OE2XHM -- Hochkönig 70cm

Durch seine exponierte Lage ist das Matrashaus extremen Witterungseinflüssen ausgesetzt. Bei der Planung der Relaisstation war die Erstellung eines Blitzschutzkonzepts eine der anspruchsvollsten Aufgaben. Man bewegt hier vorwiegend auf experimentellen Wegen. Die Meinungen von Fachleuten klaffen häufig sehr weit auseinander. Eine Pauschallösung gibt es hier nicht - zu viele nur schwer berechenbare Faktoren müssen in die Überlegungen miteinbezogen werden. Fels und Stein bieten Blitzen zwar keine gute Bodenleitfähigkeit und dennoch wird das Haus jedes Jahr von zahlreichen direkten Einschlägen getroffen. Dass dabei das Relais noch nie einen Schaden erlitten hat, ist vielleicht bis zu einem gewissen Grad ein Wunder, bestätigt jedoch vielmehr die bisherige Wirksamkeit der Schutzmaßnahmen.

Wie kann man eine Relaisstation an einem derartigen Standort vor Schäden durch Blitzeinschläge schützen?
 
Das Gesamtkonzept am Matrashaus macht sich die bauliche Struktur des Objektes zu Nutze, da das Gebäude an sich bereits Idealvorstellungen entspricht: Komplette Metallbedeckung des kuppelförmigen Daches und der Außenfassade zusammen mit einem Netzwerk aus Fangstangen und sternförmigen Ableitungen sowie Erdern bilden eine Art Faradaykäfig. In dessen Inneren würde es somit keine Gefahr weder für Leben noch für Elektronik geben, wenn es da nicht „undichte Stellen“ gäbe durch die Teile der Blitzenergie eindringen können. Das sind im Wesentlichen alle (elektrisch leitfähigen) Leitungen die von außen in das Innere des Gebäudes führen und die gibt es praktisch bei jedem Haus: Strom, Telefon, Datenkabel, ev. Wasserleitungen etc. Am Matrashaus sind es hauptsächlich Stromzuleitungen der Fotovoltaikanlage sowie die Antennenkabel der Relaisstation.

Genau an diesen Punkten der Leitungseinführungen liegt oft der Knackpunkt. Antennenkabel werden direkt ins Innere geführt. Das kann zu einem Abfließen eines Teiles des Blitzstromes durch das Gebäude und seine Installationen führen. Um dadurch entstehende Schäden systematisch zu vermeiden, gibt es das sogenannte " Schachtelmodell", in der Fachsprache " Blitzschutzzonenkonzept" (BSZ) genannt (vgl. folgende Abbildung).

 
Quelle: http://www.blitzkugel.de/blitzschutz.htm

Die äußerste Schachtel am Hochkönig stellt das Matrashaus selbst dar. Es ist vollkommen metallbedeckt und schützt das Innere vor elektrischen Feldern. Problematisch sind oben genannte Leitungseinführungen in das Haus. Wichtig ist, dass an jedem solchen Übergang entsprechende Maßnahmen getroffen werden müssen, um die Blitzenergie nicht in das Innere des Hauses zu verschleppen.
Auf der Fotovoltaikseite sind an allen Kabeleinführungen unmittelbar an der Durchführung ins Innere des Hauses leistungsfähige Blitzstromableiter montiert.
Antennenseitig gibt es folgende Charakteristika: Die robuste Dipolantenne (Fa. Kathrein, Modell K 75 29 21) selbst bietet von sich aus bereits erhebliche Vorteile gegenüber anderen Antennenbauformen. Über die Anpassung sind Innen- und Außenleiter gleichstrommäßig kurzgeschlossen, sodass zwischen den beiden Leitern hier keine gefährliche Potentialdifferenz auftreten kann. An der Durchtrittsstelle der Koaxialkabel durch das Dach sind die Kabelschirme mit speziellen Schirmanschlussklemmen (Fa. Pflitsch) leitend mit der Dachhaut bzw. dem äußeren Blitzschutz verbunden. Diese Maßnahme wird bei manchen Relaisstationen bzw. Funkanlagen vernachlässigt, ist aber blitzschutztechnisch enorm wichtig.

Die nächstinnere Schachtel ist der Metallkasten der Relaisstation der wie das Haus selbst quasi als Faraday-Käfig wirkt. Wiederum werden an der Durchtrittsstelle entsprechende Maßnahmen notwendig, um die Blitzenergie vom Inneren dieser Schachtel fernzuhalten. Die Relaisstation wird vom Keller aus (Batterieraum) mit 24 Volt Gleichstrom versorgt. Die Minusseite der Fotovoltaik dient im Hausnetz gleichzeitig als Potentialausgleich und ist mit dem äußeren Blitzschutz verbunden. Plusseitig kommen sowohl batterie- als auch relaisseitig Überspannungsableiter mit Hochleistungsvaristoren (Phoenix Contact, Valvetrab, 40 kA max. Ableitstoßstrom Typ 8/20 µs, <25 ns Ansprechzeit, optische Defektanzeige) zum Einsatz. Diese sollen Wechselwirkungen zwischen dem Relaissystem und dem hauseigenen Netz verhindern. In den Jahren seit der Inbetriebnahme hat noch keiner der Ableiter einen Defekt gezeigt. Das lässt auf eine geringe Beanspruchung und damit vor allem auf wirksame vorgelagerte Maßnahmen schließen.
Antennenseitig sind wiederum die Kabelschirme mit dem Blechkasten verbunden. Zusätzlich sind hochwertige Überspannungsableiter mit Gaspatronen (Phoenix Contact, Coaxtrab, 20 kA Nennableitstoßstrom Typ 8/20 µs, 100 ns Ansprechzeit)  eingebaut.
Da Innen- und Außenleiter des Koaxkabels durch Antenne sowie Weiche (zumindest gleichstrommäßig) kurzgeschlossen sind, ist unwahrscheinlich, dass diese Gaspatronen überhaupt beansprucht werden.

Die innerste Schachtel stellt das Relais (der Baugruppenträger) selbst dar. Gleichstromseitig sind im Spannungswandler 24/12 Volt (Input 12-60 Volt) fünf parallel geschaltete Varistoren vom Typ S20K75. eingebaut. Um zu verhindern, dass diese „schwächeren“ Varistoren (niedrigere Ansprechspannung) vor den „starken“ Ableitern im Gleichstromanschluss ansprechen, ist in die Zuleitung zum Spannungswandler eine sogenannte Entkopplungsinduktivität zwischengeschaltet. Diese besteht aus einem 60mm-Ringkern mit einfacher, teflonisolierter Wicklung.
Antennenseitig stellt am Relais selbst die Antennenweiche den besten Schutz vor Überspannung dar. Genauso wie am Dipol sind hier Innen- und Außenleiter gleichstrommäßig kurzgeschlossen. Dadurch wird verhindert dass der empfindliche Empfängereingang zerstört wird.

An den (geschirmten) Verbindungsleitungen zwischen Spannungswandler, Sender-, Empfänger- sowie Steuerungsplatine sind an allen gefährdeten Leitungen Varistoren (z.B. S20K14) bzw. Suppressordioden (Überspannungsschutzdioden) eingebaut. Letztere kommen vor allem bei empfindlichen Signalleitungen (z.B. Ein-/Ausgänge der DTMF-Steuerung) zum Einsatz.

Durch dieses verschachtelte Netzwerk wird die Gefahr durch einwirkende Überspannungen schrittweise reduziert. Generell ist die Dimensionierung der Schutzelemente eine schwierige Aufgabe, weil nicht zuletzt auch Leitungslängen einen nicht unerheblichen Einfluss haben (vgl. Entkopplungsinduktivität). Zudem spielt der Kostenfaktor eine nicht unwesentliche Rolle. Die größte Schwierigkeit liegt wohl darin, mit den begrenzten zur Verfügung stehenden Mitteln einen maximalen Schutzeffekt zu erzielen.

In den letzten Jahren gab es immer wieder direkte Blitzeinschläge in das Matrashaus am Hochkönig. Einmal wurde ein auf der Mastspitze befindlicher 2m-Sperrtopf (Fa. Kathrein) zerstört und an dessen Stelle befindet sich nunmehr eine Fangstange. Wie oft der Antennenträger selbst direkt getroffen wurde lässt sich schwer ermitteln. Einschlagspuren lassen sich an mehreren Stellen der Fangstange erkennen (siehe Bild oben). Dennoch gab es bisher noch keine einzige Funktionsstörung am Umsetzer. Offenbar lässt das den Schluss zu, dass die eingesetzten Schutzeinrichtungen effektiv genug arbeiten. Wahrscheinlich leistet die vorhandene bauliche Struktur des Hauses (komplette Metallbedeckung) den größten Beitrag dazu.

Vor einem verheerenden Blitztreffer ist kein Relais(betreuer) gefeit und an dieser Stelle kann auch kein Anspruch auf eine "vollendete" Ausführung gestellt werden. Das hier beschriebene System des Blitzschutzes für eine Relaisstation im Hochgebirge ist bestimmt vielmehr "nach Gefühl" als durch technisch-physikalisches Fachwissen entstanden. Nichtsdestotrotz zeigt die mittlerweile mehrjährige Erfahrung seine praktische Wirksamkeit.

Empfohlene Literatur: Vojtech Kopecky, EMV, Blitz- und Überspannungsschutz von A - Z: Sicher planen, prüfen und errichten, Hüthig & Pflaum, 2. Auflage, 2005.

Interessant sind ebenfalls Überlegungen z.B. zur Wahl der Antennen sowie zu allgemeinen Ausführungsdetails der Anlage:

Koaxialkabel: H2000 (ohne Luftkammern im Dielektrikum), verlegt in einem zusätzlichen Schutzmantel.

zusätzlicher Schutzmantel: Führung der Kabel im Metallrohr bzw. im Kautschuk-Gewebeschlauch (Semperit) - siehe Bilder oben bzw. unter "Fotolink". "Fliegende" Installation im Freien und eine Befestigung mit Isolierband, billigen Kabelbindern oder Elektroinstallationsrohren aus Kunststoff haben an einem derart exponierten Standort keine hohe Lebenserwartung.

Befestigungen: selbstsichernde Kabelbinder aus rostfreiem Stahl

Stromzuleitungen: 24 Volt DC über Fotovoltaik, Minusleitung ist gleichzeitig Potentialausgleich 16 qmm Kupfer, Plusleitung 10 qmm Kupfer, jeweils 35 Meter. Der große Querschnitt der Plusleitung hält einerseits den Spannungsabfall gering, und lässt andererseits einen ausreichenden Kurzschlussstrom zu sodass im Fehlerfall eine Schutzsicherung zuverlässig ansprechen kann.

Antenne: Dipol vertikal, Kathrein K 75 29 21, feuerverzinkter bzw. rostfreier Stahl, Montage vormast, Abstand lambda/4, Richtung Norden, großer vertikaler Öffnungswinkel von 78° - essentiell zur Versorgung der nahen Tallagen! Gestockte Rundstrahler mit hohem Gewinn durch starke vertikale Bündelung sind für so exponierte Standorte ungeeignet! Sie mögen zwar große Reichweiten erzielen, strahlen jedoch über den Nahbereich einfach hinweg.

Antennenweiche: Celwave bzw. Procom DPF 70/6-7/9, die Sperrdämpfung liegt bei 85 dB bei einer Masse von nur 1 kg und einer Durchgangsdämpfung von unter 1 dB (vgl. Filterkurve oben).

DTMF-Steuerung: "µP-Steuereinheit für Relaisfunkstellen REL05 V1.5" nach Jean Thilges DJ0VL/LX1OX, ca. 50 Konfigurationsparameter, über 100 Fernsteuerbefehle, von Auftastsperre bis Tonruf-Empfindlichkeit. Außerdem lässt sich eine detaillierte Nutzungsstatistik bei Verbindung zum PC auslesen.

Reservegerät: Für rasche Abhilfe im Störfall steht ein komplettes Zweitgerät inkl. Antennenweiche zur Verfügung. Allerdings kann ein Gerätetausch nur manuell und deshalb nicht außerhalb der Bewirtschaftungszeit (etwa von Ende Juni bis Ende September) erfolgen.

Temperatur: Es gibt neben der Abwärme der Geräte keine zusätzliche Heizung im Relaisschrank. Allerdings bietet eine Isolierbox im Winter Schutz vor Kälte. Der Baugruppenträger "verbrät" im Standbybetrieb bei 12 V etwa 300 mA womit zumindest ein paar Watt ständig in Wärme umgesetzt werden. Sonstige Bauelemente werden durch die Kälte nicht beeinträchtigt oder sind dementsprechend spezifiziert (z.B. Antennenweiche -30 bis +60°C).

 

Christoph Winter, OE2WCL.

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