Überspannungsschutzgeräte (Surge Protective Devices, SPDs) sind in der Elektrotechnik unverzichtbar. Sie schützen verlässlich vor transienten Überspannungen, die infolge von energiereichen atmosphärischen Entladungen wie Blitzströmen auftreten, und leiten diese in die Erde ab. Zudem wird die auftretende Spannung auf einen maximal zulässigen Höchstwert begrenzt.
Die Norm DIN VDE 0100-534 regelt Einzelheiten zur Auswahl und Installation von SPDs in Niederspannungsanlagen. Zudem beschreibt die Vorschrift detailliert verschiedene Arten von SPDs, die dort zum Einsatz kommen. Dazu zählen Blitzstrom-Ableiter (Typ 1), die zuverlässig vor direkten Blitzeinschlägen schützen und den Strom sicher ableiten. Überspannungsschutz (Typ 2) hingegen schützt vor Überspannungen, die aus Schalthandlungen oder atmosphärischen Einflüssen resultieren. Endgeräteschutz (Typ 3) schließlich bietet zusätzlichen Schutz auf der Ebene der Endgeräte und eignet sich für den Einbau in Dosen und Kabelkanälen. Darüber hinaus definiert die Norm die Anforderungen an den Schutzpegel (Up).
0,5-Meter-Regel hat sich bewährt
(Bild: Raycap)
Für einen optimalen Überspannungsschutz ist der Abstand zwischen dem SPD und dem zu schützenden Betriebsmittel von zentraler Bedeutung. Eine kurze Distanz minimiert die Leitungsimpedanz und stellt sicher, dass die Überspannung schnell und effizient zum SPD abgeleitet wird. Dies trägt entscheidend dazu bei, die Schutzwirkung zu maximieren und Schäden an elektrischen Geräten zu verhindern. Anderenfalls drohen Durchschläge an den Isolationen oder Zerstörungen der Elektronik-Komponenten im Stromkreis. Hierbei hat sich die „0,5-Meter-Regel“ bewährt: Demnach sollte die Strecke vom Abgang der Zuleitung über das SPD zum Potenzialausgleich 0,5 m nicht überschreiten (Bild 1).
Genau beschrieben wird die Kalkulation in der bereits erwähnten Norm DIN VDE 0100-534. Um den Wert präzise zu berechnen, muss die jeweilige Überspannungskategorie von elektronischen Geräten berücksichtigt werden. Zu deren Schutz sind transiente Überspannungen auf ein angemessen niedriges Niveau zu begrenzen, sodass ihr Scheitelwert die jeweilige Bemessungs-Stoßspannung nicht überschreitet.
Verschiedene Überspannungskategorien berücksichtigen
In der Praxis existieren vier verschiedene Überspannungskategorien: Kategorie I eignet sich für eine Bemessungsstoßspannung von maximal 1.500 V und umfasst Endgeräte, die über ein Netzteil direkt an die Steckdose angeschlossen werden, wie beispielsweise Laptops, Router oder Fernsehgeräte. In Kategorie II lassen sich feststehende Geräte mit Steckern wie etwa Fotokopierer, Küchengeräte oder auch tragbare Werkzeuge wie Bohrmaschinen einordnen. Die Bemessungsstoßspannung ist hier auf 2.500 V begrenzt.
Überspannungskategorie III wiederum umfasst Betriebsmittel mit fester Installation sowie Geräte, die eine hohe Zuverlässigkeit erfordern, wie etwa Motoren und Maschinen. Zu dieser Kategorie zählen beispielsweise Hausverteilerschränke sowie deren Komponenten wie FI-Schalter oder LS-Automaten. Die Bemessungsstoßspannung darf hierbei maximal 4.000 V betragen. Die Kategorie IV schließlich ist auf eine Bemessungs-Stoßspannung von bis zu 6.000 V ausgelegt. Hier lassen sich Betriebsmittel für den Einsatz am Einspeisepunkt in die Niederspannungs-Infrastruktur einordnen. Dazu zählen beispielsweise große Hauptschalter oder Wandlerschränke.
Für alle Überspannungskategorien gilt, dass SPDs einen möglichst niedrigen Schutzpegel aufweisen sollten. Dadurch ist eine bestmögliche Sicherheit der Anlage sowie aller elektrischen und elektronischen Geräte gewährleistet. Insbesondere ältere SPDs verfügen jedoch häufig nicht über einen entsprechend geringen Schutzpegel. Beträgt der Leitungsweg beispielsweise 2 m, würde sich das SPD im Überspannungsfall möglicherweise nicht aktivieren, was unweigerlich zu einer Beschädigung der Anlage führt, wie das folgende Rechenbeispiel darstellt.
Angenommen werden eine Beispielanlage mit einer Bemessungsstoßspannungsfestigkeit von 4 kV sowie ein Leitungsweg von 2 m. Da eine Kupferleitung von 1 m Länge einen Spannungsfall von 1 kV bei einem Impulsstrom von 10 kA (8/20 µs) erzeugt, beträgt der Spannungsfall also entsprechend 2kV. Der SPD verfügt über einen Up von 2,5 kV. Die Addition von Leitungsweg (2 kV) und Up (2,5 kV) ergibt 4,5 kV. Setzt man dies in Relation zum Bemessungsstoßspannungsfestigkeit der Anlage, wird ersichtlich, dass die Spannung höher ist als die Stoßspannungsfestigkeit der Anlage und somit die Gefahr einer Beschädigung besteht bzw. der SPD im Überspannungsfall nicht aktiviert werden würde.
Im Anlagenbau ist es also von entscheidender Bedeutung, den Abstand von 0,5 m sicher einzuhalten. Diese Vorgabe lässt sich jedoch in der Praxis nicht immer auf einfache Weise realisieren: Das ist insbesondere dann der Fall, wenn die Einspeisung im Schrank von oben erfolgt, während der Potenzialausgleich am Boden stattfindet. Hierbei wird sehr schnell die Grenze von einem halben Meter überschritten. Daher sollten in diesem Szenario andere Lösungswege gefunden werden.
Weitere Möglichkeiten für wirksamen Überspannungsschutz
(Bild: Raycap)
So besteht laut der Norm DIN VDE 0100-534 eine Möglichkeit darin, ein weiteres SPD möglichst nah an dem zu schützenden Endgerät zu installieren. Hierbei wird also ein abgestuftes Schutzsystem aufgebaut, das über alle drei SPD-Typen bis hin zum Endgeräteschutz reicht. Mit diesem Ansatz lassen sich elektrische Geräte auch zuverlässig vor Quer-Einkopplungen abschirmen. Als weitere Lösung kann der Abzweig zum Überspannungsschutz auf ein Minimum reduziert werden, was über eine V-Verdrahtung am SPD funktioniert (Bild 2).
Hierfür lässt sich beispielsweise ein Doppelanschluss am Überspannungsschutz nutzen. Ein solcher findet sich insbesondere bei älteren Generationen von Typ-1-Geräten, wenn diese über zwei Teilungseinheiten verfügen. Allerdings muss dabei auf die Dauerstrombelastung am SPD geachtet werden. Eine dritte Lösung besteht schließlich in der Nutzung eines Zusatzanschlusses.
(Bild: Raycap)
Als bestmögliche Variante gilt jedoch die direkte Montage auf der Stromschiene wie etwa auf einem 40-mm-Sammelschienensystem. Am Markt etabliert haben sich hierfür z.B. die Überspannungsschutzlösungen „Protec ZPN“ und „Protec ZPS“ von Raycap, die sich sehr einfach montieren lassen. Möglich ist darüber hinaus die direkte Montage auf einer 60-mm-Sammelschiene. Auch hierbei spielen eine einfache Installation und die entsprechende Zeitersparnis eine entscheidende Rolle. Diese Geräte sparen den Weg zum SPD ein, da sie direkt auf die Sammelschiene montiert werden. Somit fällt die Stichleitung a weg (Bild 3).
Darüber hinaus entfalten die „Protec 40“ und „Protec 60“ – sowie die „Strikesorb“-Serie von Raycap Vorteile, wenn es um die Optimierung des Schutzpegels geht. Die Geräte werden direkt auf der Sammelschiene kontaktiert. Dabei müssen der Dauerstrom über das Gerät sowie die Streckenlänge nicht mehr berücksichtigt werden, was bei häufiger Nutzung vorteilhaft ist und bei der komplexen Kalkulation des Schutzpegels unterstützt.
(Bild: Raycap)
Eine weitere Möglichkeit zur Reduzierung des Schutzpegels besteht schließlich darin, den Potenzialausgleich zum Schutzelement zu verlegen. Diese Variante bietet sich insbesondere beim Bau großer Schaltanlagen an, da die Potenzialausgleichsschiene meist direkt am Sockel des Schaltschranks angebracht ist. Möglich ist zudem, die Rückwand einer geerdeten Schaltanlage zu nutzen (Bild 4). Hierbei sollten jedoch keine Nieten für die Verbindung des PE-Leiters verwendet werden, da diese keine dauerhafte Blitzstromtragfähigkeit gewährleisten.
Fazit
Um ein wirksames Überspannungsschutzkonzept zu realisieren, muss die Strecke vom Abgang der Zuleitung über das SPD zum Potenzialausgleich so kurz wie möglich sein, sollte aber 0,5 m nicht überschreiten. Maßgeblich für die Umsetzung ist in jedem Fall die Norm DIN VDE 0100-534. Zu beachten ist jedoch, dass die genaue Auslegung der 0,5-Meter-Regel immer von den spezifischen Anforderungen der Anlage abhängt. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Nutzung von SPDs mit niedrigem Schutzpegel, um die Leitungslänge zu kompensieren.
