Ausfallsicherheit von Mobilfunkanlagen bei Blitz- und Überspannungsereignissen

Blitzstromaufteilung messen

Blitzeinschläge in Funkanlagen haben nicht selten fatale Auswirkungen. Blitz- und Überspannungsschutzkonzepte reduzieren dieses Risiko erheblich. Ob ein Konzept ausreichend, über- oder unterdimensioniert ist, lässt sich mit Hilfe moderner Messtechnik leicht verifizieren.
 Blitzeinschläge in Mobilfunkanlagen sind keine Seltenheit - mit häufig fatalen Auswirkungen auf die installierte Technik und somit auf die Verfügbarkeit der Mobilfunkzelle.
Blitzeinschläge in Mobilfunkanlagen sind keine Seltenheit – mit häufig fatalen Auswirkungen auf die installierte Technik und somit auf die Verfügbarkeit der Mobilfunkzelle.Bild: ©Von Gutzemberg/shutterstock.com

Industrie 4.0, vernetzte Fahrzeuge, autonomes Fahren – das sind nur einige der Schlagworte, die schon heute zeigen, wie die Zukunft aussehen wird. Die Trends sind allgegenwärtig und beschäftigen Forschung und Industrie gleichermaßen. Als technologische Basis dafür fungiert vor allem der Mobilfunkstandard 5G. Dabei ist 5G nicht nur ein Generationswechsel in der Mobilfunktechnik, sondern eine ganz neue Qualität, die den Einfluss mobiler Anwendungen auf Wirtschaft und Gesellschaft grundlegend verändern wird. Aufgrund der Vielzahl an Applikationen sowie der enormen Menge an Endgeräten im Netz, werden die Datenströme anschwellen und der Transport der Datenmassen wird eine maßgebliche Rolle spielen, bei der 5G seine eigentlichen Stärken ausspielen kann.

Mit diesen neuen Möglichkeiten stehen die Betreiber solcher Netze aber auch vor neuen Aufgaben und Herausforderungen. Damit die neue Technologie und die darauf aufsetzenden Anwendungen reibungslos funktionieren, bedarf es einer hochverfügbaren Infrastruktur mit einer globalen Netzabdeckung. Aufgrund der Dynamik der Anforderungen an derartige Infrastrukturen, investieren Betreiber derzeit massiv in die 5G-Architektur. Generell erfahren Funkanlagen regelmäßig Veränderungen in Form von Nachrüstungen oder Anpassungen. Nicht nur die Systemtechnik selbst, auch die Infrastruktur wird stetig an die neuen Anforderungen angepasst. Dies trifft auch auf das Blitzschutzsystem zu. Dabei wird unterschieden zwischen äußerem und innerem Blitzschutz.

 Schutz für innen und außen: Die für eine Mobilfunkanlage relevanten Blitzschutzzonen haben unterschiedliche Eigenschaften.
Schutz für innen und außen: Die für eine Mobilfunkanlage relevanten Blitzschutzzonen haben unterschiedliche Eigenschaften.Bild: Phoenix Contact GmbH & Co. KG

Schutzmaßnahmen und Blitzschutzzonen-Konzept

Um eine Funkanlage umfassend vor den Auswirkungen von Blitzeinschlägen und Überspannungen zu schützen, bedarf es mehrerer aufeinander abgestimmter Schutzmaßnahmen und -vorrichtungen. Diese können wie folgt untergliedert werden: @Findex_Legende:

  • Äußerer Blitzschutz
  • Innerer Blitzschutz
  • Erdung und Potentialausgleich
 Rechtzeitige Planung: Schon während der Einteilung der Blitzschutzzonen werden die Installationsorte für den Blitz- und Überspannungsschutz festgelegt.
Rechtzeitige Planung: Schon während der Einteilung der Blitzschutzzonen werden die Installationsorte für den Blitz- und Überspannungsschutz festgelegt.Bild: Phoenix Contact GmbH & Co. KG

SPD: Koordiniertes System von Blitz- und Überspannungsschutzgeräten

Das äußere Blitzschutzsystem hat die Aufgabe, die zu schützende Anlage gegen direkte Blitzeinschläge zu schützen. Dabei soll vor allem gefährliche Funkenbildung vermieden sowie thermische, magnetische oder elektrische Wirkungen ausgeschlossen werden. Es besteht aus Fangeinrichtung(en) und Ableitung(en) sowie der Erdungsanlage.

Das innere Blitzschutzsystem soll eine für Personen, Gebäude oder Technik gefährliche Funkenbildung innerhalb der Anlage verhindern. Dies geschieht durch Blitzschutz-Potentialausgleich sowie durch die Einhaltung von Trennungsabständen. Die Erdungsanlage hat die Aufgabe, den zur Erde abgeleiteten Blitzstrom im Erdreich zu verteilen. Der Potentialausgleich hingegen verbindet alle elektrisch leitfähigen Teile miteinander, um auf diese Weise große Spannungsunterschiede zu verhindern. Aktive Leiter werden dabei mittels SPDs (Surge Protective Device) in den Potentialausgleich eingebunden.

Unter einem koordinierten SPD-System versteht man ein mehrstufiges, aufeinander abgestimmtes System von Blitz- und Überspannungsschutzgeräten. Dabei wird der Gefährdungspegel am jeweiligen Anlagenteil auf ein für das dort installierte Equipment verträgliches Niveau reduziert. Die Einbauorte von SPDs innerhalb der Installation einer Funkanlage werden durch das sogenannte Blitzschutzzonen-Konzept bestimmt, welches sich an der Blitzschutz-Norm IEC 62305-4 orientiert.

Dabei wird die Anlage in Blitzschutzzonen (LPZ – Lightning Protection Zone) unterteilt, und zwar von außen nach innen mit abnehmendem Gefährdungspegel. So können in den äußeren Zonen nur unempfindliche Betriebsmittel verwendet werden, in der inneren Zone hingegen auch empfindliches Equipment. Die einzelnen Zonen einer Mobilfunkanlage können dabei charakterisiert und benannt werden.

Die Frage, ob alle Schutzmaßnahmen erfolgreich und effektiv umgesetzt sind, lässt sich häufig nur schwer beantworten. Je nach Komplexität der Anlage müssen verschiedene Bereiche berücksichtigt werden. Dazu zählen zum Beispiel die Stromversorgung sowie Mess-, Steuer- und Regelkreise – aber auch Bestandteile der Informationstechnik selbst und des Sende- und Empfangsequipments. Häufig hilft es, gedanklich einen Schutzkreis um das zu schützende Objekt zu ziehen und alle Stellen, an denen Leitungen diesen Kreis schneiden, mit entsprechenden Schutzmaßnahmen zu beschalten.

Ob eine Schutzmaßnahme erfolgreich gewirkt hat, lässt sich häufig nicht beurteilen. Lediglich das Ausmaß einer nicht funktionierenden oder unterdimensionierten Schutzmaßnahme wird bei einem entsprechenden Ereignis deutlich. Ausfälle von einzelnen Komponenten oder gar der gesamten Anlage sind die Folge. Schleichende Alterungsprozesse von Anlagenbauteilen und Komponenten verschlechtern ebenfalls die Verfügbarkeit der Gesamtanlage. Ziel muss es sein, durch geeignete messtechnische Verfahren Informationen von der Anlage zu erhalten, um diese sowie Anlagen des selben Typs anpassen und präventiv handeln zu können – noch bevor es zu einem Ausfall kommt. Hier setzt ImpulseCheck von Phoenix Contact an.

 Integration in eine Kundenanlage mit vorhandenem SPD vom Typ 1+2: Durch den geringen Platzbedarf lässt sich ImpulseCheck einfach in die vorhandene Anlage integrieren.
Integration in eine Kundenanlage mit vorhandenem SPD vom Typ 1+2: Durch den geringen Platzbedarf lässt sich ImpulseCheck einfach in die vorhandene Anlage integrieren.Bild: Phoenix Contact GmbH & Co. KG

Messdaten erfassen und auswerten

ImpulseCheck ist ein Assistenzsystem für Blitz- und Überspannungsschutzgeräte, das aus dem Impulsmessgerät selbst, den Sensoren und der Applikation ImpulseAnalytics in der Proficloud von Phoenix Contact besteht. Es verfügt über eine Echtzeitmessung von Stoßströmen und transienten Überspannungen. Je nach Positionierung der Sensoren liefert ImpulseCheck verschiedene Information über die Anlage. Zum einen besteht die Möglichkeit der Überwachung der SPDs. Dabei werden die Sensoren direkt auf die aktiven Leiter des SPD montiert.

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