Der Blitzschutz ist ein zentraler Aspekt für Unternehmen, die empfindliche elektrische Geräte betreiben, insbesondere in der Rundfunkbranche.Zur ersten Verteidigungslinie gegen Blitze und Überspannungen gehört das Erdungssystem.Ohne korrekte Auslegung und Installation ist jeder Überspannungsschutz nicht funktionsfähig.
Einer unserer TV-Sendestandorte befindet sich auf dem Gipfel eines 900 Fuß hohen Berges und ist für seine Blitzwellen bekannt.Ich wurde vor Kurzem damit beauftragt, alle unsere Senderstandorte zu verwalten;Daher wurde das Problem an mich weitergegeben.
Ein Blitzeinschlag im Jahr 2015 führte zu einem Stromausfall und der Generator lief zwei Tage lang ununterbrochen.Bei der Inspektion stellte ich fest, dass die Sicherung des Netztransformators durchgebrannt war.Mir ist auch aufgefallen, dass die LCD-Anzeige des neu installierten automatischen Übertragungsschalters (ATS) leer ist.Die Überwachungskamera ist beschädigt und das Videoprogramm der Mikrowellenverbindung ist leer.
Erschwerend kam hinzu, dass das ATS explodierte, als die Stromversorgung wiederhergestellt wurde.Damit wir erneut senden konnten, musste ich ATS manuell umschalten.Der geschätzte Verlust beträgt mehr als 5.000 US-Dollar.
Mysteriöserweise zeigt der dreiphasige 480-V-Überspannungsschutz LEA überhaupt keine Anzeichen einer Funktion.Dies hat mein Interesse geweckt, da es alle Geräte auf der Website vor solchen Vorfällen schützen soll.Zum Glück ist der Sender gut.
Es gibt keine Dokumentation für die Installation des Erdungssystems, daher kann ich das System oder den Erdungsstab nicht verstehen.Wie aus Abbildung 1 hervorgeht, ist der Boden vor Ort sehr dünn und der Rest des Bodens darunter besteht aus Novaculite-Gestein, wie einem Isolator auf Silikatbasis.In diesem Gelände funktionieren die herkömmlichen Erdungsstäbe nicht. Ich muss feststellen, ob ein chemischer Erdungsstab installiert ist und ob dieser noch innerhalb seiner Nutzungsdauer ist.
Im Internet gibt es zahlreiche Ressourcen zur Erdungswiderstandsmessung.Um diese Messungen durchzuführen, habe ich mich für das Erdungswiderstandsmessgerät Fluke 1625 entschieden, wie in Abbildung 2 dargestellt. Es handelt sich um ein multifunktionales Gerät, das zur Erdungsmessung nur den Erdungsstab verwenden oder den Erdungsstab an das System anschließen kann.Darüber hinaus gibt es Anwendungshinweise, die leicht befolgt werden können, um genaue Ergebnisse zu erhalten.Da es sich um ein teures Messgerät handelt, haben wir eines gemietet, um die Arbeit zu erledigen.
Rundfunkingenieure sind es gewohnt, den Widerstand von Widerständen zu messen, und nur einmal erhalten wir den tatsächlichen Wert.Der Erdungswiderstand ist unterschiedlich.Was wir suchen, ist der Widerstand, den die umgebende Erde bietet, wenn der Stoßstrom fließt.
Bei der Widerstandsmessung habe ich die Methode des „Potenzialabfalls“ verwendet, deren Theorie in Abbildung 1 und Abbildung 2 erläutert wird. 3 bis 5.
In Abbildung 3 gibt es einen Erdungsstab E mit einer bestimmten Tiefe und einen Pfahl C mit einem bestimmten Abstand vom Erdungsstab E. Zwischen beiden ist die Spannungsquelle VS angeschlossen, die einen Strom E zwischen dem Pfahl C und dem Erdungsstab erzeugt Erdspieß.Mit einem Voltmeter können wir die Spannung VM zwischen beiden messen.Je näher wir an E sind, desto niedriger wird die Spannung VM.VM ist am Erdungsstab E Null. Wenn wir andererseits die Spannung in der Nähe von Pfahl C messen, wird VM hoch.Bei Gleichheit C ist VM gleich der Spannungsquelle VS.Nach dem Ohmschen Gesetz können wir die Spannung VM und den durch VS verursachten Strom C verwenden, um den Erdungswiderstand des umgebenden Schmutzes zu ermitteln.
Nehmen wir zur Diskussion an, dass der Abstand zwischen Erdungsstab E und Pfahl C 100 Fuß beträgt und die Spannung alle 10 Fuß vom Erdungsstab E bis zum Pfahl C gemessen wird. Wenn Sie die Ergebnisse grafisch darstellen, sollte die Widerstandskurve wie in Abbildung aussehen 4.
Der flachste Teil ist der Wert des Erdungswiderstands, der den Grad des Einflusses des Erdungsstabs angibt.Dahinter liegt ein Teil der riesigen Erde, und Stoßströme werden nicht mehr eindringen.Wenn man bedenkt, dass die Impedanz zu diesem Zeitpunkt immer höher wird, ist dies verständlich.
Wenn der Erdungsstab 8 Fuß lang ist, wird der Abstand von Pfahl C normalerweise auf 100 Fuß eingestellt, und der flache Teil der Kurve beträgt etwa 62 Fuß.Weitere technische Details können hier nicht behandelt werden, sie finden sich jedoch im selben Anwendungshinweis von Fluke Corp.
Der Aufbau mit Fluke 1625 ist in Abbildung 5 dargestellt. Das Erdungswiderstandsmessgerät 1625 verfügt über einen eigenen Spannungsgenerator, der den Widerstandswert direkt vom Messgerät ablesen kann;Es ist nicht erforderlich, den Ohm-Wert zu berechnen.
Das Lesen ist der einfache Teil, und der schwierige Teil besteht darin, die Spannung aufs Spiel zu setzen.Um einen genauen Messwert zu erhalten, wird der Erdungsstab vom Erdungssystem getrennt.Aus Sicherheitsgründen achten wir darauf, dass es zum Zeitpunkt der Fertigstellung nicht zu Blitzeinschlägen oder Fehlfunktionen kommen kann, da die gesamte Anlage während des Messvorgangs auf dem Boden schwimmt.
Abbildung 6: Lyncole System XIT Erdungsstab.Das dargestellte getrennte Kabel ist nicht der Hauptanschluss des Felderdungssystems.Hauptsächlich unterirdisch verbunden.
Als ich mich umsah, fand ich den Erdungsstab (Abbildung 6), bei dem es sich tatsächlich um einen chemischen Erdungsstab von Lyncole Systems handelt.Der Erdungsstab besteht aus einem 10 Fuß langen Loch mit einem Durchmesser von 8 Zoll, das mit einer speziellen Tonmischung namens Lynconite gefüllt ist.In der Mitte dieses Lochs befindet sich ein hohles Kupferrohr gleicher Länge mit einem Durchmesser von 2 Zoll.Der Hybrid-Lynconite sorgt für einen sehr geringen Widerstand für den Erdungsstab.Jemand erzählte mir, dass bei der Installation dieser Stange Sprengstoff verwendet wurde, um Löcher zu bohren.
Sobald die Spannungs- und Strompfähle im Boden verankert sind, wird von jedem Pfahl nacheinander ein Draht mit dem Messgerät verbunden, wo der Widerstandswert abgelesen wird.
Ich habe einen Erdungswiderstandswert von 7 Ohm erhalten, was ein guter Wert ist.Der National Electrical Code schreibt vor, dass die Erdungselektrode 25 Ohm oder weniger haben muss.Aufgrund der Empfindlichkeit der Geräte benötigt die Telekommunikationsbranche normalerweise 5 Ohm oder weniger.Andere große Industrieanlagen erfordern einen geringeren Erdungswiderstand.
Als Praxis suche ich immer Rat und Einblicke von Leuten, die mehr Erfahrung in dieser Art von Arbeit haben.Ich habe den technischen Support von Fluke nach den Diskrepanzen in einigen der Messwerte gefragt, die ich erhalten habe.Sie sagten, dass die Pfähle manchmal keinen guten Kontakt zum Boden haben (vielleicht weil der Stein hart ist).
Lyncole Ground Systems, der Hersteller von Erdungsstäben, gab hingegen an, dass die meisten Messwerte sehr niedrig seien.Sie erwarten höhere Werte.Wenn ich jedoch Artikel über Erdungsstäbe lese, tritt dieser Unterschied auf.Eine Studie, bei der 10 Jahre lang jedes Jahr Messungen durchgeführt wurden, ergab, dass 13–40 % der Messwerte von anderen Messwerten abwichen.Sie verwendeten auch die gleichen Erdungsstäbe wie wir.Daher ist es wichtig, mehrere Messungen durchzuführen.
Ich habe einen anderen Elektroinstallateur gebeten, eine stärkere Erdungskabelverbindung vom Gebäude zum Erdungsstab zu installieren, um Kupferdiebstahl in Zukunft zu verhindern.Außerdem führten sie eine weitere Bodenwiderstandsmessung durch.Allerdings regnete es ein paar Tage vor der Messung und der ermittelte Wert lag sogar unter 7 Ohm (ich habe die Messung durchgeführt, als es sehr trocken war).Aufgrund dieser Ergebnisse gehe ich davon aus, dass der Erdungsstab noch in gutem Zustand ist.
Abbildung 7: Überprüfen Sie die Hauptanschlüsse des Erdungssystems.Auch wenn das Erdungssystem an den Erdungsstab angeschlossen ist, kann der Erdungswiderstand mit einer Zange überprüft werden.
Ich habe den 480-V-Überspannungsschutz an einer Stelle in der Leitung hinter dem Serviceeingang neben dem Haupttrennschalter platziert.Früher befand es sich in einer Ecke des Gebäudes.Bei einer Blitzüberspannung steht an dieser neuen Stelle der Überspannungsschutz an erster Stelle.Zweitens sollte der Abstand zwischen ihm und dem Erdungsstab möglichst kurz sein.In der bisherigen Regelung hatte ATS die Nase vorn und war stets in Führung.Die mit dem Überspannungsschutz und seinem Erdungsanschluss verbundenen dreiphasigen Drähte werden kürzer gemacht, um die Impedanz zu verringern.
Ich ging noch einmal zurück, um einer seltsamen Frage nachzugehen, warum der Überspannungsschutz nicht funktionierte, als das ATS während der Blitzwelle explodierte.Dieses Mal habe ich alle Erdungs- und Neutralleiterverbindungen aller Leistungsschalterfelder, Notstromgeneratoren und Sender gründlich überprüft.
Ich habe festgestellt, dass der Erdungsanschluss des Hauptschalterfeldes fehlt!Hier sind auch der Überspannungsschutz und das ATS geerdet (dies ist also auch der Grund, warum der Überspannungsschutz nicht funktioniert).
Es ging verloren, weil der Kupferdieb die Verbindung zum Panel kurz vor der Installation des ATS unterbrochen hatte.Die vorherigen Techniker reparierten alle Erdungskabel, konnten jedoch die Erdungsverbindung zum Leistungsschalterfeld nicht wiederherstellen.Der abgeschnittene Draht ist nicht leicht zu erkennen, da er sich auf der Rückseite des Panels befindet.Ich habe diese Verbindung repariert und sicherer gemacht.
Ein neues dreiphasiges 480-V-ATS wurde installiert, und für zusätzlichen Schutz wurden drei Nautel-Ferrit-Ringkerne am dreiphasigen Eingang des ATS verwendet.Ich stelle sicher, dass auch der Überspannungsschutzzähler funktioniert, damit wir wissen, wann ein Überspannungsereignis auftritt.
Als die Sturmsaison kam, lief alles gut und das ATS lief gut.Allerdings brennt die Sicherung des Poltransformators immer noch durch, aber dieses Mal sind das ATS und alle anderen Geräte im Gebäude nicht mehr von der Überspannung betroffen.
Wir bitten den Energieversorger, die durchgebrannte Sicherung zu überprüfen.Mir wurde gesagt, dass der Standort am Ende der dreiphasigen Übertragungsleitung liegt und daher anfälliger für Überspannungsprobleme ist.Sie haben die Pole gereinigt und einige neue Geräte auf den Poltransformatoren installiert (ich glaube, sie sind auch eine Art Überspannungsschutz), die wirklich verhindert haben, dass die Sicherung durchbrennt.Ich weiß nicht, ob sie andere Dinge an der Übertragungsleitung getan haben, aber egal, was sie tun, es funktioniert.
All dies geschah im Jahr 2015 und seitdem hatten wir keine Probleme mehr mit Spannungsspitzen oder Gewittern.
Die Lösung von Überspannungsproblemen ist manchmal nicht einfach.Es muss sorgfältig und gründlich darauf geachtet werden, dass alle Probleme bei der Verkabelung und dem Anschluss berücksichtigt werden.Es lohnt sich, die Theorie hinter Erdungssystemen und Blitzüberspannungen zu studieren.Um während des Installationsprozesses die richtigen Entscheidungen treffen zu können, ist es notwendig, die Probleme der Einzelpunkterdung, der Spannungsgradienten und des Erdpotentialanstiegs bei Fehlern vollständig zu verstehen.
John Marcon, CBTE CBRE, war zuletzt stellvertretender Chefingenieur bei Victory Television Network (VTN) in Little Rock, Arkansas.Er verfügt über 27 Jahre Erfahrung mit Rundfunk- und Fernsehsendern und anderen Geräten und ist außerdem ein ehemaliger professioneller Elektroniklehrer.Er ist ein SBE-zertifizierter Rundfunk- und Fernsehtechniker mit einem Bachelor-Abschluss in Elektronik und Kommunikationstechnik.
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Zeitpunkt der Veröffentlichung: 14. Juli 2021
