EM Felder bei Blitzeinschlag

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Hallo,

ich möchte eine Schaltung so schützen dass sie einen
Blitzeinschlag in unmittelbarer Nähe überlebt. Der Blitz
schlägt natürlich nicht direkt in die Schaltung ein sondern
in den vorhandenen Blitzableiter, aber der befindet sich
sehr nahe an der Schaltung (Abstand 1-5m) und alleine durch
die Wirkung der E- und M-Felder kann bereits einiges an
empfindlicher Elektronik zerstört werden.

1. Frage:
Ich suche Informationen über die Grösse und den zeitlichen
Verlauf des Stromes (im Blitzableiter) bei einem direkten
Blitzeinschlag.

Daraus kann man dann die Stärke der E- und M-Felder
berechnen.
Die in der EMV-Messtechnik verwendeten Kurven (Burst+Surge)
sind mir bekannt, helfen aber in diesem Fall nicht weiter da
sie sich nur auf leitungsgebundene Ausbreitung der
Störimpulse beziehen, noch dazu auf einer fehlangepassten
Leitung. Ich gehe davon aus dass der tatsächliche Verlauf
des Stromanstiegs viel schneller ist.

2. Frage:
Angenommen ein Gerät erfüllt den EMV-Test, insbesondere
"Störfestigkeit gegen EM Felder". Wie nahe darf dann ein
Blitzeinschlag sein, um vergleichbar grosse Felder zu
erzeugen?

Michael

Re: EM Felder bei Blitzeinschlag
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Das ist anzunehmen, denn die üblichen genormten Störimpulse
überdecken nur den Bereich bis ca. 1MHz (Surge) bzw. 50MHz
(Burst), da die Leitungsdämpfung zu hohen Frequenzen hin stark
zunimmt und in der Praxis bei (indirektem) Blitzeinschlag
hohe Frequenzen leitungsgebunden praktisch nicht mehr ankommen.

Eine Funkenentladung generiert erhebliche Amplituden bis ca. 1GHz
(ob dies auf einen Blitz auch zutrifft, weis ich jedoch nicht, ich
vermute es).
Simulieren lässt sich das in einem Testaufbau mit einer sog. ESD-
Pistole (welche für ESD-Tests verwendet wird). Dabei musst Du
Deinen Testaufbau auf eine Metallplatte legen (isoliert) und z.B.
ein Cu-Geflechtband im Abstand von wenigen cm über die zu testende
Schaltung legen, wobei das eine Ende mit der Metallplatte verbunden
wird und das andere Ende offen ist. Auf dieses offene Ende entlädtst
Du nun die ESD-Pistole. Bei 25kV entstehen dabei Stromimpulse bis
40 Ampere mit einer Anstiegsgeschwindigkeit von ca. 2 bis 10ns
und einer Dauer von ca. 100ns. Wählst Du einen ESD-Vorsatz für
Kontaktentladung, dann können Anstiegszeiten von kleiner 1ns
generiert werden (größerer abgedeckter Frequenzbereich), aber viele
ESD-Pistolen können Kontaktentladungen nur bis 8kV generieren.
Bei Luftentladung auf das Masseband macht es Sinn, auf "Dauerfeuer"
zu stellen, da hierbei der ionisierte Kanal in der Luft bestehen
bleibt und die Entladungen dann mit größerer Flankensteilheit
erfolgen, was einem größeren Frequenzbereich entspricht.

Thomas.

Re: EM Felder bei Blitzeinschlag
Hallo Thomas,

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Der ESD Test simuliert aber nur elektrostatische
Entladungen. Beim Blitzeinschlag liegen die Verhältnisse
ganz anders.
Beispiel: Wenn ein Gerät ein allseitig geschlossenes
Kunststoffgehäuse (mit ausreichend hoher
Durchschlagfestigkeit) hat und keine Schnittstellen nach
aussen, dann ist unwahrscheinlich dass beim ESD Test
irgendwas kaputt geht.
Dass das gleiche Gerät überlebt wenn in 1m Entfernung der
Stromstoss durch den Blitzableiter fliesst ist damit aber
noch lange nicht garantiert.

Michael

Re: EM Felder bei Blitzeinschlag
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Nein, bei dem von mir beschriebenen Versuchsaufbau wird nicht ESD
getestet. Es handelt sich um einen unüblichen Aufbau, der das
Testobjekt mit sehr starken und hochfrequenten impulsförmigen
magnetischen Feldern beaufschlagt.

Thomas.

Re: EM Felder bei Blitzeinschlag
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und aus anderer Quelle:

98% aller Blitzeinschläge haben < 200kA

Mal angenommen der Leiter beim ESD Test ist 0.2m vom zu
testenden Gerät entfernt (näher dran geht nicht weil das
Gerät eine gewisse Grösse hat).
Weiterhin nehme ich an dass die Stärke des Magnetfeldes
quadratisch mit der Entfernung abnimmt.
Dann entspricht der Test mit 40A in 0.2m Entfernung einem
200kA Blitzeinschlag in 0.2m x sqrt(200000A / 40A) = 14m
Entfernung. Das reicht mir noch nicht ganz, ich brauche
einen härteren Test.

Michael

Re: EM Felder bei Blitzeinschlag
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Real wohl nur bei z.B. Antenne die auf empfindliche
Eingangsstufe geht. Und selbst natürlich nicht durch
Blechgehäuse geschirmt werden kann.
Wenn man Gerät mit abgesetzten Baugruppen hat die über
Kabel verbunden sind: Kabel schirmen, Schutzschaltung
an beide Enden.

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Es finden sich in der Literatur verstreut spärliche Angaben
geringer Aussagekraft.
Gängiger Fall: Blitz schlägt in Boden ein und schüttelt
Telefonleitung durch.
   * Wie oft der Blitz das tut und wie er aussieht wird in
     USA, Kanada, Schweden, Deutschland
     unterschiedlich sein, weil die klimatischen Gegebenheiten
     ja unterschiedlich sind. Die genannten Postbehörden haben
     im Lauf der Jahre natürlich Messungen gemacht.
   * aber jede mit anderem handgestricktem Aufbau    
   * meist nur an einem Ort über mehrere Monate
   * die Daten dann nach unterschiedlichsten Gesichtspunkten
     zu statistischem Modell zusammengekocht.

Es gibt wenige Gerätschaften von denen man nicht toleriert,
daß sie bei direktem Einschlag nicht einfach hin sind.
   Bekanntester Fall: Flugzeug. Dafür gibts dann Blitzgeneratoren
   und Prüfstände. In alten IEEE-Proceedings findet sich Foto
   vom Prüfstand der US-Luftwaffe: in der Wüste, grösste
   weltweit gebaute Holzstruktur ca. wie Atztekentempel, wo
   sie gerade über Rampe einen B47-Bomber hochschleppen.
   Der kann dann oben stehend "fliegend" geprüft werden.
   Zugehörige Blitzgeneratoren nach MIL-Norm werden
   in anderen Artikeln auch beschrieben, kaum billiger.

D.h. reine Auslegung von Schaltung nach grauer maxwellscher
Theorie ist besonders bei EMV nicht möglich. Eigenbau von
Generator für grossen Blitz ist kosteneffektiv kaum möglich.
Bestimmte Labors wie Rasek können eventuell kosteneffektiv
guten Blitz.
IABG kann wahrscheinlich noch eine Nummer grösser, dürfte
aber pekuniär weit jenseits liegen.

MfG  JRD

Re: EM Felder bei Blitzeinschlag
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Antwort zu frage 1. Besorg dir die diesjärige nummer 9 der
"Unterrichtsblätter" der Deutschen Telekom.
Auf seite 480-496 findest du deine fragen hinreichend beantwortet.
Der titel lautet:"Blitz- und Überspannungsschutz bei Einrichtungen
der Informationstechnik" Untertitel:"Wie große Schäden vermieden
werden können".Verfasser: Dipl.-Ing. Gerhard Ackermann.
Fax. Nr. der Redaktion Unterrichtsblätter ist 040 72555-679

--
schüss, horst-dieter


Re: EM Felder bei Blitzeinschlag
Hallo Oliver,

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Aber die mir bekannten Normen beziehen sich auf
leitungsgebundene Übertragung der Störung. Die Leitung ist
typischerweise nicht richtig angepasst und stellt also einen
Tiefpass dar. Ich glaube nicht dass es zulässig ist aus
diesen Normen zurückzuschliessen auf den tatsächlichen
zeitlichen Verlauf des Stroms im Blitzableiter.

Mich interessieren nicht die durch Leitungen übertragenen
Störspannungen sondern die Spannungen die aufgrund der EM
Felder in meine Schaltung eingekoppelt werden. Die Schaltung
steht ca. 2-5 Meter seitlich neben dem vertikalen
Blitzableiter.
 
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Wieso jein? Wenn ich den zeitlichen Verlauf des Stroms in
einem Leiter kenne kann ich doch die Felder um den
(Blitzab-)Leiter herum berechnen.

Michael

Re: EM Felder bei Blitzeinschlag
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Hallo!

Nachdem ich mich nebenbei mit dem Thema Blitzschutz zwecks
Telefonanlage und PC auseinandergesetzt habe, war aus den
Expertenmeinungen herauszulesen, dass kein Blitzschutz wirklich
funktioniert, wenn der Blitz in unmittelbarer Nähe einschlägt.

Grund dafür ist die Kombination aus einem extrem schnellen
Spannungsimpuls, sehr hohen Strömen und den daraus resultierenden
EM-Feldern. Es gibt keine elektronische Schutzvorrichtung, die schnell
genug wäre, diese Energiemenge in der gebotenen Zeit abzufangen
(immerhin sind mehrere kV in handzahme VDC umzulegen, EM-Felder zu
kompensieren...).
Selbst professionelle Blitzschutzelemente von Siemens oder anderen
(z.B. Gasentladungselemente) sind nur gegen entfernte Einschläge gut
oder halten den Belastungen eines Einschlags nicht stand.

Gruss
Christian

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