Überspannungsschutzgeräte (SPDs) in Niederspannungs-Verbraucheranlagen in Abhängigkeit von der Stehstoßspannung

Blitzstromableiter und Überspannungsableiter schützen die elektrische Installation und Geräte

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13.03.2018 Fachinformation 644 0 TOP

Überspannungsschutz und Innerer Blitzschutz: Schutz elektrischer und elektronischer Systeme und Geräte vor Blitzwirkungen

Blitze erzeugen Blitzströme und sehr hohen elektrische Spannungen, die elektrische und elektronische Systeme und Geräte schädigen oder sogar zerstören können. Die Aufgabe des Inneren Blitzschutz als Teil eines Blitzschutzsystems ist es, Brand in der elektrischen Installation hervorgerufen durch Blitzströme und Personengefährdung auszuschließen. Darüber hinaus verhindert der Überspannungsschutz zu hohe elektrische Spannungen.

Hier finden Sie wichtige Informationen zum Inneren Blitzschutz und zum Überspannungsschutz.

Inhalt

  • Überspannungsschutz in Niederspannungs-Verbraucheranlagen VDE-Information Blitzschutz 5.1
  • Installation von Blitzstromableitern VDE-Information Blitzschutz 5.2
  • Blitzstromableiter und Sicherungen VDE-Information Blitzschutz 5.3
  • Koordination von Überspannungs-Schutzgeräten verschiedener Hersteller  VDE-Information Blitzschutz 5.4

Überspannungsschutz in Niederspannungs-Verbraucheranlagen

In Niederspannungs-Verbraucheranlagen treten Überspannungen auf, die von Blitzen, Schalthandlungen im übergelagerten Stromnetz oder Kurzschlüsse verursacht wurden. Diese hohen elektrische Spannungen können elektrische und elektronische Systeme und Geräte schädigen oder sogar zerstören.

Überspannungsschutzgeräte haben die Aufgabe, diese Überspannungen und die energiereichen Blitzströme Richtung Erde abzuleiten - deswegen die Bezeichnung Ableiter - und in der nachfolgenden Installation die auftretende Spannung auf eine maximal zulässige zu begrenzen.

Wann werden Blitzstrom- und Überspannungsableiter eingesetzt - Koordination der Ableiter untereinander

Überspannungsschutzgeräte Typ 1 bis 3

Wann werden Blitzstrom- und Überspannungsableiter eingesetzt - Koordination der Ableiter untereinander

Überspannungsschutzgeräte Typ 1 (SPD Typ 1), die sogenannten Blitzstromableiter, sind erforderlich, wenn hohe Blitzströme über die Erde oder die Ableitungseinrichtungen des äußeren Blitzschutzsystems in den Potenzialausgleichsleiter der Niederspannungsanlage einkoppeln können. Durch sie wird im Moment des Blitzeinschlages der Potenzialausgleich zwischen dem PE und den Außenleitern sowie dem Neutralleiter hergestellt. Sie werden für den standardisierten Blitzstoßstrom nach der Impulsform 10/350 μs mit einem Mindestableitvermögen von 12,5 kA ausgelegt und beherrschen deshalb die Wirkungen von direkten und indirekten Blitzeinschlägen.
Blitzstromableiter werden als Überspannungsschutzgeräte 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 ggf. 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 Überspannungsschutzgeräte Typ 2 und Typ 3.

Überspannungsschutzgeräte 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. Diese Überspannungsschutzgeräte 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 Überspannungsschutzgerät vom Netz trennt und diesen Zustand optisch oder mittels Leittechnik signalisiert.
Überspannungsableiter werden koordiniert zu Blitzstromableitern als Überspannungsschutzgeräte Typ 2 verwendet. Sie werden in der festen Installation z. B. in der Unterverteilung eingesetzt.

Überspannungsschutzgeräte Typ 3 (SPD Typ 3) werden nahe am zu schützenden Gerät (z. B. Kabelkanal, Steckdosenbereich, unmittelbar vor einem Computer) verwendet.

Überspannungsableiter werden für einen Stoßstrom nach der Impulsform 8/20 μs ausgelegt.

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

Bild2

Isolationskoordination

Bild2

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.

Blitzstromableiter und Überspannungsableiter werden nacheinander installiert mit Impedanzen dazwischen.

Ableiterkoordination

Blitzstromableiter und Überspannungsableiter werden nacheinander installiert mit Impedanzen dazwischen.

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 Überspannungsschutzgeräte 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-Überspannungsschutzgeräte auf die Typ-1-Überspannungsschutzgeräte 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.

Vom Blitzschutz zum Überspannungsschutz

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 Teil 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.

Einsatz von überspannungsschutzgeräten in

Niederspannungs-Verbraucheranlagen
Veröffentlichungsdatum 03.10.2016
PDF: 131 KB

Installation von Blitzstromableitern

Wie ist der Anschluss zu gestalten?

Blitzstromableiter (engl. Surge Protective Device, kurz SPD Typ 1) haben die Aufgabe, große Blitzströme von den Energieleitern in energietechnischen Versorgungsnetzen oder von Signalleitern in informationstechnischen Leitungen gegen Erde abzuleiten und damit nachgeordnete Systeme und Geräte zu schützen.

Als Blitzstromableiter eignen sich vor allem speziell gestaltete Funkenstrecken. Wird ein Blitzstrom (Stoßstrom) abgeleitet, tritt nicht nur eine Spannung über dem Schutzgerät, sondern auch längs der Anschlussleitungen auf. Diese Spannung liegt generell auch an den nachgeschalteten Systemen und Geräten an, d. h. die überspannungsbegrenzende Wirkung ist gering und die Isolationsfestigkeit der nachgeschalteten Installationen kann überschritten werden.

Berechnung der in der Installation wirksamen Spannung

Die maximale Spannung umax über den Anschlussleitungen ergibt sich in erster Näherung aus der Induktivität L der Leitungen und der maximalen Stromsteilheit di/dtmax des Blitzstromes: umax = L ∙ di/dtmax

Für überschlägige Rechnungen kann die Induktivität von üblichen Anschlussleitungen zu 1 μH/m angesetzt werden.

Die Stromsteilheit liegt für Erstblitze in der Größenordnung von 1 ... 10 kA/μs, für die Folgestoßströme etwa um das Zehnfache höher.

Für eine angenommene maximale Steilheit von 10 kA/μs ergibt sich damit eine Spannung über 1 m Leitung von näherungsweise umax = 1 µH ∙ 10 kA/µs = 10 kV

Diese Spannung ist in der nachgeschalteten Installation wirksam.

Maximale Leitungslänge

Zum Schutz energietechnischer Anlagen empfiehlt VDE 0100-534 Anschlusslängen von maximal 0,5 m. Leitungslängen von einigen Metern führen bei kritischen Beanspruchungen zu unzulässig hohen Spannungen.

Sind die kurzen Anschlusslängen nicht einzuhalten, empfiehlt sich der Anschluss des Blitzstromableiters in der sogenannten V-Schaltung (siehe VDE 0100-534). Dabei kann allerdings keine Vorsicherung vor dem Blitzstromableiter im Querzweig angeordnet werden.

Installationsort

In elektrischen Versorgungsleitungen sind Blitzstromableiter möglichst unmittelbar am Eingang in Gebäude oder Verteilungsanlagen bevorzugt im Vorzählerbereich zu installieren. Die Anschlussleitungen sowohl von den Leitern zum Blitzstromableiter als auch vom Ableiter zum örtlichen Potentialausgleich bzw. zur Erde müssen mit ausreichendem Querschnitt (blitzstrom- und kurzschlussstrom-tragfähig) und auf kürzestem Wege ausgeführt werden. Schleifenbildung durch die Anschlussleitungen ist zu vermeiden. Dies gilt auch beim Einsatz von Vorsicherungen.

In informationstechnischen Systemen legten die Errichter bzw. Betreiber der Systeme und Geräte fest, wo genau und mit welchen Anschlussleitungen Blitzstromableiter eingesetzt werden.

VDE-Information Blitzschutz 5.2: Anschluss von Blitzstromableitern

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Veröffentlichungsdatum 13.03.2018
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Blitzstromableiter und Sicherungen

Was ist bei der Auswahl von Vorsicherungen in der elektrischen Energieversorgung zu beachten?

Bei Blitzstromableitern (SPD Typ 1) mit integrierten Funkenstrecken kann eine fehlende oder falsch ausgewählte Vorsicherung zu Schäden in der Anlage führen. Denn der Netzfolgestrom, der nach dem Ende des Blitzstroms über den Blitzstromableiter fließt, wird ggf. nicht oder nicht rechtzeitig gelöscht. In diesen Fällen muss eine Sicherung den sogenannten prospektiven Netzfolgestrom abschalten, wenn der Blitzstromableiter diese Funktion nicht mehr ausführen kann.

Sicherungen sind  i.d.R. immer dann notwendig, wenn

  • Blitzstromableiter mit integrierter Funkenstrecke einen Netzfolgestrom erfahren können, der größer ist als der maximale Strom, den die Funkenstrecke ausschalten kann oder
  • Blitzstromableiter durch einen zu hohen Blitzstoßstrom überlastet sein können.

Damit die Sicherung nicht bereits durch den Stoßstrom auslöst, ist die größtmögliche Sicherung nach Angabe des SPD-Herstellers auszuwählen. Grundsätzlich sind die im Bild aufgezeigten Einbauvarianten möglich. Zu beachten sind die jeweiligen Vor- und Nachteile.

Variante 1

Sicherung F1 ≤ max. Sicherung des SPD

  • (+) keine separate Sicherung des SPD (F2) notwendig
  • (+) Elektroinstallation "dauerhaft" geschützt
  • (-) Wenn F1 auslöst, ist die Stromversorgung unterbrochen.
  • (-) Bei "kleinen" Sicherungen F1 wird das Löschverhalten des SPDs ggf. nicht ausgenützt.

Variante 2

Sicherung F1 > max. Sicherung des SPD, Sicherung F2 ≤ max. Sicherung des SPD

  • (+) Das Löschverhalten des SPDs wird maximal ausgenutzt, wenn F2 = max. Sicherung des SPDs.
  • (-) Wenn F1 auslöst, ist die Stromversorgung unterbrochen.

Ist Selektivität zwischen F1 und F2 bei 50 Hz gefordert: F1 : F2 = 1.6 : 1 ≈ 2 : 1
Dann treten folgende Nachteile auf:

  • (-) F2 wird kleiner gewählt als die max. zulässige Sicherung des SPDs.
  • (-) Das Löschverhalten des SPDs wird nicht ausgenützt.
  • (-) Das Stoßstromverhalten der Gesamtanordnung wird verschlechtert.

Variante 3

Sicherung F2 ≤ max. Sicherung des SPD

Diese Variante mit nachgeschalteter Sicherung F1 sollte im industriellen Bereich bevorzugt ausgewählt werden (den Schutz der ankommenden Leitung übernimmt das Überstromschutzorgan der vorgeordneten Hauptverteilung).

Die Abschaltbedingungen nach VDE 0100-410 müssen erfüllt sein; Potentialausgleich nach VDE 0100-540.

  • (+) Versorgungssicherheit der Anlage
  • (+) günstiges Stoßstromverhalten der Gesamtanordnung
  • (-) Kontrolle von F2

VDE-Information Blitzschutz 5.3: Blitzstromableiter und Sicherungen

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Veröffentlichungsdatum 20.03.2018
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Koordination von Überspannungs-Schutzgeräten verschiedener Hersteller

Dürfen SPDs verschiedener Hersteller in einer Installation verwendet werden? Was muss bei der Auswahl und Installation beachtet werden?

Bei Neuinstallationen sowie bei Änderungen oder Erweiterungen in elektrischen Installationen tritt häufig die Situation auf, dass Überspannungs-Schutzgeräte (SPDs) von unterschiedlichen Herstellern eingebaut werden sollen. Es stellt sich die Frage, wie die Koordination zwischen diesen SPDs sichergestellt werden kann. Letztendlich liegt die Verantwortung beim Planer bzw. Errichter, der die Installation vornimmt.

Häufig stellen Anwender Anfragen an die Hersteller der SPDs, ob und unter welchen Randbedingungen eine Koordination der verschiedenen SPDs gegeben ist. Ohne aufwändige Untersuchungen können Hersteller diese Anfragen in der Regel nicht beantworten. Bei der Vielzahl der am Markt befindlichen SPDs weltweiter Hersteller kann nicht erwartet werden, dass für beliebige Kombinationen von SPDs die Koordination durch Versuche oder Berechnungen nachgewiesen wird. Die Frage, inwieweit generelle Aussagen zur Koordination von SPDs verschiedenster Herkunft möglich sind, wurde eingehend mit den Experten des VDE|ABB diskutiert und die folgenden Lösungsmöglichkeiten zusammen mit Vertretern der SPD-Hersteller erarbeitet.

Blitzstromableiter und Überspannungsableiter werden nacheinander installiert mit Impedanzen dazwischen.

Vorgehensweise

Blitzstromableiter und Überspannungsableiter werden nacheinander installiert mit Impedanzen dazwischen.

Den grundsätzlichen Aufbau einer Installation mit mehreren Überspannungs-Schutzgeräten zeigt das Bild oben. 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 In für SPD2 ) eingehalten sind.

In allen anderen Fällen kann eine Koordination ohne spezielle Berechnungen oder einen Labortest nicht angenommen werden: Bei spannungsschaltenden SPD1 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.

Typische Elektroinstallation mit Hauptverteilung und mehreren Unterverteilungen.

Elektroinstallation mit mehreren Abzweigen

Typische Elektroinstallation mit Hauptverteilung und mehreren Unterverteilungen.

In diesem Fall 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 Uc größer oder gleich der Bemessungsspannung des vorangehenden SPDs sein, um eine Überlastung sicher auszuschließen. Diese SPD3 können dann praxisgerecht von unterschiedlichen Herstellern sein.

VDE-Information Blitzschutz 5.4: Koordination von Überspannungs-Schutzgeräten verschiedener Hersteller

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Veröffentlichungsdatum 16.03.2018
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Bitte beachten

Leitfaden-Blitz-und-uebersp

Diese VDE-Information ist Teil der Merkblattsammlung "Der Blitzschutz in der Praxis - Empfehlungen für Blitzschutz-Fachkräfte und -Anwender". Diese Informationen wurden vom Ausschuss für Blitzschutz und Blitzforschung des VDE (ABB) erarbeitet. Eine gedruckte Fassung wird Mitte 2018 verfügbar sein.

Die Blitzschutznormen (u. a. DIN EN 62305) werden erarbeitet vom Komitee K 251 Blitzschutzanlagen der DKE Deutsche Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik im DIN und VDE. Maßgebend für das Anwenden der Normen sind deren Fassungen mit dem neuesten Ausgabedatum, die beim VDE-Verlag oder Beuth-Verlag erhältlich sind.

Diese VDE-Information wurde unter der Lizenz CC BY 3.0 DE veröffentlicht.

Der Blitzschutz in der Praxis