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EMV - Beeinflussungen, Störquellen und ihre Wirkung
ep3/2003, 4 Seiten
1 Mögliche Störquellen und ihre Wirkung Störquellen im hochfrequenten Bereich können durch den Betrieb von Sendeanlagen, Mobilfunkanlagen, elektronischen Geräten oder Schalthandlungen entstehen. In Tafel sind die Leistungen, Betriebsfrequenzen sowie deren Expositionswerte in ausgewählten Abständen zusammengestellt. Die Richtwerte des Strahlenschutzes werden in der Regel in den zugänglichen Abständen eingehalten. Sollte es zu Störungen an elektrotechnischen und elektronischen Geräten kommen, ist nur eine Abschirmung der betreffenden Geräte zu empfehlen. In den Tafeln und sind typische Werte von magnetischen und elektrischen Feldern im niederfrequenten Bereich zusammengestellt, wie sie in der Nähe von Haushaltsgeräten auftreten. An der Oberfläche von Haushaltsgeräten können durchaus Werte über 100 µT (Grenzwert gemäß der 26. BImSch V) auftreten. Es zeigt sich jedoch, dass bereits nach wenigen Zentimetern dieser Wert erheblich unterschritten wird. Darüber hinaus ist zu beachten, dass diese Geräte nur kurzzeitig betrieben werden und der Grenzwert der 26. BImSch V für eine Dauereinwirkung von magnetischen Feldern gilt. Die elektrischen Feldstärken in der Nähe von Haushaltsgeräten werden in keinem hier aufgeführten Fall überschritten. Gemäß 26. BImSch V sind bei einer Dauereinwirkung 5 kV/m zulässig. Weitere mögliche Störquellen im niederfrequenten Bereich können Bahnanlagen und Teile von Energieversorgungsanlagen sein, z. B. Freileitungen, Kabel, Stromschienen, Transformatoren und Verteilungsanlagen. Durch diese Anlagen können vor allem elektronische Geräte gestört werden, die ggf. einzeln abzuschirmen sind. Zum Schutz der Allgemeinheit wurde vom Länderausschuss für Immissionsschutz eine Empfehlung herausgegeben, in der Schutzbereiche zu Energieversorgungs- und Bahnanlagen Normen und Vorschriften Elektropraktiker, Berlin 57 (2003) 3 199 EMV - Beeinflussungen, Störquellen und ihre Wirkung R. Gehrke, Berlin Die konkrete Bedeutung des Begriffs EMV ist vielen noch relativ unklar. Welche Gesetze, Regeln und Normen es gibt und wie groß die darin geforderten Grenzwerte sind wurde in [1] behandelt. Im folgenden Beitrag werden mögliche Störquellen und ihre Wirkung genannt und die Beeinflussungsmechanismen aufgezeigt. Tafel Elektrische Feldstärken von Haushaltsgeräten in unterschiedlichen Abständen [5][6] Gerät Abstand Elektrische Feldstärke in cm in V/m Heizdecke 1 4500 Elektrorasierer 1 100 Boiler 30 260 Bügeleisen 30 120 Haarfön 30 80 Farbfernseher 30 60 Kaffeemaschine 30 60 Staubsauger 30 50 Uhr 30 30 (Netzbetrieb) Elektrischer 30 8 Kochherd Bildschirm 50 25 MPR II Tafel Elektromagnetische Felder in der Umgebung von ortsfesten und mobilen hochfrequenten Anlagen [2] Quelle Frequenz/ Abstand Typische Werte Strahenschutz-Leistung der Exposition Richtwerte Rundfunksender 1,4 MHz 50 m 450 V/m · Mittelwelle 1,8 MW 300 m 90 V/m 73,5 V/m · Kurzwelle 6 - 10 MHz 50 m 121,5 V/m 750 kW 200 m 27,5 V/m 27,5 - 36 V/m · UKW 88 - 108 MHz 100 kW etwa 1,5 km < 0,05 W/m2 2 W/m2 Fernsehsender · VHF 174 - 216 MHz 300 kW etwa 1,5 km < 0,02 W/m2 2 W/m2 · UHF 470 - 890 MHz 5 MW etwa 1,5 km < 0,005 W/m2 2 - 4 W/m2 Mobilfunk · Basisstation 890 - 960 MHz D-Netz 50 W je Kanal etwa 50 m 0,001 W/m2 4 W/m2 · Antenne am SAR < 2 W/kg Mobiltelefon 890 - 960 MHz wird bis 2 W (Telefonhörer) 3 cm < 2 W/m2 eingehalten Mikrowellen- 2,45 GHz 5 cm von der kochgeräte (1 - 1,5 kW 5 cm 0,62 W/m2 Oberfläche [3], S. 90) 30 cm < 0,06 W/m2 < 50 W/m2 Diebstahlsicherungssysteme 0,9 - 10 GHz im Nutzstrahl < 0,002 W/m2 5 - 10 W/m2 Prof. Dr.-Ing. Renate Gehrke unterrichtet an der Berliner FHTW im Fachbereich Ingenieurwissenschaften. Autor Tafel Magnetische Flussdichten von Haushaltsgeräten in unterschiedlichen Abständen [4] Gerät Magnetische Flussdichte [in µT] im Abstand von 3 cm 30 cm 100 cm Haarfön 6 - 2000 0,01 - 7 0,01 - 0,3 Trockenrasierer 15 - 1500 0,08 - 9 0,01 - 0,3 (Schwinganker) Bohrmaschine 400 - 800 2 - 3,5 0,08 - 0,2 Staubsauger 200 - 800 2 - 20 0,13 - 2 Mikrowellengerät 73 - 200 4 - 8 0,25 - 0,6 Radio (tragbar) 16 - 56 1 < 0,01 Küchenherd 1 - 50 0,15 - 0,5 0,01 - 0,04 Bügeleisen 8 - 30 0,12 - 0,3 0,01 - 0,03 Computer 0,5 - 3 < 0,01 Uhr (Netzbetrieb) 300 2,25 < 0,01 Heizofen 10 - 180 0,15 - 5 0,01 - 0,25 Fernsehgerät 2,5 - 50 0,04 - 2 0,01 - 0,15 Kleintransformator 153 - 150 0,6 - 1,05 0,24 enthalten sind. In Tafel sind diese Werte zusammengestellt. Auf die detaillierte Verteilung der elektrischen und magnetischen Felder um Energieversorgungs- und Bahnanlagen soll an dieser Stelle nicht eingegangen werden. 2 Beeinflussungsmechanismen Das Zusammenwirken von der Störquelle (auch Störer oder Sender) auf der einen Seite und der Störsenke (auch Gestörter oder Empfänger) auf der anderen Seite wird im Bild verdeutlicht. Nicht alle Anlagenteile lassen sich immer eindeutig der Störquelle oder der Störsenke zuordnen. Es besteht zwischen diesen eine Wechselwirkung. Die Beeinflussungsmöglichkeiten zwischen Störquelle und Störsenke wird auch als Kopplung bezeichnet. Es gibt vier Grundkopplungsarten, die galvanische, induktive, kapazitive Kopplung und die Strahlung, die selten einzeln auftreten. Nachfolgend werden die Kopplungsarten vorgestellt. 2.1 Galvanische Kopplung Eine galvanische Beeinflussung setzt eine direkte Verbindung zwischen verschiedenen Stromkreisen voraus. Diese kann über gemeinsame Leiter (z. B. Bezugsleiter), Schutz- oder Erdungsleitungen, über Masseverbindungen oder über gemeinsame Impedanzen erfolgen. Die prinzipielle Anordnung ist in Bild dargestellt. Die Impedanz des gemeinsamen Leitungsstücks wird als Koppelimpedanz ZK bezeichnet und kann mit Hilfe von Gleichung (1) berechnet werden: (1) Die Koppelimpedanz hat einen entscheidenden Einfluss auf die Höhe der Störspannung uSt, die sich mit der Betriebsspannung des Senkenkreises U2 überlagert. Die Störspannung uSt ergibt sich aus: uSt = RK iSt + LK (di St/dt) (2) mit (3) Induktivität eines langen parallelen Leiters [8] (4) l einfache Leitungslänge d Abstand der parallelen Leiter r Leiterradius Induktivität von rechteckförmigen Leitern (Bändern) [9] (5) a Bandbreite b Banddicke . Bei niederfrequenten Störströmen ISt überwiegt der ohmsche Anteil und bei hochfrequenten Störströmen (z. B. durch Schaltvorgänge hervorgerufen) der induktive Anteil. Der Betriebsstrom ist wesentlich kleiner als der Störstrom und die Störspannung nimmt in diesem Fall eine Größenordnung an, die die Betriebsspannung im Senkenkreis kaum beeinflusst. Gegenmaßnahmen: Diese lassen sich zum größten Teil schon aus den Berechnungsgleichungen herleiten. Dazu gehören [10]: · kürzestmögliche Leitungslängen l (kompakte Bauweise, sternförmige Verkabelung der Stromversorgung mehrerer Geräte) · angemessene große Leiterquerschnitte A (Zum Teil bis 100 mm2 und mehr für Bezugsleiter erforderlich, wenn die Störspannung wirksam herabgesetzt werden soll.) · geringe Leiterabstände d bei parallelen l b a b K = ln( ) l d K = (ln ) R l K K = Z R j L K K = + Normen und Vorschriften Elektropraktiker, Berlin 57 (2003) 3 200 Störquelle Störer Sender Störsenke Gestörter Empfänger Kopplung Teile von Energieversorgungsanlagen Schaltvorgänge elektronische Vorschaltgeräte elektrostatische Entladungen Blitzentladungen galvanische induktiv kapazitiv gestrahlt Steuer-, Regel-, Meldeeinrichtungen Messgeräte Monitor EDV-Anlagen biologische Systeme I1 I2 ISt USt U2 + USt Z1 ZK Z2 ZK = RK + jL EMV-Modell für Störquelle, Kopplung und Störsenke Ersatzschaltbild der galvanischen Kopplung iST UQ US ZQ ZS Indizes: St - Störgröße Q - Störquelle S - Störsenke M - Gegeninduktivität Prinzipielle Anordnung für eine induktive Beeinflussung Energie Daten B G Induktive Beeinflussung durch Leiterschleifen bei Blitzentladungen [10] Tafel Schutzbereiche gemäß den Empfehlungen des Länderausschusses für Immissionsschutz [7] Freilei- Breite des jeweils an den ruhenden tungen äußeren Leiter angrenzenden Streifens 380 kV 20 m 220 kV 15 m 110 kV 10 m < 110 kV 5 m Erdkabel Bereich im Radius um das Kabel 1 m Bahnober- Breite des jeweils zu beiden Seiten leitungen an das elektrifizierte Gleis angrenzenden Streifens, von Gleismitte 10 m Umspann- Breite des jeweils an die Anlage anlagen/ angrenzenden Streifens Unterwerke 5 m Ortsnetz- Breite des jeweils an die Einhaustationen/ sung angrenzenden Streifens Transfor- 1 m matoren Leitern (Hin- und Rückleiter dicht beieinander führen) · impedanzarme, insbesondere induktivitätsarme Ausführung von Leitungen und Leitungszügen wie Bezugspotentialleiter, Stromversorgungs- und Erdungsleitungen, die zu mehreren Stromkreisen gehören (auch flache, bandförmige Leiterprofile einsetzen) · di St/dt klein halten (ist selten realisierbar) · vermeiden galvanischer Verbindungen zwischen Systemen, die voneinander unabhängig sind und zwischen denen kein Informationsaustausch vorgesehen ist (Einsatz von Trenntransformatoren, Optokopplern, Symmetrierungsschaltungen oder Lichtwellenleitern, je nachdem wie hoch die Frequenz des Störstroms ist). 2.2 Induktive Kopplung Ursache für die induktive Kopplung ist die Flussverkettung St zwischen verschiedenen Betriebsstromkreisen. Störströme iSt können auch durch Blitzentladungen oder einer elektrostatischen Entladung hervorgerufen werden. Wie aus Bild zu entnehmen ist, bestimmt vor allem die Gegeninduktivität M die Höhe der Störspannung uSt: uSt = M (di St/dt) (6) Die Gegeninduktivität zwischen parallelen Stromkreisen wird gemäß der im Bild dargestellten Anordnung ermittelt über M = (µ0 l/2) ln[1 + (a/d)2] (7) a Abstand der Leitungen im Senkenstromkreis (z. B. Messleitungen) d Abstand zwischen Stör- und Senkenstromkreis l parallellaufende Leitungslänge. Im Senkenstromkreis wird eine Spannung in Abhängigkeit des diesen Kreis durchsetzenden magnetischen Fluss St induziert. Durch die Induktionsspannung wird ein Strom im Senkenkreis hervorgerufen, der eine Störspannung uSt über ZS bewirkt. Neben der Größe des magnetischen Flusses St ist die Fläche a·l, die vom Fluss durchsetzt wird, und der Abstand d zwischen Stör- und Senkenstromkreis für die Höhe der Störspannung von entscheidender Bedeutung. Daher ist darauf zu achten, dass solche Flächen (z. B. Installationsschleifen) nicht in der Nähe von Stromkreisen mit hohen Strömen vorhanden sind. Ungewollt große Installationsschleifen können beispielsweise, wie im Bild [10] ersichtlich, durch einen unzweckmäßigen Anschluss der Stromzuführung und der Datenleitung an einen Computer entstehen. Bei Blitzentladungen können bei entsprechenden Abmessungen induzierte Störspannungen im kV-Bereich entstehen und nur durch einen zusätzlichen Überspannungsschutz [10] oder durch eine geeignetere Leitungsführung kann der Computer geschützt werden. In elektronischen Geräten genügen schon Abmessungen von Leiterschleifen von wenigen Zentimetern, um bei entsprechender magnetischer Feldeinwirkung Störspannungen in Größenordnung der Betriebsspannung hervorzurufen. Gegenmaßnahmen: · kurze parallelgeführte Leitungslängen l · Minimierung der Installationsfläche a·l · großer Abstand d, z. B. zwischen Energie- und Informationsleitungen (nicht gemeinsam in einen Kabelbaum einbinden) · Installieren einer Kurzschlussschleife in der Nähe des Senkenstromkreises, z. B. durch einen beidseitig geerdeten Kabelmantel (Stromtragfähigkeit des Kabelmantels beachten!) Normen und Vorschriften Elektropraktiker, Berlin 57 (2003) 3 201 · Einsatz von verdrillten Leitungen (Dadurch wird die Induktionsfläche aufgeteilt und in benachbarten Flächen werden gegenläufige Ströme induziert, die sich in ihrer Wirkung weitestgehend aufheben.) · Schirmen von Geräten, Kabeln und Leitungen durch - ferromagnetische Schirme (Mu-Metall, Rohre, Metallschläuche, Stahlblechgefäße), Empfehlung aus wirtschaftlichen Gründen, wenn die Frequenz des Störstroms fSt < 100 kHz ist - unmagnetische Schirme (Aluminium-und Kupfergeflechte, Gehäuse aus Kunststoff-Metall-Verbundmaterialien oder mit Leitlack beschichtete Kunststoffgehäuse) Empfehlung aus technologischen Gründen für fSt > 100 kHz. 2.3 Kapazitive Kopplung Zwischen unterschiedlichen Potentialen baut sich ein elektrisches Feld auf und es kommt zu einem zusätzlichen Verschiebungsstrom. Im Ersatzschaltbild (s. Bild ) werden diese elektrischen Verbindungen über Kapazitäten dargestellt. Wenn der Störquellen- und der Störsenkenstromkreis auf gleiches Potential (Erde oder gemeinsame Bezugserde) gebracht werden, entfallen im Ersatzschaltbild die Kapazitäten C14, C23 und C24. Die Störspannung ist dann im Wesentlichen von der Spannung im Störquellenstromkreis und von der Kapazität C13 abhängig. Die Koppelkapazität ergibt sich nach [11] zu (8) und ist abhängig vom Abstand d zwischen den Systemen, der gemeinsamen parallelen Länge l, dem Leiterdurchmesser D und dem Isoliermedium r zwischen den sich beeinflussenden Leitungen. Gegenmaßnahmen: · kurze gemeinsame parallele Leitungslänge l · kleiner Leiterdurchmesser D · Leiterisolierung mit kleinen Dielektrizitätskonstanten r · Leiter der einzelnen Systeme paarweise verdrillen · Verwendung abgeschirmter Leitungen, die einseitig geerdet werden (dabei ist die richtige Schirmanbindung zu beachten, weitere Hinweise s. [10] [11]). 2.4 Strahlungsbeeinflussung Bei der Strahlungsbeeinflussung werden von der Störquelle elektromagnetische Wellen ausgesendet, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten und bei einem genügend großen Abstand (im Fernfeld) in der Senke eine Störspannung hervorgerufen (s. Bild a). Störer können Sendeanlagen, Schaltvorgänge oder Blitzentladungen sein. Bei elektromagnetischen Wellen sind im Fernfeld das elektrische und das magnetische Feld in Phase und stehen senkrecht aufeinander. Aufgrund dieser starren Verknüpfung im freien Raum gilt zwischen dem elektrischen Feld E0 und dem magnetischen Feld H0 die Beziehung: (9) Die Konstante Z0 wird als Wellenwiderstand der Luft bezeichnet. Gegenmaßnahmen: · Einsatz von Schirmmaterialien (s. Bild b) · Leitungslängen sollten so kurz wie möglich gehalten werden, damit sie keine geeignete Antenne für den Sender oder den Empfänger darstellen. Die Wirksamkeit des Schirms ist von der Absorptions- und Refexionsfähigkeit sowie der Dicke d des eingesetzten Materials abhängig. Berechnungsgleichungen für die Bemessung des Schirms sind in [12] zu finden. Literatur [1] Gehrke, R.: EMV - Gesetze, Regeln, Normen. Elektropraktiker Berlin, 57(2003)2, Seite 116 bis 118. [2] Strahlenthemen - Radio- und Mikrowellen. Bundesamt für Strahlenschutz, Ausgabe November 1994. [3] Haubrich, H.-J.: Sicherheit im elektromagnetischen Umfeld. Berlin-Offenbach: VDE-Verlag 1990. [4] Strahlenthemen - elektrische und magnetische Felder im Haushalt. Bundesamt für Strahlenschutz, Ausgabe April 1995. [5] Feldbelastung durch Elektrogeräte bei 50 Hz. Fachhochschule Aachen: Sicherheitsinfo 5/97. www.fh-aachen.de [6] Elektrische und magnetische Felder im Haushalt. Landesanstalt für Umweltschutz Baden-Württemberg: www.uis-extern.um.bwl.de [7] 94. Sitzung des Länderausschusses für Immissionsschutz - Stand 02.06.1998. [8] Weißgerber, W.: Elektrotechnik für Ingenieure 1. Braunschweig/Wiesbaden: Vieweg Verlag 2000. [9] Philippow, E.: Taschenbuch der Elektrotechnik, Bd. 1 „Allgemeine Grundlagen“. Berlin: Verlag Technik 1986. [10] Habiger, E.: Elektromagnetische Verträglichkeit - Grundlagen, Maßnahmen, Systemgestaltung. Berlin: Verlag Technik 1992. [11] Habiger, E.: Elektromagnetische Verträglichkeit - Grundzüge ihrer Sicherstellung in der Geräte- und Anlagentechnik. Heidelberg: Hüthig-Verlag 1998. [12] Weber, A.: EMV in der Praxis. Heidelberg: Hüthig-Verlag 1994. 376 73 377 = = = , d D d D + ( ) - ln / / Normen und Vorschriften Elektropraktiker, Berlin 57 (2003) 3 202 UQ US Indizes: St - Störgröße Q - Störquelle S - Störsenke C12 C13 C14 C23 C24 C34 uST E01 E02 uST E0, H0 a) b) UQ UQ Prinzipielle Anordnung für eine Strahlungsbeeinflussung a) und Anordnung mit Schirmwand b) Prinzipielle Anordnung für eine kapazitive Beeinflussung Anzeige
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- G. Gehrke
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