Wie funktionieren Überspannungsschutzgeräte (SPD)?

Niederspannungs-Überspannungsschutzgeräte, auch als SPDs bekannt, sind dafür ausgelegt, elektrische Systeme und Geräte vor plötzlichen Spannungsanstiegen zu schützen. Diese Geräte verhindern Schäden durch Stoßereignisse, indem sie transiente Spannungen begrenzen und plötzliche Ströme ableiten. In den letzten Jahren haben Veränderungen der Gewittertagekarte in unserem Land, die Klimakrise und die zunehmende Häufigkeit atmosphärischer Ereignisse die Bedeutung von Überspannungsschutzgeräten erneut verdeutlicht.

Wie funktionieren SPDs?

Wenn in dem geschützten Stromkreis eine plötzliche Spannung auftritt, begrenzen SPDs die transiente Spannung und leiten den Strom zur Quelle oder zur Erde ab. Hierfür ist mindestens eine nichtlineare Komponente erforderlich. Diese Komponente wechselt unter verschiedenen Bedingungen zwischen einem hohen und einem niedrigen Impedanzzustand.

Bei normalen Betriebsspannungen beeinflussen SPDs das System nicht, da sie sich in einem hohen Impedanzzustand befinden. Tritt jedoch eine plötzliche Spannung im Stromkreis auf, schaltet das SPD in einen leitenden Zustand und senkt die Spannung auf ein sichereres Niveau, indem es den Stoßstrom zur Quelle oder zur Erde ableitet. Nachdem das transiente Ereignis abgeleitet wurde, kehrt das SPD automatisch in den hohen Impedanzzustand zurück.

SPD-Kategorien oder -Typen

Es gibt zwei Haupttypen von SPDs: spannungsbegrenzende Komponenten und spannungsschaltende Komponenten. Spannungsbegrenzende Komponenten begrenzen transiente Spannungen, indem sie ihre Impedanz mit steigender Spannung verändern. Spannungsschaltende Komponenten hingegen „schalten ein“, wenn eine Schwellenspannung überschritten wird, und wechseln sofort in einen niedrigen Impedanzzustand. Heute nutzen die meisten Systeme eine Kombination beider Komponententypen, indem sie deren Stärken vereinen und Schwächen begrenzen.

Zu den spannungsbegrenzenden Komponenten zählen Metalloxid-Varistoren (MOVs) und Transient-Voltage-Suppression-Dioden (TVS). Zu den spannungsschaltenden Komponenten gehören Gasentladungsröhren (GDTs) und Funkenstrecken.

Vergleich der SPD-Kategorien

Stoßkomponenten können hinsichtlich ihrer Leistung anhand der folgenden Faktoren verglichen werden.

• Ansprechzeit: Die Ansprechzeit einer Komponente beschreibt, wie schnell sie reagiert, wenn die Stoßschwelle überschritten wird. Insbesondere TVS-Dioden weisen schnellere Ansprechzeiten auf als spannungsschaltende Komponenten (z. B. Funkenstrecken und GDTs).
• Folgestrom: Dieser Zustand ist bei spannungsschaltenden Geräten begrenzt. Folgestrom tritt auf, wenn das Überspannungsschutzgerät nach einem transienten Ereignis nicht „abschaltet“ (d. h. nicht in den hohen Impedanzzustand zurückkehrt). Dadurch kann während des normalen Betriebs weiterhin Strom durch das Gerät fließen. In AC-Systemen ist dieses Phänomen weniger kritisch, da der Nulldurchgang ein Abschalten ermöglicht. In DC-Systemen mit spannungsschaltenden Geräten muss diesem Aspekt jedoch größere Aufmerksamkeit geschenkt werden.
• Durchlassspannung: Bei einem Stoßereignis ist die Durchlassspannung die Spannung, die das angeschlossene Gerät erreichen darf. Dioden begrenzen die Spannung sehr effektiv und halten sie niedrig, jedoch ist dieser Vorteil dadurch begrenzt, dass Dioden weniger effektiv bei der Bewältigung größerer Stoßströme sind.

Eine Komponente, die in keinem der drei Bereiche die beste oder schlechteste ist, ist der MOV, da MOVs allgemein als in allen Kategorien einsetzbar gelten, jedoch in keiner einzelnen Kategorie die beste Leistung bieten.

Hinweis: Die meisten heute auf dem Markt verfügbaren SPD-Produkte sind hybride Designs, die aus einer Kombination mehrerer Stoßkomponenten bestehen. Diese Produkte gleichen die Vor- und Nachteile der einzelnen Komponenten aus und bieten einen ausgewogenen Schutz gegen verschiedene Arten von Überspannungen.

Grundlegende Parameter von Überspannungsschutzgeräten

Die leistungsbestimmenden Merkmale oder Kenndaten von SPDs sollten verwendet werden, um verschiedene verfügbare Geräte zu vergleichen, nachdem das erforderliche Stromverteilungssystem für das SPD festgelegt wurde.

1. Maximale Dauerspannung (MCOV). MCOV ist die maximale Spannung, die das Gerät aushalten kann, während es weiterhin ordnungsgemäß funktioniert. In der Regel sollte MCOV mindestens 25 % über der Nennversorgungsspannung liegen, wie durch die entsprechenden Normen festgelegt. Beispielsweise sind Raycap-Überspannungsschutzgeräte so ausgelegt, dass sie Betriebsspannungen bis zu 125 % der Netzspannung standhalten.
2. Spannungsschutzpegel (VPR) oder Spannungsschutzlevel (Up). Der Spannungsschutzpegel und das Spannungsschutzlevel sind von UL bzw. IEC definierte Kenngrößen, die die zulässige Durchlassspannung des Geräts angeben. UL 1449 umfasst einen Test mit einer 6 kV/3 kA-Kombinationswelle, bei dem die Durchlassspannung gemessen wird, wodurch der VPR bestimmt wird. IEC 61643-11 enthält einen ähnlichen Test, der als Spannungsschutzlevel (Up) bezeichnet wird.
3. Nennableitstrom (In). Dies ist der Spitzenwert des Stroms, den das SPD gemäß einer 8/20 μs-Wellenform ableiten kann, und wird angegeben, wenn das SPD nach 15 angewendeten Stößen noch funktionsfähig ist. Gemäß UL 1449 müssen Hersteller für diesen Test einen vordefinierten Nennableitstrom auswählen (3 kA, 5 kA, 10 kA oder 20 kA).
4. Statusanzeige. Die Statusanzeige kann eine mechanische Anzeige mit einfachem Öffner-/Schließerkontakt, eine LED oder ein Fernalarm sein.
5. Stoßstromkapazität oder maximaler Stoßstrom. Hersteller geben diese Werte (falls vorhanden) häufig als Richtwerte an, da sie auf die Lebensdauerbeständigkeit des Geräts oder dessen Fähigkeit hinweisen, einen einmaligen maximalen Stoßstrom zu tragen. Obwohl diese Werte auf vielen Hersteller-Websites und Datenblättern aufgeführt sind, werden sie weder von UL noch von IEEE definiert, wodurch sie weniger zuverlässige Leistungsindikatoren darstellen.

SPD-Klassen oder -Typen

SPDs werden durch Normen als Typ (UL) oder Prüflasse (IEC) klassifiziert. Für jeden Typ und jede Prüflasse sind spezifische Prüfbedingungen definiert, um den ordnungsgemäßen Betrieb in unterschiedlichen Installationen zu bewerten und sicherzustellen. Die empfohlene Prüflasse oder der SPD-Typ wird unter Berücksichtigung der zu erwartenden Stoßstromgrößen am Installationsort und der Empfindlichkeit der zu schützenden Last hinsichtlich der zulässigen Durchlassspannung bestimmt.

Die folgende Abbildung zeigt die Klassifizierungen und Kategorien von SPDs gemäß ANSI/IEEE C62.41, IEC 61643-11 und VDE-Klassifizierung.

Klasse B (Klasse 1 – Typ 1) Überspannungsschutzgeräte

Wenn ein Gebäude oder ein Bereich von etwa 50 Metern um das Gebäude über eine Blitzschutzanlage verfügt, sollte ein Typ-1-Überspannungsschutzgerät gewählt werden. Diese Geräte werden in Niederspannungsinstallationen an der nächstgelegenen Stelle eingesetzt, an der die Versorgungsleitung in das Gebäude eintritt. Sie dienen dem Schutz vor Blitzströmen und sollten vor dem Stromzähler installiert werden.

Klasse C (Klasse 2 – Typ 2) Überspannungsschutzgeräte

Zum Schutz vor intern erzeugten transienten Überspannungen sollten zusätzlich in jeder Verteilung der Anlage Typ-2-Überspannungsschutzgeräte installiert werden. Diese Geräte werden als Überspannungsbegrenzer in Niederspannungsinstallationen eingesetzt und sollten nach dem Stromzähler installiert werden.

Klasse D (Klasse 3 – Typ 3) Überspannungsschutzgeräte

Diese Überspannungsschutzgeräte werden zum Schutz empfindlicher elektronischer Geräte in Niederspannungsinstallationen verwendet. Überschreitet der Abstand zur Verteilung mit Typ-2-Überspannungsschutzgeräten 30 Meter, sollten zusätzlich Typ-3-Geräte eingesetzt werden. Diese Geräte reagieren sehr schnell, verfügen über niedrige Up-Schutzpegel und schützen gemäß der 8/20-Wellenform.

Klasse B+C (Klasse 1+2 – Typ 1+2) Überspannungsschutzgeräte

Dies ist eine Kombination aus Typ-1- und Typ-2-Überspannungsschutzgeräten. Sie wird empfohlen, wenn der Abstand zwischen Hauptverteilung und Unterverteilungen 10 Meter überschreitet. Diese Geräte bieten sowohl Schutz vor Blitzströmen als auch vor netzbedingten transienten Überspannungen.