Methoden der Netzwerkmodellierung von Transferfunktionen indirekter Blitzeffekte auf Grundlage numerischer Simulation in Zeit- und Frequenzbereich

Abstract

Der Blitzschutz von Systemen mit elektrischer und elektronischer Ausrüstung ist geprägt von prinzipiell gut verstandenen und etablierten Schutzkonzepten [HWZ05]. In bestimmten Hochtechnologiebereichen, und hier ist speziell die Luftfahrtindustrie anzuführen, ist der Blitzschutz jedoch in den letzten Jahren wieder verstärkt in den Fokus von Entwicklung und Forschung gerückt. Dies ist maßgeblich mit der Einführung von Kohlefaserverbundstoffen verknüpft, welche vormals metallische Komponenten ersetzen. Mit dieser Ersetzung gehen mechanische und wartungstechnische Vorteile einher, aus elektrotechnischer Sicht folgen aus der Verwendung von Kohlefaserverbundstoffen aber verschlechterte Eigenschaften der Elektromagnetischen Verträglichkeit und des Blitzschutzes aufgrund verringerter elektrischer Leitfähigkeit. Innerhalb des Blitzschutzes wird zwischen direkten und indirekten Blitzeffekten unterschieden. Direkte Blitzeffekte beziehen sich auf direkte Wirkungen des Blitzstromes auf ein zu schützendes System und beinhalten thermische und mechanische Wirkungen [HWZ05]. Um kohlefaserbasierte Komponenten an blitzstromgefährdeten Positionen zu schützen, werden daher häufig metallische Schichten, etwa in Form von Kupfernetzen, in das Kohlefasermaterial einlaminiert. Dieser Schutz vor direkten Blitzeffekten wird im Folgenden nicht weiter betrachtet. Indirekte Blitzeffekte beziehen sich auf feldgebundene Wirkungen. Modelliert wird hier üblicherweise ein Blitzstrom als Störquelle, der entweder über das zu schützende System fließt oder einen elektromagnetischen Puls auslöst, und eine an einer Störsenke definierte Störspannung. Blitzströme und dadurch induzierte Störspannungen sind über elektromagnetische Feldwirkungen verknüpft und ihre Verhältnisse definieren Transferfunktionen indirekter Blitzeffekte, deren numerische Bestimmung im Folgenden beschrieben wird. Dazu geeignete Vorgehensweisen sind prinzipiell bekannt [ADG08], doch treten in der Praxis oftmals numerische Schwierigkeiten auf, die durch die vergleichsweise lange Dauer und dem damit verbundenen niederfrequenten Spektrum der Blitzanregung begründet sind. Im Folgenden dieses Beitrages werden Leitlinien formuliert, um mit bestehenden numerischen Feldberechnungsverfahren die für die EMV relevanten Transferfunktionen indirekter Blitzeffekte berechnen zu können. Dazu werden zunächst in Abschnitt 2 die diesen Berechnungen innewohnenden Schwierigkeiten erläutert und eine analytische Lösung zur Impedanzberechnung von streifenförmigen Leitern als Benchmarktest für numerische Feldberechnungsprogramme vorgeschlagen [GH13]. Darauf aufbauend wird in Abschnitt 3 die Makromodellierung von Blitztransferfunktionen beschrieben und weiterhin ein adaptives Verfahren skizziert [DPD09, AG11], welches die Berechnungsdauer von Zeitbereichsverfahren durch die Wahl geeigneter Anregungsverfahren deutlich verkürzen kann.