Was macht ein SPD?

Ein Überspannungsschutzgerät (SPD) ist ein Gerät, das zum Schutz elektronischer Geräte vor Überspannungen oder transienten Spannungen verwendet wird. Sie werden parallel zum Laststromkreis geschaltet, der geschützt werden muss, und können auch in Stromversorgungsnetzen auf allen Ebenen eingesetzt werden. Dieser Artikel befasst sich mit der Funktionsweise von Überspannungsschutzgeräten und ihrer wichtigen Rolle in elektrischen Systemen.

Was sind Überspannungen?

Überspannungen sind transiente Überspannungen, die bis zu zehn Kilovolt erreichen können und eine Dauer im Mikrosekundenbereich haben. Trotz ihrer kurzen Dauer kann der hohe Energiegehalt zu ernsthaften Problemen an Geräten führen, die an die Leitung angeschlossen sind, wie z. B. vorzeitige Alterung elektronischer Komponenten, Geräteausfälle oder Störungen des Betriebs und finanzielle Verluste.

Ursprung von Überspannungen

Blitze sind bekanntermaßen die bedeutendste Ursache für Überspannungen – Blitze wurden mit einer Million bis zu einer Milliarde Volt und zwischen 10.000 und 200.000 Ampere gemessen. Blitze machen jedoch nur einen Teil aller transienten Ereignisse in einer Anlage aus. Da Transienten sowohl von externen Quellen (wie Blitzen) als auch von internen Quellen stammen können, sollten Anlagen sowohl ein Blitzschutzsystem als auch einen Überspannungsschutz installiert haben.

Blitze: Die zerstörerischste Ursache für Überspannungen. Basierend auf der Norm IEC 61643-12 kann die Energie von Blitzen bis zu 200 kA erreichen. Zum Vergleich: Schätzungen zufolge liegen 65 % unter 20 kA und 85 % unter 35 kA.

Induktion: Zu den Quellen gehören Wolke-zu-Wolke-Blitze oder Blitze in der Nähe, bei denen der Stromfluss eine Überspannung an Versorgungsleitungen oder anderen metallischen Leitern induziert.

Es gibt keine Möglichkeit, wirklich zu wissen, wann, wo, wie groß oder wie lange/wellenförmig eine Überspannung auftritt. Daher wurden innerhalb der Normen einige Annahmen getroffen und 2 Hauptwellenformen ausgewählt, um verschiedene Überspannungsereignisse zu simulieren:

- Leitung

Leitung oder 10/350 μs simuliert Energie von direkten Blitzeinschlägen.

- Induktion
Induktion oder 8/20 μs simuliert Energie von indirekten Blitzeinschlägen.

Interne Quellen:

- Sie stammen von Schaltvorgängen im Versorgungsnetz, dem Abschalten von Motoren oder anderen induktiven Lasten. Energie aus diesen Quellen wird ebenfalls mit der 8/20-Wellenform analysiert.

- Transiente Überspannungen treten nicht nur in Stromverteilungsleitungen auf, sondern sind auch in jeder Leitung üblich, die aus metallischen Leitern gebildet wird, wie z. B. Telefonie, Kommunikation, Messung und Daten.

Die Rolle von Überspannungsschutzgeräten

Überspannungsschutzgeräte steuern transiente Spannungen, indem sie Überspannungsströme ableiten oder begrenzen und empfindliche elektronische Geräte schützen, die an sie angeschlossen sind, wie z. B. Computer, Fernsehgeräte, Waschmaschinen und Sicherheitsschaltungen (wie z. B. Brandmeldeanlagen und Notbeleuchtung). Diese Geräte enthalten empfindliche elektronische Schaltungen, die anfällig für Schäden durch transiente Überspannungen sind; daher spielen Überspannungsschutzgeräte eine entscheidende Rolle beim Schutz elektrischer Installationssysteme.

Ohne einen geeigneten SPD können transiente Ereignisse elektronische Geräte beschädigen und zu kostspieligen Ausfallzeiten führen. Daher kann die Bedeutung von Überspannungsschutzgeräten für den Schutz elektrischer Geräte nicht genug betont werden.

Wie funktioniert ein SPD?

Es gibt mindestens eine nichtlineare Komponente des SPD, die unter verschiedenen Bedingungen zwischen einem hoch- und niederohmigen Zustand wechselt. Bei normalen Betriebsspannungen befinden sich die SPDs in einem hochohmigen Zustand und haben keinen Einfluss auf das System. Wenn eine transiente Spannung im Stromkreis auftritt, wechselt der SPD in einen leitenden Zustand (oder niedrige Impedanz) und leitet die transiente Energie und den Strom zurück zu ihrer Quelle oder zur Erde. Dies begrenzt oder klemmt die Spannungsamplitude auf ein sichereres Niveau. Nachdem die Transiente abgeleitet wurde, setzt sich der SPD automatisch wieder in seinen hochohmigen Zustand zurück.

Das Funktionsprinzip des Überspannungsschutzes ist wie folgt:

- Normalbetrieb

In Abwesenheit einer Überspannung hat das Überspannungsschutzgerät keine Auswirkung auf das System, in dem es installiert ist. Es fungiert als offener Stromkreis und erhält

Isolierung zwischen aktiven Leitern und Erde.

- Während einer Überspannung
Wenn eine Überspannung auftritt, reduziert das Überspannungsschutzgerät seine Impedanz in Nanosekunden und leitet den Überspannungsstrom ab. An diesem

Punkt verhält sich der SPD wie ein geschlossener Stromkreis, der die Überspannung kurzschließt und sie auf Werte begrenzt, die für die elektrisch angeschlossenen

nachgeschalteten Geräte akzeptabel sind.

- Nach der Überspannung
Sobald die Impulsüberspannung aufhört, stellt das Überspannungsschutzgerät seine ursprüngliche Impedanz wieder her und kehrt in den offenen Stromkreis zurück, wobei es weiterhin

die Spannungsbedingungen im elektrischen System überwacht.

3P oder 4P? Wann ist der N-PE-Pol erforderlich?

Überspannungsschutzgeräte (SPDs) werden parallel vor elektrischen Geräten an einer Position installiert, so dass der SPD bei einem Überspannungsereignis als niederohmiger Pfad zur Erde wirkt. Dadurch wird die Hochspannungsenergie von den nachgeschalteten Geräten weggeleitet, bevor deren Spannungsfestigkeit überschritten wird, wodurch Schäden vermieden werden.

Eine häufige Frage bezüglich SPDs ist die Unterscheidung zwischen der Anwendung von 3-poligen und 4-poligen Geräten. Im Fall von TN-C-S-Verkabelungssystemen ist der Neutralleiter direkt mit der Erde verbunden (MEN-Verbindung). Wenn ein SPD innerhalb von 10 Metern von dieser MEN-Verbindung installiert wird, ist nur ein 3-poliges Gerät erforderlich. Der zusätzliche N-PE-Pol, der von 4-poligen Geräten bereitgestellt wird, ist in dieser Situation überflüssig, da bereits ein Pfad zur Erde über den Neutralleiter über die MEN-Verbindung besteht.

Wenn jedoch ein SPD weiter als 10 Meter von einer MEN-Verbindung entfernt installiert wird, ist ein 4-poliger SPD erforderlich. Da die Impedanz zur Erde mit der Kabellänge zunimmt, hat eine Überspannungsenergie nun das Potenzial, nach der MEN-Verbindung in das Netzwerk einzudringen und die nachgeschalteten Geräte zu beschädigen.

Klassifizierung von Schutzvorrichtungen

Schutzvorrichtungen werden nach ihrer Entladekapazität in Typen eingeteilt.

Typ 1:
• Getestet mit einer 10/350 μs-Wellenform (Klasse I-Test), die den Strom simuliert, der durch einen direkten Blitzeinschlag erzeugt wird.
• Fähigkeit, sehr hohe Ströme zur Erde abzuleiten, wodurch ein hohes Up - Spannungsschutzniveau erreicht wird.

• Muss von nachgeschalteten Typ-2-Schutzvorrichtungen begleitet werden. Entwickelt für den Einsatz in eingehenden Stromversorgungstafeln, in denen das Risiko eines Blitzeinschlags

• hoch ist, z. B. in Gebäuden mit einem externen Schutzsystem.

Typ 2:
• Getestet mit einer 8/20 μs-Wellenform (Klasse II-Test), die den Strom simuliert, der im Falle eines Schalt- oder Blitzeinschlags auf der

• Verteilungsleitung oder in deren Nähe erzeugt wird.
• Fähigkeit, hohe Ströme zur Erde abzuleiten, wodurch ein mittleres Up - Spannungsschutzniveau erreicht wird. Entwickelt für den Einsatz in Verteilertafeln, die sich

• nachgeschaltet von Typ-1-Schutzvorrichtungen oder in eingehenden Stromversorgungstafeln in Bereichen mit geringer Blitzexposition befinden.

Typ 3:
• Getestet mit einer kombinierten 1,2/50 μs - 8/20 μs-Wellenform (Klasse III-Test), die den Strom und die Spannung simuliert, die die Geräte erreichen können,

• geschützt werden.
• Fähigkeit, mittlere Ströme zur Erde abzuleiten, wodurch ein niedriges Up - Spannungsschutzniveau erreicht wird. Immer nachgeschaltet von einem Typ 2

• Schutz, der zum Schutz empfindlicher Geräte oder Geräte entwickelt wurde, die mehr als 20 m nachgeschaltet des Typ-2-Geräts angeordnet sind.

SPD-Merkmale basierend auf der IEC 61643-Norm

Schutzparameter:

- Up Schutzpegel: Maximale Restspannung zwischen den Klemmen des Schutzgeräts während der Anwendung eines Spitzenstroms.

- In Nennstrom: Spitzenstrom in 8/20 μs-Wellenform, dem das Schutzgerät 20 Mal standhalten kann, ohne das Ende der Lebensdauer zu erreichen

- Imax Maximaler Entladestrom: Spitzenstrom mit 8/20 μs-Wellenform, dem das Schutzgerät standhalten kann.

- Uc Maximale Dauerbetriebsspannung: Maximale Effektivspannung, die dauerhaft an die Klemmen des Schutzgeräts angelegt werden kann

Gerät.

- Iimp Impulsstrom: Spitzenstrom mit 10/350 μs-Wellenform, dem das Schutzgerät standhalten kann, ohne das Ende der Lebensdauer zu erreichen.

Wo soll man mit der Schutzkonstruktion beginnen?

Als Ursprung der Installation ist die Hauptschalttafel der Ort, an dem die Konstruktion von SPDs im Netzwerk beginnen soll.

Wie beginnt man mit der Schutzkonstruktion?

Wie bereits erwähnt, hängt die SPD-Schutzkonstruktion nicht von den Fehlerwerten ab, die der Transformator vorgibt, sondern nur vom Grad der Exposition gegenüber Überspannungen. Also, welchen SPD müssen wir in der Hauptschalttafel installieren?

Siehe das obige Diagramm aus der Norm IEC 63205-1, das die Streuung des höchsten betrachteten Blitzes zeigt: 200 kA bei 10/350 μs.

Im schlimmsten Fall werden 50 % dieser Energie zur Erde abgeleitet, wodurch 100 kA Potenzial über die 3-Phasen und den Neutralleiter des Netzwerks verbleiben.

Hier wird ein 25 kA bei 10/350 μs (Iimp) Typ 1 SPD für Fälle dringend empfohlen, in denen ein Blitz auf oder in der Nähe des Erdungsanschlusses des Gebäudes einschlägt – insbesondere wenn ein Gebäude einen Blitzableiter hat.

Im „Normalszenario“ wird davon ausgegangen, dass jeder direkte Blitzeinschlag in das Netzwerk so weit von der Installation entfernt ist, dass weitere 50 % der Energie über andere Leiter zur Erde abgeleitet werden, bevor sie Ihren Anschlusspunkt erreicht. In diesem Szenario wird ein Gerät mit einem 12,5 kA bei 10/350 μs (Iimp) Typ 1 empfohlen. Darüber hinaus sind 12,5 kA gemäß der Norm IEC 61643-12 die Mindest-kA-Nennleistung, wenn ein Typ 1 benötigt wird.

Wenn der Grad der Exposition der Installation geringer ist als die oben beschriebenen Szenarien, können Typ 2 SPDs (Imax) zusammen mit dem Risiko und den Kosten für Geräte und Ausfallzeiten in Betracht gezogen werden.

Muss ich eine dritte Stufe von Überspannungsschutzgeräten installieren?

Eine dritte Stufe des Überspannungsschutzes, die an der Endlast installiert wird, kann in Betracht gezogen werden, je nachdem, welche Lasten es sind, wie kritisch, teuer, wie hoch die Ausfallkosten sind und wie empfindlich es ist. Wenn die Kosten für die Geräte und/oder die Ausfallzeiten hoch sind, verringert die Installation eines Geräts vom Typ 3 (1,5/50 μs) in der dritten Stufe das Risiko, dass Restüberspannungsenergie in Ihre Geräte gelangt, weiter.

Beispiele für Anwendungen, die eine dritte Stufe des Überspannungsschutzes umfassen sollten, sind:

• Krankenhäuser
• Rechenzentren
• Flughäfen
• Banken und Versicherungen
• Transport