Definition von Überspannung

 

Überspannung ist jeder Spannungsimpuls, der die maximal im Versorgungsnetz zulässige Spannung überschreitet. Es ist physikalisch eine Art Unfallphänomen, dessen Entstehung zeitlich und örtlich nicht vorhersehbar ist. Die Störgrößen hängen ab von deren Ursache (z.B. Blitz, Schaltspannung) und den Charakteristika der Komponente auf die er wirkt. In den letzten Jahren wurden die Störgrößen untersucht und deren Beschreibung und Einordnung standardisiert. Im folgenden Text werden die wichtigsten Parameter einer Überspannung (in Übereinstimmung mit IEC 61643-1, IEC 60-1) beschrieben.

 

Spitzenwert Umax,Imax ist der  maximale Spitzenwert von Spannung,
Strom einer Störung oder eines Testimpulses.
Anstiegsflanke ist die Flanke von Spannung  oder Strom vor dem
Erreichen des Spitzenwertes.
Anstiegszeit des Stromimpulses T1
das 1,25- fache der Anstiegszeit bei welcher der
Strom von 10% bis auf  90% des Spitzenwertes
angestiegen ist.
Anstiegzeit des Spannungsimpulses T1
das 1,67-fache der Anstiegzeit der Spannung von
30% bis auf 90% des Spitzenwertes.
Abfallkurve
Spannungsverlauf nach dem Erreichen des
Spitzenwertes.
Abfallzeit bis 50%  T2 Zeit, die vergeht ,bis der Spannungswert 50%
des Spitzenwertes erreicht hat.

Hinweis : Der virtuelle Beginn der Kurve liegt am Schnittpunkt der an der Anstiegsflanke angelegten Geraden und der Zeitachse.

 

curve2

 

Standard Test-Stromimpulse

a) Blitz-Stoßstromableiter Iimp (10/350μs)

b) Maximaler Ableitsstoßstrom Imax (8/20 μs)

 

Blitzstromableiter müssen unter den Bedingungen (10/350μs) das ca.17,5-fache mehr an Energie ableiten als Überspannungsableiter unter (8/20 μs). Daraus ergibt sich ihr unterschiedlicher Aufbau.

 

Ursachen und Eigenschaft von Blitz-Spannungen und Strömen

In der folgenden Tabelle werden noch einmal die typischen Gründe für das Auftreten von Blitzüberspannungen und Strömen über die Umgebung außerhalb von Gebäuden, Gebäudehülle und Leitungen über induktive und kapazitive Einkoppelung beschrieben. Folgende Werte treten üblicher Weise auf:

 

Ursache Überspannung (Spitze) Überstrom (Spitze) Abfallzeit 50 %
Direkter Blitzeinschlag n*100 kV >30 kA (50% aller Fälle)>100 kA (5% aller Fälle)

>150 kA(1% aller Fälle)

200-1000μs
Galvanische Einkoppelung n*10 kV Ferne bis zu 1 kAin  Nähe n*1 kA

neben Gebäude n*10kA

700μs
Induktive Einkoppelung Transversal n*1 kVLängsseits n*10kV n*1 kAn* 10kA 20μs
Kapazitive Einkoppelung Transversall/längsseitsn*1 kV n*1 kA 50-100μs

 

Der Testimpuls für Blitzstromableiter (10/350μs) wird üblicher Weise dazu benutzt den Direkteinschlag in Überlandleitungen und die galvanische Einkoppelung in das Versorgungsnetz zu simulieren.

Der Stromimpuls (8/20 μs) und der Spannungsimpuls (1,2/50 μs) werden benutzt um die induktive und kapazitive Einkoppelung zu simulieren.

 

Arten der Einkoppelung

Generell

Störungsenergie kann über verschiedene Wege in ein Gebäude eindringen. Primär ist es das Leitungsnetz über das eine Einkoppelung erfolgt.

 

Galvanische Einkoppelung

Erfolgt über einen Blitzschlag in eine Überlandleitung. An jedem Transformatorknoten entstehen dann Überspannungen, die trotz Blitzschutzableitern im Energietechnikbereich zum Teil ins Leitungsnetz eingekoppelt werden .

Ein ebenso kritischer Punkt ist die Anhebung des Erdpotentials gegenüber dem Versorgungsnetz.

 

 

Kapazitive Einkoppelung

Erfolgt durch parallele Leitungsführung bzw. durch das elektrische Feld eines Blitzes.

einkopplung

 

Induktive Einkoppelung

Ursache für die induktive Koppelung ist das durch die Wirkung des Blitzes ausgelöste magnetische Feld, das in jedem elektrischen Leiter, auf den er einwirkt, einen elektrischen Strom induziert und  an deren Enden eine Überspannung verursacht. Je höher die Stromänderungsgeschwindigkeit (di/dt),desto höher ist auch die Induktion.

 

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Arten der Überspannungen

Direkter Blitzschlag

Entladungen finden zwischen Wolke und der Erde oder zwischen zwei unterschiedlich geladenen Wolken statt. Nur ein geringer Anteil von Entladungen findet zwischen Wolken und Erde statt. Wolkenblitze gehen von sogenannten Gewitterzellen aus. Jede Gewitterzelle ist für ca. 30 Minuten aktiv und produziert ca.2 bis 3 Blitze pro Minute. Eine Gewitterzelle reicht oft bis zu 10 km in die Höhe, deren Boden ist für uns sichtbar und schwebt in einer Höhe von ca.1-2 km über dem Boden. In der Mitte einer Gewitterzelle herrscht ein starker Aufwärtswind, der zu einer Ladungstrennung in den Wolken führt. Die positiven Teilchen befinden sich am oberen Ende einer Gewitterzelle, die negativen sind  in Wassertropfen auf der unteren Seite der Gewitterzelle angesiedelt. Wenn die Zelle nahe zum Boden kommt, hat sie das Bedürfnis, sich zu entladen. Bäume am Waldrand wirken dabei wie Blitzableiter. Im Vorweld des Sommers entstehen Gewitter durch die Bewegung großer Luftmassen. Die Enstehungshäufigkeit ist saisonabhängig. In den Sommermonaten (Juli-August) enstehen fünf mal mehr Gewitter als zu anderen Jahreszeiten. Die Aufheizung der Erde fördert die Aufwärtsbewegung der Luftmassen und damit auch die Enstehung der Gewitter. In Anlehnung an IEC 1312-1:1995 ist es möglich einen Blitz und seine Eigenschaften zu beschreiben.

 

Absolute Impulsladung Qf max.300 C
Erste Blitzladung Qs max.100 C
Erster Blitzstrom Iimp max.200 kA
Spezifische Energie des ersten Blitzes max.10 MJ/Ω
Stromanstiegsgeschwindigkeit di/dt max.200 kA/μs

 

Verteilung von Blitzströmen bei einem Blitzschlag

Das Schutzsystem muss in der Lage sein eine Blitzüberspannung über Ableiter und Überspannungsschutzkomponenten abzubauen ohne das es dauerthaft Schaden nimmt.

Es ist zu empfehlen  in einem Gebäude  einen Potentialausgleich zu schaffen z.B. zwischen Hauserder, Heizungsrohren, der Elektroverteilung, Wasserleitungen usw., um eventuelle Differenzpotenziale zu vermieden. Das folgende Diagramm zeight eine typische Verteilung von Blitzströmen in einem Blitzschutz-Stufenkonzept.

haus

Dort wo eine explizite Messung unmöglich ist gilt folgende Annahme:

1) 50 % des Blitzstromes von Iimp =200 kA (10/350)/2=IS1=100 kA wird durch die Metallableiter in die Erde abgeführt.

2) 50 % Blitzstromes von Iimp=200 kA(10/350)=IS2=100 kA wird von den Hauskomponenten dem TK/Informationsnetz, Metallleitungen und dem Elektronetz aufgenommen. Geht man also davon aus ,dass ca. 17% von 100 kA über das Elektronetz abgebaut werden müssen, wären dass IELT=17 kA. Da sich die Überspannung auf mehrere Phasen verteilt beträgt der maximale Ableitstrom durch die Einzelkomponente IELT/n=17/13=5,66 kA. Da die Standardkomponenten alle mit 8/20 μs also 8 kA bei 10/350μs Spannungsimpuls (4% von Iimp) ausgelegt sind wird der anteilige Blitzstrom sachgerecht abgeleitet.

 

Aufbau des Schutzzonen Konzeptes nach IEC 1312-1/ IEC 62305-4/DIN VDE V 0185-4

Die Schutzzonen (Lightning Protection Zones LPZ) werden unterteilt in Zonen mit direkter und indirekter Berührung mit der Störgröße (Blitz).

LPZ OA Zone die im direkten Kontakt mit dem Blitzstrom steht und diesen
abführen muss und auf die das komplette elektromagnetische Feld wirkt.
LPZ OB Zone die nicht im direkten Kontakt mit dem Blitzstrom steht, jedoch mit anteiligen
Strömen belastet wird auf die jedoch das komplette magnetische Feld einwirkt.
LPZ OC Zone außerhalb des  Gebäudes, definiert mit 3m außerhalb des Gebäudes
auf der Erde, wo Teile von Blitzströmen und ein großer Teil des magnetischen
Feldes wirken mit Gefahr für Lebewesen. (IEC 62305-4/DIN VDE V 0185-4)
LPZ 1 Zone mit weiter begrenzten Blitzströmen durch Überspannungsschutzkomponenten
zwischen den Schutzzonen. Abgeschwächte Wirkung des magnetischen Feldes
durch bauliche Massnahmen.
LPZ 2 Innere Zone mit stark abgeschwächten Impulsströmen und einem sehr
abgeschwächten magnetischen Feld, gedämpft durch bauliche Massnahmen.

 

Eine fortlaufende Reduzierung von Impuls-Strömen und Spannungen ist eine eindeutige Notwendigkeit. Die Anforderungen für den Aufbau eines Überspannungsschutzes hängt von der Anforderung des zu schützenden Systems ab. Grundsätzlich gilt, je höher die Nummer der Zone, desto geringer ist die Stärke des magnetischen Feldes und der Impulsströme.

Hinweis: Die Verbindung an den Grenzen zwischen den Zonen LPZOA, LPZOB, LPZOC, LPZ1 wird im Abschnitt 3.1 der IEC 1024-1 zusätzlich beschrieben. Die magnetischen Felder innerhalb eines Gebäude hängen jedoch von vielen individuellen Randbedingungen ab (z.B.: Fenster, Ableitsströme entlang Blitzabletitern am Gebäude, Potentialausgleich, Rohrnetze, elektr.Leistungsführung, usw.)

Das folgende Schaubild soll den Aufbau des Zonenkonzeptes verdeutlichen..

Schutzzonen

Die zuvor beschriebene Aufteilung gibt die Möglichkeit ein Versorgungssystem dank dem Einsatz von Überspannungsschutzkomponenten an der Grenze der LPZO→1 und an der Grenze  der  LPZ1→2  zu schützen. Für den Übergang der Zone LPZO→1 müssen immer Class I Komponenten (10/350 μs ) verwendet werden (1. Schutzstufe).
Es wird empfohlen am Übergang der Zone LPZ1→2, Class II Komponenten (8/20 μs) einzusetzen (Schutzstufe 2 ).
Es ist empfehlenswert alle 10m einen Ableiter Class III einzusetzen (Übergang LPZ2→3 oder darunter) um induktive Einkoppelungen direkt  abzublocken (8/20 μs).

Für Telekommunikation können auch Frequenzfilter Sinn machen. Das Erdungssystem muss möglichst gut miteinander verbunden sein, um eine weite Aufteilung von Impulsströmen zu ermöglichen. Geschirmte Kabelwege sind eine weitere Verbesserung.

Die Spannung in der Elektroinstallation zwischen den Schutzstufen, die maximal hinter der vorgehenden  Schutzstufe auftreten darf wird als Spannungsfestigkeit genannt. Diese beträgt hinter der ersten Schutzstufe 6 kV (HVT), hinter der zweiten Schutzstufe 4 kV (UV1), hinter der dritten Schutzstufe 2,5 kV(UV2) und dahinter 1,5 kV (Dose).

 

Die folgende Grafik soll die Zuordnung und Vergleichbarkeit der Standards deutlich machen.

standards

 

 

Mögliche Realisierung der Schutzstufe 1

Varistor Ableiter ermöglichen einen guten Schutz bis zu einem Ableitstrom von Iimp=20 kA (10/350). In den meisten Fällen einer sogenannten oberirdischen Niederspannung die in ein Gebäude eingekoppelt wird ist dieser Ableiter ausreichend. Bei allen höheren Anforderungen sind Gleitfunkenstrecken mit entsprechender Vorsicherung einzusetzen. Das ist wichtig, da Funkenstrecken nach Ihrem Auslösen  einen Folgestrom If bei Nennspannung Uc nach sich ziehen und quasi wie ein Kurzschluss wirken. Dieses Problem gibt es bei Varistoren nicht da diese bei Erreichen von Uc wider hochohmig sind.

 

Einbau von Drosseln zwischen den Schutzstufen

Um ein unabhängiges Wirken der Schutzstufen in direkter Kaskade zu gewährleisten, dürfen die Stufen nicht zu dicht aufeinander liegen. Der Mindestabstand  beträgt 10 m. Bei geringeren Abständen wird eine  Induktivität von 2×15μH dazwischengeschaltet und so eine Leitungsläge simuliert. Erst dadurch wird ein verzögerter Impulsanstieg erreicht, der das Wirken der aktiven Schutzstufe und das Mindern auf Begrenzungsspannung zu nächsten Schutzstufe erreicht.

 

Schutz-Vorsicherungen

Diese sind notwendig um bei Gleitfunkenstrecken oder Varistoren eine Überlastung des elektrischen Leiters sowie der Ableitelemente zu verhindern. Die Dimensionierung der Vorsicherung wird im Datenblatt eines jeden Ableiters vom Hersteller beschrieben und ist in jedem Fall zu beachten.

 

Empfehlung für die Realisierung der Schutzstufe 3

Durch Einsatz von Durchgangsfiltern im Zusammenwirken mit Überspannungsschutz kann die Begrenzungsspannung auf 0,8 bis 1 kV reduziert werden die unschädlich für die elektronischen Komponenten ist. Diese Spannung entspricht der Prüfspannung von Netzteilen und Geräteequipment, bei der es keinen Schaden nehmen darf. Die Class III Komponenten sollten nicht weiter als 15m von dem Einbauort des Schutzes entfernt sein, damit keine induktive Einkoppelung rückseits möglich ist. Ein Vorteil ist die Filterung von HF, die durch diese Komponenten geblockt wird. Nachteil ist ein begrenzter Stromdurchgang auf Grund der Drossel –Dimensionierung.

Die Module SDL-*HFF und SDL-3*HFF stellen solche Filter dar.

 

Standard Implementierung von Schutzstufen von Kaskaden

Der Aufbau einer Schutzkaskade ist auf zwei Wegen möglich:

 

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Bild (a) zeigt einen Schutz gegen Längseinkoppelung von Überspannung.
Bild (b) zeigt den Aufbau zum Schutz gegen transversale Überspannung.

Eine Langzeitstudie hat statisch gezeigt, dass das Auftreten von transversalen von transversalen Überspannungen (L1/N) weitaus häufiger ist als die Längseinkoppelungen (L1/PE,N/PE). Auf Grund dieser Erkenntnis sind die Komponenten der Firma SCHIRTEC nach dem Bild b) aufgebaut.