Überspannungsschutz

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Unter Überspannungsschutz wird der Schutz elektrischer und elektronischer Geräte vor zu hohen elektrischen Spannungen verstanden. Überspannungen können durch einen Blitz, durch kapazitive oder durch induktive Einkopplungen anderer elektrischer Systeme hervorgerufen werden. Auch elektrostatische Entladungen (ESD), die schon bei einfachen Handhabungen entstehen können, können Überspannungen hervorrufen.

Der Überspannungsschutz ist Teil der DIN-Blitzschutznorm VDE 0185. Diese Norm ist im Jahr 2002 überarbeitet und in 4 Teilen herausgegeben worden. Diese Norm ist übergegangen in die VDE 0185-305(2007) mit 3 Teilen.

Blitzstromableiter, Klasse 1 mit Funkenstrecke, Nennspannung 400 V

Ursachen für Überspannungen[Bearbeiten]

Überspannungsschutz, Nennspannung 110 kV, in einer Freiluftschaltanlage

Eine der Hauptursachen für kritische Überspannungen sind Blitzeinschläge in Energie- und Signalleitungen und in deren Nähe. Durch kapazitive und induktive Wirkungen der Blitze (LEMP von engl. lightning electromagnetic pulse) werden in Leiterschleifen in der Umgebung von ca. 200 Metern unzulässige Spannungen induziert. Bis ca. 2 km können durch ohmsche Effekte (Erdwiderstand) noch gefährlich hohe Potentialdifferenzen auftreten.

Auch durch Schaltvorgänge im Mittel- oder Niederspannungsnetz im Haus können Überspannungen (SEMP von engl. switching electromagnetic pulse) auftreten. So treten in Leitungen neben Leuchtstofflampen mit konventionellem Vorschaltgerät (Drossel) oder beim Abschalten von Motoren Schaltüberspannungen bis mehrere Kilovolt auf.

Oberirdische Atombomben-Explosionen verursachen durch den nuklearen elektromagnetischen Puls (NEMP von engl. nuclear electromagnetic pulse) extrem energiereiche Überspannungen.

Energiearme, aber sehr steile Überspannungsimpulse entstehen durch elektrostatische Entladungen – sie gefährden insbesondere empfindliche elektronische Bauelemente und Baugruppen und werden durch unsachgemäße Handhabung und Transport verursacht.

Gegenmaßnahmen[Bearbeiten]

Blitzschutz[Bearbeiten]

Besonders wichtige oder gefährdete Gebäude werden mit Blitzschutzsystemen ausgerüstet. Dazu gehört der äußere Blitzschutz mit seinen Fangleitungen, Ableitern und Erdern sowie der innere Blitzschutz. Der innere Blitzschutz umfasst alle Maßnahmen gegen die Auswirkungen des Blitzstroms. Dazu gehören hauptsächlich der Potentialausgleich und der Überspannungsschutz.

In der VDE-Blitzschutznorm (VDE 0185 Stand 10/2006) ist festgelegt, dass ein äußerer Blitzschutz mit dem Potentialausgleich des Gebäudes verbunden werden muss. Im Falle eines Einschlags wird das Erdpotential gegenüber den Außenleitern (im TNC- und TT-Netz) stark angehoben oder abgesenkt, was Isolationsschäden und Brände zur Folge haben kann. Daher muss in jedem Gebäude mit äußerem Blitzschutz unbedingt auch der innere Blitzschutz konsequent ausgeführt werden, um die Potentialunterschiede auszugleichen, die beim Einschlag in Erdreich oder Energieversorgungsleitung (z.B. Dachständer) entstehen.

Blitz- und Überspannungsschutz ist nur dann voll wirksam, wenn alle Zugänge zum System abgesichert werden. Das umfasst in Gebäuden die Netzeinspeisung, die Datenkabel (Kabelfernsehen, Telefon), metallene Gebäudeteile und Rohrleitungssysteme.

Geräteschutz[Bearbeiten]

Gasgefüllte Überspannungsableiter

In Geräten sind die Netzstromversorgung und Datenleitungsverbindungen (LAN, Antennenkabel, Modemverbindungen) gegen Überspannungen geschützt. Da einige Netzwerkgeräte schon sehr preiswert zu bekommen sind, ist es nicht in jedem Fall sinnvoll, diese Bereiche mit Überspannungsschutz auszurüsten. Außerdem bietet die transformatorische Potentialtrennung[1] bei LAN und Ethernet einen gewissen Schutz. Glasfasernetze sind nicht gefährdet. WLAN ist nur bei exponierten Antennen gefährdet.

Gasgefüllte Überspannungsableiter isolieren, solange die Spannung unter etwa 450 V bleibt und stören nicht wegen ihrer geringen Kapazität von nur etwa 2 pF. Wird die Zündspannung überschritten, fällt der Widerstand innerhalb von Mikrosekunden auf sehr geringe Werte, wobei Stromspitzen bis zu 20 kA abgeleitet werden können. Bei Dauerbetrieb werden sie thermisch überlastet.

Die Entscheidung, welche Anlagen bzw. Systeme geschützt werden sollten, basiert auf folgenden Schwerpunkten:

  • Anlagenteile, die prinzipiell besonders gefährdet sind, sollten geschützt werden. So sind Außenantennen, lange Datenleitungen und Leitungen in der Nähe von Einrichtungen der Energieübertragung besonders gefährdet.
  • Systeme, die besonders teuer in der Anschaffung sind, sollten gut gegen Überspannung gesichert werden. Das können Computer, Spezialanfertigungen oder auch Hochleistungsnetzwerkrouter sein.
  • Gefährdung für Gebäude oder Personen: Ist ein erhöhtes Verletzungsrisiko im Fall von Überspannung gegeben, werden zusätzliche Maßnahmen zum Blitzstrom-Potentialausgleich und zur Überspannungsvermeidung getroffen. Dies wird auch insbesondere in öffentlichen Gebäuden über Normen bzw. Auflagen gesetzlich geregelt. Beispiele sind die Medizintechnik und die Elektronik von Fahrstühlen und Kränen.

Einteilung[Bearbeiten]

Einen Überspannungsschutz kann man folgendermaßen unterteilen:

  1. Schutz von Signalleitungen
  2. Schutz der Netzzuleitungen auf Niederspannungsniveau (<1000 V)
  3. Schutz von Verteilungsnetzen auf Mittel- und Hochspannungsniveau, insbesondere von Freileitungen und deren Anschlussstellen.

Je nachdem, wie hoch der Schutz angestrebt wird und wie stark die Überspannungsereignisse zu erwarten sind, werden gestaffelte Überspannungs-Schutzeinrichtungen (ÜSE) angewendet, die als Grob-, Mittel- und Feinschutz bezeichnet werden. Sie unterscheiden sich durch ihr Ableitvermögen (Energie-Absorptionsvermögen, Maximalstrom), das Abschaltverhalten (vorgeschaltete Sicherung löst aus oder nicht) und den Schutzpegel (maximal verbleibende Überspannung beim Ansprechen).

Klein- und Signalspannung[Bearbeiten]

Kleinspannungen werden häufig mit einer Suppressordiode (ähnlich einer Zener-Diode) geschützt. Auch Varistoren werden mittlerweile auch für kleine Spannungen gefertigt. Beide Elemente zeichnen sich dadurch aus, dass sie nach dem Überspannungsereignis selbsttätig wieder sperren - das interne Netz wird dadurch nicht gestört.

Die folgende Grafik zeigt die prinzipielle Funktion der Überspannungsbegrenzung mit einer Suppressordiode:

Spannungsstabilisierung mittels einer Z-Diode

In Kleinspannungs-Stromversorgungen wird gegen interne, zu Überspannung führende Defekte oft eine so genannte Klemmschaltung (Thyristoren) verwendet, welche ab einer bestimmten Überspannung durch aktiven Kurzschluss der Versorgung die Sicherung in der Zuleitung auslöst.

Eine weitere Möglichkeit sind Schutzdioden, mit denen man auch Signaleingänge von Integrierten Schaltungen schützt (Feinschutz).

In Telefonnetzen werden häufig Gasableiter und Vierschichtdioden eingesetzt (Mittelschutz).

Antennenkabel werden häufig mit Funkenstrecken (Grobschutz) und Gasableitern geschützt.

Netzspannung[Bearbeiten]

Netzzuleitungen werden in Geräten oder vorgeschalteten Zwischensteckern oft mit Varistoren geschützt. Sind Gasableiter verbaut, löst in jedem Fall die vorgeschaltete Sicherung aus, weil die Bogenentladung weiterbrennt, wenn der Überspannungsimpuls bereits vorbei und die Spannung wieder auf Nennspannung gesunken ist.

In Hauseinlässen werden ebenfalls Varistoren oder auch Funkenstrecken verwendet. Diese Schutzeinrichtungen (siehe Bild oben) verfügen über wesentlich höheres Ableitvermögen als Geräteschutzmaßnahmen.

Die Sicherung wird nach dem LS-Schalter eingebaut, sodass die dahinter liegenden Steckdosen abgesichert sind.

Mittel- und Hochspannung[Bearbeiten]

Zum Schutz der Isolatoren von Freileitungen werden Funkenstrecken verwendet. Zum Schutz von an Freileitungen angeschlossenen Transformatoren werden Varistoren verwendet. Diese kann man für beliebig hohe Spannungen herstellen. Sie bestehen aus einem Stapel von Scheiben aus Metalloxidkeramik (zum Beispiel Zinkoxid).

Grob-, Mittel- und Feinschutz[Bearbeiten]

Ein komplettes Überspannungsschutzkonzept berücksichtigt alle externen und internen elektrisch leitenden Verbindungen und ist oft in drei Stufen aufgebaut, die sich bei Gebäudeschutz im Wesentlichen an den Bemessungsstoßspannungen für die Überspannungskategorien gemäß DIN VDE 0110/IEC Publikation 664 orientieren:

Klasse A fällt in den Bereich des Energieversorgers.
Grobschutz
(Typ 1, früher Klasse B.) Der Grobschutz in der Gebäudeeinspeisung soll den Energieinhalt des Blitzes ableiten und die verbleibende Restspannung auf Werte kleiner als 1300 bis 6000 V (je nach verwendeter Technologie) begrenzen. Es wird mit Strömen von 50/100 kA mit einer Impulsform 10/350 µs gerechnet, was den typischen Werten eines direkten Blitzeinschlages entspricht. Vor wenigen Jahren galten 3000 V als guter Wert für Grobschutzableiter. Durch neue Technologien konnte der Schutzpegel auf 1300 V bei koordinierten (kombinierten) Ableitern gesenkt werden.
Mittelschutz
(Typ 2, früher Klasse C.) Der Mittelschutz befindet sich bei Gebäuden üblicherweise in den Etagenverteilern und begrenzt die verbleibenden Überspannungen auf weniger als 600 bis 2000 V und ist darauf angewiesen, dass die von ihm abzufangenden Überspannungen 4000 V nicht überschreiten.
Feinschutz
(Typ 3, früher Klasse D.) Ein Feinschutz schützt die jeweiligen Steckdosen und die Steckverbindungen aller anderen Leitungen. Er reduziert die verbleibenden Überspannungen auf das von den angeschlossenen Geräten, Baugruppen oder Bauteilen verkraftbare Maß. Die Hersteller elektrischer und elektronischer Geräte sind in den meisten Ländern verpflichtet, ihre Geräte mit einem für den sicheren Betrieb erforderlichen Feinschutz auszustatten (CE-Zeichen deutet darauf hin). In Deutschland ist dies durch das Gesetz über die elektromagnetische Verträglichkeit von Geräten (EMVG) geregelt. Dennoch gibt es signifikante Unterschiede; ein ab Werk eingebauter Feinschutz muss sich nicht automatisch auf dem gleichen Qualitätsniveau befinden wie ein guter externer Feinschutz. Insbesondere Überspannungsschutzadapter (Zwischenstecker) und Überspannungsschutz-Steckdosenleisten besitzen oft keine Sicherheit, die bei Überhitzung der Varistoren oder deren Zerstörung diese vom Netz trennen, was im Extremfall zu Bränden führen kann. Diese Schutzgeräte leiten ohnehin Überspannungen nur gegen den parallel verlaufenden Schutzleiter ab, was meistens nicht ausreicht.

Die Schutzwirkung jeder Stufe baut auf der vorherigen auf. Das bedeutet, die vorherige Stufe reduziert den Energieinhalt der Überspannung, um eine thermische Überlastung des nachfolgenden Schutzmoduls zu vermeiden (energetisch koordinierter Überspannungsschutz). Der Verzicht auf eine Stufe kann den Überspannungsschutz nahezu unwirksam machen, dies gilt ebenfalls für lange Leitungslängen zur Ableitung der Energie oder falsche Positionierung und Auswahl der Produkte. Das Herz jedes Überspannungsschutzes ist der Mittelschutz. Er ist die wichtigste Komponente und muss je nach Bedarf durch Feinschutzableiter (für empfindliche elektronische Geräte) und Grobschutz (bei vorhandenem äußeren Blitzschutz, bei Netz-Einspeisung über Dachständer, bei weitläufigen Außenanlagen und anderen Faktoren) ergänzt werden. Oftmals sind mehrere Mittelschutz- und Grobschutzeinheiten nötig: wieder nach außen führende Leitungen (Wegbeleuchtung, Schwimmbecken usw.) müssen in der Regel ebenso gesichert werden wie die Netzeinspeisung, jedoch umgekehrt: Zunächst kommt der Mittelschutz, dann der Grobschutz, da der Störstrom aus der anderen Richtung eingeleitet wird. Ableitungen von B- oder C-Ableitern dürfen nicht durch herkömmliche FI-Schutzschalter (und auch LS, je nach Ableiter und LS-Typ) geführt werden, da die hohen Ableitströme den FI bzw. den Leitungsschutzschalter bei einer Auslösung zerstören würden.

Weblinks[Bearbeiten]

Fußnoten[Bearbeiten]

  1. Überspannungsschutz im Local Area Network (LAN) - FAQ zum Blitzschutz. Website des VDE. Abgerufen am 17. November 2013.