Bei der Wartung eines dreipoligen Leistungsschalters werden die Kontaktwiderstände der drei Pole gemessen. Pol L1 zeigt 42 µΩ, L2 44 µΩ und L3 zunächst 71 µΩ. Nachdem eine Messklemme an L3 neu angesetzt wurde, beträgt der Messwert plötzlich nur noch 47 µΩ. Hat sich der Kontaktwiderstand des Leistungsschalters verändert – oder war lediglich die Messung nicht reproduzierbar?
Gerade bei Leistungsschaltern bewegen sich die zu bewertenden Widerstände häufig im Mikroohmbereich. Der eigentliche Spannungsabfall am geschlossenen Kontakt ist daher sehr klein. Übergangswiderstände an Messklemmen, Leitungswiderstände und eine veränderte Position der Sense-Anschlüsse können einen erheblichen Einfluss auf das Messergebnis haben.
Für solche Messungen wird deshalb die Vierleiter- beziehungsweise Kelvinmethode eingesetzt. Ein definierter Gleichstrom fließt durch den zu prüfenden Schalterpol. Zwei separate Spannungsleitungen erfassen den Spannungsabfall direkt über dem festgelegten Messabschnitt. Aus Prüfstrom und Spannungsabfall wird anschließend der Widerstand berechnet.
Für eine belastbare Kontaktwiderstandsmessung sind deshalb nicht nur ein ausreichend genaues Mikroohmmeter und ein hoher Prüfstrom wichtig. Ebenso entscheidend sind eindeutig definierte Messpunkte, eine reproduzierbare Kontaktierung und identische Prüfbedingungen bei Vergleichsmessungen.
Warum wird der Kontaktwiderstand eines Leistungsschalters gemessen?
Ein geschlossener Leistungsschalter soll den Betriebsstrom mit möglichst geringem elektrischem Widerstand übertragen.
Idealerweise besitzen:
- Hauptkontakte,
- bewegliche Kontaktverbindungen,
- Anschlussstücke und
- interne Strompfade
nur einen sehr kleinen Gesamtwiderstand.
Ein erhöhter Widerstand führt bei fließendem Strom zu zusätzlicher Verlustleistung.
Vereinfacht gilt:
P = I² × R
Damit gewinnt bereits eine relativ kleine Widerstandserhöhung bei großen Betriebsströmen deutlich an Bedeutung.
Ein höherer Kontaktwiderstand kann unter anderem auf:
- verschlissene Kontakte,
- Kontaktabbrand,
- Oxidation,
- Verschmutzung,
- reduzierte Kontaktkraft,
- mechanische Fehlstellung oder
- Probleme im internen Strompfad
hinweisen.
Der Widerstandswert allein liefert allerdings noch keine vollständige Diagnose. Bauart, Herstellergrenzwerte, Vergleichswerte und historische Messungen müssen ebenfalls berücksichtigt werden.
Warum ist eine Vierleitermessung erforderlich?
Bei einer normalen Zweileitermessung fließt der Messstrom über dieselben Leitungen, über die auch die Spannung gemessen wird.
Dadurch enthält das Messergebnis zusätzlich:
- Widerstand der Messleitungen,
- Widerstand der Anschlussklemmen,
- Übergangswiderstände der Messkontakte.
Bei einem Widerstand von beispielsweise nur:
50 µΩ
wären diese zusätzlichen Widerstände viel zu groß, um sie einfach zu ignorieren.
Bei der Vierleitermessung werden deshalb zwei getrennte Strom- und zwei getrennte Spannungsanschlüsse verwendet.
Der Prüfstrom fließt über die Stromleitungen:
I+ → Prüfobjekt → I-
Die Spannung wird separat gemessen:
V+ → definierter Messabschnitt → V-
Da durch die Spannungsleitungen nur ein sehr kleiner Messstrom fließt, beeinflusst deren Leitungswiderstand den ermittelten Spannungsabfall nur sehr gering.
Der Kontaktwiderstand ergibt sich anschließend aus:
R = U / I
Welche Rolle spielt der Prüfstrom?
Bei einem Mikroohmmeter wird ein definierter Prüfstrom durch den geschlossenen Kontaktweg geschickt.
Ein höherer Prüfstrom erzeugt bei demselben Widerstand einen größeren Spannungsabfall.
Beispiel:
Bei:
R = 50 µΩ
und:
I = 10 A
beträgt der Spannungsabfall:
U = 0,5 mV
Bei:
I = 100 A
beträgt er dagegen:
U = 5 mV
Ein ausreichend hoher und stabiler Prüfstrom verbessert damit grundsätzlich die Messbarkeit eines sehr kleinen Widerstandes.
Der Prüfstrom darf jedoch nicht frei nach dem Prinzip „je mehr, desto besser“ gewählt werden.
Maßgeblich sind:
- Herstellerangaben des Leistungsschalters,
- Prüfanweisung,
- zulässige Belastung des Prüfobjektes,
- verwendetes Mikroohmmeter,
- Messleitungen und Anschlüsse.
Für wiederkehrende Vergleichsmessungen sollte möglichst derselbe Prüfstrom verwendet werden.
Wo sollten Strom- und Sense-Leitungen angeschlossen werden?
Der gemessene Widerstand bezieht sich immer auf den Abschnitt zwischen den beiden Spannungskontakten.
Damit ist die Position der Sense-Leitungen entscheidend.
Werden die Spannungsanschlüsse bei einer Wiederholungsmessung an einer anderen Stelle gesetzt, kann ein anderer Anteil des Strompfades erfasst werden.
Für reproduzierbare Ergebnisse sollten deshalb:
- Stromanschlüsse eindeutig festgelegt werden,
- Sense-Anschlüsse eindeutig festgelegt werden,
- dieselben Kontaktflächen bei jeder Messung verwendet werden,
- Anschlusspositionen dokumentiert werden.
Die Sense-Anschlüsse werden dabei grundsätzlich innerhalb des durch die Hochstromleitungen gespeisten Strompfades positioniert.
Dadurch erfasst die Spannungsmessung gezielt den gewünschten Widerstandsabschnitt.
Warum muss die Kontaktierung reproduzierbar sein?
Bei Widerständen im Mikroohmbereich können bereits kleine Änderungen der Kontaktierung sichtbar werden.
Eine Klemme kann beispielsweise auf:
- oxidierter Oberfläche,
- Lack,
- Schmutz,
- einer Schraubenkante oder
- einer sauberen blanken Metallfläche
angesetzt werden.
Auch wenn die Sense-Leitung selbst praktisch keinen nennenswerten Prüfstrom führt, kann eine schlechte Kontaktstelle zu einem instabilen Spannungssignal führen.
Bei Wiederholungsmessungen sollten deshalb:
- dieselben Messstellen verwendet werden,
- Klemmen vollständig aufliegen,
- Kontaktflächen sauber sein,
- Leitungen mechanisch nicht an den Klemmen ziehen.
Ein auffälliger Widerstandswert sollte grundsätzlich bestätigt werden, bevor daraus eine technische Bewertung des Leistungsschalters abgeleitet wird.
Warum werden Messleitungswiderstände bei Kelvinmessung nicht mitgemessen?
Die Hochstromleitungen besitzen selbstverständlich einen eigenen elektrischen Widerstand.
Dieser verursacht bei 100 oder 200 A einen durchaus messbaren Spannungsabfall.
Entscheidend ist jedoch, dass dieser Spannungsabfall außerhalb der beiden Sense-Punkte liegt.
Das Mikroohmmeter misst nur die Spannung:
zwischen V+ und V-
und nicht die gesamte Spannung, die zur Erzeugung des Prüfstroms benötigt wird.
Dadurch kann auch mit mehreren Meter langen Hochstromleitungen ein sehr kleiner Widerstand am Prüfobjekt präzise bestimmt werden – vorausgesetzt, das Prüfgerät kann den gewünschten Prüfstrom über den gesamten Stromkreis tatsächlich liefern.
Warum sollten die Pole miteinander verglichen werden?
Bei einem dreipoligen Leistungsschalter stehen drei technisch sehr ähnliche Strompfade zur Verfügung.
Das ermöglicht einen besonders hilfreichen Plausibilitätsvergleich.
Beispiel:
| Pol | Kontaktwiderstand |
|---|---|
| L1 | 43 µΩ |
| L2 | 45 µΩ |
| L3 | 79 µΩ |
Der absolute Wert von 79 µΩ darf nicht ohne Herstellergrenze automatisch als unzulässig bezeichnet werden.
Der deutliche Unterschied zu L1 und L2 ist jedoch ein sinnvoller Anlass für weitere Prüfungen.
Zunächst sollte die Messung von L3 mit identischen Messpunkten und gleichem Prüfstrom wiederholt werden.
Bleibt die Abweichung bestehen, sollte der Strompfad genauer untersucht werden.
Welchen Einfluss hat die Temperatur?
Der elektrische Widerstand metallischer Leiter ist temperaturabhängig.
Wird ein Leistungsschalter direkt nach hoher Strombelastung gemessen, können seine internen Leiter und Kontakte wärmer sein als bei einer späteren Vergleichsmessung.
Dadurch kann sich der gemessene Widerstand verändern, obwohl sich der mechanische Zustand des Kontaktes nicht geändert hat.
Für Trendmessungen sind deshalb möglichst vergleichbare thermische Bedingungen sinnvoll.
Dokumentiert werden sollten beispielsweise:
- Umgebungstemperatur,
- Betriebszustand vor der Messung,
- gegebenenfalls Temperatur des Leistungsschalters.
Besonders bei kleinen Veränderungen über mehrere Wartungsintervalle kann dies die Interpretation deutlich verbessern.
Wann darf der Messwert abgelesen werden?
Nach dem Einschalten des Prüfstromes sollte zunächst ein stabiler Strom- und Spannungswert erreicht werden.
Ein Messwert, der unmittelbar beim Anstieg des Prüfstromes abgelesen wird, ist für eine reproduzierbare Vergleichsmessung weniger geeignet.
Das Prüfgerät sollte deshalb anzeigen beziehungsweise bestätigen, dass:
- der gewünschte Prüfstrom erreicht wurde,
- der Strom ausreichend stabil ist,
- die Sense-Spannung stabil ist,
- kein erkennbares Kontaktproblem vorliegt.
Bei wiederkehrenden Prüfungen sollte auch die Messdauer beziehungsweise der Zeitpunkt der Ablesung möglichst vergleichbar sein.
Was ist bei beidseitig geerdeten Leistungsschaltern zu beachten?
Bei Arbeiten an Hochspannungsanlagen kann ein Leistungsschalter aus Sicherheitsgründen auf beiden Seiten geerdet sein.
Dadurch entsteht für den Prüfstrom jedoch ein zusätzlicher paralleler Strompfad über die Erdungsverbindungen.
Ein Teil des eingespeisten Prüfstromes kann dann am eigentlichen Leistungsschalter vorbeifließen.
Würde das Mikroohmmeter einfach den gesamten Ausgangsstrom für die Widerstandsberechnung verwenden, könnte das Ergebnis verfälscht werden.
Für entsprechende Prüfaufbauten können Systeme verwendet werden, die den tatsächlich durch den zu prüfenden Kontaktweg fließenden Strom separat bestimmen.
Beim DMO200 ist hierfür optional eine Gleichstrom-Stromzange vorgesehen. Damit kann der über die Erdungsverbindung fließende Strom berücksichtigt werden.
Eine Messung an beidseitig geerdeten Leistungsschaltern darf nur nach dem für die Anlage, das Prüfgerät und die Sicherheitsorganisation vorgesehenen Verfahren durchgeführt werden.
Praxisbeispiel: ein Pol zeigt deutlich höheren Widerstand
Bei der Wartung eines dreipoligen Leistungsschalters werden alle drei Pole mit demselben Prüfstrom von beispielsweise:
100 A DC
gemessen.
Die Ergebnisse lauten zunächst:
| Pol | Messung 1 |
|---|---|
| L1 | 41,8 µΩ |
| L2 | 43,1 µΩ |
| L3 | 68,7 µΩ |
L3 fällt deutlich auf.
Bevor der Leistungsschalter als fehlerhaft bewertet wird, werden die Messanschlüsse kontrolliert.
Die Sense-Klemme auf einer Seite von L3 sitzt teilweise auf einer oxidierten Anschlussfläche.
Nach Reinigung der vorgesehenen Messstelle und reproduzierbarer Kontaktierung wird erneut gemessen:
L3 = 44,2 µΩ
Eine dritte Wiederholungsmessung ergibt:
44,0 µΩ
Der zunächst auffällige Wert war damit nicht reproduzierbar.
Das Beispiel zeigt, warum bei Mikroohmmessungen nicht nur der angezeigte Zahlenwert, sondern auch die Qualität und Wiederholbarkeit der Kontaktierung bewertet werden muss.
Warum sind Trendmessungen oft aussagekräftiger als Einzelwerte?
Ein einzelner Kontaktwiderstand liefert lediglich eine Momentaufnahme.
Besonders wertvoll wird die Messung, wenn Ergebnisse über mehrere Wartungsintervalle unter vergleichbaren Bedingungen dokumentiert werden.
Beispielsweise:
| Wartung | L1 | L2 | L3 |
|---|---|---|---|
| 2024 | 42 µΩ | 43 µΩ | 42 µΩ |
| 2025 | 43 µΩ | 44 µΩ | 46 µΩ |
| 2026 | 43 µΩ | 44 µΩ | 58 µΩ |
Selbst wenn 58 µΩ noch nicht automatisch außerhalb einer Herstellervorgabe liegt, zeigt die Entwicklung von L3 eine klare Veränderung.
Für eine aussagekräftige Trendanalyse müssen jedoch:
- dieselben Messpunkte,
- derselbe Prüfstrom,
- vergleichbare Temperaturen und
- ein vergleichbarer Schaltzustand
verwendet werden.
Erhöhten Kontaktwiderstand systematisch diagnostizieren
- Messwert nicht sofort als Gerätefehler interpretieren.
- Prüfstrom kontrollieren.
- Stromleitungen auf festen Kontakt prüfen.
- Sense-Leitungen an den definierten Messpunkten kontrollieren.
- Kontaktflächen auf Oxidation oder Verschmutzung prüfen.
- Messung unter identischen Bedingungen wiederholen.
- Andere Pole des Leistungsschalters vergleichen.
- Vorherige Wartungsmessungen heranziehen.
- Temperaturbedingungen berücksichtigen.
- Herstellergrenzen beziehungsweise Wartungsanweisung prüfen.
- Bei reproduzierbar erhöhtem Widerstand mechanischen Kontaktweg untersuchen.
Systematischer Prüfablauf
- Anlage entsprechend der vorgesehenen Sicherheitsregeln freischalten und sichern.
- Prüfobjekt eindeutig identifizieren.
- Leistungsschalter in den für die Widerstandsmessung vorgesehenen Schaltzustand bringen.
- Hersteller-Prüfanweisung und zulässigen Prüfstrom prüfen.
- Stromanschlusspunkte festlegen.
- Sense-Messpunkte festlegen und dokumentieren.
- Hochstromleitungen sicher anschließen.
- Sense-Leitungen innerhalb des Strompfades anschließen.
- Gewünschten Prüfstrom einstellen.
- Prüfstrom einschalten und Stabilisierung abwarten.
- Prüfstrom, Sense-Spannung und Widerstand dokumentieren.
- Messung bei auffälligen Ergebnissen wiederholen.
- Alle Pole unter vergleichbaren Bedingungen prüfen.
- Ergebnisse mit Herstellerwerten und historischen Messungen vergleichen.
- Messpunkte und Prüfstrom für die nächste Wartung dokumentieren.
Häufige Messfehler
- Zweileitermessung verwenden: Leitungs- und Kontaktwiderstände verfälschen den Mikroohmwert.
- Sense-Anschlüsse bei jeder Messung anders positionieren: Dadurch wird ein anderer Abschnitt des Strompfades gemessen.
- Prüfstrom nicht dokumentieren: Wiederholungsmessungen werden schlechter vergleichbar.
- Prüfstrom beliebig hoch wählen: Maßgeblich sind Hersteller- und Prüfgerätevorgaben.
- Oxidierte oder verschmutzte Messflächen verwenden: Das Sense-Signal kann instabil werden.
- Klemmen durch Messleitungen mechanisch belasten: Die Kontaktierung kann sich während der Messung verändern.
- Nur einen auffälligen Einzelwert aufnehmen: Auffällige Ergebnisse sollten reproduziert werden.
- Phasenvergleich ignorieren: Die anderen Pole liefern wertvolle Plausibilitätsinformationen.
- Temperaturunterschiede bei Trendmessungen ignorieren: Metallische Strompfade besitzen einen Temperaturkoeffizienten.
- Bei beidseitiger Erdung den Parallelstrompfad ignorieren: Ein Teil des Prüfstromes kann die eigentliche Kontaktstrecke umgehen.
- Prüfstrom unmittelbar nach dem Einschalten ablesen: Strom und Sense-Spannung sollten zunächst ausreichend stabil sein.
- Herstellergrenzwerte durch pauschale Mikroohmwerte ersetzen: Die zulässige Bewertung ist schalter- und herstellerspezifisch.
DMO200 für Hochstrom-Mikroohmmessungen
Ein konkretes Prüfgerät für Kontaktwiderstandsmessungen an Leistungsschaltern ist das DMO200 Digital-Mikroohmmeter.
Das Gerät erzeugt einen einstellbaren Gleichstrom-Prüfstrom von:
1 ... 200 A DC
und ermöglicht Widerstandsmessungen im sehr niedrigen Widerstandsbereich.
Die Auflösung beträgt bis zu:
0,1 µΩ
Prüfstrom, Sense-Spannung und Widerstand können gleichzeitig angezeigt werden.
Das DMO200 eignet sich insbesondere für Kontaktwiderstandsmessungen an:
- Leistungsschaltern,
- Trennschaltern,
- Schaltfeldern,
- Erdungsverbindungen,
- Sammelschienenverbindungen.
Für wiederkehrende Prüfaufgaben können Prüfströme voreingestellt werden. Ergebnisse lassen sich zudem auf einem USB-Speicher speichern und mit Zeit-, Datums- sowie Kommentarinformationen dokumentieren.
Optional stehen Kelvin-Klemmen beziehungsweise verschiedene Verlängerungskabel zur Verfügung.
Für Messungen an geeigneten beidseitig geerdeten Prüfobjekten kann zusätzlich eine optionale Gleichstrom-Stromzange eingesetzt werden.
Weitere Informationen finden Sie beim DMO200 Digital-Mikroohmmeter sowie unter Widerstandsmessgeräte / Micro-Ohmmeter bei ICS Schneider.
Fazit
Die Kontaktwiderstandsmessung an einem Leistungsschalter ist eine Mikroohmmessung, bei der bereits kleine Unterschiede im Prüfaufbau einen deutlichen Einfluss auf das Ergebnis haben können.
Die Vierleiter- beziehungsweise Kelvinmessung trennt den Hochstrompfad von der Spannungsmessung und verhindert dadurch, dass der Widerstand der Messleitungen in das eigentliche Ergebnis eingeht.
Für reproduzierbare Messungen müssen jedoch die Strom- und Sense-Anschlüsse eindeutig definiert sein. Werden die Spannungsanschlüsse bei einer Wiederholungsmessung verschoben, kann sich auch der erfasste Widerstandsabschnitt verändern.
Der Prüfstrom sollte entsprechend Hersteller- beziehungsweise Prüfanweisung ausgewählt und bei Trendmessungen konstant gehalten werden. Ein hoher Prüfstrom verbessert grundsätzlich die messbare Spannung, darf aber nicht ohne Rücksicht auf das Prüfobjekt gewählt werden.
Besonders wertvoll sind der Vergleich der Pole untereinander und die Betrachtung historischer Messwerte. Ein einzelner absoluter Mikroohmwert ist häufig weniger aussagekräftig als eine reproduzierbare Veränderung gegenüber früheren Prüfungen.
Für belastbare Ergebnisse gilt deshalb: geeigneten Prüfstrom verwenden, Vierleitertechnik konsequent einsetzen, Strom- und Sense-Messpunkte eindeutig festlegen, auffällige Werte reproduzieren und die Messergebnisse unter vergleichbaren Bedingungen dokumentieren.
FAQ: Kontaktwiderstand von Leistungsschaltern messen
Warum wird der Kontaktwiderstand eines Leistungsschalters gemessen?
Ein erhöhter Widerstand kann auf Veränderungen des Kontakt- beziehungsweise Strompfades hinweisen und zu zusätzlicher Verlustleistung und Erwärmung führen.
Warum reicht ein normales Multimeter nicht aus?
Kontaktwiderstände von Leistungsschaltern liegen häufig im Mikroohmbereich. Leitungs- und Kontaktwiderstände eines normalen Zweileiteraufbaus können dabei größer sein als der eigentliche Prüfwert.
Warum wird die Vierleitertechnik verwendet?
Zwei Leitungen führen den Prüfstrom und zwei separate Leitungen messen den Spannungsabfall direkt über dem definierten Prüfabschnitt. Dadurch werden die Widerstände der Hochstromleitungen weitgehend aus dem Messergebnis ausgeschlossen.
Welcher Prüfstrom sollte verwendet werden?
Der geeignete Prüfstrom richtet sich nach dem Leistungsschalter, der Herstelleranweisung und dem verwendeten Prüfverfahren. Für reproduzierbare Trendmessungen sollte derselbe definierte Prüfstrom verwendet werden.
Ist ein möglichst hoher Prüfstrom immer besser?
Nein. Ein höherer Prüfstrom erzeugt zwar einen größeren messbaren Spannungsabfall, muss aber innerhalb der zulässigen Bedingungen von Prüfgerät, Messleitungen und Prüfobjekt liegen.
Wo werden die Sense-Leitungen angeschlossen?
Sie werden an den festgelegten Messpunkten innerhalb des durch die Hochstromleitungen gespeisten Strompfades angeschlossen. Ihre Position definiert den tatsächlich gemessenen Widerstandsabschnitt.
Warum verändert sich der Messwert, wenn eine Klemme versetzt wird?
Die Kontaktqualität kann sich verändern oder die Sense-Leitung kann anschließend einen etwas anderen Abschnitt des Strompfades erfassen.
Sollten die drei Pole eines Leistungsschalters miteinander verglichen werden?
Ja. Bei vergleichbaren Polaufbauten bietet der Phasenvergleich eine sehr hilfreiche Plausibilitätsprüfung. Eine deutliche Abweichung eines Pols sollte reproduziert und untersucht werden.
Kann die Temperatur den Kontaktwiderstand beeinflussen?
Ja. Metallische Leiter besitzen einen temperaturabhängigen Widerstand. Trendmessungen sollten deshalb möglichst unter vergleichbaren thermischen Bedingungen durchgeführt werden.
Kann ein beidseitig geerdeter Leistungsschalter gemessen werden?
Je nach Prüfgerät und Verfahren ist dies möglich. Dabei muss berücksichtigt werden, dass ein Teil des Prüfstromes über parallele Erdungspfade fließen kann. Das DMO200 bietet hierfür eine optionale Gleichstrom-Stromzange.
Warum sind historische Messwerte wichtig?
Sie zeigen, ob sich ein Strompfad über mehrere Wartungsintervalle verändert. Ein ansteigender Trend kann wesentlich aussagekräftiger sein als ein einzelner Messwert ohne Vergleichsbasis.
Welches Gerät eignet sich für solche Messungen?
Ein konkretes Beispiel ist das DMO200 Digital-Mikroohmmeter. Es liefert 1 bis 200 A Gleichstrom-Prüfstrom, bietet 0,1 µΩ Auflösung und ist für Kontaktwiderstandsmessungen an Leistungsschaltern und anderen Hochstromverbindungen ausgelegt.