Überspannungsschutz im Local Area Network (LAN)

In Folge von nahe ablaufenden Blitzentladungen treten in verzweigten Installationen, wie sie z.B. durch ein Local Area Networks (LAN) gebildet werden, transiente Ausgleichsvorgänge auf. In vorliegenden Beitrag werden die grundsätzlichen Zusammenhänge bei der Störgrößeneinkopplung, das dabei auftretende Gefährdungspotential sowie die Anforderungen an einen wirksamen und effizienten Schutz beschrieben.

Der zuverlässige Betrieb von zentralen informationstechnischen Strukturen und der zugehörigen Netzwerke gewinnt in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung [1]. In den Unternehmen und Behörden, deren Geschäftstätigkeit in hohem Maße von der Funktion und der Sicherheit ihrer Netzwerke und Geräte der Informationstechnik (IT) abhängig ist, werden vielfältige Sicherheitsvorkehrungen eingerichtet. Während die Daten- und Betriebssicherheit der Systeme immer weiter verfeinert werden, muss im gleichen Zuge auch die physische Funktionssicherheit der eingesetzten Hardware angemessen berücksichtigt werden.

Energiereiche Blitzentladungen sind mit extrem hohen Stoßströmen verbunden, die insbesondere in der Nähe ihrer Ableitungen starke magnetische Felder verursachen. Diese erzeugen in metallenen Installationen und technischen Einrichtungen transiente, d.h. sehr schnell veränderliche Überspannungen und Störströme. Vor allem in den energie- und informationstechnischen Anlagen können eingekoppelte Störgrößen zu Funktionsstörungen, Systemausfällen oder irreversible Zerstörungen bis hin zum Brand führen [2]. Ausgedehnte Installationsschleifen, die in strukturierten Netzwerkverkabelungen zusammen mit weiteren Anschlussleitungen z. B. des Niederspannungsnetzes gebildet werden, stellen in besonderem Maße eine Senke für die Magnetfeldeinwirkung dar. Bemerkenswert ist, dass diese Störungen auch in Gebäuden mit Äußerem Blitzschutzsystem auftreten können.

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Bild: Störgrößeneinkopplung durch das Magnetfeld nahe fließender Blitzteilströme

Durch den Einsatz von Überspannungsschutzeinrichtungen kann im Falle eines Blitzeinschlags gemeinsam mit den unterbrechungsfreien Stromversorgungen (USV) eine sichere Versorgung mit elektrischer Energie erreicht werden. Darüber hinaus müssen aber auch für die zentralen IT-Strukturen und die informationstechnischen Netzwerke geeignete Schutzmaßnahmen ergriffen werden. Hierfür ist es notwendig, die bei Blitzentladungen maximal eingekoppelten Überspannungen und Störströme zu kennen. Durch Laborsimulation wurden diese näher bestimmt.

Laborsimulation

Die Einkopplung transienter Störgrößen bei direkten oder nahen Blitzentladungen wurde bereits bei früheren Messungen durch das EMV-Prüfzentrum der CE-LAB GmbH Ilmenau analysiert [3]. Diese Untersuchungen fanden in Kooperation mit der TU Ilmenau in dem dortigen Hochleistungs-Impulslabor statt.

Bei der Blitzstrombeeinflussung von Leiterschleifen wurden insbesondere zwei Fälle näher untersucht:

die magnetische Einkopplung in Leiterschleifen unddie auftretenden Ausgleichsströme im Schirm kurzer Leitungsabschnitte.

Überspannungen

Bei Einwirkung eines Folgeblitz-Prüfstromes von 10 Kiloampere konnte bereits bei einer Schleifengröße von (1 x 1) m über den offenen Enden des elektrisch nicht durchverbundenen Schirmes einer Modellschleife im Abstand von 1 m zum Koppelleiter eine Spannung von mehr als 2,5 kV gemessen werden.

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Bild: Blitzstromeinkopplung in eine Leiterschleife

Rechnet man diesen Wert auf eine typische (10 x 10) m-Schleife hoch, sind Spannungen von mehr als 80 kV zu erwarten. Derartige Überspannungen führen zwangsläufig zu störenden und zerstörenden Auswirkungen über den offenen Trennstellen von Leiterschleifen bis hin zu gefährlich hohen Berührungsspannungen. Eine solche ‚offene’ Schleife liegt beispielsweise immer dann vor, wenn eine bewusste oder ungewollte einseitige Auftrennung der Schirmverbindungen in Verkabelungen mit geschirmten Netzwerkkabeln vorliegt.

Störströme

Wenn die oben betrachtete Schleifenanordnung geschlossen ist, treten bei Einwirkung der Blitz-Magnetfelder Stoßströme in dieser Kurzschlussschleife auf. Diese Konstellation ist beispielsweise bei durchverbundenen, beidseitig aufgelegten Kabelschirmen im Zusammenhang mit weiteren Erdverbindungen und Maßnahmen des Potentialausgleichs gegeben. Wenn die eingekoppelten Stoßströme durch den Kabelschirm zum Fließen kommen, kann dieser aber zugleich als sogenannter Reduktionsleiter wirken [3]. Die Einkopplung von Störspannungen direkt in die Signaladern des Netzwerkkabels wird dann auf effiziente Weise reduziert.

Im bereits beschriebenen Versuch mit einer geschlossenen Schleife wurde im Labor ein Störstrom in der Kurzschlussschleife mit einem Maximalwert von einigen 10 A gemessen. Berücksichtigt man

deutlich größere Maximalwerte der in der Natur auftretenden Blitzteilströmewesentlich größere anzunehmende Schleifenabmessungen undin der Praxis wesentlich stärkere Wechselwirkungen zwischen der Ableitung (nur kurzer Koppelleiter im Labor) und der Schleife

ist in realen Installtionen mit einem Störstrom bis hin zu einigen Kiloampere zu rechnen.

Wenn sich der auf ein Gebäude direkt einwirkende Blitzstrom auch über die IT-Netzwerkstruktur ausbreitet, so ist mit noch höheren Störstromen zu rechnen. Dies kann beispielsweise bei objektüberschreitenden Leitungen auftreten oder bei IT-Endgeräten, die durch unterschiedliche Niederspannungsquellen versorgt werden.

Störströme im Kabelschirm

In einem Versuch wurde der Einfluss von Störströmen über den Kabelschirm auf die innen liegenden Informationsadern untersucht. Dazu wurden typische Störströme in den Schirm kurzer Leitungsabschnitte gezielt galvanisch eingespeist.

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Bild: Störspannung im Kabel bei Störströmen im Kabelschirm

Bei den Messungen wurde ein Störstrom der Form 8/20 µs mit einem Maximalwert von 5 Kiloampere in den Schirm eines Cat.6-Netzwerkkabels eingeprägt. Dieser führte zu einem Längsspannungsabfall, der sich zwischen den Doppeladern und dem Kabelschirm als sogenannte Gleichtakt-Störspannung äußerte. Die Störspannung zwischen den verdrillten Signaladern (Gegentaktstörungen) blieb dagegen vergleichsweise gering und kann nur durch Unsymmetrien in der Leitungsführung oder im Leitungsabschluss entstehen.

Die gemessene Störspannung erreichte über dem kurzen Leitungsabschnitt von 1 m Länge bereits einen Spitzenwert von 30 V, was bei idealer Kabelführung mit einer Länge von z.B. 100 m (Tertiärkabel) zu einer Störspannung von immerhin 3 kV führen würde. In der Praxis treten aber zumeist noch höhere Gesamtimpedanzen der Schleifen auf (Rückleitungen über Masse oder PE, zusätzliche Kontakt- und Übergangswiderstände usw.). In der Realität ist also mit deutlich höheren Überspannungen zu rechnen.

Bedrohung für die Informationstechnik

Die EMV-Richtlinie fordert gewisse Grundfestigkeiten von IT-Geräten, damit diese im regulären Betrieb störungsfrei arbeiten können. Die erwarteten Stoßspannungs-Festigkeiten der Datenleitungen liegen im industriellen Umfeld bei etwa 1 kV. Aus Sicherheitsgründen besitzen die Ports der aktiven Netzwerk-Komponenten (Hub’s, Switches o.ä.) einheitlich eine galvanische Trennung vom Datennetz. Der Netzwerkstandard IEEE 802.3 fordert von den verwendeten Eingangsübertragern mit Bezug auf die geltende Niederspannungsrichtlinie die Einhaltung definierter Spannungsfestigkeiten (z. B. bis 2,5 kVImpuls). Die Verwendung von geschirmten Netzwerkkabeln (shielded twisted pair – STP) bei der Vernetzung der IT-Geräte führt bereits zu vorteilhaften EMV-Eigenschaften für die betriebene Gesamtanlage.

Bei Blitzeinwirkung treten in ausgedehnten IT-Netzen entsprechend der vorausgegangenen Betrachtungen jedoch andere Verhältnisse auf. Hohe Überspannungen von mehreren 10 kV über den Trennstellen in Leiterschleifen können Durch- oder Überschläge hervorrufen. Massive Ausgleichsströme in den Kabelschirmen im Bereich von einigen Kiloampere rufen kritische Längsspannungsabfälle hervor, die sich an den Geräte-Ports als Störspannungen äußern. Deren Maximalwerte können ohne weiteres auch die Eingangs-Spannungsfestigkeiten überschreiten. Der Einsatz geeigneter Schutzvorkehrungen ist unter solchen Bedingungen dringend geboten.

Überspannungsschutz für Cat.6 Netzwerke

Die Hersteller von Überspannungsschutzgeräten haben diese Gefährdung erkannt und bieten geeignete Schutzgeräte an, die z.B. in herkömmliche Patchkabel integriert sein können. Das Verhalten einer solchen IT-Schutzkomponente wurde abschließend konkret untersucht.

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Bild: Überspannungsschutz im LAN

Um die Schutzfunktion realitätsnah untersuchen zu können, wurde das Schutzgerät der bereits dargestellten Messung mit Stoßstromeinspeisung unterzogen. Die Schutzschaltung war in der Lage, bis zu einem eingespeisten Gesamtstrom von 25 kA (8/20) die auftretenden Störspannungen wirksam zu begrenzen. Das Ansprechen der eingesetzten Schutzelemente führte zu einer Stromaufteilung zwischen Schirm und Signaladern im Verhältnis von 60% zu 40%. Bei einem Gesamtstrom von 10 Kiloampere durch die Kabeladern konnte ein Schutzpegel kleiner 500 V zur Masse nachgewiesen werden. Die Spannungsbegrenzung zwischen den Signaladern wurde bei Nennableitstrom zu kleiner 100 V ermittelt.

Fazit

Überspannungsschutz im LAN ist eine wichtige Sicherheitsmaßnahme, die wegen wachsender Vernetzung, erweiterter Funktionalität und hoher geforderter Verfügbarkeit zunehmend an Bedeutung gewinnt. Kommen blitzbedingt eingekoppelte Störgrößen vor allem in den zentralen IT-Strukturen zur Wirkung, so sind Totalausfälle und kostenintensive Hardware- oder Folgeschäden nicht ausgeschlossen. Für einen effizienten Schutz der Netzwerkkomponenten stehen leistungsfähige Schutzgeräte zur Verfügung.

Literatur

Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI): IT - Grundschutzhandbuch - Standard-Sicherheitsmaßnahmen; Oktober 2003; www.bsi.deHasse, P.; Wiesinger, J: Handbuch für Blitzschutz und Erdung, 4. bearbeitete Auflage; Pflaum Verlag, Berlin; VDE-Verlag, Offenbach; 1993Schönau, J.: Die Einkopplung transienter Störgrößen bei direkten Blitzentladungen; VDE-Fachbericht 60, 5. VDE/ABB Blitzschutztagung, 13.-14.11.2003, Neu Ulm, VDE-Verlag GmbH, Berlin - Offenbach, 2003i