Blitz- und Überspannungsschutz für Antennen-Anlagen

Blitz- und Überspannungsschutz für Antennen-Anlagen

Um die Wirksamkeit des Überspannungsschutzes nicht zu beeinträchtigen, müssen Antennen-Anlagen gemäß DIN VDE0855 Teil 300 in Blitzschutz und Potential-Ausgleich integriert werden. Alle berührbaren elektrisch leitfähigen Teile der Antennen-Anlage müssen dann in geeigneter Weise in den Potential-Ausgleich einbezogen werden.
Bei der Integration von Antennenanlagen in Blitzschutz und Potential-Ausgleich muss die Blitzschutz-Klasse des Gebäudes berücksichtigt werden. Ist das Gebäude nicht mit einer Blitzschutz-Anlage nach den Normen der Reihe VDE0185 ausgerüstet, muss der metallene Antennenmast – das Antennentragwerk – gemäß VDE0855 Teil 300 geerdet werden. Durch die Verlegung von Kabeln, die mit der Antenne verbunden sind, kann sich die Schutzwirkung der Blitzschutz-Anlage für das Gebäude verändern. Die Leitungsführung aller Installationen einschließlich der Telekommunikations-Kabel im Gebäude sollte daher von Blitzschutz-Planern festgelegt werden. Bei der Verlegung der Telekommunikations-Leitung zur Anbindung an die Antenne muss die Einkopplung von Blitzteilströmen in die Leitung berücksichtigt werden. Die Anbindung in den Potential-Ausgleich bei Signal- und Versorgungsleitungen erfolgt mit Überspannungsschutz-Geräten.

Schutzzonen-Konzept bei Antennen-Anlagen

Grundlage für eine Überspannungsschutz-Maßnahme bei Antennen-Anlagen ist ein Schutzzonen-Konzept, das Signal- und Stromversorgungs-Leitungen berücksichtigt. Nur wenn beide Systeme eingebunden werden, ist ein vollständiger Potential-Ausgleich möglich. Die Schutzzonen definieren das jeweilige EMV-Gefährdungs-Potential. So ist die stärkste elektromagnetische Beeinflussung, die an den Antennen auftritt, als Zone 0 definiert. Mit deutlich geringeren Beeinflussungen ist in der Zone 3 zu rechnen. In diesem Bereich werden vorzugsweise IT (Informationstechnik)-Systeme installiert. An den Übergängen der einzelnen Schutzzonen müssen alle aktiven Leitungen mithilfe von Überspannungsschutz-Geräten in den Potential-Ausgleich einbezogen werden. Das gilt insbesondere für Leitungen, die von ‚außen‘ in das Gebäude geführt werden. Damit hohe Spannungs-Differenzen zwischen den Potential-Ausgleichsystemen der Schutzzonen vermieden werden, müssen diese untereinander auf kürzestem Wege verbunden werden. Die Wirksamkeit eines Überspannungsschutz-Gerätes hängt in hohem Maß von der fachgerechten Installation ab. Geräte mit hohem Sicherheits-Bedarf – etwa Sender und Empfänger von Funkübertragungs-Systemen – sind wichtige Bestandteile des Schutzzonen-Konzepts. Daraus folgt, dass die von außen kommenden koaxialen Kabel, die nicht nur HF-Signale, sondern möglicherweise auch Transienten oder Blitzteilströme transportieren, mit Überspannungsschutz-Geräten abzusichern sind. Die Geräte werden in den Leitungszug eingesetzt. Auf diese Weise werden die Störphänomene auf ein unbedenkliches Maß reduziert. Außerdem müssen die ‚hausgemachten‘ Überspannungen berücksichtigt werden, die entstehen, wenn Stromversorgungs- und Sendeleitungen parallel geführt werden.

Welche Dämpfung ist zulässig?

Jedes Schutzgerät bedämpft aufgrund seines Aufbaus das Signal. Aber welche Dämpfung ist noch zulässig? Um die HF-Übertragung so wenig wie möglich zu beeinflussen, müssen die verwendeten Überspannungsschutz-Geräte an das Signalübertragungs-System angepasst sein. Demnach ist nur eine geringe Einfügungs-Dämpfung erlaubt. Neben der Dämpfung ist die Impedanz-Anpassung wichtig. Sie sorgt dafür, dass an jedem Kabelübergang – der sogenannten Stoßstelle – eine möglichst geringe Reflexion ‚r‘ des Signals auftritt. Ist sie zu groß, stellt sich eine ungünstige Anpassung ein und es treten folgende Beeinflussungen auf:
– Ein erheblicher Anteil des Signals wird zum Sender zurücktransportiert, was zu einer Signalverfälschung führt. Außerdem entsteht an der Stoßstelle eine Spannungs-Überhöhung.
– An der Stoßstelle tritt eine Verlustleistung auf, die vom Sender zusätzlich erzeugt werden muss, damit der Empfänger die Signale verarbeiten kann.

Hier wird deutlich, dass der Reflexionsfaktor ‚r‘ einen hohen Einfluss auf Signalqualität und Verlustleistung hat. Die genannten Anforderungen werden durch Überspannungsschutz-Geräte erfüllt, die Dämpfungswerte von maximal 0,2dB sowie Reflektionsfaktoren von höchstens 1,2 besitzen.

Niedriger Schutzpegel dank Lambda/4-Technologie

Um einen guten – also niedrigen – Schutzpegel zu erreichen, kommt die Lambda/4-Technologie zum Einsatz. Weil Geräte mit dieser Technologie im Frequenzband der Überspannung einen Kurzschluss darstellen, werden gute spannungsbegrenzende Eigenschaften erreicht. Über ein Antennenkabel mit Lambda/4-Überspannungsschutz ist allerdings keine Gleichspannungs-Versorgung der Sende-Elektronik möglich. Mit einem Schutzpegel von wenigen 10V sind die Schutzeigenschaften dieser Technologie jedoch ausgezeichnet. Außerdem beherrscht diese Technologie hohe Blitzströme von bis zu 20.000A (10/350) – ohne dass das Innenleben des Schutzgerätes überlastet würde.

Fazit

Um eine Antennen-Anlage vor Blitz und Überspannungsschäden zu bewahren, muss ein Blitzschutz- und Potential-Ausgleichs-System als Basis installiert werden. Dann müssen geeignete Überspannungsschutz-Geräte ausgewählt werden, so dass die Antennen-Signale nur unwesentlich beeinflusst werden. Insbesondere geht es dabei um die Werte der Dämpfung und des Reflektions-Faktors ‚r‘. Auch die Schutzgeräte sollten der Norm IEC61643-21 (VDE 0845 T3-1) entsprechen.

Kasten: Funksysteme – Wimax, LTE und Tetra

Internet-Nutzung liegt nach wie vor im Trend und ein Internet-Anschluss wird überall gewünscht. In Gebäuden erzielt WLAN bereits eine gute Abdeckung. Aber im Freien, etwa auf öffentlichen Plätzen, lässt der Zugriff auf das Internet oft noch zu Wünschen übrig. Abhilfe schafft hier Wimax (Worldwide Interoperability for Microwave Access ) sowie LTE (Long Term Evolution). Wimax arbeitet in Frequenzbereichen von 2,4 bis 5,9GHz, LTE bei 2,4GHz. Ziel ist es, die Signale durch zusätzliche Antennen an vorhandene Mobilfunkmasten zu verteilen. Somit kann mit dem Laptop überall das Internet empfangen werden. Damit die Internet-Anbindung nicht beeinträchtigt wird, müssen auch diese Antennen vor Überspannungen geschützt werden. Tetra (Terrestrial Trunked Radio) ist ein Standard für den digitalen Bündelfunk. Mit Tetra lassen sich Netze für den betrieblichen Mobilfunk mit hohen Sicherheits-Anforderungen betreiben: Polizei, Feuerwehr, Rettungsdienste, Militär. Hier kommt es auf ein kontinuierlich funktionierendes Funksystem an. Mit dem beschriebenen Überspannungs-Konzept ist das möglich. Allerdings muss das Schutzgerät an das Übertragungssystem – 380385MHz oder 410460MHz angepasst sein.

Phoenix Contact Deutschland GmbH
www.phoenixcontact.de

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Blitz- und Überspannungsschutz für Antennen-Anlagen

Um die Wirksamkeit des Überspannungsschutzes nicht zu beeinträchtigen, müssen Antennen-Anlagen gemäß DIN VDE0855 Teil 300 in Blitzschutz und Potential-Ausgleich integriert werden. Alle berührbaren elektrisch leitfähigen Teile der Antennen-Anlage müssen dann in geeigneter Weise in den Potential-Ausgleich einbezogen werden.
Bei der Integration von Antennenanlagen in Blitzschutz und Potential-Ausgleich muss die Blitzschutz-Klasse des Gebäudes berücksichtigt werden. Ist das Gebäude nicht mit einer Blitzschutz-Anlage nach den Normen der Reihe VDE0185 ausgerüstet, muss der metallene Antennenmast – das Antennentragwerk – gemäß VDE0855 Teil 300 geerdet werden. Durch die Verlegung von Kabeln, die mit der Antenne verbunden sind, kann sich die Schutzwirkung der Blitzschutz-Anlage für das Gebäude verändern. Die Leitungsführung aller Installationen einschließlich der Telekommunikations-Kabel im Gebäude sollte daher von Blitzschutz-Planern festgelegt werden. Bei der Verlegung der Telekommunikations-Leitung zur Anbindung an die Antenne muss die Einkopplung von Blitzteilströmen in die Leitung berücksichtigt werden. Die Anbindung in den Potential-Ausgleich bei Signal- und Versorgungsleitungen erfolgt mit Überspannungsschutz-Geräten.

Schutzzonen-Konzept bei Antennen-Anlagen

Grundlage für eine Überspannungsschutz-Maßnahme bei Antennen-Anlagen ist ein Schutzzonen-Konzept, das Signal- und Stromversorgungs-Leitungen berücksichtigt. Nur wenn beide Systeme eingebunden werden, ist ein vollständiger Potential-Ausgleich möglich. Die Schutzzonen definieren das jeweilige EMV-Gefährdungs-Potential. So ist die stärkste elektromagnetische Beeinflussung, die an den Antennen auftritt, als Zone 0 definiert. Mit deutlich geringeren Beeinflussungen ist in der Zone 3 zu rechnen. In diesem Bereich werden vorzugsweise IT (Informationstechnik)-Systeme installiert. An den Übergängen der einzelnen Schutzzonen müssen alle aktiven Leitungen mithilfe von Überspannungsschutz-Geräten in den Potential-Ausgleich einbezogen werden. Das gilt insbesondere für Leitungen, die von ‚außen‘ in das Gebäude geführt werden. Damit hohe Spannungs-Differenzen zwischen den Potential-Ausgleichsystemen der Schutzzonen vermieden werden, müssen diese untereinander auf kürzestem Wege verbunden werden. Die Wirksamkeit eines Überspannungsschutz-Gerätes hängt in hohem Maß von der fachgerechten Installation ab. Geräte mit hohem Sicherheits-Bedarf – etwa Sender und Empfänger von Funkübertragungs-Systemen – sind wichtige Bestandteile des Schutzzonen-Konzepts. Daraus folgt, dass die von außen kommenden koaxialen Kabel, die nicht nur HF-Signale, sondern möglicherweise auch Transienten oder Blitzteilströme transportieren, mit Überspannungsschutz-Geräten abzusichern sind. Die Geräte werden in den Leitungszug eingesetzt. Auf diese Weise werden die Störphänomene auf ein unbedenkliches Maß reduziert. Außerdem müssen die ‚hausgemachten‘ Überspannungen berücksichtigt werden, die entstehen, wenn Stromversorgungs- und Sendeleitungen parallel geführt werden.

Welche Dämpfung ist zulässig?

Jedes Schutzgerät bedämpft aufgrund seines Aufbaus das Signal. Aber welche Dämpfung ist noch zulässig? Um die HF-Übertragung so wenig wie möglich zu beeinflussen, müssen die verwendeten Überspannungsschutz-Geräte an das Signalübertragungs-System angepasst sein. Demnach ist nur eine geringe Einfügungs-Dämpfung erlaubt. Neben der Dämpfung ist die Impedanz-Anpassung wichtig. Sie sorgt dafür, dass an jedem Kabelübergang – der sogenannten Stoßstelle – eine möglichst geringe Reflexion ‚r‘ des Signals auftritt. Ist sie zu groß, stellt sich eine ungünstige Anpassung ein und es treten folgende Beeinflussungen auf:
– Ein erheblicher Anteil des Signals wird zum Sender zurücktransportiert, was zu einer Signalverfälschung führt. Außerdem entsteht an der Stoßstelle eine Spannungs-Überhöhung.
– An der Stoßstelle tritt eine Verlustleistung auf, die vom Sender zusätzlich erzeugt werden muss, damit der Empfänger die Signale verarbeiten kann.

Hier wird deutlich, dass der Reflexionsfaktor ‚r‘ einen hohen Einfluss auf Signalqualität und Verlustleistung hat. Die genannten Anforderungen werden durch Überspannungsschutz-Geräte erfüllt, die Dämpfungswerte von maximal 0,2dB sowie Reflektionsfaktoren von höchstens 1,2 besitzen.

Niedriger Schutzpegel dank Lambda/4-Technologie

Um einen guten – also niedrigen – Schutzpegel zu erreichen, kommt die Lambda/4-Technologie zum Einsatz. Weil Geräte mit dieser Technologie im Frequenzband der Überspannung einen Kurzschluss darstellen, werden gute spannungsbegrenzende Eigenschaften erreicht. Über ein Antennenkabel mit Lambda/4-Überspannungsschutz ist allerdings keine Gleichspannungs-Versorgung der Sende-Elektronik möglich. Mit einem Schutzpegel von wenigen 10V sind die Schutzeigenschaften dieser Technologie jedoch ausgezeichnet. Außerdem beherrscht diese Technologie hohe Blitzströme von bis zu 20.000A (10/350) – ohne dass das Innenleben des Schutzgerätes überlastet würde.

Fazit

Um eine Antennen-Anlage vor Blitz und Überspannungsschäden zu bewahren, muss ein Blitzschutz- und Potential-Ausgleichs-System als Basis installiert werden. Dann müssen geeignete Überspannungsschutz-Geräte ausgewählt werden, so dass die Antennen-Signale nur unwesentlich beeinflusst werden. Insbesondere geht es dabei um die Werte der Dämpfung und des Reflektions-Faktors ‚r‘. Auch die Schutzgeräte sollten der Norm IEC61643-21 (VDE 0845 T3-1) entsprechen.

Kasten: Funksysteme – Wimax, LTE und Tetra

Internet-Nutzung liegt nach wie vor im Trend und ein Internet-Anschluss wird überall gewünscht. In Gebäuden erzielt WLAN bereits eine gute Abdeckung. Aber im Freien, etwa auf öffentlichen Plätzen, lässt der Zugriff auf das Internet oft noch zu Wünschen übrig. Abhilfe schafft hier Wimax (Worldwide Interoperability for Microwave Access ) sowie LTE (Long Term Evolution). Wimax arbeitet in Frequenzbereichen von 2,4 bis 5,9GHz, LTE bei 2,4GHz. Ziel ist es, die Signale durch zusätzliche Antennen an vorhandene Mobilfunkmasten zu verteilen. Somit kann mit dem Laptop überall das Internet empfangen werden. Damit die Internet-Anbindung nicht beeinträchtigt wird, müssen auch diese Antennen vor Überspannungen geschützt werden. Tetra (Terrestrial Trunked Radio) ist ein Standard für den digitalen Bündelfunk. Mit Tetra lassen sich Netze für den betrieblichen Mobilfunk mit hohen Sicherheits-Anforderungen betreiben: Polizei, Feuerwehr, Rettungsdienste, Militär. Hier kommt es auf ein kontinuierlich funktionierendes Funksystem an. Mit dem beschriebenen Überspannungs-Konzept ist das möglich. Allerdings muss das Schutzgerät an das Übertragungssystem – 380385MHz oder 410460MHz angepasst sein.

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