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Sicherer Überspannungsschutz in Energiehauptverteilungen

Autor / Redakteur: Moris Krings * / Gerd Kucera

Transiente Überspannungen infolge atmosphärischer Einflüsse und Schaltvorgänge kapazitiver und induktiver Lasten führen nicht selten zu Funkenbildung und Brand. Überspannungsschutz ist daher Pflicht.

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Bild 1: Spätestens seit der Veröffentlichung der überarbeiteten Normen DIN VDE 0100-443 und DIN VDE 0100-534 im Oktober 2016 ist Überspannungsschutz in der Gebäudeeinspeisung Pflicht.
Bild 1: Spätestens seit der Veröffentlichung der überarbeiteten Normen DIN VDE 0100-443 und DIN VDE 0100-534 im Oktober 2016 ist Überspannungsschutz in der Gebäudeeinspeisung Pflicht.
(Bild: Phoenix Contact)

Kommt es in einer elektrischen Anlage zu einem Schaden, lassen gegenseitige Schuldzuweisungen nicht lange auf sich warten. Liegt der Fehler in der Planung? Oder in der Ausführung? Oder liegt die Schuld beim Betreiber selbst?

Sobald es um größere Schäden und höhere Kosten geht, ist eine Einigung schwierig und der Fall landet nicht selten vor Gericht. Aufwand und Kosten schießen dabei schnell in die Höhe. Gut ist, wenn sich das Haftungsrisiko vermeiden lässt. Jeder Planer, Installateur und Betreiber soll sich gut über die richtige Auswahl und Installation von Überspannungsschutz informieren.

Spätestens seit der Veröffentlichung der überarbeiteten Normen DIN VDE 0100-443 und DIN VDE 0100-534 im Oktober 2016 ist Überspannungsschutz in der Gebäudeeinspeisung Pflicht. Für Wohn- und Gewerbegebäude mit Zählerplatzsystemen in der Einspeisung wird der Überspannungsschutz in der Regel einfach auf das Sammelschienensystem gerastet. Anschlussleitungen sind dann nicht vorhanden, und eine eigene Vorsicherung für den Überspannungsschutz ist auch nicht erforderlich.

Die vorgelagerte Hauptsicherung – etwa im Hausanschlusskasten – ist fast immer kleiner als die maximal zulässige Vorsicherung des eingebauten SPD (Surge Protective Device/Überspannungs-Schutzgerät). Und außerdem ist zu beachten: Wenn die Anschlussleitungen zum Überspannungsableiter zu lang sind, ist ein sicherer Schutz nicht gegeben. Auch um Haftungsrisiken hier zu vermeiden, kommt es in großen Hauptverteilungen auf einen fachgerechten Einbau an. Sinnvoll ist ein Ableiter mit integrierter Vorsicherung. Bild 1 zeigt dazu ein Beispiel.

Der Anschluss von Überspannungsableitern

In größeren Energiehauptverteilungen ist das nicht so ganz einfach, denn die hohen Nennströme erfordern deutlich größere Sammelschienensysteme und somit größere Verteilungen. Platz für Überspannungsschutz ist vorhanden, allerdings werden die Räume und Entfernungen zwischen den Anlagenteilen auch größer. Dadurch sind die Anschlussleitungen zum SPD oft deutlich länger als (wie normativ gefordert) maximal 0,5 m. Dies wird oft unterschätzt, der Überspannungsschutz ist dann nicht sichergestellt.

Weil die Leitungslänge sowie der Überspannungsableiter selbst den wirksamen Schutzpegel in der Schaltanlage beeinflussen, fordert die DIN VDE 0100-534 die maximale Leitungslänge von 0,5 m zwischen aktiven Leitern und Schutzleiter. Dieser halbe Meter gilt ab Abgriff der aktiven Leiter L1, L2, L3 und N vom Sammelschienensystem bis zur Anschlussschiene für den Schutzleiter in Summe. Ist eine Vorsicherung vorhanden, muss auch der Leitungsweg zur Vorsicherung mitgerechnet werden (Bild 2).

Grund für die geforderte kurze Leitung ist der Spannungsfall über die Anschlussleitungen im Falle eines Ableitvorgangs. An einem 1 m langen, geradlinig verlegten Leiter wird bei einem Impulsstoßstrom von 10 kA ein Spannungsfall von ungefähr 1 kV erzeugt.

Die Leitungslänge beeinflusst den Schutzpegel

Dieser Spannungsfall ist zum Schutzpegel des Überspannungsableiters hinzuzurechnen. Wird ein SPD mit einem Schutzpegel von 1,5 kV mit einer 1 m langen Leitung angeschlossen, beträgt der wirksame Schutzpegel in der elektrischen Anlage 2,5 kV. Das gilt bei einem Impulsstoßstrom von 10 kA, ein Wert, der bei einem SPD Typ 2 in etwa der Hälfte des Nennableitvermögens pro Pol entspricht. In größeren elektrischen Anlagen wird in der Regel ein SPD Typ 1 eingesetzt; der verfügt über ein Nennableitvermögen von 25 kA pro Pol und 100 kA in Summe.

Bild 2: 
Die Leitungslänge beeinflusst den Schutzpegel. Daher ist eine maximale Leitungslänge von 0,5 m gefordert (a+b+c≤ 0,5 m). 
In großen 
Verteilungen 
ist das kaum 
einzuhalten.
Bild 2: 
Die Leitungslänge beeinflusst den Schutzpegel. Daher ist eine maximale Leitungslänge von 0,5 m gefordert (a+b+c≤ 0,5 m). 
In großen 
Verteilungen 
ist das kaum 
einzuhalten.
(Bild: Phoenix Contact)

Bei einem Impulsstoßstrom von 25 kA beträgt der Spannungsfall über eine 1-m-Leitung bereits 2,5 kV und bei 100 kA sind es schon 10 kV. Der Spannungsfall über die Anschlussleitungen muss zum Schutzpegel des SPD addiert werden. Diese Gesamtspannung übersteigt dann schnell die Spannungsfestigkeit der zu schützenden Geräte, die dann beschädigt werden können. Gefährliche Funkenbildung und im schlimmsten Fall ein Brand sind die Folge.

Den Überspannungsableiter am richtigen Ort einbauen

Ein Überspannungsableiter sollte immer so nah wie möglich am Schutzleiter der Anlage installiert werden, damit die Anschlussleitungen vom SPD zum Schutzleiter so kurz wie möglich sind. Die Rechnung ist einfach: Bei einem SPD Typ 1 für die Blitzschutzklasse I ist mit 25 kA Impulsstoßstrom pro Pol zu rechnen. Bei vier Polen beträgt der Summenstrom dann 100 kA, die zum Schutzleiter fließen. Der Strom zum Schutzleiter verursacht also einen vierfach höheren Spannungsfall als auf den Anschlussleitungen der aktiven Leiter.

Nennströme unter 315 A sind in größeren Energiehauptverteilungen selten. Der SPD benötigt also eine Vorsicherung. Eine externe Vorsicherung für den Überspannungsableiter benötigt Platz und Leitungslänge und verursacht Kosten. Diese Leitung, die zur Anschlussleitung des SPD gehört, erhöht den Schutzpegel zusätzlich.

Auch die richtige Größe der Sicherung spielt eine Rolle. Gängig ist eine NH00-Sicherung mit 125 A, die jedoch bereits bei kleinen Impulsstoßströmen auslöst, die ebenfalls über die vorgelagerte Sicherung fließen. Um den Nennableitstrom von 25 kA pro Pol sicher ohne Auslösen ableiten zu können, muss eine Vorsicherung mit 315 A eingesetzt werden. Dazu ist mindestens eine NH2-Sicherung notwendig, die nicht nur deutlich größer, sondern auch teurer als eine NH00-Sicherung ist.

Ein Überspannungsableiter mit integrierter Vorsicherung

Eine Lösung ist ein SPD mit integrierter Sicherung. Weil die Vorsicherung entfällt, werden Platz und Kosten gespart. Und weil der Überspannungsableiter nicht über den Umweg der Vorsicherung angeschlossen wird, spart man deutlich an Leitungslänge. Entfällt die separate Vorsicherung, ergeben sich zudem ganz neue Möglichkeiten zum Einbau des SPD. Ein Überspannungsableiter muss nicht bedient oder gewartet werden. Er soll im Hintergrund für Sicherheit sorgen. Und genau dort muss er eingebaut werden.

Bild 3: Der Kombiableiter FLT-SEC-H (im Bild hinten auf der Gehäuserückwand) hat eine Kurzschlussleistung bis 100 kA und das Gerät kann auch in besonders großen Energieverteilungen vor dem Leistungsschalter eingebaut werden.
Bild 3: Der Kombiableiter FLT-SEC-H (im Bild hinten auf der Gehäuserückwand) hat eine Kurzschlussleistung bis 100 kA und das Gerät kann auch in besonders großen Energieverteilungen vor dem Leistungsschalter eingebaut werden.
(Bild: Phoenix Contact)

Der Überspannungsableiter FLT-SEC-H von Phoenix Contact ist eine Kombination aus netzfolgestromfreier Funkenstrecke und stoßstromfester Sicherung, einsetzbar ohne separate Vorsicherung. Mit einer Kurzschlussfestigkeit bis 100 kA kann der Ableiter selbst in große Energieverteilungen auch vor dem Leistungsschalter eingebaut werden (Bild 3).

Ein Überspannungsableiter ist nicht nur wartungsfrei, er muss auch nicht bedient werden. Der FLT-SEC-H ist zudem robust, die einzelnen Schutzstecker müssen nur selten ausgetauscht werden. Hilfreich ist die Steckbarkeit allerdings bei der regelmäßigen Isolationsprüfung.

Vor einer Isolationsprüfung sind die Schutzstecker abzuziehen. Ist das nicht möglich, müssen die Anschlussleitungen vom gesamten Überspannungsableiter abgeklemmt werden. Nach der Prüfung werden die Leitungen mit einem definierten Drehmoment angeschlossen. Das ist nicht nur deutlich mehr Aufwand, sondern stellt auch eine Fehlerquelle dar.

Bequeme Überprüfung per Statusanzeige

Regelmäßig überprüft wird der FLT-SEC-H über die Statusanzeige. Grün bedeutet, dass der Überspannungsableiter und die integrierte Sicherung in Ordnung und einsatzbereit sind. Dieser Status lässt sich auch über den Fernmeldekontakt auswerten, der Ausfall eines SPD wird sofort erkannt.

Vorteilhaft ist auch, dass die integrierte Vorsicherung beim FLT-SEC-H mit überwacht wird. Bei einer externen Vorsicherung, etwa bei einer NH-Sicherung, ist eine Überwachung nicht die Regel. Bei einer ausgelösten Vorsicherung bietet aber auch der beste Überspannungsableiter keinen Schutz.

Bild 4: Der montierte Kombiableiter FLT-SEC-H. Vorteilhaft ist auch, dass die integrierte Vorsicherung beim FLT-SEC-H mit überwacht wird.
Bild 4: Der montierte Kombiableiter FLT-SEC-H. Vorteilhaft ist auch, dass die integrierte Vorsicherung beim FLT-SEC-H mit überwacht wird.
(Bild: Phoenix Contact)

Bei elektrischen Anlagen mit hohen Anforderungen an die Verfügbarkeit kann die tatsächliche Belastung der Schutzstecker geprüft werden. Mit dem Prüfgerät Checkmaster 2 ist die Funktionsprüfung von Schutzgeräten von Phoenix Contact auf einfache Weise möglich: der Schutzstecker wird in das Prüfgerät gesteckt, und die elektrische Prüfung liefert ein klares Bild der bisherigen Belastung der Schutzstecker. So können Schutzstecker noch vor dem Ausfall ausgetauscht werden. Das ist ein entscheidendes Kriterium bei Anlagen, die außerhalb einer geplanten Revision nicht abgeschaltet werden können.

Das Fazit heißt Haftungsrisiken vermeiden. Die richtige Auswahl, die regelmäßige Prüfung und der richtige Einbau von Überspannungsableitern ist entscheidend für einen wirkungsvollen und sicheren Schutz. Der steckbare Kombiableiter FLT-SEC-H mit integrierter Vorsicherung bietet hierfür die Möglichkeiten.

* Moris Krings ist Projektleiter Business Unit Trabtech bei Phoenix Contact, Blomberg.

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