Überspannungsschutz

Sicherheitsbetrachtung   galvanische Einkopplung   induktive Einkopplung   kapazitive Einkopplung

Die modernen Computer und Netzwerke werden nicht nur immer kleiner und empfindlicher sondern auch immer wichtiger für den täglichen Ablauf. Während noch vor einigen Jahren Computerausfälle mit einem Lächeln hingenommen wurden, stehen jetzt komplexe Prozesse still, wenn eine wichtige Netzwerkkomponente ausfällt. Dabei sind die Schutzvorrichtungen für die modernen Systeme extrem gut ausgebaut. So gibt es auf dem Bereich der Software Schutz über Verschlüsselungen, Firewall-Technik und Spam-Filter. Auch für den eventuellen Stromausfall werden Vorkehrungen getroffen. Serverkomponenten werden mit leistungsfähigen USV an das Stromnetz angeschlossen. Trotzdem kommt es immer wieder zu Ausfällen. Fast ein viertel aller Hardwareausfälle ist auf Schäden durch Überspannung zurück zu führen.

Einige theoretische Informationen zum Thema Sicherheit befinden sich auf der Seite Sicherheitsbetrachtung.

Entstehung von Überspannungen

Überspannungen entstehen hauptsächlich durch Blitzentladungen, Schalthandlungen oder elektrostatischen Entladungen. Dabei treten die Spannungen nur für einen Bruchteil einer Sekunde auf. Sie haben einen schnellen Anstieg in wenigen Millisekunden bevor sie relativ langsam wieder abfallen.

1. Blitzentladungen bei Gewittern verursachen sehr hohe Überspannungen. Das Entstehen der Überspannung LEMP ist auf den Ladungsausgleich zwischen Wolke und Erde zurück zu führen. Die Einkopplung in das elektrische Netz erfolgt selten direkt sondern in der Regel über

• galvanische,
• induktive oder
• kapazitive

Wege. Durch die extrem hohen Blitzspannungen werden in den Metallteilen der Umgebung von 1500 Metern immer noch gefährlich hohe Spannungen erzeugt.

2. Unter Schalthandlungen versteht man in diesem Zusammenhang das Schalten leistungsstarker Maschinen im Stromversorgungsnetz. Bei solchen Vorgängen SEMP entstehen in den betroffenen Leitungen in wenigen Bruchteilen einer Sekunde sehr hohe Stromänderungen. Gerade in Leitungsnetzen großer induktiver Verbraucher kommt es zu starken Netzrückwirkungen. Über den Spannungseingängen anderer, im gleichen Netz angeschossener Geräte, werden diese Überspannungen wirksam.

3. Unter elektrostatischer Entladung ESD versteht man die Übertragung elektrischer Ladung zwischen Körpern mit unterschiedlichem elektrostatischem Potential bei Annäherung oder Berührung. So können sich Personen beim gehen über Teppichfußboden elektrisch aufladen und beim Berühren geerdeter metallischer Gegenstände die Ladung wieder abgeben. Die Ladung ist für den Menschen nicht gefährlich, reicht aber aus um elektronische Bauteile zu zerstören.

Durch die unterschiedlichen Arten der Entstehung bzw. Einkopplung von Überspannungen kann der Überspannungsschutz völlig unabhängig vom äußeren Blitzschutz betrachtet werden. Wichtige Teile der EDV-Systeme sollten in jedem Fall gegen Überspannungen geschützt werden.

Überspannungsschaden am DSL-Modem

Die hochempfindlichen Bauelemente moderner Elektronik sind sehr störanfällig gegen Überspannungen. Je nach Robustheit der Baulemente kann der Schaden über Bauelemente oder Geräte hinweg in hintergeschalteten Systemen wirksam werden. In diesem Fall ist der Splitter ohne Schaden geblieben, während das DSL-Modem einen deutlich sichtbaren Schaden durch Überhitzung erlitten hat.

Da einige Geräte der modernen Netzwerktechnologie schon sehr preiswert zu bekommen sind, macht es nicht in jedem Fall Sinn, diese Bereiche mit Überspannungsschutz auszurüsten. Die Entscheidung, welche Systeme geschützt werden sollten, basiert auf 3 Schwerpunkten:

• Anlagenteile, die eine besondere Gefährdung darstellen, sollten geschützt werden. So sind Außenantennen, lange Datenleitungen und Leitungen in der Nähe von hohen Energieübertragungen besonders gefährdet.
• Systeme die besonders teuer in der Anschaffung sind, sollten immer gegen Überspannung gesichert werden. Das können Super-Computer, Spezialanfertigungen oder Hochleistungs-Netzwerkrouter sein.
• Unabhängig von Preis und Gefährdung sollten Systeme, deren Funktion von besonderer Bedeutung ist, gesichert werden. Komponenten, die das Kerngeschäft der Firma bilden oder auch nur die Telefonanlage, die im Falle eines Ausfalls das tägliche Geschäft extrem behindern.

Genau wie beim Blitzschutz muss auch bei dem Überspannungsschutz darauf geachtet werden, dass alle Zugänge zum System abgesichert werden. Sobald ein Zugang vergessen wird, treten bei Überspannungen dort die Spannungsdifferenzen auf, die das System zerstören. Neben der Stromversorgung sollte also immer die Datenanbindung mit in die Betrachtung einbezogen werden.

Konsequent ausgeführter Überspannungsschutz am zu schützenden Computer

Im Bild ist ein komplett geschütztes Computersystem gezeigt. Alle Zugänge mit längeren Zuleitungen sind mit geeignetem Überspannungsschutz ausgerüstet. Das betrifft hauptsächlich die Stromversorgung, die im gesamten Netz ständig den Gefahren von Spannungsspitzen ausgesetzt ist. Das Datennetz kann auch Überspannungen in das System einleiten. Bei ausreichend hohen Spannungsspitzen kann auch leicht ein Ethernet-Hub oder -switch übersprungen werden. Glasfasernetzwerke benötigen keinen Überspannungsschutz. WLAN-Antennen mit langen Zuleitungen oder Zuleitungen von Außenantennen sind ebenfalls zu sichern. Nur kurze Verbindungen zum Monitor, Tastatur und anderer direkt angeschlossener Peripherie müssen nicht mit Überspannungsschutz ausgerüstet werden.

Bei der Errichtung des Überspannungsschutzes ist es absolut notwendig darauf zu achten, dass die Ableitung der Überspannung immer gewährleistet ist. Die Ableitung erfolgt in der Regel zum Potentialausgleich des Gebäudes, der wiederum mit dem Fundamenterder verbunden ist. Da der Schutzleiter der Stromversorgung am Potentialausgleich angeschlossen ist, wird die Überspannung in vielen Fällen über den Schutzableiter abgebaut.

Überspannungsschutz

Ein moderner Überspannungsschutz muß zwei Anforderungen gleichzeitig gerecht werden: er muß sehr schnell auf Überspannungen reagieren und er muß hohe Leistungen an überschüssiger Energie gefahrlos ableiten können. Es hat sich daher eine zweistufige Schutzschaltung bewährt. In der ersten Stufe arbeiten moderne Halbleiter, die bei Überspannung im Bereich von wenigen Nanosekunden die elektrische Zuführung kurz schliessen und so das angeschlossene Gerät sofort schützen. In der zweiten Stufe werden Gas-Ableiter genutzt. Das sind mit Edelgas gefüllte Kapseln mit zwei eingeführten Elektroden. Sie zünden bei einer bestimmten Überspannung einen Lichtbogen, über den die überschüssige Energie zur Erde abgeleitet werden können. Nach der Ableitung der Überspannung erlischt der Lichtbogen und beide Stufen sind sofort wieder einsatzbereit. Weitere Informationen dazu befinden sich auf der Seite Geräteaufbau.

Hier noch eine wichtige Information, warum externer Überspannungsschutz zusätzlich zum Eigenschutz der Geräte notwendig ist:
Das Gesetz über die elektromagnetische Verträglichkeit von Geräten (EMVG) vom 18.September 1998 behandelt zwar auch die Störfestigkeit, aber enthält keine Anforderungen an die Zerstörfestigkeit von Geräten. Es stellt die EMV-Mindestanforderungen dar, die für einen freien Warenverkehr innerhalb der europäischen Union gelten. Zerstörfestigkeit - also die Fähigkeit elektrischen Beanspruchungen zerstörungsfrei zu überstehen - ist dagegen ein Qualitätsaspekt der das gesamte Kommunikationsnetz umfasst. Sie wird durch Überspannungsschutzgeräte erreicht, die widerum Teil der informationstechnischen Ausrüstung sind.

technische Vorgaben

Da der reelle Blitz jedes mal mit völlig unterschiedlichen elektrischen Werten auftritt, hat man Blitzschutz- und Überspannungsschutz-Adapter anhand eines definierten Prüfstroms definiert. Der Prüfstrom ist als Impuls mit einem Maximalstrom I_max und der elektrischen Ladung Q definiert (siehe Bild). Die genaue Definition ist in der DIN-Norm VDE 0185 Teil 1 enthalten.

Definierter Prüfimpuls für Überspannungsschutz

Für Blitzstrom- und Überspannungsableiter sind unterschiedliche Impulse definiert. Der Stromstoß für Blitzstrom erreicht seinen maximalen Wert nach 10µs. Auf der abfallenden Flanke soll der Wert nach 350µs auf 50% des Maximalstroms abgefallen sein. Die Ladung ergibt sich aus Strom mal Zeit, was in der Grafik der Fläche unter der Kurve entspricht. Für Überspannungs-Ableiter ist der Maximalstrom nach 8µs und der halbe Maximalstrom nach 20µs vorgeschrieben. In den Datenblättern werden daher die Stromstöße I_max mit dem Zusatz (10/350) oder (8/20) entsprechend des Prüfimpulses angegeben.

Der maximale Ableit-Stromstoß ist der wichtigste Parameter des Blitzschutz- und Überspannungsschutz- Adapters. Die weiteren Angaben sind entsprechend dem Einsatzgebiet des Adapters vorgegeben. Neben der Nennspannung und der maximalen Spannung sollte auch der Nennstrom beachtet werden. Als Beispiel sollte ein Überspannungsschutz-Adapter für den Stromzugang eine Nennspannung von 230V (AC) und eine maximale Spannung von 255V angegeben haben. Bei der Angabe von dem Nennstrom von 16A sollten die geschützten Geräte auch nicht mehr Strom verbrauchen.

Bei dem Blitz steigt der Stoßstrom i der Entladung in Millisekunden auf seinen Maximalwert von einigen 10 kA an. Entsprechend dem Erdungswiderstand geht der Strom geringfügig langsamer zurück, wodurch dieser Teil als Langzeitstromstoß bezeichnet wird. (Siehe Diagramm). Die Ladung Q (Q = i x t) setzt sich aus der Ladung des Blitzstroms Q_Blitz und der Langzeitladung Q_lang zusammen. Entsprechend der Kurvenform wird sie über Q = ∫i dt berechnet.

Das Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik ( BSI) empfiehlt in Ihrem IT-Grundschutzhandbuch unter Maßnahme M 1.25 eindeutig die Nutzung von geeigneter Überspannungsschutz-Technik. Auch der VdS Schadenverhütung hat im Jahr 2005 die Richtlinienen "Risikoorientierter Blitz- und Überspannungsschutz" (VdS 2010:2005-07) komplett überarbeitet und neu herausgegeben.

Überspannungsschutz für Signal-, Mess- und Datenleitungen

Sämtliche elektrische Leitungen, die ins Haus eingeführt werden, sollten mit passendem Überspannungsschutz versehen werden. Egal für welche Arten von Signalen können die universalen Schutzgeräte für Datenleitungen eingesetzt werden. Zu beachten ist nur die Höhe der Betriebsspannung auf der Datenleitung und das passende Gerät ist gefunden. Es werden Schutzgeräte für alle gängigen Spannungen angeboten. Im Zweifel, oder bei Spannungen zwischen zwei angebotenen Adaptern, sind die nächst größeren Versionen zu wählen.

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