Leitfaden: Blitz- und Überspannungsschutz für LED Beleuchtung Stand 08/2014

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1 Leitfaden: Blitz- und Überspannungsschutz für LED Beleuchtung Stand 08/2014

2 Inhaltsverzeichnis Kapitel 1. Blitz- und Überspannungsschutz für LED-Beleuchtung....3 Kapitel 1.1 Grundlage:...3 Kapitel 1.2 Gefahren:...3 Kapitel 2. Straßenbeleuchtung....4 Kapitel 2.1 Schäden und Reparaturkosten...4 Kapitel 2.2 Ausführung der Erdungsanlagen...4 Kapitel 2.3 Installationsort des Blitz- und Überspannungsschutz....5 Kapitel 3. Innenbeleuchtung....7 Kapitel 4. Schaltung...8 Kapitel 4.1 Paralleler Anschluss...8 Kapitel 4.2 Serieller Anschluss...8 Kapitel 5. Fazit...9 Kapitel 6. Literaturverzeichnis:...10 Die Inhalte der Merkblätter informieren zu bestimmten Sachthemen. Sie basieren auf den derzeit gültigen und bekannten Vorschriften und Bestimmungen sowie auf unseren Erfahrungen. Eine allgemeingültige Rechtsverbindlichkeit und Vollständigkeit kann aus dieser Unterlage nicht abgeleitet werden.

3 Blitz- und Überspannungsschutz für LED-Beleuchtung Kapitel 1. Kapitel 1.1 Kapitel 1.2 Blitz- und Überspannungsschutz für LED-Beleuchtung Grundlage: Aufgrund ihrer Lichtstärke, ihrer Energieeffizienz und ihrer Robustheit eignen sich LED-Leuchten optimal für die Straßenbeleuchtung und die Signal- und Objektbeleuchtung in Industrie- und Gewerbehallen. Da LED-Leuchten bei gleicher Leuchtkraft bis zu 70 Prozent weniger Energie als herkömmliche Leuchtmittel verbrauchen, tragen Sie während ihrer Lebensdauer von bis zu Stunden erheblich zur Senkung der Energiekosten bei. Zum Vergleich: Metalldampflampen haben lediglich eine Lebensdauer von bis zu Stunden. Der höhere Anschaffungspreis von LED-Leuchten amortisiert sich daher in kurzer Zeit, wenn sie vor einem vorzeitigen Ausfall durch direkte Blitzeinschläge und Schalt-Überspannungen geschützt werden. Gefahren: Im Bereich der Straßenbeleuchtung sind LED-Leuchten durch ihre exponierte Lage nahen und direkten Blitzeinschlägen und Überspannungen direkt ausgesetzt. In Gebäuden besteht beim Starten von Leuchtstoffröhren oder HQI-Leuchten Gefahr der Beschädigung bzw. vorzeitiger Alterung durch hohe Schalt-Überspannungen von bis zu 5000 Volt. Diese Belastungen können zur Minderung der Lichtstärke oder zur Zerstörung der Vorschaltgeräte führen. Es drohen Ausfall sowie hohe Reparaturkosten, welche die Amortisationszeit verlängern. Dementsprechend sollte ein geeigneter Überspannungsschutz gegen Schädigung durch Blitz- oder Überspannungen eingesetzt werden. Blitzeinschlag mit Zerstörung durch Brand und Überspannungen. Ausfall durch Überspannungen durch Induktion und aus dem AC-Netz. Wind, Sonne, Schnee und Temperaturen belasten die Installation. Elektrische Geräte der Überspannungskategorie I, z. B. die elektronischen Vorschaltgeräte bzw. LED-Treiber, sind nach VDE Tabelle 1 mit einer Stoßspannungsfestigkeit von Volt und bei Überspannungskategorie II mit Volt auszulegen. Die Störungen durch Blitze und Schalthandlungen erzeugen jedoch in der Regel Überspannungen von bis zu mehreren Volt, die deutlich über den genannten Stehstoß-Spannungsfestigkeiten liegen. Zum Schutz gegen Überspannungen benötigen moderne LED-Leuchten einen externen Überspannungsschutz. 3

4 Straßenbeleuchtung Kapitel 2. Kapitel 2.1 Straßenbeleuchtung Schäden und Reparaturkosten Im Bereich der Straßenbeleuchtung verursacht der Austausch der defekten Bauteile neben den Kosten der Hardware auch hohe Kosten für den Einsatz von Hubsteiger und Personal. Vorgeschaltete Überspannungsschutzgeräte reduzieren die Impulse und schützen die Leuchte. Straßenzüge werden über zentrale Verteilerkästen versorgt, in denen die Steuerungen und Schutzkomponenten eingebaut sind. Die Versorgungsspannung wird im Anschlussraum des Masts über Erdkabel eingespeist. Vom Anschlussraum wird die Leuchte versorgt. Kapitel 2.2 Ausführung der Erdungsanlagen Bei einer neu zu erstellenden Installation kann das Versorgungskabel durch einen darüber liegenden optionalen Erdungsleiter gegen Zerstörung durch Blitzströme im Erdreich geschützt werden. Nach der aktuellen Blitzschutznorm DIN EN (Deutsches Beiblatt 2) ist dieser Erdungsleiter 0,5 Meter über dem Versorgungskabel anzuordnen. Durch den Erdungsleiter werden Potentialunterschiede ausgeglichen und Überschläge zum Versorgungskabel minimiert. Bild 1 zeigt den über dem Versorgungskabel mitgeführten Erdungsleiter. Bild 1: Verlegung der Erdungsleiter und der Versorgungskabel Legende: 1 Erdungsleiter unisoliert 2 Versorgungskabel 4

5 Straßenbeleuchtung Kapitel 2.3 Installationsort des Blitz- und Überspannungsschutz Der Einsatz von Überspannungsschutz ist zum sicheren Betrieb notwendig. Nach amerikanischem ANSI- und IEEE-Standard wird für die Beleuchtung im Außenbereich eine Stoßspannungsfestigkeit von 20 kv bei einer Stoßstrombelastung von 10 ka genannt. Entscheidend für die Schutzwirkung ist jedoch, dass der Schutzpegel des Überspannungsschutzgerätes unterhalb der Stoßspannungsfestigkeit der Leuchtmittel und des LED-Treibers liegt. Überspannungsschutzgeräte müssen der Prüf-Norm EN entsprechen und Stoßströme von mehreren tausend Ampere mehrfach zerstörungsfrei ableiten können. Nach Prüf-Norm muss jedes Schutzgerät thermisch überwacht und im Defektfall sicher abgetrennt werden. In der Leuchten-Norm Fpr EN : Leuchten Teil 1: Allgemeine Anforderungen und Prüfungen ist unter Punkt 4.32 festgelegt: Überspannungs-Schutzeinrichtungen müssen IEC entsprechen. Bei einem direkten Blitzeinschlag in die Mastleuchte (Bild 2) fließt ein großer Teil des Blitzstromes direkt ins Erdreich und erzeugt eine Potentialdifferenz zum Versorgungskabel. Leistungsstarke Blitzstrom- / Kombiableiter können die energiereichen Ströme ableiten. Bild 2: Direkter und naher Blitzeinschlag Legende: 1 Lampenkopf mit LED-System Typ 2 2 Anschlussraum der Mastleuchte Typ Steuerschrank mit Elektronik Typ Erdungsleiter unisoliert 5 Versorgungskabel Installations-Ort Schutzgerät Beschreibung Artikel-Nr.: 1 Lampenkopf Vor dem LED Treiber ÜSM-LED 230 Typ 2 Überspannungsschutz Mast Anschlussraum V50 1+NPE-280 Typ 1+2 Kombiableiter Steuerschrank Einspeisung V50 3+NPE-280 Typ 1+2 Kombiableiter Tabelle 1: Auswahl der Schutzgeräte 5

6 Straßenbeleuchtung Ein Blitzeinschlag in einem Umkreis von bis zu 1,5 km erzeugt eine Überspannung, die leitungsgebunden über das Versorgungskabel die Beleuchtung trifft (Bild 3). Diese Überspannungen sind energieärmer als der direkte Blitzeinschlag, können aber auch elektronische Bauteile zerstören. Bild 3: Ferner Einschlag und induktive Einkopplung Legende: 1 Lampenkopf mit LED-System Typ 2 oder Typ 3 2 Anschlussraum der Mastleuchte Typ 2 3 Steuerschrank mit Elektronik Typ Erdungsleiter unisoliert 5 Versorgungskabel Installations-Ort Schutzgerät Beschreibung Artikel-Nr.: 1 Lampenkopf Vor dem LED Treiber ÜSM-LED 230 Typ 2 Überspannungsschutz Alternativ: Typ 3 Schutz ÜSM-A 230 Typ 2 Überspannungsschutz Mast Anschlussraum ÜSM-LED 230 Typ 2 Überspannungsschutz Steuerschrank Einspeisung 3-Phasen V20 3+NPE-280 Typ 2 Überspannungsschutz Alternativ: 1-Phase V20 1+NPE-280 Typ 2 Überspannungsschutz Tabelle 2: Auswahl der Schutzgeräte Induktive Einkopplungen werden durch einen metallischen Mast und durch eine Leuchte mit Metallgehäuse deutlich minimiert. Auch hier sind die leitungsgebundenen Überspannungsimpulse aus dem Versorgungsnetz zu betrachten. Der Überspannungsschutz im Mast-Anschlussraum ist in diesem Fall leicht zugänglich und einfach überprüfbar. 6

7 Innenbeleuchtung Kapitel 3. Innenbeleuchtung LED-Beleuchtungssysteme von Industrieanlagen und Verwaltungsgebäuden werden in der Regel durch hohe Spannungen zerstört, die induktiv eingekoppelt oder durch Schalthandlungen verursacht werden. Ob ein äußeres Blitzschutzsystem erforderlich ist lässt sich durch eine Risikoanalyse nach DIN EN ermitteln. Bei einem Blitzschutzsystem müssen die Versorgungsleitungen, am Gebäudeeintritt, mit geeigneten Blitzstrom-Ableitern geschützt werden. Davon unabhängig sollte der Überspannungsschutz für das gesamte Beleuchtungs-System installiert werden. Bei Industrie- und Sporthallen werden die Leuchten in großer Höhe eingesetzt. Nach einem Schaden können die Leuchtmittel oder die LED-Treiber nur mit hohen Kosten instand gesetzt werden. Da die am Arbeitsplatz geforderte Mindestbeleuchtungsstärke zu Unfällen oder Fehlern führen kann, ist sofortiger Handlungsbedarf vorhanden. Die in der Regel sehr langen Zuleitungen besitzen ein hohes Potential zur induktiven Einkopplung von Überspannungen. Überspannungsschutzgeräte sind in die versorgende Unterverteilung einzusetzen. Oft sind die Leuchten jedoch mehr als 10 m von dieser Verteilung entfernt. Zum Schutz der LED-Treiber und der Leuchtmittel ist dann ein Schutzgerät unmittelbar vor den elektronischen Bauteilen notwendig. Werden die Leuchten z. B. direkt unter die Kabeltrag-Systeme montiert, kann der Überspannungsschutz auch in einem Kabelabzweigkästen vor den Leuchten eingesetzt werden. Um die schirmende Funktion der metallenen Kabeltrag-Systeme zu nutzen, müssen diese beidseitig in den Potentialausgleich eingebunden werden. 7

8 Schaltung Kapitel 4. Kapitel 4.1 Schaltung Das Schutzgerät ÜSM-LED 230 kann seriell oder parallel zu den Leuchten installiert werden. Durch die unterschiedliche Schaltung kann die Verfügbarkeit maximiert werden (paralleler Anschluss) oder beim Defekt am Schutzgerät die Leuchte abgeschaltet werden (serieller Anschluss). Paralleler Anschluss Das Überspannungsschutzgerät wird vor die LED Leuchte geschaltet. Ausfallverhalten: Die Anzeige am ÜSM-LED erlischt. Der Überspannungsschutz wird abgetrennt. Die LED-Leuchte leuchtet ohne Schutz weiter. Kapitel 4.2 Serieller Anschluss Der Überspannungsschutz wird in Reihe zur LED Leuchte geschaltet. Ausfallverhalten: Die Anzeige am ÜSM-LED erlischt. Der Überspannungsschutz und der Stromkreis (L ) werden abgetrennt. Der Ausfall wird durch das Erlöschen der Leuchte signalisiert. 8

9 Fazit Kapitel 5. Fazit Ein geeignetes Schutzgerät vor den elektronischen LED-Treibern stellt eine sichere Barriere gegen Überspannungen dar. So wird die Lebensdauer der LED-Leuchten gewährleistet und es wird die Investition gesichert. Im gewerblichen Bereich und bei der Straßenbeleuchtung lassen sich bei langen Laufzeiten, trotz des höheren Anschaffungspreises, enorme Kosten für die Energie einsparen. Der Return of Invest kann sich jedoch aufgrund eines vorzeitigen Ausfalls durch einen Überspannungsschaden weiter in die Zukunft verschieben. Durch geeignete Schutzmaßnahmen lassen sich die Investitionen schützen. Das OBO ProtectPlus-Programm bietet für Beleuchtungsanlagen sichere Systemlösungen. 9

10 Literaturverzeichnis: Kapitel 6. Literaturverzeichnis: Blitzschutz: VDE (DIN EN ) - Allgemeine Grundsätze VDE (DIN EN ) - Risiko-Management VDE (DIN EN ) - Schutz von baulichen Anlagen und Personen VDE (DIN EN ) - Elektrische und elektronischen Systeme in baulichen Anlagen Erdung: DIN 18014: Fundamenterder Niederspannungsanlagen: VDE 0100 (IEC 60634) VDE (IEC ) VDE (IEC ) VDE (IEC ) VDE : (IEC ) Beleuchtungsanlagen im Freien Leuchten: VDE (Fpr EN ) 10

11 Notizen 11

12 OBO BETTERMANN GmbH & Co. KG Postfach Menden Deutschland Kundenservice Deutschland Tel.: / Fax: / info@obo.de OBO BETTERMANN, OPTO , Stand 29. Juli 2014 DE, Artikelnummer: