Überspannungsschutz für Telekommunikation

Die modernen Computer und Netzwerke werden nicht nur immer kleiner und empfindlicher sondern auch immer wichtiger für den täglichen Ablauf. Während noch vor einigen Jahren Computerausfälle mit einem Lächeln hingenommen wurden, stehen jetzt komplexe Prozesse still, wenn eine wichtige Netzwerkkomponente ausfällt. Dabei sind die Schutzvorrichtungen für die modernen Systeme extrem gut ausgebaut. So gibt es auf dem Bereich der Software Schutz über Verschlüsselungen, Firewall-Technik und Spam-Filter. Auch für den eventuellen Stromausfall werden Vorkehrungen getroffen. Serverkomponenten werden mit leistungsfähigen unterbrechungsfreien Stromversorgungen (USV) an das Stromnetz angeschlossen. Trotzdem kommt es immer wieder zu Ausfällen. Gerade der Anschluss für Telekommunikation ist für Unternehmen extrem wichtig.

Hier wird nicht nur die Telefon- uns Faxverbindung sichergestellt, sondern auch die immer wichtiger werdende Anschluss zum Internet über DSL. Größte Gefahr für den Telekommunikationsanschuss NTBA geht von der Überspannung aus, die auf der Zugangsleitung entstehen kann. Da der Anbieter finanziell keinen Überspannungsschutz für alle Zugänge bieten kann, sind die Betreiber selbst für den Schutz verantwortlich.

Blitzschutz

Eine der Hauptursachen für Überspannungen sind Blitzeinschläge. In Deutschland werden pro Jahr etwa eine Millionen Blitzeinschläge registriert. Besonders wichtige oder gefährdete Gebäude werden daher mit Blitzschutzsystemen ausgerüstet. Dazu gehört der äußere Blitzschutz mit seinen Fangleitungen, Ableitern und Erdern sowie der innere Blitzschutz. Der innere Blitzschutz umfasst alle Maßnahmen gegen die Auswirkungen des Blitzstroms. Dazu gehören hauptsächlich der Potentialausgleich und der Überspannungsschutz.

Wie der Blitzschutz aufgebaut werden muss, ist in der DIN-Blitzschutznorm VDE 0185 beschrieben. Nach den VDE Normen wird der Blitzschutz in verschiedene Bereiche eingeteilt. Man benutzt dazu das Modell eines Hauses und geht von Außen nach Innen mit der Einteilung der Schutzzonen vor (siehe Bild 1). Die Zone 0 liegt außerhalb des Gebäudes. Sie wird noch mal unterteilt in Zone 0A und Zone 0B, wobei die Zone 0B den Bereich beschreibt, der durch eine Blitzschutz-Fangeinrichtung abgedeckt ist. Die Zone 1 befindet sich allgemein im inneren des Gebäudes. Die Zone 2 existiert nur in komplett abgeschirmten Räumen, wie sie für Technik- oder Serverräume sinnvoll wären. In der kleinsten Einheit befindet sich die Zone 3. Das sind dann die zu schützenden Systeme selbst oder Schranksysteme mit der hochwertigen Technik.

Schutzmaßnahmen werden immer an den Übergängen von einer Zone in die nächste Zone notwendig. Für den Anschluss der Telekommunikation ist das erste Gerat in der Regel der Netzabschluss NTBA. Er sitzt am Übergang der Zone 0 zur Zone 1 und sollte dort auch gesichert werden, unabhängig von weiteren Maßnahmen im Inneren des Gebäudes.

In der VDE Blitzschutznorm ist festgelegt, dass ein äußerer Blitzschutz mit der Erdung und dem Potentialausgleich des Gebäudes verbunden werden muss. Im Falle eines Einschlags von angenommenen 10.000 Volt wird etwa die Hälfte in das Erdreich abgeleitet. Die andere Hälfte wird kurzzeitig über den Potentialausgleich in das Haus geleitet. Damit liegen an den Geräten fast 5.000 Volt an. Daher sollte in jedem Gebäude mit äußerem Blitzschutz unbedingt auch der innere Blitzschutz konsequent ausgeführt werden.

Überspannungsschutz

Wer keinen äußeren Blitzschutz hat, sollte seine EDV-Systeme trotzdem gegen Überspannungen schützen. Die Überspannungen können auch wieder durch Blitzeinschläge in der Nähe ausgelöst. Durch kapazitive und induktive Wirkungen der extrem hohen Blitz-Spannungen werden in den Metallteilen in der Umgebung von 1500 Metern immer noch gefährlich hohe Spannungen erzeugt. Aber auch durch Schaltvorgänge im Mittel¬spannungsnetz oder im eigenen Hausnetz können gefährliche Spitzenspannungen in der Stromversorgung auftreten. So treten in Leitungen neben Leuchtstoffröhren oder beim Einschalten vom Lüftermotoren Spannungen bis zu 20.000 Volt auf. Gegen diese Überspannungen gibt es wirksamen Schutz, der überschaubar und preiswert ist.

Da einige Geräte der modernen Netzwerktechnologie schon sehr preiswert zu bekommen sind, macht es nicht in jedem Fall Sinn, diese Bereiche mit Überspannungsschutz auszurüsten. Die Entscheidung, welche Systeme geschützt werden sollten, basiert auf 3 Schwerpunkten:

• Anlagenteile, die eine besondere Gefährdung darstellen, sollten geschützt werden. So sind Außenantennen, lange Datenleitungen und Leitungen in der Nähe von hohen Energieübertragungen besonders gefährdet.
• Systeme, die besonders teuer in der Anschaffung sind, sollten immer gegen Überspannung gesichert werden. Das können Super-Computer, Spezialanfertigungen oder Hochleistungs-Netzwerkrouter sein.
• Unabhängig von Preis und Gefährdung sollten Systeme, deren Funktion von besonderer Bedeutung ist, gesichert werden. Komponenten, die das Kerngeschäft der Firma bilden oder auch nur die Telefonanlage, die im Falle eines Ausfalls das tägliche Geschäft extrem behindern.

Genau wie beim Blitzschutz muss auch bei dem Überspannungsschutz darauf geachtet werden, dass alle Zugänge zum System abgesichert werden. Sobald ein Zugang vergessen wird, treten automatisch dort die Spannungsdifferenzen auf, die das System zerstören können. Neben der allgemeinen Stromversorgung des Gerätes sollte also immer die Netzanbindung mit in die Schutzbetrachtung einbezogen werden.

Bei der Errichtung des Überspannungsschutzes ist es wichtig darauf zu achten, dass die Ableitung der Überspannung immer gewährleistet ist. Die Ableitung erfolgt immer zum Potentialausgleich des Gebäudes, der wiederum mit dem Fundamenterder verbunden ist. Da der Schutzleiter der Stromversorgung am Potentialausgleich angeschlossen sein muss, wird die Überspannung in vielen Fällen über den Schutzableiter abgebaut. Dazu sind besonders die Kombi-Adapter geeignet, die in die Steckdose eingesetzt werden und gleichzeitig die Datenleitung sichern.

Technische Daten

Da der reelle Blitz jedes mal mit völlig unterschiedlichen elektrischen Werten auftritt, hat man Blitzschutz- und Überspannungsschutz-Adapter anhand eines vorgegebenen Prüfstroms definiert. Der Prüfstrom ist als Impuls mit einem Maximalstrom Imax und der elektrischen Ladung Q definiert (siehe Bild). Die genaue Definition ist in der DIN-Norm VDE 0185 Teil 1 enthalten.

Für Blitzstrom- und Überspannungsableiter sind unterschiedliche Impulse definiert. Der Stromstoß für Blitzstrom erreicht seinen maximalen Wert nach 10µs. Auf der abfallenden Flanke soll der Wert nach 350µs auf 50% des Maximalstroms abgefallen sein. Die Ladung ergibt sich aus Strom mal Zeit, was in der Grafik der Fläche unter der Kurve entspricht. Für Überspannungs-Ableiter sind der Maximalstrom nach 8µs und der halbe Maximalstrom nach 20µs vorgeschrieben. In den Datenblättern werden daher die Stromstöße Imax mit dem Zusatz (10/350) oder (8/20) entsprechend des Prüfimpulses angegeben.

Der maximale Ableit-Stromstoß ist der wichtigste Parameter des Blitzschutz- und Überspannungsschutz-Adapters. Die weiteren Angaben sind entsprechend dem Einsatzgebiet des Adapters vorgegeben. Neben der Nennspannung und der maximalen Spannung sollte auch der Nennstrom beachtet werden. Als Beispiel sollte ein Überspannungsschutz-Adapter für den Stromzugang eine Nennspannung von 230V (AC) und eine maximale Spannung von 255V angegeben haben. Bei der Angabe von dem Nennstrom von 16A sollten die geschützten Geräte auch nicht mehr Strom verbrauchen.

Telefonabsicherung

Telekommunikationsverbindungen sind neben der energietechnischen Einspeisung die wichtigste Leitungsverbindung nach Außen. Für fast alle Firmen ist diese Schnittstelle überlebenswichtig. Selbst kurze Ausfallzeiten können große Firmenverluste verursachen. Bei der Verlegung der Telefon-Zuleitung werden hauptsächlich praktische Aspekte genutzt. Da kommt es oft vor, dass die Leitungen parallel zu Starkstromkabeln verlegt werden. Ein wirksamer Schutz vor Überspannung wird aus Kostengründen nicht installiert. Daher sollte das Telefonsystem immer vom Betreiber selbst geschützt werden.

Der Schutz kann bereits direkt am Eingang in das Gebäude realisiert werden. Ein NT-Protektor sichert sowohl die Stromzufuhr als auch den ISDN-Zugang über die Uk0-Schnittstelle. Die auftretenden Überspannungen sowohl auf der Energieseite als auch auf der Telefonseite werden über den Schutzkontakt der Steckdose an den Potentialausgleich abgegeben. Das ist die sicherste Methode das gesamte Telefonsystem vor Überspannungen zu schützen. Sobald die Kabellängen 5 Meter nicht überschreiten ist der Schutz des NTBAs vollkommen ausreichend. Da der Anschluss im Verantwortungsbereich des Telefon-Anbieters liegt, sollte der Adapter von der zuständigen Telekom freigegeben sein. Für Anlagen mit Primärmultiplex-Anschluss gibt es entsprechende Adapter für die U2m-Schnittstelle.

Schutzschaltung

Ein Überspannungsschutz muss sehr schnell auslösen und das Gerät so lange schützen, bis die Haussicherung auslöst und das Stromnetz abschaltet. Nach dem Auslösen muss der Schutzkontakt aber weiter die Überspannung ableiten. Das ist besonders für die Datensicherung notwendig.

Für die Ableitung der Überspannung werden verschiedene Bauelemente benutzt:

Varistor

Der Varistor ist ein spannungsabhängiger Widerstand, der nach Erreichen einer Schwellspannung auf einen Widerstand nahe 0 Ohm annimmt. Der Varistor ist gekennzeichnet durch extrem schnelles schalten. Der Widerstand in Normalzustand ist aber nicht unendlich hoch, was gewisse Gefahren durch auftretende Leckströme verursacht. Dieser Leckstrom wird durch die natürliche Alterung des Bauelements weiter erhöht. Empfindliche Fehlerstrom-Schutzschalter (FI-Schalter) können durch diesen Leckstrom bereits auslösen. Bei Netzen, die nicht mit FI-Schaltern gesichert sind, können Berührungsspannungen am Schutzleiter und anderen metallischen Elementen des Hauses auftreten.

Bei längeren Betrieb überhalb des Schwellwertes werden Varistoren extrem heiß. Um sicher zu stellen, dass von den Bauelementen kein Brand ausgeht, werden sie durch träge Sicherungen noch mal abgesichert. In diesem Fall wird das Gerät nicht mehr geschützt, aber ein Brand verhindert, der sicher auch das Gerät zerstört hätte.

Lawinendioden

Lawinendioden sind spezielle Dioden, die in Sperrichtung einen hohen elektrischen Widerstand bilden. Ab einer Schwellwertspannung schlagen die Dioden durch und verringern den Widerstand so auf wenige Ohm. Nach dem Durchschlag sind die Lawinendioden nicht zerstört, sondern weiterhin einsatzfähig. Da die Eigenkapazität der Lawinendioden sehr gering ist, werden sie besonders für den Schutz von Geräten der Telekommunikation oder Computernetzwerke eingesetzt. Die Signale werden somit nicht verfälscht.

Gasentladungs-Ableiter

Ein Gasentladungs-Ableiter besteht aus zwei Elektroden, die in einem Gas gefüllten Raum eingeschlossen sind. Der Widerstand des Gases ist im Normalzustand sehr hoch. Bei Erreichen der Durchschlagspannung wird das Gas ionisiert und ein seht gut leitender Lichtbogen entsteht. Vorteile dieser Ableiter liegen in der relativ hohen Energie, die über den Lichtbogen abgeleitet werden kann sowie im extrem hohen Widerstand unterhalb des Schwellwertes. Sie sind daher ideal zur Absicherung des Schutzleiters. Durch die parallel angeordneten Elektroden besitzen die Gasentladungs-Ableiter eine gewisse Eigenkapazität, die das Signalverhalten auf der Leitung beeinflussen kann.

Gasentladungs-Ableiter können mehrfach auslösen. Je nach Stärke und Dauer der abgeleiteten Überspannungen können sich dabei die Elektroden am Lichtbogen abnutzen. Einige Überspannungsadapter haben daher auswechselbare Gasentladungs-Ableiter.

Stromversorgung

Die Überspannungen im Netz können zwischen Phase (P) und Null-Leiter (N) sowie zwischen Phase und Schutzleiter (PEN) auftreten. Da an der Schutzkontakt-Steckdose nicht festgelegt ist, auf welcher Seite die Phase und Null geschaltet sind, ist die Schutzschaltung immer symmetrisch auszulegen.

Ein sicherer Schutz kann über Varistoren aufgebaut werden. Da die Varistoren aber im Normalzustand einen geringen Stromfluß verursachen, der die so genannten Leckströme erzeugt, sollte der Schutzkontakt nicht darüber abgesichert werden. Der Schutzkontakt wird daher vorzugsweise mit Gasentladungs-Ableiter abgesichert. Bewährt hat sich eine Kombination aus Varistor und Gasentladungs-Ableiter in der so genannten Y-Schaltung.

Der NTBA ist durch eine 2-Draht-Leitung über eine UK0-Schnittstelle mit der Orts¬vermittlungsstelle verbunden. Von dort wird die Phantomspeisung übertragen. Der NTBA wird mit einer Spannung von 100 Volt versorgt. Durch die aufmodulierten Signale können noch mal 8 Volt dazu gerechnet werden, so dass oft bei einer Spannung über 130 Volt erst ausgelöst wird. Der NTBA wird durch eine einfache aber wirksame Schaltung auf den 2 Adern geschützt. Das Gerät wird einmal geschützt, indem die Diodenschaltung bei Überspannung einen Kurzschluss vor dem zu schützenden Gerät verursacht. Die Überspannung wird mit einem 3poligen Gasentladungs-Ableiter über den Schutzleiter und Potentialausgleich zur Erde abgeleitet.

Zusammenfassung

Laut einer Studie der Württembergischen Versicherung AG resultieren 23,7% aller Elektronik-Schäden aus Überspannungen. Die Analyse beruht auf 7370 ausgewerteten Schadensfällen aus dem Jahre 2001. Grund genug, seine EDV-Systeme mal nach diesem Gesichtspunkt zu prüfen. Speziell der Telefonanschluß bietet durch seine Verbindung zur ungeschützten Außenwelt einen Schwachpunkt im System, ist aber gleichzeitig für den Geschäftsprozeß extrem wichtig in der Funktion.