EMV und Sicherheit für Installationen: Teil 2

Aug 19, 2023

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

Im ersten Teil dieses Artikels wurden die ersten schützenden Potentialausgleichs-/Erdungssysteme vorgestellt, die lediglich Anforderungen an die menschliche Sicherheit stellten. Es zeigte sich, wie sich diese frühen Strukturen zu Bonding Networks (BNs) entwickelten, um die Elektronik vor Schäden aufgrund von Isolationsfehlern und Blitzüberspannungen zu schützen, da die Elektronik immer alltäglicher und vernetzter wurde und die Leistung von Motorantrieben mit variabler Drehzahl zunahm. Die Erstellung standortweiter BNs ist kostspielig. Daher war es damals üblich, BNs nur für die Teile eines Standorts bereitzustellen, in denen elektronische Geräte installiert waren. Dies führte zur Entwicklung des Insulated Bonding Network (IBN), an dem dieser Teil 2 anknüpft.

Isolierte Bindungsnetzwerke (IBNs)

Ein IBN ist ein BN, der vom Rest des Schutzpotentialausgleichssystems isoliert ist, mit Ausnahme eines einzigen Verbindungspunkts (SPC) (siehe Abbildung 1).

Abbildung 1: Eine Skizze zweier isolierter Bindungsnetzwerke (IBNs)

Die Idee des IBN besteht darin, dass bei Auftreten von Fehler- oder Blitzströmen im Rest des Gebäudes (oder Fahrzeugs) ihre Isolierung verhindert, dass diese Ströme durch die schöne niedrige Impedanz fließen, die im IBN erzeugt wird, und so zum Schutz der darin enthaltenen Geräte beiträgt.

Die übliche Richtlinie lautet: Wenn alle Netzstromversorgungen an den Verteilerschränken des IBN isoliert sind, alle unterbrechungsfreien Stromversorgungen (USVs) ausgeschaltet sind und der SPC dann vorübergehend getrennt ist, sollte ein IBN einer Spannung von standhalten können nach dem Aufladen der Streukapazitäten des IBN für mindestens eine Minute mindestens 10 kVDC gegenüber dem übrigen Schutzpotentialausgleich des Gebäudes anlegen, ohne dass Strom in „Schleichpfaden“ fließt, auch nicht über Koronaentladungen, Lichtbögen oder Funken.

(Es sollte selbstverständlich sein, dass, wenn ein IBN an einem Ort gebaut wird, an dem möglicherweise eine potenziell entflammbare oder explosive Atmosphäre vorhanden sein könnte, seine Isolation niemals wie oben beschrieben mit hohen Spannungen getestet werden sollte! Denken Sie außerdem immer daran, SPCs nach erfolgreichen Spannungsfestigkeitstests wieder anzuschließen. und schließen Sie die Netzstromversorgung nicht wieder an Geräte innerhalb eines IBN an, bis dessen SPC ordnungsgemäß wieder angeschlossen wurde.)

Verlassen Sie sich niemals darauf, die Geräte innerhalb eines IBN einfach einzeln auszuschalten, bevor Sie die Isolierung wie oben kurz beschrieben testen. Dies liegt daran, dass alle elektronischen Geräte mit EMI/RFI-Filtern ausgestattet sind, die Streuströme im Milliampere-Bereich in den Schutzerdungsleiter ihrer Netzleitungen „lecken“ und es nicht viele solcher Geräte braucht, damit sich diese Leckströme tödlich aufbauen Ebenen. Die EMI-Filter in Hochleistungsantrieben mit variabler Drehzahl (VSDs) und anderen Schaltleistungswandlern können einzeln Hunderte von mA, sogar Ampere, in ihre Schutzerde ableiten.

Diese Filter werden in der Regel vor dem Netz-Ein-/Aus-Schalter angebracht, so dass sie weiterhin mit Strom versorgt werden und Strom verlieren, auch wenn das Gerät offensichtlich über seine eigenen Bedienelemente ausgeschaltet wurde. Aus diesem Grund müssen vor dem Testen der Spannungsisolierung eines IBN alle seine Netzstromversorgungen (es können mehrere vorhanden sein) an den Stromverteilerschränken des IBN und alle unterbrechungsfreien Stromversorgungen (USVs) innerhalb des IBN isoliert werden IBN ausgeschaltet.1

Früher hatte jedes Gewerbe- oder Industriegebäude einen eigenen Elektromanager, einen erfahrenen Elektrotechniker, der dafür sorgte, dass niemand das Schutzpotentialausgleichssystem gefährdete oder irgendetwas anderes tat, was zu Bränden, Stromschlägen, Unzuverlässigkeit usw. führen konnte, und der auch die Aufsicht übernahm alle/alle Upgrades und Modifikationen. Diese sachkundigen Fachleute pflegten die Elektropläne und kannten sie wie ihre Westentasche.

Heutzutage ist es jedoch viel üblicher, keinen Elektromanager zu beschäftigen. Stattdessen werden entsprechend qualifizierte Subunternehmer beauftragt, wenn Upgrades und Modifikationen durchgeführt werden oder jährliche Inspektionen durchgeführt werden. Natürlich sind sie möglicherweise nicht mit der Elektroinstallation eines bestimmten Gebäudes oder seiner Geschichte vertraut. Und meiner Erfahrung nach haben die Eigentümer oder Betreiber des Gebäudes möglicherweise nicht dafür gesorgt, dass die Elektropläne auf dem neuesten Stand gehalten wurden, und wissen möglicherweise nicht einmal, wo sie sich befinden oder welcher Subunternehmer sie zuletzt hatte!

In solchen Situationen ist es möglich, dass sehr sorgfältig entworfene IBNs durch Änderungen und Modifikationen, die von Personen vorgenommen werden, die sich ihrer Bedeutung (oder gar ihrer Existenz) nicht bewusst sind, ernsthaft gefährdet werden. Ich habe es sogar in großen nationalen Infrastrukturanlagen gesehen. Um ein IBN zu kompromittieren, genügt es, dass eine Person ein Ethernet-Kabel von ihrem Büro außerhalb eines IBN zu einem Computer innerhalb eines IBN verbindet. Die Folgen für Geräteschäden und sogar für erhebliche Brand- und Stromschlaggefahren, insbesondere während eines Gewitters, können in der Tat sehr schwerwiegend sein.

Daher ist es eine gute allgemeine Sicherheits- und Zuverlässigkeitsrichtlinie, CBNs zu verwenden und keine IBNs zu verwenden, es sei denn, das Gebäude oder der Standort wird rund um die Uhr von fest angestellten, kompetenten Elektroingenieuren oder Technikern überwacht, die wissen, wo sich alle IBNs befinden und wie ( und warum), um sie isoliert zu halten. Diese Ingenieure oder Techniker sollten auch alle Änderungen an der Verkabelung (auch an Ethernet-Kabeln) genehmigen und alle Wartungsarbeiten überwachen.

Ein CBN ist ein einzelner BN, der für ein gesamtes Gebäude „gemeinsam“ ist (siehe Abbildung 2).

Abbildung 2: Eine Skizze eines Common Bonding Network (CBN)

Der große Vorteil eines CBN besteht darin, dass Signal-/Datenkabel überall im Gebäude verlegt werden können – idealerweise über die gesamte Länge an Potentialausgleichsleitern/-metallkonstruktionen befestigt, um sie als PECs zu nutzen –, ohne dass Änderungen am schützenden Potenzialausgleichssystem vorgenommen werden müssen . Dies macht den späteren Einbau neuer Geräte einfach und relativ kostengünstig.

In der vorherigen Diskussion ging es nur um die menschliche Sicherheit im Hinblick auf die Gefahr von Stromschlägen und den Schutz der Elektronik vor Schäden durch (indirekt) durch Blitzeinschläge verursachte Überspannungen. Allerdings verhalten sich alle leitfähigen Gegenstände wie „zufällige Antennen“.2 Diese Tatsache bedeutet, dass für eine gute EMV alle Leiter und alle Metallteile – die natürlich keine funktionalen leitfähigen Teile in elektrischen/elektronischen Schaltkreisen sind – so miteinander verbunden sein sollten integraler Bestandteil von BNs, IBNs oder CBNs sein – unabhängig davon, ob diese Leiter oder Metallteile etwas mit der elektrischen Sicherheit zu tun haben oder nicht.

In der Computerelektronik wurden zunächst Schaltkreise verwendet, die über 5-V-Gleichstrom-Stromschienen betrieben wurden, und bei solchen Niederspannungssignalen/-daten waren die als akzeptabel angesehenen „Äquipotentialspannungen“ zwischen „berührbaren“ Punkten bei Fehlern und Gewittern in schützenden Potenzialausgleichssystemen viel zu hoch. Aber die Kosten für die Anbringung einer ausreichend dimensionierten Isolierung/Isolierung an jedem Datenkabel, egal wie kurz es war, wären völlig lächerlich gewesen.

Als in den 1970er Jahren mit dem Bau von Computerräumen und digitalen Telefonzentralen (in den USA Central Offices genannt) begonnen wurde, erfanden sie viel günstigere Lösungen: MESH-BNs, -IBNs und -CBNs. Das Wort MESH im Akronym bezieht sich auf die Tatsache, dass mehrere Kreuzverbindungen erforderlich sind, um die Induktivitäten in den Schutzpotentialausgleichssystemen so weit zu reduzieren, dass die Gefährdung digitaler Elektronik durch Blitzschlagschäden verringert wird, und (in den 1990er Jahren, als die europäischen Die EMV-Richtlinie der Union stand kurz bevor), um die EMV für Systeme und Installationen zu erreichen.

Im Allgemeinen haben diese Strukturen die physische Form regelmäßiger „Gitter“ oder „Maschen“ aus Verbindungsleitern – daher ihr Name (siehe Abbildungen 3 und 4).

Abbildung 3: Eine Skizze zweier MESH-BNs

Abbildung 4: Eine Skizze von zwei MESH-IBNs

Ursprünglich wurden diese vermaschten leitfähigen Strukturen SRPPs (für System Reference Potential Planes), BMs (für Bonding Mats) oder eine Vielzahl von Jargon- oder proprietären Begriffen genannt, die in Installationsleitfäden für Computer- und Telekommunikationssysteme aus den 1970er und 1980er Jahren zu finden sind 90er Jahre.3

Abbildung 5 zeigt die Art des SRPP-Designs, das häufig verwendet wurde. Die für das Netz verwendeten Leiter bestanden normalerweise aus Kupfer mit einem Durchmesser von 6 mm und waren an den Verbindungsstellen verlötet. Einige bevorzugten jedoch die Verwendung eines breiten Kupfer-„Blitzbands“ wegen der geringeren Induktivität und der einfachen Verbindung mit den für diesen Zweck beim Bau von LPS verwendeten Klemmen. Einige Installateure von Computer-/Telekommunikationssystemen verwendeten „natürliche Metallarbeiten“ anstelle der Installation eines Kupfernetzes, indem sie entweder das Metallgerüst, das die Zwischenbodenfliesen des Computers trug, als Netz verwendeten oder die Metallrückseiten der Bodenfliesen des Computers miteinander verbanden. Abbildung 6 zeigt eine moderne Eigenentwicklung des letztgenannten Ansatzes.

Abbildung 5: Beispiel für den Bau eines SRPP aus den 1990er Jahren

Abbildung 6: Ein proprietäres System zum Bau von SRPPs unter Verwendung von Zwischenbodenfliesen

Im Laufe der Zeit nahmen diese Computersysteme mehr als einen Raum ein, sodass die einzelnen MESH-BNs oder MESH-IBNs der Räume miteinander verbunden werden mussten, um die „Überspannungsimpedanz“ der neuen kombinierten BNs oder IBNs zu verringern erstellt.

Denken Sie daran, dass ich bei der Einführung des Ausdrucks Z = √[R2 + (2 L)2] in Teil 1 dieses Artikels erwähnt habe, dass dies nur für Leiter relevant ist, die deutlich unterhalb ihrer ersten Viertelwellenresonanz liegen. Wir müssen dies nun mit den Maschenabmessungen korrelieren.

Die meiste Blitzenergie ist im Spektrum unterhalb von 1 MHz enthalten, es wird jedoch davon ausgegangen, dass sie bis zu 10 MHz immer noch eine erhebliche Energiemenge aufweist. Die Wellenlänge in Luft von 10 MHz beträgt 30 Meter, was einer ersten Viertelwellenlängenresonanz von 7,5 m entspricht. Daher gilt eine Maschenweite von 5 m oder weniger auf einer Seite (in Luft) als wirksam gegen alle Blitzfrequenzen, und je kleiner die Maschenweite, desto geringer ist die Induktivität zwischen zwei beliebigen Punkten und desto geringer sind die dadurch entstehenden Stoßspannungen induzierte Blitzströme.

Für eine gute EMV möchten wir möglicherweise, dass unsere Maschen kleiner sind, entweder um aufgrund schnellerer Computerdaten höhere Frequenzen als 10 MHz zu steuern oder um aufgrund von Hochleistungs-VSDs niedrigere Impedanzen unter 10 MHz bereitzustellen. Beispielsweise waren 30 MHz ein häufiges Ziel in frühen Computersystemen und erforderten Maschenabmessungen von etwa 600 mm auf einer Seite, wie in Abbildung 8 dargestellt. Moderne Computersysteme erfordern möglicherweise Maschen zur Steuerung von 100 MHz oder mehr.

Die VSD-Technologie, die Anfang der 1990er Jahre neu war, konnte strukturelle Resonanzen in Anlagen bis zu einigen MHz anregen, und diese Frequenz ist mit der Entwicklung von Leistungsschaltgeräten stetig gestiegen. Diese Frequenzen sind niedriger als diejenigen, die von Computerdaten verwendet werden, aber andererseits sind ihre Werte viel höher, sodass die Dimensionierung einer Maschenweite eher von den am Standort verwendeten VSDs als von seinen Computern abhängen könnte. Dieses Thema wird noch wichtiger werden, da die nächste Generation von Leistungsschaltgeräten in den 2020er Jahren IGBTs und Silizium-PowerFETS ersetzt.4

Um heutzutage einfach und schnell neue elektronische Systeme oder VSDs installieren zu können, ist es natürlich hilfreich, wenn man nicht zuerst die schützende Potentialausgleichsstruktur eines Gebäudes (unabhängig davon, ob es über Stangen im Erdreich geerdet ist oder nicht) modifizieren muss Erstellen Sie MESH-BNs, IBNs oder CBNs. Die Änderung bestehender Installationen zur Schaffung vermaschter Verbindungsnetzwerke für neue Geräte kann leicht mehr kosten als die neue Ausrüstung selbst! Denn oft muss man in Böden oder Wände einschneiden, um an die zu vernetzenden Leiter zu gelangen.

Auch in industriellen Anwendungen ist es seit langem einfach, vorhandene Metallkabeltragstrukturen und/oder Kabelarmierungen als PECs zu verwenden. Diese clevere Kostensparmaßnahme ist jedoch sehr anfällig für Änderungen und Modifikationen durch Personen, die sich nicht darüber im Klaren sind, dass diese Metallstrukturen keine andere als mechanische Funktion haben. Die Schaffung eines gut vernetzten CBN trägt dazu bei, aus solchen Gründen auftretende Probleme mit Unzuverlässigkeit und/oder elektromagnetischer Verträglichkeit zu vermeiden.

Daher gilt seit Mitte der 1990er Jahre die allgemeine Empfehlung für alle Systeme oder Installationen, dass „Neubauten“ von Anfang an MESH-CBNs installieren sollten. Generell wird außerdem empfohlen, Altbauten so schnell wie möglich auf MESH-CBNs umzustellen, in der Regel ein schrittweiser Prozess, wenn neue Geräte installiert werden.

Diese Empfehlungen werden in den nächsten Jahren deutlich an Bedeutung gewinnen, da die in Teil 1 dieses Artikels besprochene neue Generation von Leistungsschaltwandlern und drehzahlvariablen Motorantrieben auf Basis von HEMTs und SiC-PowerFETS in hohen Leistungsklassen verfügbar sein wird.

Abbildung 7 zeigt ein MESH-CBN, das eine ganze Etage eines Gebäudes abdeckt, aber natürlich müssen wir es möglicherweise auch dreidimensional auf andere Etagen ausdehnen, und die Abbildungen 8 – 10 sind Kopien relevanter Folien aus meinem Schulungskurs zum Thema EMV für Systeme und Installationen.5

Abbildung 7: Eine Skizze eines MESH-CBN

Abbildung 8: Verwendung „natürlicher“ Metallarbeiten in einem gebäudeweiten 3-D MESH-CBN

Abbildung 9: Eine aus einer Abbildung in IEC 61000-5-2 entwickelte Skizze, die die vertikale Verbindung zwischen MESH-CBNs auf verschiedenen Etagen eines Gebäudes zeigt

Abbildung 10: Eine Skizze der Verwendung „natürlicher“ Metallarbeiten zur vertikalen Verbindung zwischen MESH-CBNs auf verschiedenen Etagen eines Gebäudes

Was wäre, wenn bereits in den 1970er-Jahren kostengünstige digitale drahtlose Kommunikation mit hoher Übertragungsrate verfügbar gewesen wäre? Sogar 3G-Mobilfunksysteme hätten damals Datenkabel überflüssig gemacht und damit BNs, IBNs und CBNs überflüssig gemacht. Mit zunehmender Komplexität der elektronischen Systeme hätte die drahtlose Datenkommunikation Schritt gehalten, zunächst mit 4G und dann mit 5G.

Wenn 5G ausgereift ist und sich in industriellen Anwendungen als robust erwiesen hat (trotz der hohen Interferenzen, die oft mit industriellen Prozessen einhergehen), werden wir vielleicht einfach 5G-Modems an USB-3-Buchsen anschließen, um industrielle Ethernets zu übertragen, ohne dass Daten mehr benötigt werden Kabel, daher sind keine teuren MESH-BNs, ‑IBNs oder ‑CBNs erforderlich. Für die menschliche Sicherheit wären weiterhin schützende Potenzialausgleichs-/Erdungsnetze erforderlich, aber nichts Komplexeres als die in Abbildung 1 von Teil 1 dieses Artikels skizzierten Originaltypen – eine erhebliche Reduzierung des Einsatzes von teurem Kupfer.

Eine ähnliche Spekulation betrifft kostengünstige Glasfasern. Hätten wir in den 1970er Jahren moderne, kostengünstige Glasfaserkabel mit 25 Mbit/s gehabt, wären sie Kupferkabeln vorzuziehen gewesen (mit all den EMV-Problemen, die durch ihr unvermeidbares „zufälliges Antennenverhalten“ entstanden sind).

Wenn mich heutzutage Leute um Hilfe bei der Behebung von Dateninterferenzproblemen mit Kabeln zwischen Geräten in wissenschaftlichen/industriellen Systemen/Installationen bitten, empfehle ich ihnen zunehmend, ihre Kupferdatenkabel durch Glasfaser-„Modems“ zu ersetzen, die durch (Metall) verbunden sind -freie) Glasfaserkabel. Die Kosten für Glasfasersysteme sinken stetig und ihre Datenraten steigen stetig. Durch den Einsatz dieser Systeme anstelle von Kupferkabeln entfällt die Notwendigkeit, MESH-BNs, -IBNs oder -CBNs zu erstellen.

Auch wenn die Kosten für eine Glasfaserlösung einige hundert oder tausend US-Dollar betragen können, ist der Zeitaufwand für die Installation sehr gering. Auch wenn die Herstellung eines MESH-BN, MESH-IBN oder MESH-CBN auf den ersten Blick weniger zu kosten scheint, wird sie mit ziemlicher Sicherheit insgesamt viel mehr kosten, wenn man die Arbeitskosten berücksichtigt, ganz zu schweigen von den Kosten für den dabei entstehenden Produktionsausfall Es werden einschneidende Änderungen vorgenommen.

Auch wenn die Glasfaserlösung fast garantiert beim ersten Mal funktioniert (niemand mit wirklicher Erfahrung garantiert jemals irgendetwas, wenn es um elektromagnetische Störungen geht!), kann die Umwandlung einer alten Installation in ein MESH-BN, -IBN oder -CBN durchaus möglich sein ein bisschen ein Glücksspiel. Die Installation von Netzverbindungen in alten Gebäuden ist sehr arbeitsintensiv und zeitaufwändig, aber die Entscheidung für die kostengünstigste Option kann durchaus dazu führen, dass man alles noch einmal machen muss! Beispielsweise hängt die Maschenweite davon ab, wie niedrig die Gesamtimpedanz sein muss und welche höchste Frequenz kontrolliert werden muss, und diese werden oft nicht so gut verstanden, wie sie sein könnten.

Wird die resultierende Maschenstruktur außerdem zukunftssicher sein oder muss sie erneut geändert werden, wenn die vorhandene Ausrüstung modernisiert oder ersetzt wird oder wenn in einigen Jahren neue Ausrüstung in der Nähe installiert wird? Selbst der Austausch defekter Geräte durch neue Versionen genau desselben Produkts desselben Herstellers führt zwangsläufig zu immer größeren Geräuschproblemen bei immer höheren Frequenzen.

Dieses Problem entsteht, weil die neueren Versionen zwangsläufig neuere Leistungsschaltgeräte und neuere Mikroprozessoren verwenden, die schneller schalten – ob wir das wollen oder müssen oder nicht! Die ursprünglichen, langsameren Halbleiter stehen den Herstellern einfach nicht mehr zur Verfügung und ihre Produkte neigen daher dazu, bei immer höheren Frequenzen immer lauter zu werden – selbst wenn sie weiterhin die relevanten Emissionsnormen vollständig einhalten.

Generell gilt: Für beste EMV bei geringsten Gesamtkosten sollten Kupferkabel jetzt und in Zukunft nur noch für (gut gefilterte!) Wechsel- oder Gleichstromversorgung verwendet werden. Und alle Signale, Daten und Steuerungen sollten entweder (metallfreie) Glasfaserkabel oder nachweislich industriell robuste und zuverlässige drahtlose Datenverbindungen verwenden.

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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