Blitzschutz: Schutzstrategien 2/3

SCHUTZ GEGEN INDIREKTE BLITZEINSCHLÄGE

Dabei geht es um die mit dem Blitz verbundenen Überspannungen, die durch überspannungsführende Leiter oder durch Induktionseffekte in ein Material gelangen.

Die Induktion, die mit dem Blitz verbunden ist, verursacht Überspannungen in offenen Stromkreisen, die zu Zündungen führen, meist im Gleichtakt (in Bezug auf die Erde), und in geschlossenen Stromkreisen Stromflüsse, die durch thermische Wirkung zerstörerisch sind.

Indirekte Auswirkungen und Isolation

Ein idealer Fall für diese Strategie wäre ein autonomes Gerät, das mit Batterien oder Solarzellen betrieben wird und nur über Funk, GPS oder Satellit mit der Außenwelt kommuniziert. Die Sensoren oder Aktoren wären nur lokal und hätten keinen, auch nur indirekten, Bezug zur Erde. Alle Materialien, die die Elektronik enthalten, wären isolierend und die elektrischen Leiter würden keine Schleife bilden. Nur differentielle Überspannungen könnten dann dieses System stören. Es gäbe dann keine Erdung oder Masse, die man anschließen könnte. In Wirklichkeit sind solche Fälle jedoch äußerst selten.

Der Schutz von Personen erfordert oft das Vorhandensein einer Erdverbindung, metallische Massen sind vorhanden, und daher treten Potentialdifferenzen an den Anlagen auf. Das Vorhandensein von Erdungsanlagen schließt jedoch nicht die Möglichkeit aus, die Vorteile der Isolierungsstrategie zu nutzen.

Isolierung der Stromversorgungen

Durch die autonome Versorgung empfindlicher Geräte über Batterien oder Solarzellen wird das Auftreten erheblicherBlitzschläge über das Stromverteilungsnetz vermieden, das einer der bevorzugten Vektoren für Blitze ist. Wenn jedoch das Stromnetz genutzt werden muss, kann die Isolationsstrategie dennoch umgesetzt werden:

- Isolierung kurzzeitig,

- Isolierung dauerhaft.

Vorübergehende Isolierung :

Feldmühle: Wir haben oben die praktischen Nachteile dieser Systeme gesehen (Gewicht, Kosten usw.). Ein großer Nachteil schließt sie im Allgemeinen von den gewählten Lösungen aus:

die Einstellung der Feldmühlen ist heikel:

- zu niedrig eingestellt sind, lösen sie unerwünschte Alarme aus,

- zu hoch eingestellt sind, sind sie unwirksam.

Dauerhafte Isolierung :

den Trenntransformator: Aus Kostengründen sind die zur Isolierung verwendeten Mittel in der Regel Anlagen mit geringem Verbrauch vorbehalten.

Diese sind:

Trenntransformatoren

Netzaufbereiter, die einen Trenntransformator und einen Spannungsregler kombinieren.

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

Allein oder in Kombination mit anderen Komponenten eingesetzt, ist der Trenntransformator das Herzstück des Isolationsschutzverfahrens.

Sobald die zu schützenden Frequenzen höher als 100 kHz sind, reicht die galvanische Isolierung nicht mehr aus (z.B. Blitzschlag), es muss ein Trenntransformator mit Schirm verwendet werden. In diesem Fall wird der Schirm über die kürzest möglichen Verbindungen mit der Erde des Transformators verbunden.

Gute Ergebnisse lassen sich auch ohne Abschirmung erzielen, allerdings erfordert dies sehr geringe Kapazitäten zwischen Primär- und Sekundärseite. Die Verwendung eines Trenntransformators führt dazu, dass die Anforderungen der Norm NFC 15-100 auf getrennte Stromkreise angewendet werden müssen, um den Schutz von Personen zu gewährleisten.

Isolierung im Telefonnetz

Für Telefonleitungen wird die galvanische Trennung mit speziellen Produkten wie Mimosa, Isolitel oder anderen Übersetzern verwendet. Diese Materialien sind in der Regel teuer, und die ersten beiden sind nur auf analogen Leitungen verwendbar. Breitbandübersetzer können auch auf digitalen Leitungen eingesetzt werden.

Isolierung und Signalübertragung

Die Übertragung von Informationen zwischen Geräten über kabelgebundene Medien birgt ein erhebliches Risiko der Zerstörung durchBlitzschlag .

Um eine galvanische Trennung einzuführen, verwenden wir à Luft oder die Licht als Übertragungsmedium.

 Lufttrennung: Relais, Transformator und Radio

Relaisübertragungsleitungen: Der Wirkungsgrad hängt von der Isolierung der Relaiskontakte ab, die in der Regel unter 2000 V liegt, sowie von den parasitären Kapazitäten.

Für analoge Signale kann ein galvanischer Separator auf Transformatorbasis verwendet werden. Das Prinzip besteht darin, das analoge Eingangssignal in eine Frequenz umzuwandeln und nach dem Durchgang durch den Transformator die umgekehrte Richtung einzuschlagen.

Bei Funkübertragungen isoliert die Luft, das Übertragungsmedium, den Sender vom Empfänger. Dennoch ist es notwendig, diese Geräte lokal zu schützen und sicherzustellen, dass die Antennen vom Bodennetz und von der Erde isoliert sind. Ansonsten wirken sie wie ein Blitzableiter.

Optische Trennung: Optokoppler und Lichtwellenleiter

In beiden Fällen handelt es sich um die Umwandlung eines elektrischen Signals in ein optisches Signal. Es wird dann möglich sein, durch ein elektrisch isoliertes transparentes Medium zu kommunizieren.

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

Diese Lösung hat mehrere Nachteile im Hinblick auf denBlitzschutz : Der Abstand zwischen dem Lichtsender und dem Empfänger ist notwendigerweise klein, da sie in der gleichen Komponente enthalten sind, reduzierte Isolierung (2000V), Vorhandensein von parasitären Kapazitäten, um die Lichttrennung zu erhalten, müssen die Stromversorgungen der Dioden, Sender und Empfänger des gleichen Kanals, unterschiedlich sein.

Bei mehreren Optokopplern am Eingang eines Geräts ist die Versorgung der Sendedioden im Allgemeinen für alle Optokoppler gleich. Im Falle eines Gleichtaktfehlers an einem dieser Eingänge wird die Stromversorgung mit den anderen Eingängen gekoppelt. Die empfangenen Informationen können dann verzerrt werden.

Glasfaserkabel haben aufgrund des Abstands zwischen Sender und Empfänger des Lichts eine unvergleichliche Isolierung. Die Faser, die zur Übertragung digitaler Informationen verwendet wird, ist frei von den Problemen des gemeinsamen Versorgungspunktes, die bei Optokopplern auftreten. Aus Gründen des mechanischen Schutzes gibt es geschirmte Fasern. Wenn die Abschirmung aus Metall ist, entspricht die erreichte Isolierung dem größten Abstand zwischen einem ihrer Enden und dem Boden des Standorts, an dem sie sich befindet. Der Wert der Faser könnte daher in Frage gestellt werden. Obwohl die Isolierung von Stromkreisen aufgrund ihrer scheinbaren Einfachheit eine attraktive Strategie für denBlitzschutz darstellt , zwingen uns die Grenzen, die bei ihrer Anwendung auftreten, dazu, die Möglichkeiten der Strömungsstrategie in Betracht zu ziehen

Indirekte Blitzeinschläge und Blitzschlag

Wenn empfindliche Geräte nicht ausreichend von der örtlichen Erde isoliert werden können, um sie vor indirektenBlitzeinschlägen zu schützen , sollten sie vor Blitzeinschlägen durch Anbringen vonBlitzableitern oder Überspannungsableitern an den Leitungsverbindungen geschützt werden.

Im Falle einer Überspannung übernehmen diese Module die Funktion des Überspannungsschutzes gegen Erde. Damit einBlitzschutz wirksam ist, muss den folgenden drei Bereichen besondere Aufmerksamkeit gewidmet werden: Qualität der Verkabelung der Anlage und insbesondere des Erdungsnetzes, -Unempfindlichkeit der elektronischen Geräte, -Leistung der Schutzvorrichtungen Blitzschutz, Qualität der Verkabelung, des Erdungsnetzes Die Verkabelung und das Erdungsnetz müssen besonders sorgfältig ausgeführt werden, wenn man die volle Wirksamkeit der zum Schutz einer Anlage vor Blitzschlag verwendeten Produkte erreichen will. Mit Hilfe der Norm C 15-100 werden wir zunächst die verschiedenen Begriffe definieren, die bei der Diskussion von Schutzfragen verwendet werden, nämlich

- Erdnetz, - Bodennetz,

- fremde Elemente.

Die Erdungsanlage besteht aus einer Reihe von unterirdischen Leitern, die in direktem Kontakt mit dem Erdboden stehen und elektrisch miteinander verbunden sind. Für eine kleine Anlage wird der Begriff " Erdanschluss" verwendet , während für große Anlagen der Begriff "Erdnetz" verwendet wird. Das Erdungsnetz besteht aus allen passiven, nicht vergrabenen Leitern, die die Metallgehäuse der Geräte miteinander verbinden. Sie ist nicht unbedingt mit der Erde verbunden. Es kann versehentlich mit den aktiven Teilen des Stromkreises verbunden werden, wenn die Isolierung der aktiven Leiter defekt ist.

Fremde Elemente sind solche, die ein Potenzial einbringen können, im Allgemeinen das der Erde, und die nicht Teil der elektrischen Anlage sind. Dazu gehören z. B. sichtbare oder nicht sichtbare leitende Gebäudeteile sowie Wasser-, Gas- und Heizungsrohre sowie an diese Rohre angeschlossene nichtelektrische Geräte (Heizkörper, Metallspülen usw.).

 Qualität der Verkabelung der Anlage und insbesondere der Erdungsanlage

Erdnetzwerk

Die Erdungsanlage dient zum einen der Sicherheit von Personen und zum anderen dem Schutz von Anlagen gegen Blitzschlag. Er ermöglicht den Fluss aller Arten von Strömen in den Boden: 50-Hz-Fehlerströme im TT- oder TN-Modus oder Blitzströme. Er stellt das Bezugspotenzial der Anlage ein. Bei niedrigen Frequenzen oder instationären Strömen mit langsamen Schwankungen kann die Erde als widerstandsfähig angesehen werden. Der Wert hängt dann von der Form der Elemente, aus denen sie besteht, den Installationsbedingungen und dem spezifischen Widerstand des Bodens ab. Dies gilt bis zu einigen Dutzend Hz.

Ab einigen hundert Hz wird die Impedanz der Leiter hauptsächlich induktiv und variiert proportional zur Frequenz. Diese Erdungsimpedanz kann bei einer schnellen Änderung des Stroms höher sein als ihr Widerstand bei niedrigen Frequenzen.

Für den Fall, dass Blitzströme fließen, müssen die Eigenschaften der Erdungsnetze für Ströme von bis zu hundert Kiloampere und für Frequenzen, die ein Megahertz überschreiten können, bestimmt werden.

Masseverbindungen

Sie besteht im Allgemeinen aus : ein durchgehendes Kabel, das das Gebäude umgibt, in dem sich die elektrische Anlage befindet. Ein langer Leiter, der in einem Graben vergraben ist. Blankes Metall in direktem Kontakt mit der Erde. Der lange Leiter wird manchmal durch einen senkrecht in den Boden gerammten Mast ersetzt. Die besten Ergebnisse werden in der obersten Schicht der Erde erzielt, weshalb ein langer Leiter einem senkrechten Pfosten vorzuziehen ist. Die Qualität der Verbindungen und die Korrosionsbeständigkeit sind die wichtigsten Eigenschaften der Installation. Ein niedriger Wert des Erdungswiderstands ist für den Schutz von Personen notwendig, aber für den Schutz von Blitzschlägen ist dieser Wert nicht entscheidend. Ein sehr niedriger Widerstand erleichtert den Schutz, aber es ist viel besser, sich um ein Potentialausgleichsnetz zu bemühen und sich mit Erdungswerten unter 50 Ω zufrieden zu geben. Messungen an realenBlitzeinschlägen und mit einemBlitzgenerator haben gezeigt, dass ein zweibeiniger "Stern" bei hohen Frequenzen eine geringere Impedanz aufweist als ein horizontal verlegtes, gerades Kabel gleicher Länge. Wenn die Länge des Kabels, mit dem eine Erdverbindung hergestellt wird, nur einen geringen Einfluss auf die Impedanz hat, so beeinflussen der spezifische Widerstand des Bodens und die Frequenz der Stoßwelle diese Impedanz proportional zu ihrer Quadratwurzel. Diese Eigenschaften führen zur Verwendung der so genannten "Krähenfuß"-Form für Ableitungen.

Äquipotentialität von Erde und Boden

Die Äquipotentialität der verschiedenen Erdungseingänge derselben Anlage bedingt die Effizienz des Blitzschutzes. Zunächst muss der Begriff "Bezugserde" oder "entfernte Erde" definiert werden, die weit vom Eintrittspunkt desBlitzstroms in den Boden entfernt ist und deren Potenzial als Null definiert ist.

Der Fluss des Stroms nach einer Blitzschlag durch das Erdreich führt zu Potentialerhöhungen in den lokalen Erden, da diese nicht perfekt sind. Dieser Potenzialanstieg kann durch Impedanzen dargestellt werden, die zwischen dem Referenzmesspunkt und dem Erdungspunkt der Anlage liegen.  

Betrachten Sie eine Installation mit zwei getrennten Erdungen:

Eine, A genannt, zum Schutz gegenBlitzschlag wird vom Blitzstrom Ia getragen.

Der andere, B genannte, betrifft die elektronischen Geräte und wird von einem Fehlerstrom Ib durchflossen.

Wenn Za und Zb die Impedanzen der Erdungssysteme in Bezug auf die örtliche Erde und Zc die Impedanz zwischen der örtlichen und der entfernten Erde sind, kann der Potenzialanstieg der Erde B in Bezug auf die Erde A für einenBlitzeinschlag der Intensität Ia und des Reststroms Ib berechnet werden.