Was ist ein elektrischer Überspannungsschutz?

Was ist ein Überspannungsschutzgerät (SPD)?

Überspannungsschutzgeräte (SPD) werden verwendet, um die elektrische Installation, die aus der Verbrauchereinheit, der Verkabelung und dem Zubehör besteht, vor elektrischen Überspannungen, sogenannten transienten Überspannungen, zu schützen.

Sie werden auch verwendet, um empfindliche elektronische Geräte, die an die Installation angeschlossen sind, wie Computer, Fernseher, Waschmaschinen und Sicherheitsschaltungen, wie Brandmeldeanlagen und Notbeleuchtung, zu schützen. Geräte mit empfindlichen elektronischen Schaltkreisen können durch transiente Überspannungen beschädigt werden. Die Auswirkungen einer Überspannung können entweder zu einem sofortigen Ausfall oder zu einer Beschädigung des Geräts führen, die erst nach längerer Zeit sichtbar wird. SPDs werden in der Regel in der Verbrauchereinheit installiert, um die elektrische Installation zu schützen.

Immer wenn in der elektrischen Schaltung oder der Kommunikationsschaltung als Folge von äußeren Störungen ein plötzlicher Anstieg von Strom oder Spannung auftritt, kann das Überspannungsschutzgerät leiten und in sehr kurzer Zeit ableiten, wodurch verhindert wird, dass die Überspannung andere Geräte in der Schaltung beschädigt.

Überspannungsschutzgeräte (SPDs) sind eine kostengünstige Methode zur Vermeidung von Ausfällen und zur Verbesserung der Systemzuverlässigkeit.

Sie werden typischerweise in den Verteilertafeln installiert und spielen eine wichtige Rolle bei der Gewährleistung des reibungslosen und unterbrechungsfreien Betriebs elektronischer Geräte in einer Vielzahl von Anwendungen, indem sie transiente Überspannungen begrenzen.

SPD-Typen

Die Klassifizierung des SPD-Typs bezieht sich auf die Tests, die das Gerät bestehen muss. Die Testanforderungen für SPDs für Stromversorgungssysteme müssen der EN 61643-11:2012+A11:2018 Niederspannungs-Überspannungsschutzgeräte entsprechen. Überspannungsschutzgeräte, die an Niederspannungs-Stromverteilungssysteme angeschlossen sind. Anforderungen und Prüfverfahren.

Es gibt drei Testklassen. Die Einführung in EN 61643-11:2012+A11:2018 weist darauf hin, dass der Test der Klasse I dazu bestimmt ist, Teilströme von Blitzströmen zu simulieren, während die Tests der Klassen II und III Impulse kürzerer Dauer beinhalten.

Tests der Klasse I werden mit einem 10/350 µs Stromimpuls durchgeführt (Klausel E.5 der EN 623051:2011). Dies stellt einen Standard-Blitzimpuls dar.

Für Klasse II werden Tests mit dem Nennentladestrom In 8/20 µs Spannungsimpuls durchgeführt.

Für Klasse III werden Tests mit einem 1,2/50 µs Spannung 8/20 µs Stromkombinationswellengenerator durchgeführt.

Ein SPD kann gemäß mehr als einer Testklasse klassifiziert werden. In diesem Fall sind die für alle deklarierten Testklassen erforderlichen Tests auf das Gerät anzuwenden.

Typ 1 SPDs

Typ 1 SPDs, die die Testklasse I erfüllen, sind so konzipiert, dass sie hohe Überspannungsströme, die mit direkten Blitzeinschlägen verbunden sind, sicher zur Erde ableiten und die transiente Überspannung begrenzen, um Schäden an der Installationsverkabelung und den angeschlossenen Geräten zu verhindern. Sie schützen auch vor Gefahren für das menschliche Leben.

Wenn ein Schutz vor hohen Überspannungsströmen, die mit direkten Blitzeinschlägen verbunden sind, erforderlich ist, z. B. wenn ein Gebäude über ein strukturelles Blitzschutzsystem (LPS) oder eine Freileitung verfügt, die durch einen direkten Einschlag gefährdet ist, sollten Typ 1 Strom-SPDs so nah wie möglich an jedem Ursprung oder Eintrittspunkt eines elektrischen Dienstes in die elektrische Installation installiert werden.

Typ 2 SPDs

Typ 2 SPDs, die die Testklasse II erfüllen, berücksichtigen, wenn sie sich am Ursprung der elektrischen Installation befinden, das Risiko einer Überspannung, die von einem indirekten Blitzeinschlag ausgeht, und begrenzen die transiente Überspannung auf ein Niveau, das für angeschlossene Geräte sicher ist. Eine solche Anordnung ist für Installationen an Orten geeignet, an denen direkte Blitzeinschläge unwahrscheinlich sind, z. B. in bebauten städtischen Gebieten.

Wenn eine Installation kein LPS installiert hat und keinen Schutz vor den Auswirkungen direkter Blitzeinschläge benötigt, ist ein Typ 2 SPD so nah wie möglich an den Ursprüngen der elektrischen Installation zu installieren.

In Industrieanlagen können Typ 2 SPDs in Unterverteilertafeln oder in der Nähe der zu schützenden Geräte installiert werden, nachgeschaltet von Typ 1 und/oder Typ 2 SPDs, die am Ursprung der Installation installiert sind.

Typ 3 SPDs

Empfindliche Geräte innerhalb der Installation können von dem Schutz profitieren, der durch ein Typ 3 SPD bereitgestellt wird, zusätzlich zu dem, der durch Typ 1 und/oder Typ 2 SPDs bereitgestellt wird.

Es ist zu beachten, dass Typ 3 SPDs nur in Installationen installiert werden sollten, in denen Typen 1 und/oder 2 SPDs vor ihrer vorgesehenen Position vorhanden sind.

Sie können in Unterverteilertafeln (typischerweise Typ 2+3 SPDs), in der Nähe oder innerhalb von Geräten installiert werden, die als anfällig für Schäden durch Überspannung gelten, oder in festen Steckdosen oder mobilen Steckdosen-Verlängerungsleitungen.

Typ 3 SPDs können Geräte auch vor Schalttransienten schützen, die aus den Räumlichkeiten stammen.

Kombinierte Typ SPDs (z. B. Typ 1+2, Typ 1+2+3, Typ 2+3)

Ein SPD kann gemäß mehr als einer Testklasse klassifiziert werden (z. B. Testklasse I (Tl) und Testklasse II (T2)). In diesem Fall sind die für alle deklarierten Testklassen erforderlichen Tests durchzuführen.

Typ1+2 SPDs werden in Gebäuden, die durch einen direkten Blitzeinschlag gefährdet sind, mit einem Blitzschutzsystem und/oder von einer Freileitung gespeist werden, in der Nähe der Einspeisestelle, z. B. an der ersten Verteilertafel, installiert.

Was sind transiente Überspannungen?

Transiente Überspannungen werden als kurzzeitige Stromstöße definiert, die aufgrund der plötzlichen Freisetzung von zuvor gespeicherter oder durch andere Mittel induzierter Energie auftreten. Transiente Überspannungen können natürlich vorkommen oder vom Menschen verursacht werden.

In elektrischen Verteilungssystemen treten transiente Spannungen aufgrund eines plötzlichen Anstiegs der Amplitude der Spannung oder des Stroms der Schaltung auf. Sie werden auch als Spikes oder Überspannungen bezeichnet.

Diese Spannungsschwankungen können durch Blitzeinschläge, Schaltvorgänge oder den Betrieb großer Motoren aufgrund hoher Einschaltströme oder anderer Geräte verursacht werden.

Transienten durch Blitzeinschlag: Ein häufiger Typ ist eine Blitztransiente, die auftritt, wenn Blitze in der Nähe von elektrischen Leitungen oder Geräten einschlagen. Dies kann einen plötzlichen Spannungsanstieg verursachen, der Geräte beschädigen und Stromausfälle verursachen kann.

Transienten durch Schaltvorgang: Eine andere Art von transienter Spannung wird als Schalttransiente bezeichnet, die auftritt, wenn eine große elektrische Last ein- oder ausgeschaltet wird. Dies kann einen plötzlichen Spannungsstoß verursachen, der Geräte in der Nähe beschädigen kann.

Daher sind Überspannungsschutzeinrichtungen in elektrischen Systemen erforderlich, um die Auswirkungen transienter Spannungen zu verringern, sie leiten überschüssige Spannung von dem angeschlossenen System weg.

Warum benötigen wir Überspannungsschutzgeräte?

Überspannungsschutzgeräte (SPDs) sind unerlässlich, um elektronische Geräte vor den schädlichen Auswirkungen transienter Überspannungen zu schützen, die Schäden, Systemausfallzeiten und Datenverluste verursachen können.

In vielen Fällen können die Kosten für den Austausch oder die Reparatur von Geräten erheblich sein, insbesondere in unternehmenskritischen Anwendungen wie Krankenhäusern, Rechenzentren und Industrieanlagen.

Leistungsschalter und Sicherungen sind nicht für diese hochenergetischen Ereignisse ausgelegt, was zusätzlichen Überspannungsschutz erforderlich macht.

Während SPDs speziell dafür entwickelt wurden, transiente Überspannungen von den Geräten abzuleiten, schützen sie diese vor Schäden und verlängern ihre Lebensdauer.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass SPDs in der modernen technologischen Umgebung unerlässlich sind.

Wie funktioniert ein Überspannungsschutzgerät?

Das Grundprinzip von SPDs besteht darin, dass sie einen niederohmigen Pfad zur Erde für überschüssige Spannung bereitstellen. Wenn Spannungspitzen oder Überspannungen auftreten, arbeiten SPDs, indem sie die überschüssige Spannung und den Strom zur Erde ableiten.

Auf diese Weise wird die Größe der eingehenden Spannung auf ein sicheres Niveau gesenkt, das das angeschlossene Gerät nicht beschädigt.

Um zu funktionieren, muss ein Überspannungsschutzgerät mindestens eine nichtlineare Komponente (einen Varistor oder eine Funkenstrecke) enthalten, die unter verschiedenen Bedingungen zwischen einem hohen und einem niedrigen Impedanzzustand wechselt.

Ihre Funktion ist es, den Entladungs- oder Impulsstrom abzuleiten und die Überspannung am nachgeschalteten Gerät zu begrenzen.

Überspannungsschutzgeräte funktionieren unter den unten aufgeführten drei Situationen.

A. Normalzustand (keine Überspannung)

Bei keinen Überspannungsbedingungen hat das SPD keine Auswirkungen auf das System und fungiert als offene Schaltung, es verbleibt in einem hochohmigen Zustand.

B. Während Überspannungen

Bei Spannungspitzen und Überspannungen wechselt das SPD in den Leitungszustand und seine Impedanz verringert sich. Auf diese Weise schützt es das System, indem es den Impulsstrom zur Erde ableitet.

C. Zurück zum Normalbetrieb

Nachdem die Überspannung abgeleitet wurde, wechselt das SPD zurück in seinen normalen hochohmigen Zustand.

Wie wählt man das ideale Überspannungsschutzgerät aus?

Überspannungsschutzgeräte (SPDs) sind wesentliche Bestandteile elektrischer Netzwerke. Die Auswahl eines geeigneten SPD für Ihr System kann jedoch ein schwieriges Problem sein.

Maximale Dauerbetriebsspannung (UC):

Die Nennspannung des SPD sollte mit der Spannung des elektrischen Systems kompatibel sein, um das System angemessen zu schützen. Eine niedrigere Spannungsnennung beschädigt das Gerät und eine höhere Nennung leitet Transienten nicht richtig ab.

Reaktionszeit:

Sie wird als die Zeit beschrieben, in der das SPD auf die Transienten reagiert. Je schneller das SPD reagiert, desto besser ist der Schutz durch das SPD. In der Regel haben Zenerdioden-basierte SPDs die schnellste Reaktionszeit. Gasgefüllte Typen haben eine relativ langsame Reaktionszeit und Sicherungen und MOV-Typen haben die langsamste Reaktionszeit.

Nennentladestrom (In):

Das SPD sollte bei einer 8/20μs-Wellenform getestet werden, und der typische Wert für ein Miniatur-SPD für Wohnzwecke beträgt 20 kA.

Maximaler Impulsentladestrom (Iimp):

Das Gerät muss in der Lage sein, den maximalen Stoßstrom zu bewältigen, der im Verteilungsnetz erwartet wird, um sicherzustellen, dass es bei einem transienten Ereignis nicht ausfällt, und das Gerät sollte mit einer 10/350μs-Wellenform getestet werden.

Klemmspannung:

Dies ist die Schwellenspannung, und oberhalb dieses Spannungspegels beginnt das SPD, jede Spannungstransiente zu klemmen, die es in der Stromleitung erkennt.

Hersteller und Zertifizierungen:

Die Auswahl eines SPD von einem bekannten Hersteller, der eine Zertifizierung von einer unparteiischen Prüfeinrichtung wie UL oder IEC hat, ist entscheidend. Die Zertifizierung garantiert, dass das Produkt geprüft wurde und alle Leistungs- und Sicherheitsanforderungen erfüllt.

Das Verständnis dieser Größenrichtlinien ermöglicht es Ihnen, das beste Überspannungsschutzgerät für Ihre Anforderungen auszuwählen und einen effektiven Überspannungsschutz zu gewährleisten.

Zu befolgende Installationsregeln

Trotz der einfachen Installation eines Überspannungsschutzes in einem Stromverteilungssystem ist es entscheidend, die entsprechenden Verfahren zu befolgen, um die Sicherheit zu gewährleisten und potenzielle Gefahren zu reduzieren.

Befolgen Sie diese Schritte bei der Installation eines SPD in einem Verteilungssystem:

- Schalten Sie den Strom aus: Schalten Sie den Strom aus, bevor Sie mit elektrischen Reparaturen beginnen, und schalten Sie den Lasttrennschalter aus, um unerwünschte Ereignisse zu vermeiden.

- Installationsort: Wählen Sie einen geeigneten Ort für das SPD. Für den besten Schutz sollte sich das SPD idealerweise so nah wie möglich am Hauptschalter befinden. Die Überspannungsschutzgeräte-Diagramm des Herstellers sollte für Details zu den Standortanforderungen konsultiert werden.

- Montieren Sie das SPD: Installieren Sie das SPD an der gewünschten Stelle auf der DIN-Schiene. Überprüfen Sie, ob die Befestigungsschrauben fest sitzen.

- Anschluss an den Erdungsanschluss: Erden Sie das SPD gemäß den Empfehlungen des Herstellers. Dies erfordert in der Regel das Verbinden eines Erdungskabels vom SPD mit der Erdungssammelschiene.

- Testen Sie das SPD: Durch Neustart des Geräts nach der Installation des SPD können Sie überprüfen, ob alles wie vorgesehen funktioniert. Einzelheiten zu bestimmten Testtechniken finden Sie im Installationshandbuch für Überspannungsschutzgeräte oder in den Anweisungen des Konstrukteurs.

Nur Elektriker mit einer Lizenz oder andere Techniker mit der erforderlichen Ausbildung und Schulung sollten SPDs installieren.

Um die kontinuierliche Sicherheit zu gewährleisten, sollte das SPD auch routinemäßigen Tests und Wartungen unterzogen werden.

Was verursacht das Versagen von Überspannungsschutzgeräten (SPD)?

Überspannungsschutzgeräte (SPDs) sind so konzipiert, dass sie einen zuverlässigen Schutz vor transienten Überspannungen bieten, aber bestimmte Faktoren können zu ihrem Ausfall führen. Im Folgenden sind einige der zugrunde liegenden Gründe für das Versagen von SPDs aufgeführt:

Übermäßige Überspannungen:

Eine der Hauptursachen für das Versagen von SPDs ist Überspannung, Überspannung kann durch Blitzeinschläge, Überspannungen oder andere elektrische Störungen auftreten. Stellen Sie sicher, dass Sie den richtigen Typ von SPD nach ordnungsgemäßen Berechnung der Standortbedingungen installieren.

Alterungsfaktor:

Aufgrund von Umgebungsbedingungen wie Temperatur und Luftfeuchtigkeit haben SPDs eine begrenzte Haltbarkeit und können sich im Laufe der Zeit verschlechtern. Darüber hinaus können SPDs durch häufige Spannungspitzen beschädigt werden.

Komponentenausfall:

SPDs enthalten mehrere Komponenten, wie z. B. Metalloxidvaristoren (MOVs), die aufgrund von Herstellungsfehlern oder Umwelteinflüssen ausfallen können.

Unsachgemäße Erdung:

Für einen ordnungsgemäßen Betrieb des SPD ist eine Erdung erforderlich. Ein SPD kann fehlerhaft arbeiten oder möglicherweise ein Sicherheitsrisiko darstellen, wenn er nicht ordnungsgemäß geerdet ist.

Wie viel kosten Überspannungsschutzgeräte?

Die Kosten für ein Überspannungsschutzgerät können je nach den im obigen Unterabschnitt genannten Elementen variieren, z. B. Art des Geräts, gewünschter Schutzgrad und Anwendung.

Die Preisspanne für AC-SPDs liegt typischerweise zwischen 10 und 150 US-Dollar pro Einheit. Der Typ, die Marke und die Eigenschaften des jeweiligen Geräts beeinflussen die Preisgestaltung.

Es ist wichtig, die erforderliche Menge an Schutzparametern bei der Auswahl eines SPD zu berücksichtigen. Der höchste Schutzgrad wird durch ein Typ 1 SPD bereitgestellt, kann aber mehr kosten als ein Typ 2 SPD.

Es kann zusätzliche Installationskosten geben, abgesehen vom Preis des Artikels selbst. Um sicherzustellen, dass das Gerät richtig platziert und für maximale Sicherheit angepasst wird, ist es entscheidend, sicherzustellen, dass die Installation von einem zertifizierten Elektriker durchgeführt wird.

Obwohl sie zunächst wie eine zusätzliche Investition erscheinen mögen, können die Kosten für die Reparatur oder den Austausch defekter Geräte weitaus höher sein als die Kosten für die Einrichtung eines SPD.

Anwendungen von Überspannungsschutzgeräten

Überspannungsschutzgeräte (SPDs) finden in einer Vielzahl von industriellen, gewerblichen und privaten Bereichen breite Anwendung. Sie schützen elektrische und elektronische Geräte vor Überspannungen und Transienten, die ihre Leistung beschädigen oder beeinträchtigen können.

Niederspannungs-SPD für Industrie, Gewerbe, Wohnen:

In Industrieanlagen werden Niederspannungs-SPDs häufig zum Schutz empfindlicher Geräte wie Computersysteme, SPS und anderer elektronischer Geräte vor Überspannungen und Transienten verwendet. Diese SPDs werden auch verwendet, um Motoren und andere schwere Maschinen vor Überspannungen und Spannungsspitzen zu schützen. Gewerbliche Bereiche wie Einkaufszentren verlassen sich ebenfalls auf Niederspannungs-SPDs, um kritische Geräte vor elektrischen Störungen zu schützen. SPDs werden in Wohnhäusern installiert, um elektronische Geräte wie Computer, Fernseher und Haushaltsgeräte vor Überspannungen zu schützen.

SPD für EV-Ladeanwendungen:

Im aufstrebenden Markt der Elektrofahrzeug (EV)-Ladeanwendungen spielen SPDs eine entscheidende Rolle bei der Gewährleistung der Sicherheit und Zuverlässigkeit von EV-Ladesystemen. Diese SPDs schützen die Ladestation vor Spannungsspitzen und Überspannungen, die das Gerät beschädigen und ein Sicherheitsrisiko für die Benutzer darstellen können. Im aufstrebenden Markt der Elektrofahrzeug (EV)-Ladeanwendungen spielen SPDs eine entscheidende Rolle bei der Gewährleistung der Sicherheit und Zuverlässigkeit von EV-Ladesystemen. Diese SPDs schützen die Ladestation vor Spannungsspitzen und Überspannungen, die das Gerät beschädigen und ein Sicherheitsrisiko für die Benutzer darstellen können.

SPD für solare Photovoltaikanwendungen:

Photovoltaikanwendungen erfordern ebenfalls SPDs, um vor Blitzeinschlägen und anderen elektrischen Störungen zu schützen, die die Leistung von Solarmodulen und anderen Komponenten im System beschädigen oder beeinträchtigen können. SPDs werden zwischen den Solarmodulen und Wechselrichtern sowie zwischen den Wechselrichtern und dem Netz installiert.