Schaltnetzteile wirksam gegen Überspannungen schützen

| Autor / Redakteur: Frank Stocker * / Gerd Kucera

Aktiver Überspannungsschutz als wirksame Lösung

Ein Schaltnetzteil kann die durch Transienten auftretende hohe Impulsenergie oftmals nicht oder nur ungenügend ableiten, obwohl die Stromversorgungshersteller die Spannungsfestigkeit immer weiter erhöht haben (Bild 3). Denn die passive Widerstandsfähigkeit eines Schaltnetzteils ist durch dessen komplexen Aufbau deutlich begrenzt. Zudem unterliegen die in den Netzteilen als Feinschutz verwendeten Ableiter auf Basis von Varistoren permanenten Leckströmen, die über die Zeit und unter bestimmten Bedingungen zu einem vorzeitigen Altern der Komponenten führen können.

Zusätzliche aktive Überspannungsschutzgeräte (SPD, Surge Protective Device) bieten hier eine Lösung, ganz gleich ob in der Elektroinstallation bereits ein Schutzkonzept gegen Überspannungen berücksichtigt wurde oder nicht. Diese sollten möglichst nah an einem Betriebsmittel installiert sein, um bestens gegen auftretende Störgrößen wirken zu können. Ein guter Überspannungsschutz besitzt einen möglichst niedrigen Schutzpegel von unter 1500 V (bei 230/400 VAC Systemspannung) und eine hohe Ableitfähigkeit.

Bei einem aktiven SPD ist primär nicht die maximal auftretende Spannung entscheidend, sondern die Energie des Störimpulses. So kommt es bei der Auswahl des passenden Überspannungsschutzes auf die Größe der maximalen Energieaufnahme an. Wichtig hierfür sind Typ, Einbausituation und das Risiko für die Anlage oder Personen. Durch die Spannungsbegrenzung des Schutzelements erhält das Endsystem unabhängig von der Impulshöhe einen Schutz vor zu hohen Spannungen. Übersteigt die Impulsenergie die Ableitfähigkeit des Schutzelementes, erfährt dieses eventuell eine Überlastung, das Endsystem ist jedoch durch die sofortige Trennung vom Versorgungsnetz auch in diesem Fall weiterhin geschützt.

Aktive SPDs eignen sich durch ihren im Vergleich zu Schaltnetzteilen weniger komplexen Aufbau deutlich besser für höhere Impulsenergien (dazu Bild 4 im Online-Artikel 45723320). Sollte der Schutz über das SPD nicht mehr gewährleistet sein, lösen integrierte Trennvorrichtungen aus. Diese haben die Aufgabe, das SPD und je nach Applikation das zu schützende Gerät vom Stromnetz zu trennen sowie über Melde- und Signalvorrichtungen den Status des SPDs zu übermitteln.

Drei SPD-Schutztypen und Anwendungsbeispiele

Um einen optimalen Schutz für empfindliche und hochwertige Anlagen und Systeme zu schaffen gilt es, den Schutzpegel möglichst weit zu begrenzen – und zwar durch den Einbau von SPDs des Typs 1 bis 3, abhängig von der zu erwartenden Überspannung bzw. dem Installationsort. Diese umfassen Blitzstromableiter (Typ 1), kombinierte Blitz- und Überspannungsschutzgeräte zum Ableiten von Blitzströmen und gleichzeitig zum Schutz gegen schnell ansteigende Überspannungen (Typ 1+2+3), Überspannungsschutzgeräte gegen Schaltüberspannungen und Feldeinkopplungen (Typ 2 oder Typ 2+3) sowie Geräteschutz-SPDs für den Mindestschutz (Typ 3).

Normgerechte Überspannungsschutzgeräte sollten nach IEC61643-11 geprüft sein und die Anforderungen der VDE 0100-534 erfüllen. Durch die Neuregelung der Normen DIN VDE 0100-443 und -534 in 2016 gibt es zudem neue Anforderungen, wo und ab wann in einer Neuinstallation oder bei maßgeblichen Änderungen einer bestehenden Installation ein Überspannungsschutz erforderlich ist.

Anwendungen in der Außenbeleuchtung, wie Wege- und Parkplatzbeleuchtung oder Werbebeleuchtung, sind von Natur aus kritisch in Bezug auf Überspannungen. Ebenso treten Überspannungsprobleme bedingt durch Schaltvorgänge in Anwendungen im Innenbereich auf, hier verstärkt im industriellen Umfeld. Ein Überspannungsschutzgerät für die LED-Beleuchtung sollte neben dem Netzanschluss auch einen Schutz für eventuelle Dimm-Leitungen bzw. Bus-Leitungen berücksichtigen. Auch wenn die Hersteller von LED-Netzteilen die minimale Forderung der 2 kV Spannungsfestigkeit für Außenanwendungen nach EN61547 teilweise übertreffen, ist es wichtig, ein Überspannungsschutzgerät zu berücksichtigen. Bei längeren Leitungswegen zur Leuchte oder bei den genannten potenziellen Störern in der Elektroinstallation empfiehlt es sich, auch in der Leuchte oder in unmittelbarer Nähe zu ihr ein SPD für einen wirkungsvollen Schutz zu nutzen (Bild 5).

Viele Leuchtenhersteller sehen bereits zusätzliche SPDs vor oder bieten diese optional an. Durch die Ausrüstung der Elektroinstallation durch SDPs in der Unterverteilung lässt sich in der Gebäudetechnik bereits ein erster Schutz realisieren. Doch dies allein reicht auch hier aufgrund der Leitungslängen und möglichen Störern in der Installation oft nicht aus. Ob bei industriellen, medizinischen oder sonstigen Anwendungen wie auch in der LED-Beleuchtung bietet ein zusätzlicher SPD im Endprodukt den besten Schutz.

Gilt es den Ausfall eines Systems oder dessen Stromversorgung zu vermeiden, weil diese Anlagen eine möglichst lange Betriebserwartung erfüllen müssen, oder verursacht die Wartung und Instandhaltung von Anlagen hohe Servicekosten, dann ist es zweckdienlich, ein zusätzliches SPD direkt im oder unmittelbar am Betriebsgerät zu berücksichtigen. Besonders bei Systemen, deren Betrieb im Freien oder in industrieller Umgebung erfolgt, ist das Risiko eines Ausfalls durch Überspannungen hoch und es gilt, das Endgerät mit einem SPD zu schützen.

Breites Angebot geeigneter Schutzgeräte

Schukat als Distributor offeriert eine Vielzahl an SPDs des Herstellers CITEL für die Geräte- und Hutschienenmontage. Der französische Hersteller fertigt alle relevanten Komponenten für seine SPDs selbst, etwa Gasableiter, Funkenstrecken und Varistorblöcke. Getestet werden die Komponenten in eigenen Laboren mit Überspannungen bis z.B. 240 kA. Beratung ergänzt die Suche der bestmöglichen Schutzlösung.

* Frank Stocker ist Field Application Engineer Power Supplies bei Schukat electronic, Monheim am Rhein.

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