Schaltnetzteile wirksam gegen Überspannungen schützen

| Autor / Redakteur: Frank Stocker * / Gerd Kucera

Bild 1: Überspannungsproblematiken durch Blitzschlag.
Bild 1: Überspannungsproblematiken durch Blitzschlag. (Bild: Schukat electronic)

Schaltvorgänge von Motoren, Trafos, Blitze, induktive und kapazitive Lasten sowie defekte elektrische Betriebsmittel erzeugen Überspannung und sind ein Problem für Schaltnetzteile.

Transiente Überspannungen, also sehr kurzzeitig auftretende Überspannungen über das Niederspannungsnetz, begleiten uns kontinuierlich und sind praktisch unvermeidbar. Diese Störungen dauern nur wenige Mikrosekunden bis Millisekunden an. Sie können sehr klein sein, und deshalb völlig unbemerkt bleiben, oder aber hoch energetisch ausfallen. Dann beeinflussen oder zerstören sie möglicherweise die Geräte, die an das Versorgungsnetz angeschlossen sind, und stellen im schlimmsten Fall ein Sicherheitsrisiko dar.

Ursächlich sind in der Regel schwere Gewitter. Infolge der Schäden durch Blitzschlag und Überspannungen steigen auch die Ausgaben der Versicherungen. Durch Überspannungsschutzgeräte lassen sich Anlagen und Systeme mit Schaltnetzteilen direkt am Endgerät wirkungsvoll schützen. Überspannungen unterscheiden sich in Amplitude, Dauer und Frequenz. Bei einem Blitzschlag (Bild 1) fließt zum Zeitpunkt der Entladung ein Impulsstrom mit einem Spitzenwert zwischen 1000 und 200.000 A. Ein Blitzschlag kann durch eine Potenzialanhebung oder induktive Einkopplung Überspannungen von mehreren 10 kV erzeugen. Stoßspannungen, die durch Einschlag in Freileitungen erfolgen, erreichen über die Leitung Geräte in Elektroanlagen.

Durch den Einschlag des Blitzes ins Erdreich, der je nach Stromstärke und Erdimpedanz unterschiedlich ausfällt, steigt das Erdpotenzial an, wodurch elektrische Geräte in einem Radius von bis zu zwei Kilometern beschädigt oder gar zerstört werden können. Zudem führt ein Blitz in Form einer kilometerhohen Antenne mit Impulsströmen von mehreren 10 kA unter Umständen zu starken elektromagnetischen Feldern von mehreren kV/m, die über einen Kilometer weit abstrahlen. Diese Felder induzieren hohe Spannungen und Ströme in Leitungen, die in Elektroanlagen oder deren Nähe verlegt sind.

Deutlich häufiger verursachen Schaltvorgänge beim Energieversorger und in Industrieanlagen, ebenso wie defekte elektrische Betriebsmittel in der Elektroinstallation, gefährliche Überspannungen. Derartige Überspannungsereignisse bis zu 2 kV treten durchschnittlich einige hundert Mal im Jahr auf. Aber auch größere Ereignisse bis 6 kV können mehrmals im Jahr in Elektroanlagen vorkommen. Aufgrund ihrer Höhe und Häufigkeit sind diese Überspannungen ein Problem für Schaltnetzteile (Bild 2).

Problematische Schaltvorgänge in einer Anlage entstehen zum Beispiel beim Betrieb von Motoren, Transformatoren oder generell beim Betrieb großer induktiver sowie großer kapazitiver Lasten durch das Auslösen von Sicherungen und Leitungsschutzschaltern oder aber durch Starter von Leuchtstofflampen.

Zu den Folgen gehören direkte Teil- oder Komplettausfälle von Systemen und Anlagen, z.B. durch Spannungsdurchschläge von Halbleiterübergängen, die Zerstörung von Bonddraht-Anschlüssen oder die Zerstörung von Leiterbahnen. Ebenso können Programmfehler, ein undefinierter Betrieb von Logikgattern, Daten- und Übertragungsfehler oder das Löschen von Speicherinhalten die Folge sein. Auch wenn keine direkte Auswirkung bei auftretenden Überspannungen erkennbar ist, werden die betroffenen Bauelemente, die den Überspannungen ausgesetzt sind, stark gestresst und haben folglich eine verkürzte Betriebserwartung.

Die Herausforderungen bei den Netzteilen

Auch ohne die Berücksichtigung einer möglichen Überspannung ist die Auswahl einer geeigneten Stromversorgung zur Speisung einer Anlage oder eines Systems nicht trivial. Zu beachten sind hier unter anderem die Betriebstemperatur und das komplette Wärmemanagement, um hinsichtlich eines möglichen Deratings eine lange Betriebserwartung zu realisieren.

Effizienz und Standby-Verbrauch spielen eine wichtige Rolle, um ein möglichst energiesparendes System aufzubauen, ebenso wie die Beachtung der anzuwendenden Sicherheits- und EMV-Normen. Ziel ist es schließlich, ein Netzteil mit einer geringen Ausfallwahrscheinlichkeit und einer möglichst hohen Betriebserwartung für die jeweilige Applikation zu finden.

Da bei Schaltnetzteilen ein sehr hoher Anteil an Frühausfällen in den Applikationen transienten Überspannungen geschuldet sind, ist es erforderlich, auch die sogenannte surge capability, also die Fähigkeit des Netzteils den Netztransienten zu widerstehen, zu berücksichtigen.

Wo ein Netzteil in der Elektroinstallation verbaut werden darf, ist je nach Impulsfestigkeit und damit erfüllter Überspannungskategorie festgelegt. Berücksichtigt wird dies in der EN60664-1 (Isolationskoordination für elektrische Betriebsmittel in Niederspannungsanlagen) sowie durch die Auslegung der Luftstrecken in den entsprechenden Sicherheitsnormen für Stromversorgungen.

Damit ist zwar das Durchschlagen einer Überspannung bis zu einer definierten Impulsspannung erfasst, jedoch nicht der mögliche elektrische Ausfall oder Defekt der Stromversorgung durch die Überspannung. Eine einzuhaltende Widerstandsfähigkeit gegen Impulsspannungen ist in der EMV-Immunitätsnorm EN61000-4-5 (Prüfung der Störfestigkeit gegen Stoßspannungen) festgelegt.

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