SENTRON. Überspannungsschutzeinrichtungen. Technik-Fibel. Ausgabe 02/

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1 SENTRON Überspannungsschutzeinrichtungen Technik-Fibel Ausgabe 02/2018

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3 Vorwort Öffentliche Einrichtungen Gewerbe und Industrie Ansammlung von Personen Menschenleben Einzelpersonen Mehr als eine Million Blitze pro Jahr über Deutschland bergen ein hohes Risiko für Gebäude und Anlagen, durch die ungehinderte Einwirkung von Blitzströmen und Überspannungen erheblichen Schaden zu nehmen. Im Schadens fall wird allerdings oft nicht erkannt, dass die Schäden durch Blitzströme oder Überspannungen verursacht worden sind. Der Einsatz von Blitz- und Überspannungs-Schutzgeräten spielte bisher trotz der un bestrittenen Notwendigkeit bei Elektroinstallationen nur eine untergeordnete Rolle. Dies hat sich mittlerweile aber geändert. Seit Oktober 2016 gelten in Deutschland für den Überspannungsschutz die verschärften Errichtungs normen DIN VDE und DIN VDE Diese neuen Errichtungsbestimmungen haben zur Folge, dass in Deutschland ab Oktober 2018 die Installation eines Überspannungsschutzes auch in jedem neu errichteten Wohnhaus vorgeschrieben ist. Auch in Österreich, Großbritannien und Norwegen gibt es mittlerweile Vorschriften zur Installation von Überspannungs-Schutzgeräten. Diese Technik- Fibel soll dazu beitragen, den Blitz- und Überspannungsschutz verständlicher zu machen und will praktische Tipps zur Installation unserer qualitativ hochwertigen Produkte rund um den Blitz- und Überspannungsschutz geben. 3

4 Inhalt 1. Produktportfolio 6 2. Grundlagen Die Folgen von Blitzeinschlag und Überspannungen Ursachen für transiente Überspannungen Schutz vor Blitzstrom und Überspannungen Prüfimpulse Gefährdungsanalyse Verteilung des Blitzstroms bei einer Blitzentladung in ein Gebäude Blitzschutzzonen (LPZ) Überspannungskategorien, Bemessungs-Stoßspannungen und Schutzpegel Isolationskoordination Relevante Normen Aufbau eines Blitz- und Überspannungs-Schutzsystems Blitzschutz-Normenreihe IEC [1] [2] [3] [4] IEC [5] Errichtungsbestimmungen DIN VDE und DIN VDE Produktnorm IEC zur Klassifizierung, Prüfung und Anwendung von SPDs Aufbau und Wirkungsweise von Überspannungs-Schutzgeräten Typ 1 SPD (Blitzstromableiter) Typ 2 SPD Typ 1 + Typ 2 SPD (Ableiterkombination) Typ 1 / Typ 2 SPD (Kombiableiter) Typ 3 SPD Wichtige Merkmale des Produktspektrums Mehrstufiger Überspannungsschutz Wirkungsvoller Schutzkreis Dreistufiger Schutz für die Stromversorgung Schutzstufen 1 und 2 getrennt installiert Dreistufiger Schutz für die Stromversorgung Schutzstufen 1 und 2 kombiniert Zweistufiger Schutz für die Stromversorgung bei geringem Gefährdungspotenzial 37 4

5 6. Netzsysteme Das TN-S-System Das TN-C-System Das TT-System Das IT-System Wandlung von Netzsystemen innerhalb einer Anlage Installationshinweise Typ 1 SPD (Blitzstromableiter) Typ 2 SPD Typ 3 SPD Stichleitungsanschluss und V-förmiger Anschluss Absicherung von SPDs Leitungslängen und Zusatzspannungen Leitungsquerschnitte der Anschlussleitungen Anschlussschemata und Anforderungen Qualitätsmerkmale Zertifizierungen Glossar Übersicht der Normen Abbildungs- und Tabellenverzeichnis 69 5

6 Produktportfolio 1. Produktportfolio Blitzstromableiter Typ 1 5SD Höchste Dauerspannung: 350 V a.c. Ausführungen für TN-C, TN-S und TT-Netze Blitzstoßstrom: bis 100 ka Ableiterkombinationen Typ 1 + Typ 2 5SD Höchste Dauerspannung: 350 V a.c. Ausführungen für TN-C, TN-S und TT-Netze Blitzstoßstrom: bis 100 ka Nennableitstrom: bis 100 ka Kombiableiter Typ 1 / Typ 2 5SD Höchste Dauerspannung: 335 V a.c. Ausführungen für TN-C, TN-S und TT-Netze Blitzströme: bis 50 ka Max. Ableitstrom: bis 50 ka 6

7 Produktportfolio Überspannungsableiter Typ 2 5SD Standard-Baubreite (1TE pro Pol) Höchste Dauerspannung: 350 V a.c. Ausführungen für TN-C, TN-S und TT-Netze Nennableitstrom: bis 20 ka Max. Ableitstrom: bis 40 ka Überspannungsableiter Typ 2 5SD Schmale Baubreite Höchste Dauerspannung: 350 V a.c. Ausführungen für TN-S und TT-Netze Nennableitstrom: bis 40 ka Max. Ableitstrom: bis 80 ka Überspannungsableiter Typ 3 5SD Ausführungen für 1-phasige Netze und Drehstromnetze Nennspannungen: 24 V, 120 V und 230 V a.c. Einbau: so nah wie möglich vor dem zu schützenden Gerät 7

8 Produktportfolio Zwischenstecker 5SD Ausführungen für Ethernet-Schnittstellen bis 10 Gbits 8

9 Grundlagen 2. Grundlagen 2.1 Die Folgen von Blitzeinschlag und Überspannungen Überspannungen schädigen in erheblichem Maß elektrische und elektronische Einrichtungen. Dazu genügen schon kleine Spannungsspitzen auf der Versorgungsleitung oder zwischen den elektrischen Leitungen und anderen leitfähigen Teilen (z. B. geerdeten Metallteilen, Erdboden usw.). Das zeigen die Schadens bilder von zerstörten Leitungen, Platinen oder Schaltgeräten. Diese Schäden können mit geeigneten Überspannungs-Schutzmaßnahmen verhindert werden. Ein großer Teil aller Sachschäden, für die Wohngebäudeversicherer auf kommen müssen, sind auf Blitzschlag und auf durch Schalthandlungen verursachte Überspannungen zurückzuführen. Doch während in Wohngebäuden nur eine hochwertige Hi-Fi-Anlage oder ein PC ersetzt werden muss, fallen Schäden in Gewerbe und Industrie ungleich höher aus. Denn schwerer als direkte Schäden an der Elektronik wiegen hier häufig die Folgeschäden. Man denke dabei an einen Produktionsstillstand in der Industrie wegen des Ausfalls der Stromversorgung und/oder der EDV. Bild 1: Überspannungsschaden an einem FI-Schutzschalter Bild 2: Überspannungsschaden auf einer Leiterplatte 9

10 Grundlagen Während der Betreiber Schäden an elektronischen Anlagen in den meisten Fällen von seiner Versicherungsgesellschaft ersetzt bekommt, sind der nicht ersetzte Aufwand für die Wiederbeschaffung oder Reparatur nicht zu unterschätzen. Software-Schäden, Daten verluste oder der Ausfall einer Anlage sind immer mit finanziellen Belastungen verbunden, die vielfach von keiner Versicherung gedeckt werden. Ein auf die örtlichen Verhältnisse abgestimmter Blitz- und Überspannungsschutz schützt vor diesen Verlusten. 2.2 Ursachen für transiente Überspannungen Transiente Überspannungen entstehen durch Blitzentladungen (LEMP Lightning ElectroMagnetic Pulse), Schalthandlungen im Netz (SEMP Switching Electro- Magnetic Pulse) und elektrostatische Entladungen (ESD Electro Static Dis charge). Sie treten nur für den Bruchteil einer Sekunde auf und haben sehr kurze Anstiegszeiten von wenigen Mikrosekunden, bevor sie dann relativ langsam wieder abfallen. Blitzentladungen (LEMP) haben das größte Zerstörungspotenzial. Die verursachten energie reichen Stoßstrom- und Stoßspannungsimpulse (Wellenform 10/350 µs) können sich über weite Entfernungen ausbreiten. Auch Blitzeinschläge in größerer Entfernung können zu Überspannungen von mehreren Kilovolt und Stoßströmen von mehreren Kiloampère führen. Bei Schalthandlungen (SEMP) und dabei besonders beim Abschalten induktiver Lasten können sehr hohe Spannungs- und Stromspitzen (Wellenform 8/20 µs) entstehen. Die Amplitude der Spannungsspitzen kann ein Mehrfaches der Betriebsspannung erreichen. Diese Spannungs- und Stromspitzen breiten sich im Versorgungsnetz aus und können angeschlossene Geräte stören oder beschädigen. Elektrostatische Entladungen (ESD) treten dann auf, wenn sich Körper mit unterschiedlichem elektrostatischem Potenzial annähern und es zu einem Ladungsaustausch kommt. Der plötzliche Ladungsaustausch führt zu einer kurzzeitigen Stoßspannung und einem kurzzeitigen Stoßstrom. Dies stellt insbesondere für empfindliche elektronische Bauteile eine Gefährdung dar. 10

11 Grundlagen 2.3 Schutz vor Blitzstrom und Überspannungen Um zu verhindern, dass es durch Überspannungen oder Überströme zu Funktionsstörungen, Beschädigungen oder sogar zur Zerstörung von elektrischen Anlagen und Geräten kommt, müssen geeignete Schutzmaßnahmen ergriffen werden. Wenn mit direkten Blitzeinschlägen in eine bauliche Anlage gerechnet werden muss, ist die Errichtung eines äußeren Blitzschutzsystems erforderlich bestehend aus Fang einrichtungen, Ableitungen und Erdungssystem. Ein äußeres Blitzschutzsystem ist jedoch nicht in der Lage, elektrische Einrichtungen innerhalb einer baulichen Anlage zu schützen. Dazu sind zusätzlich Maßnahmen für den inneren Blitzschutz erforderlich. Eine wichtige Voraussetzung für die Wirksamkeit von äußerem und innerem Blitzschutz ist ein fachgerecht aufgebautes Potenzialausgleichssystem. Ein wesentlicher Bestandteil des inneren Blitzschutz ist die Errichtung eines mehrstufigen Systems von Überspannungs-Schutzgeräten. Für den Begriff Überspannungs-Schutzgerät wird im deutschen Sprachgebrauch und in einschlägigen Normen die Abkürzung SPD (Surge Protective Device) verwendet. SPDs sollen sicherstellen, dass transiente Überspannungen und Ströme keine Schäden an Installation, Betriebsmitteln oder Endgeräten verursachen. Sie müssen deshalb vor allem zwei Aufgaben erfüllen: 1. Die Überspannung in der Höhe derart begrenzen, dass die Isolationsfestigkeit der zu schützenden Geräte nicht überschritten wird. 2. Die mit der Überspannung verbundenen Stoßströme sicher ableiten. SPDs werden jeweils parallel zum Betriebsmittel zwischen den aktiven Leitern selbst und den aktiven Leitern und dem Schutzleiter bzw. Potenzialausgleichs leiter installiert (siehe Bild 3). 11

12 Grundlagen Ein SPD funktioniert ähnlich wie ein Schalter, der sich für die kurze Zeit, in der eine Überspannung vorliegt, schließt. Dadurch entsteht ein Kurzschluss und die Potenzialdifferenz kann ausgeglichen werden. Stoßströme werden durch diesen Kurzschluss so umgeleitet, dass es möglichst zu keinen Einschränkungen beim Betrieb von elektrischen Anlagen kommt. Der Kurzschluss besteht dabei nur für die kurze Dauer der Überspannung. Bild 3: Anordnung von SPDs Zur Realisierung eines umfassenden Schutz, bestehend aus Leitungs-, Personenund Brandschutz sowie Blitzstrom- und Überspannungsschutz, gehört ein rundum abgestimmtes Spektrum von geeigneten Maßnahmen und Schutzgeräten. Die SPDs von Siemens entsprechen nationalen und internationalen Normen und bieten Sicherheit und Schutz auf höchstem Niveau. 12

13 Grundlagen 2.4 Prüfimpulse Die transienten Ströme und Spannungen, denen SPDs in der Realiät ausgesetzt sind, können sehr vielfältig sein. Um leistungsfähige SPDs zu entwickeln und fach gerecht prüfen zu können, werden verschiedene typische transiente Stromund Spannungsimpulse eingesetzt. Mit diesen Impulsen werden im Labor die transienten Ströme und Spannungen simuliert, die in realen elektrischen Anlagen auftreten. In Abhängigkeit vom erforderlichen Ableitvermögen werden SPDs deshalb mit vielen unterschiedlichen Transienten geprüft. Nachfolgend werden einige dieser Impulse vorgestellt, mit denen Blitze reignisse und Schalthandlungen nachgebildet werden. Blitzstromimpuls (10/350 μs) Der Blitzstromimpuls (10/350 µs) wird für die Prüfung von Typ 1 SPDs (Blitzstromableitern) eingesetzt. Dieser Stromimpuls bildet die wesentlichen Eigenschaften von in der Natur auftretenden Blitzen nach. In Abhängigkeit von der Blitzwahrscheinlichkeit und dem zu beherrschenden Risiko wird in den Normen ein unterschiedlich hohes Blitzstrom-Ableitvermögen gefordert. Abhängig vom jeweiligen Ableitvermögen werden die Typ 1 SPDs in die Blitzschutzklassen I bis IV eingeteilt (siehe Bild 4). I ka 99% II ka 97% III IV ka ka 91% 84% I [ka] Bild 4: Blitzschutzklassen So decken Produkte der Blitzschutzklasse I den Blitzstrombereich von 3 bis 200 ka ab. In diesen Bereich fallen 99 % aller Blitze. 13

14 Grundlagen Die Anstiegszeit des Blitzstromimpuls beträgt 10 µs, die Rückenhalbwertzeit beträgt 350 µs. Die Fläche unterhalb der Kurve eines Blitzstromimpuls ist äquivalent zur Ladung des jeweiligen Stromstoßes und wird in Datenblättern explizit angegeben. Der Scheitelwert des Blitzstoßstroms (10/350 µs) wird mit I imp bezeichnet. Für die Leistungsfähigkeit eines Typ 1 SPDs sind nicht nur die Wellenform und der Scheitel wert des Blitzstroms von Bedeutung, sondern auch die Ladung und die spezifische Energie. Entscheidend ist vor allem die Ladung, die durch den Typ 1 SPD hindurchgeleitet wird. Ein Typ 1 SPD mit einem Ableitvermögen von 100 ka (10/350 µs) erfüllt die Anforderungen der Blitzschutzklasse I (nach DIN EN 62305) und muss eine Ladung von 50 As ableiten können. Ein Typ 1 SPD mit einem Ableitvermögen von 50 ka muss eine Ladung von 25 As ableiten können. Bild 5: Verlauf eines (10/350 µs)-blitzstromimpulses 14

15 Grundlagen Stoßstromimpuls (8/20 μs) Der Stoßstromimpuls (8/20 µs) wird für die Prüfung von Typ 2 SPDs verwendet. Die Anstiegszeit des Stoßstromimpuls beträgt 8 µs, die Rückenhalbwertzeit beträgt 20 µs. Mit diesem Impuls werden transiente Ströme mit geringerem Energiegehalt nachgebildet, wie z. B. blitzbedingte Ströme in größerer Entfernung vom Ort eines Blitzeinschlags und Stoßströme, die durch Schalthandlungen entstehen. Der Scheitelwert des Stoßstroms für diese Wellenform, mit dem ein Typ 1 SPD oder ein Typ 2 SPD geprüft wird, wird mit I n bezeichnet. Bild 6: Verlauf eines (8/20 µs)-blitzstromimpulses 15

16 Grundlagen 2.5 Gefährdungsanalyse Dem in der Norm DIN EN beschriebenen Risikomanagement geht eine Risiko analyse voraus, um zuerst die Notwendigkeit eines Blitzschutzes zu ermitteln und dann die technisch und wirtschaftlich optimalen Schutzmaßnahmen festzulegen, die in IEC und DIN EN beschrieben sind. Dazu wird das zu schützende Objekt in eine oder mehrere Blitzschutzzonen (LPZ Lightning Protection Zone) unterteilt (siehe Abschnitt 2.6). Für jede Blitzschutzzone werden die geometrischen Grenzen, die maßgeblichen Kenndaten, die Blitzbedrohungsdaten und die zu beachtenden Schadensarten festgelegt. Ausgehend vom ungeschützten Zustand des Objekts wird das angenommene Risiko so lange durch die Anwendung von (weiteren) Schutzmaßnahmen vermindert, bis nur noch ein akzeptables Restrisiko bestehen bleibt. Die Norm berücksichtigt sowohl Schutzmaßnahmen für bauliche Anlagen mit den darin befindlichen Personen sowie elektrischen und elektronischen Anlagen als auch solche für Versorgungs leitungen. Die beschriebenen Verfahren können sowohl zur Bestimmung der Schutzklasse eines Blitzschutzsystems als auch zur Festlegung eines komplexen Schutzsystems gegen den Blitzstromimpuls und gegen die durch Blitze hervorgerufenen elektrischen und magnetischen Felder verwendet werden. 16

17 Grundlagen 2.6 Verteilung des Blitzstroms bei einer Blitzentladung in ein Gebäude Bei einem Blitzeinschlag ist gemäß der Norm IEC davon auszugehen, dass ca. 50 % des Blitzstroms über das äußere Blitzschutzsystem (Blitzableiter) in die Erde abgeführt werden. Bis zu 50 % des verbleibenden Blitzstroms können über elektrisch leitfähige Systeme wie die Haupterdungsschiene in das Gebäude und in Richtung der Strom versorgungsleitungen fließen. Wenn ein äußeres Blitzschutzsystem vorhanden ist, ist es deshalb immer zwingend notwendig, auch ein inneres Blitzschutzsystem zu installieren. Bild 7: Verteilung des Blitzstroms bei einer Blitzentladung in ein Gebäude 17

18 Grundlagen Vereinfachend kann davon ausgegangen werden, dass sich der Blitzstrom gleichmäßig auf die Leiter des Stromversorgungssystems aufteilt. Deshalb sind die Blitzströme auf den einzelnen Leitern deutlich kleiner als der Summen-Blitzstrom. Anzahl der Leiter 4 3 Tabelle 1: Max. zu erwartende Blitzströme pro Leiter (10/350 μs) [ka] Blitzschutzklasse 25,0 I 18,7 II 12,5 III + IV 33,3 I 25,0 II 16,6 III + IV Maximal zu erwartende Blitzströme pro Leiter 2.7 Blitzschutzzonen (LPZ) Jedes Gebäude benötigt ein abgestimmtes Blitzschutzkonzept. Wichtig hierbei ist die Staffelung des Schutzes. Nur wenn diese Staffelung eingehalten wird, ist ein ausreichender Schutz gewährleistet. Dazu werden die in DIN EN beschriebenen Blitzschutzzonen (LPZ) verwendet. In den Blitzschutzzonen werden Geräte oder Bereiche zusammengefasst, die das gleiche Gefährdungspotenzial aufweisen. An den Übergängen der Blitzschutz zonen sind je nach Anforderung SPDs ein zusetzen, die an einem entsprechenden Einbauort wie in der Haupt- oder Unterverteilung installiert werden. LPZ 0 A Zone, die durch direkte Blitzeinschläge und durch das volle elektromagnetische Feld des Blitzes gefährdet ist. Die inneren Systeme können vollen oder anteiligen Blitzstoßströmen ausgesetzt sein. LPZ 0 B Zone, die gegen direkte Blitzeinschläge geschützt, aber durch das volle elektromagnetische Feld des Blitzes gefährdet ist. Die inneren Systeme können anteiligen Blitzstoßströmen ausgesetzt sein. 18

19 Grundlagen LPZ 1 Zone, in der die Stoßströme durch Stromaufteilung und durch isolierende Schnittstellen und/oder SPDs an der Zonengrenze begrenzt werden. Durch räumliche Schirmung kann das elektromagnetische Feld des Blitzes abgeschwächt werden. LPZ 2,..., n Zone, in der die Stoßströme durch Stromaufteilung und durch isolierende Schnittstellen und/oder zusätzliche SPDs an der Zonengrenze weiter begrenzt werden. Zusätzliche räumliche Schirmung kann verwendet werden, um das elektromagnetische Feld des Blitzes weiter abzuschwächen. Bild 8: Blitzschutzzonen außerhalb und innerhalb eines Gebäudes 19

20 Grundlagen 2.8 Überspannungskategorien, Bemessungs-Stoßspannungen und Schutzpegel Alle Betriebsmittel einer elektrischen Anlage sind gemäß ihrer Bestimmung und ihres Einsatz ortes einer Überspannungskategorie zugeordnet ( siehe DIN EN ). Aus dieser Zuordnung ergibt sich die erforderliche Bemessungs-Stoßspannung U W (Isolations festigkeit). Für die Prüfung der Stoßspannungsfestigkeit wird der 1,2/50 µs Stoß spannungs impuls verwendet. Durch den Einbau von SPDs soll eine Spannungsbegrenzung entsprechend der für den jeweiligen Einbauort eines Betriebsmittels geforderten Bemessungs- Stoßspannungs festigkeit sichergestellt werden, um damit gefährliche Funkenbildung, Kurzschlüsse und daraus ggf. resultierende Brände zu vermeiden. Nennspannung der elektrischen Anlage 120/280 V a.c. 120/240 V a.c. 230/440 V a.c. 277/480 V a.c. Geforderte Bemessungs-Stoßspannung [kv] der Betriebsmittel in den verschiedenen Überspannungskategorien IV III II I 4 2,5 1,5 0, ,5 1,5 400/690 V a.c , V a.c V d.c Tabelle 2: Bemessungs-Stoßspannungen (1,2/50 µs) in den verschiedenen Überspannungskategorien 20

21 Grundlagen Überspannungskategorie IV Betriebsmittel für den Einsatz am Anschlusspunkt der Installation. Beispiel: Betriebsmittel wie Elektrizitätszähler und primäre Überstromschutz- Module. Überspannungskategorie III Betriebsmittel in festen Installationen und für solche Fälle, in denen besondere Anforderungen an die Zuverlässigkeit und die Verfügbarkeit der Betriebsmittel gestellt werden. Beispiel: Betriebsmittel wie Schalter in festen Installationen und Betriebsmittel für industriellen Einsatz mit dauerndem Anschluss an die feste Installation. Überspannungskategorie II Energie verbrauchende Betriebsmittel, die von der festen Installation gespeist werden. Beispiel: Betriebsmittel wie Haushaltsgeräte, tragbare Werkzeuge und ähnliche Geräte. Überspannungskategorie I Betriebsmittel zum Anschluss an Stromkreise, in denen Maßnahmen zur Begrenzung der transienten Überspannungen auf einen geeigneten niedrigen Wert getroffen worden sind. Beispiel: Empfindliche Betriebsmittel für Sonderanwendungen. Der SPD-Schutzpegel U p zwischen aktiven Leitern und Schutzleiter darf in keinem Fall die Bemessungs-Stoßspannung U w der zu schützenden Betriebsmittel überschreiten. Empfehlung Der Schutzpegel U p soll 80 % der Bemessungs-Stoßspannung U w nicht überschreiten. Beispielsweise beträgt die Bemessungs-Stoßspannung U w entsprechend Überspannungskategorie II für 230/400V TN- oder TT-Systeme 2,5 kv und somit der empfohlene Schutz pegel U p des einzusetzenden SPDs maximal 2,0 kv. 21

22 Grundlagen 2.9 Isolationskoordination Die Isolationskoordination nach DIN EN und IEC beschreibt die Mindest-Stoßspannungsfestigkeit eines Betriebsmittels gegen Erde am jeweiligen Einbauort. Dabei sind zu berücksichtigen: die zu erwartenden Überspannungen und die Kenngrößen der eingesetzten SPDs und die zu erwartenden Umgebungsbedingungen und die Schutzmaßnahmen gegen Verschmutzung der Betriebsmittel. Die Mindest-Stoßspannungsfestigkeit von Betriebsmitteln gegen Erde beträgt in 230/400 V AC Netzen: 6 kv in der zentralen Stromversorgung (Hauptverteilung), 4 kv im Bereich der Stromkreisverteilung (Unterverteilung) und im Bereich der festen Installation, 2,5 kv an handelsüblichen Endgeräten, 1,5 kv an besonders empfindlichen Endgeräten Bild 9: Isolationskoordination nach DIN EN

23 Relevante Normen 3. Relevante Normen Nationale und internationale Normen geben eine Orientierung, wenn es um den Aufbau von Blitz- und Überspannungs-Schutzsystemen sowie die Aus legung, Auswahl, Klassifizierung und Installation der einzelnen SPDs geht. Zusätzlich kann es nationale oder lokal gültige Vorschriften und Regel werke geben, die Anwendungshinweise oder Festlegungen für den Aufbau, die Errichtung und Wartung von Blitzund Überspannungs-Schutzsystemen enthalten. Nachfolgend sind die wichtigsten Normen für den Aufbau von Blitz- und Überspannungs-Schutzsystemen sowie zur Klassifizierung von SPDs kurz beschrieben. 3.1 Aufbau eines Blitz- und Überspannungs-Schutzsystems Blitzschutz-Normenreihe IEC [1] [2] [3] [4] Diese Normenreihe behandelt den Schutz gegen direkte Blitzeinschläge. Zentrale Bestandteile sind die Beschreibung allgemeiner Grundsätze, eine detaillierte Risikoanalyse und umfangreiche Festlegungen zum äußeren Blitzschutz und zum inneren Blitzschutz (Überspannungsschutz) IEC [5] Diese Norm geht, verglichen mit der IEC 62305, von einer vereinfachten Risikoanalyse aus und leitet daraus ent sprechende Maßnahmen ab. Der Anwendungsbereich beschränkt sich dabei auf Überspannungs- und Stoßstrom impulse, die über das Stromversorgungsnetz übertragen werden. Direkte Blitz einschläge in eine bauliche Anlage werden hier nicht berücksichtigt, lediglich Einschläge in Versorgungs leitungen oder in der Nähe von Versorgungsleitungen. Die Norm beschreibt, unter welchen Bedingungen SPDs in Niederspannungsanlagen zum Schutz der elektrischen Installation vor Überspannungen einzusetzen sind. 23

24 Relevante Normen Errichtungsbestimmungen DIN VDE und DIN VDE In der DIN VDE : ist festgelegt, in welchen Anwendungsfällen ein Überspannungsschutz zu installieren ist. Die DIN VDE : gibt vor, wie SPDs für den jeweiligen Anwendungsfall ausgewählt und normgerecht installiert werden müssen. Die seit Oktober 2016 gültigen Normen DIN VDE und DIN VDE enthalten verschärfte Bestimmungen für die Auswahl und die Installation von SPDs. Nach Ende der Übergangsfrist für die Anwendung von vorherigen Ausgaben dieser Normen (anwendbar bis 14. Dezember 2018) müssen die seit Oktober 2016 gültigen verschärften Bestimmungen verbindlich bei der Auswahl und Installation von SPDs angewandt werden. Diese Verschärfung der Errichtungsbestimmungen bedeutet, dass selbst in einem Einfamilien haus ein Überspannungsschutz verpflichtend ist. 24

25 Relevante Normen 3.2 Produktnorm IEC zur Klassifizierung, Prüfung und Anwendung von SPDs Die Überspannungs-Schutzgeräte (SPDs) werden nach ihren Leistungsanforderungen ( abhängig von Typklasse und Einsatzort) in der Produkt-Normenreihe IEC x klassifiziert. Dort finden sich Begriffsdefinitionen, allgemeine Anforderungen und Prüf verfahren für Überspannungs-Schutzgeräte. Die wichtigsten Teile dieser Normenreihe sind: IEC Überspannungs-Schutzgeräte für den Einsatz in Niederspannungsanlagen Anforderungen und Prüfungen IEC Überspannungs-Schutzgeräte für den Einsatz in Niederspannungsanlagen Auswahl und Anwendungsgrundsätze IEC Überspannungs-Schutzgeräte für den Einsatz in Telekommunikations- und signalverarbeitenden Netzwerken Leistungsanforderungen und Prüfverfahren IEC Überspannungs-Schutzgeräte für den Einsatz in Telekommunikations- und signalverarbeitenden Netzwerken Auswahl und Anwendungsprinzipien Eine Zusammenstellung aller relevanten Normen finden Sie im Kapitel Übersicht der Normen auf Seite

26 Aufbau und Wirkungsweise von Überspannungs-Schutzgeräten 4. Aufbau und Wirkungsweise von Überspannungs- Schutzgeräten SPDs sind während des Normalbetriebs einer elektrischen Anlage hochohmig. Nur während des Auftretens einer Überspannung (durch Blitz oder Schalthandlung) werden SPDs kurzzeitig niederohmig, um danach wieder selbständig in den hochohmigen Zustand zurückzukehren. Durch den Wechsel vom hochohmigen in den niederohmigen Zustand sind SPDs in der Lage, die bei Überspannungs- und Blitzereignissen auftretenden Spannungen so zu begrenzen, dass elektrische Betriebsmittel wirkungsvoll vor Beschädigungen geschützt werden. Bei einer fachgerechten Planung und der Errichtung von Potenzial ausgleich und Blitz- und Überspannungsschutz sind SPDs zudem in der Lage, Stoßströme und Blitzströme so umzuleiten, dass der Betrieb von elektrischen Anlagen möglichst wenig beeinträchtigt wird. Um die vielfältigen Anforderungen in Hinblick auf die erforderliche Schutzwirkung erfüllen zu können, werden in SPDs unterschiedliche Bauelemente eingesetzt. Überspannungsschutz-Bauelemente werden in SPDs sowohl als einzelne Bauelemente als auch in Form komplexer Schutzschaltungen eingesetzt. Je nach Anwendungsfall kommen in SPDs folgende Bauelemente zum Einsatz: Funkenstrecken gasgefüllte Überspannungs-Ableiter (ÜsAg) Varistoren Suppressor-Dioden Diese Bauelemente unterscheiden sich im Wesentlichen durch: Ableitvermögen (Stoßstrom-Tragfähigkeit) Ansprechverhalten (Reaktion beim Auftreten einer Überspannung) Spannungsbegrenzung (Restspannung/Schutzpegel für das zu schützende Gerät) Spannungsverlauf während der Ableitung von Überspannungs- und Stoßstrom- Impulsen Netzfolgestrom-Löschverhalten (Übergang vom niederohmigen Zustand in den hochohmigen Ruhezustand nach einem Ableitvorgang) 26

27 Aufbau und Wirkungsweise von Überspannungs-Schutzgeräten 4.1 Typ 1 SPD (Blitzstromableiter) Typ 1 SPDs sind die leistungsfähigsten Überspannungs-Schutzgeräte. Deshalb werden sie als die erste Schutzstufe für den Schutz von Stromversorgungsanlagen eingesetzt. Der aus technischer Sicht bevorzugte Einbauort ist am Speisepunkt der elektrischen Anlage möglichst in unmittelbarer Nähe zur Haupterdungsschiene. Je nach örtlichen Gegebenheiten kann deshalb eine Installation dieser SPDs hinter dem Hausanschlusskasten oder auch in unmittelbarer Nähe zur Hauptverteilung oder innerhalb der Hauptverteilung sinnvoll sein. Bei der Auswahl von geeigneten SPDs muss außerdem die Art des Strom versorgungssystems (TN-C-, TN-C-S-, TN-S-, TT- oder IT-System) berücksichtigt werden. Leckstromfreie SPDs (z. B. mit Funkenstrecken) können auch im Vorzählerbereich installiert werden. Hierdurch ist dann auch der Stromzähler gegen Überspannungen geschützt. Falls SPDs im Vorzählerbereich eingebaut werden sollen, muss dies durch den zuständigen Versorgungsnetzbetreiber (VNB) genehmigt werden. Bild 10: Typ 1 SPD 1 5SD

28 Aufbau und Wirkungsweise von Überspannungs-Schutzgeräten 4.2 Typ 2 SPD Ein Typ 1 SPD am Speisepunkt der elektrischen Anlage ist im Regelfall nicht in der Lage, alle elektrischen Betriebsmittel der nachfolgenden Installation wirkungsvoll zu schützen. Deshalb fordern Blitzschutznormen und Anwendungsnormen die Errichtung von Überspannungs-Schutzsystemen mit mehr als einer Schutzstufe. Typ 2 SPDs werden im Regelfall als zweite Schutzstufe des inneren Blitzschutzsystems verwendet. Durch die zweite Schutzstufe näher bei den empfindlichen Endgeräten kann die Spannung, der die Endgeräte ausgesetzt sind, besser begrenzt werden als es mit nur einer Schutzstufe möglich wäre. Ein Typ 2 SPD senkt die von einem vorgelagerten Typ 1 SPD durchgelassene Restspannung unter die Spannungsfestigkeit der Betriebsmittel und Leitungen im Bereich der Festinstallation zwischen Stromkreisverteilung und Stromanschluss. Bild 11: Typ 2 SPDs (SSD7464-1, 5SD7424-3) Die Schutzschaltung in einem Typ 2 SPD besteht aus temperaturüberwachten Varistoren mit hohem Ableitvermögen für Stoßströme, z. B. mit Amplituden bis zu 80 ka (8/20 µs). Bei einer Überlastung des Varistors durch unzulässig hohe temporäre Überspannungen oder durch Alterung des Varistors sinkt der Innenwiderstand, wodurch der Leckstrom im Varistor ansteigt. Es kommt zu einer Erwärmung, die auf eine Abtrenn vorrichtung wirkt. Bei Erreichen eines festgelegten Temperaturgrenzwerts wird der Varistor mechanisch vom Netz getrennt, bevor gefährliche Temperaturen erreicht werden. Das Abtrennen wird üblicherweise direkt am SPD (Fenster rot) angezeigt. 28

29 Aufbau und Wirkungsweise von Überspannungs-Schutzgeräten 4.3 Typ 1 + Typ 2 SPD (Ableiterkombination) Durch die Kombination von Funkenstrecken und Varistoren in einem SPD wird eine verbesserte Schutzwirkung erreicht. Typ 1 Funkenstrecken bieten den wirkungsvollsten Schutz gegen energiereiche und lang andauernde Blitzströme, wohingegen Typ 2 Varistoren den besten Schutz gegen kurz andauernde Schaltüberspannungen bieten. An Einbauorten, an denen sowohl mit Blitzströmen als auch mit Schaltüberspannungen gerechnet werden muss, ist eine Kombination aus Typ 1 Funkenstrecken und Typ 2 Varistoren die beste Wahl. Der aus technischer Sicht bevorzugte Einbauort von Typ 1 + Typ 2 SPDs ist die Gebäude einspeisung. Je nach System der Stromversorgung (TN-C, TN-C-S, TN-S, TT oder IT), wird die passende Ableiterkombination in die Hauptverteilung direkt hinter dem Stromzähler eingebaut. Ableiterkombinationen mit Varistoren führen im ungestörten Betrieb bei Nennspannung einen geringen Betriebsstrom (Leckstrom) von wenigen µa. Deshalb dürfen solche Geräte grundsätzlich nicht im Vorzählerbereich installiert werden. Die Anschluss- und Installations bedingungen für diese Schutzgeräte entsprechen denen der Blitzstromableiter Typ 1. Bild 12: Typ 1 + Typ 2 Ableiterkombination 5SD

30 Aufbau und Wirkungsweise von Überspannungs-Schutzgeräten 4.4 Typ 1 / Typ 2 SPD (Kombiableiter) Durch die Weiterentwicklung im Bereich der Varistoren sind auch preisgünstige Typ 1 SPDs mit leistungsstarken Varistoren verfügbar. Im Allgemeinen bestehen die SPD-Komponenten zwischen L- und N-Leiter bzw. L- und PEN-Leiter aus einem Varistor, während die SPD-Komponenten zwischen N/PE eine Funkenstrecke (Summenfunkenstrecke) enthalten. Der SPD erfüllt sowohl die Anforderungen für Typ 1 SPDs als auch für Typ 2 SPDs. Deshalb werden solche SPDs auch als Kombiableiter bezeichnet. Typ 1 SPDs mit Varistoren sind in der Regel nicht so leistungsstark wie Typ 1 SPDs mit Funkenstrecken. Kombiableiter werden deshalb vorrangig in Anlagen eingesetzt, in denen lediglich Anforderungen der Blitzschutzklassen III oder IV erfüllt werden müssen. Bild 13: Typ 1 / Typ 2 SPD 5SD

31 Aufbau und Wirkungsweise von Überspannungs-Schutzgeräten 4.5 Typ 3 SPD Das Typ 3 SPD ist die dritte Schutzstufe in der Stromversorgung. Es senkt die durch Blitz ereignisse oder Schalthandlungen hervorgerufenen transienten Spannungsimpulse auf ein Spannungsniveau, das niedriger ist als die Spannungsfestigkeit der Endgeräte. Bei Geräten mit einer Betriebsspannung von z. B. 230 V entspricht dies max. 2,5 kv. Bild 14: Typische Schutzschaltung eines Überspannungsableiters Typ 3 Bild 15: Typ 3 SPD 5SD Die Schutzschaltung besteht im Allgemeinen aus einer Reihenschaltung von zwei Varistoren, die zwischen Außen- und Neutralleiter liegen. Ein gasgefülltes SPD (ÜsAg) ist in der Mitte zwischen den Varistoren angeschlossen und verbindet diesen Punkt mit dem Schutzleiter. Damit ergibt sich jeweils zwischen L PE und N PE eine leckstromfreie Reihen schaltung aus Varistor und gasgefülltem SPD (ÜsAg). Auch die Varistoren bei Typ 3 SPDs sind temperatur überwacht, wodurch der Varisotr mechanisch vom Netz getrennt wird, bevor gefährliche Temperaturen erreicht werden. 31

32 Aufbau und Wirkungsweise von Überspannungs-Schutzgeräten 4.6 Wichtige Merkmale des Produktspektrums Alle Siemens Überspannungs-Schutzgeräte sind zweiteilig aus einem Basiselement und einem Stecker aufgebaut. Das Basiselement enthält die Anschlusskontakte und die Fernmeldung, der Stecker enthält das Schutzelement. Um eine Falschbestückung zu verhindern, sind Basiselement und Stecker mit einer mechanischen Kodierung versehen. Alle Schutzstecker sind mit einer mechanischen Statusanzeige ausgestattet. Diese Anzeige signalisiert, wenn ein Stecker nicht mehr funktionsfähig ist und ausgetauscht werden muss. Viele SPDs verfügen zusätzlich über einen Fernmeldekontakt. Dieser Kontakt kann benutzt werden, um ein Signal an eine zentrale Meldestelle oder Steuerung zu leiten. Der Betriebszustand eines SPDs kann damit permanent überwacht werden. Bild 16: Optische Statusanzeige und steckbarer Fernmeldeanschluss am SPD Bei Prüfung der Isolationsfestigkeit muss nicht das komplette SPD deinstalliert, sondern lediglich der Schutzstecker abgezogen werden. Mehrpolige Ausführungen für alle Netzformen garantieren eine einfache Installation der SPDs. 32

33 Mehrstufiger Überspannungsschutz 5. Mehrstufiger Überspannungsschutz 5.1 Wirkungsvoller Schutzkreis Mit dem Begriff Wirkungsvoller Schutzkreis wird eine lückenlose Maßnahme zum Schutz vor Überspannungen bezeichnet. Der erste Schritt zur Planung der erforderlichen Maßnahmen für den Blitz- und Überspannungsschutz ist die Erfassung aller schutz bedürftigen Geräte und Anlagenbereiche. Danach folgt die Bewertung des erforderlichen Schutzniveaus der erfassten Geräte. Grundsätzlich werden bei den verschiedenen Stromkreisarten folgende Bereiche unterschieden: Stromversorgung Mess-, Steuer-, Regeltechnik (MSR) Datenverarbeitung und Telekommunikation (Sende-/Empfangsgeräte) Bild 17: Wirkungsvoller Schutzkreis 33

34 Mehrstufiger Überspannungsschutz Die zu schützende Anlage oder das zu schützende Gerät befindet sich innerhalb eines geschützten Raumes eines Schutzkreises. An allen Schnittpunkten Leitung Schutzkreis werden SPDs installiert, die zu den Nenndaten des jeweiligen Stromkreises bzw. der Schnittstelle des zu schützenden Geräts passen. Damit ist der Bereich innerhalb des Schutzkreises so abgesichert, dass Geräte innerhalb des Schutzkreises wirkungsvoll geschützt werden. Im Rahmen eines effizienten und umfassenden Schutzes gegen Über spannungen ist im ersten Schritt die Stromversorgung zu berücksichtigen. Die in diesem Bereich auftretenden energiereichen Überspannungen und Stoßströme können Überschläge über Luft- und Kriechstrecken und durch die Isolation von spannungsführenden Teilen und Leitungen zur Erde hervorrufen. Betroffen sind alle elektrischen Betriebsmittel von der zentralen Gebäudeeinspeisung bis zum elektrischen Verbraucher. Die erforderlichen Maßnahmen zum Schutz der Stromversorgung von Anlagen und Geräten hängen von den Ergebnissen der Gefährdungsanalyse und von den in Anwendungs normen getroffenen Festlegungen zur Auswahl und Installation von SPDs ab. In den Anwendungsnormen wird im Regelfall ein mehrstufiger Schutz mit zwei oder drei Schutzstufen gefordert. Die SPDs für die einzelnen Schutzstufen unterscheiden sich durch die Typ-Klassifizierung (Typ 1, Typ 2, Typ 3), die Höhe des Ableitvermögens, den Schutzpegel und den Verlauf der Restspannung. 34

35 Mehrstufiger Überspannungsschutz 5.2 Dreistufiger Schutz für die Stromversorgung Schutzstufen 1 und 2 getrennt installiert Für einen dreistufen Schutz, bei dem alle SPDs an verschiedenen Einbauorten installiert werden, ergibt sich folgender Aufbau: Bild 18: Drei Schutzstufen mit unterschiedlichen Einbauorten in der Stromversorgung 35

36 Mehrstufiger Überspannungsschutz 5.3 Dreistufiger Schutz für die Stromversorgung Schutzstufen 1 und 2 kombiniert Für einen dreistufigen Schutz, bei dem unabhängig voneinander arbeitende Typ 1 SPDs und Typ 2 SPDs in einem Gerät kombiniert sind, ergibt sich folgender Aufbau: Bild 19: Dreistufiger Schutz für die Stromversorgung, Schutzstufen 1 und 2 in einem Produkt aufeinander abgestimmt 36

37 Mehrstufiger Überspannungsschutz 5.4 Zweistufiger Schutz für die Stromversorgung bei geringem Gefährdungspotenzial Für niedrige Gebäude, die sich mitten in Wohnsiedlungen befinden und bei denen keine Blitzschutzanlage oder andere geerdete Metallkonstruktionen auf dem Dach installiert sind, ist das Gefährdungsrisiko in Bezug auf Blitzentladungen relativ gering. Ein direkter Blitzeinschlag ist hier, statistisch gesehen, eher nicht zu erwarten. Wenn diese Bedingungen nach gewissenhafter Prüfung und Beurteilung des Gefährdungspotenzials für das Objekt zutreffen, kann auf die Installation eines Typ 1 SPDs verzichtet werden. Aufbau eines zweistufigen Schutzes mit begrenztem Ableitvermögen Bild 20: Zweistufiger Schutz für die Stromversorgung ohne Blitzstromableiter 37

38 Netzsysteme 6. Netzsysteme Die Auswahl von SPDs ist auch abhängig von der Art des Netzsystems der Stromversorgung. SPDs müssen auf das jeweilige Netzsystem abgestimmt sein, um einen wirkungsvollen Schutz zu gewährleisten. Netzsysteme unterscheiden sich in erster Linie dadurch, ob und wie ein oder mehrere Leiter des Netzsystems direkt oder indirekt geerdet sind bzw. ob der PE-Leiter getrennt oder zusammen mit dem N-Leiter als PEN-Leiter mitgeführt wird. Weitere Unter schiede ergeben sich durch die Anzahl der Phasen, die Spannungs- und Stromart sowie die Frequenz und die Spannungshöhe. Nach IEC wird zwischen den folgenden Netzsystemen unterschieden: TN-S-System TN-C-System TT-System IT-System 6.1 Das TN-S-System In einem TN-S-System werden Neutralleiter (N) und Schutzleiter (PE) in jeweils einem separaten Leiter geführt. Eine dreiphasige Stromversorgung besteht also aus den fünf Leitern L1, L2, L3, N und PE. Systeme, in denen N und PE getrennt verlegt werden, gelten aus Sicht der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) als EMV-freundlicher als Systeme, in denen PEN-Leiter verwendet werden. Abhängig von den Anforderungen der Verbraucher werden Systeme mit 1 bis 3 Phasen auf gebaut. Bild 21: Das TN-S-System 38

39 Netzsysteme 6.2 Das TN-C-System In einem TN-C-System werden Neutralleiter (N) und Schutzleiter (PE) in einem kombinierten Schutz- und Neutralleiter (PEN) geführt. Eine 3-phasige Stromversorgung besteht also aus den vier Leitern L1, L2, L3 und PEN. Bild 22: Das TN-SC-System 39

40 Netzsysteme 6.3 Das TT-System In einem TT-System ist ein Punkt im Allgemeinen der Sternpunkt des Transformators direkt geerdet (Betriebserder). Der geerdete Punkt wird in den meisten Fällen als N-Leiter in die Anlage geführt. Die Körper der elektrischen Anlage sind mit Erdern verbunden, die vom Betriebserder des Transformators getrennt sind. Das heißt, direkt an einer Anlage oder einem Gebäude wird eine lokale Erdung aufgebaut. Diese lokale Erde ist mit dem lokalen Potenzialausgleichssystem und dem Schutzleiter der lokalen Erdung (PE) verbunden, jedoch nicht mit dem N-Leiter. In einem TT-System werden Neutralleiter (N) und Schutzleiter (PE) in separaten Leitern geführt. Eine 3-phasige Stromversorgung besteht also aus den fünf Leitern L1, L2, L3, N und PE aus der lokalen Erdung. Abhängig von den Anforderungen der Verbraucher werden Systeme mit 1 bis 3 Phasen aufgebaut. Bild 23: Das TT-System 40

41 Netzsysteme 6.4 Das IT-System In einem IT-System wird der Sternpunkt des versorgenden Transformators nicht oder nur über eine hohe Impedanz geerdet. Falls ein Neutralleiter vom Sternpunkt des versorgenden Transformators mitgeführt wird, wird dieser getrennt vom lokalen Schutzleiter geführt. Eine 3-phasige Stromversorgung besteht also aus den 4 bzw. 5 Leitern L1, L2, L3, ggf. N und lokaler PE. Bild 24: Das IT-System Eine Besonderheit des IT-Systems ist, dass zeitlich begrenzt ein Isolationsfehler gegen Erde auftreten darf. Der Erdschluss einer Phase muss lediglich durch eine Isolations überwachung erkannt und gemeldet werden, sodass er zeitnah behoben werden kann. 41

42 Netzsysteme 6.5 Wandlung von Netzsystemen innerhalb einer Anlage In der Praxis kommt es häufig vor, dass Netzsysteme innerhalb einer Anlage wechseln. Beispiel: Wandlung eines TN-C-Systems in ein TN-S-System In diesem Fall wird der PEN-Leiter in einen PE-Leiter und einen N-Leiter aufgeteilt. Aus einem 4-Leiter-T-N-C-System (L1, L2, L3, PEN) wird somit ein 5-Leiter-TN-S- System (L1, L2, L3, N, PE). Bild 25: Wandlung eines 3-phasigen TN-C-Systems in ein 3-phasiges TN-S-System 42

43 Installationshinweise 7. Installationshinweise SPDs der ersten Schutzstufe sollen so nah wie möglich am Speisepunkt der elektrischen Anlage installiert werden vorzugsweise in unmittelbarer Nähe zur Haupterdungsschiene (HES), so dass die nachgeordneten Installations einrichtungen geschützt werden. In Anlagen, die aus dem öffentlichen Energieversorgungsnetz gespeist werden, be findet sich der Speisepunkt der elektrischen Anlage in der Nähe der Gebäudehauptverteilung. In Industrieanlagen mit Mittelspannungseinspeisung sind die SPDs in der Niederspannungs-Hauptverteilung zu installieren. Bild 26: Typische Einbauorte von SPDs Bild 26 zeigt die typischen Einbauorte von SPDs. Die heute als Typ 1 SPD, Typ 2 SPD und Typ 3 SPD bezeichneten Über spannungs- Schutzgeräte wurden in der Vergangenheit häufig als SPDs für den Grobschutz, den Mitteschutz und den Feinschutz bezeichnet. Die SPDs an den Einbauorten 2 und 3 dürfen nicht ohne ein SPD am Einbauort 1 verwendet werden. Um eine Überlastung der SPDs an den Einbauorten 2 und 3 zu verhindern, muss das SPD an Einbauort 1 mit den anderen SPDs energetisch ko ordiniert sein (siehe Seite 61). Damit die Koordination der eingesetzten SPDs sichergestellt ist, wird empfohlen, in einer elektrischen Anlage nur SPDs eines Herstellers zu verwenden. 43

44 Installationshinweise Der wirksame Schutzbereich eines SPDs beträgt (in Energieflussrichtung) ca. 10 m Leitungs länge. Wird diese Leitungslänge überschritten, sollte ein zusätzliches SPD so nah wie möglich am zu schützenden Betriebsmittel installiert werden. Dabei muss die notwendige Bemessungs-Stoßspannung des zu schützenden Betriebsmittels beachtet werden. Bild 27: Wirksamer Schutzbereich eines SPD 44

45 Installationshinweise 7.1 Typ 1 SPD (Blitzstromableiter) Wenn bauliche Anlagen mit externen Blitzschutzsystemen ausgerüstet sind oder der Schutz bei Einwirkungen infolge direkter Blitzeinschläge anderweitig gefordert ist, müssen Typ 1 SPDs zum Zweck des Blitzschutz-Potenzialausgleichs installiert werden. Blitzstromableiter haben die Aufgabe, lang andauernde Blitzströme mit sehr hohen Strom amplituden abzuleiten. Der typische Einbauort für Typ 1 SPDs als erster Schutzstufe ist die zentrale Stromversorgung von Gebäuden oder Anlagen (Einbauort 1 in Bild 26). In Industrieanlagen mit Mittelspannungs-Einspeisung sind die SPDs in der Nieder spannungs-hauptverteilung zu installieren. Typ 1 SPDs, die ausschließlich aus Funkenstrecken bestehen, dürfen auch im Vorzähler bereich installiert werden. Bild 28: Einbauumgebung von Typ 1 Ableitern 45

46 Installationshinweise Praxistipp Der für ein Typ 1 SPD geforderte Blitzprüfstrom l imp (10/350 µs) ist unter anderem von der gewählten Blitzschutzklasse abhängig (siehe DIN VDE ). Dadurch können sich höhere Anforderungen an den Blitzprüfstrom l imp ergeben als die Anforderungen aus den zuvor aufgeführten Tabellen. Marktüblich und in der Praxis bewährt haben sich Typ 1 SPDs mit folgenden Blitz prüfströmen l imp (10/350 µs): L N: 12, ,0 ka L PE: 12, ,0 ka N PE: 50, ,0 ka Für Industrieanwendungen mit 3-phasigen Stromversorgungssystemen und 5 Leitern werden in der Praxis Typ 1 SPDs mit einem L-N-Ableitvermögen von 25 ka (10/350 µs) und einem N-PE-Ableitvermögen von 100 ka (10/350 µs) eingesetzt. Ein solches Typ 1 SPD erfüllt die Anforderungen aller Blitzschutzklassen (gemäß DIN VDE ). Müssen lediglich die Anforderungen der Blitzschutzklassen III und IV erfüllt werden, können für 3-phasige Stromversorgungssysteme mit 5 Leitern auch Typ 1 SPDs mit einem L-N-Ableitvermögen von 12,5 ka (10/350 µs) und einem N-PE-Ableit vermögen von 50 ka (10/350 µs) eingesetzt werden. Typ 1 SPDs mit einem L-N-Ableitvermögen von 12,5 ka (10/350 µs) sind aktuell aus Varistoren aufgebaut. Diese SPDs haben bei der Durchleitung von lang an dauernden Blitzströmen einen erheblich höheren Verlauf der Restspannung als SPDs aus Funken strecken. Deshalb haben SPDs aus Funkenstrecken bei lang andauernden Blitzströmen eine bessere Schutzwirkung für die nachfolgende Installa tion als Typ 1 SPDs aus Varistoren. Um eine optimierte Schutzwirkung bei lang andauernden Blitzströmen zu erreichen, sollte deshalb am Einbauort 1 (1. Schutzstufe) vorzugsweise ein Typ 1 SPD aus Funkenstrecken ein gesetzt werden. 46

47 Installationshinweise 7.2 Typ 2 SPD Zum Schutz bei indirekten Blitzeinwirkungen und bei Schaltüberspannungen, die über die Versorgungsleitungen in die Anlage gelangen, müssen mindestens Typ 2 SPDs am oder in der Nähe des Einspeisepunktes (Einbauort 1) installiert werden. Diese SPDs können relativ hohe Stoßströme der Wellenform (8/20 µs) ableiten und entlasten den Geräteschutz bei zu hohen und energiereichen Überspannungen. Der typische Einbauort ist die Unterverteilung (Einbauort 2). Die SPDs sind vor den Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen (RCD) zu installieren. So werden die Kontakte der Fehlerstrom-Schutzeinrichtung nicht durch die hohen Ableitströme belastet und unnötige Abschaltungen vermieden. 7.3 Typ 3 SPD Typ 3 SPDs werden unmittelbar vor dem zu schützenden Gerät installiert (Einbauort 3). Damit wird verhindert, dass erneut Überspannungen in die bereits geschützte Leitung einkoppeln und es durch Reflexion von Spannungsimpulsen am Ende von Leitungen zu Spannungserhöhungen kommt. Um ungewollte Einkopplungen von Spannungsimpulsen oder Stromimpulsen zu vermeiden, ist darauf zu achten, dass bereits durch SPDs geschützte Anschlussleitungen nicht parallel mit ungeschützten Leitungen geführt werden. 47

48 Installationshinweise 7.4 Stichleitungsanschluss und V-förmiger Anschluss Beim Anschluss von SPDs wird zwischen einem Stichleitungsanschluss und einem V-förmigen Anschluss unterschieden. Beim Stichleitungsanschluss werden die Anschlussklemmen des SPDs mit dem (Haupt-)Stromversorgungssystem über eine Leitung verbunden. Es ergibt sich eine T-förmige Anschlussgeometrie (T-Verdrahtung). Bei dieser Anschlussart kann die Anlagenvorsicherung F1 größer sein als die maximal zulässige Vorsicherung des SPDs, da das SPD im Leitungsstich separat mit einer Sicherung F2 abgesichert werden kann. Bild 29: Stichleitungsanschluss Bild 30: V-förmiger Anschluss Beim V-förmigen Anschluss (V-Verdrahtung) werden die ankommenden und abgehenden Leitungen jeweils direkt an einer Klemme des Schutzgeräts angeschlossen. Mögliche Zusatzspannungen U Z auf den Stichleitungen (siehe Abschnitt 7.6.) werden damit auf ein Minimum begrenzt. In diesem Fall darf die Anlagensicherung F1 die im Datenblatt angegebene maximale Vor sicherung des SPDs für V-förmige Verdrahtung nicht überschreiten. Die überwiegend in elektrischen Anlagen verwendete Anschlussform bei Typ 1 SPDs und Typ 2 SPDs ist der Stichleitungsanschluss. 48

49 Installationshinweise 7.5 Absicherung von SPDs Mit einer dem SPD vorgeschalteten Sicherung wird in erster Linie ein fehlerhaftes, kurz geschlossenes SPD vom Netz getrennt. SPDs mit schaltender Charakteristik (Funkenstrecken, ÜsAgs) müssen stets so ausgewählt werden, dass sie immer in der Lage sind, den möglicherweise am Einbauort des SPD auftretenden prospektiven (unbeeinflussten) Kurzschlussstrom selbsttätig zu löschen. Das bedeutet, dass die für das jeweilige SPD ausgewiesene Netzfolgestrom-Löschfähigkeit I fi größer sein muss als der am Einbauort des SPDs maximal auftretende zu erwartende Kurzschlussstrom. Hinweise zur Planung Mit der ausgewählten Anordnung von Sicherungen kann festgelegt werden, ob die Versorgungssicherheit oder der Schutz bei Überspannungen vorrangig ist. Wenn eine zusätzliche Sicherung F2 im Zweig zum SPD installiert wird, hat die Versorgungs sicherheit Vorrang. Ein Fehler in der Überspannungs-Schutzeinrichtung führt nicht zum Abschalten des gesamten Anlagenteils. Die Stromselektivität zu F1 gilt bei Sicherungen mit gg/gl-charakteristik als gegeben, wenn die Sicherungsnennwerte mindestens im Verhältnis F2:F1 = 1:1,6 stehen. Die Sicherung F2 sollte immer ausreichend groß dimensioniert werden, damit sie den tatsächlich am Einbauort der Sicherung zu erwarteten transienten Stoßströmen standhalten kann. 49

50 Installationshinweise Hinweis Die von den Herstellern angegebene maximal zulässige Vorsicherung bezieht sich nach IEC bzw. DIN EN immer auf das maximale Stoßstrom- Ableitvermögen eines SPDs im Schutzpfad L-N und auf den maximal zulässigen prospektiven Kurzschlussstrom am Einbauort des SPDs. An vielen Einbauorten von SPDs sind die real zu erwartenden Stoßströme im Schutzpfad L-N deutlich niedriger als die für die Prüfung von SPDs nach IEC bzw. DIN EN verwendeten Stoßströme. Der Planer des Überspannungsschutzes muss bei der Auswahl der Vorsicherungen eine praxisgerechte Abwägung treffen unter Berücksichtigung von gewünschter Verfügbarkeit/Versorgungssicherheit, Begrenzung von Kurzschlussströmen, Selektivität und den am Einbauort real zu erwartenden Stoßströmen im Schutzpfad L/N. Dieser Abwägungs prozess führt in realen Anlagen in der Regel dazu, dass von Planern Vorsicherungen gewählt werden, deren Nennstrom-Wert deutlich niedriger ist als der Nennstrom-Wert der für ein SPD maximal zulässigen Vorsicherung. Ein energiereicher transienter Stoßstrom, der von der Sicherung F1 ohne Schmelzen der Sicherung durchgelassen wird, kann eine kleiner dimensionierte Sicherung F2 zum Schmelzen bringen und das SPD dadurch vom Netz trennen. Ein mögliches Schmelzen der Sicherung F2 kann z. B. mit Hilfe einer geeigneten Sicherungsüberwachung erkannt werden. Falls ausschließlich eine Sicherung F1 installiert ist, hat der Schutz gegen Überspannungen Priorität. In dieser Konstellation wird der gesamte Anlagenteil durch das Auslösen von F1 abgeschaltet, wenn ein Fehler im SPD auftritt oder wenn der real fließende Stoßstrom die jeweilige Stroßstrom-Tragfähigkeit der Sicherung F1 übersteigt. Dabei muss auf eine ausreichende Dimensionierung oder eine erd- und kurzschlusssichere Verlegung der Stichleitung geachtet werden. 50