IGS-Industrielle Gefahrenmeldesysteme GmbH

Technology for life safety and security

Wissenswertes zum Thema Überspannungsschutz

Allgemeines

Elektronische Geräte bestimmen immer mehr unseren Lebensraum. Die korrekte Funktion dieser Geräte wird immer wichtiger. Durch die immer höhere Integration der Schaltkreise, verbunden mit immer höheren Verarbeitungsgeschwindigkeiten, steigt die Störanfälligkeit dieser Geräte stark an, wenn keine geeigneten Maßnahmen ergriffen werden.

Ursachen von Funktionsstörungen sind häufig elektromagnetische Störaussendungen anderer elektrischer Geräte oder atmosphärische Entladungen. Die Fähigkeit eines Gerätes oder einer Anlage weder durch Störungen beeinflusst zu werden, noch durch eigene Störaussendungen andere Geräte zu beeinflussen, bezeichnet man als elektromagnetische Verträglichkeit (EMV).

Die Festigkeit gegen Störungen, bzw. die maximale eigene Störaussendung ist in diversen Normen und Vorschriften festgelegt. Ein bekanntes Beispiel dazu ist das CE Zeichen und das EMVG (Gesetz über die elektromagnetische Verträglichkeit von Geräten). Oft sind die dort festgelegten Grenzen aber nicht ausreichend für die speziellen Umgebungsbedingungen von Geräten oder Anlagen. Funktionsstörungen oder Zerstörungen treten deshalb immer wieder auf. Mit Kenntnis der Wirkungsweise der Störbeeinflussungen und Umsetzung der Schutzkonzepte kann ein wirksamer Schutz erreicht werden.

Überspannungsschutz für die Gefahrenmeldetechnik


Arten von Überspannungen, Entstehung und Wirkung

Elektrostatische Entladung: Elektrostatische Entladungen treten auf, wenn aufgeladene Personen Gehäuse oder Bedienelemente berühren. Diese Aufladung erfolgt durch Ladungsverschiebung zwischen unterschiedlichen Materialien. In den meisten Fällen tritt dieses zwischen den Schuhen und dem Bodenbelag auf. Die auftretenden Spannungen betragen dabei nicht selten mehrere 1000V. Die Entladungen führen bei einem ordnungsgemäß installierten Gerät zu keinen Funktionsstörungen. Entladungen auf ungeschützte Baugruppen führen im Normalfall zu Zerstörungen, die nicht immer sofort zu erkennen sind. Oft entstehen so Vorschädigungen, die zu Spätausfällen der Baugruppe führen.

Elektrostatische Entladung

Gestrahlte Felder: Rundfunk- und Fernsehsender, Betriebsfunk und auch Mobiltelefone beeinflussen andere elektronische Geräte durch Einstrahlung. Die eingestrahlte Hochfrequenz führt meistens nur zu Funktionsstörungen der Geräte, wie z.B. Fehlalarm oder Fehlfunktionen des Mikroprozessors die zum Notbetrieb führen. Zerstörungen treten nur in sehr seltenen Fällen auf. Durch geeignete Schirmung oder Filterung (Ringkerne) lassen sich diese Einstrahlungen wirksam unterdrücken.

Gekoppelte Störungen: Aufgrund der vielen, zum Teil sehr langen Leitungen, zwischen Meldern und Zentrale ist eine kapazitive oder induktive Kopplung mit Leitungen anderer elektrischer Geräte selbst bei getrennter Verlegung kaum zu vermeiden. Die dabei induzierten oder eingekoppelten Spannungsspitzen entstehen häufig durch Ein- oder Ausschaltvorgänge oder durch Verbraucher die mit Phasenanschnittsteuerungen oder Frequenzumrichter betrieben werden. Diese Spannungsspitzen haben sehr kurze Anstiegszeiten und klingen in sehr kurzer Zeit wieder ab. Diese transienten Spannungen führen ebenfalls in den meisten Fällen nur zu Funktionsstörungen wie Fehlalarme, Störungen der Datenübertragung auf den Meldeleitungen oder Notbetrieb. Zerstörungen von Geräten oder Baugruppen sind eher selten. Durch getrennte Verlegung von Energie- und Meldeleitungen, sowie durch Filterung (Ringkerne) können Beeinflussungen weitestgehend vermieden werden. Eine Schirmung der Leitung ist ebenfalls oft sinnvoll.

Atmosphärische Entladungen: Atmosphärische Entladungen können zwischen Wolken oder zwischen Wolken und Erdboden auftreten. Die Entladungen zwischen Wolken können Störspannungen auf Mittelspannungsfreileitungen einkoppeln. Diese Störspannungen pflanzen sich über Trafostationen bis in das Niederspannungsnetz fort. Die Häufigkeit von Blitzeinschlägen ist stark von der geographischen Lage abhängig. In speziellen Blitzschadenskarten (z.B. vom VdS erhältlich) sind diese Daten erfasst.

Atmosphärische Entladungen

Einschläge von Blitzen in den Boden oder in Gebäude führen zu sehr hohen Ableitströmen. Diese Ströme können bis zu mehreren 100kA mit Anstiegszeiten von ca. 10µs betragen. Um den Einschlagort bildet sich eine trichterförmige Anhebung des Erdpotentials aus. Die Potentialunterschiede können zu Ausgleichsströmen in metallischen Rohren, Kabelschirmen oder ähnlichen Leitern führen. Diese Ströme (Ableit- und Ausgleichsströme) induzieren in anderen Leitungen sehr hohe transiente Überspannungen mit hoher Energie. Selbst bei Entfernungen von mehreren Kilometern vom Einschlagort können, je nach Energie des Blitzes, noch Zerstörungen in elektronischen Geräten oder Anlagen auftreten. Bei direkten Einschlägen in Geräte oder Anlageteile ist auf Grund der hohen Ableitströme fast immer mit starken Zerstörungen zu rechnen. Ein äußerer Blitzschutz (Blitzableiter) an Gebäuden ist wegen der Überspannungen, die in das Leitungsnetz eingekoppelt werden, allein nicht ausreichend. Blitzableiter können aber in den Potentialausgleich, speziell bei außenliegenden Anlagenteilen (Signalgeber), mit einbezogen werden.


Schutzkonzept

Das Schutzkonzept sieht eine Einteilung in Bereiche vor, für die eine unterschiedliche Gefährdung besteht. An den Übergängen der Bereiche werden Schutzbausteine installiert, die Überspannungen auf den Pegel des nächsten Schutzbereiches begrenzen. Durch die konsequente Anwendung dieses Konzeptes kann ein sehr guter Schutz vor Überspannungen erreicht werden.

Bereich 0: Oberirdisch angeordnete Geräte und Leitungen ausserhalb von Gebäuden.

Bereich 0/E: Unterirdische Leitungen; Geräte und Leitungen innerhalb von Gebäuden im Dachbereich und mehr als 20m über dem Boden.

Bereich 1: Geräte im Inneren von Gebäuden mit Leitungen von mehr als 10m Länge; ausgenommen hiervon sind Geräte und Leitungen im Bereich O/E und die zusätzlich Hülle um das Gebäude entlang der Außenwände entsprechend Darstellung Seite 10.

Bereich 2: Geräte im Inneren von Gebäuden mit Leitungen bis zu 10m Länge; ausgenommen sind hiervon Geräte im Bereich O/E

Überspannungsschutz - Installationsbereiche

Bei Geräten mit integriertem Feinschutz (nach IEC801) entspricht das dem Zentralengehäuse. Alle Geräte mit einer neueren VDS Zulassung sind mit diesem Feinschutz versehen. Besonderheiten Gleiche Bereiche, die durch einen anderen Bereich miteinander verbunden werden, können mit einem beidseitig mit niedriger Impedanz am Potentialausgleich angeschlossenen Metallrohr verbunden werden. Die Leitung verläßt dabei nicht den Schutzbereich. Bei Kabelkanälen aus Beton mit einer durchverbundenen Stahlbewehrung bleibt man ebenfalls in einem Schutzbereich. Bei Verbindungen zwischen Gebäuden kann oft unter Ausnutzung der genannten Möglichkeiten der Aufwand für den Blitzschutz deutlich reduziert werden.

Überspannungsschutz - Besonderheiten


Installation

Leitungslänge: Um eine Entkopplung der Schutzelemente zu erreichen, müssen bestimmte Leitungslängen zwischen den Schutzelementen eingehalten werden. Zwischen Grob- und Mittelschutz sind mindestens 10m Leitungslänge erforderlich. Zwischen dem Mittel- und dem Feinschutz (Zentrale) sind mindestens 5m Leitungslänge erforderlich.

Entkopplung der Schutzelemente

Netzanschluss: Bei Schutzbauelementen für Netzzuleitungen sind Netzfolgeströme zu beachten. Netzfolgeströme entstehen nach dem Zünden der Schutzbauelementen. Die Begrenzung der Spannung erfolgt dann auf einen Pegel, der unterhalb der Netzspannung liegt. Schutzbauelemente sind deshalb erst hinter der Netzsicherung einzusetzen.

Unterirdische Leitungen: Bei Leitungen im Erdreich (Bereich 0/E) ist ein paralleler Leiter in geringem Abstand mitzuführen. Dieser Leiter mit einem Querschnitt von mindestens 4mm² muss beidseitig am Potentialausgleich angeschlossen werden.

Unterirdische Leitungen

Potentialausgleich: Der Potentialausgleich spielt eine zentrale Rolle bei einem Überspannungsschutzkonzept. Da Überspannungen transiente Ereignisse mit kurzen Anstiegszeiten sind, sind die hochfrequenten Eigenschaften entscheidend. Die Ableitung von hochfrequenten Strömen erfolgt nur an der Oberfläche eines Leiters. (Skin-Effekt) Ein Leiter mit großem Querschnitt und einer großen Oberfläche ist daher erforderlich.

Potentialausgleich spielt eine zentrale Rolle bei einem Überspannungsschutzkonzept

Zentralen: Zentralen (Bereich 2) sind mit einem Mindestquerschnitt von 2,5mm² an den Potentialausgleich anzuschließen. Ein Querschnitt von 1,5mm² ist zwar unter bestimmten Voraussetzungen zulässig nach VDS, sinnvoll für eine ausreichende Ableitung sind aber 4 - 6mm². Bei groß ausgebauten Zentralen in stark gestörter Industrieumgebung sollte besser 10 - 16mm² gewählt werden. Der Schutzleiter (PE) hat eine andere Funktion und ist unabhängig von diesen Maßnahmen wie vorgesehen anzuschließen.

Schutzbausteine: Schutzbausteine müssen mit mindestens 6mm² mit dem Potentialausgleich verbunden werden. Wenn mehrere Schutzbausteine über einen Leiter mit dem Potentialausgleich verbunden werden müssen, sollten es nur Schutzbausteine gleicher Ableitfähigkeit sein (Grob-, Mittel- oder Feinschutz).

Signalgeber im Bereich 0: Signalgeber im Bereich 0 stellen eine Besonderheit dar. Sie müssen im Schutzbereich einer Blitzschutzanlage oder einer Antennenanlage montiert werden. Der Potentialausgleich erfolgt dann mit 16mm² CU oder 25mm² AL an die Blitzschutz- oder Antennenanlage. Ist eine Montage im Schutzbereich nicht möglich, muß der Signalgeber direkt mit 16mm² CU oder 25mm² AL mit dem Potentialausgleich verbunden werden.

Schirmung: Schirme müssen immer durchverbunden sein, dürfen aber nur einseitig mit dem Potentialausgleich verbunden werden. Bei beidseitigen Anschluß besteht die Gefahr einer Induktionsschleife, die zu hohen Störspannungen auf dem Schirm führen kann. Schirme sollten immer auf der empfindlicherer Seite mit dem Potentialausgleich verbunden werden. In der Regel ist das in der Zentrale, wo die Schirme sternförmig zusammengeführt werden.

Schirme müssen immer durchverbunden sein


Quelle: Informationsschriften und Seminarunterlagen der Firma Novar by Honeywell

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