Mit der Schleifenimpedanz Überstrom-Schutzeinrichtungen einfach prüfen

Im Blog der GP Prüfservice GmbH gehen unsere Experten regelmäßig auf Fragen zu Elektromotoren und Elektrischen Anlagen ein und erklären Fachbegriffe. Hier widmen wir uns dem Thema, wie man mit der Schleifenimpedanz Überstrom-Schutzeinrichtungen einfach prüfen kann. Und wir beantworten die häufig gestellte Frage, ob man die Schleifenimpedanz mit einem Multimeter messen kann.

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Bei der Berechnung von Wechselströmen ist die Impedanz das Gegenstück zum Ohm’schen Widerstand in Gleichstromnetzen. Dem Begriff Schleifenimpedanz begegnen Sie besonders bei der Auslegung und Prüfung von Überstrom-Schutzeinrichtungen. Er bezeichnet hier den gesamten Wechselstromwiderstand der Stromschleife, die bei einem Isolationsfehler von einem Außenleiter über den Schutzleiter und den damit verbundenen Körper zurück zum Außenleiter führt.

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Die praktische Bedeutung der Schleifenimpedanz (ZS) im Zusammenhang mit Überstrom-Schutzeinrichtungen liegt darin, dass eine bestimmte Mindeststromstärke erforderlich ist, um eine ausreichend schnelle Aktivierung des Schutzschalters zu gewährleisten. Der Kurzschlussstrom selbst ist im Allgemeinen nur sehr aufwändig zu ermitteln. Die Messung der Schleifenimpedanz, von der er abhängt, ist dagegen einfach. Sie darf zum Beispiel für einen Leitungsschutzschalter mit Charakteristik B gemäß DIN VDE 0641 in einem 230 V Wechselstromkreis mit einer Bemessungsstromstärke von 16 A den Wert 2,88 Ω nicht überschreiten.

Für die Ermittlung der Schleifenimpedanz ist zunächst der Normensatz DIN VDE 100 zu berücksichtigen, der sich mit der Errichtung von Niederspannungseinrichtungen bis 1000 V Wechselstrom respektive 1500 V Gleichstrom befasst. Interessant ist besonders die Gruppe 400 “Schutzmaßnahmen” und darin die Norm DIN VDE 0100-430 “Schutz von Kabeln und Leitungen bei Überstrom.

Weitere wichtige Informationen und Definitionen finden Sie in der Norm DIN VDE 0413, die sich mit den Baubestimmungen für Prüfgeräte befasst, wie sie auch für die Schleifenimpedanzmessung verwendet werden, beispielsweise in DIN VDE 0413 Teil 4 mit den Anforderungen an Messgeräte sowie in Teil 3 mit den zulässigen Gebrauchsfehlern.

Richtlinien für die Gestaltung von haushaltsüblichen Leitungsschutzschaltern finden Sie in der Norm DIN VDE 0641. Die Norm DIN VDE 0660 wiederum befasst sich in ihren Teilen mit Schaltgeräten und ihren Kombinationen.

Die relevanten Vorschriften und Normen lassen hinsichtlich der Erdung mehrere Schaltungsvarianten zu. Diese sind durch Buchstabenkombinationen gekennzeichnet. Die erste Stelle beschreibt die Erdung der Stromquelle. Hier steht entweder ein T, wenn an einem Punkt eine direkte Erdverbindung besteht, oder ein I, falls alle aktiven Teile vom Erdpotential isoliert sind oder nur eine Verbindung über eine Impedanz vorhanden ist.

Eine zweite Stelle kennzeichnet die Erdung des Körpers der elektrischen Anlage. Auch hier weist ein T auf eine direkte Erdung eines Punktes hin, unabhängig von der Erdung der Stromquelle. Bei TN-Systemen erfolgt die Erdung dagegen über einen Betriebserder, der seinerseits unmittelbar mit Erde verbunden ist.

Für die Bestimmung der Schleifenimpedanz ist ein optionaler Zusatzbuchstabe interessant, der gegebenenfalls mit einem Bindestrich angehängt wird. Er gibt Auskunft über die Verwendung von Neutral- (N) und Schutzleitern (PE). Diese sind in einem TN-C Netz zu einem PEN-Leiter kombiniert. Während Sie die Schleifenimpedanz normalerweise zwischen Außen- (L) und Schutzleiter, getrennt vom Neutralleiter messen, ist der zweite Messpunkt für die Schleifenimpedanz in einer solchen Netz-Konstellation der PEN-Leiter.

Eine häufig gestellte Frage im Zusammenhang mit der Schleifenimpedanz lautet:

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Frage: Kann ich die Schleifenimpedanz mit einem Multimeter messen?

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Antwort: Nein. Für die Schleifenimpedanzmessung sind spezielle Prüfgeräte erforderlich.

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Für die Begründung müssen wir ein bisschen ausholen: Das Bestimmen von Messgrößen, die zur Ermittlung der Schleifenimpedanz und anderer Kenngrößen von Niederspannungseinrichtungen erforderlich sind, gehört zwar prinzipiell zum Funktionsumfang handelsüblicher Vielfachmessgeräte, der so genannten Multimeter. Insbesondere die für den mobilen Einsatz besonders geeigneten Handmultimeter sind aber oft nicht ausreichend leistungsfähig.

Digitalmultimeter können zum Beispiel die für eine korrekte Ermittlung der Schleifenimpedanz nötige Stromstärke bei der Widerstandsmessung nicht bereitstellen. Sie entsprechen daher nicht den in DIN VDE 0413 Teil 4 festgelegten Anforderungen und sind deshalb nicht geeignet.

Anforderungen an Mess- und Prüfgeräte

Die Messspannung muss zwischen 4 und 24 V liegen. Die Messströme müssen mindestens 0,2 A bei Gleichstrom beziehungsweise mindestens 5 A bei Wechselstrom betragen.

Für die Schleifenimpedanzmessung und andere Installationsprüfungen sind daher in der Regel spezielle Prüfgeräte erforderlich, die im Handel als Schleifenwiderstandsmessgerät geführt werden. Solche Installationstester bieten meist den zusätzlichen Vorteil, dass sie die Erstellung der geforderten Prüfprotokolle unterstützen, zum Beispiel durch entsprechende Speichermöglichkeiten. Da die Schleifenwiderstandsmessgeräte im Vergleich zu einem Multimeter recht teuer sind, ist vor allem für kleinere Unternehmen das Outsourcing der erforderlichen Prüfungen meist die bessere Lösung. Die GP Prüfservice GmbH unterbreitet Ihnen gerne ein Angebot.

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Nachdem wir nun die Bedeutung, die Vorschriften und die Anforderungen an Messgeräte behandelt haben, bleibt die Frage, wie die Schleifenimpedanz eigentlich berechnet wird. Die Schleifenimpedanz ZS können Sie aus der Messspannung und dem Messstrom zwischen einem Außenleiter und dem Schutzleiter ermitteln, beziehungsweise dem PEN-Leiter in einem TN-C System. Die Berechnung erfolgt nach der Gleichung ZS = U0 / Ia, wobei U0 die Nennspannung bezeichnet (seit 1987 230 V einphasig / 400 V dreiphasig) und Ia den Abschaltstrom.

Für Leitungsschutzschalter der Charakteristik B nach DIN VDE 0641 ist Ia mit dem Fünffachen der Nennstromstärke IN der Schutzeinrichtung anzusetzen, für Leitungsschutzschalter mit Charakteristik C mit dem Zehnfachen. Daraus ergeben sich für Leitungsschutzschalter mit Charakteristik B im 230 V Netz beispielsweise maximal zulässige Werte für die Schleifenimpedanz von:

• 7,3 Ω bei IN = 6 A
• 4,6 Ω bei IN = 10 A
• 2,88 Ω bei IN = 16 A
• 2,3 Ω bei IN = 20 A
• 1,84 Ω bei IN = 25 A
• 1,44 Ω bei IN = 32 A

Nach der 2007 aktualisierten Fassung ist bei der Ermittlung der Schleifenimpedanz zusätzlich der Anstieg zu berücksichtigen, der sich durch die Erwärmung der Leiter im Fehlerfall ergibt. Aus diesem Grund ist der zunächst ermittelte Wert der Schleifenimpedanz mit dem Faktor 2/3 zu korrigieren. Die Beispieltabelle stellt sich dann wie folgt dar:

• 4,87 Ω bei IN = 6 A
• 3,07 Ω bei IN = 10 A
• 1,92 Ω bei IN = 16 A
• 1,53 Ω bei IN = 20 A
• 1,23 Ω bei IN = 25 A
• 0,96 Ω bei IN = 32 A

Darüber hinaus sind gegebenenfalls weitere Korrekturen für den Gebrauchsfehler der Prüfgeräte einzurechnen, die nach DIN VDE 0413 Teil 3 mit 30 % anzusetzen sind. Der tatsächliche Strom kann daher in einem Bereich zwischen -23 und +43 % vom gemessenen abweichen.

Was ist bei der Prüfung der Schleifenimpedanz zu beachten?

Die Schleifenimpedanz schließt neben den Impedanzen der Außen- und Schutz- beziehungsweise PEN-Leiter auch den Wechselstromwiderstand der Stromquelle ein. Die Genauigkeit der Schleifenimpedanz-Messung hängt von der Spannungskonstanz während des Messvorgangs ab. Bei Auslösezeiten, die entsprechend der Norm, abhängig von den Eigenschaften des jeweiligen Schaltkreises 0,2, 0,4 oder 5 Sekunden betragen dürfen, ist eine Kontrolle der Messergebnisse durch Mehrfachmessungen zu empfehlen.

Werden die geforderten Werte der Schleifenimpedanz bei der Prüfung der Elektroinstallation nicht erreicht, dann können Sie die Wirksamkeit der Schutzeinrichtung unter anderem durch folgende Maßnahmen gewährleisten.

1. Das Verlegen einer neuen Leitung mit größerem Querschnitt.
2. Eine zusätzliche Absicherung mit einem Fehlerstrom-Schutzschalter (FI-Schalter). Die Überstrom-Sicherungseinrichtung dient dann nur noch dem Leitungsschutz. Gefährliche Körperströme werden dagegen frühzeitig durch den FI-Schalter unterbunden.

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