Überspannungsschutz

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Unter Überspannungsschutz wird der Schutz elektrischer und elektronischer Geräte vor zu hohen elektrischen Spannungen verstanden. Die Überspannungen werden durch den Blitz als Naturereignis oder durch kapazitive und induktive Einkopplungen anderer elektrischer Systeme hervorgerufen.

Der Überspannungsschutz ist Teil der DIN-Blitzschutznorm VDE 0185. Diese Norm ist im Jahr 2002 überarbeitet worden und in 4 Teilen neu herausgegeben. Der Teil 4 beschäftigt sich ausschließlich mit dem Überspannungsschutz.

[Bearbeiten] Blitzschutz

Eine der Hauptursachen für Überspannungen sind Blitzeinschläge. Besonders wichtige oder gefährdete Gebäude werden daher mit Blitzschutzsystemen ausgerüstet. Dazu gehört der äußere Blitzschutz mit seinen Fangleitungen, Ableitern und Erdern sowie der innere Blitzschutz. Der innere Blitzschutz umfasst alle Maßnahmen gegen die Auswirkungen des Blitzstroms. Dazu gehören hauptsächlich der Potentialausgleich und der Überspannungsschutz.

In der VDE Blitzschutznorm ist festgelegt, dass ein äußerer Blitzschutz mit der Erdung und dem Potentialausgleich des Gebäudes verbunden werden muss. Im Falle eines Einschlags wird etwa die Hälfte der Blitzenergie in das Erdreich abgeleitet. Die andere Hälfte wird über den Potentialausgleich des Gebäudes und den damit verbundenen Leitungen abgeleitet. Daher sollte in jedem Gebäude mit äußerem Blitzschutz unbedingt auch der innere Blitzschutz konsequent ausgeführt werden.

[Bearbeiten] Ursachen für Überspannungen

Die Überspannungen können durch Blitzeinschläge in der Nähe ausgelöst werden. Durch kapazitive und induktive Wirkungen der Blitze (LEMP - lightning electromagnetic pulse) werden in Leiterschleifen in der Umgebung von ca. 200 Metern unzulässige Spannungen induziert. Bis ca. 2.000m können durch ohmsche Effekte (Erdwiderstand) noch gefährlich hohe Potentialdifferenzen auftreten. Aber auch durch Schaltvorgänge im Mittelspannungsnetz oder im eigenen Hausnetz können unzulässige Überspannungen (SEMP) auftreten. So treten in Leitungen neben Leuchtstoffröhren oder beim Einschalten von Lüftermotoren Schaltüberspannungen (SEMP - switching electromagnetic pulse) bis zu 20.000 Volt auf.

Da einige Geräte der modernen Netzwerktechnologie schon sehr preiswert zu bekommen sind, macht es nicht in jedem Fall Sinn, diese Bereiche mit Überspannungsschutz auszurüsten. Die Entscheidung, welche Systeme geschützt werden sollten, basiert auf 3 Schwerpunkten:

Anlagenteile, die eine besondere Gefährdung darstellen sollten geschützt werden. So sind Außenantennen, lange Datenleitungen und Leitungen in der Nähe von hohen Energieübertragungen besonders gefährdet.
Systeme die besonders teuer in der Anschaffung sind, sollten immer gegen Überspannung gesichert werden. Das können Super-Computer, Spezialanfertigungen oder Hochleistungs-Netzwerkrouter sein.
Unabhängig von Preis und Gefährdung sollten Systeme, deren Funktion von besonderer Bedeutung ist, gesichert werden. Komponenten, die das Kerngeschäft der Firma bilden oder auch nur die Telefonanlage, die im Falle eines Ausfalls das tägliche Geschäft extrem behindern.

Genau wie beim Blitzschutz muss auch bei dem Überspannungsschutz darauf geachtet werden, dass alle Zugänge zum System abgesichert werden. Neben der Stromversorgung sollte also immer die Netzanbindung mit in die Betrachtung einbezogen werden.

Dieser Artikel befasst sich mit dem Überspannungsschutz, dieser wird verwendet um elektronische Geräte vor zu hoher Spannung zu schützen.

Einen Überspannungschutz kann man grundsätzlich in zwei Bereiche aufteilen:

für Niederspannung
für Hochspannung

[Bearbeiten] Niederspannung

Einen Niederspannungsschutz kann man einfach mit einer Zener-Diode realisieren. Übersteigt die Eingangsspannung die Nennspannung der Z-Diode, bricht diese durch und leitet die Spannung nach Masse ab.

Es werden ebenfalls niederohmige Widerstände eingesetzt, die bei einer Überspannung thermisch zerstört werden. Alternativ dazu kann eine so genannte Klemmschaltung verwendet werden, welche ab einem bestimmten Spannungsniveau durch Kurzschluss der Versorgung die Sicherung in der Zuleitung auslösen lässt.

[Bearbeiten] Hochspannung

Ein effektiver Schutz ist durch Thyristoren gegeben. Diese kann man für beliebig hohe Spannungen erzeugen. Diese Bauelemente werden durch eine Spannung am Steuereingang "gezündet" und haben somit einen sehr niederohmigen Durchgang. Daher kann die Schaltung bei zu hoher Eingangsspannung kurzgeschlossen werden.

[Bearbeiten] Grob- Mittel- und Feinschutz

Ein komplettes Überspannungsschutzkonzept berücksichtigt alle externen und internen elektrisch leitenden Verbindungen und baut sich in drei Stufen auf, die sich im Wesentlichen an den Bemessungsstoßspannungen für die Überspannungskategorien gemäß DIN VDE 0110/IEC Publikation 664 orientieren:

Der Grobschutz in der Gebäudeeinspeisung soll den Energieinhalt des Blitzes ableiten, und die verbleibende Restspannung auf Werte kleiner als 4.500 V begrenzen. Es muss mit Strömen bis 100 kA-Bereich gerechnet werden.

Der Mittelschutz in den Etagenverteilern begrenzt die verbleibenden Überspannungen auf kleiner 2500 V und ist darauf angewiesen, dass die von ihm abzufangenden Überspannungen 4.500 V nicht überschreiten.

Der Feinschutz an den jeweiligen Steckdosen und den Steckverbindungen aller anderen Leitungen reduziert die verbleibenden Überspannungen auf das von den angeschlossenen Geräten verkraftbare Maß. Die Hersteller elektrischer und elektronischer Geräte sind in den meisten Ländern verpflichtet, ihre Geräte mit einem für den sicheren Betrieb erforderlichen Feinschutz auszustatten (CE-Zeichen deutet darauf hin). In Deutschland ist dies durch das Gesetz über die elektromagnetische Verträglichkeit von Geräten (EMVG) geregelt.

Die Schutzwirkung jeder Stufe baut auf der vorherigen auf. Das bedeutet die vorherige Stufe reduziert den Energieinhalt der Überspannung um eine thermische Überlastung des nachfolgenden Schutzmoduls zu vermeiden (energetisch koordinierter Überspannungsschutz). Der Verzicht auf eine Stufe kann den Überspannungsschutz nahezu unwirksam machen, dies gilt ebenfalls für lange Leitungslängen zur Ableitung der Energie.