EMV in großen Anlagen Erdung beim European XFEL. H.Kapitza (DESY-FLA) Technisches Seminar M DESY,

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1 EMV in großen Anlagen Erdung beim European XFEL H.Kapitza (DESY-FLA) Technisches Seminar M DESY,

2 Inhalt 2 1. Erdung allgemein a. Grundsätzliches b. Blitzschutz c. Schutzerdung d. Funktionserdung 2. Erdung beim XFEL a. Das XFEL-Bauwerk b. Schacht- und Hallenerdung c. Tunnelerdung 3. Zusammenfassung

3 Grundsätzliches 3 Es gibt drei Gründe, eine Anlage zu erden: Schutz vor Blitzschlag Schutz vor elektrischem Schlag und Feuer durch Funkenbildung Schutz vor Fehlfunktion elektrischer Gerätschaften Dementsprechend unterscheidet man Blitzschutz (lightning protection) Schutzerdung (safety grounding) Funktionserdung (signal grounding) Die Prioritäten sind völlig klar, wie es H.W.Ott treffend sagt: First make it safe and then make it work properly without compromising the safety.

4 Blitzschutz 4 Der äußere Blitzschutz ist beim XFEL der einzige Fall, bei dem ein guter Kontakt der Erdungsanlage mit dem Erdreich wichtig ist. Der Blitzstrom verteilt sich im Erdreich und kompensiert dort die von der Gewitterwolke influenzierte Ladung. Der innere Blitzschutz wirkt gegen indirekte elektromagnetische Blitzeinwirkungen.

5 Gefährdung durch elektrischen Strom 5 Körperströme 50 ma sind lebensgefährlich. Auf dieser Tatsache basieren alle einschlägigen Schutzmaßnahmen.

6 Schutzerdung (safety grounding) 6 In Gestalt des Schutzleiters (PE = protective earth) ist die Schutzerdung integraler Bestandteil der Niederspannungsversorgung (400 V Dreiphasenwechselstrom). Beim XFEL haben wir ein TN-S-System mit separatem N- und PE-Leiter für die Rückführung von Betriebs- und Fehlerströmen. Sie sind nur am Erdungspunkt des Transformators verbunden. Die wichtigste Eigenschaft des Schutzleiters ist eine niedrige Impedanz, damit im Falle eines Körperschlusses die Sicherung zuverlässig fliegt. Alle zugänglichen metallischen Teile einer Anlage müssen elektrisch leitend verbunden werden: Potentialausgleich (equipotential bonding). Das verhindert gefährlich hohe Berührungsspannungen (Spannungsteilung an L und PE) bevor der Stromkreis unterbrochen wird.

7 Funktionserdung (signal grounding) 7 Das Schutzerdungssystem ist also eine kompliziert geformte anlagenweite Elektrode, auf der Fehlerströme zurück zu ihren Quellen fließen und dabei Schutzeinrichtungen auslösen. Die Funktionserdung kommt ins Spiel, wenn beabsichtigt oder nicht Betriebsströme im Erdungssystem fließen. Mögliche Ursachen: beidseitig geerdete Schirme von Koaxialkabeln (Teilung des Rückstroms) induktive Kopplung in Leiterschleifen (Common-Mode-Ströme) kapazitive Kopplung gegen Erde (Rückweg niedrigerer Impedanz) Damit wird das Erdungssystem zu einer gemeinsam genutzten (shared) anlagenweiten Elektrode, über die viele Betriebsströme zurück zu ihren Quellen fließen. Das führt zwangsläufig zur Strommischung, einer maßgeblichen Quelle elektromagnetischer Interferenz (EMI). Gegen EMI hilft hier niedrige Impedanz ( niedrige Störspannungen aus Common Impedance Coupling) und Topologie.

8 Topologien von Erdungssystemen 8 L < /20 GROUND PLANE (mesh w < /50) galvanische Kopplung an gemeinsamer Impedanz: schlechtes System bzgl. EMI geringe Kabelkosten: absolut ok bei einem Schutzerdungssystem beste Signalerdung bei niedrigen Frequenzen (zu hohen Kabelkosten) Kabelinduktivitäten und Streukapazitäten zerstören die Sterntopologie bei hohen Frequenzen adäquate Erdung bei hohen Frequenzen: niederimpedante Anbindung an eine Masseebene (ground plane) Strommischung bei niedrigen Frequenzen Große Erdungssysteme sind hierarchisch strukturiert, intern hat dann jede Box wieder eine der drei Basistopologien.

9 Dimensionierungsregeln für Erdungssysteme 9 In großen Anlagen sind zwei frequenzabhängige Faustregeln zu beachten: Die Ausdehnung eines Single Point Ground Systems in Sterntopologie sollte (= 30 1 MHz) nicht überschreiten, weil der Stern dann von Kabelinduktivitäten und Streukapazitäten zerstört wird. Die Masseebene eines Multi Point Ground System kann durch ein Netz mit einer Maschenweite < (= 6 1 MHz) angenähert werden. Bei allen Erdungsfragen ist es wirklich wichtig, sich den Fluss der Ströme klar zu machen.

10 Ausgedehntes hierarchisches Erdungssystem 10 Lokale Erdungsgebiete sind an eine ausgedehnte Masseebene angeschlossen (facility ground). Facility Ground

11 European XFEL Eine ausgedehnte Anlage 11 Gesamtlänge lang Ein maximaler Strom von 40 ka und eine Pulsleistung von 360 MW wird über die Pulskabel aus der Modulatorhalle in den Linac- Tunnel geschickt. Davon dürfen nicht einmal ppm-anteile in Instrumente entkommen! 27 Pulskabel: U = 8.9 kv I = 1.5 ka T = 1.57 ms f = 10 Hz L

12 European XFEL: Lageplan 12

13 European XFEL: Gebäudetypen 13 Hall Shaft Tunnel XFEL Gebäudetypen: Hallen, Schächte, Tunnel Erdbedeckung m Hoher Grundwasserspiegel Tiefbau im Hamburger Raum hat so seine Herausforderungen

14 XFEL-Schächte: Schlitzwände 14 Eine moderne Technik zur Herstellung von Baugruben in feuchten Gegenden

15 XFEL-Schächte: Verankerung der Baugrube 15 Die Baugrube muss dem Erd- und Wasserdruck standhalten, also mit GEWI-Pfählen verankern.

16 XFEL-Schächte: Unterwasserbetonsohlen 16 Baugrube unten abdichten und auspumpen. Experimentierhalle XHEXP1 vor und nach dem Auspumpen

17 XFEL-Erdungskonzept 17 Die Erdung wurde beim XFEL-Design schon früh bedacht: Bester Ansatz, um EMV ordentlich zu implementieren. Moderne Bautechniken schaffen Rahmenbedingungen für Erdung und Blitzschutz (z.b. wasserdichter Beton). Aber sie bieten auch Möglichkeiten. Dimensionen werden durch Normen vorgegeben, aber auch durch erwartete EMI. Es lohnt sich, EMV- Experten früh zu konsultieren. Die Baufirmen bekommen natürlich schönere Pläne

18 XFEL Facility Ground 18 EMI-Signale bei FLASH haben Frequenzen < 2 MHz. Wegen seiner Länge >> braucht der XFEL ein hierarchisches Erdungssystem. Für eine möglichst niedrige Impedanz muss die anlagenweite Ground (Plane) so viel durchgehende metallische Infrastruktur wie möglich enthalten (Bewehrung, Rohre, Kabeltrassen,...) Diese Komponenten bilden eher ein Netz als eine Ebene, also eine Maschenweite MHz)/50 = 3 m anstreben.

19 Blitzschutz in XHEXP1 19 Unter der Betonsohle der Baugrube wurde von Tauchern ein 10 x 10 m Netz aus V4A-Seil verlegt. An ausgewählten GEWI-Ankern werden Anschlüsse durch die Betonsohle in die Boden- platte der Halle geführt.

20 Fundamenterdung XHEXP1 20 In der XHEXP1-Bodenplatte befinden sich Tausende Tonnen von Stahl, der aber größtenteils gerödelt, also elektrisch nur lose verbunden ist. Das garantierte Fundamenterdungsnetz hat 5 x 5 m Maschen aus Stahlband St/tZn 30 x 3.5 mm. Es ist zum Blitzschutzerder durchverbunden. In 10 m Abständen gibt es vertikalen Bandstahl in den Hallenwänden. Der wird später mit der Fanganlage auf dem Dach von XHQ verbunden.

21 Erdungsdetails XFEL-Schächte 21 Erdungsnetz Erdungsfestpunkt Erdungsfestpunkt mit PA-Schiene Erdungsfahne

22 XFEL-Tunnelerdung 22 In bewohnten Gegenden ist Tunnelbohren die einzig mögliche Technik. Die Tübbingsegmentierung der Tunnelwand passt gut zur geforderten Maschenweite des EMV-Netzes. Tunnel XTD1 mit 6+1 Tübbingen/Ring

23 Tunnelerdung: Tübbingverbindungen 23 Der Bewehrungsstahl der Tübbinge ist ein wesentlicher Teil der Metallinfrastruktur, die als XFEL Facility Ground dient. Jeder Tübbing hat drei äußere Anschlüsse an seinen Stahlkorb. Tübbinge werden untereinander so verbunden, dass Strom in Richtung der Tunnelachse fließen kann.

24 Einbindung der Tübbingbewehrung in den Facility Ground 24 Tübbing-Bewehrungskörbe Erdungshülse Tübbingkorb in Gießform Produzierte Tübbinge Erdungspunkte gesetzter Tübbinge Verbundene Tübbinge

25 Weitere Tübbingdetails 25 Halfenschienen und Anschweißbänder für die Module sind ebenfalls mit dem Bewehrungskorb verschweißt. Das bedeutet automatische Erdung aller dort befestigten Metallteile.

26 Sohlgewölbe im XTL 26 Automatische Einbindung der Pulskabelpritschen ins Erdungssystem

27 Zusammenfassung Es lohnt sich, EMV und Erdung zu planen je eher, desto besser. First make it safe, then make it work without compromising the safety. Eine ausgedehnte Anlage braucht ein hierarchisches Erdungssystem, d.h. lokale Erdungsgebiete, die an ein anlagenweites Erdungsnetz angeschlossen sind. Es ist wichtig, die Ströme unter Kontrolle zu haben, speziell die der XFEL-Pulskabel. Moderne Bautechniken stellen Bedingungen an das Design von Erdung und Blitzschutz, bieten aber auch Möglichkeiten. Vielen Dank an die M-Kollegen, mit denen ich all die Jahre gern zusammengearbeitet habe! 27