Elektromagnetische Umgebung – Schirmung und Potentialausgleich

Was macht uns sicher, dass in einer Industrieanlage die »Industrie 4.0« einwandfrei funktioniert, es in einem Krankenhaus nicht zu Störungen der Vielzahl der verwendeten elektronischen Geräte kommt oder in einem Haushalt eine komplexe Installation ­einwandfrei arbeitet? Ein in sich stimmiges EMV-Konzept schützt vor unliebsamen Überraschungen.

Der technische Fortschritt stellt die Anforderungen an die elektromagnetische Verträglichkeit von Geräten, Apparaten und Systemen immer wieder und immer neu vor Herausforderungen, sei es bei der Energiewende, dem Smart Grid, der E-Mobilität oder dem Smart Home. Dass die gewünschten Funktionen neuer Technik zuverlässig erfüllt werden, ist für Nutzer heute selbstverständlich. Damit das so ist und so bleibt, ist und bleibt die Betrachtung der EMV permanenter ­Bestandteil der Planung und Installation.

Elektromagnetische Umgebung

Bild 1: Gesamtes Blitzschutzzonenkonzept eines Gebäudes

Bild 1 zeigt eine leittechnische Anlage in ihrer elektromagnetischen Umgebung. Im inneren Kreis sind integrierte Bausteine, Chips und ICs verwendet. Sie können sich ­gegenseitig beeinflussen aufgrund ihrer unterschiedlich hohen Taktfrequenzen und unterschiedlich steilen Stromflanken. Hier ist ein geeignetes Platinenlayout erforderlich.

Die Leittechnik enthält weiterhin geschaltete Gleichstromrelais. Der Stromabriss beim Schalten der Relais ­erzeugt ähnlich hohe induzierte Spannungen wie bei der Zündanlage eines Autos. Die Störbeeinflussung dieser Baugruppen untereinander innerhalb der leittechnischen Anlage kann größer sein als jede von weiter außen kommende Störung.

Eine wirkungsvolle Maßnahme zum ­Herabsetzen der Störbeeinflussung ist das geeignete ­Beschalten der Gleichstromspulen. Äußere Störquellen, die sich in unmittelbarer Nähe einer leittechnischen ­Anlage befinden können, sind:

  • Motoren mit hohen Anlaufströmen,
  • Hochspannungsanlagen,
  • Rundsteueranlagen
  • Leuchtstofflampen mit ihrem Zündimpuls,
  • mobile Kommunikationseinrichtungen mit ihren ­elektrischen Feldern
  • Thyristoren mit ihren Schaltflanken,
  • Entladungen statischer Elektrizität (ESD)
  • das stationäre Feld von Radiosendern oder
  • ein Blitzeinschlag als Bedrohung mit der höchsten Energie.

In der Tabelle unten werden Maßnahmen zur Beherrschung transienter Störungen beschrieben.

Schirmung – ein günstiges Konzept

Tabelle: Maßnahmen zur Beherrschung transienter Störungen

Kabelschirme werden verwendet, um die Störeinwirkungen auf die aktiven Adern und die Störungsaussendungen der aktiven Adern zu benachbarten Systemen zu verringern. Dazu sollen die Schirmungen entlang der gesamten Schirmungsstrecke gut leitend durchverbunden und zumindest am Anfang und am Ende geerdet sein. Nur ein an beiden Seiten aufgelegter Schirm kann induktive und kapazitive Einkopplungen mindern.

Aus betriebstechnischen Gründen wird manchmal der Leitungsschirm nur einseitig aufgelegt (Brummen). Eine gewisse Dämpfung gegen kapazitive Störungen ist damit zwar gegeben, ein Schutz vor elektromagnetischer Beeinflussung durch Induktion ist aber so nicht zu erreichen.

Bild 2: Schirmung eines Gebäudes aus Bewehrungsstahl (Prinzip)

Das Ausbilden von Schirmkäfigen ist eine wirtschaft­liche Schutzmaßnahme, bei der auch mit Schirmen des Gebäudes, der Räume und/oder der Geräte-Schutzzonen gearbeitet werden kann. Man benutzt dazu z.B. bauseits vorhandene Elemente wie Fassaden oder Armierungen. Bild 2 stellt eine Abschirmung aus Bewehrungsstahl schematisch dar. Es zeigt, das Verhältnis von Schirmdämpfung in Abhängigkeit der Frequenz. Von der Feldseite (Quelle) aus, in der ungedämpfte elektromagne­tische Felder wirken, können dann hinsichtlich leitungsgebundener Störungen Schutzzonen mit abnehmender Gefährdung geschaffen werden (Bild 3). An den Schnittstellen zwischen den Schutzzonen sind anschließend alle Leitungen, die von der Feldseite kommen, mit dafür ­geeigneten Geräten in die Schirmungsmaßnahme mit einzubeziehen.

Das Beispiel zeigt, dass mit diesen Maßnahmen relativ kostengünstig gute Voraussetzungen für die elektromagnetische Verträglichkeit geschaffen werden können, wenn sie im Planungsstadium berücksichtigt wurden und während der Entwicklungs-, Bau- und Installationsphase laufend überprüft werden. Ein nachträgliches Einbinden der Armierung als Schirmung in ein EMV-­gerechtes Schutzzonenkonzept ist dort, wo es nicht von vornherein unmöglich ist, erheblich aufwendiger und führt nicht zu dem gewünschten Resultat.

Der Potentialausgleich

Bild 3: Bildung von Schutzzonen hinsichtlich leitungsgebundener Störungen

Eine wichtige Grundlage jeder Schutzmaßnahme ist der Potentialausgleich. Richtig durchgeführt, ist es seine Aufgabe, gefährliche Potenzialdifferenzen zu vermeiden und das magnetische Feld zu reduzieren. Somit können durch ihn damit elektromagnetische Beeinflussungen und ungünstige, unbeabsichtigte Wirkungen oder Rückwirkungen auf andere benachbarte Systeme verhindert werden. Ein wirksames niederinduktives Potentialausgleich-Netzwerk kann durch vielfältige Verbindungen aller ­metallenen Komponenten (z.B. Versorgungsleitungen, Metalltreppen, Kabelkanäle aus Metall, EDV-Zwischenböden) erreicht werden.

Wichtig unter EMV Aspekten ist, dass auf dem PA/PAS-System keine Arbeitsströme fließen, denn das weist auf eine fehlerhafte Installation hin. »Undefinierte Ströme verursachen undefinierte Spannungen und erzeugen undefinierte Ausfälle und/oder Störungen«, erklärt Hans Joachim Otto, öffentlich bestellter und vereidigter Sachverstän­diger für Technik und Systeme der Informationsverarbeitung, insbesondere Telekommunikation und weiter: »Das Ohmsche Gesetz ist immer noch gültig!«

Autor

Peter Respondek, Dipl.-Wirtschafts­ingenieur, Neumarkt

Quelle und Bildquelle: www.elektro.net

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