Sicherheit im Verkehrstunnel

Blitzschutzzonen-Konzept

Um dennoch ein wirksames Blitz­schutzkonzept zu erstellen, em­pfiehlt sich der Einsatz des Blitz­schutz­zonen-Konzepts aus der Norm IEC 62305-1. Darin wird eine Anlage in mehrere Blitz­schutz­zonen (engl. Lightning Pro­tec­tion Zone, LPZ) eingeteilt, die elek­trisch und elektro­magnetisch von­einander getrennt sind (Tabelle 1). Dies wird zum einen durch Überspannungsschutzgeräte (ÜSG) an den Zonenübergängen, zum anderen mit einer elektromagnetischen Schirmung oder einem entsprechenden räumlichen Abstand erreicht. Nach diesem Ansatz wird auch die Tunnelröhre in mehrere Zo­nen unterteilt. Dabei wird berücksichtigt, dass die Röhre unter der Erde liegt, die verschiedenste Leitfähigkeiten aufweisen kann. Zudem besitzt die Tunnelröhre ein ausgedehntes vermaschtes Erdungs­system: Jedes Segment der Tunnelröhre muss sowohl ge­erdet als auch mit dem Potentialausgleich verbunden sein. Bei einem Blitzeinschlag in der nahen Umgebung des Tunnels kann durch die Erdung eine Spannungs­erhöhung in der Röhre auftreten, de­ren Höhe nicht vorhersagbar ist. So kann die gesamte Röhre besten­falls als LPZ 1 definiert werden (Bild 2).

In der IEC 60364-4-44 sind Überspannungs­ka­tegorien beschrieben. Sie reichen von Kategorie IV bis I und legen die minimale Stoßspannungsfestigkeit von Geräten fest – abhängig von ihrer Nennspannung und ihrem Einbauort. Kate­go­rie IV befindet sich am Eingang der Installation (LPZ 0_B) und be­trifft beispiels­weise Elektrizitätszähler und Transformatoren. Kate­gorie I betrifft empfindliche Geräte wie Steuerungen oder Kom­mu­ni­kationstechnik.

In LPZ 1 gilt die Überspannungskategorie III (siehe Tabelle 1), was in einem 230/400 V-System einer Spannungsfestigkeit von 4 kV entspricht. Geräte wie Steuerungen oder Sensoren bieten jedoch geringere Spannungsfestigkeiten, so dass sie nur in LPZ 2 (230/400 V: 2,5 kV) oder LPZ 3 (230/400 V: 1,5 kV) eingebaut werden können. Um diese Zonen auszurüsten, werden häufig Schalt­schränke der Schutzklasse 1 genutzt, die sich durch ihre elektromagnetische Schirmwirkung in Kombination mit ÜSG hier gut eignen.

Schutz der Energieversorgung

Die Basis für jede Anwendung im Tunnel, sei sie sicherheitsrelevant oder nicht, ist die Versor­gung mit elektrischer Energie. Die Leitungen kommen von außen in den Tunnel, können also Blitz­ströme transportieren und in den Tunnel leiten. Für die zuverlässige Funktion des Tunnels ist jedoch eine fehlerfreie Energie­ver­sorgung notwendig. Dazu werden alle Energieversorgungs­leitungen, die in den Tunnel führen, mit ÜSG Typ 1 beschaltet. Das geschieht idealerweise in einem einzigen Schaltschrank, der vor allen anderen Geräten im Tunnel platziert ist. Somit liegen geschützte und ungeschützte Leitungen nicht parallel, und induktive Einkopplungen treten nicht auf. Zu diesem Zweck wird etwa im Loppertunnel in der Schweiz der Blitzstromableiter „Flashtrab Compact FLT-CP“ von Phoenix Contact eingesetzt – eine Kombination aus jeweils einem ÜSG Typ 1 und Typ 2. Der Ableiter verbindet das hohe Stromableit­vermögen einer Funkenstrecke mit der guten Begrenzung der Überspannung durch einen Varistor (Bild 3). Bei sicherheitsrelevanten Anlagen mit Verbindung zur Außenwelt ist dieser Schutz besonders wichtig. So wurde etwa der Zweite Coentunnel in den Niederlanden mit einer Rauch- und Wärmeabzugsanlage ausgestattet, die exponiert ist. Die Ventilatoren im Kamin der Anlage werden in einem 690 V-IT-System an einem Frequenz­umrichter betrieben, der in LPZ 1 positioniert ist. Da im IT-System der erste Erdschluss ein erlaubter Fehlerfall ist, der nicht zur Abschal­tung der Versorgung führt, muss das ÜSG dauerhaft an der verketteten Nennspannung betrieben werden können. Hierfür eignet sich der leistungsstarke „Powertrab PWT“ von Phoenix Contact (Bild 1), der ursprünglich für Windenergieanlagen entwickelt wurde. Mit einer Nennspannung von 690 V AC und einer zweistufigen Funktionsmeldung sorgt er dafür, dass die Anlage zuverlässig funktioniert.

Schutz der Daten- und MSR-Leitungen

Datenleitungen und Leitungen der MSR-Tech­nik sind besonders anfällig für Beeinflussungen durch para­l­lel verlaufende Versorgungsleitungen (Bild 4). Durch die schnelle Stromänderung während des Auftretens eines Blitzstromes in der Versorgungsleitung wird ein Magnetfeld um die Leitung aufgebaut. Befindet sich im Magnetfeld eine Daten- oder MSR-Leitung, wird in diese Leitung wiederum eine Spannung induziert, die dann an dem angeschlos­senen Gerät anliegt. Zugleich reagieren die angeschlossenen Daten- und MSR-Geräte empfindlich auf Über­spannungen. Verfälschte Messwerte oder Steuerbefehle können ebenso daraus resultieren wie Beschädigung oder Ausfall dieser Geräte. Handelt es sich bei den Geräten um sicherheits­kritische Systeme wie Sichtweitenmessung, Wärmedetektion oder das Bussystem, kann dies zur automatischen Schließung des Tunnels führen.

In Tunneln, in denen Leitungen der Energieversorgung und der Daten- oder MSR-Technik über lange Strecken parallel verlegt sind, sind letztere durch induktive Einkopplung besonders gefährdet. Die Auswahl des passenden ÜSG ist genauso wichtig wie die richtige Instal­lation. Die Platzierung des ÜSG direkt vor dem zu schützenden Gerät sowie die räumliche Trennung von ungeschützten und geschützten Leitungen tragen wesentlich zur Schutzwirkung bei. Auch dafür findet sich ein Beispiel im Zweiten Coentunnel (Bild 5). Die ungeschützten Leitungen werden im Schaltschrank an dessen Außenwänden geführt, die geschützten im Kabelkanal in der Mitte. Durch die räumli­che Trennung werden induktive Ein­kopplungen von den ungeschützten auf die geschützten Leitungen verhindert.

In ÜSG für MSR- und Datenanwendungen sind üblicherweise mehrere Schutzstufen kombiniert: Blitz-, Überspannungs- und Ge­räte­schutz. Daher genügt ein ein­zel­ner Schutzbaustein vor je­dem Gerät. Die Typen sind hier ähnlich unterteilt wie in der Ener­gie­versorgung, ihre Bezeichnung unterscheidet sich jedoch davon. Der Blitzschutz wird als D1 statt Typ 1 bezeichnet, der Über­span­nungsschutz als C2 statt Typ 2 und der Geräteschutz als C1 statt Typ 3.

Um ungeschützte Leitungen zu geschützten zu machen, wird ein ÜSG eingesetzt, das auf die zu schützenden Daten und Sig­nale abgestimmt ist. Hier eignet sich das Schutzsystem „Plugtrab PT-IQ“ von Phoenix. Es schützt vor Überspannungen, erkennt und zeigt den Zustand der Ableiter an und gibt diese Informa­tion per Fernmeldung weiter – z. B. an eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS). Das Besondere daran ist, dass kritische Ableiter, die zwar noch funktionieren, sich aber ihrem Lebens­ende nähern, eben­falls erkannt werden. Diese können dann bei der nächsten Wartung ausgetauscht werden, bevor sie defekt sind.