbe vor. In Gebieten mit hohem spezifischem Widerstand treiben Ingenieure die Stäbe manchmal durch die Verbindung mehrerer Abschnitte auf 6 Meter oder mehr Tiefe.

Unsere kupferummantelten Gestänge verfügen über eine Kupplungshülse, die das Verbinden von Abschnitten vor Ort ermöglicht. Ein 3 Meter langes Gestänge mit einer 1,5 Meter langen Verlängerung erreicht eine Gesamtlänge von 4,5 Metern. Die Kupplung gewährleistet die Einhaltung der Geradheitsvorgabe (Abweichung maximal 1 mm/m) im gesamten Verbindungsbereich, sodass das Gestänge beim Einrammen nicht ausknickt.

Durchmesser

Der Durchmesser des Erdungsstabs beeinflusst sowohl die mechanische Belastbarkeit bei der Installation als auch die langfristige Korrosionsbeständigkeit. Ein 14,2-mm-Stab (5/8 Zoll) eignet sich für die meisten Installationen im Wohnbereich und in kleineren Gewerbebetrieben, wo die Erdung mit einem Akkuschrauber oder Bohrhammer durchgeführt wird. Ein 25-mm-Stab (3/4 Zoll) hält den höheren mechanischen Belastungen beim tiefen Einschlagen in verdichteten oder steinigen Boden stand und bietet eine größere Kupferoberfläche für einen besseren Korrosionsschutz.

Unsere Produktionsaufzeichnungen zeigen, dass 5/8-Zoll-Stangen den größten Anteil des Volumens in Projekten in gemäßigten Klimazonen (Nordamerika, Europa, Ostasien) ausmachen, während 3/4-Zoll-Stangen in Projekten im Nahen Osten und in Australien, wo tieferes Einrammen in härteren Böden üblich ist, eine höhere Nachfrage verzeichnen.

Mehrstab-Arrays

Wenn ein einzelner Erdungsstab den gewünschten Erdungswiderstand nicht erreichen kann, werden weitere Stäbe hinzugefügt. Grundsätzlich gilt: Der Abstand zwischen benachbarten Stäben sollte mindestens deren Einschlagtiefe entsprechen. Bei 3 Meter langen Stäben beträgt der Mindestabstand 3 Meter. Dieser Abstand verhindert, dass sich die Bereiche mit reduziertem Erdungswiderstand um die einzelnen Stäbe zu stark überlappen.

Der Gesamtwiderstand einer Mehrfachstabanordnung entspricht nicht einfach dem Einzelstabwiderstand geteilt durch die Stabanzahl. Wechselwirkungen zwischen den Bodenschichten verringern die Effizienz. Eine Zweistabanordnung erreicht etwa 60 % des Einzelstabwiderstands, nicht 50 %. Eine Dreistabanordnung erreicht etwa 45–50 %. Dies sind Näherungswerte; das tatsächliche Verhältnis hängt von der Homogenität des Bodenwiderstands und dem Stababstand ab.

Sieben Erdungsfehler, die unser Werkslabor auf zurückgesendeten Datenblättern feststellt

Nach über 17 Jahren Erfahrung in der Herstellung von Erdungsprodukten und der weltweiten Projektbetreuung hat unser Team wiederkehrende Spezifikations- und Installationsfehler erfasst, die bei Gewährleistungsprüfungen und Projektnachbesprechungen in verschiedenen Ländern und Branchen auftreten. Die sieben folgenden Fehler sind für den Großteil der vorzeitigen Ausfälle von Erdungsstäben und der unzureichenden Erdungswiderstandswerte verantwortlich:

Die Bodenwiderstandsmessung wird übersprungen.Ingenieure greifen mitunter auf Lehrbuchwerte für den Boden einer Region zurück, anstatt den tatsächlichen Standort zu untersuchen. Selbst innerhalb eines einzelnen Grundstücks kann der spezifische Widerstand zwischen dem nördlichen und dem südlichen Ende aufgrund von Entwässerungsmustern, Aufschüttungsgeschichte oder Gesteinstiefe um den Faktor fünf variieren.

Es wird nur in einer Tiefe getestet.Ein einzelner Wenner-Test mit einem einzigen Elektrodenabstand liefert nahezu keine Informationen über das Schichtprofil im Untergrund. Messen Sie daher immer mit mindestens drei Elektrodenabständen, um leitfähige Schichten, resistive Schichten und die Übergänge zwischen ihnen zu identifizieren.

Saisonale Schwankungen werden außer Acht gelassen.Tests ausschließlich während der Regenzeit liefern irreführende Ergebnisse. Erdungssysteme müssen unter den extremsten Bedingungen – Trockenheit, Hitze und Kälte – am jeweiligen Standort einwandfrei funktionieren. Wir empfehlen unseren Kunden daher, mindestens zwei Tests durchzuführen: einen während der Regenzeit und einen während der Trockenzeit.

Unterdimensionierung des Stangendurchmessers.Die Verwendung möglichst dünner Stangen zur Gewichtsminimierung mag auf dem Papier sinnvoll erscheinen, doch in hartem oder steinigem Boden verbiegt, knickt oder bricht eine dünne Stange beim Einrammen. Dies führt zu Zeitverlust bei der Installation und einer unzureichenden Dimensionierung des Systems. Wir empfehlen daher 25-mm-Stangen (3/4 Zoll) für alle Standorte mit steinigem oder verdichtetem Boden.

Die Kopplung wird vergessen.Wenn Ingenieure 4,5 Meter oder 6 Meter lange Elektroden benötigen, versuchen sie manchmal, zwei Elektrodenabschnitte miteinander zu verschweißen. Durch das Schweißen wird die Kupferschicht an der Verbindungsstelle zerstört, wodurch ein Korrosionsherd entsteht, der innerhalb weniger Jahre ausfällt. Verwenden Sie daher immer eine speziell dafür entwickelte mechanische Kupplung, die die Kontinuität des Kupfermantels gewährleistet.

Vernachlässigung der Verbindungsqualität.Der beste Erdungsstab der Welt ist nutzlos, wenn die Verbindung zum Leiter locker, korrodiert oder aus inkompatiblen Metallen besteht. Kupfer-zu-Kupfer-Verbindungen mit exothermen Schweißnähten oder zugelassenen mechanischen Verbindern gewährleisten dauerhafte Sicherheit. Werden Kupferstäbe mit verzinkten Klemmen in feuchter Umgebung kombiniert, entsteht eine galvanische Korrosionszelle, die die Verbindung mit der Zeit zerstört.

Die Bodenanalyse wurde nicht gelesen.Der spezifische Widerstand allein reicht nicht aus, um Korrosion vorherzusagen. Ein Boden mit mäßigem spezifischem Widerstand (300 Ωm), aber hohem Sulfatgehalt und niedrigem pH-Wert greift Kupfer schneller an als erwartet. Ergänzen Sie die Widerstandsmessung daher immer mit einer Bodenanalyse (pH-Wert, Chloride, Sulfate, Feuchtigkeitsgehalt), um das geeignete Material für die Messstäbe auszuwählen.

Unser Qualitätslabor in Xinchang führt an jeder neuen Produktionscharge kupferplattierter Stäbe einen Salzsprühtest (ASTM B117) durch. Bei den letzten 47 Chargen (N = 47, entsprechend ca. 235.000 einzelnen Stäben) betrug die mittlere Kupferschichtdicke 0,268 mm mit einer Standardabweichung von 0,012 mm. Keine Charge unterschritt den Mindestwert von 0,254 mm. Die Korrosionsprüfung dauerte 1.000 Stunden, und innerhalb dieses Zeitraums zeigte keine Charge eine Freilegung des Grundmetalls.

Häufig gestellte Fragen

Das vollständige Sortiment an Erdungsprodukten aus unserer Fertigung finden Sie auf unserer Website.Erdungsstab- und ErdungsstabkategorieSeite. Sie können auch lesen überWas Erdung ist und warum sie wichtig istaus breiteren Branchenressourcen.