EMV-Grundlagen in der Installation

Jedes elektrische Betriebsmittel erzeugt im Betrieb Störungen und ist gleichzeitig anfällig für fremde Störungen. EMV hat deshalb immer zwei Seiten. Die Störaussendung beschreibt, wie stark ein Gerät seine Umgebung beeinflusst. Die Störfestigkeit beschreibt, wie gut ein Gerät fremde Einflüsse verträgt, ohne Fehlfunktionen zu zeigen. Beides muss stimmen, damit eine Anlage zuverlässig läuft.

Um Störungen zu verstehen, hilft ein einfaches Dreiteilungsmodell. Jede Störung braucht eine Störquelle, einen Kopplungsweg und eine Störsenke – das gestörte Gerät. Fällt eines der drei Glieder weg, gibt es kein Problem. Genau hier setzt jede EMV-Maßnahme an: Man dämpft die Quelle, unterbricht den Kopplungsweg oder macht die Senke unempfindlicher. In der Installation hat man auf den Kopplungsweg den größten Einfluss, deshalb dreht sich der größte Teil dieses Beitrags darum.

Typische Störquellen in einer Anlage sind Frequenzumrichter mit ihren steilen Schaltflanken, getaktete Netzteile, schaltende Schütze und Relais, Schweißgeräte und teils auch Leuchtmittel mit elektronischem Vorschaltgerät. Empfindliche Störsenken sind analoge Sensorsignale, Bussysteme, Messleitungen und die Eingänge von Steuerungen. Wenn ein Sensor sporadisch falsche Werte liefert, ein Bus immer wieder abbricht oder ein FI grundlos auslöst, steckt häufig ein EMV-Problem dahinter.

Rechtlich ist EMV kein freiwilliges Thema. Auf europäischer Ebene regelt die EMV-Richtlinie 2014/30/EU die grundlegenden Anforderungen. In Österreich ist sie über das EMV-Gesetz (EMVG) national umgesetzt und damit für das Inverkehrbringen von Betriebsmitteln verbindlich. Für den Errichter einer Anlage ist daneben die fachgerechte Ausführung entscheidend – ein einzelnes CE-gekennzeichnetes Gerät garantiert noch keine störungsfreie Gesamtanlage.

Der Kopplungsweg ist das Glied, das man in der Installation am besten in den Griff bekommt. Dafür muss man wissen, auf welchen Wegen sich Störungen überhaupt übertragen. Es gibt vier Mechanismen.

Die galvanische Kopplung entsteht, wenn zwei Stromkreise eine gemeinsame Leitung oder eine gemeinsame Masse nutzen. Der Strom des einen Kreises erzeugt am gemeinsamen Widerstand einen Spannungsabfall, den der andere Kreis als Störung sieht. Typisch ist das bei einer gemeinsamen Masseleitung, über die sowohl ein Lastkreis als auch eine Messleitung geführt werden.

Die kapazitive Kopplung überträgt Störungen über das elektrische Feld. Zwischen zwei nahe beieinander liegenden Leitern wirkt eine Streukapazität. Schnelle Spannungsänderungen – etwa die Schaltflanken eines Umrichters – koppeln darüber in die Nachbarleitung ein. Je höher die Frequenz und je dichter die Leiter, desto stärker der Effekt.

Die induktive Kopplung überträgt über das magnetische Feld. Ein veränderlicher Strom in einer Leitung erzeugt ein Magnetfeld, das in einer benachbarten Leiterschleife eine Störspannung induziert. Entscheidend ist hier die Fläche der Schleife: Je größer die von Hin- und Rückleiter aufgespannte Fläche, desto mehr Feld wird eingefangen. Eine große Leiterschleife wirkt wie eine Antenne.

Die Strahlungskopplung schließlich überträgt über elektromagnetische Wellen durch den Raum. Sie spielt vor allem bei hohen Frequenzen und größeren Abständen eine Rolle und ist in der klassischen Installation seltener das Hauptproblem als die drei leitungsgebundenen Mechanismen.

Grob gilt: Bei kurzen Abständen und niedrigen Frequenzen dominieren galvanische und induktive Kopplung, bei steilen Flanken und höheren Frequenzen gewinnen kapazitive und Strahlungskopplung an Bedeutung. Für die Praxis ist die wichtigste Erkenntnis, dass fast alle Gegenmaßnahmen denselben drei Hebeln folgen: Abstand vergrößern, Schleifenflächen klein halten und sauber schirmen.

Die folgende Skizze zeigt die vier Kopplungswege zwischen einem störenden und einem gestörten Stromkreis.

Die meisten Kopplungsprobleme entstehen, weil störende und empfindliche Leitungen zu nah und zu lang nebeneinander laufen. Eine durchdachte Leitungsführung ist deshalb die wirksamste und billigste EMV-Maßnahme überhaupt – sie kostet beim Errichten nichts außer ein wenig Planung.

Die Grundregel lautet: Leistungs- und Signalleitungen trennen. Energiereiche, störende Leitungen – Motorzuleitungen, Umrichterausgänge, geschaltete Lasten – gehören in eigene Kabelkanäle, getrennt von Sensor-, Bus- und Messleitungen. Wo eine gemeinsame Trasse unvermeidlich ist, setzt man einen geerdeten Trennsteg oder hält einen Mindestabstand ein. Je größer der Abstand und je kürzer die parallele Strecke, desto schwächer die Kopplung.

Lässt sich eine Kreuzung von Leistungs- und Signalleitung nicht vermeiden, kreuzt man im rechten Winkel. Bei einer rechtwinkligen Kreuzung ist die gemeinsame Strecke minimal, und die induktive Kopplung wird klein gehalten. Parallel geführte Leitungen über lange Strecken sind dagegen der klassische Fehler.

Ein weiterer Hebel ist die Schleifenfläche. Hin- und Rückleiter eines Stromkreises sollten möglichst eng beieinander liegen, idealerweise verdrillt. Dann heben sich ihre Magnetfelder weitgehend auf, und es bleibt kaum Fläche, in die etwas einkoppeln kann. Verdrillte Adernpaare sind aus genau diesem Grund bei Busleitungen Standard.

Zur Orientierung lassen sich Leitungen grob in Kategorien einteilen, die man beim Verlegen auseinanderhält:

Die Faustregel: Kategorien mit großem Unterschied im Störverhalten möglichst weit auseinanderlegen, gleichartige dürfen zusammen.

Wenn Abstand und Leitungsführung nicht ausreichen, kommt die Schirmung ins Spiel. Ein Schirm ist ein leitfähiges Geflecht oder eine Folie, die den oder die Innenleiter umgibt und Störungen ableitet. Entscheidend ist nicht, ob ein Schirm vorhanden ist, sondern wie er angebunden wird. Ein falsch aufgelegter Schirm wirkt im schlimmsten Fall wie eine Antenne und verschlechtert die Sache.

Die erste Frage ist immer: ein- oder beidseitig auflegen? Beide Varianten haben ihren Platz. Bei beidseitiger Auflage wird der Schirm an beiden Enden mit der Bezugsmasse verbunden. Das schirmt sowohl gegen kapazitive als auch gegen hochfrequente Einkopplungen sehr gut – allerdings kann bei Potentialunterschieden zwischen den Enden ein Ausgleichsstrom über den Schirm fließen. Bei einseitiger Auflage wird der Schirm nur an einem Ende geerdet. Das vermeidet den Ausgleichsstrom, schützt aber nur gegen kapazitive Kopplung und versagt bei hohen Frequenzen.

Die praktische Regel: Für hochfrequente Störungen – also alles rund um Umrichter, Takt- und Busleitungen – legt man den Schirm beidseitig auf und sorgt über einen guten Potentialausgleich dafür, dass kein nennenswerter Ausgleichsstrom entsteht. Für rein analoge, niederfrequente Messsignale, bei denen ein Brummen durch Ausgleichsströme stört, wählt man oft die einseitige Auflage.

Genauso wichtig wie die Frage ein- oder beidseitig ist die Art der Anbindung. Der Schirm muss großflächig mit der Bezugsfläche verbunden werden, am besten über eine Schirmschelle rund um den abgesetzten Schirm. Ein häufiger und schwerer Fehler ist der sogenannte Pigtail – der Schirm wird zu einem dünnen Zopf zusammengedreht und über ein kurzes Drähtchen angeklemmt. Dieser Zopf bildet eine Induktivität, die gerade die hohen Frequenzen, gegen die man schirmen will, wieder durchlässt. Eine schöne, teure geschirmte Leitung verliert durch einen Pigtail einen Großteil ihrer Wirkung.

Die Skizze zeigt links die richtige, großflächige Anbindung über eine Schirmschelle und rechts den fehlerhaften Pigtail.

Erdung und Potentialausgleich sind das Fundament jeder EMV-Maßnahme. Wichtig ist, zwei Aufgaben auseinanderzuhalten. Die Schutzerdung dient dem Personenschutz und sorgt dafür, dass im Fehlerfall die Schutzeinrichtung auslöst. Die EMV-Erdung oder Funktionserdung sorgt für eine gemeinsame, niederohmige Bezugsmasse, damit Störungen sauber abfließen können. Beide nutzen oft dasselbe Leitersystem, verfolgen aber unterschiedliche Ziele – und beide müssen stimmen.

Für die EMV zählt vor allem ein flächiger, gut leitender Potentialausgleich. Im Schaltschrank ist die Montageplatte die zentrale Bezugsfläche. Sie sollte großflächig leitend mit dem Potentialausgleich verbunden sein, und alle EMV-relevanten Anbindungen – Schirmschellen, Filtergehäuse, Geräteerden – gehen kurz und direkt auf diese Fläche. Wichtig sind blanke, lackfreie Kontaktstellen: Eine pulverbeschichtete Montageplatte isoliert, deshalb werden Kontaktflächen freigekratzt oder es kommen Kontaktscheiben zum Einsatz. Erdungsverbindungen hält man so kurz wie möglich, weil jeder zusätzliche Zentimeter Induktivität bei hohen Frequenzen wirksam wird.

Auch die Anordnung der Geräte im Schrank ist eine EMV-Maßnahme. Starke Störer wie Frequenzumrichter und ihre Leitungen hält man räumlich von empfindlichen Steuerungen, Sensoreingängen und Busklemmen getrennt. Ein Netzfilter oder Entstörfilter gehört direkt an die Schnittstelle, an der die störbehaftete Leitung den Bereich verlässt oder betritt – also am Schrankeintritt oder unmittelbar am Umrichter. Sitzt das Filter weit entfernt mit langer ungefilterter Leitung dahinter, wirkt es kaum, weil diese Leitung die Störung gleich wieder einfängt.

Für den Errichter in Österreich ist diese Ausführung nicht nur guter Stil, sondern normativ untermauert. Die ÖVE/ÖNORM E 8101 behandelt im Teilbereich zu Maßnahmen gegen elektromagnetische Einflüsse die Anforderungen an Erdung, Potentialausgleich und Leitungsführung in elektrischen Anlagen und bildet damit die normative Grundlage für die EMV-gerechte Errichtung.

Der eigentliche Schaltschrankaufbau und die Grundlagen des Potentialausgleichs werden in eigenen Beiträgen ausführlich behandelt – hier geht es nur um den EMV-Blickwinkel auf diese Themen.