Elektromagnetische Störungen auf Geräte und Netze

Bild 1: Allgemeines Beeinflussungsmodell von elektromagne­tischen Störungen; Quelle. Matthias Link

Für die Behandlung der EMV im Bereich der Elektroinstallationstechnik ist es nötig, sich einige Grundlagen vor Augen zu führen: Da elektromagnetische Störungen nichtbeabsichtigte Wirkungen einzelner Systemelemente aufeinander oder fremder Systeme auf das zu schützende sind, ist es wichtig, sich über die Mechanismen der Kopplung von einem System auf das andere klar zu werden.

Dazu benutzt man ein allgemeines Beeinflussungsmodell (Bild 1). Man geht dabei von einer Quelle aus, die die Störbeeinflussung hervorruft und einer sog. Senke, die von der Störung beeinträchtigt wird. Über einen Kopplungsmechanismus (K) sind beide in der Wirkung verbunden. Für die Kopplungen gelten die Gesetze der Energieübertragung in elektromagnetischen Feldern.

Zusammenspiel von Kopplungsmechanismen

Verschiedene Kopplungsmechanismen wirken gleichzeitig. Dazu gehört vereinfacht die Kopplung über induktive, kapazitive oder galvanische Verbindungen. Aber auch Wellenbeeinflussung und Strahlenbeeinflussungen sind deshalb zu betrachten, weil in der Praxis oft verschiedene Kopplungsmechanismen gleichzeitig auftreten. Induktive Kopplungen entstehen nach dem Induktionsgesetz, während kapazitive Kopplungen über Streukapazitäten zwischen Störquelle und Senke entstehen können.

Wenn zu verschiedenen Stromkreisen gemeinsame Leitungsabschnitte gehören, über die störende Ströme fließen können, spricht man von galvanischer Kopplung. Das kann vor allem bei Erdschlüssen in der Stromversorgung, aber auch bei direkter oder indirekter Blitzeinwirkung geschehen. Bei der Wellenbeeinflussung wirken auf der Leitung wandernde Wellen, Reflexionen, die von verschiedenen Parametern bestimmt werden und bei der die Leitungen im Bereich der wandernden Felder als Senken auftreten können.

Wenn elektromagnetische Wellen Systemteile erregen, wird Energie abgestrahlt und über ein elektromagnetisches Feld übertragen. Hier wirken Antennen, die aus Leiterschleifen, Dipolen oder einseitig geerdeten Leitern als Senken bestehen können. Es gibt natürliche Quellen, wie Rauschen, statische Elektrizität und Blitze oder künstliche Quellen wie Rundfunksender, getaktete Netzgeräte, Schweißgeräte, Ultraschallgeräte, Motoren, Entladungslampen, LED-Beleuchtung oder Kfz-Zündungen.

Das allgemeine Beeinflussungsmodell (Bild 1) zeigt, dass die jeweils zu beurteilende elektrische Einrichtung immer von ihrer Schnittstelle beschrieben und genau auch dort geschützt werden kann. Wie das geschieht, darauf wird in den weiteren Folgen eingegangen. Mit folgenden Störungen auf der Niederspannungsseite ist zu rechnen:

  • Ausfall der Stromversorgung
  • Kurzunterbrechung (ein- oder mehrpolig)
  • Blitz- und Überspannung
  • Unterspannung
  • Unsymmetrie
  • Erdschluss
  • Transienten, Bursts, Spikes
  • Frequenzänderungen
  • Oberschwingungen, Resonanzen und
  • HF-Einkopplungen.

Beeinflussungen dieser Art können zu Fehlfunktionen, Störungen oder Zerstörungen von Geräten, Anlagen oder Systemen führen.

Wirkungen auf Natur, Umwelt und Menschen

Bild 2: Schnittstellen von Schutzgeräten im Gebäude; Quelle: Dehn

Ebenso beschäftigt sich eine Vielzahl von Literatur mit der Wirkung elektromagnetischer Felder auf die Umwelt und den Menschen [1]. Dazu sind weitere Untersuchungen, Beobachtungen und Studien notwendig und latent. Im Rahmen dieser Beiträge der Elektromagnetischen Verträglichkeit wenden wir uns jedoch den Fragen zu, die den Bereich der Niederspannung und hier die Systeme der Niederspannung betreffen.

Das Bild 2 erweitert das allgemeine Beeinflussungs­modell bezogen auf die herkömmliche Elektro-Installationstechnik und zeigt beispielhaft für ein Gebäude die Schnittstellen, an die Schutzgeräte angeschlossen werden, will man ein Schutzkonzept verwirklichen. In jedem Fall ist bereits in der Planungsphase die EMV zu berücksichtigen. In der DIN VDE 0100 Teil 440 ist ausgeführt: »Einflussgrößen elektrischer Betriebsmittel, die störend auf andere Betriebsmittel, andere Einrichtungen oder auf die Umgebung einwirken können, sind sorgfältig zu untersuchen«. (DIN VDE 0100 »Errichten von Starkstromanlagen bis 1000 V.«

Beachtet werden sollte das auch deshalb, weil selbst bei kleinen Leiterschleifen hohe induzierte Spannungen auftreten können. Eine Leiterschleife z.B., die in 1 m Entfernung von einem Blitzableiter verlegt wurde, induziert bei einem Blitzeinschlag in einem galvanisch völlig getrennten System eine Spannung von bis zu 500.000 V. Selbst eine einfache Fernmelde­leitung in gleichem Abstand verlegt und mit einer Länge von 10 m und einem Abstand der Einzeladern von 3 mm zueinander induziert noch eine Spannung von 600V; eine Spannung, die jedes Telekommunikations- oder Datenverarbeitungssystem dann zerstört, wenn nicht geeignete Maßnahmen zum Überspannungsschutz vorgesehen worden sind.

EMV in energietechnischen Netzen

Die üblichen energietechnischen Netze sowie die dazugehörigen Geräte und Betriebsmittel sind in Deutschland auf ein ideales 230/400 V-Energieversorgungsnetz ausgelegt. Der Strom fließt über die drei Außenleiter zu den Verbrauchern und über den Rückleiter (N) wieder zurück. Damit ist der Stromkreis geschlossen. Der Schutzleiter ist z.B. an der Niederspannungshauptverteilung (NSHV) an die Erdung angeschlossen. Im Fehlerfall führt diese Verbindung zum Auslösen des entsprechenden Überstrom – oder Überspannungs-Schutzorgans. Die Erdungsanlage ist damit die Grundlage aller Schutzmaßnahmen eines Gebäudes.

In der Praxis ist das Netz nie ideal. Zwar ist als Netz-Anschlusswiderstand für die Untersuchung der Störfestigkeit eine Impedanz von 50 Ω definiert; diese Größe ist aber nur zum Feststellen messtechnischer Verhältnisse gedacht. Das Zusammenwirken zahlreicher Netzimpedanzen mit impulsartigen, u.a. von Schalthandlungen verursachten Strombelastungen führt manchmal sogar zu erheblichen Änderungen der sinusförmigen Spannungs-Zeit-Funktion. Hinzu kommen fehlerhafte Installationen, die zu Arbeitsströmen auf dem Erdungs- und Potentialausgleichssystem (PE/PA) führen können [2].

Tabelle: Blitzeinschläge, Überspannungen und deren Folgen auf Anlagen und Geräte; Quelle: Dehn

Rückwirkungen von Schalthandlungen ebenso wie Fehler in der Netz-Infrastruktur unterliegen ebenfalls den oben beschriebenen Kopplungsmechanismen und machen sich als elektrische, magnetische und elektromagnetische Felder oder direkt auf den galvanisch angeschlossenen Leitungen bemerkbar. Zusätzlich können sich Emissionen mehrerer Verbraucher zu Störwirkungen addieren. Aufgrund schneller Belastungsänderungen beim Schalten größerer induktiver oder kapazitiver Lasten werden oft Störungen verursacht, die zu erheblichen Schäden oder Zerstörungen führen können. Dazu kommen »vagabundierende Ströme« durch Potentialunterschiede, die durch fehlerhafte Installationen entstehen, weil sie sich über das PE/PA – oder das Erdungssystem ausbreiten, denn die Erdungsanlage wird von vielen elektrotechnischen Systemen zur Sicherstellung einer einwandfreien Funktion benötigt.

H.-J. Otto, Sachverständiger für informationstechnische Systeme stellt fest: »Es ist wirklich manchmal erschreckend, wie durch simple Fehler in der elektrotechnischen Infrastruktur die elektronischen Systeme in Unternehmen in ihrer Betriebsstabilität und Funktionssicherheit negativ beeinflusst werden. Auch bei Umbauarbeiten und Erweiterungen kann ein zuvor guter EMV-Status schlagartig ins Gegenteil umschlagen.« Und der vereidigte Sachverständige spricht da noch nicht von Anlagen und Netzen, die durch die Einspeisung von erneuerbarer Energie (Wind, PV) weiter an Stabilität einbüßen. Wenn jedoch Spannungen auf dem Rückleiter z.B. durch den verstärkten Einsatz von LED-Beleuchtung oder bei unsymmetrischer Belastung auftreten, die erheblich über der zulässigen Berührungsspannung liegen, kann man mit signifikanten Auswirkungen auf die angeschlossenen Geräte rechnen.

In der Praxis treten die Erscheinungen der EMV einerseits beim Schalten von Transformatoren oder hoher Lasten, bei Ladevorgängen von Kompensationsanlagen oder beim Abschmelzen von Sicherungen im Kurzschlussfall auf. Diese Phänomene werden unter dem Begriff »Switching Electro Magnetic Pulse« (SEMP) zusammengefasst und unterscheiden sich vom »Lightning Electromagnetic Pulse« (LEMP), der Blitzeinwirkung, in der Zerstörungswirkung auf Gerät, Anlage oder System (Tabelle). Die Kenndaten für das Zerstörungs- oder Störungsvermögen sind Amplitude, Anstiegsgeschwindigkeit und Energie des Störers. Sie sind bei SEMP und LEMP sehr unterschiedlich.

Erfolg durch Entkopplung

Fehler in der Netzinfrastruktur andererseits äußern sich z.B. im Bereich der IT-Systeme, bei EMA, BMA oder durch instabilen Betrieb intelligenter Gebäude. Mangelnde EMV, hier besonders leitungsgebundene Beeinflussung, kann hier die Elektronik massiv stören.
Die normativen Grundlagen, damit eine elektrische Einrichtung in ihrer elektromagnetischen Umgebung zufriedenstellend funktioniert, ohne diese Umgebung selbst zu beeinflussen, sind in zahlreichen Vorschriften und Normen beschrieben. Ein Teil davon wurde bereits für die Störfestigkeit genannt.

Für Netzrückwirkungen sind dies zusätzlich zum Beispiel die Normen:

  • DIN EN 50178
  • DIN EN 61000 oder
  • DIN VDE 0846

Sowie für Emissionen:

  • DIN VDE 0870
  • EN 55011
  • DIN VDE 0873
  • DIN VDE 0875
  • DIN EN 55014 oder DIN EN 55025

Für den LEMP:

  • DIN EN 50270
  • IEC 61024
  • DIN EN 61643.

Bei aller Übereinstimmung der Geräte, Anlagen und Systeme mit den anerkannten Regeln der Technik ist neben den Geräten in jedem Fall auch die Installation, d. h. die Leitungsverlegung, die galvanische Verbindung zum Schutzleiter sowie die meist unterschiedlichen Impedanzen von Phase(n), Null- und Schutzleiter als störwirksam zu berücksichtigen. Hier beschreiben die EN 50174 (VDE 0800-174) und DIN VDE 0100-444 sehr ausführlich die Probleme und die Maßnahmen, die für eine störungsfreie elektrotechnische Infrastruktur ergriffen werden müssen.

Elektromagnetische Verträglichkeit ist immer auch ein Erfolg einer Entkopplung, das heißt dem Beherrschen der Kopplungsmechanismen (siehe oben). Schon beim Erstellen der sogenannten Systemarchitektur ist zu prüfen, ob und inwieweit sich Maßnahmen zur Entkopplung einplanen lassen. E. Chun, EMV Spezialist, meint: »EMV beginnt in den Köpfen und nicht im Laboratorium.«

Literaturangaben

[1] Wo Nürnberg strahlt, Nürnberger Nachrichten, 25.2.2020; sowie interaktive Karte Fa. Viridas GmbH, Prof. Matthias Hampe, Wolfenbüttel unter www.feldkarte.de

[2] Lochthofen, Michael, Ableitströme in TN-C-S-Systemen, de 6.2020

Autor

Peter Respondek, Dipl. Wirtschafts­ingenieur, Neumarkt

Quelle und Bildquelle: www.elektro.net