Blitz- / Überspannungsschutz von Funkanlagen
Zu den häufigsten Ausfallursachen hochempfindlicher elektrischer Anlagen (hierzu zählen auch Funk- bzw. Amateurfunkanlagen) gehören Überspannungen, verursacht durch Schalthandlungen, atmosphärische Entladungen und elektrostatische Entladungen.
Mit speziellen Schutzmaßnahmen und gezieltem Einsatz von Uberspannungsschutzgeräten, kann dieser Gefahr vorgebeugt werden.
1. Prinzipieller aufbau einer Funkanlage
Jede Funkanlage besteht aus dem Funkgerät, evtl. in Verbindung mit einer Steuereinheit (CPU) für die Rotorsteuerung, Leistungsverstärker und/ oder Empfangsverstärker, sowie der eigentlichen Antennenanlage. Hierbei unterscheidet man den Antennenträger auf dem Dach eines Gebäudes (Bild 1) von einem freistehenden Antennenträger (Bild 2). Es ist unerheblich, welche und wieviele Antennen auf dem Antennenträger angebracht sind.
Bild 1: Blitzschutz einer Sende-,Empfangsanlage. Aufbau auf dem Dach
Bild 2: Blitzschutz einer Sende-'Empfangsanlage. Aufbau auf einem Tower
2. Erdung einer Antennenanlage
DIN VDE 0855, Teil 1 /1, 2/, verlangt den Anschluß des Antennenstandrohres an die Erdungsanlage über eine Erdungsleitung aus Kupfer mit 16 mm' Querschnitt (Bild 3). Diese Maßnahme ist ausschließlich eine Erdungsmaßnahme und bietet keinen Personen- und Sachschutz bei Blitzeinwirkungen.
Bild 3: Erdungs- und Potentialausgleich von Antennen mit Verstärkeranlagen
2.1. Erdung der Antennenanlage auf einem Gebäude
Befindet sich die Antennenanlage auf einem Gebäude ohne äußeren Blitzschutz, so ist es vorteilhaft, die Erdleitung vom Antennenstandrohr über Dach und Außenwand hinweg zu führen, und im Erdboden an einen Staberder (Mindestlänge 1,5 m), Banderder (Mindestlänge 3 m) bzw. wenn vorhanden, an die herausgeführte Anschlußfahne des Fundamenterders anzuschließen.
Ist auf dem Gebäude ein äußerer Blitzschutz, gemäß DIN VDE 0185 (3) vorhanden, so ist das Antennenstandrohr auf kürzestem Wege mit der vorhandenen Fangeinrichtung/Ableitung zu verbinden. Als Querschnitt sind die üblichen Blitzableiterdrähte mit Ø 8 mm aus Stahl, Kupfer oder Aluminium zu verwenden.
2.2. Erdung der Antenne bei einem freistehenden Antennenträger
Es gibt Antennenträgermaste aus Holz, Stahl (Rohr oder Gittermast) und Stahlbeton. Im Regelfall kann davon ausgegangen werden, daß die Mastspitze mit einer metallenen Antennentragwerks-Konstruktion versehen ist. Diese Tragwerks-Konstruktion dient gleichzeitig als Fangvorrichtung für Blitze und muß über eine Ableitung mit der Erdungsanlage verbunden werden. Im Falle eines Stahlmastes erübrigt sich die Ableitung, doch ist am Mastfuß eine Verbindung mit der Erdungsanlage vorzunehmen. Bei der Verwendung von Antennenträgern aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) sollte parallel zum GFK-Mast vom Antennenträger zur Erdungsanlage eine Ableitung verlegt werden, urn den Koaxschirm vom Blitzteilstrom zu entlasten.
Bei drehbar gelagerten Antennenanlagen sollte der Antennenrotor flexibel überbrückt werden. Es ist darauf zu achten, daß die Drehbewegung mechanisch nicht behindert wird.
3. Schutzkonzept
Auch bei vorschriftsmäßiger Erdung der Antennenanlage besteht kein Schutz gegen Überspannungen bei direktem Blitzeinschlag bzw. bei nahem Blitzeinschlag. Das sich rasch ändernde magnetische Feld des Blitzstromes induziert in allen Leiterschleifen Überspannungen. Solche Schleifen entstehen z.B. im Zusammenwirken von Antennenerdungsleitung, -zuleitung, Rotor-Steuerleitungen und Starkstromleitung.
Von einem Funkgerät aus gesehen, liegen Antennen- und Netzanschluß an den Enden einer offenen Induktionsschleife, die eine Fläche von veielen m2 umfassen kann (Bild 4). In diese Schleifen werden bei einem Direkteinschlag und auch bei einem Blitzeinschlag in die nähere Umgebung mehrere 10 000 V bis einige 100 000 V Überspannung induziert, die zur Zerstörung des Funkgerätes und/oder der Zusatzgeräte führen.
Bild 4: Schleifenbildung durch getrennte Netze
Das Schutzkonzept, das Funkgeräte auch bei direkten Blitzeinschlägen in die Antenne schützt, sieht folgende Maßnahmen (Bild 1 und 2) vor:
- Das Standrohr der Dachantenne bzw. bei einem freistehenden Antennenträger, die metallene Tragwerkskonstruktion, müssen blitzstromtragfähig an die Potentialausgleichsschiene bzw. die Erdungsanlage angeschlossen werden. Es ist ein Querschnitt von 16 mm2 Kupfer zu verwenden.
- Der Schutzleiter des Netzes (PE) muß an die Potentialausgleichsschiene bzw. die Erdungsanlage unter Beachtung DIN VDE 0100 und DIN VDE 0800, Teil 2 /4, 5/, angeschlossen werden.
- Es werden Überspannungsschutzgeräte eingesetzt (6), die das Schwachstrom- und das Starkstromnetz im Falle einer Störeinkoppelung vorübergehend verbinden (Schutz-Bypass) sowie eine kurzzeitige Verbindung zur Erdungsanlage schaffen.
Die Spannungsanhebung der Funkanlage als Folge eines eingekoppelten Blitzstromes kann grundsätzlich nicht verhindert werden, jedoch lassen sich zu hohe Potentialdifferenzen durch den gezielten Einsatz von Schutzgeräten vermeiden.
Folgende Schutzgeräte können hier eingesetzt werden:
- Einsatz eines Blitzstromableiters bei Gebäudeeintritt der Starkstromleitung bzw. in die Verteilung des energietechnischen Netzes (z.B. Dehnventil, VGA 280) Bild 5 (7).
- Überspannungsableiter unmittelbar in die Netzzuleitung vor der zu schützenden Funkanlage (z.B. VM 280 Protector-NSM oder auch S-Protector) Bild 6 (7).
- Überspannungsschutzgerät, in die Rotorsteuerleitung unmittelbar vor der Steuereinheit (CPU) (z.B. Blitzductor KT) Bild 7 (7).
- Überspannungsschutzgerät in die Koaxleitung unmittelbar am Funkgerät (z.B. LPN, LPU, LPB oder ÜGK) (7).
- Bei einer größeren Distanz zwischen Funkgerät und freistehender Antennenanlage sind zusätzlich noch Schutzgeräte in die Leitungen am freistehenden Antennenträger einzusetzen.
Bild 5: 4-poliger Blitzstromabielter DEHNVENTIL®, Typ VGA 2804
Bild 6: Überspannungsableiter in Modulbreite, Typ VM280FM, mit Fernmeldekontakt
Bild 7: BLITZDUCTOR® KT, Typ LD, für Rotorsteuerleitung
Bild 8: Überspannungsgeräte für 50-Ω-Koax-Kabel
| Anschluß | BNC | N | UHF |
|---|---|---|---|
| Schutzpegel bei isN | ca. 2 kV | ca. 600 V | |
| Nennableitstoßstrom (8/20) | 15 kA | 5 kA | |
| Frequenzbereich bis | 800 MHz | 1,5 GHz | 800 MHz |
| max.Übertragungsleistung | 5000 W | 2000 W | |
| Rückflußdämpfung | ≥ 20 dB | ||
| Einfügungsdämpfung | < 0,5 dB | ||
Die Auswahl richtet sich hier nach der entsprechenden Anschlußnorm, Typ BNC, N oder UHF (Bild 8).
Teilweise sind die Schutzgeräte fernspeisetauglich.
4. Zusammenfassung
Mit dem hier vorgestellten Blitz- und Überspannungsschutzkonzept ist es möglich, Funkanlagen, auch bei direkten Blitzeinschlägen, -ferneinschlägen und elektromagnetisch eingekoppelten Überspannungen, wirkungsvoll zu schützen.
5. Literatur
- DIN VDE 0855, Teil 1: Erdung von Antennenanlagen VDE-Verlag GmbH, Berlin
- Druckschrift Nr. 307: Die Erdung von Antennen nach DIN VDE 0855/Teil 1 Firma Dehn + Söhne, Neumarkt
- DIN VDE 0185, Teil 1: Blitzschutzanlage VDE-Verlag GmbH, Berlin CEI IEC 1024-1/03.90: Protection of structures against lightning Part 1: General Principles International Electrotechnical Commission, 3, rue de Varembe, 1211 Geneva 20, Switzerland
- DIN VDE 0185, Teil 100/Entwurf 10.87: Festlegungen für den Gebäudeblitzschutz Allgemeine Grundsätze
- DIN VDE 0100, Teil 540 und 410: Erdungen, Schutzleiter, Potentialausgleich und allgemeine Schutzmaßnahmen VDE-Verlag GmbH, Berlin
- DIN VDE 0800, Teil 2: Erdung und Potentialausgleich VDE-Verlaq GmbH, Berlin
- DIN VDE 0845, Teil 1: Maßnahmen gegen Überspannungen VDE-Verlag GmbH, Berlin
- Dehn + Söhne, Katalog UE'93 Uberspannungsschutz
Dipl. -Ing. (FH) Klaus-Peter Müller