Bei im Außenbereich installierten Kamera- und Sicherheitssystemen stoßen Serviceteams häufig auf folgendes Problem: Die Haupt- bzw. Stromversorgungsplatine der Kamera, des NVR oder des PoE-Switches fällt aus, ohne dass ein direkter Blitzeinschlag oder eine offensichtliche Fehlerursache erkennbar ist. Das Gerät steht meist noch unter Garantie, die Verkabelung ist äußerlich intakt, und keine Sicherung ist ausgelöst — trotzdem brennt die Platine durch. Vor Ort wird dies als „unerwartet“ bezeichnet, obwohl es sich aus elektrotechnischer Sicht tatsächlich um ein durchaus vorhersehbares Phänomen handelt: induzierte transiente Überspannungen (transient overvoltage).
- In das System ist kein Überspannungsschutzgerät (SPD) integriert
- Vorhandene SPDs wurden in der falschen Klasse oder an der falschen Stelle ausgewählt
- Erdung und Potentialausgleich wurden unvollständig oder fehlerhaft ausgeführt
Die Ursache des Problems: Warum „unerwartet“?
Außenbereichskameras befinden sich schon ihrer Natur nach getrennt vom Hauptgebäude im Freien, meist auf einem hohen Mast oder an einer Fassade. Die Kabelstrecke von der Kamera zum Switch, NVR oder Netzteil im Innenbereich (PoE-, Koaxial- oder Stromkabel) verhält sich im Vergleich zu kurzen Datenleitungen im Gebäudeinneren wie eine viel längere „Antenne“. Diese lange Leitung induziert die sich schnell ändernden elektromagnetischen Felder ihrer Umgebung sehr leicht in sich selbst.
Der Großteil der von Serviceteams als „unerwartet“ bezeichneten Ausfälle ist tatsächlich auf einen von drei Umständen zurückzuführen:
- In das System ist kein Überspannungsschutzgerät (SPD) integriert
- Vorhandene SPDs wurden in der falschen Klasse oder an der falschen Stelle ausgewählt
- Erdung und Potentialausgleich wurden unvollständig oder fehlerhaft ausgeführt
Direkt oder indirekt? Die Rolle induzierter Spannungen
Ein verbreitetes Missverständnis vor Ort lautet: „Wenn der Blitz nicht direkt in die Kamera eingeschlagen ist, kann das Problem nicht vom Blitz herrühren.“ Wie die Normenserie IEC 62305 jedoch betont, kann selbst ein Blitzeinschlag, der nicht in die Anlage selbst, sondern in ihre nähere Umgebung einschlägt, in den umgebenden Leitern (Kabelstrecken, Metallrohre, Dachelemente) erhebliche Spannungen und Ströme induzieren. Dieser Effekt wird als indirekte Blitzwirkung (indirect lightning effect / LEMP – Lightning Electromagnetic Pulse) bezeichnet.
Das folgende Schema fasst zusammen, wie sich diese indirekte Wirkung in einem CCTV-System ausbreitet:
Das Kamerakabel verläuft über den Mast und erreicht den Switch und den NVR im Innenbereich. Ein Blitzeinschlag in der näheren Umgebung induziert auf dieser Leitung einen Spannungsimpuls in der Größenordnung von Mikrosekunden, jedoch im Kilovoltbereich. Dieser Impuls erreicht über das Kabel direkt den Strom- oder Dateneingang der Platine und führt zum augenblicklichen Durchschlag der Halbleiterbauteile (PoE-Controller, Ethernet-PHY, Spannungsregler).
Der Blitz ist nicht die einzige Quelle; derselbe Mechanismus wirkt auch in folgenden Fällen:
- Große Lastschaltungen im Netz (Zuschalten von Motoren, Kompressoren, Transformatoren)
- Potentialunterschiede in der gebäudeinternen Erdungsleitung
- Unterschiede im Erdbezugspotential zwischen verschiedenen Gebäuden/Verteilungen entlang langer Kabeltrassen
An welchen Stellen werden die Platinen beschädigt?
Die Hauptplatine einer IP-Kamera oder eines NVR kann nicht nur über einen, sondern über mehrere Wege Überspannungen ausgesetzt sein:
- Stromeingang — Impuls über die 12-V/24-V-DC-Versorgung oder die PoE-Leitung
- Ethernet-/Datenleitung — Gleichtakt- oder Gegentakt-Impuls über RJ45
- Koaxiale Videoleitung — über die Schirmung übertragener Potentialunterschied bei analogen Systemen
- Gehäuse-/Erdverbindung — durch unzureichende Erdung entstehender Unterschied zwischen Gerätegehäuse und Leitung
Es reicht aus, nur einen dieser Punkte ungeschützt zu lassen, um die Platine durchbrennen zu lassen, selbst wenn die übrigen geschützt sind; denn der Impuls nimmt immer den Weg des geringsten Widerstands — also den am wenigsten geschützten Pfad.
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Der normgerechte Ansatz: Koordinierter (gestufter) Überspannungsschutz
Die Normenserien IEC 62305 (Blitzschutz) und IEC 61643 (Niederspannungs-SPDs) beschreiben nicht einen punktuellen, sondern einen in Energieflussrichtung gestuften / koordinierten Schutzansatz. Ziel ist es, den energiereichen Impuls nicht mit einem einzigen Gerät, sondern schrittweise über sich ergänzende Geräteklassen auf ein sicheres Niveau zu begrenzen:
- Typ-1-SPD — leitet in der Hauptverteilung den Großteil des direkten oder nahen Blitzstoßstroms zur Erde ab.
- Typ-2-SPD — reduziert in der Unterverteilung schaltbedingte Überspannungen sowie die vom Typ-1-SPD durchgelassene Restspannung weiter.
- Typ-3-SPD / PoE-Leitungsschutz — ist die letzte Schutzstufe möglichst nahe an Kamera oder NVR, um die empfindliche Elektronik zu schützen; für PoE- und Datenleitungen sind separate, speziell dafür ausgelegte Leitungsschutzgeräte erforderlich.
Dass diese drei Stufen nicht unabhängig voneinander, sondern unter Berücksichtigung der Energiekoordination (normgerechte Schutzpegel und Abstände) ausgewählt werden, ist von entscheidender Bedeutung; andernfalls kann die vorgeschaltete Stufe den Impuls unzureichend begrenzen und an die nachfolgende Stufe weitergeben.
Die folgende Animation zeigt in vereinfachter Form, wie ein SPD einen auf der Leitung laufenden Spannungsimpuls auf ein sicheres Niveau begrenzt (Clamping):
Typische Fehlerstellen und empfohlener Schutz
Die fünf in der Praxis am häufigsten auftretenden Stellen und der dafür empfohlene Schutzansatz sind in der folgenden Tabelle zusammengefasst:
Insbesondere PoE-Leitungenbergen ein doppeltes Risiko, da sie sowohl Strom als auch Daten führen; deshalb muss ein Standard-Ethernet-SPD passend zu den PoE-Spannungsebenen (802.3af/at/bt) ausgewählt werden. Andernfalls kann das Schutzgerät selbst dem übertragenen Leistungsimpuls nicht standhalten und ausfallen.
Die Rolle von Erdung und Potentialausgleich
Selbst wenn die SPD-Auswahl korrekt erfolgt, wenn der Erdungswiderstand hoch ist oder kein Potentialausgleich durchgeführt wurde, verringert sich die Schutzwirkung erheblich. Ein SPD funktioniert, indem es überschüssige Energie zur Erdungsleitung ableitet; ist diese Leitung nicht ordnungsgemäß ausgeführt, kann ein Teil der Energie trotzdem über das Gerät zur Platine zurückfließen. Aus diesem Grund:
- Kameramast, Kabelkanal und der Geräteraum im Innenbereich müssen an dasselbe Erdungs-/Potentialausgleichssystem angeschlossen werden.
- Bei Kabelstrecken zwischen verschiedenen Gebäuden oder weit entfernten Punkten ist zusätzlich der Erdpotentialunterschied zwischen den beiden Enden zu bewerten.
- Der Erdungswiderstand muss periodisch gemessen und seine Übereinstimmung mit den jeweiligen Projekt-/Normanforderungen überprüft werden.
Platinenausfälle bei Außenbereichs-Kamera- und Sicherheitssystemen sind meist kein „Unglück“, sondern die Folge davon, dass Überspannungsrisiken bereits in der Entwurfsphase des Systems außer Acht gelassen wurden. Eine in der richtigen Klasse und an den richtigen Stellen ausgewählte, gestufte SPD-Architektur verhindert zusammen mit einer soliden Erdungs-/Potentialausgleichsausführung die große Mehrheit solcher Ausfälle.
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Als Yılkomer, IEC 62305 und IEC 61643 bieten wir technische Unterstützung für CCTV- und Sicherheitssystemprojekte in den Bereichen Risikoanalyse, Auswahl von Schutzgeräten und Ausführung vor Ort.
