Was bedeutet SPD in Elektrotechnik?

Wenn ein elektrischer Überspannung auftritt, kann eine Spannung, die die akzeptierten Spitzenpegel deutlich übersteigt, durch Gebäudekreise zu elektrischen Geräten gelangen. Ohne angemessenen Schutz sind diese Geräte anfällig für Schäden oder Ausfälle durch eine Überspannung. Die Art des erforderlichen Schutzes
um diese Spitzen zu negieren, kann durch eine Überspannungsschutzvorrichtung (SPD) bereitgestellt werden.

Die Spezifizierung der richtigen SPD erfordert, dass Sie die mit ihrer Anwendung verbundenen Bewertungen identifizieren und verstehen. Es gibt viele Leistungswerte und Bewertungen, die mit einer SPD verbunden sind, wie z. B. maximale Dauerbetriebsspannung (MCOV), Spannungsschutzbewertung (VPR), Nennentladestrom (In) und Kurzschlussstromfestigkeit (SCCR). Die am meisten missverstandene Bewertung ist die Stoßstromfestigkeit, typischerweise in Kiloampere (kA) quantifiziert.

Was ist die Art von Überspannungsschutzvorrichtungen (SPD)?

Die Art von Überspannungsschutzvorrichtungen (SPD) ist eine Klassifizierungsmethode, die verwendet wird, um Geräte zu kategorisieren, die elektrische Systeme vor Überspannungen schützen, basierend auf ihren Schutzfunktionen, Installationsorten und der Fähigkeit, verschiedenen Stoßströmen standzuhalten. SPDs werden gemäß zwei Hauptnormen klassifiziert: IEC (International Electrotechnical Commission) und UL (Underwriters Laboratories). Jede Norm hat ihre eigene Klassifizierung und Anforderungen, um sicherzustellen, dass die Geräte elektrische Systeme vor Überspannungsbedingten Vorfällen schützen.

Art von Überspannungsschutzvorrichtungen gemäß IEC-Norm

Die Norm IEC 61643-11 legt Leistungsanforderungen und Testmethoden für SPDs fest, die in Wechselstromsystemen verwendet werden. Gemäß dieser Norm werden SPDs in drei Haupttypen mit den folgenden Eigenschaften klassifiziert:

Typ 1 SPD (Klasse I):

- Funktion: Schützt das elektrische System vor direkten Blitzeinschlägen.
- Installationsort: Wird am Systemeingang, in der Nähe der Hauptverteilungstafel, installiert.
- Stoßwellenform: 10/350 µs. Diese Wellenform simuliert direkte Blitzeinschläge, mit einer Anstiegszeit zum Peak von 10 µs und einem Abfall auf 50 % in 350 µs.
- Stoßstromfestigkeit (Iimp): Hoch, typischerweise ab 10 kA aufwärts.
- Nennentladestrom (In): Ab 10 kA aufwärts, gemäß IEC 61643-11, Klasse I. Dies ist der Strom, dem die SPD mehrfach ohne Beschädigung standhalten kann.
- Spannungsschutzniveau (Up): Von 1,5 kV bis 2 kV. Up ist die maximale Spannung, die die SPD während der Entladung durchlässt.
- Anwendungen: Geeignet für Hochhäuser, Industrieanlagen und Bereiche mit hohem Blitzschlagrisiko.

Typ 2 SPD (Klasse II):

- Funktion: Schützt das elektrische System vor Überspannungen, die durch indirekte Blitzeinschläge oder Schaltvorgänge verursacht werden.
- Installationsort: Wird an Unterverteilertafeln oder nach einer Typ 1 SPD installiert.
- Stoßwellenform: 8/20 µs. Diese Wellenform simuliert Überspannungen, die innerhalb des elektrischen Systems propagiert werden, mit einer Anstiegszeit zum Peak von 8 µs und einem Abfall auf 50 % in 20 µs.
- Nennentladestrom (In): Mittel, typischerweise von 5 kA bis 20 kA. Dies ist der Strom, dem die SPD mehrfach ohne Beschädigung standhalten kann.
- Spannungsschutzniveau (Up): Von 1,5 kV bis 2 kV. Up ist die maximale Spannung, die die SPD während der Entladung durchlässt.
- Anwendungen: Geeignet für Gewerbe- und Wohngebiete sowie Regionen mit moderatem Blitzschlagrisiko.

Typ 3 SPD (Klasse III):

- Funktion: Schützt empfindliche elektronische Geräte vor Restüberspannungen, nachdem sie von Typ 1 und Typ 2 SPDs abgeschwächt wurden.
- Installationsort: Wird in der Nähe von empfindlichen elektronischen Geräten wie Steckdosen, kleinen Verteilerkästen oder Endgeräten installiert.
- Stoßwellenform: 8/20 µs und 1,2/50 µs. Diese Wellenformen simulieren Restüberspannungen mit schnelleren Anstiegszeiten (1,2 µs) und langsameren Abfallzeiten (50 µs).
- Nennentladestrom (In): Niedrig, typischerweise weniger als 5 kA.
- Spannungsschutzniveau (Up): Von 1 kV bis 1,5 kV. Up ist die maximale Spannung, die die SPD während der Entladung durchlässt.
- Anwendungen: Geeignet für empfindliche elektronische Geräte wie Computer, Telekommunikationsgeräte und medizinische Geräte.

Art von Überspannungsschutzvorrichtungen gemäß UL-Norm

Die UL 1449-Norm legt Anforderungen für SPDs fest, die in elektrischen Systemen in Nordamerika verwendet werden. Gemäß dieser Norm werden SPDs in vier Typen klassifiziert:

Typ 1 SPD:

- Funktion: Schützt vor Überspannungen, die durch direkte oder nahe Blitzeinschläge von außerhalb des Stromnetzes verursacht werden.
- Installationsort: Wird vor dem Stromzähler installiert, entweder vor oder nach dem Hauptschutzschalter.
- Stoßstromfestigkeit: Entwickelt, um hohen Stoßströmen standzuhalten.
- Anwendungen: Geeignet für große Industrie- und Gewerbegebäude.

Typ 2 SPD:

- Funktion: Schützt vor Überspannungen, die innerhalb des Systems oder vom Stromnetz propagiert werden.
- Installationsort: Wird nach dem Hauptschutzschalter oder an Unterverteilertafeln installiert.
- Stoßstromfestigkeit: Entwickelt, um Stoßströmen aus dem Stromnetz oder internen Systemfehlern standzuhalten.
- Anwendungen: Geeignet für Wohn- und Gewerbegebiete.

Typ 3 SPD:

- Funktion: Schützt empfindliche elektronische Geräte vor Restüberspannungen.
- Installationsort: Wird an Steckdosen oder in der Nähe von empfindlichen Geräten installiert.
- Stoßstromfestigkeit: Entwickelt, um Reststoßströmen standzuhalten, nachdem sie Typ 1 und Typ 2 SPDs durchlaufen haben.
- Anwendungen: Geeignet für elektronische Geräte in Haushalten und Büros.

Typ 4 SPD:

- Funktion: Modulare oder Baugruppen-SPDs, die in elektrische Geräte integriert sind.
- Installationsort: Typischerweise in Geräte oder Verteilerkästen integriert.
- Stoßstromfestigkeit: Entwickelt, um die Anforderungen von integrierten elektrischen Geräten zu erfüllen.
- Anwendungen: Geeignet für elektrische Geräte mit eingebauten SPDs.

SPD: Funktionsprinzip

Die Funktionsweise einer SPD ist einfach, aber effektiv. Wenn eine Überspannung auftritt, reduzieren die MOVs schnell ihren Widerstand und erhöhen ihre Leitfähigkeit. Dies ermöglicht es ihnen, den größten Teil des Stoßstroms sicher zur Erde abzuleiten, bevor er angeschlossene Geräte erreichen und beschädigen kann. Dadurch wird die Überspannung neutralisiert und nachgeschaltete Geräte vor Hochspannungs- oder Stromspitzen geschützt.

Was sind transiente Überspannungen?

Transiente Überspannungen sind kurze, hochgradige Überspannungen, die über einen kurzen Zeitraum auftreten. Diese Überspannungen entstehen durch die plötzliche Freisetzung gespeicherter Energie oder werden durch externe Faktoren induziert. Sie können entweder als natürlich vorkommend, wie z. B. Blitzeinschläge, oder als menschengemacht, wie z. B. Schaltvorgänge in elektrischen Systemen, klassifiziert werden.

Wie entstehen transiente Überspannungen?

Transiente Überspannungen, die durch menschliche Aktivitäten verursacht werden, resultieren oft aus dem Betrieb von Motoren, Transformatoren und bestimmten Beleuchtungssystemen. In der Vergangenheit waren diese Ereignisse in Wohngebieten selten. Der Aufstieg moderner Technologien wie Ladegeräte für Elektrofahrzeuge, Luft- und Erdwärmepumpen sowie Waschmaschinen mit variabler Drehzahl hat jedoch die Wahrscheinlichkeit von Transienten in häuslichen elektrischen Systemen erheblich erhöht.

Natürliche transiente Überspannungen werden typischerweise durch indirekte Blitzeinschläge ausgelöst. Beispielsweise kann ein direkter Blitzeinschlag in nahegelegene Freileitungen oder Telefonleitungen eine Überspannung entlang der Leitungen senden. Dies kann zu schweren Schäden an elektrischen Installationen und angeschlossenen Geräten führen.

Wie man SPDs richtig dimensioniert

Es gibt nur sehr wenige veröffentlichte Daten oder sogar Empfehlungen, welche Stoßstromfestigkeit (kA) an den verschiedenen Standorten verwendet werden sollte. Das Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) hat einige Informationen dazu geliefert, was Stoßstromfestigkeiten sind und wie man sie interpretiert, veröffentlicht aber keine Empfehlungen. Leider gibt es keine bewährte Gleichung oder einen Rechner, um Systemanforderungen einzugeben und eine Lösung zu erhalten. Alle Informationen, die ein Hersteller über Rechner oder andere Mittel bereitstellt, sind lediglich seine Empfehlung.

Es besteht die Tendenz anzunehmen, dass je größer die Tafel ist, desto größer die kA-Gerätebewertung sein muss, die für den Schutz benötigt wird. Ein weiterer Irrglaube ist, dass, wenn 200 kA gut sind, dann 400 kA zweimal besser sein müssen. Wie Sie in diesem Whitepaper sehen werden, ist dies nicht immer der Fall. Aufgrund seiner langjährigen Kenntnisse, Erfahrungen und seines Fachwissens in der Elektroindustrie hat Emerson einige Richtlinien zur Anwendung von Stoßstromfestigkeiten erstellt. (Siehe Abbildung 1, nächste Seite)

Die Auswahl des richtigen Typs von Überspannungsschutzvorrichtung und das Verständnis ihrer Klassifizierungen gemäß IEC- und UL-Normen ist entscheidend, um sicherzustellen, dass Ihre elektrischen Systeme und elektronischen Geräte ausreichend vor Überspannungen geschützt sind. Jede Norm bietet einen anderen Ansatz zum Schutz elektrischer Systeme, abhängig von den spezifischen Anforderungen der Anwendung und des Standorts.

Der Hauptzweck einer Überspannungsschutzvorrichtung besteht darin, die transienten Spannungen, die entweder von einer externen oder internen Quelle in ein elektrisches Verteilungssystem eingebracht werden, abzuleiten und zu unterdrücken. Die Auswahl der richtigen Stoßstromfestigkeit (kA) bewerteten SPDs im gesamten elektrischen Verteilungssystem bietet die beste Lebensdauer für die Geräte. Beachten Sie bei der Auswahl der geeigneten SPDs für Ihre Anlage die folgenden Punkte:

1. Der ordnungsgemäße Überspannungsschutz für eine Anlage und die darin enthaltenen Geräte erfordert mehr als eine einzelne SPD am Serviceeingang. Wir empfehlen kaskadierte SPDs mit einer geeigneten Stoßstromfestigkeit für jeden Standort. Dies bietet einen hervorragenden Schutz für eine Service-Tafel oder eine kritische Last. Eine einzelne SPD, egal wie groß oder teuer, bietet nicht das gleiche Maß an Systemschutz.

2. Eine Überdimensionierung einer SPD für ihre Anwendung kann einem System nicht schaden, aber eine Unterdimensionierung der SPD kann zu einem vorzeitigen Ausfall der SPD führen, wodurch Systeme Transienten und ihren Auswirkungen ausgesetzt werden.

3. Bei direkten Blitzeinschlägen sind SPDs allein kein Ersatz für ein umfassendes Blitzschutzsystem (siehe UL96A Master Lightning Certification).

Vorsichtsmaßnahmen bei der Installation von SPD

Um sicherzustellen, dass Überspannungsschutzvorrichtungen (SPDs) effektiv funktionieren, ist eine sorgfältige Installation unerlässlich. Zu den wichtigsten Vorsichtsmaßnahmen gehören:

- Installieren Sie SPDs parallel, direkt vor den Stromkreisen oder Geräten, um Stoßströme von empfindlichen Geräten wegzuleiten.
- Halten Sie die Anschlussdrähte innerhalb des Schalttafels so kurz wie möglich, mit einer maximalen Länge von 0,5 Metern.
- Die Verwendung nur eines Überspannungsschutzes vom Typ 1 ist möglicherweise nicht ausreichend, um energiereiche Überspannungen zu bewältigen und Überspannungen zu reduzieren. Es ist ratsam, ihn durch einen Überspannungsschutz vom Typ 2 oder Typ 3 zu ergänzen.
- Alle Installationen müssen von qualifizierten Elektrikern gemäß den örtlichen Elektrovorschriften durchgeführt werden, um eine ordnungsgemäße Erdung und sichere Montage des Geräts zu gewährleisten.

Schlussfolgerung

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Überspannungsschutzvorrichtungen für den Schutz von Elektronik in Industrie- und Gewerbeumgebungen unerlässlich sind. Die Installation einer korrekt bewerteten und zertifizierten SPD bietet zuverlässigen Schutz vor Überspannungen, die die Fähigkeiten von Standard-Leistungsschaltern übersteigen.