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Überspannungsphänomene: Blitzschlag ins Herz

Die Stromversorgung ist das Herz eines jeden Gerätes und umso wichtiger ist ihre Störfestigkeit gegenüber Überspannungsphänomenen. In der Medizin kann das unter Umständen Leben retten, wenn Entwickler und Geräte­designer bei der Auswahl auf die entsprechenden Normen achten.

Stromversorgung am Limit: Allein im vergangenen Jahr schlugen rund 450.000 Blitze in Deutschland ein. Bildquelle: © Pixabay

Stromversorgung am Limit: Allein im vergangenen Jahr schlugen rund 450.000 Blitze in Deutschland ein.

Herzversagen – einer der schlimmsten Fälle in der Medizin. Versagt das Herz, versagt alles. Das gleiche trifft auch auf die Stromversorgung eines Gerätes zu. Erbringt es seine Leistung nicht zuverlässig, funktioniert auch das Gesamtsystem nicht mehr – was in der Medizin lebensgefährlich sein kann, wenn zum Beispiel Instrumente während einer Operation versagen oder lebenserhaltende Maßnahmen ausfallen.

Für die medizinische Stromversorgung gilt daher, eine höchstmögliche Ausfallsicherheit anzustreben und sich gegen eventuelle Störfälle zu wappnen. Zwei mögliche Störfaktoren sind die Überspannungsphänomene »Surge« (Stoßspannungen) und »Burst« (wiederkehrende schnelle Transienten), für welche die entsprechende Störfestigkeit in der Normenreihe IEC 61000-4 geregelt wird (Kasten).

Das Phänomen der Stoßspannung wird in der IEC 61000-4-5 reguliert. Diese Norm beschreibt die »Prüfung der Störfestigkeit von elektrischen und elektronischen Betriebsmitteln, Geräten und Einrichtungen gegenüber Stoßwellen (Stoßspannungen und -ströme)« und wurde in ihrer aktuellen Fassung im März 2015 verabschiedet. In einem Stromversorgungsnetz werden kurzzeitige Stoßspannungen durch unterschiedlichste Ereignisse hervorgerufen. Man unterscheidet hier grundlegend zwischen Stoßspannungen aufgrund von Schalthandlungen oder Systemfehlern und Überspannungsfällen, welche durch Blitze verursacht werden. Bei Letzterem handelt es sich nicht nur um Vorfälle von direkten Blitzeinschlägen in ein Stromnetz, sondern auch um Belastungen durch indirekte Blitzeinschläge und induzierte Ströme im Masse- oder Erdungssystem einer Anlage, welche durch Blitzeinschläge in der näheren Umgebung entstehen.

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Bild 1. Impulsformen für die Leerlaufspannung in Energienetzen: 1,2/50 µs (IEC 61000-4-5).

Schon die reine Anzahl an Blitzeinschlägen pro Jahr verdeutlicht, wie häufig kurzzeitige Stoßspannungen in einem Stromnetz vorliegen können. Alleine im vergangenen Jahr schlugen gut 450.000 Blitze in Deutschland ein, welche je nach Einschlagsort entsprechende Auswirkungen auf das Stromnetz mit sich brachten. Diese Zahl erscheint im Vergleich zu Vorjahren noch verhältnismäßig gering: Im Jahr 2015 beispielsweise waren es 550.000 Blitze, im Unwetterjahr 2007 wurde mit rund 1,1 Millionen Blitzen ein bisheriger Rekordwert registriert [1]. Hinzu kommen die nicht zählbaren Schalthandlungen, die zurzeit speziell aufgrund des Wechsels von einer zentralen zu einer dezentralen Stromnetzstruktur (Stichwort: Smart Grid) stark zunehmen, sowie sonstiger Einflussgrößen, welche ebenfalls kurzzeitig zu hohen Belastungen einer Stromversorgung führen.

Normengerechte Simulation von Stoßspannungen 

In der Regel handelt es sich bei einer Stoßspannung um einen kurzzeitigen, sehr energiereichen Impuls, welchen das Gerät unbeschadet überstehen muss. Für deren Simulation wird in der Praxis ein Generator verwendet, welcher die Impulsform des Phänomens nachbildet. Die der Norm IEC 61000-4-5 zugrunde liegende Impulsform für Stoßspannungen in Energienetzen hat eine Stirnzeit von 1,2 µs bei einer Impulsdauer von 50 µs (1,2/50 µs) für die Leerlaufspannung (Bild 1) sowie eine Stirnzeit von 8 µs bei einer Impulsdauer von 20 µs (8/20 µs) für den Kurzschlussstrom (Bild 2). 

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Bild 2. Impulsform für den Kurzschlussstrom in Energienetzen 8/20 µs (IEC 61000-4-5).

Speziell für Telekommunikationsanschlüsse, welche sich außerhalb von Gebäuden befinden, fordert die Norm höhere Impulse in Form von 1,2/50 µs für die Spannung und 5/320 µs für den Strom. Diese Impulsformen repräsentieren die spezifischen Eigenschaften eines Telekommunikationsnetzes. In anderen Normen finden sich zudem noch weitere Impulsformen wie 10/1000 µs.

Medizinische Anwendungen und Geräte befinden sich in aller Regel in Gebäuden und werden folglich mit der Impulsdefinition von 1,2/50 µs und 8/20 µs für die Stromversorgung getestet. Über den Scheitelwert der Leerlaufspannung werden die verschiedenen Prüfschärfegrade festgelegt. Die IEC 61000-4-5 definiert Werte für vier verschiedene Schärfegrade (Tabelle 1). Welcher Schärfegrad für ein Gerät zugrunde gelegt wird, hängt von unterschiedlichen Faktoren ab und wird in der entsprechenden Produktnorm der elektrischen Geräte spezifiziert. In der Medizintechnik ist dies die EMV-Sicherheitsnorm IEC 60601-1-2 in der 4. Edition. Elektrogeräte der Schutzklasse II, die in Gebäuden eingesetzt werden, müssen eine Störfestigkeit gegen Stoßspannungen des Schärfegrads 3 aufweisen. Dies gilt auch für medizinisch-elektrische Geräte, sowohl im Krankenhausumfeld als auch in der sogenannten Home-Healthcare-Umgebung.

Da die Stoßspannung sowohl zwischen Versorgungsleitungen als auch zwischen Versorgungsleitungen und Erde auftreten kann, existieren neben den unterschied­lichen Spannungshöhen auch unterschiedliche Arten der Einkopplung: Bei Stoßspannungen zwischen Leitern kann von einer geringen Impedanz und einer hohen Energie ausgegangen werden, man spricht in diesem Fall auch vom »Differential Mode«. Die Koppelimpedanz entspricht hier derjenigen des Generatorinnenwiderstands und ist mit 2 Ω spezifiziert. Die Energie wird über einen 18-µF-Koppelkondensator übertragen. Vom »Common Mode« spricht man bei Stoßspannungen zwischen Leitern und Erde. Hier ist die Impedanz höher und liegt bei 12 Ω (2 Ω Generatorinnenwiderstand + 10 Ω aufgrund der schlechter leitenden Erde). Die Energie wird in diesem Fall über einen 9-µF-Koppelkondensator übertragen, die Spannungshöhe ist aber doppelt so hoch wie beim Differential Mode. Die Impedanzen von Kommunikationsleitungen unterscheiden sich zu den von Versorgungsleitungen deutlich, weshalb hier häufig auch mit 25 Ω oder 42 Ω getestet wird.

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Bild 3. Schema: Wiederkehrende schnelle Transienten (Burst) (IEC 61000-4-4).