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Überspannungsschutz und Anschlusstechnik

LED-Beleuchtungssysteme werden zum Dauerbrenner

15. Januar 2020, 14:58 Uhr   |  Alexa Broer

LED-Beleuchtungssysteme werden zum Dauerbrenner
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Vorteile der LED-Technik sind Energieeffizienz und Langlebigkeit. Jedoch reagieren deren Elektronik-Komponenten sensibel auf Überspannungen. Ein Schutzkonzept hilft, frühzeitigen Ausfall zu vermeiden. Kompakte und zeitsparende Anschlusstechnik sorgt für eine günstige und effiziente Installation.

LED-Beleuchtung ist immer auf Energieeffizienz ausgelegt. Daher werden elektronische Komponenten verwendet, die mit möglichst geringen Verlusten elektrische Energie in Licht umwandeln. Aufgrund niedrigerer Störfestigkeit reagieren diese Komponenten besonders sensibel auf Störimpulse. Da die unerwarteten Störimpulse häufig größer sind als es die Spannungsfestigkeit der Bauteile erlaubt, werden die Bauelemente bei Belastung vorgeschädigt oder sogar ganz zerstört.

LED-Beleuchtung braucht Überspannungsschutz

Grund für Störimpulse sind die im Netz auftretenden Stoßströme und Überspannungen, die als Folge von direkten und indirekten Blitzeinschlägen entstehen. Transiente Überspannungen aufgrund von Schaltvorgängen im Versorgungsnetz sind eine weitere Ursache. Blitzeinwirkungen sind in manchen Regionen zwar selten, können aber aufgrund ihres hohen Energiegehalts die LED-Beleuchtung zerstören. Überspannungen entstehen dabei zum einen durch direkte Blitzeinschläge in die Leuchte oder in die Überlandleitung. Zum anderen als Folge von indirekten Blitzeinwirkungen durch Erdrückkopplung oder durch induktive Einkopplung in der Applikation.

Beim direkten Blitzeinschlag – beispielsweise in die LED-Straßenleuchte oder in ein Gebäude – kann im schlimmsten Fall die gesamte LED-Beleuchtung ausfallen, da die Leuchten über das Versorgungsnetz miteinander verbunden sind. Ohne passende Schutzeinrichtungen kann sich der Blitzstrom schnell in der gesamten Installation verteilen und hohe Schäden anrichten. Zudem erzeugen die Blitzeinschläge am Einschlagsort Spannungserhöhungen von mehreren tausend Volt. Schlägt ein Blitz etwa in ein Gebäude mit einem äußeren Blitzschutz ein, oder auch in einen Baum in der Umgebung, wird das Erdpotential angehoben. Dadurch entsteht eine hohe Potentialdifferenz zu den geerdeten Teilen, die einige tausend Volt betragen kann. Dies übersteigt die Spannungsfestigkeit von LED-Komponenten und führt zu Isolationsüberschlägen in der Installation oder in den eingebauten elektronischen Komponenten.

Überspannung in der Versorgungsleitung

Ein anderes physikalisches Phänomen ist die Einkopplung von Überspannungen durch den Blitzstromfluss im Erdreich oder über ein äußeres Blitzschutzsystem. So erzeugt beispielsweise der Stromfluss in den Ableitungen des äußeren Blitzschutzsystems ein elektromagnetisches Feld um sich herum, das wiederum Überspannungen in die parallel verlaufende Versorgungsleitung induziert.

Eine andere Ursache für die häufigen Überspannungen sind Schaltvorgänge im Verteilnetz. Diese können bis zu mehreren Kilovolt betragen und beispielsweise durch Ein- und Ausschaltvorgänge von nahegelegenen elektrischen Ausrüstungen, durch Erd- und Kurzschlüsse sowie durch Auslösen einer Sicherung entstehen. Dabei können die Überspannungen die funktionsfähige LED-Beleuchtung vorschädigen und dadurch die Lebensdauer der Leuchte deutlich reduzieren.

Wer derartige Ausfälle durch Störimpulse vermeiden möchte, kommt auch bei der LED-Beleuchtung an einem umfassenden Überspannungsschutzkonzept nicht vorbei. Denn die Folgen von Ausfällen der LED-Beleuchtung können je nach Standort mitunter dramatisch sein.

Mehrstufiges Blitzstrom- und Überspannungsschutz-Konzept

LED-Beleuchtung ist grundsätzlich für eine lange Nutzungsdauer ausgelegt – auch zum Schutz der hohen Investition. Ein mehrstufiges Blitzstrom- und Überspannungsschutz-Konzept, etwa für ein Straßenbeleuchtungs- oder Hallenbeleuchtungssystem auf LED-Basis, konzentriert sich auf drei Installationsorte: direkt oder in der Nähe der LED-Beleuchtung sowie in den Kabelverteilern der Einspeisung (Bild 1).

Bild 1. Mögliche Einsatzorte für den Überspannungsschutz in einer Hallenbeleuchtung: Für ein mehrstufiges Überspannungsschutz-Konzept hält Phoenix Contact alle Komponenten bereit. (Bilder: Phoenix Contact)
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Bild 1. Mögliche Einsatzorte für den Überspannungsschutz in einer Hallenbeleuchtung: Für ein mehrstufiges Überspannungsschutz-Konzept hält Phoenix Contact alle Komponenten bereit. (Bilder: Phoenix Contact)

Mithilfe eines Typ-2-Überspannungsschutzgerätes werden die elektronischen Komponenten direkt in der Leuchte oder in der Nähe der LED-Beleuchtung vor Überspannungen geschützt. Für die LED-Beleuchtung sind Schutzklassen I und II vorgesehen. Der Unterschied liegt darin, dass die Leuchte der Schutzklasse I mit dem Schutzleiter ausgeführt und angeschlossen ist. Die Leuchte der Schutzklasse II hat zwar keinen Schutzleiter, beinhaltet aber Komponenten mit doppelter oder verstärkter Isolation.

Leuchte wird bei Überlast ausgeschaltet

Für beide Schutzklassen und Installationsorte bietet Phoenix Contact Überspannungsschutzgeräte aus der Produktfamilie Blocktrab. Mit ihrer kompakten Bauform lassen sie sich in die bestehende Installation integrieren. Zusätzlich bieten sie dem Anwender Flexibilität bei der Verdrahtung. Das gilt nicht nur für die Schraubklemme mit ihrem breiten Anschlussbereich von 0,2 bis 4 mm², sondern auch in Bezug auf unterschiedliche Verdrahtungsarten – für die serielle Verdrahtung genauso wie für die parallele Stich-Verdrahtung. Damit können Leuchten-Hersteller und Installateure bei Neuinstallation und Nachrüstung von Leuchten bequem Kabellängen, -querschnitte und -farben bestimmen.

Durch die verstärkte Isolierung ist der Einsatz der Schutzgeräte in LED-Anwendungen der Schutzklasse II ohne weiteres möglich. Für geerdete Systeme steht ein Schutzgerät mit Schutzleiter-Anschluss zur Verfügung. Der Zustand der beiden Schutzgeräte wird direkt am Gerät signalisiert: Am Gerät zeigt eine optische Anzeige den Funktionsstatus ohne Spannung und ohne Energieverbrauch. Zusätzlich ist eine Option für die Signalisierung über den L‘-Anschluss im Gerät implementiert. Dadurch kann die Signalisierung an die Lampe übertragen werden. Hat die Abtrennvorrichtung des Überspannungsschutzes aufgrund einer Überlastung ausgelöst, ist die Leuchte in diesem Fall ebenfalls vom Netz getrennt. Das erleichtert natürlich die routinemäßige Überprüfung der Überspannungsschutzgeräte (Bild 2).

Bild 2. Über den L`-Anschluss wird die Signalisierung an die Lampe übertragen: Hat die Abtrennvorrichtung des Überspannungsschutzes (SPD) aufgrund einer Überlastung ausgelöst, wird die Leuchte galvanisch vom Netz getrennt und somit vor weiteren Übers
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Bild 2. Über den L`-Anschluss wird die Signalisierung an die Lampe übertragen: Hat die Abtrennvorrichtung des Überspannungsschutzes (SPD) aufgrund einer Überlastung ausgelöst, wird die Leuchte galvanisch vom Netz getrennt und somit vor weiteren Überspannungen geschützt.

Mit einem niedrigeren Schutzpegel sind die Schutzgeräte (bei (L-N) < 1,3 kV) für typische LED-Anwendungen ausgelegt. Nur wenn der Schutzpegel des Überspannungsschutzgerätes unterhalb der Stoßspannungsfestigkeit der Leuchtmittel und des LED-Treibers liegt, besteht die Schutzwirkung. Vor dem Fehlerstrom-Schutzschalter (dem FI-Schutzschalter) kann das Überspannungsschutzgerät für die Schutzklasse I im TT-Netz eingesetzt werden.

Die Überspannungsschutzgeräte aus der Blocktrab-Familie wurden von der Dekra auf Qualität und Sicherheit überprüft sowie nach der aktuellen Norm IEC/EN 61643-11 durch die KEMA-Zulassung zertifiziert. Anwender profitieren von der erhöhten Sicherheit.

Für den Schutz in den Stromkreisverteilern sind Kombi-Ableiter aus Typ 1 und Typ 2 zu empfehlen – etwa aus der Produktfamilie Valvetrab. Die Ableiter schützen vor direktem Blitzeinschlag und transienter Überspannung, die durch indirekte Auswirkungen eines Blitzes oder durch Schaltvorgänge entstehen. Alle speisenden LED-Leuchten sind gegen direkte und indirekte Blitzbeeinflussungen aus dem Verteilnetz geschützt.

Anschlusstechnik für interne Verdrahtung

Im Inneren einer Leuchte werden verschiedene Elemente, wie Treiber und Module sowie der Überspannungsschutz zusammen geschaltet. Dabei kommen meist Komponenten unterschiedlicher Hersteller zum Einsatz. Für eine effiziente Verdrahtung eignen sich gängige Steckverbinder.

So gilt für die Steckverbinder die internationale Norm IEC 61984 »Steckverbinder – Sicherheitsanforderungen und Prüfungen«. Die Norm gilt für Bemessungsströme bis 500 A je Kontakt sowie für Steckverbinder zwischen 50 und 1.000 V Wechsel- und Gleichspannung. Innerhalb dieser Norm sind Prüfprogramme und Vorgaben definiert, die von den Herstellern eingehalten werden. Bei Steckverbindern mit Zertifizierung werden die Vorgaben noch durch unabhängige Institute überprüft und erst nach den bestandenen Tests bestätigt.

Kosten für die Zertifizierungen übernehmen in der Regel die Hersteller der Steckverbinder. Die Hersteller stellen dem Prüfinstitut auch die Steckverbinder aus der Serie für die Tests zur Verfügung. Hierbei gibt das Prüfinstitut vor, welche Polzahl und welche Varianten der Steckerserie für die Prüfungen und Beurteilungen zur Verfügung gestellt werden sollen. Es gibt Steckerbauformen in unterschiedlichen Größen für »wire to wire«- oder auch »wire to board«-Verbindungen (Bild 3).     sd

Bild 3. Leiterplattensteckverbinder mit werkzeuglosem und zeitsparendem Push-in- Anschluss: Die definierte Kontaktkraft sorgt für die langzeitstabile Kontaktierung der „wire to wire“-Verbindung.
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Bild 3. Leiterplattensteckverbinder mit werkzeuglosem und zeitsparendem Push-in- Anschluss: Die definierte Kontaktkraft sorgt für die langzeitstabile Kontaktierung der „wire to wire“-Verbindung.

Alexa Broer studierte „Regenerative Energietechnik“ an der Hochschule für Technik und Wirtschaft in Berlin. Nach mehrjähriger Tätigkeit in der Photovoltaikbranche kam sie 2013 zu Phoenix Contact. Seit 2014 ist sie im Produktmarketing des Bereichs Übe
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Alexa Broer studierte Regenerative Energietechnik an der Hochschule für Technik und Wirtschaft in Berlin. Nach mehrjähriger Tätigkeit in der Photovoltaikbranche kam sie 2013 zu Phoenix Contact. Seit 2014 ist sie im Produktmarketing des Bereichs Überspannungsschutz für Stromversorgungssysteme tätig.

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