Was versteht man unter Überspannungsschutz?

Ob und welche Schäden auftreten, hängt neben der Höhe der Überspannung auch von der Dauer als auch von der "Kurvenform" (z.B. steiler Spannungsanstieg) ab. Besonders gefährlich sind Überspannungen auf Grund von nahen Blitzeinschlägen, weil Blitz(teil)ströme über das Stromversorgungsnetz in das Haus gelangen und dort erhebliche Schäden anrichten können.

Außerdem sind die Installationen als ganzes gefährdet: Bei sehr hohen Überspannungen finden in den Leitungen und Verteilern ein Kurzschluss statt; die Isolierung wird zerstört, eventuell tritt Brand auf. In jedem Fall ist die Anlage defekt und muss aufwändig repariert werden.

Es gibt im Prinzip zwei Möglichkeiten:

• über ein starkes elektromagnetisches Feld z.B. bei einem direkten Blitzeinschlag.
  Dies ist eigentlich nur bei sehr empfindlichen elektronischen Geräten von Bedeutung; entsprechende (EMV-) Schutzmaßnahmen werden vor allem in der Industrie angewandt.
• über metallene Leitungen
  Hier handelt es sich um leitungsgebundene Störungen, d.h. man muss ALLE in ein Gebäude eingehenden Leitungen betrachten: Strom, Telefon, Breitband, Wasser etc.
  Diese Leitungen sind am Gebäudeeintritt mit der zentralen "Erde" (Hauptpotentialausgleich) zu verbinden. Die aktiven Leiter, die Spannung führen (Telefon, Strom, Breitbandkabel usw.) sind mit Überspannungsschutzgeräten zu versehen. Diese Schutzgeräte stellen für Überspannungen einen kurzzeitigen Kurzschluss gegen Erde her.

Kommt die Überspannung auch dann ins Haus, wenn die Leitungen unterirdisch das Haus erreichen?

Ja. Typisch ist, dass irgendwo ein Blitz einschlägt und der Blitzstrom sich alle möglichen Wege sucht Richtung "Erde". Ein Teil fließt häufig in das Strom- und Telefonnetz und schädigt die umliegenden angeschlossenen Geräte. Es gibt Untersuchungen, wonach Telefonanlagen noch in 3 km Entfernung von einem Blitzeinschlag beschädigt wurden.

Wieso kommt Überspannung überhaupt ins Haus? Weil alte, aber auch moderne Häuser oft gar nicht ausreichend geerdet sind?

Wenn alle metallenen Leitungen geerdet sind, und zwar am Eintritt in das Gebäude, kann auch keine Überspannung ins Haus kommen. Allerdings kann die Stromleitung, die ja unter Spannung steht, nicht einfach "geerdet" werden, weil dann ein Kurzschluss erzeugt wird und und im Gebäude die Netzspannung zusammenbricht. Für diese "aktiven" Leiter gibt es Überspannungsschutzgeräte, die eine kurzzeitige Erdung im Falle einer Überspannung durchführen und ansonsten den ordnungsgemäßen Betrieb der Leitung ermöglichen.
Dieses Verbinden aller metallenen Leitungen miteinander und mit der Erde nennt man übrigens Blitzschutzpotentialausgleich.

Bei (leitungsgebundenen) Störungen muss man unterscheiden zwischen energiereichen Störungen, z. B. aufgrund eines direkten oder nahen Blitzeinschlags, und energiearmen Störungen, z. B. ferne Blitzeinschläge oder Umschaltungen im Stromnetz.
Bei den zu schützenden Geräten muss man ebenfalls unterscheiden: Es gibt elektrische und elektronische Geräte, die von Haus aus empfindlicher sind, beispielsweise Computer, Fernseher, Telefonanlagen.

Daher gilt ganz allgemein das dreistufige Schutzkonzept mit Überspannungsschutzgeräten (englisch: SPD Surge Protective Device):

• Gegen energiereiche Störungen und hohe Überspannungen schützen sogenannte Blitzstrom-Ableiter (SPD Typ 1). Diese verhindern das Eindringen von Blitz(teil)strömen in das Gebäude über die zu schützende Leitung. Dabei treten aber immer noch Überspannungen auf.
• Gegen Überspannungen werden Überspannungs-Ableiter eingesetzt (SPD Typ 2). Diese senken die Störspannung auf ein im Allgemeinen ausreichend niedriges Niveau.
• Bei besonders empfindlichen Geräten werden spezielle Überspannungs-Ableiter (SPD Typ 3) eingesetzt, die die Störspannung noch weiter absenken.

Im Stromnetz werden Blitzstrom-Ableiter (SPD Typ 1) meist in der Hauptverteilung (Zählerschrank) eingebaut. Damit ist die gesamte nachgeordneten Anlage grob geschützt.

Überspannungsableiter (SPD Typ 2) werden ebenfalls im Elektroverteilungsschrank eingebaut. Häufig werden moderne Kombiableiter eingesetzt, in denen Blitzstrom- und Überspannungs-Ableiter bereits integriert sind. Diese kosten ab etwa. 800 Euro, ein Überspannungsschutz alleine ist für ca. 250 Euro zu haben. SPDs Type 1 und Typ 2 werden von einer Elektrofachkraft eingebaut.

Spezielle Überspannungsableiter für empfindliche elektronische Geräte (SPD Typ 3) sind i.d.R. Geräte, die in eine Schuko-Steckdose (Steckdose mit Erdungsanschluss) eingesteckt werden; siehe nachfolgende Frage. Diese Schutzgeräte kann im Prinzip jeder kaufen und einbauen.

Diese Überspannungsschutzgeräte (Überspannungsschutzeinrichtung Typ 3) wurden früher als Feinschutz bezeichnet. Man muss wissen, dass diese normalerweise im Rahmen eines abgestuften Schutzkonzeptes an dritter Stelle eingesetzt werden. Ihr Schutzbereich ist somit eingeschränkt, wobei ein bisschen Schutz natürlich besser ist als gar keiner.

Diese Schutzgeräte müssen vor jedem empfindlichen elektronischen Gerät und in jede angeschlossene Leitung (Strom, Telefon, Fernseher) immer dann eingesetzt werden, wenn ein Überspannungsschutz realisiert wird. Sie gibt es in verschiedenen Ausführungen, z.B. auch Strom- und Telefonleitung kombiniert.

Diese Schutzgeräte gibt es in verschiedenen Ausführungen z. B. als Steckdosen. Diese sind häufig in Büros zu finden. Üblich sind auch Geräte, die direkt in eine vorhandene Steckdose eingesteckt werden (wie z. B. eine Zeitschaltuhr). Diese Geräte kann jeder selbst in eine Steckdose einsetzen und das zu schützende Gerät daran anschließen.

Von offensichtlichen Billigprodukten muss dringend abgeraten werden: Häufig erfüllen diese Geräte die strengen VDE-Richtlinien nicht und erreichen damit auch nicht das gewünschte Schutzziel. Auch wurde bei nicht sachgerechter Anwendung über Brandentwicklung berichtet. Verbraucher sollten daher Schutzgeräte im Fachhandel beziehen und auf Produkte namhafter Hersteller zurückgreifen, die die Einhaltung der Norm DIN EN 61643-11 garantieren.

Überspannungsableiter vom Typ 3 sind ab ca. 30 Euro pro Gerät zu haben.

In der Regel Ja. Die häufigsten Schäden werden durch leitungsgebundene Überspannungen verursacht. Wenn also die Leitung unterbrochen ist, durch Stecker-Ziehen, kann die Störung nicht in das Endgerät eindringen.

Man muss aber konsequent alle Stecker ziehen, z.B. bei einem Fernsehgerät Strom- und Antennenstecker.

Allerdings ist dies keine dauerhafte Schutzmethode, denn Gewitter werden mit Sicherheit auch in der Nacht oder bei Abwesenheit der Bewohner auftreten.

Und nicht zuletzt: Im Falle eines direkten oder nahen Blitzeinschlags muss man bei Gebäuden ohne Schutzmaßnahmen mit schwerwiegenden Schäden am und im Gebäude rechnen.

Der Überspannungsschutz gilt seit Dezember 2018 (für die Planung bereits seit Oktober 2016) als notwendiger Teil der elektrischen Anlage - siehe nachfolgenden Artikel. Er muss bei Neugebäuden seitdem eingebaut werden.

Bei älteren Gebäuden ist der Überspannungsschutz nicht Pflicht. Trotzdem ist es sehr ratsam, einen Überspannungsschutz nachzurüsten. Denn in den Haushalten von heute wird eine Vielzahl hochwertiger elektrischer Geräte genutzt, die mit dem Stromnetz verbunden sind wie z.B. Fernseher, Herd, Router/Telefonanlage.  In fast allen Geräten steckt Elektronik drin, die bei Überspannungen leicht kaputt gehen kann.

Darüber hinaus sollte die Installation eines Blitzschutzsystems in Betracht gezogen werden.

Blitzströme

Mit Blitzströmen hat man es immer dann zu tun, wenn der Blitzeinschlag direkt in das betrachtete Objekt erfolgt oder in dessen Nähe. Blitzströme suchen nach dem Einschlag alle möglichen Wege Richtung Erde; sie breiten sich typischerweise auch über metallene Leitungen in der Erde aus. Aus Analysen von Schadensmeldungen ist bekannt, dass Schäden an elektrischen Geräten, die beispielsweise an das Strom- oder Telefonnnetz angeschlossen sind, noch bis zu 3 km vom eigentlichen Blitzeinschlag entfernt auftreten können.

Die Besonderheit bei Blitzströmen ist der hohe Energiegehalt: Wenn der Strom hoch genug ist, d.h. in der Nähe der Einschlagstelle, kann es bei Anwesenheit von brennbarem Material und Sauerstoff zu Brandentwicklung kommen.

Überspannungen

Anders hingegen Überspannungen: Die auftretenden Ströme sind gering, ebenso die Energie. Empfindliche elektrische und elektronische Geräte werden gestört oder zerstört; es kommt aber i.d.R. nicht zur Brandentwicklung.

Blitzschutzsystem

Aufgabe eines Blitzschutzsystems ist es, ein Gebäude und die Personen darin vor Blitzwirkungen zu schützen. Darüber hinaus schützt ein modernes Blitzschutzsystem auch die Technik vor Überspannungen. Es besteht aus

• Äußeren Blitzschutz
  Der Äußere Blitzschutz schützt ein Gebäude, indem die Fangeinrichtungen die direkten Blitzeinschläge aufnehmen und den Blitzstrom über die Ableitungen (nicht verwechseln mit Blitzstrom-Ableitern) in die Erdungsanlage im Erdreich einleiten. Der Äußere Blitzschutz verhindert also nicht den Einschlag in das Gebäude, sondern bietet dem Blitz an den bevorzugten Einschlagpunkten eine metallene Verbindung an, die in der Lage ist, den Blitzstrom dauerhaft und ohne Gefahr für Personen und das zu schützende Objekt Richtung Erde zu transportieren. Dadurch wird der direkte Blitzeinschlag in Personen verhindert.
• Inneren Blitzschutz
  Ein wesentlicher Bestandteil ist der Blitzschutzpotentialausgleich. Dabei werden alle metallenen Rohrinstallationen und alle Kabel-Installationen (Strom, DSL, Kabel-TV, SAT-TV usw.) miteinander und mit der Haupterdungsschiene verbunden, ggf. mit SPDs Typ 1. Dadurch werden Spannungsunterschiede und damit einhergehende Blitzüberschläge im Gebäude mit nachfolgendem Brand und Personengefahr verhindert.
  Dieser Blitzschutzpotentialausgleich geht über Schutzpotentialausgleich nach DIN VDE 0100-410 und DIN VDE 0100-540 (Überspannungsschutz) hinaus.
• Überspannungsschutz
  Wenn der Innere Blitzschutz auch einen Schutz der Kabel-Installationen und der daran angeschlossenen Geräte übernehmen soll, spricht man vom Überspannungsschutz. Durch Überspannungsschutzgeräte (SPDs Typ 2) in den Verteilern für die Energietechnik und den Übergabe- und/oder Speisepunkten der informationstechnischen Systeme wird die auftretende Überspannung auf ein für die Endgeräte ungefährliche Werte begrenzt. Bei Leitungslängen größer etwa 5 m sind weitere Ableiter (SPDs Typ 3) unmittelbar am Endgerät für einen vollständigen Schutz erforderlich.

Der Überspannungsschutz kann also als Teil des Blitzschutzes gesehen werden, gleichwohl kann er eigenständig als Basisschutz für Elektroinstallationen und Personenschutz eingerichtet werden.

Ausschlaggebend ist das Sicherheitsbedürfnis. Als Beispiel führe ich das Auto an, in dem heute eine Vielzahl von Schutzeinrichtungen standardmäßig vorhanden sind oder optional zugebaut werden.

• Für viele ist das schlimmste Ereignis ein Zusammenstoß. Diese Personen legen Wert auf Airbags. Sie lassen sich vielleicht sogar mehr Airbags einbauen als standardmäßig vorgesehen sind.
• Eine andere Personengruppe hat Probleme mit dem Einparken und fordert daher eine erweiterte Einparkhilfe mit Sensoren und Kamera.

Der Anwender kann entsprechend seiner Sicherheitsbedürfnisse die verschiedenen Schutzeinrichtungen auswählen und miteinander kombinieren. Genauso verhält es sich auch mit dem Blitzschutz:

• Eine Person hat furchtbar Angst vor den Folgen eines direkten Blitzeinschlags (Brand, Explosion); hier hilft ein Äußerer Blitzschutz.
• Eine andere Person verfügt über eine hochwertige HiFi-Anlage oder hat viele Stunden in die Installation von besonderen Computerprogrammen zugebracht - hier ist ein Innerer Blitzschutz inklusive Überspannungsschutz ratsam.
• Andere möchten einen Rundum-Schutz. Das leistet ein Blitzschutzsystem bestehend aus dem Außeren Blitzschutz und dem Inneren Blitzschutz inklusive Überspannungsschutz.
• Auf jeden Fall sollte ein Überspannungsschutz installiert sein - dies ist bei Neubauten ab Otkober 2016 Pflicht.

Diese Überlegungen gelten sowohl für Hausbesitzer als auch für Mieter, wobei der Einflussbereich eines Mieters naturgemäß eingeschränkt ist. Er selbst kann nur die Maßnahmen durchführen, die in seinem Wohnbereich möglich sind.

Blitzeinschläge und das Schalten großer Stromverbraucher erzeugen Überspannungen. Diese können zu Schäden an elektrischen Geräten führen, die am Strom- oder Telefonnetz angeschlossen  werden. Zunehmend kommen empfindliche Steuer- und Kommunikationseinrichtungen zum Einsatz, die einen Überspannungsschutz erfordern.
Dieser Sachverhalt wurde in der Neufassung der Normen VDE 0100-443 und VDE 0100-534 im Oktober 2016 berücksichtigt. Seit dem 14.12.2018 müssen sie verbindlich für alle in Betrieb gehende Anlagen angewendet werden. In der Zwischenzeit konnten Anlagen noch "nach alter Norm" fertiggestellt werden.

Wesentliche Neuerungen

Überspannungs-Schutzeinrichtung (SPD)

Diese neue Bezeichnung wird einheitlich verwendet. Die Abkürzung SPD kommt aus dem Englischen von "Surge Protective Device" - Überspannung-Schutzeinrichtung.

Überspannung in Versorgungsleitungen

Überspannungen können nicht nur durch direkte oder nahe Blitzeinschläge entstehen, sondern auch bei Einschlägen in die Stromversorgungsleitung. Dabei ist es unerheblich, ob diese in der Luft (Freileitung) oder im Boden (Erdkabel) verlegt ist.

In VDE VDE 0100-443 werden neben den induzierten Überspannungen aus Blitzeinwirkungen jetzt auch explizit Überspannungen aufgrund direkter Blitzeinschläge in die Niederspannungsversorgung berücksichtigt.

Überspannungsschutz - Blitzschutz

VDE 0100-443 enthält keine Anforderungen zum Schutz bei Überspannungen bei direkten oder nahen Blitzeinschlägen. In diesen Fällen sind die Blitzschutznormen VDE 0185-305 zu berücksichtigen.

Notwendigkeit von Überspannungsschutz nach VDE 0100-443

Überspannungs-Schutzeinrichtungen müssen zur Reduzierung der Auswirkungen von Überspannungen installiert werden. So werden gefährliche Funkenbildung und daraus resultierende Brände vermieden. Dies gilt für elektrische Anlagen in

• Anlagen für Sicherheitszwecke zum Schutz des menschlichen Lebens, z. B. medizinische genutzte Bereiche
• Öffentliche Einrichtungen und Kulturbesitz, z. B. Ausfall von öffentlichen Diensten, Telekommunikationszentren, Museen
• Gewerbe- oder Industriegebäuden, z. B. Hotels, Banken, Industriebetriebe, Gewerbemärkte, landwirtschaftliche Betriebe
• Gebäuden mit Menschenansammlungen wie zum Beispiel Büros, Schulen, Kirchen
• Wohngebäuden und kleine Büros, wenn in diesen Gebäuden Betriebsmittel der Überspannungskategorie I oder II errichtet sind. (Es ist davon auszugehen, dass in derartigen Gebäuden grundsätzlich (!) Betriebsmittel der Überspannungskategorie I, also empfindliche elektronische Geräte, z. B. Computer, TV-Geräte, Videoüberwachung oder II - Haushaltsgeräte, Werkzeuge z. B. Waschmaschinen, Geschirrspüler, Kaffeeautomaten - angeschlossen und genutzt werden.

Deshalb sind in quasi allen Gebäuden Überspannungs-Schutzeinrichtungen in der Elektroinstallation zu verwenden. Bisher galt dies nur für bestimmte Anwendungsfälle wie medizinisch genutzte Bereiche, öffentlich genutzte Einrichtungen und Gewerbe- und Industriegebäude. In anderen Fällen musste eine Risikoanalyse erstellt werden.

Wie heißen die neuen Normen?

• DIN VDE 0100-443 (VDE 0100 Teil 443): 2016-10; Errichten von Niederspannungsanlagen Teil 4-44: Schutzmaßnahmen - Schutz bei Störspannungen und elektromagnetischen Störgrößen - Abschnitt 443: Schutz bei Überspannungen infolge atmosphärischer Einflüsse oder von Schaltvorgängen
• DIN VDE 0100-534 (VDE 0100 Teil 534): 2016-10; Errichten von Niederspannungsanlagen Auswahl und Errichtung elektrischer Betriebsmittel - Schaltgeräte und Steuergeräte - Überspannungs-Schutzeinrichtungen

Infotext VDE Verlag zu VDE 0100-443:2016-10

DIN VDE 0100-443 VDE 0100-443:2016-10 Errichten von Niederspannungsanlagen Teil 4-44: Schutzmaßnahmen – Schutz bei Störspannungen und elektromagnetischen Störgrößen – Abschnitt 443: Schutz bei transienten Überspannungen infolge atmosphärischer Einflüsse oder von Schaltvorgängen
(IEC 60364-4-44:2007/A1:2015, modifiziert); Deutsche Übernahme HD 60364-4-443:2016) Ausgabedatum: 2016-10

Dieser Teil behandelt den Schutz von elektrischen Anlagen bei transienten Überspannungen infolge atmosphärischer Einflüsse, die über das Stromversorgungsnetz übertragen werden, inklusive direkter Blitzeinschläge in die Versorgungsleitungen und transiente Überspannungen infolge von Schaltvorgängen.

Gegenüber DIN VDE 0100-443 (VDE 0100-443):2007-06 wurden Aufbau und Gliederung überarbeitet. Die Verweisungen und die Terminologie wurden angepasst. Es werden neue Vorgaben zur Beherrschung von Überspannungen durch Überspannungs-Schutzeinrichtungen (SPDs) gegeben.
Nachfolgend sind die wesentlichen Änderungen gegenüber der Vorgängernorm kurz erläutert:

• Um in den verschiedenen Normenwerken die Bezeichnungen zu vereinheitlichen, werden Überspannung-Schutzeinrichtungen (ÜSE) zukünftig mit dem aus dem Englischen von „Surge Protective Device“ abgeleiteten Akronym „SPD“ bezeichnet. Die vollständige Bezeichnung lautet „Überspannung-Schutzeinrichtung (SPD)“.
• Im Anwendungsbereich werden nun auch direkte Blitzeinschläge in die Versorgungsleitungen berücksichtigt. Der Schutz bei direkten Blitzeinschlägen in die Versorgungsleitung bedingt den Einbau von Überspannung-Schutzeinrichtungen (SPDs) Typ 1.
• Bauliche Anlagen mit Explosionsrisiko, wie petrochemische Anlagen und Chemieanlagen fallen nicht in den Anwendungsbereich der DIN VDE 0100-443 (VDE 0100-443)
• Aufnahme eines neuen Abschnitts Begriffe
• Das Prinzip der systemeigenen Beherrschung von Überspannungen bei Anlagen, die von einem vollständig in Erde verlegten Niederspannungsnetz versorgt werden, wurde ersatzlos gestrichen.
• Die Entscheidungskriterien, wann Überspannung-Schutzeinrichtungen (SPDs) in einer Anlage installiert werden müssen, wurden überarbeitet und erweitert.
• Eine neue vereinfachte Risikoanalyse nach DIN EN 62305-2 (VDE 0185-305-2) ist aufgenommen worden. Als Entscheidungskriterium für die Installation von Überspannung-Schutzeinrichtungen (SPDs) wurde der errechnete Risikolevel (CRL) neu eingeführt. Dieses Verfahren wird in Deutschland nicht angewendet.
• Übersicht für die geforderten Bemessungs-Stoßspannungen von Betriebsmitteln für die Überspannungskategorien I bis IV wurde um DC-Systeme bis 1500V erweitert.

(21.02.2019)