{"id":1990,"date":"2018-09-21T08:43:48","date_gmt":"2018-09-21T06:43:48","guid":{"rendered":"https:\/\/web1.server250a.stx-server.de\/?p=1990"},"modified":"2022-08-22T13:17:01","modified_gmt":"2022-08-22T11:17:01","slug":"ueberspannungsphaenomene-surge-und-burst","status":"publish","type":"post","link":"http:\/\/dev.web1.server250a.stx-server.de\/de\/news\/ueberspannungsphaenomene-surge-und-burst\/","title":{"rendered":"\u00dcberspannungsph\u00e4nomene \u201eSurge\u201c und \u201eBurst\u201c"},"content":{"rendered":"

Dieser Artikel ist auch als Titelstory in der medizinischen Fachzeitschrift Medizin+Elektronik erschienen! Sie finden den Artikel\u00a0hier<\/a>\u00a0in der Online-Ausgabe.<\/strong><\/p>\n

Herzversagen \u2013 einer der schlimmsten F\u00e4lle in der Medizin. Versagt das Herz, versagt alles.
\nDas gleiche trifft auch auf die Stromversorgung einer Anwendung zu: Erbringt diese ihre Leistung nicht mehr zuverl\u00e4ssig, funktioniert auch das Gesamtsystem nicht mehr \u2013 was in der Medizintechnik die schlimmsten erdenklichen Folgen haben kann. Die Beispiele reichen vom Versagen von Instrumenten und Werkzeugen mitten in einer komplizierten Operation bis hin zu einem m\u00f6glichen Worst Case-Szenario wie der ungewollten Beendigung von lebenserhaltenden Ma\u00dfnahmen, weil die Stromzufuhr ihren Dienst nicht fehlerfrei vollbringen konnte.<\/em><\/p>\n

Entsprechend gilt es, vor allem f\u00fcr medizinische Stromversorgungen eine h\u00f6chstm\u00f6gliche Ausfallsicherheit anzustreben und sich gegen eventuelle St\u00f6rf\u00e4lle zu wappnen. Zwei m\u00f6gliche St\u00f6rfaktoren sind die \u00dcberspannungsph\u00e4nomene \u201eSurge\u201c und \u201eBurst\u201c, f\u00fcr welche die entsprechende St\u00f6rfestigkeit in der Normenreihe IEC 61000-4 geregelt wird. Der vorliegende Fachartikel beschreibt die genannten Ph\u00e4nomene sowie die einzuhaltende St\u00f6rfestigkeit laut geltender Norm grundlegend und gibt einige Tipps f\u00fcr die praktische Umsetzung in der Entwicklung sowie f\u00fcr die Auswahl einer geeigneten Stromversorgung.<\/em><\/p>\n

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Die \u00dcberspannung und ihre Auswirkungen<\/strong><\/p>\n

Der Begriff \u201e\u00dcberspannung\u201c beschreibt eine elektrische Spannung, welche den zul\u00e4ssigen Toleranzbereich der Nennspannung eines elektrischen Systems \u00fcberschreitet. F\u00fcr ein elektrisches Ger\u00e4t hat das Ph\u00e4nomen aufgrund der mitunter destruktiven Wirkung eine zentrale Bedeutung: Die \u00fcbersch\u00fcssige Energie kann Bauteile der elektrischen Schaltung zerst\u00f6ren und auf diesem Wege zu Fehlern und Ger\u00e4teausf\u00e4llen f\u00fchren. Deshalb ist es von enormer Wichtigkeit, die St\u00f6rfestigkeit gegen m\u00f6gliche auftretende \u00dcberspannungsf\u00e4lle bei der Entwicklung einer Stromversorgung zu ber\u00fccksichtigen.<\/p>\n

Doch wann liegt ein sogenannter \u00dcberspannungsfall eigentlich vor? Innerhalb des europ\u00e4ischen Wechselspannungsnetzes liegt die Nennspannung gem\u00e4\u00df der EN 60038 bei 230V mit einer Toleranz von +\/-10% in einphasigen Systemen. Somit sind in unserem Stromnetz Spannungen von mehr als 253V per Definition als \u00dcberspannung anzusehen. Derartige \u00dcberspannungen k\u00f6nnen entweder dauerhaft auftreten, beispielsweise aufgrund einer fehlerhaften elektrischen Installation, oder aber kurzzeitig vorliegen, etwa durch Blitzeinschlag oder Schalthandlungen.<\/p>\n

W\u00e4hrend der Schutz eines Ger\u00e4tes gegen dauerhafte \u00dcberspannungen nur unter sehr hohem Aufwand m\u00f6glich w\u00e4re und zudem aufgrund des seltenen Ereigniseintritts innerhalb eines typischen Wechselstromnetzes auch nicht notwendig ist, liegen kurzzeitige \u00dcberspannungen h\u00e4ufiger vor als gedacht und bedingen entsprechende Schutzvorkehrungen. Die \u00dcberspannung kann dabei sowohl symmetrisch zwischen den elektrischen Leitern als auch asymmetrisch zwischen elektrischen Leitern und Erde auftreten.<\/p>\n

Im Allgemeinen unterscheidet man im Rahmen der kurzzeitigen \u00dcberspannung zwei Ph\u00e4nomene, welche im Folgenden samt ihrer Regelung in den entsprechenden Normen eine n\u00e4here Betrachtung erfahren sollen:<\/p>\n

1. Sto\u00dfspannung (Surge)<\/p>\n

2. Wiederkehrende schnelle Transienten (Burst)<\/p>\n

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Sto\u00dfspannung (Surge) gem\u00e4\u00df IEC 61000-4-5<\/strong><\/p>\n

Das Ph\u00e4nomen der Sto\u00dfspannung wird in der IEC 61000-4-5 reguliert. Diese Norm beschreibt die \u201ePr\u00fcfung der St\u00f6rfestigkeit von elektrischen und elektronischen Betriebsmitteln, Ger\u00e4ten und Einrichtungen gegen\u00fcber Sto\u00dfwellen (Sto\u00dfspannungen und -str\u00f6me)\u201c und wurde in ihrer aktuellen Fassung im M\u00e4rz 2015 verabschiedet.<\/p>\n

In einem Stromversorgungsnetz werden kurzzeitige Sto\u00dfspannungen durch unterschiedlichste Ereignisse hervorgerufen. Man unterscheidet hier grundlegend zwischen Sto\u00dfspannungen aufgrund von Schalthandlungen oder Systemfehlern und \u00dcberspannungsf\u00e4llen, welche durch Blitze verursacht werden. Bei letzterem handelt es sich nicht nur um Belastungen durch einen direkten Blitzeinschlag in ein Stromnetz, sondern auch durch indirekte Blitzeinschl\u00e4ge und induzierte Str\u00f6me im Masse- oder Erdungssystem einer Anlage, welche durch Blitzeinschl\u00e4ge in der n\u00e4heren Umgebung entstehen.<\/p>\n

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Sto\u00dfspannungen entstehen h\u00e4ufiger als gedacht<\/strong><\/p>\n

Schon die reine Anzahl an Blitzeinschl\u00e4gen pro Jahr verdeutlicht, wie h\u00e4ufig kurzzeitige Sto\u00dfspannungen in einem Stromnetz vorliegen k\u00f6nnen: Alleine im vergangenen Jahr schlugen gut 450.000 Blitze in Deutschland ein, welche je nach Einschlagsort entsprechende Auswirkung auf unser Stromnetz mit sich brachten. Diese Zahl erscheint im Vergleich zu Vorjahren noch verh\u00e4ltnism\u00e4\u00dfig gering: Im Jahr 2015 beispielsweise waren es 550.000 Blitze, im Unwetterjahr 2007 wurde mit rund 1,1 Millionen Blitzen ein bisheriger Rekordwert registriert.[1]<\/a>\u00a0Hinzu kommen die nicht z\u00e4hlbaren Schalthandlungen, die zurzeit speziell aufgrund des Wechsels von einer zentralen zu einer dezentralen Stromnetzstruktur (Stichwort: Smart Grid) stark zunehmen, sowie sonstiger Einflussgr\u00f6\u00dfen, welche ebenfalls kurzzeitig zu hohen Belastungen einer Stromversorgung f\u00fchren.<\/p>\n

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Normengerechte Simulation von Sto\u00dfspannungen<\/strong><\/p>\n

Generell handelt es sich bei einer Sto\u00dfspannung um einen kurzzeitigen, sehr energiereichen Impuls, welchen das Ger\u00e4t unbeschadet \u00fcberstehen muss. Zur Simulation einer solchen der Sto\u00dfspannung wird in der Praxis ein Generator verwendet, welcher die Impulsform des Ph\u00e4nomens nachbildet. Die der Norm zugrundeliegende Impulsform f\u00fcr Sto\u00dfspannungen in Energienetzen hat eine Stirnzeit von 1,2\u00b5s bei einer Impulsdauer von 50\u00b5s (1,2\/50\u00b5s) f\u00fcr die Leerlaufspannung sowie eine Stirnzeit von 8\u00b5s bei einer Impulsdauer von 20\u00b5s (8\/20\u00b5s) f\u00fcr den Kurzschlussstrom.<\/p>\n

Speziell f\u00fcr Telekommunikationsanschl\u00fcsse, welche sich au\u00dferhalb von Geb\u00e4uden befinden, fordert die Norm h\u00f6here Impulse in Form von 1,2\/50\u00b5s f\u00fcr die Spannung und 5\/320\u00b5s f\u00fcr den Strom. Diese Impulsformen repr\u00e4sentieren die spezifischen Eigenschaften eines Telekommunikationsnetzes. In anderen Normen finden sich zudem noch weitere Impulsformen wie 10\/1000\u00b5s.<\/p>\n

Medizinische Anwendungen und Ger\u00e4te befinden sich in aller Regel in Geb\u00e4uden und werden folglich mit der Impulsdefinition von 1,2\/50\u00b5s und 8\/20\u00b5s f\u00fcr die Stromversorgung getestet.<\/p>\n

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Impulsform f\u00fcr die Leerlaufspannung in Energienetzen: 1,2\/50\u00b5s (IEC61000-4-5)<\/em><\/p>\n

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Impulsform f\u00fcr den Kurzschlussstrom in Energienetzen 8\/20\u00b5s Kurzschlussstrom (IEC61000-4-5)<\/em><\/p>\n

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\u00dcber den Scheitelwert der Leerlaufspannung werden nun die verschiedenen Pr\u00fcfsch\u00e4rfegrade festgelegt. Die IEC 61000-4-5 definiert Werte f\u00fcr vier verschiedene Sch\u00e4rfegrade. Welcher Sch\u00e4rfegrad f\u00fcr ein Ger\u00e4t zugrunde gelegt wird, h\u00e4ngt von unterschiedlichen Faktoren ab und wird in der entsprechenden Produktnorm der elektrischen Ger\u00e4te spezifiziert. In der Medizintechnik ist dies die EMV-Sicherheitsnorm IEC 60601-1-2 in der 4. Edition. Elektroger\u00e4te der Schutzklasse II, die in Geb\u00e4uden eingesetzt werden, m\u00fcssen eine St\u00f6rfestigkeit gegen Sto\u00dfspannungen des Sch\u00e4rfegrads 3 aufweisen. Dies gilt auch f\u00fcr medizinisch-elektrische Ger\u00e4te, sowohl im Krankenhausumfeld als auch in der sogenannten Home Healthcare-Umgebung.<\/p>\n

Da die Sto\u00dfspannung sowohl zwischen Versorgungsleitungen als auch zwischen Versorgungsleitungen und Erde auftreten kann, existieren neben den unterschiedlichen Spannungsh\u00f6hen auch unterschiedliche Arten der Einkopplung:<\/p>\n