Zusammenfassung: Dieser Artikel stellt Überspannungsschutzanschlüsse für Messgeräte und Instrumente vor, erläutert deren Notwendigkeit und diskutiert die grundlegenden Funktionsprinzipien. Schlüsselwörter: Messgeräte und Instrumente, Überspannungsschutzanschlüsse, Anschlussschutz. Elektrostatische Entladungen (ESD) und elektrische Schnellimpulse/Bursts (EFT) können Messgeräte und Instrumente in unterschiedlichem Ausmaß beschädigen. ESD erzeugt starke Hochfrequenzstrahlung im Frequenzbereich von 5–200 MHz. Die maximale Energie dieser Strahlung tritt häufig zwischen 35 MHz und 45 MHz auf und führt zu Eigenschwingungen. Die Resonanzfrequenz vieler Datenübertragungskabel liegt typischerweise ebenfalls in diesem Frequenzbereich, wodurch ein Großteil der ESD-Strahlungsenergie in das Kabel eingeleitet wird. Auch EFT erzeugen erhebliche Strahlungsemissionen, die in die Kabel- und Gehäuseverdrahtung einkoppeln. Wird ein Kabel einer elektrostatischen Entladung (ESD) von 4–8 kV ausgesetzt, kann die am Lastanschluss eines Datenübertragungskabels messbare induzierte Spannung 600 V erreichen. Dies übersteigt die Schwellenspannung von 0,4 V für typische digitale Messgeräte und Instrumente deutlich. Die typische Dauer des induzierten Impulses beträgt etwa 400 Nanosekunden. Messgeräte und Instrumente sind im Betrieb häufig unerwarteten Spannungsspitzen und -überspannungen ausgesetzt, die zu Schäden an der Elektronik führen. Diese Schäden entstehen durch das Durchbrennen oder den Ausfall von Halbleiterbauelementen (wie Dioden, Transistoren, Thyristoren und integrierten Schaltungen). Statistiken zeigen, dass 75 % aller Ausfälle von Messgeräten und Instrumenten auf Spannungsspitzen und -überspannungen zurückzuführen sind. Spannungsspitzen und -überspannungen sind allgegenwärtig: Stromnetze, Blitzeinschläge, Explosionen und sogar das Begehen eines Teppichs können elektrostatische Induktionsspannungen von mehreren zehntausend Volt erzeugen. Sie alle sind unsichtbar und können Messgeräte und Instrumente zerstören. Um die Zuverlässigkeit von Messgeräten und die Sicherheit des Personals zu verbessern, müssen Schutzmaßnahmen gegen Spannungsspitzen und Überspannungen ergriffen werden. 1. Blitzschutzanschlüsse Gemäß der Praxis in der Anwendung von Messgeräten und Instrumenten lassen sich Blitzeinschläge in direkte, induzierte und leitungsgebundene Blitzeinschläge grob in drei Kategorien einteilen: direkte, induzierte und leitungsgebundene Blitzeinschläge. Unabhängig davon, in welcher Form der Blitz auf das Gerät trifft, handelt es sich im Wesentlichen um eine Blitzüberspannung, die über die folgenden vier Punkte – die sogenannten Blitzschutzanschlüsse – eintritt. Diese werden anhand von Beispielen aus Messgeräten und Instrumenten veranschaulicht. 1.1 Gehäuseanschlüsse Jedes Gerät oder System, ob groß oder klein, kann als ein einzelnes Gehäuse betrachtet werden, beispielsweise Sensoren, Übertragungsleitungen, Signalverstärker, Feldinstrumente, Prozessleitsysteme (DCS) usw. Diese können der Umgebung vollständig ausgesetzt sein und direkten Blitzeinschlägen ausgesetzt sein, die zu Geräteschäden führen. Normen legen fest, dass eine elektrostatische Entladung von 4 kV durch Blitzeinschläge auf das Gerätegehäuse den normalen Betrieb des Geräts oder Systems beeinträchtigt. Beispielsweise können im Freien angebrachte Sensoranschlusskästen Blitzschlag ausgesetzt sein; DCS-Schränke in Serverräumen können durch Luftentladungen von Gebäudesäulen beeinträchtigt werden. 1.2 Signalanschlüsse (einschließlich Antennenzuleitungen, Datenleitungen, Steuerleitungen usw.) In Steuerungssystemen sind Verbindungspunkte zur Außenwelt erforderlich, um die Signal- oder Informationsübertragung zu ermöglichen. Beispiele hierfür sind der Hauptverteiler am Signalknotenpunkt eines Prozessleitsystems, der Anschluss eines Datenübertragungsnetzes, die Zuleitung von Mikrowellengeräten zur Antenne usw. Diese Schnittstellen zum Empfangen oder Senden von Signalen aus der Außenwelt sind anfällig für Blitzschlag. Da Überspannungen, die von externen Signalanschlüssen ausgehen, oft durch lange Kabel wandern, wird eine 10/700-µs-Wellenform verwendet. Die Norm legt eine Überspannungsspannung zwischen den Leitern von 0,5 kV und eine Überspannungsspannung gegen Erde von 1 kV fest. Die Auswirkungen von Überspannungen auf Schnittstellen zur Signalübertragung zwischen Geräten innerhalb eines Gebäudes entsprechen den Auswirkungen von Überspannungen auf Stromleitungen bei Verwendung einer kombinierten Wellenform von 1,2/50 (8/20) µs. Die Grenzwerte für die Überspannungsspannung zwischen den Leitern und zwischen Leiter und Erde bleiben unverändert. Eine Überschreitung dieser Grenzwerte kann die Signalschnittstellen und nachgeschaltete Geräte beschädigen. 1.3 Stromanschlüsse Stromanschlüsse sind am weitesten verbreitet und am anfälligsten für induzierte oder leitungsgebundene Blitzüberspannungen. Von Verteilerkästen bis hin zu Steckdosen können sich diese Stromanschlüsse überall befinden. Die Norm legt einen Grenzwert für die Überspannungsspannung zwischen den Leitern von 0,5 kV und einen Grenzwert für die Überspannungsspannung gegen Erde von 1 kV bei einer Wellenform von 1,2/50 (8/20) µs fest. Die hier genannte Überspannungsspannung bezieht sich jedoch auf die Betriebsspannung von 220 V AC. Bei einer niedrigeren Betriebsspannung ist diese Norm nicht anwendbar. Eine kleine Überspannung im Stromnetz beschädigt die Geräte möglicherweise nicht sofort, beeinträchtigt aber zumindest deren Lebensdauer. 1.4 Erdungsanschluss Obwohl die Norm den Erdungsanschluss nicht explizit erwähnt, ist dieser bei IT-Geräten von großer Bedeutung. Bei Blitzeinschlägen kann der Erdungsanschluss durch Rücküberschläge, Potenzialanstiege oder mangelhafte bzw. unsachgemäße Erdung beeinträchtigt werden. Dies führt zu einem zu hohen Erdungswiderstand, wodurch die Referenzpotentialanforderungen nicht mehr erfüllt werden und das Gerät beschädigt wird. Der Erdungsanschluss unterliegt nicht nur Anforderungen an den Erdungswiderstand/die Erdungsleitung (Länge, Durchmesser, Material), die Erdungsmethode und die Einstellungen des Erdungsnetzes, sondern steht auch in direktem Zusammenhang mit den elektrischen Eigenschaften des Geräts, dem Betriebsfrequenzband und der Betriebsumgebung. Gleichzeitig können Rücküberschläge vom Erdungsanschluss auch den Gleichstromanschluss und damit die mit Gleichspannung betriebenen Geräte beschädigen. Zusammenfassend lässt sich der Blitzschutz für IT-Geräte anhand von vier Schlüsselanschlüssen betrachten (siehe Abbildung 1). 2. Anschlussschutz für Instrumente und Messgeräte 2.1 Gehäuseanschluss Der Schutz des Gehäuseanschlusses von Instrumenten und Messgeräten umfasst nicht nur das Gebäudegehäuse, sondern auch das Gehäuse des jeweiligen Geräts oder Systems, wie z. B. Schaltschränke, Serverräume usw. Gemäß IEC 1312-1 „Schutz vor elektromagnetischen Blitzimpulsen“ Teil 1 (Allgemeine Grundsätze) umfasst der Anwendungsbereich die Planung, Installation, Prüfung und Wartung wirksamer Blitzschutzsysteme für Instrumentierungssysteme in oder auf Gebäudedächern. Es gibt drei Hauptschutzmethoden: Erdung, Schirmung und Potenzialausgleich. 2.1.1 Erdung: IEC 1024-1 beschreibt die Methoden zur Erdung von Gebäuden im Blitzschutz. Die Anforderungen werden hauptsächlich durch das unterirdische Netz-Erdungssystem des Gebäudes erfüllt. Beim Schutz von Messsystemen vor Blitzeinschlägen ist es erforderlich, dass Strom- und Kommunikationsleitungen zwischen benachbarten Gebäuden (ohne Schleife) an das Erdungssystem des Gebäudes angeschlossen werden, um durch mehrere parallele Pfade den Stromfluss in den Kabeln zu reduzieren. Bei der Erdung von Messsystemen ist besonderes Augenmerk auf die Systemsicherheit und die Vermeidung von Störungen durch andere Systeme zu legen. Im Betrieb sollte die Erdung des Messsystems in der Regel nicht direkt mit dem Blitzschutz-Erdungsdraht verbunden werden, da sonst Streuströme in das Messsystem gelangen und Signalstörungen verursachen. Die korrekte Verbindungsmethode besteht darin, zwei verschiedene Erdungsnetze unterirdisch über einen Niederspannungs-Überspannungsableiter zu verbinden, sodass sie sich bei Blitzeinschlag automatisch verbinden. 2.1.2 Schirmung: Theoretisch ist die Schirmung ein sehr effektiver Schutz für Messgehäuse vor Blitzeinschlägen. Aus wirtschaftlicher Sicht sollten jedoch verschiedene Schirmungsmethoden je nach Störfestigkeit der Gerätekomponenten und den Anforderungen an die Schirmwirkung ausgewählt werden. Die Leitungsschirmung, d. h. die Verwendung geschirmter Kabel in Messsystemen, ist weit verbreitet. Die Abschirmung von Geräten oder Systemen muss jedoch individuell festgelegt werden. Die IEC nennt als Beispiel die Verwendung von Stahlbewehrung in einem Gebäude, die mit einem Metallrahmen verbunden ist. IEC 1312-2 beschreibt dies wie folgt: Die Hauptquelle elektromagnetischer Störungen für Messsysteme in einem Gebäude ist das transiente Magnetfeld, das durch den Impulsstrom mehrerer Blitzeinschläge während eines einzelnen Blitzeinschlags entsteht. Befinden sich im Gebäude oder Raum Messsysteme, wird eine großflächige Abschirmung eingesetzt; dadurch wird das momentane elektrische Feld in der Regel auf einen ausreichend niedrigen Wert reduziert. 2.1.3 Potenzialausgleich; der Potenzialausgleich dient der Reduzierung der Potenzialdifferenz zwischen Messgeräten sowie zwischen Messgeräten und Metallbauteilen. Beim Potenzialausgleich an der Schnittstelle von Blitzschutzzonen müssen die Messsysteme im Gebäude berücksichtigt werden. In Bereichen mit minimalen Anforderungen an die elektromagnetischen Impulswirkungen von Blitzen besteht der Potenzialausgleichsstreifen vorzugsweise aus Metallplatten und ist mehrfach mit der Stahlbewehrung des Gebäudes oder anderen Abschirmungskomponenten verbunden. Für freiliegende leitfähige Teile von Messsystemen sollte ein Potenzialausgleichsnetzwerk eingerichtet werden. Prinzipiell muss ein Potenzialausgleichsnetzwerk nicht direkt mit der Erde verbunden sein, in der Praxis verfügen jedoch alle Potenzialausgleichsnetzwerke über eine Erdverbindung. 2.2 Schutz von Signalleitungen: Es sind zahlreiche ausgereifte Schutzgeräte verfügbar, beispielsweise Schutzvorrichtungen für verschiedene Schnittstellen von Instrumentierungssignalnetzen, Antennenzuleitungen und Sicherheitseinheiten für Endgeräte. Bei der Auswahl von Schutzvorrichtungen sollten neben deren Leistungsfähigkeit auch relevante Kennzahlen wie Übertragungsrate, Einfügedämpfungsgrenze, VSWR, Betriebsspannung und Betriebsstrom des geschützten Geräts berücksichtigt werden. Werden mehrere Schutzebenen im selben System (oder Netzwerk) eingesetzt, ist deren Abstimmung zu beachten. Aufgrund kommerzieller Faktoren besteht derzeit die Tendenz, Schutzvorrichtungen im selben Netzwerk übermäßig einzusetzen. Dies kann zu reduzierter Geschwindigkeit, erhöhter Dämpfung, Übertragungsverzerrungen und Informationsverlusten führen. Daher empfiehlt der Autor, für den Signalanschlussschutz eines Netzwerks geeignete Schutzvorrichtungen an den Schnittstellen zu installieren, an denen Netzwerksignale ein- und ausgehen. Transiente Ströme, die an Signalanschlüssen auftreten, können Signalumwandlungseinheiten und Prozesssteuerungsrechner, wie z. B. Motherboards, Parallelports und Signalschnittstellenkarten, beschädigen. Tatsächlich können transiente Ströme oder Überspannungen über verschiedene Wege in Signalübertragungsnetze gelangen. Der IEEE-802.3-Ethernet-Standard nennt vier Situationen, die eine Gefahr für das Netzwerk darstellen können: ① Direkter Kontakt zwischen LAN-Komponenten und Stromversorgungsschaltungen oder elektrisch belasteten Schaltungen. ② Auswirkungen statischer Elektrizität auf LAN-Kabel und -Komponenten. ③ Einkopplung hochenergetischer transienter Ströme in das LAN-System (verursacht durch Kabel in der Nähe des Netzwerkkabels). ④ Geringfügige Unterschiede in der Erdungsspannung zwischen verbundenen Netzwerkkomponenten (z. B. können die Schutzerdespannungen zweier verschiedener Gebäude geringfügig voneinander abweichen). Am Beispiel von Datenkommunikationsleitungen lässt sich dies verdeutlichen: Im RS-232-Standard für serielle und parallele Schnittstellen verläuft die Erdungsleitung zur Ableitung hochenergetischer Überspannungen und Fehlerströme gemeinsam mit dem Rückweg des Datensignals. Bereits kurzzeitige Spannungen im Bereich von wenigen zehn Volt können über serielle und parallele Schnittstellen Computer, Drucker und andere Geräte beschädigen. Signalleitungen können zudem Überspannungen aus Freileitungen direkt ableiten, und Signalschnittstellen können Überspannungen durch Blitzeinschläge und elektrostatische Entladungen ableiten. Daher sollten Anwender Datenleitungsschutzgeräte sorgfältig auswählen. Einige Schutzgeräte fungieren zwar als Shunt, verwenden aber häufig Silizium-Lawinendioden (SADs) zwischen der geschützten Leitung und dem Gehäuse des Schutzgeräts. Tests zeigen, dass SADs zwar eine ausgezeichnete Klemmleistung aufweisen, ihre Fähigkeit zum Überspannungsableiter jedoch begrenzt ist. Varistoren (MOVs) sollten ebenfalls nicht mit Datenleitungsschutzgeräten verwendet werden. Moderne Überspannungsschutzgeräte für Signalschnittstellen von Prozessleitsystemen (sei es eine RS-232-Schnittstelle oder eine Koaxialschnittstelle für Computer-Netzwerkadapter) verwenden derzeit Halbleiterentladungsröhren, deren Restspannungsparameter entscheidend sind. Mehrstufige Schutzschaltungen sind, sofern verfügbar, noch effektiver. Antennenzuleitungsschutzgeräte basieren primär auf Hohlleiter-Shunt-Prinzipien und sind für eine Sendeleistung von 400 W, einen Bemessungsentladestrom (8/20 µs) von 5 kA, eine Sendefrequenz unter 2,5 GHz, eine Einfügungsdämpfung unter 0,8 dB und eine Ansprechzeit unter 100 ns ausgelegt. 2.3 Für den Stromschutz von Stromversorgungsanschlüssen sollten idealerweise mehrstufige Überspannungsschutzgeräte (SPDs) verwendet werden. Aufgrund der Empfindlichkeit von Informationssystemen müssen jedoch Schutzgeräte mit niedrigeren Restspannungswerten eingesetzt werden, die unterhalb der Spannungsfestigkeit der zu schützenden Geräte liegen sollten. Gleichzeitig muss der Einfluss elektromagnetischer Störungen auf Messsysteme berücksichtigt werden; daher ist eine Shunt-Konstruktion mit Filterung optimal. Zwei wichtige Punkte sind beim Stromschutz von Messsystemen zu beachten: Die ersten beiden Stufen sollten Schutzgeräte mit hoher Strombelastbarkeit verwenden, während die Messanschlüsse Schutzgeräte mit niedrigerer Restspannung benötigen. Der Schutz der letzten Stufe sollte idealerweise eine Filterschaltung enthalten. Bei der Installation von Überspannungsschutzgeräten an den Stromanschlüssen von Messsystemen sind folgende Punkte zu beachten: ① Mehrstufige Überspannungsschutzgeräte müssen hinsichtlich Energie, Zeit und Entfernung aufeinander abgestimmt sein. Eine fehlerhafte Abstimmung kann den gegenteiligen Effekt haben. ② Die Anschlussleitungen des Überspannungsschutzes sollten so dick und kurz wie möglich sein. ③ Für einen optimalen Schutz sollten alle Anschlussleitungen möglichst gebündelt werden.