Blitze sind ein häufiges Naturphänomen, das erhebliche Schäden an Menschen, elektrischen Anlagen und elektronischen Geräten verursachen kann. Blitzkatastrophen haben weitreichende Folgen und betreffen Branchen wie Energieversorgung, Bauwesen und Transportwesen, die alle vor der Herausforderung stehen, Blitzschäden zu minimieren. Derzeit werden die Autobahnen meines Landes rasant ausgebaut, und die Verkehrstechnik ist von vielen Spitzentechnologien geprägt. Unzureichende oder mangelhafte Berücksichtigung des Blitzschutzes bei der Planung hat jedoch zu Schäden an zahlreichen elektromechanischen Geräten und erheblichen wirtschaftlichen Verlusten geführt. Dieser Artikel verwendet ein Überwachungssystem als Beispiel, um die Planung des Blitzschutzes für elektromechanische Anlagen im Autobahnbau zu erläutern. I. Die Notwendigkeit des Blitzschutzes für Überwachungseinrichtungen. Moderne Blitzschutztechnik schützt in erster Linie Gebäude, Personal, Ausrüstung und Anlagen vor den Auswirkungen von Blitzkatastrophen. Es gibt viele Wege für Blitzschäden, darunter direkte Blitzeinschläge (einschließlich Rücküberschläge) und indirekte Blitzeinschläge, zu denen induzierte Blitzströme in Stromleitungen oder Blitzströme, die durch Leitungen eindringen, gehören. Alle diese Wege können Schäden unterschiedlichen Ausmaßes an Geräten verursachen. Für jede Autobahn ist die Ausrüstung des Überwachungssystems hauptsächlich in der Überwachungszentrale und im Außenbereich entlang der Straße verteilt. Die Überwachungseinrichtungen bestehen größtenteils aus Informations- und Elektronikgeräten, die computerbasiert sind und auf Mikrochips beruhen. Sie sind sehr anfällig für die Auswirkungen und Schäden durch Blitzeinschläge und erfordern daher einen hohen Blitzschutz. Die Gebäude der Autobahnüberwachungszentralen sind in der Regel nach den Standards für intelligentes Bauen errichtet und verfügen über einen hohen inhärenten Blitzschutz. Die darin befindlichen Informations- und Elektronikgeräte befinden sich in relativ gut geschützten Blitzschutzzonen. Gemäß der Blitzschutzzonenklassifizierung befindet sich die Ausrüstung der Überwachungszentrale in LPZ3, wo keine direkte Blitzgefahr besteht und die Restspannung des Impulsstroms relativ gering ist; allgemeine Blitzschutzmaßnahmen sind ausreichend. Die Feldüberwachungsgeräte hingegen, die entlang der Straßen installiert und den rauen Witterungsbedingungen ausgesetzt sind, befinden sich in den Zonen LPZ0A/0B oder LPZ1. Einige Geräte, wie z. B. ferngesteuerte Kameras und große variable Anzeigetafeln, sind durch direkte Blitzeinschläge gefährdet, und allgemeine Blitzschutzmaßnahmen reichen hier nicht aus. In solchen Fällen sind umfassendere Maßnahmen erforderlich, um die Feldgeräte zu schützen und Blitzschäden zu verhindern. II. Blitzschutzplanung für Überwachungseinrichtungen Es gibt zahlreiche Blitzschutzmaßnahmen, wie beispielsweise den Einsatz von Blitzableitern, Fallleitern, Erdungseinrichtungen sowie die gemeinsame Erdung, Potenzialausgleich, Abschirmung und Überspannungsschutzgeräten (SPDs). Blitzschutz kann jedoch nicht allein auf einer einzelnen Komponente beruhen; er erfordert eine ganzheitliche Systembetrachtung und -planung, um die Auswirkungen verschiedener durch Blitzeinschläge verursachter Überspannungen auf die Geräte zu begrenzen und so ein bestimmtes Maß an Blitzschutz zu erreichen. Wie bereits erwähnt, sind die zu schützenden Objekte in der Blitzschutzplanung des Autobahnüberwachungssystems die Überwachungszentrale und die Überwachungseinrichtungen am Straßenrand. Die für die verschiedenen Geräte gewählten Blitzschutzmaßnahmen variieren stark in Abhängigkeit von deren Bedeutung und der Blitzgefährdung am jeweiligen Standort. Die Überwachungseinrichtungen versorgen mehrere primäre Verbraucher mit Strom und müssen daher rund um die Uhr in Betrieb sein. Die Bedeutung jedes einzelnen Geräts für das System darf nicht unterschätzt werden. Die Blitzbedingungen der Geräte im Überwachungszentrum und entlang der Straße unterscheiden sich jedoch erheblich. Daher müssen die Blitzschutzmaßnahmen für die beiden Gerätegruppen getrennt betrachtet werden. Das Überwachungszentrum verfügt über einen guten Blitzschutz. Erstens ist das Dach mit Blitzableitern, Blitzschutzbändern und anderen direkten Blitzschutzvorrichtungen ausgestattet, die direkte Blitzschäden am Gebäude und den darin befindlichen Geräten verhindern. Zweitens verfügen alle Überwachungsgebäude über gute Erdungssysteme und Potenzialausgleich. Dies maximiert die Ableitung von induzierten Blitzströmen, sodass die Restspannung des Impulsstroms, der direkt auf die einzelnen Endgeräte wirkt, relativ gering ist. Daher muss die Überwachungsausrüstung im Überwachungszentrum nur gegen diese Art von induzierten Blitzströmen geschützt werden. Es ist offensichtlich, dass der externe Blitzschutz die Grundlage für den systemweiten Blitzschutz bildet und sicherstellt, dass sich die elektronischen Geräte in einer gut geschützten Blitzschutzzone befinden. Überwachungsgeräte im Feld, die nicht durch Gebäude geschützt sind, sind jedoch direkt von Blitzeinschlägen bedroht und erfordern daher besondere Blitzschutzmaßnahmen. Feldgeräte lassen sich anhand der Blitzschlagbedingungen in zwei Typen unterteilen: Geräte, die leicht von direkten Blitzeinschlägen betroffen sind, wie z. B. ferngesteuerte Kameras; Geräte, die selten von direkten Blitzeinschlägen betroffen sind, wie z. B. Fahrzeugdetektoren, deren Blitzschäden hauptsächlich auf induzierte Blitze und elektromagnetische Impulse zurückzuführen sind. Geräte des ersten Typs sind direkt von Blitzeinschlägen bedroht und benötigen Blitzableiter oder andere Blitzschutzvorrichtungen. Der Blitzstrom wird über Ableiter in die Erde abgeleitet. Da die Geräte in diesem Bereich durch Schutzgehäuse oder Chassis geschützt sind, befinden sie sich in der Regel innerhalb der Blitzschutzzone LPZ1. Obwohl die Wahrscheinlichkeit direkter Blitzeinschläge gering ist, können Rückblitze und induzierte Blitze Schäden nicht vollständig verhindern. Daher sind leistungsstarke Überspannungsschutzgeräte, die direkte Blitze ableiten können, und ein gutes Erdungssystem erforderlich. Während die erste Entladungsphase den Großteil der Blitzstromenergie ableitet, kann die Restspannung in den Leitungen die Geräte dennoch beschädigen. Daher ist eine weitere Überspannungsschutzstufe erforderlich, um den verbleibenden Blitzstrom vollständig abzuleiten. Andere Geräte sind nicht direkt durch Blitze gefährdet, sondern hauptsächlich durch induzierte Blitze und elektromagnetische Impulse. Induzierte Blitze sind weniger schädlich als direkte Blitze, und für den Blitzschutz ist nur eine Überspannungsschutzstufe notwendig. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass Geräte, die „selten von direkten Blitzen betroffen sind“, nicht vollständig immun gegen direkte Blitzeinschläge sind. Dies ist eine empirische Schlussfolgerung, die auf der Höhe, der Struktur und den praktischen Gegebenheiten des Geräts basiert. Daher sollten bei der Planung die Straßenlage, die Blitzeinschlagbedingungen und andere tatsächliche Umstände unterschiedlich berücksichtigt werden. Es ist möglich, dass dasselbe Gerät auf einer Straße von direkten Blitzeinschlägen nicht betroffen ist, die Auswirkungen jedoch auf anderen Straßen oder anderen Abschnitten derselben Straße berücksichtigt werden müssen. Überwachungsgeräte sind anfällig für elektromagnetische Impulse. Ob in der Überwachungszentrale oder im Außeneinsatz: Blitzstrom kann über Strom- oder Kommunikationskabel in die Anlagen gelangen und Schäden verursachen. Daher müssen geeignete Blitzschutzmaßnahmen für die Stromversorgungs- und Kommunikationsleitungen der Überwachungsgeräte getroffen werden. Der Blitzschutz für Leitungen sollte unter drei Gesichtspunkten betrachtet werden: 1. Um zu verhindern, dass Blitze elektromagnetische Überspannungsimpulse in den Leitungen induzieren, sind Abschirmungsmaßnahmen für Strom- und Kommunikationsleitungen zu ergreifen. Hierfür sind abgeschirmte Kabel zu verwenden und die Abschirmung an beiden Enden der Leitung zu erden. 2. Beim Ein- und Austritt von Kabeln in Gebäude sind Erdung und weitere Maßnahmen an der Gebäudegrenze erforderlich. 3. Um zu verhindern, dass Blitzstrom über Kommunikationsleitungen in die Geräte gelangt, sind Überspannungsschutzgeräte vor den Kommunikationsanschlüssen kritischer Geräte zu installieren. III. Auswahl und Überlegungen zum Erdungssystem für Überwachungseinrichtungen: Das Erdungssystem ist die Grundlage des Blitzschutzes. Ohne ein gutes Erdungssystem können selbst die besten Überspannungsschutzgeräte Blitzströme nicht effektiv ableiten. Autobahnüberwachungszentralen und Außengeräte verwenden häufig ein TN-S-System zur Erdung. Ein Stromkreis wird vom Niederspannungsverteilerschrank im Überwachungszentrum zum Überwachungsverteilerkasten geführt. Von dort verlaufen mehrere Stromkreise zu den elektrischen Geräten. Die elektrischen Geräte müssen im Überwachungsraum mehrfach geerdet werden. Ein Stromkreis wird von der Niederspannungsschaltanlage im Umspannwerk zum Hauptüberwachungsverteilerkasten im selben Umspannwerk geführt und von dort zu jedem Feldgerät weitergeleitet. Hierbei ist die mehrfache Erdung der Feldgeräte zu beachten. Wird eine mehrfache Erdung durchgeführt, muss eine Schutzerdungselektrode lokal am Gerät installiert und mit der Schutzleiterleitung (PE-Leitung) der Stromversorgung verbunden werden. Werden Blitzableiter an den Geräten installiert, muss die Schutzerdung vom Blitzschutz des Blitzableiters getrennt sein; der Abstand zwischen beiden muss 20 Meter betragen. IV. Auswahl und Installation von Überspannungsschutzgeräten Überspannungsschutzgeräte sind ein wichtiger Bestandteil eines umfassenden Blitzschutzsystems und des internen Blitzschutzes. Sie können Blitzströme ableiten, Überspannungen begrenzen und elektrische und elektronische Geräte schützen. Überspannungsschutzgeräte werden in Spannungsbegrenzer, Spannungsschaltgeräte und Kombinationsgeräte unterteilt. Ihre spezifischen Funktionen sind: 1. Begrenzung von Blitzüberspannungen entlang der Zuleitung; 2. Begrenzung von Rücküberschlägen durch Erdpotenzialerhöhung; 3. Begrenzung von Überspannungen durch Blitzeinschläge. Die wichtigsten Parameter eines Überspannungsschutzgeräts sind der Schutzpegel Up, die maximale Strombelastbarkeit Imax und die maximale Dauerbetriebsspannung Uc. Der Schutzpegel Up sollte unterhalb der Impulsfestigkeit bzw. Störfestigkeit des zu schützenden Geräts und oberhalb der maximalen Betriebsspannung des Stromnetzes liegen. Schutzpegel und Impulsfestigkeit des Geräts müssen mit ausreichendem Sicherheitsabstand aufeinander abgestimmt sein. Überspannungsschutzgeräte sollten an den Grenzen zwischen zwei Blitzschutzzonen, insbesondere zwischen Innen- und Außenbereichen, installiert werden. Je nach Standort sollten unterschiedliche Schutzpegel verwendet werden. Die maximale Strombelastbarkeit Imax gibt die Stromableitungskapazität des Überspannungsschutzgeräts an. Bei Geräten mit Blitzableitern und Kabeleinführung in das Niederspannungsverteilungssystem ist am Einspeisepunkt ein Überspannungsschutz mit einem maximalen Ableitstrom I_max von 100 kA oder 65 kA (8/20 µs-Wellenform) zu installieren. Ein zweiter Überspannungsschutz mit einem maximalen Ableitstrom I_max von 8 kA (8/20 µs-Wellenform) sollte möglichst nahe am zu schützenden Gerät installiert und mit dem ersten Überspannungsschutz kaskadiert werden. Bei Geräten ohne Blitzableiter sind die für den Schutz der Zuleitung und den zweiten Schutz verwendeten Überspannungsschutzgeräte abhängig von der lokalen Gewitterhäufigkeit, dem Gelände und dem Bedarf an unterbrechungsfreier Stromversorgung für die Überwachungseinrichtungen auszuwählen. Üblicherweise werden Überspannungsschutzgeräte mit 65 kA (8/20 µs-Wellenform) bzw. 8 kA (8/20 µs-Wellenform) verwendet. Die maximale Dauerbetriebsspannung U_c ist ein wichtiger Leistungsindikator für den zuverlässigen Langzeitbetrieb des Überspannungsschutzes und beugt Gerätealterung und einer Verschlechterung des Spannungsschutzes vor. Die Netzspannung und das Erdungssystem haben einen großen Einfluss auf die Leistung. Um eine optimale Auswahl zu gewährleisten, werden Überspannungsschutzgeräte gestaffelt konfiguriert. Die erste Schutzstufe muss den Großteil des Blitzstroms abfangen, während die zweite Schutzstufe Restblitzströme ableitet und die Restspannung bei Geräteunterbrechungen begrenzt. Sie arbeitet mit der ersten Schutzstufe zusammen. Um die Auswirkungen von Spannungsschwankungen und häufigen Impulsströmen im Stromnetz zu minimieren, wird vor dem Überspannungsschutzgerät ein Leitungsschutzschalter (LS-Schalter) installiert, um dessen Lebensdauer zu verlängern. V. Auswahl und Konfiguration von Signalüberspannungsschutzgeräten: Um zu verhindern, dass Blitzstrom über Kommunikationsleitungen in die Geräte gelangt und Geräteanschlüsse sowie übertragene Daten beeinträchtigt, müssen Signalüberspannungsschutzgeräte an den ausgehenden Enden der Kommunikationsleitungen installiert werden. Gängige Signalüberspannungsschutzgeräte sind BNC-Schnittstellen-Überspannungsschutzgeräte für Videoübertragung, RJ45-Schnittstellen-Überspannungsschutzgeräte für Ethernet-Datenübertragung und serielle Schnittstellen-Überspannungsschutzgeräte für Steuerleitungen. Die Auswahl von Überspannungsschutzgeräten ist relativ einfach. Wichtig ist jedoch, dass der Überspannungsschutz zwar die Leitung vor elektromagnetischen Impulsstörungen schützt, aber die Kommunikationsqualität der Leitung selbst nicht beeinträchtigen darf. Der Signalverlust sollte so gering wie möglich sein. VI. Typisches Blitzschutzkonzept für ein Autobahnüberwachungssystem (I) Ausrüstung der Überwachungszentrale: 1. Die Stromversorgung der Geräte der Überwachungszentrale erfolgt über den Hauptverteilerschrank des Überwachungsgebäudes. Vor der Zuleitung vom Hauptverteilerschrank zum Überwachungsverteilerkasten ist ein Überspannungsschutzgerät mit einer maximalen Überspannung von 1,2 kV und einem maximalen Strom von 8 kA (8/20 µs-Wellenform) installiert. 2. Vor der Schnittstelle vom Ethernet-Switch der Überwachung zum Kommunikationszugangsnetz ist ein Überspannungsschutzgerät mit RJ45-Anschluss installiert. 3. Die Geräte im Überwachungsraum sind mit einem TN-S-Erdungssystem ausgestattet, dessen Schutzerdungswiderstand maximal 4 Ω beträgt. Durch Potenzialausgleich wird sichergestellt, dass der Blitzstrom in kürzester Zeit abgeleitet wird. (II) Feldgeräte 1. Die Stromversorgung der Überwachungsfeldgeräte erfolgt über den Niederspannungsschaltschrank des nächstgelegenen Umspannwerks. Der Hauptverteilerkasten für die Überwachung befindet sich im Umspannwerk neben dem Niederspannungsschaltschrank. Da der Niederspannungsschaltschrank über Blitzschutzmaßnahmen verfügt und sich in unmittelbarer Nähe des Verteilerkastens befindet, ist im Hauptverteilerkasten für die Überwachung kein Blitzschutz installiert. 2. An hohen Geräten wie ferngesteuerten Kameras und großen Wechselverkehrszeichen sind Blitzableiter sowie zweistufige Überspannungsschutzgeräte mit Überspannungsfestigkeiten von 1,8 kV und einem maximalen Strom von 65 kA (8/20 µs) bzw. 1,2 kV und einem maximalen Strom von 8 A (8/20 µs) anzubringen. 3. Fahrzeugdetektoren, Wetterdetektoren und kleine Wechselverkehrszeichen benötigen lediglich Überspannungsschutzgeräte mit einer Überspannungsfestigkeit von 1,2 kV und einem maximalen Strom von 8 A (8/20 µs). 4. Die Feldgeräte sind mit einem TN-S-Erdungssystem zu erden, wobei kritische Geräte eine mehrfache Erdung aufweisen müssen. Der Schutzleiterwiderstand darf 4 Ω und der Blitzschutz-Schutzleiterwiderstand 10 Ω nicht überschreiten. 5. An den Videoausgängen ferngesteuerter Kameras sind Überspannungsschutzgeräte für BNC-Videosignale zu installieren, und vor den Steueranschlüssen anderer Geräte sind Überspannungsschutzgeräte für serielle Schnittstellen zu installieren. Das Blitzschutzsystem muss in Abstimmung mit den elektromechanischen Anlagen, der Stromversorgung und -verteilung sowie den baulichen Anlagen geplant werden. Für die einzelnen Anlagen sind unterschiedliche Anforderungen zu stellen, um den Blitzschutz des Gesamtsystems zu gewährleisten. Die Blitzschutztechnik entwickelt sich stetig weiter, und Blitzschutzprodukte werden kontinuierlich aktualisiert und verbessert. Umfangreiche praktische Erfahrungen und Blitzschutzversuche haben die Entwicklung der Blitzschutztheorie vorangetrieben. Autobahnüberwachungssysteme sollten unter Berücksichtigung ihrer spezifischen Eigenschaften blitzschutztechnisch ausgelegt werden, um den Schutz vor Blitzeinschlägen zu gewährleisten. (Informationsquelle: China Transportation Engineering Network)