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Praxisgerechter Überspannungsschutz für die Energietechnik

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Überspannungsschutz ist zu gewährleisten.

Mit dem Einsatz von Überspannungs-Schutzgeräten soll der störungsfreie Betrieb elektrotechnischer Verbraucheranlagen und den von ihnen gespeisten elektrischen Betriebsmitteln sichergestellt werden. Damit dieses Ziel erreicht wird, muss der Überspannungsschutz ständig den sich verändernden Anforderungen angepasst werden.

Normativer Hintergrund

Dieses spiegelt sich auch in der Produktnormung für Überspannungs-Schutzgeräte wider: Die erst 2002 erschienene Produktnorm EN 61643-11:2002-12 wurde 2007 durch eine Neuauflage ersetzt. Nach Ablauf der Übergangsfrist zum 1. Juli 2009 wird nur noch die EN 61643-11: 2007-08 [1] gültig sein. Um das Schutzziel einer sicheren, vor Überspannung geschützten Elektroanlage zu erreichen, ist neben der Verwendung moderner Überspannungs-Schutzgeräte eine einschlägige Kenntnis über die fachgerechte Auswahl und Installation der Schutzgeräte unumgänglich. Mit der IEC 60364-5-53 A2 [2] steht dem Anwender eine Norm zur Verfügung, die die grundlegenden Regeln für die Anwendung von Überspannungs-Schutzgeräten festlegt.

Blitzschutz

Da Überspannungen atmosphärischen Ursprungs (Blitz-Überspannungen) prinzipiell gegen das Erdpotenzial einer elektrischen Anlage auftreten, ist auch der Überspannungsschutz einer Niederspannungs-Verbraucheranlage zwischen den aktiven Leitern und dem lokalen Erdpotenzial vorzusehen. Besonders beim Einsatz von Ableitern des Typs 1, welche die Aufgabe des Blitzschutz-Potenzialausgleichs übernehmen, kommt der Verbindung zur lokalen Erdungsanlage eine besondere Bedeutung zu.

Abhängig vom Netzsystem (System nach Art der Erdverbindung) der Niederspannungs-Verbraucheranlage gestaltet sich die Anzahl der notwendigen Schutzpfade und der Anschluss der Ableiter.

Auswahl der höchsten Dauerspannung

Die Auslegung der höchsten Dauerspannung (Uc) des Ableiters hat oft für die Anlage eine höhere Bedeutung als dies der Anwender im ersten Moment erahnt.
Wie es der Begriff schon unmissverständlich klarstellt, hat ein Überspannungs-Schutzgerät die Aufgabe, eine elektrische Anlage sowie deren Betriebsmittel und Verbraucher gegen Überspannungen zu schützen. Dabei ist nicht allein der Schutzpegel des Ableiters von Bedeutung, sondern vielmehr seine Wechselwirkung mit den zu schützenden Einrichtungen. Damit der Überspannungsschutz den Betrieb der Anlage unter Normalbedingungen nicht beeinträchtigt und dennoch die gewünschte Schutzwirkung aufweist, empfiehlt die Installationsnorm [2] die Auslegung der höchsten Dauerspannung der Ableiter entsprechend der Systemspannung der Anlage, inkl. Der zu berücksichtigenden Spannungstoleranz von 10 %. Somit ergibt sich für TN- und TT-Systeme eine Dimensionierung der höchsten Dauerspannung Uc mit einer Spannung von 253 V (230 V + 10 %).

In Systemen mit isoliertem Sternpunkt (IT-System) ist der einpolige Erdfehler als zeitlich begrenzter Betriebszustand bei der Auswahl der höchsten Dauerspannung der Ableiter zu berücksichtigen.

Verhalten bei temporären Überspannungen (TOVs)

Ableiter müssen lang anhaltenden Spannungserhöhungen mit Netzfrequenz, so genannten „temporären Überspannungen“oder kurz „TOVs“ widerstehen (siehe elektrofachkraft.de-Info). Als Ursache für TOVs können verschiedene Fehlerzustände in- und außerhalb der Niederspannungs-Verbraucheranlage eines Gebäudes auftreten. Exemplarisch für die in VDE 0100, Teil 442, beschriebenen Ursachen für TOVs sei der Erdfehler auf der Hochspannungsseite des Ortsnetz-Transformators genannt.

Je nach Niederspannungs-Systemauslegung ergibt sich eine Belastung für die in der Verbraucheranlage eingesetzten Überspannungs-Schutzgeräte. In den aktuellen Produktnormen für Überspannungs-Schutzgeräte wurden Prüfmethoden implementiert, die das Verhalten der Geräte bei derartigen Belastungen ermitteln. Während jedoch die Produktnormen als Mindestanforderung für die Ableiter primär nur formulieren, dass bei einer Belastung mit TOV keine Brandgefahr vom Gerät ausgehen darf (so genannt TOV-sicher), verlangt die Anwendungsnorm [2] die Einhaltung der TOV-Festigkeit, d. h. den vollständigen Funktionserhalt der Überspannungs-Schutzgeräte. Bei einer Nennspannung von 230/400 V ergeben sich die zu berücksichtigenden TOV-Spannungen von 1,45 x U0 = 333,5 V für alle Schutzpfade zwischen L und N (PEN) und 1.200 V für den N-PE-Schutzpfad bei der Schaltungsvariante „3+1“.

Ein Garant für einen wirksamen Überspannungsschutz: der Schutzpegel

Der Schutzpegel der Überspannungs-Schutzgeräte in einer Niederspannungs-Verbraucheranlage orientiert sich traditionell an der Auslegung der Stoßspannungsfestigkeit der einzelnen Installations-Abschnitte nach der Überspannungs-Kategorie. Der in der Anwendungsnorm [2] geforderte Schutzpegel von 2,5 kV entspricht der Stoßspannungsfestigkeit in der Überspannungs-Kategorie II. Diese pauschale Forderung ist sicher für einen Teil der Installation ausreichend.

Doch sowohl die Gerätenormen von Betriebsmitteln und Endgeräten als auch die Praxiserfahrungen zeigen, dass ein derartig ausgelegtes Schutzsystem die Anlage nicht sicher vor Überspannungen schützen kann. Aus diesem Grund wurde zum Beispiel bei der Auslegung der neuen Gerätefamilien von Dehn + Söhne darauf Wert gelegt, die Schutzanforderungen der zu schützenden Geräte zu berücksichtigen. Zahlreiche labortechnische Untersuchungen an einer Vielzahl von unterschiedlichen Applikationen bildeten die Grundlage für die Dimensionierung der Überspannungs-Schutzgeräte [3].

Außerdem zu beachten: Das Energieaufnahmevermögen der einzelnen Ableiter

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Wie bereits schon erwähnt, ist jedoch nicht allein der Schutzpegel des Überspannungs-Schutzgerätes ein Garant für den wirkungsvollen Überspannungs-Schutz eines Systems. Sowohl die Wechselwirkungen zwischen den Ableitern im Rahmen des gestaffelten Schutzsystems (siehe Bild 1) als auch die Wechselwirkungen zwischen Überspannungsschutz/Überspannungs-Schutzsystem und Endgerät sind zu beachten. Zur Verdeutlichung, dass es sich dabei nicht um einen reinen Vergleich von Spannungsschwellwerten und Schutzpegelwerten handelt, sondern dass eine Betrachtung des Energieaufnahmevermögens der einzelnen Schutzstufen und Geräte notwendig ist, wird diese Anpassung als energetische Koordination bezeichnet. [4]

Das notwendige Ableitvermögen

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Das notwendige Ableitvermögen sowie die für diesen Wert zu verwendende Stoßstrom-Wellenform richtet sich in erster Linie nach dem Einsatzort des Ableiters innerhalb der Anlage. Während der Typ 1-Ableiter zum Zwecke des Blitzschutz-Potentialausgleichs am Eintritt der Leitung im Gebäude eingesetzt wird, und demzufolge mit Blitzströmen der Wellenform 10/350 μs zu bemessen ist, sind die Ableiter Typ 2 und Typ 3 für Stoßströme mit der deutlich kürzeren Impulszeit 8/20 μs bemessen. (Bild 2)

Die neuen Kombi-Ableiter sind in allen Drehstromvarianten für die Anforderungen entsprechend Blitz-Schutzklasse I ausgelegt. Damit lässt sich ein Systemschutz bis zu Blitzströmen von 200 kA realisieren. Nur Funkenstrecken können Blitzströme von einigen 10 bis 100 kA (10/350) pro Pfad zerstörungsfrei führen. Die durch das Schaltverhalten der Funkenstrecke einsetzende Verkürzung des Stoßstromimpulses ermöglicht erst das selektive Wirken einer energetisch koordinierten Ableiterkette.

Was muss bei der Installation beachtet werden?

Die Forderung, dass die Kurzschlussfestigkeit der Überspannungs-Schutzgeräte mindestens dem am Einbauort zu erwartenden Kurzschlussstrom entsprechen muss [2] ist jedem Fachmann sofort einleuchtend, wird aber dennoch häufig missachtet. Besonders bei Anlagen im Industriebereich, bei denen zum Teil sehr hohe Kurzschlussströme auftreten können, kann dadurch leicht ein Gefährdungspotenzial für die Anlage entstehen.

Die Geräte der DEHNventil modularund DEHNguard modular-Gerätefamilien sind standardmäßig für Anlagenkurzschlussströme von 50 kAeff ausgelegt. Dies belegt ihren universellen Einsatz im Wohn-, Gewerbe- und Industriebereich.
Ebenfalls folgenschwere Auswirkungen können sich ergeben, wenn beim Einsatz von Ableitern auf Funkenstreckenbasis der Anlagenkurzschlussstrom das Folgestromlöschvermögen des Ableiters übersteigt. In diesem Fall kann es dazu kommen, dass der Ableiter nach dessen Ansprechen nicht wieder verlöscht und demzufolge einen Kurzschluss im Installationspfad des Ableiters erzeugt. Im unkritischsten Fall wird dabei nur die in Reihe zum Ableiter installierte Ableitervorsicherung ausgelöst. Dieses Auslösen der Ableitervorsicherung hat jedoch zur Folge, dass die Anlage keinen Überspannungsschutz mehr aufweist (!). Unter der Beachtung, dass nahezu alle Blitzentladungen sich aus Mehrfachentladungen zusammensetzen, entsteht eine verhängnisvolle Kettenreaktion.

Die Folgestrombegrenzung als neuer Geräteparameter

Aus den Betriebserfahrungen mit niedrig ansprechenden Funkenstrecken-Ableitern wurde in den letzten Jahren ein neuer Geräteparameter entwickelt – die Folgestrombegrenzung.

Während ein Ableiter mit einem Schutzpegel von 3,5 kV bis 4 kV nur zum Zünden gebracht wird, wenn energiereiche Überspannungen auftreten, meistens generiert von direkten oder nahen Blitzeinschlägen, übernehmen niedrig ansprechende Ableiter auch den Schutz der Anlage vor Schaltüberspannungen mit kleineren Spannungsamplituden und geringerer Impulsenergie. Der Ableiter kommt damit wesentlich häufiger zur Zündung. Besitzt der Funkenstrecken-Ableiter keine ausreichende Folgestrombegrenzung, ist die Ausbildung eines netzfrequenten Folgestroms bis zur Höhe des Anlagenkurzschlussstroms möglich.

Das Auslösen der Ableitervorsicherung und/oder des Anlagenschutzes mit anschließendem Schutz- bzw. Funktionsverlust sind die Folge. Dieser Zustand ist für eine Vielzahl von elektrischen Anlagen auf keinen Fall tolerierbar.
Die in den neuen Kombi-Ableitern von Dehn + Söhne realisierte Funkenstrecken-Technologie vermeidet derartige Szenarien. Das patentierte RADAXFlow-Verfahren zur Lichtbogenbeeinflussung durch Druckerhöhung und radial und axial wirkender Gasströmung wurde für die neuen Geräte in einer noch kompakteren Form ausgebildet, um die Integration der Funkenstrecke und ihrer Energieflusssteuerung in ein wechselbares Schutzmodul zu ermöglichen.
Mit dieser RADAX-Flow-Funkenstreckentechnik lässt sich selbst bei Anlagenkurzschlussströmen von 50 kAeff eine Folgestrom-Ausschaltselektivität zu einer 20 A gL/gG Sicherung erreichen.

elektrofachkraft.de-Info

Ein Ableiter nach den vorab genannten Produktnormen hat die Aufgabe, schnelle und kurzzeitig auftretende Überspannungen zu begrenzen. Zur Unterscheidung dieser Überspannungen, die man auch aufgrund ihrer Entstehung als Blitz- und Schaltüberspannungen bezeichnet, zu lang anhaltenden Spannungserhöhungen mit Netzfrequenz, verwendet die Fachwelt häufig die Begriffe „Transienten“, „transiente Überspannungen“ oder „Surges“. Die Bezeichnung „temporäre Überspannung“ oder kurz „TOV“ ist hingegen den zeitlich begrenzten Spannungserhöhungen mit Nennfrequenz vorbehalten. Diese können vom Überspannungsschutz aufgrund ihrer langen Zeitdauer nur bedingt begrenzt werden. Sie stellen jedoch für die Ableiter oft eine hohe Beanspruchung dar.

Literaturtipps:

  1. DIN EN 61643-11 (VDE 0675 Teil 6-11):2007-08: Überspannungsschutzgeräte für Niederspannung. Teil 11: Überspannungsschutzgeräte für den Einsatz in Niederspannungsanlagen – Anforderungen und Prüfungen.
  2. E DIN IEC 60364-5-53/A2 (VDE 0100 Teil 534):2001-06: Errichten von Niederspannungsanlagen. Teil 5: Auswahl und Errichtung elektrischer Betriebsmittel. Kapitel 53: Schaltgeräte und Steuergeräte. Hauptabschnitt 534: Überspannungs-Schutzeinrichtungen
  3. J. Birkl, P. Zahlmann: Design and Test of Lightning and Overvoltage Protection Schemes for LV Power Distribution Systems of Telecommunication Sites. ICLP 2002
  4. DEHN + SÖHNE Druckschrift 641/1005: Koordinierter Überspannungsschutz. Systemschutz +Endgeräteschutz = Anlagenverfügbarkeit


Autor: Dipl.-Ing. Jens Ehrler, Leiter Produktmanagement Dehn + Söhne GmbH + Co.KG

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