Überspannungsschutzgeräte werden für Stromversorgungsnetze, Telefonnetze sowie Kommunikations- und automatische Steuerbusse verwendet.

2.4 Das Überspannungsschutzgerät (SPD)

Das Überspannungsschutzgerät (SPD) ist Bestandteil des elektrischen Installationsschutzsystems.

Dieses Gerät ist parallel an den Stromversorgungskreis der zu schützenden Lasten angeschlossen (siehe Abb. J17). Es kann auch auf allen Ebenen des Stromversorgungsnetzes verwendet werden.

Dies ist die am häufigsten verwendete und effizienteste Art des Überspannungsschutzes.

Prinzip

SPD wurde entwickelt, um transiente Überspannungen atmosphärischen Ursprungs zu begrenzen und Stromwellen zur Erde umzuleiten, um die Amplitude dieser Überspannung auf einen Wert zu begrenzen, der für die elektrische Installation sowie die elektrische Schaltanlage und das Vorschaltgerät nicht gefährlich ist.

SPD eliminiert Überspannungen:

• im Gleichtakt zwischen Phase und Neutralleiter oder Erde;
• im Differentialmodus zwischen Phase und Neutralleiter. Bei einer Überspannung, die die Betriebsschwelle überschreitet, wird die SPD
• leitet die Energie im gemeinsamen Modus zur Erde;
• verteilt die Energie im Differentialmodus auf die anderen stromführenden Leiter.

Die drei Arten von SPD:

• Typ 1 SPD

Die SPD Typ 1 wird im speziellen Fall von Dienstleistungs- und Industriegebäuden empfohlen, die durch ein Blitzschutzsystem oder einen vermaschten Käfig geschützt sind. Es schützt elektrische Anlagen vor direkten Blitzeinschlägen. Es kann den Gegenstrom von Blitzen entladen, die sich vom Erdleiter zu den Netzwerkleitern ausbreiten.

Typ 1 SPD ist durch eine Stromwelle von 10/350 μs gekennzeichnet.

• Typ 2 SPD

Das SPD Typ 2 ist das Hauptschutzsystem für alle elektrischen Niederspannungsinstallationen. In jeder elektrischen Schalttafel installiert, verhindert es die Ausbreitung von Überspannungen in den elektrischen Anlagen und schützt die Lasten.

Typ 2 SPD ist durch eine Stromwelle von 8/20 μs gekennzeichnet.

• Typ 3 SPD

Diese SPDs haben eine geringe Entladekapazität. Sie müssen daher zwingend als Ergänzung zur Typ 2 SPD und in der Nähe empfindlicher Lasten installiert werden. Typ 3 SPD ist durch eine Kombination von Spannungswellen (1.2 / 50 μs) und Stromwellen (8/20 μs) gekennzeichnet.

Normative SPD-Definition

2.4.1 Eigenschaften der SPD

Die internationale Norm IEC 61643-11 Edition 1.0 (03/2011) definiert die Eigenschaften und Prüfungen für SPD, die an Niederspannungsverteilungssysteme angeschlossen sind (siehe Abb. J19).

• Gemeinsamkeiten

- U._c: Maximale Dauerbetriebsspannung

Dies ist die AC- oder DC-Spannung, über der die SPD aktiv wird. Dieser Wert wird entsprechend der Nennspannung und der Systemerdungsanordnung gewählt.

- U._p: Spannungsschutzstufe (bei I._n)

Dies ist die maximale Spannung an den Klemmen der SPD, wenn diese aktiv ist. Diese Spannung ist erreicht, wenn der in der SPD fließende Strom gleich I ist_n. Das gewählte Spannungsschutzniveau muss unter der Überspannungsfestigkeit der Lasten liegen (siehe Abschnitt 3.2). Bei Blitzschlägen bleibt die Spannung an den Klemmen der SPD in der Regel kleiner als U._p.

- Ich_n: Nennentladestrom

Dies ist der Spitzenwert eines Stroms mit einer Wellenform von 8/20 μs, den die SPD 15-mal entladen kann.

• Typ 1 SPD

- Ich_Kobold: Impuls aktuell

Dies ist der Spitzenwert eines Stroms mit einer Wellenform von 10/350 μs, den die SPD 5-mal entladen kann.

- Ich_fi: Autoextinguish Follow Current

Gilt nur für die Funkenstreckentechnologie.

Dies ist der Strom (50 Hz), den die SPD nach einem Überschlag von selbst unterbrechen kann. Dieser Strom muss immer größer sein als der voraussichtliche Kurzschlussstrom am Installationsort.

• Typ 2 SPD

- Ich_max: Maximaler Entladestrom

Dies ist der Spitzenwert eines Stroms von 8/20 μs Wellenform, den das SPD einmal entladen kann.

• Typ 3 SPD

- U._oc: Leerlaufspannung, die während Tests der Klasse III (Typ 3) angelegt wird.

2.4.2 Hauptanwendungen

• Niederspannungs-SPD

Mit diesem Begriff werden sowohl aus technologischer als auch aus benutzerbezogener Sicht sehr unterschiedliche Geräte bezeichnet. Niederspannungs-SPDs sind modular aufgebaut und können problemlos in LV-Schalttafeln installiert werden. Es gibt auch SPDs, die an Steckdosen angepasst werden können, aber diese Geräte haben eine geringe Entladekapazität.

• SPD für Kommunikationsnetze

Diese Geräte schützen Telefonnetzwerke, Vermittlungsnetze und automatische Steuerungsnetze (Bus) vor Überspannungen von außen (Blitzschlag) und internen Netzspannungsnetzen (umweltschädliche Geräte, Schaltanlagenbetrieb usw.).

Solche SPDs werden auch in RJ11-, RJ45-,… -Anschlüssen installiert oder in Lasten integriert.

3 Aufbau des elektrischen Installationsschutzsystems

Um eine elektrische Installation in einem Gebäude zu schützen, gelten einfache Regeln für die Auswahl von

• SPD (s);
• Es ist ein Schutzsystem.

3.1 Entwurfsregeln

Bei einem Stromverteilungssystem werden folgende Hauptmerkmale verwendet, um das Blitzschutzsystem zu definieren und eine SPD zum Schutz einer elektrischen Installation in einem Gebäude auszuwählen:

• SPD

- die Menge an SPD;

- Art;

- Belichtungsgrad zur Definition des maximalen Entladestroms I des SPD_max.

• Das Kurzschlussschutzgerät

- maximaler Entladestrom I._max;

- Kurzschlussstrom I._sc zum Zeitpunkt der Installation.

Das Logikdiagramm in Abbildung J20 unten veranschaulicht diese Entwurfsregel.

Die anderen Eigenschaften für die Auswahl einer SPD sind für eine elektrische Installation vordefiniert.

• Anzahl der Pole in der SPD;
• Spannungsschutzstufe U._p;
• Betriebsspannung U._c.

In diesem Unterabschnitt J3 werden die Kriterien für die Auswahl des Schutzsystems anhand der Merkmale der Anlage, der zu schützenden Ausrüstung und der Umgebung ausführlicher beschrieben.

3.2 Elemente des Schutzsystems

Eine SPD muss immer am Ursprung der elektrischen Installation installiert werden.

3.2.1 Ort und Art der SPD

Die Art der SPD, die am Ursprung der Installation installiert werden soll, hängt davon ab, ob ein Blitzschutzsystem vorhanden ist oder nicht. Wenn das Gebäude mit einem Blitzschutzsystem (gemäß IEC 62305) ausgestattet ist, sollte ein SPD Typ 1 installiert werden.

Für SPD, die am eingehenden Ende der Installation installiert werden, legen die IEC 60364-Installationsstandards Mindestwerte für die folgenden 2 Merkmale fest:

• Nennentladestrom I._n = 5 kA (8/20) μs;
• Spannungsschutzstufe U._p (bei mir_n) <2.5 kV.

Die Anzahl der zusätzlich zu installierenden SPDs wird bestimmt durch:

• die Größe des Standorts und die Schwierigkeit, Bondleiter zu installieren. Bei großen Standorten ist es wichtig, eine SPD am eingehenden Ende jedes Unterverteilungsgehäuses zu installieren.
• der Abstand zwischen empfindlichen Lasten, die von der Schutzvorrichtung für das eingehende Ende geschützt werden sollen. Wenn sich die Lasten mehr als 30 Meter vom Eingangsschutzgerät entfernt befinden, muss ein zusätzlicher Feinschutz so nahe wie möglich an empfindlichen Lasten vorgesehen werden. Das Phänomen der Wellenreflexion nimmt ab 10 Metern zu (siehe Kapitel 6.5).
• das Risiko einer Exposition. Im Fall eines sehr exponierten Standorts kann die SPD am eingehenden Ende nicht sowohl einen hohen Blitzstromfluss als auch ein ausreichend niedriges Spannungsschutzniveau gewährleisten. Insbesondere wird eine SPD vom Typ 1 im Allgemeinen von einer SPD vom Typ 2 begleitet.

Die folgende Tabelle in Abbildung J21 zeigt die Menge und den Typ der SPD, die auf der Grundlage der beiden oben definierten Faktoren eingerichtet werden sollen.

3.4 Auswahl einer SPD vom Typ 1

3.4.1 Impulsstrom I._Kobold

• Wo es keine nationalen Vorschriften oder spezifischen Vorschriften für den zu schützenden Gebäudetyp gibt, ist der Impulsstrom I._Kobold muss mindestens 12.5 kA (10/350 μs Welle) pro Zweig gemäß IEC 60364-5-534 betragen.

• Wo Vorschriften existieren: Standard 62305-2 definiert 4 Stufen: I, II, III und IV. Die Tabelle in Abbildung J31 zeigt die verschiedenen Stufen von I._Kobold im regulatorischen Fall.

3.4.2 Autoextinguish folgen Strom I._fi

Diese Eigenschaft gilt nur für SPDs mit Funkenstrecken-Technologie. Das automatische Löschen folgt dem Strom I._fi muss immer größer sein als der voraussichtliche Kurzschlussstrom I._sc zum Zeitpunkt der Installation.

3.5 Auswahl einer SPD vom Typ 2

3.5.1 Maximaler Entladestrom I._max

Der maximale Entladestrom Imax wird gemäß dem geschätzten Expositionsniveau relativ zum Standort des Gebäudes definiert.

Der Wert des maximalen Entladestroms (I._max) wird durch eine Risikoanalyse ermittelt (siehe Tabelle in Abbildung J32).

3.6 Auswahl des externen Kurzschlussschutzgeräts (SCPD)

Die Schutzeinrichtungen (Wärme- und Kurzschluss) müssen mit der SPD abgestimmt sein, um einen zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten, d. H.

• Gewährleistung der Kontinuität des Dienstes:

- Blitzstromwellen standhalten;

- keine übermäßige Restspannung erzeugen.

• Gewährleistung eines wirksamen Schutzes gegen alle Arten von Überstrom:

- Überlastung nach thermischem Durchgehen des Varistors;

- Kurzschluss geringer Intensität (Impedant);

- Kurzschluss hoher Intensität.

3.6.1 Risiken, die am Ende der Lebensdauer der SPDs zu vermeiden sind

• Aufgrund des Alterns

Im Falle eines natürlichen Lebensendes aufgrund von Alterung ist der Schutz vom thermischen Typ. SPD mit Varistoren müssen einen internen Trennschalter haben, der die SPD deaktiviert.

Hinweis: Das Ende der Lebensdauer durch thermisches Durchgehen betrifft nicht die SPD mit Gasentladungsrohr oder eingekapselter Funkenstrecke.

• Aufgrund eines Fehlers

Die Ursachen für das Ende der Lebensdauer aufgrund eines Kurzschlussfehlers sind:

- Maximale Entladekapazität überschritten.

Dieser Fehler führt zu einem starken Kurzschluss.

- Ein Fehler aufgrund des Verteilungssystems (Neutral / Phasenumschaltung, Neutral

Trennung).

- Allmähliche Verschlechterung des Varistors.

Die beiden letztgenannten Fehler führen zu einem Impedanzkurzschluss.

Die Installation muss vor Schäden durch diese Art von Fehlern geschützt werden: Der oben definierte interne (thermische) Trennschalter hat keine Zeit zum Aufwärmen und damit zum Betrieb.

Es sollte ein spezielles Gerät namens „externes Kurzschlussschutzgerät (externes SCPD)“ installiert werden, mit dem der Kurzschluss beseitigt werden kann. Es kann durch einen Leistungsschalter oder eine Sicherungsvorrichtung implementiert werden.

3.6.2 Eigenschaften des externen SCPD (Kurzschlussschutzgerät)

Das externe SCPD sollte mit der SPD koordiniert werden. Es wurde entwickelt, um die folgenden zwei Einschränkungen zu erfüllen:

Blitzstrom standhalten

Die Blitzstromfestigkeit ist ein wesentliches Merkmal des externen Kurzschlussschutzgeräts der SPD.

Das externe SCPD darf nicht bei 15 aufeinanderfolgenden Impulsströmen bei I auslösen_n.

Kurzschlussstromfestigkeit

• Das Schaltvermögen wird durch die Installationsregeln (Norm IEC 60364) bestimmt:

Das externe SCPD sollte am Installationspunkt eine Unterbrechungskapazität aufweisen, die gleich oder größer als der voraussichtliche Kurzschlussstrom Isc ist (gemäß der Norm IEC 60364).

• Schutz der Anlage vor Kurzschlüssen

Insbesondere der Impedanzkurzschluss verbraucht viel Energie und sollte sehr schnell beseitigt werden, um Schäden an der Anlage und an der SPD zu vermeiden.

Die richtige Zuordnung zwischen einer SPD und ihrer externen SCPD muss vom Hersteller angegeben werden.

3.6.3 Installationsmodus für das externe SCPD

• Gerät "in Serie"

Das SCPD wird als „in Reihe“ beschrieben (siehe Abb. J33), wenn der Schutz von der allgemeinen Schutzeinrichtung des zu schützenden Netzwerks ausgeführt wird (z. B. einem Leistungsschalter vor einer Installation).

• Gerät "parallel"

Die SCPD wird als „parallel“ beschrieben (siehe Abb. J34), wenn der Schutz speziell von einem der SPD zugeordneten Schutzgerät ausgeführt wird.

• Das externe SCPD wird als "Trennschalter" bezeichnet, wenn die Funktion von einem Leistungsschalter ausgeführt wird.
• Der Trennschalter kann in die SPD integriert sein oder nicht.

Hinweis: Bei einer SPD mit Gasentladungsröhre oder eingekapselter Funkenstrecke ermöglicht die SCPD, dass der Strom unmittelbar nach dem Gebrauch unterbrochen wird.

Hinweis: Fehlerstromschutzgeräte vom Typ S, die den Normen IEC 61008 oder IEC 61009-1 entsprechen, erfüllen diese Anforderung.

3.7.1 Koordination mit vorgeschalteten Schutzeinrichtungen

Koordination mit Überstromschutzgeräten

In einer elektrischen Installation ist das externe SCPD ein Gerät, das mit dem Schutzgerät identisch ist: Dies ermöglicht die Anwendung von Diskriminierungs- und Kaskadentechniken zur technischen und wirtschaftlichen Optimierung des Schutzplans.

Koordination mit Fehlerstromschutzschaltern

Wenn das SPD hinter einem Erdschlussschutzgerät installiert ist, sollte dieses vom Typ „si“ oder selektiv sein und eine Immunität gegen Impulsströme von mindestens 3 kA (8/20 μs Stromwelle) aufweisen.

4 Installation von SPDs

Die Anschlüsse einer SPD an die Lasten sollten so kurz wie möglich sein, um den Wert der Spannungsschutzstufe (oben installiert) an den Klemmen der geschützten Geräte zu verringern. Die Gesamtlänge der SPD-Verbindungen zum Netzwerk und zum Erdungsklemmenblock sollte 50 cm nicht überschreiten.

4.1-Verbindung

Eine der wesentlichen Eigenschaften für den Schutz von Geräten ist die maximale Spannungsschutzstufe (installiert U._p) dass das Gerät an seinen Klemmen standhalten kann. Dementsprechend sollte eine SPD mit einer Spannungsschutzstufe U gewählt werden_p angepasst an den Schutz des Geräts (siehe Abb. J38). Die Gesamtlänge der Verbindungsleiter beträgt

L = L1 + L2 + L3.

Für hochfrequente Ströme beträgt die Impedanz pro Längeneinheit dieser Verbindung ungefähr 1 μH / m.

Wenden Sie daher das Lenzsche Gesetz auf diesen Zusammenhang an: ∆U = L di / dt

Die normalisierte 8/20 μs Stromwelle mit einer Stromamplitude von 8 kA erzeugt dementsprechend einen Spannungsanstieg von 1000 V pro Meter Kabel.

∆U = 1 x 10^-6 x 8 x 10³ / 8 x 10^-6 = 1000 V

Infolgedessen beträgt die Spannung an den oben installierten Geräteklemmen:

installiert U._p = U._p + U1 + U2

Wenn L1 + L2 + L3 = 50 cm und die Welle 8/20 μs mit einer Amplitude von 8 kA beträgt, beträgt die Spannung an den Geräteklemmen U._p + 500V.

4.1.1 Anschluss im Kunststoffgehäuse

Abbildung J39a unten zeigt, wie eine SPD im Kunststoffgehäuse angeschlossen wird.

4.1.2 Anschluss im Metallgehäuse

Bei einer Schaltanlage in einem Metallgehäuse kann es sinnvoll sein, das SPD direkt an das Metallgehäuse anzuschließen, wobei das Gehäuse als Schutzleiter verwendet wird (siehe Abb. J39b).

Diese Anordnung entspricht der Norm IEC 61439-2, und der Hersteller der MONTAGE muss sicherstellen, dass die Eigenschaften des Gehäuses diese Verwendung ermöglichen.

4.1.3 Leiterquerschnitt

Der empfohlene Mindestleiterquerschnitt berücksichtigt:

• Der normale zu erbringende Service: Fluss der Blitzstromwelle unter einem maximalen Spannungsabfall (50-cm-Regel).

Hinweis: Im Gegensatz zu Anwendungen mit 50 Hz, bei denen das Phänomen des Blitzes hochfrequent ist, verringert die Vergrößerung des Leiterquerschnitts die Hochfrequenzimpedanz nicht wesentlich.

• Die Leiter halten Kurzschlussströmen stand: Der Leiter muss während der maximalen Abschaltzeit des Schutzsystems einem Kurzschlussstrom widerstehen.

IEC 60364 empfiehlt am Eingang der Installation einen Mindestquerschnitt von:

- 4 mm² (Cu) zum Anschluss von SPD Typ 2;

- 16 mm² (Cu) zum Anschluss von SPD Typ 1 (Vorhandensein eines Blitzschutzsystems).

4.2 Verkabelungsregeln

• Regel 1: Die erste einzuhaltende Regel lautet, dass die Länge der SPD-Verbindungen zwischen dem Netzwerk (über das externe SCPD) und dem Erdungsklemmenblock 50 cm nicht überschreiten darf.

Abbildung J40 zeigt die beiden Anschlussmöglichkeiten einer SPD.

• Regel 2: Die Leiter geschützter abgehender Abzweige:

- sollte an die Klemmen des externen SCPD oder der SPD angeschlossen werden;

- sollten physisch von den verschmutzten ankommenden Leitern getrennt werden.

Sie befinden sich rechts von den Klemmen der SPD und der SCPD (siehe Abb. J41).

• Regel 3: Die ankommenden Zuleitungsphasen-, Neutral- und Schutzleiter (PE) sollten nebeneinander verlaufen, um die Schleifenoberfläche zu verringern (siehe Abb. J42).
• Regel 4: Die ankommenden Leiter der SPD sollten von den geschützten abgehenden Leitern entfernt sein, um eine Verschmutzung durch Kopplung zu vermeiden (siehe Abb. J42).
• Regel 5: Die Kabel sollten gegen die Metallteile des Gehäuses (falls vorhanden) gesteckt werden, um die Oberfläche der Rahmenschleife zu minimieren und somit von einer Abschirmwirkung gegen EM-Störungen zu profitieren.

In jedem Fall muss überprüft werden, ob die Rahmen von Schalttafeln und Gehäusen über sehr kurze Verbindungen geerdet sind.

Wenn abgeschirmte Kabel verwendet werden, sollten große Längen vermieden werden, da sie die Effizienz der Abschirmung verringern (siehe Abb. J42).

5 Anwendung

5.1 Installationsbeispiele

Lösungen und schematische Darstellung

• Die Auswahlhilfe für Überspannungsableiter hat es ermöglicht, den genauen Wert des Überspannungsableiters am eingehenden Ende der Installation und den des zugehörigen Trennschalters zu bestimmen.
• Da die empfindlichen Geräte (U._p <1.5 kV) befinden sich mehr als 30 m vom ankommenden Schutzgerät entfernt, die Feinschutz-Überspannungsableiter müssen so nah wie möglich an den Lasten installiert werden.
• Um eine bessere Kontinuität des Betriebs in Kühlräumen zu gewährleisten:

- Fehlerstromschutzschalter vom Typ „si“ werden verwendet, um störende Auslösungen zu vermeiden, die durch den Anstieg des Erdpotentials beim Durchgang der Blitzwelle verursacht werden.

• Zum Schutz vor atmosphärischen Überspannungen:

- Installieren Sie einen Überspannungsableiter in der Hauptschalttafel

- Installieren Sie in jeder Schalttafel (1 und 2) einen Überspannungsableiter mit feinem Schutz, der die empfindlichen Geräte versorgt, die sich mehr als 30 m vom eingehenden Überspannungsableiter entfernt befinden

- Installieren Sie einen Überspannungsableiter im Telekommunikationsnetz, um die mitgelieferten Geräte, z. B. Feuermelder, Modems, Telefone und Faxgeräte, zu schützen.

Verkabelungsempfehlungen

- Stellen Sie die Äquipotentialität der Erdungsanschlüsse des Gebäudes sicher.

- Reduzieren Sie die Bereiche der geschlungenen Stromversorgungskabel.

Installationsempfehlungen

• Installieren Sie einen Überspannungsableiter, Imax = 40 kA (8/20 μs) und einen iC60-Trennschalter mit einer Nennleistung von 20 A.
• Installieren Sie Überspannungsableiter mit feinem Schutz, Imax = 8 kA (8/20 μs) und die zugehörigen iC60-Trennschalter mit einer Nennleistung von 20.