Überspannungsschutz

(SPDs)

DIN VDE 0100-534
Überspannungsschutzeinrichtungen

SPDs – Surge Protective Devices

 

INHALT

Alle roten Textstellen sind weiterführende Links.

 

 Begriffe

 Überspannungsschutz durch Schalthandlungen

 Errichtungsort und Prüfklasse (Typ)

 Prinzipielle Anschlussschemata von SPDs

 Auswahlkriterien von Überspannungsschutzeinrichtungen – SPDs

 Bemessungsstoßspannung

 Kombination von SPDs mit weiteren Schutzeinrichtungen
Gemeinsame Errichtung mit Überstromschutzeinrichtungen

 Gemeinsame Errichtung mit RCDs

 Fehlerschutz

 Maximale Leitungslängen

 Querschnitt der Anschlussleitungen

 Anschlussschemata von SPDs

 TN-System – Anschlussschema A

 TT-System – Anschlussschema C

 Empfindliche Betriebsmittel

 Statusanzeige

 Prüfungen in Anlagen mit ÜSE (Überspannungsschutzeinrichtungen)


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Begriffe

 

Überspannungs-Schutzeinrichtung (SPD)
(en: surge protective device)

  • Schutzeinrichtung,
    die mindestens eine nichtlineare Komponente enthält und dazu bestimmt ist,
    Überspannungen zu begrenzen und Impulsströme abzuleiten.

SPD-Kombination
(en: SPD Assembly)

  • Ein oder mehrere Überspannungs-Schutzeinrichtungen (SPDs)
    jeweils inklusive aller vom Hersteller der Überspannungs-Schutzeinrichtung (SPD) vorgeschriebenen Abtrennvorrichtungen,
    die zum Überspannungsschutz eines bestimmten Systems
    nach Art der Erdverbindung notwendig sind.

Anmerkung zum Begriff:

Die Abtrennvorrichtung, z. B.
Überstrom-Schutzeinrichtung einer Überspannungs-Schutzeinrichtung (SPD),
kann zusammen mit der Überspannungs-Schutzeinrichtung (SPD)
in einer Baueinheit oder
extern angeordnet sein.

Abtrennvorrichtung einer Überspannungs-Schutzeinrichtung (SPD)
(en: SPD disconnector – disconnector)

  • Vorrichtung, die benötigt wird, um eine Überspannungs-Schutzeinrichtung (SPD) oder einen Teil einer Überspannungs-Schutzeinrichtung (SPD) vom Netz zu trennen.

Anmerkung zum Begriff:

Von dieser internen Vorrichtung wird eine Isolierfähigkeit nicht gefordert.
Sie soll einen dauerhaften Fehler im Netz verhindern und wird verwendet,
um eine Anzeige im Falle des Versagens der
Überspannungs-Schutzeinrichtung (SPD) zu geben.

Die Abtrennvorrichtung einer Überspannungs-Schutzeinrichtung (SPD) kann
intern (in die Überspannungs-Schutzeinrichtung (SPD) eingebaut) oder
extern (vom Hersteller der Überspannungs-Schutzeinrichtung (SPD) vorgeschrieben) angeordnet sein.

Es kann mehr als eine Abtrennvorrichtung vorhanden sein, z. B.
eine externe Überstrom-Abtrennvorrichtung und
eine interne thermische Abtrennvorrichtung.

Diese Funktionen können in einer Einheit oder in getrennten Einheiten realisiert sein.

Schutzpfad
(en: mode of protection of an SPD)

  • Vorgesehener Strompfad zwischen den Anschlussklemmen,
    der ein oder mehrere Schutzelemente enthält, z. B.
    zwischen den Leitern,
    Leiter gegen Erde,
    Leiter gegen Neutral,
    Neutral gegen Erde.

Folgestromlöschfähigkeit
(en: follow current interrupt rating) Ifi

  • Unbeeinflusster Kurzschlussstrom,
    der von der Überspannungs-Schutzeinrichtung (SPD) selbständig und
    ohne Abtrennung unterbrochen werden kann.

Kurzschlussfestigkeit der Überspannungs-Schutzeinrichtung (SPD) ISCCR

  • Höchster unbeeinflusster Kurzschlussstrom des elektrischen Netzes,
    für das die Überspannungsschutzeinrichtung (SPD)
    in Verbindung mit seinen vorgegebenen Abtrennvorrichtungen bemessen ist.

Schutzpegel – Up

  • Maximale Spannung,
    die an den Anschlussklemmen der Überspannungs-Schutzeinrichtung (SPD) während
    der Belastung mit einem Impuls festgelegter Spannungssteilheit und
    Belastung mit einem Ableitstoßstrom gegebener Amplitude und
    Wellenform auftreten kann.

Anmerkung zum Begriff:

Der Schutzpegel wird vom Hersteller angegeben und
darf nicht überschritten werden durch die gemessene Begrenzungsspannung,
ermittelt aus der Stirn-Ansprechspannung (wenn anwendbar) und
die gemessene Begrenzungsspannung,
bestimmt aus der Restspannungsmessung bis zu In und/oder
bis zu Iimp entsprechend Prüfklasse II und/oder Prüfklasse I;
die gemessene Begrenzungsspannung bis zu UOC ermittelt mit einem
Hybridimpuls für Prüfklasse III.

Bemessungs-Stoßspannung – Uw

  • Wert einer Steh-Stoßspannung,
    der vom Hersteller für ein Betriebsmittel oder
    für einen Teil davon angegeben wird und
    der das festgelegte Stehvermögen seiner zugehörigen Isolierung
    gegenüber transienten Überspannungen angibt.

Höchste Dauerspannung – UC

  • Höchster Effektivwert der Spannung,
    die dauernd an den Schutzpfaden der Überspannungsschutzeinrichtung (SPD)
    angelegt werden darf.

Anmerkung zum Begriff:

Der Wert für UC,
der in den Bereich dieser Norm fällt,
kann 1000 V überschreiten.

Nennableitstoßstrom für Prüfung der Klasse II – In

  • Scheitelwert des durch die Überspannungs-Schutzeinrichtung (SPD)
    fließenden Stromes mit der Impulsform 8/20.

Blitzstoßstrom für Prüfung der Klasse I – Iimp

  • Stromscheitelwert eines Ableitstoßstromes
    durch eine Überspannungs-Schutzeinrichtung (SPD)
    mit einer festgelegten Ladung Q und
    einer festgelegten Energie W/R in einer festgelegten Zeit.

Leerlaufspannung – UOC

  • Leerlaufspannung des Hybridgenerators
    am Anschlusspunkt des Prüflings.

One-Port-SPD

  • Überspannungs-Schutzeinrichtung (SPD),
    die keine bestimmungsgemäße Reihenimpedanz besitzt.

Anmerkung zum Begriff:

One-Port-SPDs können getrennte Eingangs- und Ausgangsklemmen haben.

Two-Port-SPD

  • Überspannungs-Schutzeinrichtung (SPD),
    die eine bestimmte Reihenimpedanz zwischen den
    Eingangs- und Ausgangsklemmen aufweist.

 

Überspannungsschutz durch Schalthandlungen

Auf Anforderungen zum Schutz bei Überspannungen durch
Schalthandlungen wird in der Norm
(DIN VDE 0100-534:2016-10)
nicht speziell eingegangen,
da man davon ausgehen kann,
dass der Überspannungsschutz bei transienten Überspannungen und
bei Überspannungen durch Blitzeinschlag auch den Schutz bei Überspannungen
durch Schalthandlungen,
insbesondere die Selbstinduktionsspannungen bei
Unterbrechung von induktiven Strömen, mit abdeckt.

Errichtungsort und Prüfklasse (Typ)

Je nach Einbauort müssen SPDs einem bestimmten Typ in
Abhängigkeit des Gefährdungspegels entsprechen.

Wobei es drei unterschiedliche Typen für bestimmte Einbauorte gibt,
die entsprechend DIN EN 61643-11 (VDE 0675-6-11)  klassifiziert sind,
siehe unten stehende Tabellen.

 

Die Typkennzeichnungen (Typ 1, Typ 2, Typ 3) werden auch im Detail
in der jeweiligen Produktnorm festgelegt.

Ebenso die Prüfverfahren und die Bewertungskriterien zur Prüfung
für die einzelnen Typen (siehe beispielhaft Tabelle unten) gefordert wird,
dass SPDs so nah wie möglich am Speisepunkt der Anlage errichtet werden.

Für bauliche Anlagen mit Freileitungseinspeisung sind in Deutschland
SPDs vom Typ 1 gefordert.

Zum Schutz gegen indirekt Blitzeinwirkungen und
Schaltüberspannungen müssen SPDs mindestens vom Typ 2 eingesetzt werden.

Zusätzliche SPDs vom Typ 2 oder Typ 3 können in einer Anlage erforderlich sein,
z. B. in der Nähe von empfindlichen Betriebsmitteln.
Diese dürfen jedoch nicht ohne einen
SPD am Speisepunkt errichtet werden und
müssen entsprechend koordiniert werden.

Welcher Typ an welchem Ort in der Anlage
vorgesehen werden muss,
wird durch das Blitzschutzzonenkonzept bestimmt,
siehe unten stehendes Bild.

Anlagen mit Freileitungseinspeisung

In Fällen, in denen nach DIN VDE 0100-443 (VDE 0100-443)
Überspannungsschutz notwendig ist und
die das Gebäude über eine Freileitungseinspeisung versorgt werden und
der direkte Blitzeinschlag in den letzten Mast der Freileitung
nahe dem Gebäude berücksichtigt wird,
müssen die Überspannungsschutzeinrichtungen (SPDs)
am Speisepunkt der elektrischen Anlage nach Tabelle unten, ausgewählt werden.

ANMERKUNG

Die oben genannten Punkte sind auch anzuwenden,
wenn die Versorgungsleitung zwischen dem letzten Mast
der Freileitung und der baulichen Anlage als Erdkabel ausgeführt ist.

ANMERKUNG 

In Deutschland wird der direkte Blitzeinschlag in den letzten Mast der Freileitung
nahe den zu schützenden Gebäuden immer berücksichtigt.

Prinzipielle Anschlussschemata von SPDs

Zum Schutz gegen elektrischen Schlag (Fehlerschutz)
sind für die unterschiedlichen Netzformen die Anschlussschemata
entsprechend Tabelle unten anzuwenden.

Anschlussschema 1
(z. B. 3+0-Schaltung oder 4+0-Schaltung)
Eine SPD-Kombination,
die einen Schutzpfad zwischen jedem aktiven Leiter (Außenleiter und Neutralleiter,
falls vorhanden) und
Schutzleiter oder
zwischen jedem Außenleiter und PEN-Leiter aufweist.

Die Neuausgabe der DIN VDE 0100-534
beschreibt die grundsätzlichen Anschlussschemata, z. B.

  • Schema 1 als 3+0- oder 4+0-Schaltung,
    d. h. SPD-Kombination zwischen allen aktiven Leitern gegen den Schutzleiter
    (L- und N-Leiter, falls vorhanden),
    siehe Bild unten,

 

  • Schema 2 als 3+1-Schaltung,
    d. h. SPD-Kombination zwischen Außenleitern und Neutralleiter (N) und
    zusätzlich zwischen N und Schutzleiter.

 

Anschlussschema 2:
Kombination von Überspannungs-Schutzeinrichtungen (SPDs),
die einen Schutzpfad zwischen jedem
Außenleiter und dem Neutralleiter und
einen Schutzpfad zwischen dem
Neutralleiter und dem Schutzleiter aufweist.

 

Auswahlkriterien von Überspannungsschutzeinrichtungen – SPDs

Folgende Kenngrößen müssen zur Auswahl herangezogen werden:

  • Schutzpegel UP des SPD in Kombination
    mit der Bemessungsstoßspannung Uw des zu schützenden Betriebsmittels:
    der Schutzpegel muss entsprechend Uw nach Überspannungskategorie II ausgewählt werden (siehe Tabelle unten).
  • Höchste Dauerspannung UC (TT-, TN- oder IT-System):
    siehe Tabelle unten.
  • Nennableitstrom In und Blitzstrom Iimp:
    Die Auswahl erfolgt in Abhängigkeit davon,
    ob ein Gebäude gegen direkte Blitzeinschläge
    (SPD Typ 2 ist auszuwählen), oder nicht (SPD Typ 1 muss ausgewählt werden)
    geschützt wird.
  • Koordination mehrerer SPDs:
    Die Koordination aller installierten SPDs muss
    nach Vorgaben des Herstellers erfolgen und
    unter Berücksichtigung von VDE V 0675-6-12).Hersteller bieten Kombiableiter vom Typ 1 an,
    der in der Hauptverteilung einer Anlage errichtet wird.Als „Feinschutz“ werden dann die Endstromkreise mit
    Überspannungsableitern vom Typ 3 in der
    Nähe der Betriebsmittel errichtet,
    z. B. in Steckdosen oder in Betriebsmitteln selber.
  • Erwarteter Kurzschlussstrom:
    Die Kurzschlussfestigkeit der SPD muss mindestens
    dem max. Kurzschlussstrom an den Anschlusspunkten der SPD-Kombination
    (SPD plus Überstromschutzeinrichtung) entsprechen.
  • Folgestromlöschvermögen:
    Vom Hersteller wird gefordert ein Folgestromlöschvermögen nachzuweisen,
    das dem max. Kurzschlussstrom an den
    Anschlusspunkten der SPD-Kombination entspricht.

Bemessungsstehstoßspannung

Die Überspannungskategorien legen eine Spannung fest,
die ein Betriebsmittel ohne Schaden temporär widerstehen muss.
Die Überspannungskategorie,
die ein Betriebsmittel erfüllen muss,
ist abhängig vom Einbauort in der Anlage.

Je näher ein Betriebsmittel an der Gebäudeeinspeisung errichtet wird,
desto höher ist die erforderliche Überspannungskategorie bzw.
die Bemessungsstehstoßspannung für das Betriebsmittel,
siehe die Tabellen unten.

 

Höchste Dauerspannung Uc in Abhängigkeit des Systems nach Art der Erdverbindung.

Kombination von SPDs mit weiteren Schutzeinrichtungen
Gemeinsame Errichtung mit Überstromschutzeinrichtungen

SPDs müssen gegen Kurzschlussströme durch
Überstromschutzeinrichtungen geschützt werden.

Dies können integrierte oder externe Überstromschutzeinrichtungen sein,
siehe Bild unten.

 

Gemeinsame Errichtung mit RCDs

Die Kombination von SPDs mit RCDs muss unter dem Aspekt der
Verfügbarkeit der Stromversorgung auch nach einer SPD
bei einer Überspannung betrachtet werden.

Es ist deshalb wichtig,
die Koordinierung dieser Schutzeinrichtungen bei der Planung zu bewerten.

Die Errichtung einer ÜSE nach einem RCD
führt in der Regel bei Überspannungen auch zur Auslösung des RCD.
Damit ist die Verfügbarkeit der Stromversorgung nicht gewährleistet.

Die Verwendung eines SPD Typ 1 wird nicht empfohlen.
Die Errichtung eines SPD Typ 2 auf der Lastseite des RCD ist erlaubt,
wenn bereits auf der Versorgungsseite des RCD ein SPD vom Typ 2 errichtet ist oder, wenn entsprechende Überspannungen von der Lastseite des RCD möglich sind.

Wird eine ÜSE nur zum Schutz bei Überspannung durch Schalthandlungen benötigt,
so können ÜSE auch nach einem RCD errichtet werden,
wenn ein zeitverzögerter RCD der Bauart S entsprechend DIN EN 61008-1
(VDE 0664-10) oder DIN EN 61009-1 (VDE 0664-20)  verwendet wird, oder
der RCD eine Stoßstromfestigkeit von 3 kA 8/20 aufweist,
siehe Bild unten.

Mögliche ÜSE-Konfiguration nach einem RCD.

Fehlerschutz

Der Fehlerschutz der zu Schützenden Anlage
muss auch bei defekten
Überspannungsschutzeinrichtungen (SPDs) gewährleistet sein.

Die Tabelle unten stellt die Alternativen
für die Errichtung von SPDs in Abhängigkeit vom System nach
Art der Erdverbindung dar.

 

 

Maximale Leitungslängen

Die Länge der Anschlussleitungen beeinflusst erheblich
den tatsächlich wirksamen Schutzpegel in der Anlage.

Die Verbindungsleitungen von den Verteilerstromschienen zur ÜSE
zuzüglich der Verbindung zwischen dem SPD und
der Haupterdungsschiene dürfen in der Summe nicht länger als 0,5 m sein
(a + b < 0,5 m zwischen den Anschlusspunkten A und B),
siehe Bild unten.

 

Wird die Gesamtleitungslänge überschritten,
müssen sowohl die Verbindung von
der Überstromschutzeinrichtung als auch die
Schienenverteilung gemeinsam direkt an den SPD angeschlossen werden,
siehe Bild unten.

 

Bei dieser Errichtungsform
darf die Verbindungsleitung (c)
von dem SPD bis zur Haupterdungsschiene nicht
länger als 1 m sein.

 

Querschnitt der Anschlussleitungen

Die Verbindungsleitungen zu der ÜSE müssen einen
Querschnitt von Cu > 4 qmm haben.

Sind die Querschnitte der dazugehörigen Außenleiter > 4 qmm,
so müssen auch die Verbindungsleitungen zur ÜSE
den entsprechenden Querschnitt aufweisen.

Anschlussschemata von SPDs

Die Anhänge der Norm DIN VDE 0100-534
enthalten Schaltungsbeispiele mit SPDs in Abhängigkeit
der Systeme nach Art ihrer Erdverbindungen.

TN-System – Anschlussschema A

In einem TN-System muss das erste SPD vom
Typ 1 in der Nähe der Versorgung,
in der Regel nach dem Hausanschlusskasten, errichtet werden.

Dabei ist der Sternpunkt
der drei ÜSE mit dem Schutzleiter und
der Haupterdungsschiene zu verbinden,
siehe Bild unten.

TT-System – Anschlussschema C

In einem TT-System muss die erste ÜSE vom Typ 1
in der Nähe der Versorgung,
in der Regel nach dem Hausanschlusskasten, errichtet werden.

Dabei ist der Sternpunkt der drei SPDs mit dem Neutralleiter zu verbinden.

Über ein weiteres SPD ist der Sternpunkt mit der Haupterdungsschiene zu verbinden, siehe Bild unten.

Empfindliche Betriebsmittel

Überspannungsschutzeinrichtungen für empfindliche Betriebsmittel
sollten so nah wie möglich an den Betriebsmitteln errichtet werden.

Solche zusätzlichen Überspannungsschutzeinrichtungen
müssen in Abhängigkeit der vorgeschalteten
Überspannungsschutzeinrichtung (ÜSE) projektiert werden.

Wird eine ÜSE vom Typ 2 auf der Versorgungsseite errichtet,
darf auch auf der Lastseite eine ÜSE vom Typ 2 vorgesehen werden,
siehe Bild unten.

ÜSE vom Typ 3 zum Schutz von empfindlichen Betriebsmitteln
sind von diesen Regeln ausgenommen und
dürfen immer nach RCDs errichtet werden.

Statusanzeige

ÜSE müssen anzeigen,
wenn sie nach einer Auslösung keinen Schutz bei
Überspannungen mehr bieten.

Prüfungen in Anlagen mit ÜSE (Überspannungsschutz)

Nach der Errichtung einer Anlage muss entsprechend
DIN VDE 0100-600 eine
Isolationswiderstandsmessung durchgeführt werden,
siehe Tabelle unten.

Können ÜSE durch die Prüfspannung beeinflusst oder
beschädigt werden,
müssen sie für die Prüfung entfernt bzw. abgeklemmt werden.

Sind ÜSE vom Typ 3 in Steckdosen eingebaut,
darf die Messgleichspannung
auf 250 V abgesenkt werden.

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