Schleifenimpedanz messen
Was ist die Schleifenimpedanz?
Die Schleifenimpedanz, auch Fehlerschleifenimpedanz genannt, beschreibt den gesamten Widerstand der Strombahn, die ein Fehlerstrom bei einem Körperschluss durchläuft. Diese Schleife beginnt an der Stromquelle, führt über den Außenleiter bis zur Fehlerstelle und über den Schutzleiter zurück. Gemessen wird sie zwischen Außenleiter und Schutzleiter (L-PE) und meist in Ohm angegeben.
Vom Netzinnenwiderstand, auch Netzimpedanz genannt, müssen Sie die Schleifenimpedanz klar trennen. Er liegt zwischen den betriebsmäßig stromführenden Leitern, dem Außen- und dem Neutralleiter (L-N), und begrenzt den Kurzschlussstrom im Normalbetrieb. In TN-Systemen ähneln sich beide Werte oft. Gleich sind sie trotzdem nicht, denn die Schleifenimpedanz fällt in der Praxis häufig höher aus. Wie hoch sie ausfällt, hängt von der Leitungslänge ab, vom Leiterquerschnitt und von den Übergangswiderständen der einzelnen Verbindungen.
Warum Sie die Schleifenimpedanz messen müssen
Trennt sich in einem Betriebsmittel ein spannungsführender Leiter und berührt ein leitfähiges Gehäuse, entsteht ein Fehlerstrom. Der Schutz gegen elektrischen Schlag beruht in TN- und TT-Netzen darauf, dass die vorgeschaltete Überstromschutzeinrichtung, meist eine Sicherung oder ein Leitungsschutzschalter, diesen Fehler innerhalb einer festen Zeit abschaltet. Dafür muss der Fehlerstrom hoch genug sein, und wie hoch er wird, entscheidet allein die Schleifenimpedanz.
Ist die Impedanz zu groß, fällt der Fehlerstrom zu niedrig aus. Die Schutzeinrichtung löst dann nicht oder zu spät aus, die Berührungsspannung am Gehäuse bleibt bestehen, und es droht ein elektrischer Schlag oder ein Brand durch die erhitzte Leitung. Die Schleifenimpedanz zu messen ist der einzige Weg, die Einhaltung der Abschaltbedingung nachzuweisen. Ohne diesen Nachweis lässt sich die Schutzwirkung einer Anlage weder beurteilen noch dokumentieren.
Als Betrieb brauchen Sie diesen Nachweis aus zwei Gründen. Er belegt, dass Personen und Anlagen im Fehlerfall geschützt sind. Und er hält als Dokumentation stand, wenn Berufsgenossenschaft oder Versicherung das Prüfprotokoll sehen wollen. Fehlen darin belastbare Messwerte zur Fehlerschleifenimpedanz, ist es wertlos.
Zwischen welchen Leitern wird die Schleifenimpedanz gemessen?
Die Schleifenimpedanz wird zwischen Außenleiter (L) und Schutzleiter (PE) gemessen, weil der Fehlerstrom bei einem Körperschluss diesen Weg nimmt. Diese Fehlerstromschleife setzt sich aus der Stromquelle mit ihrem Innenwiderstand, dem Außenleiter bis zur Fehlerstelle und dem Rückleiter zur Quelle zusammen. Welcher Leiter den Rückweg bildet, hängt vom Netzsystem ab.
Im TN-System übernimmt der geerdete Schutzleiter den Rückweg, im TN-C-System der kombinierte PEN-Leiter samt seiner Parallelverbindungen über die Erdungsanlage. Im TT-System sind die Betriebsmittel über einen eigenen Anlagenerder geerdet, weshalb hier die Qualität der Erdung den Wert maßgeblich bestimmt. Wird stattdessen zwischen Außen- und Neutralleiter gemessen, ermitteln Sie den Netzinnenwiderstand und nicht die Schleifenimpedanz. Diese Verwechslung ist in der Praxis eine häufige Fehlerquelle.
Wie hoch darf die Schleifenimpedanz sein?
Einen festen Grenzwert in Ohm, der für jede Anlage gilt, gibt es nicht. Der zulässige Wert ergibt sich aus der Schutzeinrichtung und der geforderten Abschaltzeit nach DIN VDE 0100-410. Die Schleifenimpedanz muss den Fehlerstrom so weit zulassen, dass er den Abschaltstrom der Sicherung erreicht. Formal ausgedrückt darf das Produkt aus Schleifenimpedanz Zs und Abschaltstrom Ia die Nennspannung gegen Erde U0 nicht überschreiten, geschrieben als Zs ≤ U0 / Ia. U0 ist dabei die Spannung zwischen einem Außenleiter und der Erde und beträgt im üblichen 230/400-Volt-Netz 230 V.
Die geforderten Abschaltzeiten sind gestaffelt. Im TN-System gelten für Endstromkreise bis 63 A maximal 0,4 s bei 230 V und 0,2 s bei 400 V. Im TT-System fallen sie kürzer aus, 0,2 s bei 230 V und 0,07 s bei 400 V.
Ein Rechenbeispiel zeigt der häufig verbaute Leitungsschutzschalter Typ B16. Sein elektromagnetischer Schnellauslöser reagiert spätestens beim Fünffachen des Nennstroms, bei rund 80 A. Bei 230 V ergibt sich daraus eine höchstzulässige Schleifenimpedanz von 230 V geteilt durch 80 A, das sind rund 2,9 Ω. Der gemessene Wert darf davon höchstens zwei Drittel betragen, gerundet 1,9 Ω. Verantwortlich ist die Temperatur. Gemessen wird bei kleinem Prüfstrom und Raumtemperatur, im echten Fehlerfall erwärmt der hohe Strom den Leiter und erhöht dessen Widerstand. Hinzu kommt die Messtoleranz der Geräte, die nach DIN EN 61557 bis zu 30 % betragen darf. Liegt ein Messwert nahe an der Grenze, prüfen Sie die Ursache, auch wenn er rechnerisch noch zulässig ist.
Die 2/3-Methode
In der Praxis wird der Messwert selten direkt gegen den rechnerischen Grenzwert Zs ≤ U0/Ia gestellt. Bevorzugt angewendet wird die 2/3-Methode, mit der sich Grenzwerte schnell und überschlagsmäßig ermitteln lassen. Sie berücksichtigt typische Abweichungen bei der Messung, etwa Spannungsschwankungen und Temperatureinflüsse, und deckt zugleich die maximale Betriebsmessunsicherheit von ± 30 % ab. Die DGUV Information 203-072 empfiehlt sie deshalb als bevorzugtes Verfahren.
Die Regel senkt den zulässigen Wert auf zwei Drittel des rechnerischen Grenzwerts:
Zs ≤ ⅔ · U0 / Ia
Für den Leitungsschutzschalter Typ B16 mit einem Auslösestrom von Ia = 5 · 16 A = 80 A ergibt sich daraus ein höchstzulässiger Messwert von rund 1,92 Ω. Umgekehrt muss der Kurzschlussstrom mindestens rund 120 A erreichen.
Der Abschlag von einem Drittel hat einen physikalischen Kern: Gemessen wird mit kleinem Prüfstrom bei Raumtemperatur, im echten Fehlerfall erwärmt der hohe Strom den Leiter und erhöht dessen Widerstand. Zusammen mit der Messtoleranz fängt die 2/3-Regel genau diese Effekte ab.
Die gemessenen Werte sollten deutlich von den Grenzwerten abweichen, der Zs also klar kleiner und der Kurzschlussstrom klar größer sein. Nähert sich ein Wert der Grenze, ist der Stromkreis eingehender zu untersuchen, zum Beispiel durch Abgleich mit den Ergebnissen vorhergehender Prüfungen.
Grenzwerte nach LS-Typ im Überblick
Die folgende Tabelle zeigt die maximal zulässige Schleifenimpedanz Zs bei 230 V und einer Abschaltzeit von 0,4 s. Die Spalte „Messwert (2/3)“ ist der praxisrelevante Wert: Liegt Ihr gemessener Zs darunter, ist die Abschaltbedingung sicher erfüllt.
| LS-Typ | Auslösestrom Ia | Zs rechnerisch (U0/Ia) | Zs Messwert (2/3) |
|---|---|---|---|
| B10 | 50 A | 4,60 Ω | 3,06 Ω |
| B13 | 65 A | 3,54 Ω | 2,36 Ω |
| B16 | 80 A | 2,87 Ω | 1,92 Ω |
| B20 | 100 A | 2,30 Ω | 1,53 Ω |
| B25 | 125 A | 1,84 Ω | 1,23 Ω |
| B32 | 160 A | 1,44 Ω | 0,96 Ω |
| C10 | 100 A | 2,30 Ω | 1,53 Ω |
| C13 | 130 A | 1,77 Ω | 1,18 Ω |
| C16 | 160 A | 1,44 Ω | 0,96 Ω |
| C20 | 200 A | 1,15 Ω | 0,77 Ω |
| C25 | 250 A | 0,92 Ω | 0,61 Ω |
| C32 | 320 A | 0,72 Ω | 0,48 Ω |
Wie läuft die Schleifenimpedanzmessung ab?
Die Messung erfolgt an der unter Spannung stehenden Anlage bei eingeschalteter Stromversorgung. Das Messgerät erzeugt für kurze Zeit einen definierten Prüfstrom zwischen Außen- und Schutzleiter, misst den entstehenden Spannungsabfall und berechnet daraus die Schleifenimpedanz. Aus diesem Wert und der aktuell anliegenden Spannung leitet es den zu erwartenden Kurzschlussstrom ab, den die meisten Geräte direkt anzeigen.
Der Messort ist immer das Ende der Kette, in Endstromkreisen die entfernteste Steckdose oder das Ende einer Kabeltrommel. Dort ist die Impedanz am höchsten und der Fall am ungünstigsten. Mehrere Verlängerungen oder Mehrfachsteckdosen hintereinander sind nicht zulässig, weil jede Steckverbindung den Wert weiter verschlechtert. In Anlagen mit selektiv gestaffelten Sicherungen lohnt zusätzlich eine Messung an der Unterverteilung, um Zuleitungen und vorgeordnete Sicherung getrennt beurteilen zu können.
Ein bekanntes Praxisproblem betrifft den vorgeschalteten Fehlerstromschutzschalter (RCD). Der kurze Prüfstrom kann ihn auslösen, weshalb moderne Messgeräte so arbeiten, dass der RCD den Impuls nicht als Fehler erkennt und nicht abschaltet. Alle Messwerte gehören anschließend in ein Prüfprotokoll, das dem Betreiber der Anlage übergeben wird.
Welches Messgerät für die Schleifenimpedanz?
Die Schleifenimpedanz lässt sich nur mit einem zugelassenen Gerät messen. Vorgeschrieben sind ausschließlich Messgeräte nach DIN EN 61557-3 (VDE 0413-3). Ein einfaches Multimeter reicht nicht aus und ist unzulässig, weil es weder den nötigen Prüfstrom erzeugt noch den Kurzschlussstrom berechnet oder die geforderte Messsicherheit bietet. Bei der Geräteauswahl kommt es auf mehrere Merkmale an:
- Eine tragbare Ausführung für den mobilen Einsatz,
- einen zur Anlage passenden Messstrom,
- die Messung im laufenden Betrieb der Anlage,
- ein RCD-schonendes Messverfahren ohne Auslösung,
- Zwei- und Vierleitermessung, wobei die Vierleitermessung Übergangswiderstände der Messleitungen ausblendet und genauer arbeitet,
- die direkte Berechnung und Anzeige des zu erwartenden Kurzschlussstroms.
Viele dieser Geräte kombinieren die Funktion mit weiteren Messungen wie der Isolationswiderstandsmessung, sodass sich mehrere Prüfschritte mit einem Gerät abdecken lassen.
Schleifenimpedanzmessung als Teil der Anlagenprüfung
Die Schleifenimpedanzmessung steht nicht für sich allein. Sie ist eine der Kernmessungen bei der Prüfung elektrischer Anlagen und Maschinen nach DGUV Vorschrift 3. Bei der Erstprüfung nach Errichtung schreibt DIN VDE 0100-600 die Messung ausdrücklich vor, um die Abschaltbedingungen zu kontrollieren. Bei den wiederkehrenden Prüfungen im Betrieb nach DIN VDE 0105-100 wird sie erneut durchgeführt, weil sich Übergangswiderstände an Klemmen und Verbindungen über die Jahre verschlechtern können.
Gemeinsam mit der Isolationswiderstandsmessung, die Fehler vor ihrem Auftreten aufdeckt, ergibt sich ein vollständiges Bild der Schutzwirkung. Die Isolationsmessung zeigt, ob die Trennung zwischen aktiven Teilen und Gehäuse intakt ist, die Schleifenimpedanzmessung, ob im Fehlerfall sicher abgeschaltet wird. Beide Werte gehören in ein gerichtsfestes Prüfprotokoll, das gegenüber Berufsgenossenschaft und Versicherung Bestand hat.
Die eigentliche Hürde liegt für viele Betriebe in der Bewertung. Schon den richtigen Messort zu wählen, will überlegt sein. Dazu kommt, die Messwerte gegen die jeweilige Absicherung einzuordnen und das Ergebnis rechtssicher zu dokumentieren. Diese Verantwortung trägt nur eine qualifizierte Elektrofachkraft. Betriebe, die sie nicht selbst tragen wollen, geben die Prüfung an einen spezialisierten Dienstleister ab. Prüfinstitut Bertsch übernimmt solche Anlagenprüfungen seit 2011 bundesweit mit eigenen Elektrofachkräften und hat dabei rund 4,8 Millionen Betriebsmittel geprüft. Die Prüffristen werden zentral überwacht, die Prüfprotokolle stehen im digitalen Kundenportal bereit.
Häufige Fragen zur Schleifenimpedanzmessung
Kann ich die Schleifenimpedanz mit einem Multimeter messen?
Nein. Ein Multimeter erzeugt nicht den erforderlichen Prüfstrom und berechnet den zu erwartenden Kurzschlussstrom nicht. Für die Schleifenimpedanzmessung ist ein zugelassenes Messgerät nach DIN EN 61557-3 (VDE 0413-3) vorgeschrieben.
Wie oft muss die Schleifenimpedanz gemessen werden?
Einmal bei der Erstprüfung nach der Errichtung gemäß DIN VDE 0100-600 und danach bei jeder wiederkehrenden Prüfung der Anlage nach DIN VDE 0105-100 im Rahmen der DGUV V3 Prüfung.
Was tun bei einer zu hohen Schleifenimpedanz?
Zuerst die Ursache suchen, etwa lockere Klemmen, zu lange Leitungen oder schlechte Verbindungen. Lässt sich der Wert nicht senken, kann eine Anpassung der vorgeordneten Sicherung oder eine Nachinstallation erforderlich sein.
Was kostet eine Schleifenimpedanzmessung?
Einen pauschalen Preis gibt es nicht. Die Kosten richten sich nach dem Umfang der Anlage, der Zahl der Messpunkte und danach, ob die Messung Teil einer kompletten Anlagenprüfung nach DGUV V3 ist. In der Regel wird sie nicht einzeln, sondern als Bestandteil der wiederkehrenden Prüfung abgerechnet.
Darf ich die Schleifenimpedanz selbst messen?
Messung und Bewertung dürfen nur durch eine qualifizierte Elektrofachkraft erfolgen. Nötig sind Fachwissen zu Netzsystemen, Grenzwerten und Messtechnik sowie ein zugelassenes Messgerät. Für Laien ist die Prüfung weder zulässig noch aussagekräftig.
Wie lange dauert eine Schleifenimpedanzmessung?
Die einzelne Messung an einem Messpunkt dauert nur wenige Sekunden. Der eigentliche Zeitaufwand entsteht durch die Zahl der Messstellen, das Aufsuchen der ungünstigsten Punkte und die Dokumentation. Für eine komplette Anlage summiert sich das je nach Größe auf mehrere Stunden.
