Überspannung entsteht durch direkte oder indirekte Blitzeinschläge und bewirkt Schalthandlungen an elektrischen Geräten, welche Spannungsspitzen von mehreren 1000 Volt erzeugen können, was die angeschlossenen elektrischen Geräte ausser Betrieb setzt. Elektrische Geräte, die solchen Überspannungen zum Opfer fallen, werden zwar meistens durch die Versicherungen ersetzt – der zeitliche Ausfall dieser Anlagen, welcher bis zur Wiederinstandsetzung dauert und nicht selten erhebliche Kosten verursacht, ist jedoch vielfach nicht versichert. Unter Berücksichtigung dieses Aspekts ist es also höchst empfehlenswert, ein Blitz und Überspannungskonzept zu erstellen. Denn nur dieses schützt elektrische Endgeräte zuverlässig vor derartigen Beschädigungen – und ihre Besitzerinnen und Besitzer vor den daraus entstehenden Folgekosten.
Blitzschlag und transiente Überspannungen
Die Anwender elektronischer Geräte sowie kommunikations- und informationstechnischer Systeme müssen ihre Anlagen jederzeit in Betrieb halten können – auch im Fall eines Blitzschlags oder kurzzeitigen Spannungsspitzen auf den Stromversorgungs und Datenleitungen. Deshalb müssen solche Anlagen besonders geschützt sein, denn:
- Die verwendeten elektronischen Komponenten machen diese Anlagen störanfälliger.
- Kostenintensive Betriebsunterbrechungen sind nicht akzeptabel.
- Datenübertragungsnetze erstrecken sich über weite Strecken und Gebiete und sind öfters Störungen ausgesetzt.
Ursachen von transienten Überspannungen sind:
- Blitzschlag
- Spannungsspitzen aufgrund von Schaltvorgängen, etwa in Industrieanlagen
- Elektrostatische Entladungen (Electrostatic Discharge, ESD)
- Nukleare elektromagnetische Impulse (NEMP)
Überspannungen unterscheiden sich in ihrer Amplitude, Dauer und Frequenz. Denn eine Überspannung kann verschiedene Ursachen haben: Sie werden einerseits hervorgerufen durch Blitzschlag und Schalthandlungen von Industrieanlagen. Aber ebenso durch ESD- und NEMPStörungen, welche weitaus speziellere Einflüsse haben und sich aus neueren technologischen Einflüssen ergeben. So hat zum Beispiel der massive Einsatz von Halbleitern zur Anfälligkeit auf ESD-Störungen geführt, während NEMP-Störungen von Kernwaffen verursacht werden.
Indirekte Einkopplung von Überspannungen
Einkopplungen von Überspannungen durch Blitzeinschläge sind auf drei unterschiedlichen Wegen möglich:
- Einschlag in Freileitungen
Bei Freileitungen ist aufgrund ihrer sehr exponierten Lage das Risiko besonders hoch, dass sie unmittelbar vom Blitz getroffen werden. Dies zerstört zuerst die Leiter teilweise oder ganz. Anschliessend bauen sich hohe Stossspannungen auf, welche sich über die Leitungen fortpflanzen und schliesslich die mit der Freileitung verbundenen Elektroanlagen erreichen. Das Ausmass des auf diese Weise entstehenden Schadens richtet sich nach der Entfernung zwischen der Einschlagstelle und dem Standort der betroffenen Anlagen.
- Anstieg des Erdpotentials
Der Eintritt des Blitzes in das Erdreich verursacht einen Anstieg des Erdpotentials, welcher je nach der Stromstärke des Blitzes sowie der örtlichen Erdimpedanz unterschiedlich ausfällt. In einer Anlage, die mit mehreren Erdungspunkten verbunden ist (zum Beispiel einer Verbindung zwischen Gebäuden), bewirkt ein Blitzschlag somit 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
Was die elektromagnetische Strahlung betrifft, kann ein Blitz als 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, welche in Elektroanlagen oder in deren Nähe verlegt sind. Die dabei auftretenden Werte hängen von der Entfernung des Blitzeinschlags und von den physikalischen Eigenschaften der Verbindung ab.
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 Kilovolt mit Anstiegszeiten in der Grössenordnung von einigen Mikrosekunden hervor, was den Betrieb von Geräten in Netzen beeinträchtigt, mit denen die Störquelle verbunden ist.
Auswirkungen der Überspannung
- Spannungsdurchschlag von Halbleiterübergängen
- Zerstörung der Bonddrahtanschlüsse von Bauelementen
- Defekte Leiterbahnen oder Anschlüsse von Leiterplatten
- Ausser-BetriebSetzung von Triacs oder Thyristoren durch zu grosse dV/dtWerte.
Betriebsstörungen
- Undefinierter Betrieb von Logikgattern, Thyristoren und Triacs
- Löschen von Speicherinhalten
- Programmfehler oder -abstürze
- Daten- und Übertragungsfehler
Vorzeitige Alterung
Auch wenn Bauelemente, die Überspannungen ausgesetzt sind, nicht sofort ausfallen – diese Belastung wirkt sich negativ auf ihre Lebensdauer aus.