®
Bodensensoren vor Blitzschlag schützen.

Bodensensoren vor Blitzschlag schützen.

Wie Sie Ihre Bodensensoren vor Blitzschlag schützen.

Bei einem Blitzeinschlag entstehen immer elektromagnetische Impulse, elektrostatische Impulse und Erdstromübergänge.

Elektromagnetische Impulse sind durch das starke Magnetfeld bedingt, das durch den kurzfristigen Stromfluss im Blitzschlag gebildet wird. Kurzfristig fließt der Strom mit 510 kA pro Mikrosekunde und erzeugt dabei sehr große Magnetfelder. Diese temporären Magnetfelder induzieren dann Spannungen an Drähten und Kabeln.

Elektrostatische Impulse entstehen durch elektrostatische Felder im Zuge eines Gewitters. Jedes Kabel, das sich während eines Gewitters über der Erde befindet, ist dem elektrostatischen Feld ausgesetzt und wird elektrisch aufgeladen. Bei einem Blitzschlag finden schnelle Ladungs-Änderungen sowohl in den Wolken als auch in der Erde statt. Die Ladung innerhalb des Kabels muss deshalb entladen oder neutralisiert werden. Ansonsten werden Isolierungen und Komponenten zerstört, die mit dem Kabel verbunden sind.

Erdstromübergänge sind die direkte Folge des Neutralisationsvorgangs, der unmittelbar auf das Ende eines Blitzschlags folgt. Die Neutralisation wird dabei durch die Umverteilung der elektrischen Ladung entlang der Erdoberfläche gewährleistet. Erdstromübergänge erzeugen eine Verschiebung des Potentials, also eine schnelle Spannungsänderung, die bei unzureichenden Erdungspunkten zu Hochspannung führt, oftmals auch als „Ground-Bounce“ bezeichnet.

Gleichtakt- und Differenzspannung

Stellen Sie zwei isolierte Drähte auf dem Boden vor, die von einem Punkt zum anderen führen. Keiner der Drähte ist mit der Erde oder einem elektrischen Gerät verbunden. Die beiden Kabel nehmen einen ähnlich Weg aber nicht genau denselben: manchmal befinden sie sich sehr dicht nebeneinander, an einer anderen Stelle sind sie leicht voneinander getrennt. Schlägt ein Blitz in der unmittelbaren Umgebung der Drähte ein, sind auf den Leitern zwei grundlegende Spannungsformen vorhanden.

Gleichtaktspannung: Diese Spannungsart wird zwischen einem der beiden Drähte und der Erde (Masse) gemessen. Sie ist in fast allen Installationen die höhere der beiden Spannungstypen und wird durch Sekundärkräfte während des Blitzeinschlages erzeugt. Bei einem Test hat ein Blitzeinschlag in 5 km Entfernung eine 80 V Gleichtaktspannung auf einem isolierten Kabel erzeugt – mehr als genug, um die angeschlossenen elektrischen Geräte zu beschädigen.

Differenzspannung: Zusätzlich zur Gleichtaktspannung, die durch den Blitzeinschlag entsteht, wird eine Differenzspannung induziert. Sie beschreibt den Spannungsunterschied zwischen den beiden Drähten. Im einfachsten Fall entsteht sie durch den Unterschied der Führung beider Drähte. Sie kann aber auch durch andere Faktoren entstehen.

Techniken für den Überspannungsschutz.

Überspannungsschutzkomponenten sorgen für einen vorübergehenden Kurzschluss der Spannung in zwei Drähten, mehreren Geräten oder dem Boden. Sie findet immer dann statt, wenn die Spannung zwischen zwei Objekten einen vorgegebenen Wert überschreitet. Sobald diese Entladung stattgefunden hat, beendet der Überspannungsschutz den Mechanismus und der normale Schaltungsbetrieb wird fortgesetzt.

Differenzspannungen sind aus zwei Gründen relativ einfach zu unterdrücken. Der erste Grund ist, dass diese Spannung im Vergleich zur Gleichtaktspannung relativ niedrig ist. Auf der anderen Seite gibt es zahlreiche Low-Cost-Geräte, um diese Spannung zu reduzieren. Die meisten Gerätehersteller legen einfach ein Überspannungsschutz zwischen den Leitern ein. Wird ein vorgegebener Wert erreicht, wird die Differenzspannung automatisch ausgeglichen. Gibt es mehrere Leiter in einem Mehrleiterkabel gibt, können mehrere Überspannungsschutze vernetzt werden, um jegliches Spannungspotential zwischen den Leitern zu entladen. Je niedriger die Spannung und Leistungsstufe des Gerätes, desto günstiger ist immer auch der Überspannungsschutz.

Gleichtaktspannung ist dagegen deutlich schwerer zu unterdrücken, weil sie i.d.R. deutlich höher ist als die Differenzspannung. Die Belastbarkeit des Überspannungsschutzes muss also ebenfalls höher sein. Um die Gleichtaktspannung zu entladen, wird der Überspannungsschutz zwischen dem Draht und dem Boden platziert. Geräte, die die Gleichtaktspannung effektiv entladen müssen, sind immer ausgesprochen robust. Wird die Gleichtaktspannung, also die Spannung zwischen Draht und Erde (Masse) nicht entladen, zerstört sie jede Komponenten, die nicht standhalten kann. Daher beeinträchtigt die Gleichtaktspannung im Allgemeinen die Produktsicherheit am stärksten. Eine schlechte Erdung ist oftmals die Ursache von Schäden und Ausfällen

Ohne robuste Erdung kein Schutz vor Blitzeinschlägen.

Eine robuste Erdung ist notwendig, um Gleichtaktspannungen zu entladen und Geräteschäden zu vermeiden. Dies gilt insbesondere für Netzwerke von Kabeln und Geräten, die über eine größere Distanz verbunden sind. Je größer der Abstand zwischen den Geräten, desto größer die die Gefahr von Überspannungen. Je komplexer das gesamte Netzwerk ist, desto wichtiger ist also auch die Installation eines robusten Erdungssystems. Weil Überspannungsströme additiv sein können wird ein robustes Erdungssystem umso wichtiger, um wertvolle technische Geräte gegen einen oder mehrere Blitzeinschläge zu schützen. Kombiniert man Systeme und Netzwerke ist eine niederohmige Masseverbindung notwendig – als Teil des Erdungssystems. Erdungsbänder oder Drähte müssen groß genug sein, um die Entladung aller Stoßströme zu erleichtern. Hochohmige Erdungssysteme, die typischerweise aus kleinen Messdrähten gefertigt sind, entladen den kombinierten Strom während der Überspannung nicht. Unsere Erfahrung zeigt: Es sollte niemals davon ausgegangen werden, dass bei herkömmlichen Netzwerken von einzelnen elektrischen Geräten immer auch ein gutes Erdungssystem vorhanden ist. Jedes einzelne Gerät sollte daher eine eigene Erdung haben. Hierfür reicht eine Stange aus leitendem Material, die in die Erde getrieben wird. Die Erdungsbänder müssen dann lediglich mit der Stange verbunden werden.

So schützen Sie Ihre Bodensensoren.

METER-Bodensensoren verfügen über eingebaute Schaltkreise, die sie vor den üblichen Überspannungen schützen. Installieren sie die Sensoren allerdings in Umgebungen, wo Gewitter besonders auftreten, müssen Sie besondere Vorsichtsmaßnahmen treffen. Auch dann, wenn Sie Ihre Sensoren an einen gut geerdeten ZENTRA ZL oder Campbell Scientific Logger anschließen. Verwenden Sie, wie bereits erwähnt, einen einzelnen Grundpunkt für das jeweilige Datenloggersystem. Treiben sie einen leitfähigen Stab in die Erde. Achten Sie darauf, dass der Stab nicht aus einem Material besteht, das korrodiert (wie z.B. Edelstahl). Manchmal wird Betonstahl verwendet, der kann aber Rosten und weist einen Widerstand zum Boden auf. Weit entfernte Sensoren benötigen einen widerstandsarmen Weg zum Ableiter, der nicht durch die Sensoren geht. Durch die Installation von Erdungsstäben in der Nähe der Sensoren und einer Verbindung mit separatem #6 AWG Kupferdrahte zum zentralen Erdungsstab werden Erdstromübergänge von nahe gelegenen Blitzeinschlägen minimiert, so dass Spannungsspitzen an Sensoren reduziert werden. Die folgenden Abbildungen zeigen zwei Konfigurationen mit entsprechender Erdung in blitzschnellen Bereichen.

Abbildung 1. Bodenstäbe in der allgemeinen Umgebung von Sensorgruppen sind mit einer zentralen Erdungsstange verbunden, an der der Datenlogger geerdet ist. Die Erdungsstäbe sollten mindestens 2 Meter in den Boden getrieben werden und mit der zentralen Erdung durch #6 AWG Kupferdraht verbunden werden.

 

Abbildung 2. Ist das Blitzrisiko hoch, sollten in der Nähe jedes Sensors Bodenstäbe installiert werden. Wie in Abbildung 1. werden Bodenstab und zentrale Erdung zum Datenlogger mit #6 AWG Kupferdraht verbunden.

 

3 MESSWERTE AUF EINMAL. GEHT DOCH!

Der ECH2O 5TE der METER Group liefert Ihnen einfach und schnell drei essentielle Bodenmessgrößen: die elektrische Leitfähigkeit, den Volumetrischen Wassergehalt und die Bodentemperatur.

HIGH TECH, DIE KEINE ZEIT KOSTET.

Sparen Sie sich Zeit sparen und machen Sie sich die Arbeit deutlich einfacher. Verlassen Sie sich auf den EM60G Datenlogger und damit auf ein einfaches Setup und ein robustes Design.