EMV und Sicherheit für Installationen: Teil 1

Aug 17, 2023

Anmerkung des Herausgebers: In diesem Artikel werden die Wörter „Erde“, „geerdet“ oder „Erdung“ synonym mit „Erde“, „geerdet“ oder „Erdung“ verwendet.

Da die Menge und Vielfalt der in Systemen und Anlagen verwendeten elektronischen Geräte immer weiter zunimmt, wird die EMV zu einem immer wichtigeren Thema. Fast alle meine Arbeiten an Systemen und Installationen seit 1990 waren mit Geräten verbunden, die den ordnungsgemäßen Betrieb anderer Geräte am selben Standort beeinträchtigten.

Im Jahr 1990 waren Motorantriebe mit variabler Drehzahl, die Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs) und Leistungs-Feldeffekttransistoren (PowerFETs) für Hochgeschwindigkeits-Leistungsschaltungen nutzten, ebenso neu wie private Mobilfunksysteme, und beide verursachten viele Probleme mit der alten Elektronik Ausrüstung. Seitdem haben EMV-Normen und -Vorschriften in den meisten Ländern die Emissionen und die Immunität von Geräten erheblich verbessert, aber gleichzeitig wurden Motorantriebe mit variabler Drehzahl ständig verbessert – durch schnelleres Schalten. Durch schnelleres Umschalten sind sie effizienter, kleiner und kostengünstiger, was zu einer deutlich größeren Verbreitung führt. Leider führt ein schnelleres Umschalten zu einer erhöhten Geräuschemission bei höheren Frequenzen, wodurch die Möglichkeit einer Störung anderer Geräte zunimmt (siehe Abbildung 1).

Dabei handelt es sich nicht nur um landgestützte Systeme und Anlagen, sondern alle neuen See- und U-Boot-Schiffe nutzen mittlerweile ausschließlich elektromotorische Antriebstechnologien. Sie haben immer noch riesige Schiffsdieselmotoren, aber sie treiben riesige Stromgeneratoren an, anstatt direkt mit Propellern verbunden zu sein. Elektroautos haben sich bereits im Einsatz bewährt und sind natürlich eine wachsende Industrie, und vollelektrische Flugzeuge sind in der Planung.

Ein weiterer großer Technologiesprung bei Schaltleistungswandlern vollzieht sich derzeit: Ersetzen von IGBTs und PowerFETs durch High Electron Mobility Transitors (HEMTs), meist auf der Basis von Galliumnitrid, GaN, und durch PowerFETs aus Siliziumkarbid (SiC), die zehnmal effizient schalten können (oder mehr) höhere Raten, wodurch Größe und Kosten noch weiter reduziert werden.

Das sind alles gute Nachrichten für die Verbesserung der Energieeffizienz, die Einsparung von Energiekosten und gleichzeitig für die Rettung des Planeten durch die Reduzierung der CO2-Emissionen. Dies bringt jedoch den großen EMV-Nachteil höherer Lärmemissionen bei höheren Frequenzen mit sich, wie Abbildung 1 zeigt.

Abbildung 1: Anschauliches Beispiel für Geräuschspektren, die von Motorantrieben mit variabler Drehzahl und ähnlichen Schaltleistungswandlern mit Nennleistungen um 100 kW und unterschiedlichen Technologien von Leistungsschaltgeräten erzeugt werden

Viele leistungsstärkere Schaltwandler wie z. B. Motorantriebe mit variabler Drehzahl werden mit Installationsanweisungen zur EMV geliefert, die in der Regel recht gut sind. Allerdings habe ich (und die Erfahrung anderer in der EMV-Welt) die Erfahrung gemacht, dass Vertriebsmitarbeiter über den Preis konkurrieren, indem sie die EMV-Installationsanforderungen neuer Motorantriebssysteme ignorieren, um Verträge mit Kunden zu gewinnen, die sich der EMI-Risiken nicht bewusst sind.

Niemand möchte in den Bau einer neuen Industrieanlage, einer wissenschaftlichen Forschungseinrichtung, einer Offshore-Öl-/Gasplattform, eines Eisenbahnsystems, eines Unterhaltungskomplexes, eines Rechenzentrums, eines Militärschiffs, eines Kreuzfahrtschiffs oder was auch immer investieren und dann feststellen, dass es nicht richtig funktionieren kann aufgrund selbst erzeugter EMI! Die finanziellen Verluste können enorm sein, aber selbst sie können durch die Kosten für die Modifizierung der Anlage, Plattform, des Schiffes usw. noch übertroffen werden, damit sie wie vorgesehen funktioniert.

Wie bei allen anderen EMV-/EMI-Problemen ist es viel kostengünstiger und finanziell weniger riskant, bei jedem modernen Bauprojekt von Beginn an eine gute EMV zu planen.

Tim Williams und ich haben im Jahr 2000 gemeinsam ein Buch über EMV für Systeme und Installationen geschrieben [1]. Es beschreibt Gebäude und Standorte, aber sein Material lässt sich leicht erweitern, um Fahrzeuge aller Art, Land, Wasser, Unterwasser, Luft (Starrflügler oder Drehflügler), Weltraum usw. abzudecken.

Neben vielen anderen Themen behandelt dieses Buch den Entwurf und die Konstruktion verschiedener Arten von (sogenannten) „Erdungssystemen/-netzwerken“, die in großen Systemen und Anlagen verwendet werden, darunter:

Dieser zweiteilige Artikel liefert einige Hintergrundinformationen zu diesen „Erdungsnetzwerken“, die im Buch nicht enthalten sind. Es zeigt, wie und warum sie sich in den letzten Jahrzehnten von ihren ursprünglichen Einzelpunkt-Erdungssystemen aus Sicherheitsgründen zu vermaschten Strukturen zur kosteneffizienten EMV-Bewältigung entwickeln mussten, um die Kosten von Produktionsausfällen und Ausfallzeiten aufgrund von EMI zu minimieren , einschließlich Blitz.

Metall- und andere leitfähige Strukturen in Gebäuden und Fahrzeugen, einschließlich aller Leitungen und Kabel, können Fehlerströmen ausgesetzt sein, die durch Isolationsfehler in ihren Stromversorgungsanlagen und Verteilungsnetzen verursacht werden, sowie durch Überspannungen, die durch Blitzeinschläge verursacht werden.

Da durch die Impedanzen dieser Metallstrukturen und anderer Leiter vorübergehende Fehler- oder Überspannungsströme fließen, erzeugen sie Hitze und Potenzialunterschiede, die zu Verbrennungen und der Gefahr eines Stromschlags für Menschen führen können.

In brennbaren oder explosiven Atmosphären können hohe Temperaturen Brände oder Explosionen verursachen, ebenso wie Lichtbögen oder Funken, die entstehen können, wenn Potenzialunterschiede über Lücken hinweg auftreten.

In der Terminologie der IEC-Sicherheitsstandards ist ein schützendes Potenzialausgleichssystem die gesamte leitfähige Struktur, die durch die Verbindung aller „berührbaren“ Metallteile entsteht, die aufgrund von Isolationsfehlern oder indirekten Auswirkungen von Blitzen zu Stromschlägen bei Menschen führen könnten2 (siehe Abbildung 2).

Abbildung 2: Eine Skizze eines sehr einfachen Schutzpotentialausgleichssystems

Mit „berührbar“ sind metallische/leitende Teile gemeint, die gleichzeitig für Körperteile einer Person erreichbar sind. Dazu gehören beispielsweise Geräteschränke oder andere leitfähige Strukturen auf beiden Seiten eines Gehwegs, die nahe genug sind, dass sie von den Fingerspitzen der linken und rechten Hand einer Person gleichzeitig berührt werden können.

Unter „Äquipotential“ versteht man in der Regel – für trockene Umgebungen –, dass die maximale kontinuierliche Potentialdifferenz nicht mehr als 25 VAC rms bei der Netzfrequenz von 50 Hz oder 60 Hz oder nicht mehr als 60 VDC beträgt. Für kurzzeitige Potenzialunterschiede und/oder blitzbedingte Überspannungstransienten können höhere Maximalwerte zulässig sein.

Es ist wichtig zu verstehen, dass es sich bei den oben genannten Werten um allgemeine Werte handelt und dass die tatsächlichen Werte, die als sicher genug angesehen werden, von einer Norm zur anderen und von einem Land zum anderen variieren können und in der Regel bei viel niedrigeren Werten angegeben werden, wenn die Umgebung nass oder feucht sein kann Die Haut könnte verschwitzt sein, da der Widerstand der menschlichen Haut in solchen Situationen geringer ist.3

Es wird oft vergessen, dass „berührbar“ auch die Gehäuse von Gegensteckern umfasst, und abgeschirmte Kabel, die sich über viele Meter erstrecken, vergrößern die Reichweite einer Person effektiv um die Länge des Kabels! Ein guter Freund von mir stürzte von einer sehr hohen Leiter, als er in einem Theater ein Audiokabel von einem an der Decke montierten Verstärker abzog, und erlitt einen schweren Stromschlag, weil eine Hand am Verstärker und die andere am Metallstecker des abgetrennten Kabels lag . Bei dem Sturz brach er sich das Bein, und dabei hatte er großes Glück.

Die für den „Potentialausgleich“ maximal zulässigen Potenzialunterschiede werden durch die Sicherstellung ausreichend niedriger Impedanzen im gesamten Schutzpotenzialausgleichssystem erreicht. Die Serienimpedanz (Z) eines langen Leiters (deutlich unterhalb seiner ersten Viertelwellenlängenresonanz) beträgt:

Z = √[R2 + (2πf L)2]

Wo:

R = Serienwiderstand in Ohm, L = Serieninduktivität in Henries, f = Frequenz in Hertz

Bei 50 Hz und 60 Hz wird die Impedanz der meisten praktischen leitfähigen Strukturen durch den R-Term in der obigen Gleichung dominiert. Der Großteil der Energie bei Blitzstoßtransienten liegt jedoch im Bereich des Spektrums bis zu 1 MHz, und oberhalb einiger kHz werden die Zs der meisten Leiter vom 2πf-L-Term dominiert. So werden die Serienimpedanzen gewöhnlicher Leiter (z. B. zur Verbindung von Betriebsmitteln in Schutzpotentialausgleichssystemen) oberhalb einiger kHz überwiegend induktiv, was für den Blitzschutz (und für die EMV, siehe weiter unten) wichtig ist.

Netzstromversorgungen sind immer durch Überstromschutzeinrichtungen, wie z. B. Sicherungen, geschützt. Im Falle eines Isolationsfehlers des Schutzpotenzialausgleichssystems sind die resultierenden Fehlerströme so viel höher als die normalen Netzströme, dass der Überstromschutz auslöst und den Leiter mit der fehlerhaften Isolierung in der Regel innerhalb von 1 Sekunde stromlos macht.

Metallkonstruktionen und Leiter in ordnungsgemäß konzipierten, konstruierten und gewarteten Schutzpotentialausgleichssystemen weisen ausreichend niedrige Widerstände auf, um keinen Stromschlag zu verursachen. Dies bedeutet fast immer, dass alle ihre Bestandteile über eine ausreichende Leitermasse und Querschnittsfläche (CSA) verfügen, um sicherzustellen, dass in der Zeit, die der Überstromschutz benötigt, um auszulösen und den Stromfluss aus dem fehlerhaften Teil oder Leiter zu stoppen, keines ihrer Bestandteile beschädigt wird Teile werden so stark erhitzt, dass sie die Haut von Menschen verbrennen. Normalerweise fühlt sich der Temperaturanstieg im schlimmsten Fall auf der Hand wie ein leichter Anstieg über die Umgebungstemperatur an.4

Indirekte Blitzstoß-Überspannungsströme können bis zu 10 kA betragen, ihre Dauer ist jedoch mit wenigen Mikrosekunden so kurz, dass ihre Erwärmungswirkung in ordnungsgemäß aufgebauten Schutzpotentialausgleichssystemen ebenfalls vernachlässigbar ist. Dies gilt jedoch nicht unbedingt für Blitzschutzsysteme (LPS).

Wo zeitweise oder ständig brennbare oder explosionsfähige Atmosphären vorhanden sein können, bestehen zusätzliche Anforderungen an den „Potenzialausgleich“, um die maximalen Potenzialunterschiede zwischen verschiedenen Metallteilen zu reduzieren. Dies dient nicht dazu, das Risiko eines Stromschlags zu verringern, sondern das Risiko einer Funkenbildung zu verringern, die zu Brand- und Explosionsgefahren führen kann. Diese werden hier nicht behandelt, sind aber in den einschlägigen Normen sehr gut spezifiziert.

Bei Gebäuden an Land ist es üblich, diese miteinander verbundene Verbindungsstruktur mit Erdungselektroden (Leitern, die im Boden unter und/oder um das Gebäude herum vergraben sind) zu verbinden und so ein „geerdetes schützendes Potenzialausgleichssystem“ zu schaffen. 5

Es ist wichtig zu verstehen, dass eine Erdung (dh der Anschluss an Erdungselektroden) nicht immer notwendig oder wünschenswert ist, um sich vor der Gefahr eines Stromschlags zu schützen. Selbst Fahrzeuge mit 230-V-Wechselstrom-Bordnetzen benötigen beispielsweise keine Erdung (im engeren Sinne des Wortes), um sicher zu sein. Und der Versuch, sie direkt mit Erdungselektroden zu verbinden, wäre nicht sehr erfolgreich!

Tatsächlich besteht der einzige Grund für den Anschluss eines schützenden Potenzialausgleichssystems an den Boden unter und/oder um ein Gebäude herum darin, dass Personen, die ein Gebäude betreten oder verlassen, gleichzeitig mit einem nahegelegenen Blitz in die Erde einschlagen Die Überspannung, die zwischen dem Gebäude und seiner Umgebung (z. B. Gehwegen, Straßen, Stufen, Treppen, Gerüsten usw.) entsteht, ist nicht so hoch, dass es zu Verletzungen durch Stromschläge kommen kann.6

Bei allen nichtmedizinischen Geräten, die den IEC-Sicherheitsstandards für 230-VAC-Effektivstromversorgungen entsprechen, sind die Netzkabel und die Netzstromwandler sowohl isoliert als auch galvanisch isoliert, um Überspannungen durch Blitzstoßtransienten bis zu mindestens 3 kV Effektivwert und 4,24 kV Spitze standzuhalten , viele Jahre lang wiederholt. (Sicherheitsstandards für medizinische Geräte erfordern im Allgemeinen höhere Spannungsfestigkeiten.)

Vor langer, langer Zeit waren elektrische und elektronische Geräte nur eine Box am Ende eines Netzkabels. Für solche Geräte war das schützende Potenzialausgleichssystem, geerdet oder ungeerdet, je nachdem, ob es sich um feste oder mobile Geräte handelte, ausreichend.

Allerdings können Signal-/Datenkabel, die verschiedene Geräte innerhalb einer Installation verbinden, lang sein, wodurch sie viel größeren Potenzialunterschieden ausgesetzt sind. Als solche Kabel häufiger für die Verbindung weiter entfernter Geräte verwendet wurden, galten die Kosten, die Größe und das Gewicht für die Isolierung und Isolierung auf demselben Niveau wie bei Netzkabeln als zu hoch. Daher wurden Bindungsnetzwerke (BNs) entwickelt.

Die Unzuverlässigkeit der Elektronik aufgrund der Einwirkung von Blitzen (im Umkreis von etwa 5 km!) ist beispielsweise der Grund dafür, dass Ethernet-Sender und -Empfänger immer datenisolierende Transformatoren verwenden – so dass man Ethernets problemlos in Altbauten installieren konnte, die über einen schützenden Potenzialausgleich verfügten Strukturen wie die in Abbildung 2 gezeigten (lange Drähte von jedem Metallstück bis zurück zu einer Hauptverbindungs- oder Erdungsschiene). Diese Art von Altinstallationen litten unter hohen Impedanzen über einigen kHz, wodurch sie nicht in der Lage waren, die transienten Blitzspannungen zu kontrollieren, die zwischen zwei Geräten auftreten könnten, die über ein Signal-/Datenkabel verbunden sind.7

Dies ist die IEC-Sprache für einen Teil eines schützenden Potenzialausgleichssystems, das durch zusätzliche Kreuzverbindungen seiner Leiter und anderer Metallteile seine Gesamtimpedanz verringert, sodass die Amplituden der Hochspannungsstoßtransienten, die zwischen Geräten auftreten können, verringert werden weit voneinander entfernt sind, die durch Blitzschlag verursacht werden, niedrig genug sind, um die Verwendung einer kostengünstigen Isolierung/Isolierung von Signal- und Datenkabeln zu ermöglichen (typischerweise die Hälfte der Spitzenspannung, die für die Isolierung von Netzversorgungen erforderlich ist, und ohne dass die Netzversorgung galvanische Anforderungen stellen muss). Isolierung.)

Um eine ausreichend niedrige induktive Impedanz bis zu 1 MHz zu erreichen, müssen die Längen der Potentialausgleichsleiter weniger als einen Meter betragen. Dies kann nicht dadurch erreicht werden, dass man sich auf die Schutzleiter in den Netzleitungen des Geräts verlässt, da die Hauptausgleichs- (oder Erdungsschienen), an die diese Leiter schließlich angeschlossen werden, oft zehn oder mehr Meter entfernt sind, selbst in einem kleinen Gebäude wie einem Wohnhaus. In einem Bürogebäude oder einer Industrieanlage können die Abstände mehrere zehn Meter betragen.

Manchmal sehen wir die Impedanz von Leitern bei den mit Blitzereignissen verbundenen Frequenzen, die als „Überspannungsimpedanz“ bezeichnet werden. Hierbei handelt es sich um ein Zeitbereichskonzept, das auf den Wellenformen des Stoßspannungstests basiert, die von „Kombinationswellengeneratoren“ erzeugt werden, wie sie beispielsweise in IEC 61000-4-5 spezifiziert sind. Bei Frequenzen über einigen MHz sind Stoßimpedanzen für die EMV nicht relevant.

Die Kreuzverbindung von Leitern und anderen Metallteilen hat einen starken Einfluss auf die Reduzierung der induktiven Impedanzen in einem BN. Um den besten Schutz zu den niedrigsten Kosten zu erhalten, sollten die Cross-Bonding-Leiter den Routen der Signal-/Datenleiter selbst folgen (idealerweise daran befestigt werden), wie in Abbildung 3 dargestellt.

Abbildung 3: Eine Skizze zweier Bonding Networks (BNs)

IEC 61000-5-2 [3] nennt Cross-Bonding-Leiter, die den Routen der Signal-/Datenkabel folgen, „Schutzerdungsleiter“ (PECs) und beschreibt, wie vorhandene strukturelle Metallkonstruktionen, oft auch „natürliche Metallkonstruktionen“ genannt, genutzt werden können um die Kosten für deren Umsetzung zu senken. In industriellen und kommerziellen Anwendungen werden Kabel beispielsweise normalerweise durch Kabelrinnen und -rohre aus Metall getragen, die durch einfaches elektrisches Verbinden untereinander und mit den Chassis/Rahmen der verschiedenen Geräte, deren Kabel sie tragen, in sehr effektive PECs umgewandelt werden können .8

Normalerweise handelt es sich bei einem BN um einen einzelnen Raum in einem Gebäude, in dem sich Signal-/Datenkabel befinden, die aufgrund der in diesem Raum enthaltenen elektronischen Geräte geschützt werden müssen. Wenn zwei oder mehr einzelne BNs vorhanden sind, sind diese zumindest durch einzelne Verbindungen zur Hauptverbindungsschiene miteinander verbunden, wie in Abbildung 3 dargestellt. (Wenn die Hauptverbindungsschiene verwendet wird, um die BNs direkt mit im Boden darunter vergrabenen Erdungselektroden zu verbinden und/oder rund um das Gebäude wird es als „Haupterdungsschiene“ bezeichnet.)

Es stellt sich immer die Frage, ob die Cross-Bonding-Leiter für die Belastbarkeit der gesamten Fehlerströme ausgelegt sein müssen, die aufgrund von Isolationsfehlern in den 50- oder 60-Hz-Stromversorgungs- und Verteilungsnetzen auftreten können. Die Antwort lautet: In Fällen, in denen ein schützendes Potenzialausgleichssystem den modernen Sicherheitsanforderungen entspricht (und so gewartet wird, dass eine kontinuierliche Konformität gewährleistet ist), sodass es bei solchen Fehlern nicht so stark überhitzt, dass es zu Schäden, auch an der Isolierung, kommt Cross-Bonding muss nicht für die Übertragung von Netzfehlerströmen ausgelegt sein. Selbst an beiden Enden elektrisch verbundene Kabelschirme (die einzige Möglichkeit, eine ordnungsgemäße Abschirmung bei HF sicherzustellen, siehe [1], [3]) sollten bei einem korrekt angeschlossenen Schutzsystem nicht durch einen Netzfehler beschädigt werden.

Allerdings erfüllen viele veraltete Schutz-Potenzialausgleichssysteme ohne umfangreiche und kostspielige Änderungen möglicherweise nicht die modernen Sicherheitsanforderungen, und es ist bekannt, dass einige Eigentümer oder Nutzer älterer Gebäude den Ansatz „Es gibt keine Hinweise auf ein Problem“ verwenden, um solche Kosten zu vermeiden.

Wenn Sie gebeten werden, für einen solchen Eigentümer oder Benutzer zu arbeiten, empfehle ich dringend, die Arbeit abzulehnen, es sei denn, Sie dürfen (und werden!) eine „ordentliche Arbeit“ aus Sicherheitsgründen ausführen. Unterschätzen Sie niemals die Fähigkeit eines Rechtsbeistands, die Schuld für einen kostspieligen oder tödlichen Brand oder Stromschlag jemand anderem als seinem Mandanten zuzuschieben, selbst im Widerspruch zum gesunden Menschenverstand, den „jeder weiß.“9

Im Laufe der Zeit sind Systeme immer größer geworden, Antriebe mit variabler Drehzahl sind größer und verbreiteter geworden, und es entstehen nun Systemsysteme, was bedeutet, dass Signal-/Datenkabel zwei oder mehr BNs überspannen müssen (z. B. Computernetzwerke, Lichtsteuerungssysteme). , Klimaanlagen usw.). Diese BNs müssen daher kreuzweise miteinander verbunden werden, um größere BNs zu erzeugen, wodurch letztendlich das gesamte Gebäude kreuzweise verbunden wird und ein gemeinsames Bindungsnetzwerk (CBN) entsteht.

Die Nachrüstung von CBNs in alten Gebäuden oder Fahrzeugen kann jedoch kostspielig sein. Daher wurde das BN-Konzept zur Schaffung des IBN – eines isolierten Verbindungsnetzwerks – entwickelt. Wir werden das in Teil 2 dieses Artikels besprechen.

Emcgrounding Networks Keith Armstrong Safety

Nachdem er als Elektronikdesigner, dann als Projektmanager und Leiter der Designabteilung gearbeitet hatte, gründete Keith 1990 Cherry Clough Consultants, um Unternehmen dabei zu helfen, finanzielle Risiken und Projektzeitpläne durch den Einsatz bewährter guter EMV-Technikpraktiken zu reduzieren. In den letzten 20 Jahren hat Keith weltweit zahlreiche Vorträge, Demonstrationen und Schulungen zu guten EMV-Techniktechniken und zu EMV für funktionale Sicherheit gehalten und auch sehr viele Artikel zu diesen Themen geschrieben. Er leitet die IET-Arbeitsgruppe zu EMV für funktionale Sicherheit und ist der von der britischen Regierung ernannte Experte für die IEC-Ausschüsse, die an 61000-1-2 (EMV und funktionale Sicherheit), 60601-1-2 (EMV für medizinische Geräte) und arbeiten 61000-6-7 (Allgemeiner Standard für EMV und funktionale Sicherheit).

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