Überspannungsschutz für Netzwerksysteme

Speziell Hochgeschwindigkeitsnetzwerke sind heute die Lebensadern nahezu jedes Unternehmens und vieler elektronischer Anlagen. Überspannungen, die durch galvanische, kapazitive oder induktive Kopplungen in Datenleitungen auftreten, können im schlimmsten Fall Netzknoten innerhalb einer Netzwerkstruktur zerstören. Um solche Ausfälle zu vermeiden, müssen geeignete Schutzmaßnahmen getroffen werden.
Um ein Netzwerksystem vor Überspannungen zu schützen, muss geklärt werden, welche externen Quellen das Netzwerk beeinträchtigen können. In der Praxis gibt es mehrere Faktoren, die störend auf Netzwerkleitungen wirken. Diese Beeinflussungen unterscheiden sich in Leistung, Frequenz und Zeit. Transiente Überspannungen, die infolge eines fernen Blitzeinschlages entstehen, können Einrichtungen der Informationstechnik zerstören. Der hohe Impulsstrom des Blitzes erzeugt Magnetfelder mit schnellen Anstiegszeiten, die in Energie- und Datentechnik-Installationsschleifen hohe Längs- und Querspannungen induzieren. Wird dabei die Spannungsfestigkeit eines Endgerätes überschritten, wird das Gerät zerstört. Um dies zu vermeiden, ist der Einsatz von Blitz- und Überspannungsschutz notwendig.

Richtig schützen – aber wie?

Oftmals wird der Überspannungsschutz im Bereich der Datentechnik etwas stiefmütterlich behandelt. Meist werden selbst Anlagen, deren zuverlässige Funktion von größter Bedeutung ist, aus Kostengründen lediglich von der Energieseite her geschützt. Ein funktionelles Blitz- und Überspannungsschutzkonzept kann jedoch nur greifen, wenn Energie und Datenleitungen mit in das Blitzschutzzonenkonzept nach IEC 62305 Teil 4 eingebunden werden. Aufgrund der Vielzahl gängiger Informations-, Telekommunikations- und Messsysteme ist die Auswahl des geeigneten Überspannungsschutzgerätes in der Praxis häufig schwierig. Folgende Faktoren müssen berücksichtigt werden:

– Das Anschluss-Stecksystem des Schutzgerätes muss zu dem Gerät passen, das geschützt werden soll.
– Parameter wie höchster Signalpegel, höchste Frequenz, maximaler Schutzpegel und Installationsumgebung müssen berücksichtigt werden.
– Das Schutzgerät darf nur geringfügige Auswirkungen wie Dämpfung und Reflektion auf die Übertragungsstrecke ausüben. Dies ist besonders für strukturierte Gebäudeverkabelungen im 10GBit-Bereich wichtig.

Strukturierte Gebäudeverkabelung heute

Moderne Kommunikationssysteme, die auf Ethernet basieren, bieten heute vielseitige Möglichkeiten der Kommunikation und des Datenaustausches. Mittels ‚Power over Ethernet‘ (PoE) können sogar Endgeräte direkt im Netzwerk ohne zusätzliche Leitungen mit Energie versorgt werden. Solche strukturierten Gebäudeverkabelungen, die Daten- und Sprachdienste umfassen, müssen zuverlässig funktionieren: Fallen Netzknoten bedingt durch Überspannungen aus, sind damit hohe Ausfallzeiten und hohe Kosten verbunden. Dementsprechend hoch ist der Bedarf an geeigneten Schutzmaßnahmen.

Standardisierung von Verkabelungen

Um ein Überspannungsschutzgerät in einem vorhandenen Netzwerk einsetzen zu können, muss sich der Anwender mit einer Vielzahl von Fachausdrücken auseinandersetzen. Begrifflichkeiten wie Kategorie und Klasse sowie diverse Messwerte führen oftmals zu Verwirrungen, zumal sie je nach Standard unterschiedlich definiert werden. An dieser Stelle muss grundsätzlich geklärt werden, welcher Standard in Europa gültig ist. Für die Standardisierung der Verkabelung sind unter anderem die Standardisierungsgruppen TIA (USA), Cenelec (EU) und ISO (International) verantwortlich.

Definition Kategorie

Laut ISO/IEC definieren Kategorien die Mindestanforderungen an die Qualität von Kabeln und Stecksystemen wie Buchsen und Stecker. Die festgelegten Grenzwerte beziehen sich dabei nur auf die Einzelkomponenten, nicht auf die Qualität einer gesamten Installationsstrecke. Die Qualität der Einzelkomponenten wird im Labor bzw. bei der Herstellung entsprechend der geltenden Kategorie getestet.

Definition Klasse

Für die gesamte Installationstrecke sind Klassen definiert. Die Klassen geben die Mindestanforderungen an die Qualität der Datenübertragung an. Als Konsequenz muss z. B. eine Installationsstrecke der Klasse EA mindestens aus Komponenten der Kategorie 6A bestehen. Oftmals werden die Begriffe Kategorie und Klasse mit dem amerikanischen Standard ANSI/TIA verwechselt. Dieser hat jedoch in Europa keine Gültigkeit! Die ISO/IEC stellt speziell in den höheren Kategorien/Klassen schärfere Anforderungen an die Grenzwerte. Im April 2008 wurde die Edition 2.0 der ISO/IEC 11801 veröffentlicht. In diesem neuen Standard werden neue Klassen für Anwendungen bis 10 GBit definiert, wie z. B. die Klasse EA (Class EA) mit einer maximalen Bandbreite von 500 MHz. Die Bandbreite ist jedoch nur ein kleiner Teil der Definition, denn 500 MHz zu übertragen ist im Ansatz erstmal nicht schwer. Die entscheidende Frage ist jedoch, wie gut welche Parameter eingehalten werden müssen, um eine gute Übertragung zu gewährleisten.

Der Überspannungsschutz

Die Aufgabe eines Überspannungsschutzgerätes besteht darin, gefährliche Überspannungen auf ein unkritisches Maß zu reduzieren. Datentechnische Systeme weisen meist nur eine geringe Stoßspannungsfestigkeit auf. Einige wichtige Voraussetzungen zum Schutz der Komponenten sind:

– der Installationsort
– die Spannungsfestigkeit des Endgerätes
– die Ausführung des Potentialausgleichs
– die zu erfüllende Leistungsklasse.

Spannungen, die durch ein eingekoppeltes Magnetfeld entstehen, liegen immer an beiden Seiten einer Leitung an. Daher müssen Leitungen immer beidseitig geschützt werden. Im praktischen Beispiel betrifft dies somit einmal den Computer (Netzwerkkarte) sowie den Switch in der Etagenverteilung. Besonders Switches/Hubs und Netzwerkkarten weisen nur eine niedrige Spannungsfestigkeit auf. Das Schutzgerät sollte daher sowohl einen möglichst geringen symmetrischen (Ader-Ader) als auch asymmetrischen (Ader-Erde) Schutzpegel aufweisen. Grundsätzlich ist darauf zu achten, dass Überspannungsschutzgeräte möglichst nah am zu schützenden Gerät installiert werden (Feinschutz). Die Ausführung des Potentialausgleichs ist maßgebend, um auch geringe Schutzpegel einhalten zu können. Speziell auf die Leitungsführung und -länge ist zu achten, da sich bei falscher Installation der Schutzpegel durch die Induktivität der Leitung deutlich erhöhen kann. Der richtig ausgeführte Potentialausgleich kann dadurch erreicht werden, dass das Überspannungsschutzgerät direkt und auf kürzestem Wege mit dem geerdeten Gehäuse des zu schützenden Gerätes verbunden wird. Obo Bettermann bietet mit seinem Datenleitungsschutzgerät Net Defender Überspannungsschutz speziell für Anwendungen in Hochgeschwindigkeitsnetzwerken bis zu 10 GBit. Der Net Defender wurde in unterschiedlichen Netzwerken mit Hilfe des Channel Link-Verfahrens getestet. Bei allen Messungen wurden sowohl die Grenzwerte der Klasse EA nach ISO/IEC als auch die der Kat6A nach TIA/ANSI eingehalten.

Fazit

Überspannungsschutz ist nur dann wirksam, wenn neben dem energietechnischen System auch die Telekommunikations- und Datenleitungen mit einbezogen werden. Für eine gute Datenqualität ist die Auswahl hochwertiger Komponenten, insbesondere hochwertiger Überspannungsschutzgeräte, von größter Bedeutung. Es muss unbedingt darauf geachtet werden, dass das Überspannungsschutzgerät den Anforderungen der verwendeten Leistungsklasse entspricht und zugleich niedrige Schutzpegel aufweist.