Wichtige Punkte bei der Auswahl von Überspannungsschutzgeräten und Analyse damit verbundener Probleme

Ein Überspannungsschutz ist ein hocheffizienter Schaltungsschutz, der bei kurzzeitigen Überspannungen, Hochenergieimpulsen und schnellen (10-9 s) Änderungen der ursprünglichen hohen Impedanz auf niedrige Impedanz sowie bei kurzzeitigen Überspannungsimpulsen auf eine vorbestimmte Spannung wirksam vor Schäden schützt und so einen störungsfreien Betrieb der Schaltung gewährleistet.

(1) Überspannungsschutzgeräte werden in drei Stufen unterteilt
Die erste Schutzstufe leitet den direkten Blitzstrom bzw. die enorme Energie ab, die bei einem direkten Blitzeinschlag in die Stromleitung übertragen wird. Diese erste Schutzstufe besteht aus einem dreiphasigen Schaltnetzteil mit Blitzableiter und einem Blitzfluss von mindestens 60 kA. Sie wird üblicherweise für die allgemeine Stromverteilung eingesetzt.
Die zweite Stufe dient dazu, die Reststoßspannung des Blitzableiters der ersten Stufe auf 1500–2000 V zu begrenzen und einen Potenzialausgleich zwischen den Blitzableitern lpz1 und lpz2 herzustellen. Wird der Leistungsblitzableiterausgang der Verteileranlage als zweite Schutzstufe verwendet, ist ein spannungsbegrenzender Leistungsblitzableiter mit einer Blitzstrombelastbarkeit von mindestens 20 kA einzusetzen.

Die dritte Schutzebene dient dem endgültigen Schutz der Anlage und der Reduzierung der Reststoßspannung auf unter 1000 V. Als Schutzebene der dritten Ebene ist ein in Reihe geschalteter Blitzableiter mit Spannungsbegrenzung und einer Blitzstrombelastbarkeit von mindestens 10 kA erforderlich. Er wird üblicherweise für Stromverteilungsanlagen eingesetzt.
Für unterschiedliche Verteilsysteme sollten entsprechende Überspannungsschutzgeräte ausgewählt werden, die in TN (TN-S, NC, TN-CS), it und TT unterteilt werden können.

1) Primärschutz
Ziel ist es, zu verhindern, dass die Überspannung direkt vom Bereich lpz0 zum Bereich lpz1 abgeleitet wird, und die Überspannung von Zehntausenden bis Hunderttausenden Volt auf 2500-3000 V zu begrenzen.
Wird der am Niederspannungsnetz des Haustransformators installierte Blitzableiter als erste Schutzstufe eingesetzt, muss es sich um einen dreiphasigen Schaltblitzableiter mit einem Blitzfluss von mindestens 60 kA handeln. Dieser Blitzableiter muss ein Hochleistungsblitzableiter sein, der zwischen jeder Phase der Zuleitung am Eingang des Stromversorgungssystems des Nutzers und der Erde geschaltet ist. Dozent Di vom Online-Kurs für Elektrotechnik fordert in der Regel, dass dieser Blitzableiter eine maximale Stoßstrombelastbarkeit von über 100 kA pro Phase und eine erforderliche Grenzspannung von unter 1500 V aufweist. Solche Blitzableiter werden als Blitzableiter der Klasse II bezeichnet. Diese elektromagnetischen Blitzableiter sind so ausgelegt, dass sie den hohen Strömen von Blitzen und induzierten Blitzen standhalten und Überspannungen ableiten können. Sie bieten lediglich die Begrenzungsspannung (wenn der Impulsstrom durch den Blitzableiter fließt, wird die maximale Spannung an der Leitung als Begrenzungsspannung bezeichnet) als Schutz der mittleren Stufe, da der Schutz der Klasse I hauptsächlich den großen Stoßstrom aufnimmt und allein die empfindlichen elektrischen Geräte innerhalb des Stromversorgungssystems nicht vollständig schützen kann.

Der Blitzableiter der ersten Stufe kann Blitzwellen von 10 / 350us und 100kA abfangen und erreicht damit den höchsten von der IEC festgelegten Schutzstandard.
Die technischen Vorgaben lauten: Der Blitzfluss muss größer oder gleich 100 kA (10 / 350 µs) sein; der Restspannungswert darf 2,5 kV nicht überschreiten; die Ansprechzeit muss kleiner oder gleich 100 ns sein.
2) Sekundärschutz
Ziel ist es, den Wert der Reststoßspannung durch den Blitzableiter der ersten Ebene weiter auf 1500-2000 V zu begrenzen und eine Potentialausgleichsverbindung für lpz1-lpz2 herzustellen.
Wird der Blitzableiterausgang des Verteilerkastens als zweite Schutzebene genutzt, muss am Abzweigpunkt, der wichtige oder empfindliche elektrische Geräte versorgt, ein spannungsbegrenzender Blitzableiter mit einer Blitzstrombelastbarkeit von mindestens 20 kA installiert werden. Herr Di, Online-Lehrer für Elektrotechnik, erklärt, dass diese Blitzableiter die Restenergie von Überspannungen, die am Netzanschluss des Nutzers durch den Überspannungsableiter fließt, besser absorbieren und transiente Überspannungen wirksam unterdrücken.

Die maximale Impulsstrombelastbarkeit des hier verwendeten Blitzableiters muss mehr als 45 kA pro Phase betragen, und die erforderliche Grenzspannung darf 1200 V nicht überschreiten. Dies entspricht einem Blitzableiter der Schutzklasse II. Erreicht das Stromversorgungssystem des Nutzers diese Schutzklasse, sind die Anforderungen für den Betrieb elektrischer Geräte in der Regel erfüllt.
Für den Blitzableiter der Klasse II in Stromversorgungen wird ein Schutz der Klasse C zum vollständigen Schutz der Phasen I, I und I verwendet. Die wichtigsten technischen Parameter sind: Die Blitzstrombelastbarkeit beträgt mindestens 40 kA (8/20 µs); der Spitzenwert der Restspannung darf 1000 V nicht überschreiten; die Ansprechzeit darf 25 ns nicht überschreiten.

3) Schutz der dritten Ebene
Ziel ist es, die Geräte letztendlich zu schützen, indem die Reststoßspannung auf unter 1000 V reduziert wird, damit die Stoßenergie die Geräte nicht beschädigen kann.
Wird der am Eingang der Wechselstromversorgung von elektronischen Informationsgeräten installierte Leistungsblitzableiter als dritte Schutzebene verwendet, so muss es sich um einen in Reihe geschalteten Spannungsbegrenzenden Leistungsblitzableiter handeln, dessen Blitzstromkapazität nicht weniger als 10 kA beträgt.
Abschließend sei erwähnt, dass ein integrierter Blitzableiter im internen Netzteil elektrischer Geräte eingesetzt werden kann, um kleine transiente Überspannungen vollständig zu eliminieren. Herr Di, Online-Lehrer für Elektrotechnik, weist darauf hin, dass die maximale Belastbarkeit des hier verwendeten Blitzableiters 20 kA pro Phase oder weniger betragen und die erforderliche Grenzspannung unter 1000 V liegen muss. Für besonders wichtige oder empfindliche elektronische Geräte ist ein Schutz der dritten Schutzstufe erforderlich, der die Geräte auch vor im System entstehenden transienten Überspannungen schützt. Für die Gleichrichter-Netzteile von Mikrowellenkommunikationsgeräten, Mobilfunk-Basisstationen und Radargeräten sollten Blitzableiter mit geeigneter Betriebsspannung als Schutz der dritten Schutzstufe entsprechend den Schutzanforderungen ihrer Betriebsspannung ausgewählt werden.

4) Entsprechend der Spannungsfestigkeit des zu schützenden Geräts
Kann der zweistufige Blitzschutz die Spannung unter die zulässige Spannung des Geräts begrenzen, ist nur ein zweistufiger Schutz erforderlich. Ist die zulässige Spannung des Geräts niedrig, können vier oder mehr Schutzstufen notwendig sein. Die Blitzstrombelastbarkeit der vierten Schutzstufe darf 5 kA nicht unterschreiten.
(2) Warum sollten Sicherungen und Leitungsschutzschalter vor dem Überspannungsschutz angebracht sein?
Wenn der Einschaltstrom durch den Überspannungsschutz dessen maximalen Nennstrom (IMAX) überschreitet, kann der Überspannungsschutz durchbrennen und einen Kurzschluss verursachen. Um diesen Kurzschluss zu unterbrechen, ist der Einbau eines Leitungsschutzschalters oder einer Sicherung erforderlich. Herr Di, Online-Lehrer für Elektrotechnik, erklärt, dass jeder Blitzschlag die Alterung des Überspannungsschutzes beschleunigt. Beispielsweise kann ein länger anhaltender Stromfluss zu Überhitzung und damit zu einer schnelleren Alterung führen. In diesem Fall muss der thermische Schutz des Leitungsschutzschalters oder der Sicherung eingreifen und den Überspannungsschutz abschalten, bevor dieser die maximal zulässige Temperatur erreicht.

Anforderungen an Sicherungen und Leitungsschutzschalter für Überspannungsschutzgeräte: Bei Anlegen von 20 Standard-Testimpulsen von 8/20 Mikrosekunden und 1,2/50 Mikrosekunden unter Nennstrom darf der Leitungsschutzschalter bzw. die Sicherung nicht auslösen. Bei einem Defekt und Kurzschluss im Überspannungsschutzgerät muss der Leitungsschutzschalter bzw. die Sicherung auslösen. Handelt es sich beim Überspannungsschutzgerät um ein Schaltmodul, dessen Fehlermodus ein offener Stromkreis ist, kann auf Leitungsschutzschalter und Sicherung verzichtet werden.
Sowohl Sicherungen als auch Leitungsschutzschalter eignen sich hervorragend als Überspannungsschutz. Eigenschaften der Sicherung: Die Sicherung bietet zwei Schutzfunktionen: Schutz vor Langzeitverzögerung und Sofortstrom mit inverser Zeitbegrenzung. Herr Di, Online-Lehrer für Elektrotechnik, verwendet sie als Überlast- bzw. Kurzschlussschutz. Das heißt, die Sicherung muss nach dem Auslösen ausgetauscht werden. Eigenschaften des Leitungsschutzschalters: Der Leitungsschutzschalter bietet Sofortstromschutz und Überlastschutz. Nach einer Fehlerabschaltung kann er manuell zurückgesetzt werden, ohne dass Komponenten ausgetauscht werden müssen.
Beachten Sie den Unterschied zwischen den Zuleitungen: Für ein dreiphasiges 280-V-Fünfleitersystem oder ein dreiphasiges 380-V-Vierleitersystem ist ein 440-V-Überspannungsschutzgerät auszuwählen. Für ein einphasiges 220-V-Zweileitersystem oder ein einphasiges 220-V-Dreileitersystem ist ein 220-V-Überspannungsschutzgerät auszuwählen. Zusätzlich ist zu beachten: Der Schutzpegel des ausgewählten Überspannungsschutzgeräts beträgt bei dreiphasigem 280-V-Stromanschluss an der Zuleitung des Wohngebäudes Schutzpegel 2 und bei einphasigem 220-V-Stromanschluss Schutzpegel 3.
Nachdem die TN-CS-Systemleitung in den Hauptverteilerkasten des Gebäudes eintritt, teilt sich die Zuleitung in N-Leitung und PE-Leitung auf. Ein Überspannungsschutz muss lediglich zwischen Phase I und Zuleitung installiert werden.
Der Schalter an der Vorderseite des Überspannungsschutzes dient zur Auswahl von Sicherung und Leitungsschutzschalter. Im Allgemeinen sollte für einen maximalen Strom (IMAX) über 40 kA eine Sicherung zwischen 40 und 63 A und für einen maximalen Strom unter 40 kA eine Sicherung zwischen 20 und 32 A gewählt werden.

(3) Sind Überspannungsschutz und Blitzableiter dasselbe?
Obwohl sowohl Überspannungsschutzgeräte als auch Blitzableiter die Funktion haben, Überspannungen, insbesondere Blitzüberspannungen, zu verhindern, gibt es dennoch viele Unterschiede in ihrer Anwendung.
1) Überspannungsableiter verfügen über mehrere Spannungspegel, die von 0,38 kV Niederspannung bis 500 kV Höchstspannung reichen, während Überspannungsschutzgeräte im Allgemeinen nur Niederspannungsprodukte anbieten.

2) Blitzableiter werden hauptsächlich im Primärsystem installiert, um das direkte Eindringen von Blitzwellen zu verhindern, während Überspannungsschutzgeräte hauptsächlich im Sekundärsystem installiert werden. Diese dienen als zusätzliche Maßnahme, nachdem der Blitzableiter das direkte Eindringen von Blitzwellen verhindert hat oder wenn der Blitzableiter die Blitzwellen nicht verhindern kann.

3) Blitzableiter werden zum Schutz elektrischer Geräte verwendet, Überspannungsschutzgeräte werden hauptsächlich zum Schutz elektronischer Instrumente oder Messgeräte eingesetzt;
4) Da der Überspannungsableiter an das elektrische Primärnetz angeschlossen ist, muss er über eine ausreichende äußere Isolationsfähigkeit und eine große Baugröße verfügen. Da der Überspannungsschutz an Niederspannung angeschlossen ist, kann er sehr klein sein.