Leitfaden: Blitz- und Überspannungsschutz für LED-Straßenbeleuchtung Stand 06/2016

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1 Leitfaden: Blitz- und Überspannungsschutz für LED-Straßenbeleuchtung Stand 06/2016

2 Inhaltsverzeichnis Kapitel 1. Blitz- und Überspannungsschutz für LED-Straßenbeleuchtung Kapitel 1.1 Grundlage.... Kapitel 1.2 Gefahren.... Kapitel 2. Straßenbeleuchtung....4 Kapitel 2.1 Schäden und Reparaturkosten...4 Kapitel 2.2 Ausführung der Erdungsanlagen...4 Kapitel 2. Installationsort des Blitz- und Überspannungsschutzes...5 Kapitel. Schaltung...7 Kapitel.1 Paralleler Anschluss...7 Kapitel.2 Serieller Anschluss...7 Kapitel 4. Fazit...7 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-Straßenbeleuchtung Kapitel 1. Kapitel 1.1 Kapitel 1.2 Blitz- und Überspannungsschutz für LED-Straßenbeleuchtung Grundlage Aufgrund ihrer Lichtstärke, Energieeffizienz und Robustheit eignen sich LED-Leuchten optimal für die Signal- und Straßenbeleuchtung. Da LED-Leuchten bei gleicher Leuchtkraft bis zu 70 Prozent weniger Energie als herkömmliche Leuchtmittel verbrauchen, tragen Sie erheblich zur Senkung der Energiekosten bei. Gefahren Straßenleuchten sind durch ihre exponierte Lage nahen und direkten Blitzeinschlägen und Überspannungen umittelbar ausgesetzt. Diese Belastungen können zur Minderung der Lichtstärke oder zur Zerstörung der Vorschaltgeräte führen. Es drohen vorzeitiger Ausfall sowie hohe Reparaturkosten, welche die Amortisationszeit verlängern. Dementsprechend sollte eine geeignete Überspannungsschutzeinrichtung (SPD - Surge protective device) gegen Schädigung durch Blitz- oder Überspannungen eingesetzt werden. Blitzeinschlag mit Zerstörung durch Brand und Überspannungen Ausfall aufgrund von Überspannungen Elektrische Geräte der Überspannungskategorie I, z. B. die elektronischen Vorschaltgeräte bzw. LED-Treiber, sind nach VDE (IEC ) Tabelle 1 mit einer Stoßspannungsfestigkeit von Volt und bei Überspannungskategorie II mit Volt auszulegen. 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. Beispiel: Überspannung beim Blitzeinschlag Blitzeinschlag mit 100 ka und einem Erdungswiderstand von 1 Ohm U = R x l = 1 Ohm x 100 ka = 100 kv zur fernen Erde der Energieversorgung (Trafosternpunkt-Erdung) Durch den Spannungstrichter fällt die Spannung vom Einschlagspunkt ab. Abstand in m vom Einschlagort Spannung in kv zur fernen Erde Tabelle 1: Spannung zur fernen Erde (Trafosternpunkt-Erdung)

4 Straßenbeleuchtung Kapitel 2. Kapitel 2.1 Straßenbeleuchtung Schäden und Reparaturkosten Bei Straßenbeleuchtungen verursacht der Austausch von defekten Bauteilen 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 Verteilerkästen versorgt, in denen die Steuerungen und Schutzkomponenten eingebaut sind. Die Spannung wird im Anschlussraum des Masts über Erdkabel eingespeist und versorgt die Leuchte. Durch Überspannungschutzeinrichtungen (SPD) werden die Ausbreitung der Überspannungen minimiert und Schäden reduziert. Kapitel 2.2 Ausführung der Erdungsanlagen Das Versorgungskabel kann 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: Verlegung Erdungsleiter und Versorgungskabel Legende: 1 Erdungsleiter unisoliert 2 Versorgungskabel Die zusätzliche Erdung des Leuchtenmasts sollte in Bereichen mit erhöhtem Personenaufkommen erfolgen, z.b. auf Parkplätzen oder an Haltestellen. Bild 2: Bild 2: Erdung am Leuchtenmast 4

5 Straßenbeleuchtung Kapitel 2. Installationsort des Blitz- und Überspannungsschutzes Überspannungsschutz ist zum sicheren Betrieb notwendig. Entscheidend für die Schutzwirkung ist, dass der Schutzpegel des Überspannungsschutzgerätes unterhalb der Stoßspannungsfestigkeit der Leuchtmittel und des LED-Treibers liegt. Überspannungsschutzgeräte müssen der Prüf-Norm IEC/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 VDE (EN ) Leuchten Teil 1: Allgemeine Anforderungen und Prüfungen ist unter Punkt 4.2 festgelegt: Überspannungs-Schutzeinrichtungen müssen IEC/EN 6164 entsprechen. Bei einem Blitzeinschlag in die Mastleuchte fließt ein großer Teil des Blitzstroms direkt ins Erdreich und erzeugt eine Potentialdifferenz zum Versorgungskabel. Der direkte Blitzeinschlag ist nur mit erhöhtem Aufwand wie z.b. einer isolierten Fangeinrichtung zu beherrschen. Durch Überspannungsschutzgeräte muss ein Potentialausgleich zur Minimierung der Schäden erfolgen (Bild ) Bild : Geräteübersicht zur Schadensminimierung bei Blitzeinschlag und Blitzteilströmen Legende: 1 Steuerschrank mit Elektronik Typ Anschlusskasten der Mastleuchte Typ 2 + (Empfohlener Montageort) Lampenkopf mit LED-System Typ 2 4 Erdungsleiter unisoliert 5 Versorgungskabel Installationsort Schutzgerät Beschreibung Artikel-Nr.: 1 Steuerschrank Einspeisung V50 +NPE-280 Typ 1+2 Kombiableiter Mast Anschlussraum ÜSM-LED 20 Typ 2 + Überspannungsschutz Alternativ: IP65 ÜSM-LED Typ 2 + Überspannungsschutz (IP65) Lampenkopf (optional - Schutzklasse prüfen!) Vor dem LED Treiber ÜSM-LED 20 Typ 2 + Überspannungsschutz Tabelle 2: 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 4). Diese Überspannungen können elektronische Bauteile zerstören. Hier müssen Überspannungsschutzgeräte einen Potentialausgleich zur Minimierung der Schäden bilden (Bild 4) Bild 4: Geräteübersicht zur Schadensminimierung bei Überspannungen Legende: 1 Steuerschrank mit Elektronik Typ 2 2 Anschlusskasten der Mastleuchte Typ 2 + (Empfohlener Montageort) Lampenkopf mit LED-System Typ 4 Erdungsleiter unisoliert 5 Versorgungskabel Installationsort Schutzgerät Beschreibung Artikel-Nr.: 1 Steuerschrank Einspeisung -Phasen V20 +NPE-280 Typ 2 Überspannungsschutz Mast Anschlussraum ÜSM-LED 20 Typ 2 + Überspannungsschutz Alternativ: IP65 ÜSM-LED Typ 2 + Überspannungsschutz (IP65) Lampenkopf (optional - Schutzklasse prüfen!) Vor dem LED Treiber ÜSM-LED 20 Typ 2 + Überspannungsschutz Alternativ: Typ Schutz ÜSM-A 20 Typ 2 Überspannungsschutz Tabelle : Auswahl der Schutzgeräte Induktionen durch nahe Blitze werden durch den metallischen Mast und ein Metallgehäuse deutlich minimiert. Der Überspannungsschutz im Mast-Anschlussraum ist in diesem Fall leicht zugänglich und einfach überprüfbar. 6

7 Schaltung Kapitel. Kapitel.1 Schaltung Das Schutzgerät ÜSM-LED 20 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.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 zusätzlich durch das Erlöschen der Leuchte signalisiert. Kapitel 4. Fazit Überspannungsschutzgeräte vor den elektronischen LED-Treibern stellen eine sichere Barriere gegen Überspannungen dar. Die Lebensdauer der LED-Leuchten wird gewährleistet und die Investition gesichert. Bei der Straßenbeleuchtung lassen sich enorme Kosten für die Energie einsparen. Der Return of Invest kann sich jedoch aufgrund eines vorzeitigen Ausfalls durch einen Überspannungsschaden in die Zukunft verschieben. Durch geeignete Schutzmaßnahmen lassen sich die Investitionen schützen. Für Beleuchtungsanlagen bietet z.b. das OBO ProtectPlus-Programm sichere Lösungen. 7

8 OBO Bettermann GmbH & Co. KG Postfach Menden Deutschland Kundenservice Deutschland Tel.: 027 / Fax: 027 / info@obo.de OBO Bettermann OPTO Stand Juli 2016 DE Artikelnummer 91199