ENTSTEHUNG VON ÜBERSPANNUNGEN

TRANSIENTE ÜBERSPANNUNGEN HABEN VIER HAUPTURSACHEN:

• Blitzschlag
• Spannungsspitzen aufgrund von Schaltvorgängen, z.B. in Industrieanlagen
• Elektrostatische Entladungen (Electrostatic Discharge, ESD)
• Nukleare elektromagnetische Impulse (NEMP)

Überspannungen unterscheiden sich in ihrer Amplitude, Dauer und Frequenz

Überspannungen hervorgerufen durch Blitzschlag und Schalthandlungen von Industrieanlagen begleiten uns schon seit langem. ESD- und NEMP-Störungen sind dagegen weitaus speziellere Einflüsse und haben sich aus neueren technologischen Entwicklungen ergeben. So hat der massive Einsatz von Halbleitern zur Anfälligkeit für ESD-Störungen geführt, während NEMP-Störungen von Kernwaffen verursacht werden.

1. INDIREKTE EINKOPPLUNG VON ÜBERSPANNUNGEN DURCH BLITZEINSCHLÄGE

Man unterscheidet drei Wege von indirekten Einkopplungen durch Blitzeinschläge

Einschlag in Freileitungen

Solche Leitungen können wegen ihrer sehr exponierten Lage unmittelbar vom Blitz getroffen werden. Dabei werden zuerst die Leiter teilweise oder ganz zerstört, und anschließend bauen sich hohe Stoßspannungen auf, die sich über die Leitungen fortpflanzen und schließlich die mit der Freileitung verbundenen Elektroanlagen erreichen. Das Ausmaß des Schadens richtet sich nach der Entfernung zwischen der Einschlagstelle und den Anlagen.

Anstieg des Erdpotentials

Der Eintritt des Blitzes in das Erdreich verursacht einen Anstieg des Erdpotentials, der je nach der Stromstärke und der örtlichen Erdimpedanz unterschiedlich ausfällt. In einer Anlage, die vielleicht mit mehreren Erdungspunkten verbunden ist (z.B. einer Verbindung zwischen Gebäuden), bewirkt ein Blitzschlag eine sehr große Potentialdifferenz, die dazu führt, dass Geräte, die an die betroffenen Netze angeschlossen sind, zerstört oder in ihrem Betrieb massiv beeinträchtigt werden.

Elektromagnetische Strahlung

Der Blitz kann als mehrere Kilometer hoch reichende Antenne angesehen werden, die einen Impulsstrom von mehreren zehn Kiloampere führt und entsprechend starke elektromagnetische Felder (mit Feldstärken von mehreren kV/m in mehr als einem Kilometer Entfernung) abstrahlt. Diese Felder induzieren hohe Spannungen und Ströme in Leitungen, die in Elektroanlagen oder deren Nähe verlegt sind. Die in der Praxis auftretenden Werte hängen von der Entfernung des Blitzeinschlags und von den physikalischen Eigenschaften der Verbindung ab.

2. INDUSTRIELL VERURSACHTE STOßSPANNUNGEN

Unter diesem Begriff werden Phänomene zusammengefasst, die durch das Ein- oder Ausschalten von elektrischen Energiequellen hervorgerufen werden.

Industriell verursachte Stoßspannungen entstehen durch:

• Schaltvorgänge von induktiven Lasten wie Motoren oder Transformatoren
• Einkopplungen von Zündspannungen von konventionellen Gasentladungsleuchten
• Schalten von Stromkreisen mit induktiven Lasten oder kapazitiven Lasten
• Auslösen von Sicherungen und Leitungsschutzschaltern
• ungewollte Fehlerzustände im Versorgungsnetz

Diese Phänomene rufen Transienten von mehreren kV mit Anstiegszeiten in der Größenordnung von einigen Mikrosekunden hervor und stören den Betrieb von Geräten in Netzen, mit denen die Störquelle verbunden ist.

3. ÜBERSPANNUNGEN DURCH ELEKTROSTATISCHE ENTLADUNGEN

Elektrisch betrachtet, besitzt der menschliche Körper eine Kapazität im Bereich von 100 bis 300 Picofarad. Diese Kapazität kann sich beim Gehen auf einem Teppich auf Spannungen von bis zu 20 kV aufladen. Berührt man anschließend einen leitfähigen Gegenstand, fließt diese Ladung als Stromfluss in wenigen Nanosekunden ab. Alle integrierten Schaltungen, vor allem aber solche in CMOS-Technologie, sind ziemlich anfällig für diese Art von Störgrößen, die man im Allgemeinen durch Abschirm- und Erdungsmaßnahmen eliminieren kann.

4. DAS PHÄNOMEN NEMP

(Nuclear ElectroMagnetic Pulse) Ein nuklearer elektromagnetischer Impuls in großer Höhe oberhalb der Atmosphäre ruft ein starkes elektromagnetisches Feld (bis zu 50 kV/m in 10 ns) hervor, das auf der Erdoberfläche ein Gebiet mit einem Radius von 1200 Kilometern abdeckt. Am Erdboden induziert das Feld sehr hohe transiente Überspannungen in Stromversorgungs- und Datenübertragungsleitungen, Antennen und andere elektrische Einrichtungen, wobei die angeschlossenen Endgeräte (Stromkreise, Computerterminals, Telefone usw.) zerstört werden. Der Anstieg der Feldstärke kann mehrere kV/ns betragen. Es ist zwar schwierig, alle Überspannungen zu beseitigen, die durch einen elektromagnetischen Impuls induziert werden, aber es gibt Möglichkeiten, sie zu dämpfen und zugleich die zu schützenden Systeme widerstandsfähiger zu machen. Trotz der enormen Amplitude dieses Phänomens lässt sich durch Abschirm-, Filter- und Überspannungsschutzmaßnahmen, die für NEMP Einwirkungen ausgelegt sind, ein wirksamer Schutz erreichen.