Überspannungsschutz und Innerer Blitzschutz

Überspannungs-Schutzgeräte Typ 1 (SPD Typ 1), die sogenannten Blitzstromableiter, sind erforderlich, wenn hohe Blitzströme über die Erde oder die Ableitungseinrichtungen des äußeren Blitzschutzsystems in den Potentialausgleichsleiter der Niederspannungsanlage einkoppeln können. Durch sie wird im Moment des Blitzeinschlages der Potentialausgleich zwischen dem Schutzleiter (PE) und den Außenleitern sowie dem Neutralleiter hergestellt. Sie werden für den standardisierten Blitzstoßstrom nach der Impulsform 10/350 μs ausgelegt und beherrschen deshalb die Wirkungen von direkten und indirekten Blitzeinschlägen.
Blitzstromableiter werden als Überspannungs-Schutzgeräte Typ 1 im Hauptstromversorgungssystem möglichst vor dem Zähler eingesetzt. Dadurch wird sichergestellt, dass der Blitzstrom nicht in die Gebäudeinstallation fließen kann. Blitzstromableiter sprechen unterhalb der für die Betriebsmittel in der Einspeisung maximal zulässigen Bemessungs-Stoßspannung von 6 kV an, führen einen Teilblitzstrom in die Netzzuleitung ab, löschen einen Netzfolgestrom und isolieren anschließend wieder vollkommen. Blitzstromableiter verhindern unkontrollierte Überschläge in der Installation und Schädigungen der Isolation. Sie können aber nicht die gesamte Niederspannungsinstallation bis hin zu den Endgeräten schützen, da diese z. T. weit entfernt sind und eine niedrigere Bemessungs-Stoßspannung aufweisen. Diese Aufgabe übernehmen die Überspannungs-Schutzgeräte Typ 2 und Typ 3.

Überspannungs-Schutzgeräte Typ 2 (SPD Typ 2), die sogenannten Überspannungsableiter, werden als zweite Schutzstufe nach den Blitzstromableitern sowie zur Begrenzung von Blitzüberspannungen aus Ferneinschlägen oder von Schaltüberspannungen eingesetzt. Überspannungsableiter werden für einen Stoßstrom nach der Impulsform 8/20 μs ausgelegt. Diese Überspannungs-Schutzgeräte werden üblicherweise mit Varistoren ausgeführt und lassen keinen Netzfolgestrom zu. Sie müssen auf thermische Überlastung überwacht werden und sind deshalb auch mit einer Einrichtung versehen, die im Falle einer Überlastung das Überspannungs-Schutzgerät vom Netz trennt und diesen Zustand optisch oder mittels Leittechnik signalisiert.
Überspannungsableiter werden koordiniert zu Blitzstromableitern als Überspannungs-Schutzgeräte Typ 2 verwendet. Sie werden in der festen Installation z. B. in der Unterverteilung eingesetzt.

Überspannungs-Schutzgeräte Typ 3 (SPD Typ 3) werden nahe am zu schützenden Gerät (z. B. Kabelkanal, Steckdosen, unmittelbar vor einem Computer) verwendet.

Das Bild zeigt den typischen Einsatzzweck und Einbauort von SPDs Typ 1 bis 3.

Das Bild zeigt schematisch eine Niederspannungsinstallation im TT-System. Im Bild unten ist die für die verschiedenen Installationsbereiche festgelegte Bemessungs-Stoßspannung (1,2/50μs) für Betriebsmittel eingefügt. Sie gibt die Festigkeit (Stehfestigkeit) der Isolation gegenüber transienten Spannungen an. Damit bei einem direkten Blitzeinschlag die Bemessungs-Stoßspannungen eingehalten werden, sind Blitzstromableiter ① und Überspannungsableiter ② + ③ erforderlich.

Bei einem direkten Blitzeinschlag fließt ein Teilblitzstrom in die Erde. Der verbleibende Rest des Blitzstromes muss über die in das zu schützende Gebäude eingeführten Systeme (z. B. Niederspannungs-Versorgungssystem) abgeleitet werden. Die Spannung an der Haupterdungsschiene steigt während des Anstieges des Blitzstromes stark an. Die Überspannungs-Schutzgeräte Typ 2 reagieren aufgrund ihrer Charakteristik schneller als die Blitzstromableiter und stellen den erforderlichen Schutzpegel von < 2,5 kV zwischen den Leitern untereinander und zwischen den Leitern und Erde (PE/PAS) sicher. Ohne eine Koordination mit den Blitzstromableitern, die im Hauptstromversorgungssystem installiert werden, würden sie jedoch durch hohe Blitzenergien überlastet und zerstört.

Die Koordinationsbedingungen sind erfüllt, wenn der Blitzstrom vor einer Überlastung der Typ-2-Überspannungs-Schutzgeräte auf die Typ-1-Überspannungs-Schutzgeräte kommutiert. Diese „Entkopplung“ kann mittels einer Leitung genügender Länge entsprechend den Herstellerangaben oder mit anderen Methoden erreicht werden. Beispiele für Installationen sind in DIN IEC 60364-5-53 (VDE 0100-534) aufgeführt.

Beim Einsatz von SPDs unterschiedlicher Hersteller ist eine besondere Planung notwendig, damit die Koordinationsbedingungen erfüllt sind. Die VDE-Information Blitzschutz 5.4 Koordination von Überspannungs-Schutzgeräten unterschiedlicher Hersteller enthält dazu wichtige Hinweise.

In Teil 3 der Blitzschutznorm DIN EN 62305-3 (VDE 0185-305-3) wird der Einsatz von SPDs für den Blitzschutzpotentialausgleich aktiver Leiter beschrieben. Dabei geht es vorrangig um die Vermeidung von Funkenbildung und Personengefährdung. Der vollständige Schutz elektrischer und elektronischer Geräte und Installationen wird erst durch ein Blitzschutzsystem nach Teil 4 der Blitzschutznorm DIN EN 62305-4 (VDE 0185-305-4) erreicht.

In der Praxis wird in vielen Fällen erwartet, dass ein Blitzschutzsystem nach DIN EN 62305-3 auch die elektrischen Geräte schützt. Dieser Forderung kann größtenteils entsprochen werden, indem die ohnehin eingesetzten SPDs so ausgelegt und ggf. zusätzliche SPDs eingeplant werden, dass der vom Kunden gewünschte Schutzpegel realisiert wird. Dies kann z. B. durch die Verwendung sogenannter "Kombi-Ableiter" erfolgen, die ein SPD Typ 1 und Typ 2 in einem Gerät vereinen und so den Blitzschutz-Potentialausgleich und gleichzeitig den Endgeräteschutz übernehmen.

Den grundsätzlichen Aufbau einer Installation mit mehreren Überspannungs-Schutzgeräten zeigt das Bild. Im Allgemeinen befindet sich das erste SPD (SPD₁) in unmittelbarer Nähe der Einspeisung. Hier kommen SPDs Typ 1 (Blitzstromableiter) zum Einsatz. Das nächste SPD (SPD₂) ist typischerweise in einer Haupt- oder Unterverteilung lokalisiert. Weitere SPDs (SPD₃) können sich dann in einer Unterverteilung oder im Steckdosenbereich befinden.

Die einzelnen Stufen des zu koordinierenden Überspannungsschutzes sind durch Impedanzen (Z₁, Z₂) entkoppelt. Diese können durch die Impedanz der zwischen den SPDs liegenden Leitung oder auch durch diskrete Impedanzen realisiert sein.

Koordination SPD₁ und SPD₂

Eine generelle Koordination von SPD₁ und SPD₂ ist nur bei „klassischen“ Funkenstrecken als SPD₁ möglich. Unter „klassischen“ Funkenstrecken sind SPDs zu verstehen, die keine speziellen Maßnahmen (z. B. zur internen Triggerung oder zur Netzfolgestrom-Begrenzung) aufweisen. Eine Koordination ist dann gegeben, wenn die Vorgaben des Herstellers von SPD₁ (Mindestentkopplung Z₁ und Mindest-Nennstrom I_n für SPD₂ ) eingehalten sind.

In allen anderen Fällen kann eine Koordination ohne spezielle Berechnungen oder einen Labortest nicht angenommen werden: Bei spannungsschaltenden SPD₁ (Funkenstrecke) sind heute die Technologien der einzelnen Hersteller zu unterschiedlich, um eine generelle Koordination garantieren zu können. Beim Einsatz von spannungsbegrenzenden Komponenten in SPD₁ (z.B. Varistoren) ist die Koordination extrem von diversen Parametern der Komponenten in SPD₁ und SPD₂ abhängig, was eine generelle Koordination praktisch ausschließt.

Im Prinzip besteht die Möglichkeit, die ordnungsgemäße Koordination von SPDs verschiedener Hersteller durch Laborexperimente oder durch Berechnungen mit Netzwerkanalyse-Programmen zu verifizieren. Gemäß DIN VDE 0100-534 (Abschnitt 534.4.4.5) sind die Vorgaben des Herstellers der SPDs zur richtigen Koordination zu beachten (siehe auch DIN CLC/TS 616 43-12, VDE V 0675-6-12). In der Praxis kommen in vielen Fällen Kombinationen von SPD₁ und SPD₂ eines Herstellers zum Einsatz, der Vorgaben für die richtige Installation gibt und die Koordination der SPDs garantiert.

Koordination SPD₂ und SPD₃

Wird eine ausreichende Entkopplung Z₂ zu SPD₃ eingehalten (typisch 10 μH oder 10 m Leitungslänge), kann von einer ordnungsgemäßen Koordination zu beliebigen SPD₃ ausgegangen werden. In der Regel wird nach einem SPD₂ eine Verzweigung auf mehrere Leitungen vorliegen und somit eine Stromaufteilung auf mehrere SPD₃ erfolgen. Hauptaufgabe der SPD₃ ist nicht die Übernahme von Blitzteilströmen, sondern die Begrenzung relativ energieschwacher Überspannungen, die nach SPD₂ in die Installation induziert werden.

In diesem Fall (Bild) muss die Koordination von SPD₁ (meist ein SPD Typ 1 nahe der Hauseinführung oder in der Hauptverteilung) mit dem ersten SPD₂ jedes Abzweigs (meist SPD Typ 2 z. B. in einer Unterverteilung) gegeben sein. Bei allen weiteren SPD₃ (Typ 2 oder Typ 3) muss die Bemessungsspannung U_c größer oder gleich der Bemessungsspannung des vorangehenden SPDs sein, um eine Überlastung sicher auszuschließen. Diese SPD₃ können dann praxisgerecht von unterschiedlichen Herstellern sein.