BLITZSCHUTZ: Schutzstrategien 2/3

SCHUTZ VOR INDIREKTEN BLITZSCHLÄGEN

Hier geht es um Überspannungen, die im Zusammenhang mit Blitzschlag stehen und über überspannungstragende Leiter oder auch durch Induktionseffekte auf ein Gerät treffen.

Induktion, verbunden mit Blitzschlag, verursacht auf offenen Stromkreisen Überspannungen, die zu Zündungen führen, meist Gleichtaktzündungen (in Bezug auf die Erde), und auf geschlossenen Stromkreisen Stromflüsse, die durch thermische Effekte zerstörerisch sind.

Indirekte Stöße und Isolation

Ein ideales Beispiel für diese Strategie wäre ein Gerät, das durch Batterien oder Solarzellen autonom versorgt wird und nur über Funk, GPS oder Satelliten mit der Außenwelt kommuniziert. Nur lokale Sensoren oder Aktoren würden keinen Bezug zur Erde haben, auch nicht indirekt. Alle Materialien, die die Elektronik umschließen, sind isolierend und die elektrischen Leiter bilden keine Schleifen. Nur differenzielle Überspannungen könnten dieses System stören. Es gäbe dann weder Masse noch Erde zu verbinden. In der Realität sind solche Fälle jedoch äußerst selten.

Der Schutz von Personen erfordert häufig das Vorhandensein eines Erdungsanschlusses, da Metallmassen vorhanden sind und somit Potenzialunterschiede an den Anlagen entstehen. Das Vorhandensein von Erdungsanlagen schließt jedoch nicht die Möglichkeit aus, die Vorteile der Isolationsstrategie zu nutzen.

Isolation auf den Netzteilen

Wenn man empfindliche Geräte autonom mit Batterien, Akkus oder Solarmodulen versorgt, verhindert man, dass großeBlitzstöße über das Energieversorgungsnetz eintreffen, das einer der bevorzugten Vektoren für Blitzschlag ist. Aber auch wenn das Energienetz genutzt werden muss, kann die Isolationsstrategie trotzdem umgesetzt werden:

- Isolation kurzzeitig,

- Isolation permanent.

Momentane Isolation :

Feldmühle: Wir haben bereits die praktischen Nachteile dieser Systeme (Schwerfälligkeit, Kosten...) gesehen. Ein großer Nachteil schließt sie in der Regel von den gewählten Lösungen aus:

die Einstellung der Feldmühlen ist heikel :

- zu niedrig eingestellt sind, lösen sie ungewollte Warnungen aus,

- zu hoch eingestellt sind, erweisen sie sich als unwirksam.

Dauerhafte Isolation :

Der Isolationstransformator : Aus Kostengründen werden die Mittel, die zur Isolierung verwendet werden, normalerweise nur für Anlagen mit geringem Verbrauch eingesetzt.

Es handelt sich um :

-Isolationstransformatoren

-Netzkonditionierer, die einen Isolationstransformator und einen Spannungsregler kombinieren.

Wellenabsorber, die aus einem Blitzableiter, einer Induktivität und einem Trenntransformator bestehen.

Als Einzelstück oder in Kombination mit anderen Komponenten ist der Trenntransformator das Herzstück von Isolationsschutzverfahren.

Sobald die zu schützenden Frequenzen über 100 kHz liegen, reicht die galvanische Trennung nicht mehr aus (z. B. bei Blitzschlag), und es muss ein Trenntransformator mit Abschirmung verwendet werden. In diesem Fall wird der Schirm über möglichst kurze Verbindungen mit der Erde und der Masse des Transformators verbunden.

Gute Ergebnisse lassen sich auch ohne Abschirmung erzielen, allerdings sind dafür sehr geringe Kapazitäten zwischen Primär- und Sekundärseite erforderlich. Die Verwendung eines Trenntransformators führt dazu, dass zum Schutz von Personen die Vorschriften der Norm NFC 15-100 über getrennte Stromkreise angewendet werden müssen.

Isolation auf dem Telefonnetz

Bei Telefonleitungen wird durch galvanische Trennung vorgegangen, wobei spezielle Produkte verwendet werden, wie z. B.: Mimosa-Gehäuse, Isolitel oder andere Translatoren. Diese Materialien sind in der Regel teuer und die ersten beiden können nur auf analogen Leitungen verwendet werden. Breitbandtranslatoren können auch auf digitalen Leitungen eingesetzt werden.

Isolation und Signalübertragung

Die drahtgebundene Übertragung von Informationen zwischen Geräten birgt für diese Geräte ein erhebliches Risiko der Zerstörung durch Blitzschlag .

Um eine galvanische Trennung einzuführen, verwendet man à Luft oder Licht als Übertragungsvektor.

 Lufttrennung: Relais, Transformator und Radio

-Übertragungsleitungen relayen: Die Wirksamkeit hängt von der Isolierung der Relaiskontakte, die in der Regel unter 2000 V liegt, und von parasitären Kapazitäten ab.

-Bei analogen Signalen kann man auf den galvanischen Separator auf Transformatorbasis zurückgreifen. Das Prinzip besteht darin, das analoge Eingangssignal in eine Frequenz umzuwandeln und nach dem Durchlaufen des Transformators den umgekehrten Weg zu gehen.

-Bei Funkübertragungen isoliert die Luft, das Medium der Übertragung, den Sender vom Empfänger. Dennoch ist es notwendig, diese Geräte lokal zu schützen und dafür zu sorgen, dass die Antennen vom Erdnetz und von der Masse isoliert sind. Andernfalls wirken sie wie ein Blitzableiter.

Optische Trennung: Optokoppler und Lichtwellenleiter

In beiden Fällen besteht das Verfahren darin, ein elektrisches Signal in ein optisches Signal umzuwandeln. Man kann dann über ein transparentes, elektrisch isoliertes Medium kommunizieren.

-Der Optokoppler ist ein elektronisches Bauteil, das am Eingang und/oder am Ausgang von elektronischen Karten angebracht wird.

Diese Lösung hat mehrere Nachteile in Bezug auf denBlitzschutz : Der Abstand zwischen dem Sender und dem Empfänger ist zwangsläufig gering, da sie im selben Bauteil untergebracht sind, die Isolation ist gering (2000 V), es gibt parasitäre Kapazitäten.

Wenn sich am Eingang eines Geräts mehrere Optokoppler befinden, ist die Stromversorgung der Sendedioden in der Regel für alle Optokoppler gemeinsam. Bei einem Gleichtaktfehler an einem dieser Eingänge kommt es zu einer Kopplung über die Stromversorgung mit den anderen Eingängen. Die empfangenen Informationen können dann verfälscht werden.

Glasfasern bieten eine unvergleichliche Isolierung, die auf die Entfernung zwischen Lichtsender und -empfänger zurückzuführen ist. Die Faser wird für die Übertragung digitaler Informationen verwendet, ohne dass es zu Problemen mit dem gemeinsamen Punkt der Stromversorgung kommt, wie sie bei Optokopplern auftreten. Aus Gründen des mechanischen Schutzes gibt es abgeschirmte Fasern. Wenn die Abschirmung aus Metall besteht, entspricht die Isolierung dem größten Abstand zwischen einem ihrer Enden und der Masse des Ortes, an dem sie sich befindet. Der Nutzen von Glasfasern könnte dadurch in Frage gestellt werden. Obwohl die Isolierung von Stromkreisen aufgrund ihrer scheinbaren Einfachheit eine attraktive Strategie für den Blitzschutz ist, zwingen die bei ihrer Anwendung aufgetretenen Grenzen dazu, die Möglichkeiten der Flussstrategie zu erwägen.

Indirekter Blitzschlag und Abfluss

Wenn empfindliche Geräte nicht ausreichend von der lokalen Erde isoliert werden können, um sie vor indirekten Blitzeinschlägen zu schützen, müssen sie vor Blitzeinschlägen geschützt werden, indem auf den Drahtverbindungen Blitzschutzmodule oder Überspannungsableiter platziert werden.

Bei Auftreten einer Überspannung übernehmen diese Module die Funktion, den Stoßstrom zur Erde abzuleiten. Damit ein Schutz vor Blitzschlag durch Ableitung wirksam ist, muss den folgenden drei Bereichen besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden: Qualität der Verkabelung der Anlage und insbesondere des Erdungsnetzes, -Immunität der elektronischen Geräte, -Leistung der Schutzvorrichtungen Blitzableiter, Qualität der Verkabelung, Erdungsnetz Verkabelung und Erdungsnetz müssen besonders sorgfältig ausgeführt werden, wenn man die volle Wirksamkeit der Produkte erreichen will, die zum Schutz einer Anlage vor Blitzschlag verwendet werden. Anhand der Norm C 15-100 definieren wir zunächst die verschiedenen Begriffe, die bei der Erörterung von Schutzfragen verwendet werden, nämlich :

- Erdungsnetz, - Massennetz,

- fremde Elemente.

Das Erdungsnetz besteht aus einer Reihe von unterirdisch verlegten Leitern, die in direktem Kontakt mit dem Boden stehen und elektrisch miteinander verbunden sind. Bei einer Anlage mit geringer Ausdehnung spricht man von " Erdungsanschluss ", der Begriff "Erdungsnetz" wird eher bei Anlagen mit großer Ausdehnung verwendet. Das Erdungsnetz besteht aus allen passiven, nicht unterirdisch verlegten Leitern, die die Metallgehäuse der Geräte miteinander verbinden. Es muss nicht unbedingt geerdet sein. Es kann durch einen Fehler in der Isolierung der aktiven Leiter versehentlich mit den aktiven Teilen des Stromkreises in Verbindung gebracht werden.

Fremde Elemente sind solche, die ein Potenzial einleiten können, in der Regel das Erdpotenzial, und die nicht Teil der elektrischen Anlage sind. Dazu gehören z. B. sichtbare und unsichtbare leitfähige Teile von Gebäuden und auch Wasser-, Gas- und Heizungsrohre sowie nicht-elektrische Geräte, die an diese Rohre angeschlossen sind (Heizkörper, Metallspülen usw.).

 Qualität der Verkabelung der Anlage und speziell des Erdungsnetzes

Land-Netzwerk

Die Aufgabe des Erdungsnetzes ist es, die Sicherheit von Personen und in zweiter Linie den Schutz von Anlagen vor Blitzschlag zu gewährleisten. Es ermöglicht das Fließen von Strömen aller Art in den Boden: 50-Hz-Fehlerströme im TT- oder TN-System oder Ströme von Blitzen. Er legt das Bezugspotenzial der Anlage fest. Bei niedrigen Frequenzen oder bei transienten Strömen mit langsamen Schwankungen kann die Erde als resistiv betrachtet werden, ihr Wert hängt dann von der Form der Elemente ab, aus denen sie besteht, von den Installationsbedingungen und dem spezifischen Widerstand des Bodens. Dies gilt bis zu einer Frequenz von einigen Dutzend Hz.

Ab einigen hundert Hz wird die Impedanz der Leiter vor allem induktiv und sie ändert sich proportional zur Frequenz. Diese Erdungsimpedanz kann angesichts einer schnellen Stromänderung bei niedrigen Frequenzen größer sein als ihr Widerstand.

Im Falle der Ableitung von Blitzströmen müssen die Eigenschaften der Erdungsnetze für Ströme bis zu hundert Kiloampere und für Frequenzen, die Megahertz überschreiten können, bestimmt werden.

Erdungssteckdosen

Sie besteht in der Regel aus : -einem durchgehenden Kabel, das das Gebäude, in dem sich die elektrische Anlage befindet, umgibt. -einem langen Leiter, der in einem Graben vergraben wird. Aus blankem Metall, das in direktem Kontakt mit der Erde steht. -Der lange Leiter wird manchmal durch einen Pfahl ersetzt, der senkrecht in den Boden gerammt wird. Die besten Ergebnisse werden in der obersten Erdschicht erzielt, weshalb ein langer Leiter einem vertikalen Erdspieß vorgezogen wird. Die Qualität der Verbindungen und die Korrosionsbeständigkeit sind die zu bevorzugenden Installationsqualitäten. Ein niedriger Wert des Erdungswiderstands ist für den Schutz von Personen notwendig, für den Schutz vor Blitzeinschlägen ist dieser Wert jedoch nicht entscheidend. Sehr niedrig erleichtert er den Schutz, aber es ist bei weitem besser, Anstrengungen zu unternehmen, um ein Äquipotentialnetz zu erhalten, und sich mit Erdungswerten unter 50 Ω zu begnügen. Messungen, die an realen Blitzschlägen und mit einem Stoßgenerator Blitzedurchgeführt wurden, haben gezeigt, dass ein "Stern" mit zwei Zacken bei hohen Frequenzen eine geringere Impedanz aufweist als ein gerades, horizontal vergrabenes Kabel gleicher Länge. Die Länge des Kabels, das zur Herstellung eines Erdungspunkts verwendet wird, hat nur einen geringen Einfluss auf die Impedanz, während der spezifische Widerstand des Bodens und die Frequenz der Stoßwelle die Impedanz proportional zu ihrer Quadratwurzel beeinflussen. Diese Eigenschaften führen dazu, dass die sogenannte "Gänsefußform" für die Ableitungen von Blitzableitern verwendet wird.

Äquipotentialität von Erde und Masse

Der Potenzialausgleich zwischen den verschiedenen Erdungseingängen einer Installation ist für die Wirksamkeit der Schutzmaßnahmen Blitzschlag ausschlaggebend. Zunächst muss der Begriff "Referenzerde" oder "ferne Erde" definiert werden, die weit entfernt von dem Punkt platziert wird, an dem der Strom von Blitz in den Boden eintritt, und deren Potenzial als Null definiert wird.

Der Stromfluss, der auf einen Schlag von Blitzschlag über den Boden wird das Potenzial der lokalen Erden ansteigen, da sie nicht perfekt sind. Dieser Potentialanstieg kann durch Impedanzen zwischen dem Referenzmesspunkt und den Erdungspunkten der Anlage dargestellt werden.  

Nehmen wir eine Installation mit zwei getrennten Erdungen:

Die eine, A genannt, für den Schutz vor Blitzschlag wird von dem Strom von Blitzschlag Ia durchflossen.

-Die andere, B genannt, betrifft elektronische Geräte und wird von einem Reststrom Ib durchflossen.

Wenn Za und Zb die Impedanzen der Erdung gegenüber der örtlichen Erde sind und Zc die Impedanz zwischen der örtlichen und der entfernten Erde ist, kann man den Potenzialanstieg von Erde B gegenüber Erde A für einen Blitzeinschlag mit der Stromstärke Ia und dem Reststrom Ib berechnen.