Transiente Überspannungen: Ursachen und Auswirkungen
Transiente Überspannungen stellen eine erhebliche Gefahr für moderne elektronische Geräte, Telekommunikations- und Datenverarbeitungssysteme dar. Um die ständige Betriebsbereitschaft kritischer Anlagen zu gewährleisten, wenn Blitzeinschläge kurzzeitige Spannungsspitzen auf Stromversorgungs- und Datenleitungen verursachen, ist ein effektiver Überspannungsschutz unerlässlich.
Dafür gibt es drei zentrale Gründe:
Hohe Störanfälligkeit: Moderne elektronische Bauelemente sind schaltungstechnisch bedingt hochgradig empfindlich gegenüber Spannungsschwankungen.
Wirtschaftliches Risiko: Ungeplante Betriebsunterbrechungen und Systemausfälle sind in der digitalisierten Arbeitswelt nicht akzeptabel.
Großflächige Vernetzung: Datenübertragungsnetze erstrecken sich über weite geografische Gebiete und sind dadurch permanent äußeren Störeinflüssen ausgesetzt.
Entstehung von Überspannungen: Die 4 Hauptursachen
Transiente Überspannungen in elektrischen Netzen lassen sich im Wesentlichen auf vier primäre Ursachen zurückführen, die sich in Amplitude, Dauer und Frequenz stark voneinander unterscheiden:
Blitzschlag (LEMP – Lightning Electromagnetic Pulse): extrem energiereiche Impulse mit enormem Zerstörungspotenzial.
Schaltvorgänge (SEMP – Switching Electromagnetic Pulse): Industriell verursachte Spannungsspitzen, die beispielsweise in Produktionsanlagen durch das Schalten großer Lasten entstehen.
Elektrostatische Entladungen (ESD – ElectroStatic Discharge): Durch große Potentialdifferenzen entstandene Spannungsdurchschläge, hervorgerufen durch Reibungselektrizität (triboelektrischer Effekt) oder Influenz.
Nukleare elektromagnetische Impulse (NEMP – Nuclear Electromagnetic Pulse): Extrem starke, durch Kernwaffen in großer Höhe ausgelöste elektromagnetische Felder.
Während Überspannungen durch Blitzeinschläge und industrielle Schaltvorgänge klassische Probleme der Elektrotechnik darstellen, sind ESD- und NEMP-Störungen modernere Herausforderungen. Der flächendeckende Einsatz von empfindlichen Halbleitern hat die Anfälligkeit für ESD-Schäden drastisch erhöht.
Direkte und indirekte elektrische Auswirkungen von Blitzeinschlägen
Direkter Blitzeinschlag
Zum Zeitpunkt der Entladung fließt ein Impulsstrom mit einem Spitzenwert zwischen 1.000 und 200.000 Ampere und einer Anstiegszeit von einigen Mikrosekunden. Diese direkte Auswirkung kann als großer Faktor bei der Beschädigung von elektrischen und elektronischen Systemen betrachtet werden.
Bei einem Gewitter treten vor allem drei Arten von indirekten Auswirkungen auf, die elektrische Anlagen gefährden:
1. Blitzeinschlag in Freileitungen
Wegen ihrer exponierten Lage sind Freileitungen besonders gefährdet. Ein direkter Blitzeinschlag beschädigt oft zunächst die Leiterseile. Anschließend bauen sich extreme Stoßspannungen auf, die sich über die Leitungen ausbreiten und die angeschlossenen Elektroanlagen der Endverbraucher erreichen. Das Schadensausmaß korreliert dabei direkt mit der Entfernung zur Einschlagstelle.
2. Anstieg des Erdpotentials
Schlägt ein Blitz in das Erdreich ein, führt dies zu einem massiven Anstieg des Erdpotentials. Die Höhe hängt von der Stromstärke des Blitzes und der örtlichen Erdimpedanz ab. Besitzt eine elektrische Anlage mehrere Erdungspunkte (z. B. bei einer kabelgebundenen Vernetzung zwischen verschiedenen Gebäuden), entsteht eine extreme Potentialdifferenz. Die Folge: Angeschlossene Geräte und Netzwerke werden zerstört oder nachhaltig im Betrieb gestört.
3. Elektromagnetische Strahlung (Induktion)
Ein Blitzkanal wirkt wie eine kilometerhohe Antenne, die einen Impulsstrom von mehreren zehn kA (Kilo Ampere) führt. Die dabei abgestrahlten elektromagnetischen Felder erreichen selbst in über einem Kilometer Entfernung noch Feldstärken von mehreren kV/m (Kilo Volt/Meter). Diese Felder induzieren hohe Spannungen und Ströme in die umliegenden Leitungen und Elektroanlagen. Die realen Messwerte hängen von der Distanz zum Blitzeinschlag und den physikalischen Gegebenheiten der Leitungsführung ab.
Industriell verursachte Stoßspannungen und Schaltereignisse
Unter dem Begriff SEMP (Switching Electromagnetic Pulse) werden transiente Phänomene zusammengefasst, die durch das gezielte oder fehlerhafte Schalten von elektrischen Energiequellen in Industrie und Gewerbe entstehen.
Typische Quellen industrieller Stoßspannungen:
Anlaufen leistungsstarker Elektromotoren oder das Einschalten von Transformatoren
Zündvorgänge von klassischen Leuchtstofflampen (z. B. Neon- oder Natriumdampflampen)
Hochfrequente Taktungen in modernen Schaltnetzteilen
Schalten von Stromkreisen mit hohen induktiven Lasten
Grenzwertiges Auslösen von Sicherungen und Leistungsschutzschaltern
Schwankungen der Netzfrequenz durch das Herabfallen von Stromleitungen
Diese Vorgänge erzeugen Transienten von mehreren kV (Kilo Volt) mit sehr kurzen Anstiegszeiten im Mikrosekundenbereich. Sie breiten sich über das gemeinsame Versorgungsnetz aus und stören empfindliche Verbraucher nachhaltig.
Überspannungen durch elektrostatische Entladung (ESD)
Der menschliche Körper fungiert elektrisch als Kapazität im Bereich von 100 bis 300 pF (Picofarad). Beim Gehen über synthetische Teppichböden kann sich diese Kapazität auf Spannungen von bis zu 15 kV (Kilo Volt) aufladen. Bei der anschließenden Berührung eines leitfähigen Gegenstands fließt diese Ladung innerhalb weniger Nanosekunden mit Stromstärken von rund 10 A (Ampere) ab. Moderne integrierte Schaltungen – insbesondere in CMOS-Technologie – sind äußerst anfällig für diese ESD-Störgrößen. Durch gezielte Abschirmungs- und Erdungsmaßnahmen lässt sich dieses Risiko jedoch effektiv minimieren.
Das Gefahrenpotential von NEMP (Nuclear Electro Magnetic Pulse)
Ein nuklearer elektromagnetischer Impuls, der durch eine Detonation in großer Höhe (High-Altitude EMP) oberhalb der Atmosphäre ausgelöst wird, erzeugt ein starkes elektromagnetisches Feld von bis zu 50 kV/m (Kilo Volt/Meter) innerhalb von nur 10 ns (Nanosekunden). Dieses Feld deckt auf der Erdoberfläche ein Areal mit einem Radius von bis zu 1.200 Kilometern ab.
Am Boden induziert der NEMP immense transiente Überspannungen in Stromversorgungsleitungen, Datennetzen, Antennenanlagen und kritischen Infrastrukturen. Angeschlossene Endgeräte wie Computer, Telefone und Steuerungssysteme werden dabei augenblicklich zerstört, da der Feldstärkeanstieg mehrere kV/ns (Kilo Volt/Nanosekunde) betragen kann. Ein vollständiger Schutz ist komplex, jedoch lässt sich die zerstörerische Energie durch speziell für NEMP-Einwirkungen ausgelegte Abschirm-, Filter- und Überspannungsschutzmaßnahmen (SPD) wirksam dämpfen, um die Widerstandsfähigkeit der Systeme zu sichern.
Auswirkungen von Überspannungen
Überspannungen beeinträchtigen elektronische Geräte auf viele Arten, die hier in absteigender Reihenfolge ihres Schweregrads aufgelistet sind:
Zerstörung
Spannungsdurchschlag von Halbleiterübergängen
Zerstörung der Bonddrahtanschlüsse von Bauelementen
Zerstörung von Leiterbahnen oder Anschlüssen von Leiterplatten
Zerstörung von Triacs oder Thyristoren durch zu große dV/dt-Werte
Betriebsstörungen
Undefinierter Betrieb von Logikgattern, Thyristoren und Triacs
Löschen von Speicherinhalten
Programmfehler oder -abstürze
Daten- und Übertragungsfehler
Vorzeitige Alterung
Bauelemente, die Überspannungen ausgesetzt sind, haben eine kürzere Lebensdauer.
