Bei der Wartung einer Schaltanlage wird der Übergangswiderstand einer verschraubten Kupfer-Sammelschienenverbindung geprüft. Das Micro-Ohmmeter zeigt zunächst 8,4 µΩ. Nachdem eine der Messklemmen neu angesetzt wurde, beträgt der Messwert plötzlich nur noch 5,9 µΩ. Bei einer weiteren Messung nach einigen Minuten werden 6,3 µΩ angezeigt. Hat sich der Widerstand der Verbindung tatsächlich verändert oder beeinflusst der Prüfaufbau das Ergebnis?
Gerade im Mikroohmbereich können kleine Unterschiede bei der Kontaktierung einen großen Einfluss haben. Die Spannungsabfälle, die das Messgerät auswertet, liegen häufig nur im Mikrovoltbereich. Übergangswiderstände der Stromkontakte, falsch positionierte Sense-Leitungen, unterschiedliche Kontaktstellen und thermoelektrische Spannungen können deshalb Messwertänderungen verursachen, die in derselben Größenordnung wie der eigentliche Widerstand der Sammelschienenverbindung liegen.
Die Vierleiter- beziehungsweise Kelvinmessung löst einen wichtigen Teil dieses Problems, indem Stromführung und Spannungsmessung voneinander getrennt werden. Sie funktioniert jedoch nur dann zuverlässig, wenn die vier Kontakte richtig angeordnet sind. Die beiden Stromkontakte müssen den Prüfstrom durch den zu untersuchenden Bereich treiben, während die beiden Sense-Kontakte den Spannungsabfall unmittelbar vor und hinter der eigentlichen Verbindung erfassen.
Bei einer Mikroohm-Messung an Sammelschienen entscheidet deshalb nicht allein die Genauigkeit des Messgeräts über die Qualität des Ergebnisses. Kontaktposition, Prüfstrom, Thermospannungen, Temperatur und ein reproduzierbarer Prüfablauf sind mindestens ebenso wichtig.
Warum sind wenige Mikroohm bei Sammelschienen relevant?
Eine Sammelschienenverbindung soll sehr hohe Ströme mit möglichst geringem Spannungsabfall übertragen. Der Widerstand einer intakten Verbindung ist deshalb extrem klein. Genau dadurch werden Veränderungen im Mikroohmbereich interessant. Korrosion, Oxidschichten, unzureichendes Anzugsmoment, verschmutzte Kontaktflächen oder eine mechanisch geschädigte Verbindung können den Übergangswiderstand erhöhen.
Welche thermische Bedeutung eine solche Veränderung besitzt, zeigt die Verlustleistung. Sie lässt sich mit P = I² × R abschätzen. Bei einem Betriebsstrom von 2.000 A verursacht ein zusätzlicher Widerstand von nur 10 µΩ bereits eine Verlustleistung von 40 W. Diese Leistung entsteht konzentriert an der betreffenden Verbindung und kann zu einer lokalen Erwärmung führen.
Ein absoluter Widerstandswert sollte trotzdem nicht isoliert bewertet werden. Aufbau, Material, Querschnitt, Länge des gemessenen Abschnittes, Temperatur und Bauart der Verbindung beeinflussen den erwartbaren Wert. Besonders aussagekräftig sind deshalb Vergleichsmessungen zwischen baugleichen Phasen oder wiederkehrende Trendmessungen derselben Verbindung.
Warum ist Vierleitertechnik notwendig?
Bei einer normalen Zweileiter-Widerstandsmessung führen dieselben Leitungen den Messstrom und erfassen den Spannungsabfall. Dadurch gehen Leitungswiderstände und die Übergangswiderstände der Prüfkontakte unmittelbar in das Ergebnis ein. Bei Widerständen von wenigen Mikroohm wären diese zusätzlichen Anteile häufig größer als der eigentlich gesuchte Widerstand.
Die Vierleitertechnik trennt deshalb Strom- und Spannungsweg. Zwei kräftige Leitungen, häufig als Current oder Force bezeichnet, führen einen definierten Prüfstrom durch die Sammelschiene. Zwei zusätzliche hochohmige Sense-Leitungen messen lediglich die Spannung zwischen zwei exakt definierten Punkten. Über diese Sense-Leitungen fließt praktisch kein relevanter Strom, sodass ihre eigenen Leitungs- und Kontaktwiderstände den gemessenen Spannungsabfall kaum beeinflussen.
Aus Prüfstrom und Sense-Spannung wird anschließend der Widerstand berechnet:
R = U / I
Bei einem Prüfstrom von 200 A und einem gemessenen Spannungsabfall von 1,2 mV ergibt sich beispielsweise ein Widerstand von 6 µΩ.
Force- und Sense-Kontakte richtig positionieren
Die wichtigste geometrische Regel lautet: Die beiden Sense-Kontakte müssen innerhalb der beiden Stromkontakte liegen. Nur dann wird der Spannungsabfall genau über dem Abschnitt gemessen, der bewertet werden soll. Bei einer verschraubten Sammelschienenüberlappung werden die Stromklemmen deshalb außerhalb der Verbindung angesetzt, während die beiden Potentialkontakte unmittelbar vor und hinter der Überlappungszone liegen.
| Kontakt | Aufgabe | Typische Position |
|---|---|---|
| Current / Force + | Prüfstrom in das Prüfobjekt einspeisen | Außerhalb der zu bewertenden Verbindung |
| Sense + | Spannung unmittelbar vor der Kontaktstelle erfassen | Innerhalb des Stromkontakts |
| Sense − | Spannung unmittelbar hinter der Kontaktstelle erfassen | Innerhalb des gegenüberliegenden Stromkontakts |
| Current / Force − | Prüfstrom zurück zum Messgerät führen | Außerhalb des zweiten Sense-Kontakts |
Bereits wenige Zentimeter Unterschied bei der Position der Sense-Kontakte verändern den mitgemessenen Leiterabschnitt. Wird beispielsweise bei einer Wiederholungsprüfung ein längeres Stück Kupferschiene einbezogen als bei der ursprünglichen Messung, kann ein höherer Widerstand entstehen, obwohl sich die eigentliche Schraubverbindung überhaupt nicht verändert hat.
Warum die Kontaktflächen das Ergebnis beeinflussen
Die Stromklemmen müssen einen hohen Prüfstrom sicher übertragen. Oxidierte, lackierte oder stark verschmutzte Oberflächen können den Stromkontakt verschlechtern. Das führt zwar bei korrekter Vierleitertechnik nicht direkt dazu, dass der Übergangswiderstand der Stromklemme in das Messergebnis eingeht, das Messgerät muss den vorgesehenen Prüfstrom aber trotzdem durch das Prüfobjekt treiben können.
Auch die Sense-Kontakte müssen zuverlässig anliegen. Da ihr Strom sehr klein ist, ist dort weniger die Stromtragfähigkeit als vielmehr ein reproduzierbarer elektrischer Kontakt entscheidend. Das Ansetzen auf Schmutz, Lack, starke Oxidschichten oder lose Oberflächen kann zu instabilen Mikrovoltwerten führen.
Kontaktflächen sollten deshalb vor einer Vergleichsmessung in einem definierten Zustand sein. Dabei darf die Reinigung selbst die zu bewertende Verbindung nicht verändern. Insbesondere die eigentliche Kontaktfläche einer verschraubten Sammelschienenverbindung sollte nicht allein für die Messung gelöst oder bearbeitet werden, wenn gerade ihr vorhandener Zustand beurteilt werden soll.
Welcher Prüfstrom ist sinnvoll?
Ein höherer Prüfstrom erzeugt bei demselben Widerstand einen größeren messbaren Spannungsabfall. Bei 1 µΩ entstehen bei 10 A lediglich 10 µV, bei 200 A dagegen bereits 200 µV. Das Verhältnis zwischen Nutzsignal und kleinen Störspannungen kann dadurch deutlich günstiger werden.
Der höchste verfügbare Prüfstrom ist trotzdem nicht automatisch die richtige Wahl. Herstellerangaben des Prüfobjektes, thermische Belastbarkeit, Prüfdauer und Vergleichbarkeit mit früheren Messungen müssen berücksichtigt werden. Wird bei einer Trendmessung einmal mit 50 A und beim nächsten Wartungsintervall mit 200 A geprüft, können sich Unterschiede durch Temperatur und Kontaktverhalten ergeben, obwohl sich die elektrische Verbindung nicht wesentlich verändert hat.
| Einfluss des Prüfstroms | Bei niedrigem Prüfstrom | Bei höherem Prüfstrom |
|---|---|---|
| Spannungsabfall am Prüfobjekt | Kleiner | Größer und leichter messbar |
| Einfluss kleiner Störspannungen | Relativ größer | Relativ kleiner |
| Eigenerwärmung | Geringer | Kann bei langer Prüfdauer zunehmen |
| Anforderung an Stromkontakte | Geringer | Sehr gute Kontaktierung erforderlich |
| Vergleichbarkeit | Prüfstrom bei wiederkehrenden Messungen möglichst identisch halten | |
Thermospannungen im Mikrovoltbereich erkennen
Eine Besonderheit der Mikroohm-Messung besteht darin, dass nicht jede gemessene Spannung durch den Prüfstrom verursacht wird. Treffen unterschiedliche Metalle aufeinander und bestehen zwischen den Kontaktstellen Temperaturunterschiede, können thermoelektrische Spannungen entstehen. Diese liegen häufig nur im Mikrovoltbereich – genau dort, wo auch das eigentliche Nutzsignal einer Mikroohm-Messung liegen kann.
Angenommen, eine Sammelschienenverbindung besitzt 1 µΩ Widerstand. Bei einem Prüfstrom von 100 A beträgt der eigentliche Spannungsabfall lediglich 100 µV. Eine zusätzliche Thermospannung von 5 µV entspräche in diesem Beispiel bereits fünf Prozent des Nutzsignals.
Thermospannungen können insbesondere auftreten, wenn die Schaltanlage erst kurz zuvor belastet wurde, einzelne Sammelschienen noch warm sind, Prüfkontakte unterschiedliche Temperaturen besitzen oder verschiedene Metalle an den Anschlussstellen zusammentreffen. Eine reproduzierbare Mikroohmprüfung sollte deshalb möglichst unter thermisch stabilen Bedingungen durchgeführt werden.
Wie hilft die Stromrichtungsumkehr?
Ein wirkungsvolles Verfahren zur Reduzierung konstanter Thermospannungen ist die Messung mit zwei Stromrichtungen. Wird der Prüfstrom umgekehrt, ändert der durch den elektrischen Widerstand verursachte Spannungsabfall sein Vorzeichen. Eine vorhandene konstante thermoelektrische Spannung bleibt dagegen zunächst in derselben Richtung bestehen.
Vereinfacht gilt:
U+ = R × I + Uthermo
und bei umgekehrter Stromrichtung:
U− = −R × I + Uthermo
Aus beiden Messungen kann der Widerstandsanteil bestimmt werden:
R = (U+ − U−) / (2 × I)
Dadurch wird eine während beider Messungen weitgehend konstante Thermospannung mathematisch unterdrückt. Voraussetzung ist, dass sich Temperatur und Kontaktbedingungen zwischen den beiden Messungen nicht wesentlich verändern. Ob und wie eine solche Offsetkompensation beziehungsweise Stromrichtungsumkehr durchgeführt wird, hängt vom verwendeten Micro-Ohmmeter ab.
Temperatur der Sammelschiene berücksichtigen
Auch der tatsächliche elektrische Widerstand der Sammelschiene ist temperaturabhängig. Kupfer besitzt einen positiven Temperaturkoeffizienten. Eine warme Sammelschiene weist deshalb einen höheren Widerstand auf als dieselbe Verbindung bei niedrigerer Temperatur. Werden Wartungsmessungen miteinander verglichen, ohne die Temperatur zu berücksichtigen, kann daraus fälschlicherweise eine Verschlechterung der Verbindung abgeleitet werden.
Für Kupfer kann im Bereich um Raumtemperatur näherungsweise mit einem Temperaturkoeffizienten von etwa 0,00393/K gearbeitet werden. Eine Temperaturänderung von 20 K verändert den Leiterwiderstand damit bereits um mehrere Prozent. Bei präzisen Vergleichsmessungen sollte deshalb entweder bei vergleichbaren Temperaturen gemessen oder der Widerstand nach einem festgelegten Verfahren auf eine Bezugstemperatur umgerechnet werden.
Auch der Prüfstrom selbst kann die Messstelle erwärmen. Steigt der Widerstand während einer längeren Hochstromprüfung kontinuierlich an, muss deshalb zwischen einer instabilen Kontaktierung und einer realen Temperaturerhöhung des Prüfobjektes unterschieden werden.
Warum Vergleichs- und Trendmessungen besonders wertvoll sind
Für Sammelschienenverbindungen gibt es nicht immer einen universellen Grenzwert, der unabhängig von Konstruktion und Messbedingungen angewendet werden kann. Ein Widerstand von beispielsweise 8 µΩ kann bei einer bestimmten Bauform unauffällig und bei einer anderen Verbindung deutlich zu hoch sein. Besonders wertvoll sind deshalb Messungen an vergleichbaren Verbindungen derselben Anlage.
Bei einer dreiphasigen Sammelschiene können beispielsweise die Übergangswiderstände der drei baugleichen Phasen miteinander verglichen werden. Zeigen zwei Verbindungen etwa 5,1 µΩ und 5,3 µΩ, während die dritte Verbindung 11,8 µΩ erreicht, ist die dritte Verbindung deutlich auffällig – auch wenn kein allgemeiner Grenzwert bekannt ist.
Noch aussagekräftiger ist eine dokumentierte Ausgangsmessung nach Montage oder Inbetriebnahme. Wird dieselbe Verbindung später mit gleicher Kontaktposition, gleichem Prüfstrom und vergleichbarer Temperatur erneut geprüft, lässt sich eine schleichende Veränderung wesentlich sicherer erkennen.
Praxisbeispiel: auffällige Sammelschienenverschraubung
Bei einer Wartungsprüfung werden drei baugleiche Kupfer-Sammelschienenverbindungen mit einem Prüfstrom von 200 A untersucht. Die ersten beiden Phasen ergeben 5,4 µΩ und 5,6 µΩ. An der dritten Phase zeigt das Micro-Ohmmeter zunächst 9,7 µΩ. Die Verbindung erscheint damit auffällig.
Vor einer technischen Bewertung wird die Messung jedoch vollständig wiederholt. Dabei fällt auf, dass der Sense-Kontakt der dritten Phase deutlich weiter von der Schraubverbindung entfernt angesetzt wurde als an den beiden anderen Phasen. Nach identischer Positionierung unmittelbar vor und hinter der Überlappungsstelle werden 6,0 µΩ gemessen.
Eine weitere Messung ergibt nach einigen Minuten 6,1 µΩ. Die Sammelschiene war zuvor noch leicht erwärmt und stabilisiert sich während der Prüfung. Die Verbindung liegt damit wesentlich näher an den beiden Vergleichsphasen als die erste Messung vermuten ließ.
Das Beispiel zeigt, warum ein einzelner Mikroohmwert ohne reproduzierbare Kontaktposition und bekannte Temperaturbedingungen nur begrenzt aussagekräftig ist. Erst ein kontrollierter Vergleich macht aus dem Zahlenwert eine belastbare Diagnose.
Systematischer Prüfablauf
- Anlage entsprechend den geltenden Sicherheitsregeln freischalten und gegen Wiedereinschalten sichern.
- Zu prüfenden Abschnitt eindeutig festlegen: Vor und hinter welcher Verbindung soll der Spannungsabfall erfasst werden?
- Stromkontakte außerhalb der Messstrecke ansetzen: Sie müssen den vorgesehenen Prüfstrom zuverlässig übertragen können.
- Sense-Kontakte innerhalb der Stromkontakte positionieren: Möglichst unmittelbar vor und hinter der zu bewertenden Verbindung.
- Prüfstrom definieren und dokumentieren: Bei Wiederholungsprüfungen möglichst denselben Wert verwenden.
- Temperatur der Sammelschiene beziehungsweise Umgebungsbedingungen dokumentieren.
- Messung mehrfach durchführen: Auf Stabilität und Wiederholbarkeit achten.
- Bei relevanten Thermospannungen Offsetkompensation beziehungsweise Stromrichtungsumkehr nutzen.
- Ergebnis mit baugleichen Verbindungen und früheren Messungen vergleichen.
Häufige Messfehler
- Sense-Kontakte außerhalb der Stromklemmen positionieren: Dadurch werden zusätzliche Leiter- und Kontaktabschnitte in die Spannungsmessung einbezogen.
- Kontaktposition zwischen zwei Prüfungen verändern: Bereits wenige Zentimeter zusätzliche Sammelschiene können den Vergleich verfälschen.
- Schlechte Stromkontaktierung: Der eingestellte Prüfstrom wird möglicherweise nicht zuverlässig erreicht.
- Thermospannungen ignorieren: Bei Mikrovolt-Signalen können thermoelektrische Spannungen einen relevanten Messfehler erzeugen.
- Warme und kalte Sammelschienen direkt vergleichen: Der elektrische Widerstand von Kupfer verändert sich mit der Temperatur.
- Unterschiedliche Prüfströme für Trendmessungen verwenden: Dadurch können Erwärmung und Kontaktverhalten unterschiedlich ausfallen.
- Einen absoluten Einzelwert ohne Vergleich bewerten: Bauform und Geometrie bestimmen wesentlich, welcher Widerstand für eine bestimmte Verbindung plausibel ist.
Micro-Ohmmeter für Sammelschienen
Für Widerstandsmessungen an massiven Sammelschienen und Hochstromverbindungen eignet sich ein Micro-Ohmmeter mit Vierleitertechnik und ausreichend hohem Prüfstrom. Ein Beispiel ist das DMO200K Digital Micro-Ohmmeter. Das Gerät erzeugt einen einstellbaren Gleichstrom-Prüfstrom von 1 ... 200 A und bietet eine Auflösung bis 0,1 µΩ.
Das DMO200K wird mit einem Kelvin-Klemmensatz und einem 3-m-Ausgangskabelsatz geliefert. Dadurch lassen sich Strom- und Potentialkontaktierung an Sammelschienen, Kabelschuhen und Schaltkontakten gezielt trennen. Prüfstrom, Messspannung und Widerstand werden gleichzeitig angezeigt, sodass auch kontrolliert werden kann, ob der vorgesehene Prüfstrom tatsächlich erreicht wird.
Für andere Anwendungen stehen auch Micro-Ohmmeter mit kleineren Prüfströmen sowie weitere Hochstromsysteme zur Verfügung. Entscheidend für die Auswahl sind der erwartete Widerstandsbereich, das Prüfobjekt, der erforderliche Prüfstrom, die gewünschte Auflösung und das benötigte Anschlusszubehör.
Passende Geräte finden Sie unter Elektrische Mess- und Prüfgeräte bei ICS Schneider sowie speziell unter Widerstandsmessgeräte / Micro-Ohmmeter.
Fazit
Die Vierleitertechnik ist die Grundlage für zuverlässige Mikroohm-Messungen an Sammelschienen, weil Stromführung und Spannungsmessung voneinander getrennt werden. Dadurch werden die Widerstände der Stromleitungen und Stromkontakte weitgehend aus dem eigentlichen Messergebnis herausgehalten.
Die Methode verhindert jedoch nicht automatisch jeden Messfehler. Besonders wichtig ist die geometrisch korrekte Kontaktierung: Die Sense-Punkte müssen innerhalb der Stromkontakte und reproduzierbar unmittelbar vor und hinter der zu prüfenden Verbindung liegen. Unterschiedliche Messpositionen führen zwangsläufig dazu, dass unterschiedliche Leiterabschnitte bewertet werden.
Bei Widerständen im Mikroohmbereich spielen außerdem thermoelektrische Spannungen und Temperatur eine erhebliche Rolle. Stromrichtungsumkehr beziehungsweise Offsetkompensation können den Einfluss weitgehend konstanter Thermospannungen reduzieren. Für Vergleichsmessungen sollten zusätzlich Prüfstrom, Temperatur und Kontaktposition dokumentiert werden.
Für belastbare Sammelschienenmessungen gilt deshalb: Vierleitertechnik korrekt anschließen, Sense-Kontakte exakt definieren, einen geeigneten und reproduzierbaren Prüfstrom verwenden, Thermospannungen sowie Temperatur berücksichtigen und den Messwert bevorzugt mit baugleichen Verbindungen oder dokumentierten früheren Messungen vergleichen.
FAQ: Mikroohm-Messung an Sammelschienen
Warum verwendet man für Sammelschienen eine Vierleitermessung?
Bei Widerständen im Mikroohmbereich wären die Widerstände von Messleitungen und Stromkontakten bei einer Zweileitermessung viel zu groß. Die Vierleitertechnik trennt deshalb Prüfstrom und Spannungsmessung und ermöglicht eine gezielte Bestimmung des Widerstands der eigentlichen Verbindung.
Wo müssen die Sense-Kontakte bei einer Kelvinmessung sitzen?
Die Sense-Kontakte müssen innerhalb der beiden Stromkontakte angeordnet werden. Bei einer Sammelschienenverschraubung sollten sie möglichst unmittelbar vor und hinter der zu bewertenden Verbindung liegen.
Warum verändert sich der Messwert, wenn die Kelvin-Klemmen versetzt werden?
Mit der Position der Sense-Kontakte verändert sich die Länge des Leiterabschnittes, dessen Spannungsabfall gemessen wird. Dadurch wird ein anderer Gesamtwiderstand erfasst.
Warum verwendet man bei Sammelschienen hohe Prüfströme?
Ein höherer Prüfstrom erzeugt bei demselben kleinen Widerstand einen größeren Spannungsabfall. Dadurch wird das Nutzsignal gegenüber kleinen Stör- und Thermospannungen größer. Der Prüfstrom muss jedoch zum Prüfobjekt und zur vorgesehenen Prüfmethode passen.
Was sind Thermospannungen bei einer Mikroohm-Messung?
An Kontaktstellen unterschiedlicher Metalle können bei Temperaturunterschieden thermoelektrische Spannungen entstehen. Diese liegen häufig nur im Mikrovoltbereich, können bei einer Mikroohm-Messung aber bereits einen relevanten Anteil des Messsignals ausmachen.
Wie lassen sich Thermospannungen kompensieren?
Eine Möglichkeit ist die Messung mit beiden Stromrichtungen. Der widerstandsbedingte Spannungsabfall wechselt dabei das Vorzeichen, während eine weitgehend konstante Thermospannung erhalten bleibt. Aus beiden Messungen kann der Widerstandsanteil berechnet werden.
Beeinflusst die Temperatur den Widerstand einer Kupfersammelschiene?
Ja. Kupfer besitzt einen positiven Temperaturkoeffizienten. Eine warme Sammelschiene hat deshalb einen höheren elektrischen Widerstand als dieselbe Verbindung bei niedrigerer Temperatur.
Kann man für Sammelschienen einen festen maximal zulässigen Mikroohmwert angeben?
Nicht allgemein. Der erwartbare Widerstand hängt unter anderem von Material, Geometrie, Länge und Bauart der Verbindung ab. Besonders aussagekräftig sind Vergleiche mit baugleichen Verbindungen und dokumentierten Ausgangsmessungen.
Warum sind Trendmessungen bei Sammelschienen sinnvoll?
Wird dieselbe Verbindung regelmäßig unter vergleichbaren Bedingungen gemessen, lässt sich eine schleichende Erhöhung des Übergangswiderstands deutlich besser erkennen als anhand eines einzelnen absoluten Messwertes.
Welches konkrete Messgerät eignet sich für Mikroohm-Messungen an Sammelschienen?
Für massive Sammelschienen und Hochstromverbindungen eignet sich beispielsweise das DMO200K Digital Micro-Ohmmeter. Es arbeitet mit Kelvin-Vierleitertechnik, liefert Prüfströme bis 200 A und besitzt eine Auflösung bis 0,1 µΩ.