Überspannungsschutz Für jede Anwendung das passende Blitzschutzsystem

Autor / Redakteur: Claas Rittinghaus * / Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Zum Ableiten von direkten Blitzeinschlägen haben sich Typ-1-Überspannungsschutzgeräte auf Funkenstreckenbasis bewährt. Wir verraten Ihnen, was bei der Konzeption und Auswahl zu beachten ist.

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Bild 1: Speziell auf die zu schützende Anwendung abgestimmt – nur so kann ein Typ 1 SPD effektiv vor den Auswirkungen direkter Blitzeinschläge schützen
Bild 1: Speziell auf die zu schützende Anwendung abgestimmt – nur so kann ein Typ 1 SPD effektiv vor den Auswirkungen direkter Blitzeinschläge schützen
(Bild: Bild: Phoenix Contact)

Bei der Konzeption von Blitzschutzsystemen hat es sich bewährt, zum Ableiten von direkten Blitzeinschlägen Typ-1-SPDs (Surge Protective Devices, Überspannungsschutzgeräte) auf Funkenstreckenbasis einzusetzen. Je nach Einsatzort und Anwendung müssen die Geräte oft unterschiedliche Anforderungen erfüllen. Die „Safe Energy Control Technology“ von Phoenix Contact ermöglicht eine genaue Abstimmung der Funkenstrecke auf diese Anforderung und bietet damit einen optimalen Schutz für jede Anwendung (Bild 1).

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Ein wichtige Kenngröße für funkenstreckenbasierte Typ-1-SPDs ist das Folgestromlöschvermögen. Es charakterisiert, bis zu welchem prospektiven Kurzschlussstrom am Einbauort eine Funkenstrecke netzseitige Folgeströme nach dem Ableiten eines Stoßstroms eigenständig abschalten kann. Herkömmliche Funkenstreckentechnologien lassen Folgeströme dabei entweder zu oder begrenzen diese lediglich – verhindern sie jedoch nicht vollständig.

Dies stellt eine Belastung für Installation und SPD dar. Eine netzfolgestromfreie Funkenstreckentechnologie ist daher vorteilhaft, wenn die Verfügbarkeit erhöht und die gesamte Installation – inklusive des SPD selbst – geschont werden soll. Die neuen Blitzstromableiter von Phoenix Contact mit Safe Energy Control sind netzfolgestromfrei – und bieten so einen optimalen Schutz für jede Installation (Bild 2).

Ebenso wichtig ist die Abstimmung der Leistungsparameter des Typ-1-SPD auf das zu schützende System. Für einen wirksamen Schutz müssen Kenngrößen wie höchste Dauerspannung, Schutzpegel und Ableitvermögen den Anforderungen entsprechen, die sich aus der Konfiguration des Stromversorgungssystems, der Überspannungskategorie der zu schützenden Betriebsmittel sowie der zu erreichenden Blitzschutzklasse ergeben.

Auswahlkriterien für den Einsatz von SPDs

Die Leistungsparameter des SPD müssen anhand verschiedener Eigenschaften der zu schützenden Anlage ausgewählt werden. Nach DIN VDE 0100-534 geschieht dies zunächst anhand des Schutzpegels Up, der nicht höher als der Spannungswert der Überspannungskategorie nach DIN VDE 0100-443 der Betriebsmittel der Anlage liegen darf. Im Einsatzbereich von Typ-1-SPDs ist dies typischerweise die Überspannungskategorie II oder höher. Die Überspannungskategorie bestimmt dabei die Stoßspannungsfestigkeit des Betriebsmittels zwischen aktiven und geerdeten Teilen und wird mittels eines Spannungsimpulses der Form 1,2/50 µs geprüft. Vergleicht man diesen Spannungsimpuls mit der Restspannung eines Typ-1-SPD beim Ableiten eines Blitzstroms, so lässt sich erkennen, wie effektiv die Isolation des Betriebsmittels durch das jeweilige SPD geschützt wird.

Beim Vergleich der Restspannung zeigt sich in diesem Zusammenhang ein großer Vorteil, wenn Funkenstrecken statt Varistoren als Typ-1-SPD verwendet werden. Die über die gesamte Dauer des Blitzstroms hohe Restspannung eines Varistors bewirkt eine Langzeitbelastung für die Isolation des Betriebsmittels, da die Spannung weit oberhalb der Stoßspannungskurve der entsprechenden Überspannungskategorie liegt. Die niedrige Restspannung einer Funkenstrecke hingegen liegt unterhalb der Stoßspannungskurve oder unterhalb der Spannungsfestigkeit des Betriebsmittels, die sich aus der maximalen Betriebsspannung ergibt. Die Isolation des Betriebsmittels wird also nicht übermäßig belastet (Bild 3).

Blitzschutzklasse als weiteres Auswahlkriterium

Ein weiteres Auswahlkriterium für Typ-1-SPDs richtet sich nach der Blitzschutzklasse, die für die zu schützende Anlage erreicht werden soll. Im Zusammenhang mit der Ausführung des Stromversor-gungssystems, in welches das SPD integriert werden soll, kann das Ableitvermögen bestimmt werden, das für die Blitzschutzklasse erforderlich ist. Angegeben wird das Ableitvermögen durch den Wert des Blitzstoßstroms Iimp. Für die höchste Blitzschutzklasse I wird mit einem Blitzstrom in Höhe von 100 kA 10/350 µs gerechnet, der sich je nach Ausführung des Stromversorgungssystems auf die entsprechenden Leiter und SPDs aufteilt.

Für ein dreiphasiges TT-System mit Neu­tralleiter, das durch eine 3+1-Schaltung gemäß dem Anschlussschema CT2 geschützt werden soll, bedeutet dies – für ein Typ-1-SPD – zwischen Phase und Neutralleiter ein notwendiges Iimp von 25 kA 10/350 µs. Ein 230/400-VAC-System schützt hier der Flashtrab SEC Plus 350/25 – mit seinem besonders niedrigem Schutzpegel Up von 1,5 kV.

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Das notwendige Ableitvermögen beruht auf der Annahme, dass sich der Blitzstrom gleichmäßig auf alle drei Phasen und den Neutralleiter aufteilt. In einem dreiphasigen IT-System ohne Neutralleiter ist für ein Typ-1-SPD zwischen Phase und Schutzleiter bei gleichmäßiger Aufteilung schon ein Iimp von 35 kA 10/350 µs notwendig. Die höchste Dauerspannung des SPD muss in einem solchen System nicht nur der Strangspannung plus Toleranz, sondern der verketteten Spannung plus Toleranz genügen. Bei einem 230/400-VAC-System sind das 440 VAC. Dazu wird ein besonders leistungsfähiges SPD wie der Flashtrab SEC Plus 440/35 benötigt.

Besonders hohes Ableitver­mögen für Einphasensysteme

Für einphasige Systeme sind besonders hohe Ableitvermögen notwendig. So ist für die Blitzschutzklasse I bei einem einphasigen TT-System, das wiederum nach dem Anschlussschema CT2 geschützt werden soll, ein Ableitvermögen von 50 kA 10/350 µs zwischen Phase und Neutralleiter notwendig. Auf schmalstem Bauraum kann ein solcher Energieeintrag nur von besonders leistungsfähigen Funkenstrecken beherrscht werden – wie dem Flashtrab SEC Plus 264/50.

Als Teil der elektrischen Installation müssen SPDs auch Anforderungen hinsichtlich der Kurzschlussfestigkeit erfüllen. Diese muss gleich oder größer dem zu erwartenden Kurzschlussstrom am Einbauort des SPD sein. Für Typ-1-SPDs, die in der Regel direkt am Speisepunkt einer Anlage installiert werden, sind die zu erwartenden Kurzschlussleistungen meistens hoch. Sie können von mehreren 10 kA bis zu 100 kA reichen und stellen damit besonders hohe Ansprüche an das Löschvermögen von Funkenstrecken.

Um die Vorteile von Funkenstrecken auch in solchen Anwendungen nutzen zu können, wird eine Technik benötigt, die bei Kurzschlussströmen dieser Höhe weiterhin Stoßströme sicher ableiten und netzseitige Folgeströme unterdrücken kann. Die Typ-1-SPDs Flashtrab SEC Plus 350/25 und Flashtrab SEC Hybrid 264/25 mit Safe Energy Control sind netzfolgestromfrei – auch bei prospektiven Kurzschlussströmen am Einbauort bis zu 100 kA.

SPD mit integriertem Überstromschutz

Hauptaufgabe eines SPD ist die Begrenzung der abfallenden Spannung am zu schützenden Gerät. Bei Überspannungen soll diese auf ein Niveau unterhalb der Stoßspannungsfestigkeit entsprechend der ausgewiesenen Überspannungskategorie begrenzt werden. Die über dem zu schützenden Gerät abfallende Spannung entspricht dabei der Summe aus Schutzpegel des SPD und den induzierten Spannungen über den Anschlussleitungen des SPD sowie eventuellen externen Überstromschutzeinrichtungen in diesem Pfad. Bei einer Überstromschutzeinrichtung, die im SPD integriert ist, entfällt die induzierte Spannung.

Auch möglichst kurze Anschlussleitungen lassen sich einfach realisieren, sodass die Schutzwirkung insgesamt deutlich optimiert werden kann. Die SPDs der Produktfamilie Flashtrab SEC Hybrid bieten für die Kombination aus stoßstromfester Vorsicherung und netzfolgestromfreier Funkenstrecke einen Schutzpegel von 1,5 kV für 230/400 VAC-Systeme und von 2,5 kV für 400/690 VAC-Systeme. Damit erzielen sie eine deutlich bessere Schutzwirkung gegenüber anderen SPDs für diese Spannungsebenen, die meist gleiche oder höhere Schutzpegel aufweisen und dabei noch die Installation externer Überstromschutzeinrichtungen erfordern.

Vorteilhaft ist auch die große Platz- und damit Kostenersparnis durch den Wegfall externer Überstromschutzeinrichtungen. Gegenüber herkömmlichen Lösungen, die die Montage von mehrphasigen Lasttrennern oder Schutzschaltern erfordern, können bis zu zwei Drittel an Platz eingespart werden. Dies erleichtert die Planung, ermöglicht eine kompakte Gestaltung von Schaltschränken und bietet ein hohes Maß an Kosteneffizienz. Auch für die Modernisierung alter Anlagen, die bisher kein oder nur ein unzureichendes Blitz- und Überspannungsschutzkonzept aufweisen, bieten die kombinierten Produkte der Familie Flashtrab SEC Hybrid gute Voraussetzungen, da im Nachhinein oft nur wenig Platz zum Nach- oder Umrüsten von SPDs zur Verfügung steht (Bild 4).

Unterschiedliche Anforderungen an Typ-1-SPDs

Je nach zu schützender Anwendung, Konfiguration des Stromversorgungssystems sowie angestrebter Blitzschutzklasse ergeben sich unterschiedliche Anforderungen an Typ-1-SPDs. Nur durch ein umfassendes Programm mit abgestimmten Produkten können diese erfüllt werden. Die Blitzstromableiter der Produktlinie Flashtrab SEC mit „Safe Energy Control Technology“ von Phoenix Contact bieten für jedes System das passende Typ-1-SPD zum Schutz vor den Auswirkungen direkter Blitzeinschläge.

Neben den Vorteilen von Funkenstrecken als Typ-1-SPD im Vergleich zu Varistoren ermöglicht die netzfolgestromfreie Technik Produktvarianten mit hohem Ableitvermögen und niedrigem Schutzpegel genauso wie Varianten für höhere Systemspannungen und große Kurzschlussleistungen. Zusätzlichen Nutzen bieten Varianten mit integriertem Überstromschutz aufgrund von Platz- und Kostenersparnis sowie optimaler Schutzwirkung.

* Dipl.-Phys. Claas Rittinghaus Produkt-Marketing Überspannungsschutz, Business Unit Trabtech, Phoenix Contact GmbH & Co. KG, Blomberg.

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