Sekundäre Schutzeinrichtungen

Sekundäre Schutzeinrichtungen sind in zwei Kategorien eingeteilt: serielle und parallele Schutzeinrichtungen.

Serielle Schutzeinrichtungen sind ganz speziell für ein System oder eine Anwendung vorgesehen.

Parallele Schutzeinrichtungen werden u.a. für Energieversorgungsnetze, Telefonnetze usw. verwendet.

Diese Schutzeinrichtungen behandeln die Auswirkungen von Stoßüberspannungen durch Gewitter oder betriebsbedingte Schalthandlungen. Sie können in serielle oder parallele Schutzeinrichtungen eingeteilt werden – je nachdem, wie sie angeschlossen sind.

Serielle oder Parallele Schutzeinrichtung

Serielle Schutzeinrichtung

Diese Schutzeinrichtung ist mit den Stromversorgungsleitungen des zu schützenden Systems in Reihe geschaltet (siehe Abb. J17a).

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Abb. J17a – Serielle Schutzeinrichtung

Transformatoren

Die Transformatoren verringern Stoßüberspannungen durch Induktion und reduzieren die Auswirkungen von Oberschwingungen. Dieser Schutz ist nicht sehr effektiv.

Filter

Filter auf der Basis von Komponenten wie Widerstände, Induktivitäten und Kondensatoren sind geeignet für Stoßüberspannungen, die durch betriebsfrequente Störungen gemäß eines eindeutig definierten Frequenzbandes verursacht werden. Diese Schutzeinrichtung ist nicht zum Schutz von durch Gewitter verursachte Störungen geeignet.

Schwingungsbegrenzer

Schwingungsbegrenzer bestehen im Wesentlichen aus Luftspulen, die Stoßüberspannungen begrenzen sowie aus Überspannungsableitern, die Ströme begrenzen. Sie sind hervorragend geeignet, um empfindliche elektronische und EDV-Anlagen zu schützen. Sie wirken ausschließlich gegen Stoßüberspannungen. Gleichwohl sind sie äußerst sperrig und teuer.

Netzseitige Schutzeinrichtungen und statische, unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV)

Diese Einrichtungen werden im Wesentlichen verwendet, um hochempfindliche Geräte wie Computeranlagen zu schützen, die eine elektrische Stromversorgung mit einem hohen Verfügbarkeitsgrad benötigen. Sie können verwendet werden, um Spannung und Frequenz zu regeln, Störungen zu unterbinden und eine kontinuierliche elektrische Stromversorgung auch im Falle eines Netzausfalls (für die USV) sicherzustellen. Sie sind jedoch nicht gegen Stoßüberspannungen durch Blitzschlag geschützt; dafür müssen immer noch Überspannungsableiter verwendet werden.

Parallele Schutzeinrichtung

Prinzip

Der parallele Schutz wird an alle Energiepegel von Anlagen angepasst (s. Abb. J17b). Diese Art des Überspannungsschutzes wird meistens verwendet.

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Abb. J17b – Prinzip des parallelen Schutzes nach IEC 60364-5-53 (VDE V 0100-534)

Hauptmerkmale

• Die Nennspannung der Schutzeinrichtung muss der Netzspannung an den Anschlussklemmen der Anlage entsprechen.
• Gibt es keine Stoßüberspannung, sollte kein Ableitstrom durch die Schutzeinrichtung fließen, die sich im Standby-Modus befindet.
• Tritt eine Stoßüberspannung über dem zulässigen Spannungsgrenzwert der zu schützenden Anlage auf, leitet die Schutzeinrichtung den Stoßstrom schlagartig zur Erde, indem sie die Spannung auf den gewünschten Schutzpegel Up begrenzt (siehe Abb. J17c).

Wenn die Stoßüberspannung wieder abklingt, beendet die Schutzeinrichtung den Ableitvorgang und kehrt ohne Haltestrom in den Standby-Modus zurück. Dies ist die ideale U/I-Kennlinie:

• Die Ansprechzeit (t_r) der Schutzeinrichtung muss so kurz wie möglich sein, um die Anlage so schnell wie möglich zu schützen.
• Die Schutzeinrichtung muss in der Lage sein, die Energie, die von der voraussichtlichen Stoßüberspannung an dem zu schützenden Standort verursacht wird, zu beherrschen und sicher abzuleiten.
• Der Überspannungsableiter muss dem Blitzstrom standhalten können.

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Abb. J17c – Typische U/I-Kennlinie der idealen Schutzeinrichtung

Überspannungsableiter (SPD)

Überspannungsableiter (SPD) werden in elektrischen Verteilnetzwerken, Telekommunikationsnetzwerken und in Fernsteuer- und Überwachungsnetzwerken eingesetzt.

• Überspannungsableiter

Überspannungsableiter werden in MS/NS-Umspannstationen am Transformatorausgang im IT-System verwendet. Sie können Stoßüberspannungen, insbesondere Stoßüberspannungen aufgrund von Schalthandlungen sicher ableiten (siehe Abb. J17d und Abb. J17e).

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Abb. J17d – Überspannungsableiter

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Abb. J17e – Prinzip eines parallelen-geschalteten Überspannungsschutz-Systems

• Niederspannungsseitige Überspannungsableiter

Dieser Begriff bezeichnet mehrere, in Bezug auf Technologie und Verwendung unterschiedliche Geräte. NS-Überspannungsableiter werden in Form von Modulen geliefert, die in NS-Schaltanlagen einzubauen sind. Darüber hinaus gibt es Steckmodule und Ableiter, die in Steckdosen eingebaut werden können. Sie sorgen für den sekundären Schutz nahegelegener Betriebsmittel, haben aber eine geringe Durchflussleistung. Einige sind sogar in Verbrauchern eingebaut. Da sie nicht gegen starke Stoßüberspannungen schützen können, wird hier das Prinzip der Ableitkoordination angewendet.

• Überspannungsableiter für Telekommunikationsanlagen

Diese Schutzeinrichtungen schützen Telefon- oder Schaltnetzteile gegen Stoßüberspannungen von außen (Blitzeinschlag) und von innen (stoßspannungserzeugende Geräte, Schaltüberspannungen von Schaltgeräten usw.).

Diese Überspannungsableiter können auch in Telekommunikationsverteilern eingebaut oder in Verbraucher integriert werden.

Beschreibung von Überspannungsschutzgeräten

Nach IEC 61643-12 (VDE V 0675-6-12) ist ein Überspannungsschutzgerät (SPD: Surge Protective Device) ein Gerät, das dazu bestimmt ist, transiente Überspannungen zu begrenzen und Stromstöße abzuleiten. Es enthält mindestens ein nichtlineares Bauelement und begrenzt die Amplitude der Stoßspannung auf ein für elektrische Anlagen und Geräte nicht schädliches Niveau.

Die Überspannungsschutzgeräte leiten Spannungsstöße

• im Gleichtaktmodus: Außenleiter/Schutzleiter oder Neutralleiter/Schutzleiter,
• im Gegentaktmodus: Außenleiter/Außenleiter oder Außenleiter/Neutralleiter ab.

Überschreitet ein Spannungsstoß den Schwellwert für U_c, leitet das Überspannungsschutzgerät die Energie im Gleichtaktmodus zur Erde ab. Im Gegentaktmodus wird die abgeleitete Energie zu einem anderen aktiven Leiter geführt.

Das Überspannungsschutzgerät ist mit einem internen thermischen Schutz ausgestattet, der gegen Ausbrennen am Ende seiner Verwendungsdauer schützt. Bei normaler Verwendung bietet das Überspannungsschutzgerät nach Ansprechen durch mehrere Spannungsstöße keinen Schutz mehr, da es zu einem leitenden Gerät wird. Eine Anzeige informiert den Anwender über das Erreichen der Verwendungsdauer.

Moderne Überspannungsschutzgeräte sollten über eine Fernanzeige verfügen.

Der Kurzschlussschutz wird von einem externen Leistungsschalter übernommen.

Produktnormen für Überspannungsschutzgeräte

IEC 61643-11 (VDE 0675-6-11)

Überspannungsschutzgeräte für den Einsatz in Niederspannungsschaltanlagen. In dieser Norm werden 3 Prüfklassen definiert:

• Prüfklasse I: Tests für Geräte nach Prüfklasse I werden mit dem Nennentladungsstrom (I_n), einem Spannungsstoß mit der Stoßform 1,2/50 µs und dem Stoßstrom I_imp durchgeführt.
• Prüfklasse II: Tests für Geräte nach Prüfklasse II werden mit dem Nennentladungsstrom (I_n) und einem Spannungsstoß mit der Stoßform 1,2/50 µs durchgeführt.
• Prüfklasse III: Tests für Geräte nach Prüfklasse III werden mit einer kombinierten Stoßform (1,2/50 und 8/20 µs) durchgeführt.

Diese drei Prüfklassen können nicht miteinander verglichen werden, da jede von ihnen ihre eigenen Besonderheiten hat. Darüber hinaus kann sich jeder Hersteller auf eine der drei Prüfklassen beziehen.

Abb. J18 – Definitionen von SPD nach Norm

	Direkter Blitzschlag	Indirekte Auswirkungen eines Blitzschlages
IEC 61439-11 (VDE VDE 0675-6-11)	Prüfklasse I	Prüfklasse II	Prüfklasse IlI
IEC 61439-11 (VDE VDE 0675-6-11)	Typ 1:	Typ 2:	Typ 3:
IEC 61439-11 (VDE VDE 0675-6-11)	Typ 1	Typ 2	Typ 3
Prüfung mit Stoßform	10/350	8/20	1,2/50 + 8/20

• Anmerkung 1: Ableiter + (oder SPD vom Typ 1 + 2) vereinen den Schutz von Lasten sowohl gegen direkten als auch indirekten Blitzeinschlag
• Anmerkung 2: Einige Ableiter erfüllen auch die Voraussetzungen für Ableiter .

Kenndaten von Überspannungsschutzgeräten

Die Kenndaten von Überspannungsgeräten sind in der IEC 61643-11 (VDE 0675- 6- 11) festgelegt.

• Überspannungsschutzgerät (SPD): Gerät, das dazu bestimmt ist, transiente Überspannungen zu begrenzen und Stoßströme abzuleiten. Es enthält mindestens ein nichtlineares Bauelement.
• Prüfklassen: Klassifizierung von Überspannungsableitertests.
• Nennableitstoßstrom (I_n): Scheitelwert des durch das SPD fließenden Stroms mit der Stoßform 8/20. Er wird für die Klassifizierung der Prüfung von SPDs nach Klasse II benutzt sowie auch für die Konditionierung des SPD für die Prüfungen nach Klassen I und II.
• Maximaler Ableitstrom (I_max): Für Prüfungen der Klasse II; Der Scheitelwert des Stroms durch das SPD mit einer Stoßform 8/20 und eine Amplitude entsprechend dem Prüfablauf von SPDs nach Klasse II. I_max ist größer als I_n.
• Nennlaststrom (I_L): Maximaler Dauer-Wechsel- oder Gleichstrom, der zu einer an dem geschützten Ausgang der SPDs angeschlossenen Last fließen kann.
• Impulsstrom (I_imp): Ist definiert durch drei Parameter (einen Stromscheitelwert, eine Ladung Q und eine spezifische Energie W/R). Er wird für die Klassifizierung der SPD nach Klasse I benutzt.
• Netz-Nennspannung (U_n)
• Maximale Dauerbetriebsspannung (U_c): Die maximale Effektiv- oder Gleichspannung, die ständig am SPD anliegen darf. Dies entspricht der Bemessungsspannung.
• Schutzpegel (U_p): Parameter, der die Leistungsfähigkeit des SPD charakterisiert, die Spannung über seinen Klemmen zu begrenzen und der aus einer Liste von Vorzugswerten ausgewählt wird. Dieser Wert muss größer sein als der höchste Wert der gemessenen Begrenzungsspannungen.

Die gängigsten Werte bei einem 230/400 V-Netz sind:

1 kV - 1,2 kV - 1,5 kV - 1,8 kV - 2 kV - 2,5 kV bis 10 kV.

• Ansprechstoßspannung (U_res): Höchster Spannungswert vor dem Durchschlag zwischen den Elektroden der Funkenstrecke eines SPD.
• Die SPD wird charakterisiert durch U_c, U_p, I_n und I_max (siehe Abb. J19).

Abb. J19 – Zeit-/Stromkennlinie eines Überspannungsschutzgeräts mit Varistor

Anwendungsgrundsätze für Überspannungsschutzgeräte

• International: IEC 61643-12 – Auswahl und Anwendungsgrundsätze.

National: VDE V 0675-6-12

• International: IEC 60364 – Elektrische Anlagen von Gebäuden.

National: VDE 0100

• IEC 60364-4-443 (VDE 0100-443): Schutzmaßnahmen – Schutz bei Störspannungen und elektromagnetischen Störgrößen – Abschnitt 443: Schutz bei Überspannungen infolge atmosphärischer Einflüsse oder von Schaltvorgängen.

Das Verfahren der Risikoanalyse ist abgestützt auf die kritische Länge d_c der ankommenden Versorgungsleitungen und das Ausmaß der Auswirkungen von Überspannungen, wie nachfolgend beschrieben.

Bezüglich der Schutzniveaus werden die folgenden Auswirkungen unterschieden:

a) Auswirkungen in Bezug auf das menschliche Leben, z.B. Anlagen für Sicherheitszwecke, medizinische Betriebsmittel in Krankenhäusern,

b) Auswirkungen in Bezug auf öffentliche Einrichtungen, z.B. Ausfall von öffentlichen Diensten, Telekommunikationszentren, Museen,

c) Auswirkungen in Bezug auf Gewerbe- oder Industrieaktivitäten, z.B. Hotels, Banken, Industriebetriebe,Gewerbemärkte, Bauernhöfe,

Sind Auswirkungen entsprechend den Fällen a) bis c) zu erwarten, so muss der Schutz bei Überspannungen vorgesehen werden.

ANMERKUNG 2: Für die Auswirkungsfälle a) bis c) ist es nicht notwendig, bei der Risikoanalyse eine Berechnung nach Anhang B durchzuführen, weil diese Berechnung immer zu dem Ergebnis führt, dass der zusätzliche Schutz bei Überspannungen erforderlich ist.