27.06.07Verfasser: Marcus Golle1 Blitz- und Überspannungsschutz in der Leit- und Sicherungstechnik...

27.06.07 Verfasser: Marcus Golle 1

Blitz- und Überspannungsschutz in der Leit- und Sicherungstechnik bei der Deutschen Bahn AG


Blitz- und Überspannungsschutz in der Leit- und Sicherungstechnik

23.06.2005 Blitzschlag löste Transformatorbrand aus. Bahnverkehr in der Westschweiz lahmgelegt.

23.06.2005 Ein Blitz ist in eine Weiche in Vémars eingeschlagen. Sieben Hochgeschwindigkeitszüge konnten nicht fahren.

04.07.2005 Störung durch Blitzeinschlag in Solingen-Ohligs. Züge aus Richtung Wuppertaler und Köln kamen gar nicht oder mit großer Verspätung.

21.06.2002 Blitzschlag ließ die Oberleitung schmelzen. Blitze schlugen auch in ein Stellwerk am Düsseldorfer Hauptbahnhof ein.



02.09.2005 In Thüringen sorgten Blitzeinschläge in die Stellwerkstechnik dafür, dass auf der Bahnstrecke zwischen Erfurt und Eisenach über Stunden lang gar nichts mehr ging.

02.09.2005 Auf der ICE-Strecke zwischen Hannover und Hamburg kam es zu Verspätungen, nachdem ein Blitz die Signaltechnik nahe der Stadt

Celle lahm gelegt hat.

26. Mai 2007 Ein Blitzeinschlag in Signalanlagen der Deutschen Bahn löste ein Chaos auf dem Hauptbahnhof Hannover aus.



Daten und Fakten:

•34128 km Schienennetz

•Ca. 20000 Gebäude

•5730 Personenbahnhöfe

•73352 Weichen und Kreuzungen



Kennwerte von Blitzen:

Stromstärke:

Spitzenwerte von I = 200kA

Üblicherweise I = 20-60kA

Zeitlicher Verlauf:

Ansteigen von wenigen µs

Abklingen von einigen 100µs

Dadurch können Ströme von einigen 1000V Induziert werden.



In der DDR ist man von einem Blitzeinschlag je 100 Schienenkilometer und Jahr ausgegangen.

Das wären heute ca. 1 Blitzeinschlag pro Tag auf das Deutsche Schienennetz.

Blitzeinschlagwahrscheinlichkeit:

Wird Berechnet aus dem Keraunischen Pegel und der Formel:

Ng = 0,04/km² *Td 1,25 Für Wuppertal ca. 2,5 (Blitze/km²)*a



Schienenverkehr

StraßenbahnenEisenbahnen

Private NetzbetreiberDeutsche Bahn AG

Fahrzeuge

Stationäre Einrichtungen

Gebäude



Gebäudesicherung

DIN VDE 0185 schreibt vor, dass die notwendige Schutzklasse einer Blitzschutzanlage durch eine

Risikobewertung ausgewählt werden muss.

Bahnanlagen sind jedoch vom Anwendungsbereich der DIN VDE 0185 ausgenommen.

Aus wirtschaftlichem Aspekt bedient man sich jedoch dieser Norm und setzt für alle Gebäude die Schutzklasse III an.

Eine Ausnahme stellt nur das ESTW dar.



Tabelle:

Werte der Wahrscheinlichkeit PB in Abhängigkeit von den Schutzmaßnahmen

zur Verringerung physikalischer Schäden

Eigenschaft der Baulichen Anlage Blitzschutzklassen PB

Bauliche Anlage ist nicht durch LPS geschützt - 1

Bauliche Anlage ist durch LPS geschützt

IV 0,2

III 0,1

II 0,05

I 0,02

Gebäudesicherung



Gebäudesicherung

Äußerer Blitzschutz

Soll verhindern, dass größere Blitzströme in das Gebäudeinnere und in die Daten- u. Energieleitungen fließen.

Wesentliche Bestandteile sind:

• Fangeinrichtungen

• Ableitungen

• Erdungsanlage

Bahnerde, wegen hohem Stoßerdungswiderstands u. Längsinduktivität als Blitzschutzerde nicht geeignet (für PA).



Gebäudesicherung

Innerer Blitzschutz

Notwendig, da die Maßnahmen des Äußeren Blitzschutz signaltechnische Anlagen mit elektronischen Komponenten nicht hinreichend schützen.

Standardmaßnamen:

Optionale Maßnahmen:

• Blitzschutzpotenzialausgleich

• Kabelschirmung

• Potenzialtrennung

• Schutzschaltungen



Gebäudesicherung

Einschub: Potenzialausgleich

In Stellwerksräumen wird ein Potenzialausgleich gefordert.

Dieser hat u.a. folgende Aufgaben:

• Verbessern des Schutzes gegen Blitzeinwirkung

• Sichern des Personenschutz

• Herstellen der Elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV)

• Unterdrücken von hochfrequenten Störfeldern

• Ausgleich von kurzfristigen Potenzialdifferenzen

• Reduzierung der Einwirkungsmöglichkeiten von Überspannungen



Gebäudesicherung

An dieser Stelle muss ausdrücklich darauf hingewiesen werden, dass die DB damit nicht nur eine Sicherung gegen Blitzeinschläge betreibt.

Mit dieser Maßnahme werden auch Gefahren, die durch gerissene Oberleitungen (z.B im Umfeld eines Bahnhofes) hervorgerufen werden können, abgedeckt.



Schienenverkehr



Fahrzeuge


Gebäude LST



Blitzeinschläge in:

•Signalanlagen

•Weichen

•Oberleitung, Leitungen

•Transformatoren / Umspannwerk

•Stellwerktechnik

Funktionslos

„Funktionslos“

Abriss, Induktion

Kurzschluss

Überwachungs- u. Steuerfunktion eingeschränkt

Mögliche Störung:

LST



LST

Aufstellung von Außenkomponenten

• Bei Direkteinschlag muss mit Zerstörung gerechnet werden.

• Schaden ist nur begrenzt, daher tolerierbar.

• Schutz durch Anordnung der Außenanlage oder Stanortwahl.

• Eine spezielle äußere Blitzfangeinrichtung wird als unwirtschaftlich angesehen.



LST

Um die Blitzeinschlagwahrscheinlichkeit weiter zu senken bedient man sich topographischer Gegebenheiten wie:

• Hohe Gebäude

• Tunnel

• Waldgebiete

• Oberleitungen (Abstand)



LST

Übergang Außenanlage – Stellwerkgebäude

Einleitung von Fehlströmen unter Umgehung des Äußeren Blitzschutzes, durch

- Stromversorgung

- Signaltechnische Verkabelung

- Datenverkabelung

In Stellwerksgebäuden wird daher ein umfassender Überspannungsschutz gefordert.



LST

Einschub: Überspannungsschutz

Ziel: Überspannungen mittels des PA auf Erde abzuleiten

Im Hochspannungsbereich werden Thyrister verwendet, die bei Spannungsspitzen einen Kurzschluss Induzieren.

Im Niederspannungsbereich werden hauptsächlich Zenerdioden eingesetzt, die ab einem Wert x Stromdurchlässig werden und die Überspannung gegen Erde ableiten.

In selten fällen werden auch Schmelzsicherungen eingesetzt.



LST

Fazit:

Erst wenn die Stellwerkselemente eine höhere Spannungsfestigkeit besitzen als der Schutzpegel der Schutzschaltungen, kann ein Schutz der Stellwerkselemente erreicht werden.



Schienenverkehr



Fahrzeuge


Gebäude LST Datenleitungen



Datenleitungen

Schutzbausteine für Datennetze

Datenleitungen sollten geschirmt sein und EMV-gerecht

mit dem PA verbunden sein.

Bei Langen Leitungsstrecken ist eine PA- Trennung unbedingt vorzunehmen um ein ungewolltes Anheben des

Potenzials vorzubeugen.



Berechnungsbeispiel

ESTW München HBF



Berechnungsbeispiel

ed Chpiblhbl

m

T

CCCCBBBBAAAA

*)**9)(*6*)(*10*04,0

(

)***)(***)(***(

22

25,16432143214321

E = 1 -

A1= Bauart der Wände (Mauerwerk = 0,5)

A2 = Dachkonstruktion (Stahlbeton = 2)

A3 = Dachdeckung (Kiespressdach = 0,5)

A4 = Dachaufbauten (Elektrogeräte = 0,2) B1+2+3+4 = Einflussfaktoren Nutzung / Inhalt (const. = 0,08)

C1+2+3 = Einflussfaktoren der Folgeschäden ( const. = 0,01)

C4 = Streckennutzung (Besonders stark belastete Strecken des Fernverkehrs = 0,01)



Berechnungsbeispiel

ed Chpiblhbl

mT

*)**9)(*6*)(*10*04,0

(

00000008,0

22

25,16

E = 1 -

l = Länge (ca.18m)

b = Breite (ca. 7,5m)

h = Höhe (ca. 22m) } des Gebäudes

Td = Anzahl der Gewittertage je Jahr aus den isokeraunischen Pegeln (München = 30-35)

Ce = Relative Lage der Baulichen Anlage (Umgeben von kleineren Gebäuden = 0,5)



Berechnungsbeispiel

E = 1 - 9999969968,05,0*)77,17185(*)10*1,3(

00000008,06

E > 0,95 Äußerer Blitzschutz der Schutzklasse I

0 < E < 0,95 Äußerer Blitzschutz der Schutzklasse II

E < 0 Kein Blitzschutz erforderlich

Anmerkung: Wegen der Bedeutung von elektronischen Stellwerken sollen die Blitzschutzklassen III +IV nicht angewendet werden.



Berechnungsbeispiel

Entscheidungskriterium für zusätzlichen Überspannungsschutz

OZ = S * U * Ng *106

OZ = Orientierungszahl für weitere Bewertungen

S = Streckenbedeutungsfaktor (Besonders Stark belastete Strecke = 3)

U = Umgebungsfaktor (Große Bahnanlage min. 6 parallel Gleisen = 1)

Ng = Wahrscheinliche Blitzeinschlagdicht je Quadratmeter (München = 3,1*10-6 )

OZ > 7,5 Zusätzlicher Überspannungsschutz sollte installiert werden

OZ < 7,5 Keine Empfehlung für zusätzlichen Überspannungsschutz

= 9,3



Berechnungsbeispiel

Fazit: Für das ESTW München HBF,

• Wird eine Blitzschutzanlage der Schutzklasse I gefordert

• Eine Empfehlung für zusätzlichen Überspannungsschutz gegeben



Danke für die Aufmerksamkeit!

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