L L L' PE LED/ end device N Blitz- und Überspannungsschutz für LED-Straßenbeleuchtung Stand 09/2017
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.
Inhaltsverzeichnis Kapitel 1. Blitz- und Überspannungsschutz für LED-Straßenbeleuchtung....... 4 Kapitel 1.1 Grundlage....4 Kapitel 1.2 Gefahren....4 Kapitel 2. Straßenbeleuchtung....6 Kapitel 2.1 Schäden und Reparaturkosten...6 Kapitel 2.2 Ausführung der Erdungsanlagen...6 Kapitel 2.3 Installationsort des Blitz- und Überspannungsschutzes...7 Kapitel 3. Schaltung...9 Kapitel 3.1 Paralleler Anschluss...9 Kapitel 3.2 Serieller Anschluss...9 Kapitel 4. Fazit...10 Kapitel 5. Übersicht Varianten Überspannungsschutzmodule...11
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. Die VDE 0100-100 (IEC 60364) fordert den Schutz gegen Blitze und Überspannungen für Personen, Nutztiere und Sachwerte. Der Schutzbedarf gegen die Auswirkungen von Blitzen lässt sich durch eine Risikoanalyse nach der Blitzschutz-Norm VDE 0185-305 (IEC 62305) ermitteln. Seit Oktober 2016 gilt die neue VDE 0100-443 (IEC 60364-4-443), die einen Überspannungsschutz mindestens am Speisepunkt jeder elektrischen Anlage vorschreibt. Werden Straßenzüge aus Gebäuden elektrisch gespeist, muss am Gebäudeeintritt ein Potentialausgleich mit geeignetem Überspannungsschutz durchgeführt 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 0100-443 (IEC 60364-4-443) Tabelle 1 mit einer Stoßspannungsfestigkeit von 1.500 Volt und bei Überspannungskategorie II mit 2.500 Volt auszulegen. Blitze und Schalthandlungen erzeugen jedoch in der Regel Überspannungen von bis zu mehreren 10.000 Volt, die deutlich über den genannten Stehstoß-Spannungsfestigkeiten liegen. Zum Schutz gegen Überspannungen benötigen moderne LED-Leuchten einen externen Überspannungsschutz. 4
Blitz- und Überspannungsschutz für LED-Straßenbeleuchtung 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 0 30 60 90 120 150 300 450 Einschlagort Spannung in kv zur fernen Erde 100 36 20 12 9 6 4 3 Tabelle 1: Spannung zur fernen Erde (Trafosternpunkt-Erdung) 5
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 durch Überspannungen 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 VDE 0185-305-3 (DIN EN 62305-3) 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 (Beleuchtungsklassen CE0 bis CE5). Bild 2: Bild 2: Erdung am Leuchtenmast, z. B. Beleuchtungsklasse CE 5 6
Straßenbeleuchtung Kapitel 2.3 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 VDE 0675-6-11 (IEC/EN 61643-11) entsprechen und Stoßströme von mehreren tausend Ampere mehrfach zerstörungsfrei ableiten können. Nach Prüfnorm muss jedes Schutzgerät thermisch überwacht und im Defektfall sicher abgetrennt werden. In der Leuchtennorm VDE 0711-1 (EN 60598-1) Leuchten Teil 1: Allgemeine Anforderungen und Prüfungen ist unter Punkt 4.32 festgelegt: Überspannungs-Schutzeinrichtungen müssen VDE 0675-6-11 (IEC/EN 61643-11) entsprechen. Der Kabelübergangskasten im Leuchtenmast ist der Speisepunkt für die Leuchte. Ein Überspannungsschutzgerät (SPD) schützt vor transienten Spannungen durch Blitzeinschläge in die Versorgungsleitung. Das SPD im Kabelübergangskasten des Mastes ist leicht erreichbar und die Gerätemontage, Wartung oder der Ersatz ist gut möglich. Die einzelnen Straßenleuchten werden vom Steuerschrank bzw. dem Straßenhauptverteiler aus versorgt. Überspannungen aus dem Versorgungsnetz können an dieser Stelle zentral abgefangen werden, bevor sie zu den einzelnen Leuchten gelangen. Der Über spannungsschutz als Barriere in diesem Verteiler ist eine wirtschaftlich sinnvolle Investition. 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 3). Bild 3: Geräteübersicht zur Schadensminimierung bei Blitzeinschlag und Blitzteilströmen Legende: 1 Steuerschrank mit Elektronik Typ 1 + 2 2 Anschlusskasten der Mastleuchte Typ 2 + 3 (Empfohlener Montageort) 3 Lampenkopf mit LED-System Typ 2 + 3 4 Erdungsleiter unisoliert 5 Versorgungskabel 7
Straßenbeleuchtung Installationsort Schutzgerät Beschreibung Artikel-Nr.: 1 Steuerschrank Einspeisung V50 3+NPE-280 Typ 1+2 Kombiableiter 5093 526 2 Mast Anschlussraum ÜSM-LED-20-230/1P + PE Typ 2 + 3 Überspannungsschutz 5092 431 3 Lampenkopf (optional - Schutzklasse prüfen!) Vor dem LED Treiber ÜSM-LED-20-230/1P + PE Typ 2 + 3 Überspannungsschutz 5092 431 Tabelle 2: Auswahl der Schutzgeräte 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 + 3 (Empfohlener Montageort) 3 Lampenkopf mit LED-System Typ 2 + 3 4 Erdungsleiter unisoliert 5 Versorgungskabel Installationsort Schutzgerät Beschreibung Artikel-Nr.: 1 Steuerschrank Einspeisung 3-Phasen V20 3+NPE-280 Typ 2 Überspannungsschutz 5095 253 2 Mast Anschlussraum ÜSM-LED-20-230/1P + PE Typ 2 + 3 Überspannungsschutz 5092 431 3 Lampenkopf (optional - Schutzklasse prüfen!) Vor dem LED-Treiber ÜSM-LED-20-230/1P + PE Typ 2 + 3 Überspannungsschutz 5092 431 Tabelle 3: 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. 8
Schaltung Kapitel 3. Kapitel 3.1 Schaltung Das Überspannungsschutzgerät ÜSM-LED-20-230/1P + PE 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. L PE L' L LED/ end device N Bild 5: Beispiel ÜSM-20-230I 1P+PE: 5092431 Ausfallverhalten: Die Anzeige am Überspannungsschutzgerät ÜSM-LED- 20-230/1P + PE erlischt. Der Überspannungsschutz wird abgetrennt. Die LED-Leuchte leuchtet ohne Schutz weiter. Kapitel 3.2 Serieller Anschluss Der Überspannungsschutz wird in Reihe zur LED-Leuchte geschaltet. L L L' PE LED/ end device N Bild 6: Beispiel ÜSM-20-230I 1P+PE: 5092431 Ausfallverhalten: Die Anzeige am Überspannungsschutzgerät ÜSM-LED-20-230/1P + PE erlischt. Der Überspannungsschutz und der Stromkreis (L ) werden abgetrennt. Der Ausfall wird zusätzlich durch das Erlöschen der Leuchte signalisiert. 9
Fazit 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 unnötige Wartungseinsätze vermeiden und die Langlebigkeit, Verfügbarkeit und Investition schützen. Die Überspannungsschutzgeräte (SPDs) im zentralen Straßenverteiler bzw. Steuerschrank und im Kabelübergangskasten des Mastes bieten ein wirkungsvolles stufiges Schutz konzept gegen Überspannungen. Für Beleuchtungsanlagen stellt z.b. das OBO-ProtectPlus-Programm sichere Lösungen zur Verfügung. 10
Übersicht Varianten Überspannungsschutzmodule Kapitel 5. Übersicht Varianten Überspannungsschutzmodule Typ ÜSM-20-230I1P+PE ÜSM-20-230I1PE65 ÜSM-10-230I1P-0 ÜSM-10-230I1P+PE ÜSM-10-230I2P-0 ÜSM-10-230I2P+PE Ausführung 1polig + NPE für SK I 1polig + NPE für SK I 1polig ohne PE für SK II 1polig + NPE für SK I 2polig ohne PE für SK II 2polig + NPE für SK I SPD nach EN 61643-11 Typ 2+3 Typ 2+3 Typ 2+3 Typ 2+3 Typ 2+3 Typ 2+3 Höchste Dauerspannung 255 V (AC) 255 V (AC) 255 V (AC) 255 V (AC) 255 V (AC) 255 V (AC) Max. Ableitstoßstrom (8/20) 20 ka 20 ka 10 ka 10 ka 10 ka 10 ka Nennableitstoßstrom (8/20) 10 ka 10 ka 5 ka 5 ka 5 ka 5 ka Leerlaufspannung 10 kv 10 kv 10 kv 10 kv 10 kv 10 kv Schutzpegel (L-N / L/N-PE) 1300 / 1300 V 1500 / 1600 V 1300 V 1300 / 1300 V 1300 V 1300 / 1300 V Schutzart IP20 IP65 IP20 IP20 IP20 IP20 Art.-Nr. 5092 43 1 5092 43 3 5092 42 0 5092 42 2 5092 42 4 5092 42 6 11
OBO Bettermann Vertrieb Deutschland GmbH & Co. KG Langer Brauck 25 58640 Iserlohn DEUTSCHLAND Kundenservice Deutschland Tel.: +49 23 71 78 99-20 00 Fax: +49 23 71 78 99-25 00 www.obo.de Building Connections OBO Bettermann OPTO 170471 Stand September 2017 DE Artikelnummer 9131939