Grundlagen zur Schirmung Sie benötigen Hilfe bei der fachgerechten Schirmung Ihrer Anlagen? Wir unterstützen Sie gern bei der Planung und Auswahl der richtigen Komponenten.

Aus einer Spannungsquelle (U) wird über Leitungen der Verbraucher (Z) versorgt. Zwischen den Plus- und Minusleitern entstehen Spannungsdifferenzen, durch die sich ein elektrisches Feld zwischen den Leitern aufbaut. Um einen stromdurchflossenen Leiter herum entsteht ein magnetisches Feld (H). Dieses magnetische Feld ist aufgrund seiner Stromabhängigkeit zeitlichen Schwankungen unterworfen. Da es in den wenigsten Anwendungen zeitkonstante Ströme gibt, führt dies zu unregelmäßigen, magnetischen Wechselfeldern. Die Felder werden zu elektromagnetischen Signalen, zu einer Art „Minisender“ und gleichzeitig zum Empfänger. Jeder Leiter ist also in der Lage, andere elektrische und elektronische Geräte in ihrer Funktion negativ zu beeinflussen. Damit diese Beeinflussungen keine merkbaren Auswirkungen auf Ihre Geräte und Anlagen haben, ist eine fachgerechte Schirmung der Kabel und Leiter notwendig.

Wenn zwei Stromkreise ein gemeinsames Leitungsstück benutzen, tritt eine galvanische Störbeeinflussung auf. Dies ist oftmals ein gemeinsamer Bezugs- bzw. Rückleiter. Durch Strom- oder Spannungsschwankungen im ersten Stromkreis (z. B. Schalthandlungen) wird der zweite Kreis beeinflusst. Aber auch falsche Erdungen geschirmter MSR- und DÜ-Kabel können zu galvanischen Beeinflussungen führen.

Gegenmaßnahmen:

• Das gemeinsame Leitungsstück möglichst niederohmig und induktivitätsarm anlegen (Einsatz ausreichend großer Leiterquerschnitte)
• Die Stromkreise so weit wie möglich trennen
• Gemeinsame Zuleitungen möglichst kurzhalten
• Verzweigungspunkte möglichst nahe an die Stromquelle heranlegen

Die Störgröße der kapazitiven Störbeeinflussung ist die elektrische Spannung. Kapazitive Störbeeinflussungen werden von elektrischen Wechselfeldern eines Systems verursacht, die als Störer wirken. Das typische Beispiel für eine kapazitive Störbeeinflussung sind zwei über eine längere Strecke parallel verlegte Leitungen, die sich wie zwei gegenüberliegende Kondensatorplatten verhalten und in dieser Funktion für hochfrequente Signale einen Kurzschluss darstellen.

Gegenmaßnahmen:

• Parallele Verlegung weitestgehend vermeiden bzw. so kurz wie möglich halten
• Möglichst große Abstände zwischen Störer und gestörter Leitung herstellen (Mindestabstand 60 - 100 cm)
• Verwendung geschirmter DÜ- und MSR-Leitungen (Schirmung einseitig durchführen)
• Verwendung von paarig verdrillten Leitungen

Ursache für eine induktive Störbeeinflussung ist ein magnetisches Wechselfeld. Um einen stromdurchflossenen Leiter bildet sich ein Magnetfeld aus, das auch benachbarte Leiter durchdringt. Eine Stromänderung bewirkt ebenfalls eine Änderung des Magnetfelds, wodurch dann eine Spannung in den benachbarten Leiter induziert wird.

Beispiel: Wenn zwei Leitungen auf 100 m in einem Abstand von 30 cm parallel zueinander liegen und beträgt der Strom durch den störenden Leiter 100 A (50 Hz), wird in den gestörten Leiter eine Spannung von ca. 0,3 mV induziert. Bei gleicher Anordnung, jedoch einer Stromänderung von 1 kA in 100 μs, wird eine Spannung von ca. 90 mV induziert. Je schneller und größer eine Stromänderung ist, desto höher ist die induzierte Spannung.

Gegenmaßnahmen:

• Abstand zwischen Starkstromkabeln und DÜ- und MSR-Kabeln sollte mindestens 1 m betragen
• Parallelführungen sollten so kurz wie möglich sein
• Durch die Verwendung verdrillter Leitungen kann sich die induktive Beeinflussung ca. um den Faktor 20 verringern
• Verwendung von geschirmten, beidseitig aufgelegten Leitungen (Schirmung)

Verdrillte Leitungen?
Die Verwendung von verdrillten Leitungen verringert die induktive Störbeeinflussung, da sich die Induktionsrichtung durch das Verdrillen der Adern gegenüber dem Störfeld ständig umkehrt. Um Kopplungen zu vermeiden, werden benachbarte Paare in einer DÜ- oder MSR-Leitung mit unterschiedlichen Schlaglängen angeordnet. Typisch sind Schlaglängen von 30 bis 50 mm. Bei Starkstromkabeln beträgt die Schlaglänge je nach Leiterquerschnitt zwischen 200 und 900 mm.

Unter der Wellenstörbeeinflussung werden leitungsgebundene Wellen oder Impulse verstanden, die auf benachbarte DÜ- und MSR-Leitungen übergreifen. Außerdem entsteht eine Wellenstörbeeinflussung durch das Übergreifen von einem Leitungskreis auf einen anderen innerhalb eines Kabels. Bei der galvanischen, kapazitiven und induktiven Störbeeinflussung wird die Laufzeit der elektrischen Signale auf der störenden und der gestörten Leitung vernachlässigt. In Sonderfällen kann es dazu kommen, dass die Wellenlänge der Störfrequenz in die Größenordnung der Leitungslängen kommt. Tritt dieser Fall ein, muss auch hier der Effekt berücksichtigt werden.

Gegenmaßnahmen:

• Kabel mit geschirmten Paaren und Gesamtschirm verwenden (Schirmung)
• Im gesamten Leitungszug Fehlanpassungen vermeiden
• Signale mit sehr hohem Niveau nicht im selben Kabel mit Signalen mit sehr niedrigem Niveau führen
• Kabel mit hoher Reflexionsfreiheit, geringer Dämpfung und geringer Kapazität verwenden

Von einem Störer können auch leitungsfreie elektromagnetische Wellen auf Anlagen und Leitungen einwirken. Störer ist die freie Welle H0, E0. Im Nahfeld kann je nach Störtyp das elektrische oder das magnetische Feld überwiegen. Hohe Ströme erzeugen überwiegend ein magnetisches Feld, hohe Spannungen ein überwiegend elektrisches Feld. Die Hochfrequenz-Störenergie breitet sich über Leitungen aus, die an der Störquelle angeschlossen sind und eine direkte Abstrahlung (>30 MHz) ermöglichen. Außerdem können benachbarte leistungsstarke Sendestellen hohe Feldstärken am Ort der Kabelanlage verursachen und störend auf Kabel einwirken. In Industriebetrieben entstehen die weitaus größten Störungen beim Abschalten induktiver Lasten. Die bei diesem Vorgang entstehenden großen, hochfrequenten Spannungssprünge werden als „Bursts“ bezeichnet. Bursts haben Frequenzspektren bis 100 MHz.

Gegenmaßnahmen:

• Im Fern- und Nahfeld Schirme mit hohen Absorptions- und Reflexionsvermögen einsetzen (Kupfer oder Aluminium). Hierbei sollten leitfähige und möglichst vollkommen geschlossene Schirme mit niedrigem Kopplungswiderstand und günstigen Schirmdämpfungswerten eingesetzt werden. (Schirmung)
• Bei einem überwiegend magnetischen Nahfeld, insbesondere bei tiefen Frequenzen sollte zusätzlich mit MU-Metall oder einem amorphen Metall geschirmt werden.

Die Art der Schirmanbindung richtet sich in erster Linie nach der zu erwartenden Störbeeinflussung. Zur Unterdrückung von elektrischen Feldern ist eine einseitige Erdung (1) des Schirms notwendig. Störungen aufgrund eines magnetischen Wechselfelds werden dagegen nur unterdrückt, wenn die Schirmung beidseitig durchgeführt wird. Bei einer beidseitigen Schirmauflage (2) entsteht jedoch eine Erdschleife mit ihren bekannten Nachteilen. Insbesondere die galvanischen Störungen entlang des Bezugspotenzials beeinflussen das Nutzsignal und verschlechtern die Schirmwirkung. Abhilfe kann hier der Einsatz von Triaxialkabeln (4) schaffen, wobei der innere Schirm einseitig, der äußere Schirm beidseitig angeschlossen wird. Zur Minderung von galvanischen Störeinflüssen bei einem beidseitig angeschlossenen Leitungsschirm wird oftmals auch eine Seite über einen Kondensator mit dem Bezugspotenzial verbunden (3). Dies unterbricht die Erdschleife zumindest für Gleich- und niederfrequente Ströme.

Zur Verdeutlichung der Effektivität von Maßnahmen zum Schutz gegen Störbeeinflussungen dient das folgende Beispiel. Die gezeigte Anordnung wird einem magnetischen Wechselfeld mit 50 kHz auf einer Länge von 2 m ausgesetzt. Die am Ausgang gemessene Störspannung wird dabei in Relation zu der Störspannung bei nicht angeschlossenem Leiterschirm (1) 0 dB angegeben. Bei einer einseitigen Schirmung (2) ergibt sich keine Verbesserung, da er bei magnetischen Störungen nicht wirkt. Ein beidseitig angeschlossener Schirm wie in Bild 3 dämpft das Störfeld um ca. 25 dB. Die verdrillte Leitung (20 Schläge/m) zeigt in der Anordnung (4) bereits ohne Schirmung eine geringere Störanfälligkeit (ca. 10 dB), was durch die kompensierende Wirkung der Leiterschlaufen erreicht wird. Der dann einseitig angeschlossene Schirm (5) zeigt wieder keine Verbesserung. Erst der beidseitig angeschlossene Schirm in Anordnung (6) verbessert die Dämpfung auf ca. 30 dB.