Überspannungen berücksichtigen Einmal geblitzt, immer geschützt

Bild 1: Anwenderschutz: Ein Durchschlagen der Überspannung auf die Sekundärseite wird vermieden.
Bild 1: Anwenderschutz: Ein Durchschlagen der Überspannung auf die Sekundärseite wird vermieden.

Überspannungen bedingen Ausfälle in der Stromversorgung und können die Sicherheit und Zuverlässigkeit von Maschinen und Systemen bedrohen. Deshalb ist es wichtig, bei der Wahl der Stromversorgung auf ausreichend Schutz zu achten.

Schukat erklärt, worauf es hier für Applikationen der Überspannungskategorie III ankommt.

Jedes Jahr entladen sich etwa 500.000 Blitze über Deutschland und machen Gewitter zu einem faszinierenden Naturschauspiel. Eine Faszination, die jedoch schnell nachlässt, wenn man nach einem Blitzschlag plötzlich im Dunkeln steht. Weder die Beleuchtung noch andere elektrische Betriebsmittel weisen dann als Folge der Überspannung im Niederspannungsnetz eine Funktion auf. Auch wenn die Auswirkungen einer Überspannung durch die elektrostatische Entladung des Blitzes in der Regel am verheerendsten sind, stellt nicht nur diese ein Problem und eine Gefahr für elektrische Betriebsmittel dar. Auch durch andere Ursachen hervorgerufene transiente Überspannungen, also sehr kurzzeitig auftretende Überspannungen über das Niederspannungsnetz, begleiten uns kontinuierlich und sind praktisch unvermeidbar. Diese Störungen dauern nur einige Mikrosekunden bis wenige Millisekunden an. Sie können sehr klein sein und deshalb gänzlich unbemerkt bleiben oder aber hoch energetisch ausfallen. Dann beeinflussen oder zerstören sie möglicherweise die Geräte, die an das Versorgungsnetz angeschlossen sind, und stellen im Ernstfall ein Sicherheitsrisiko dar. 

Ursachen für Überspannungen

Zu den Ursachen für Überspannungen im Niederspannungsnetz zählen neben dem Blitzschlag auch Fehler im Versorgungsnetz, defekte elektrische Betriebsmittel in der Installation, das Abschalten von induktiven Verbrauchern wie etwa Motoren sowie das Zuschalten von mitunter großen Verbrauchern. Ob es sich um eher harmlose Störungen handelt, die durch das Abschalten kleiner Lasten im Eigenheim entstehen, oder um das Schalten sehr großer Verbraucher direkt beim Energieversorger – der Energiegehalt der potenziell daraus resultierenden Überspannungen im Stromnetz kann sehr unterschiedlich sein. Durch die zunehmende Automation verschärft sich die Sensibilität des Themas zusätzlich. Denn potenzielle Störer wie regelbare Antriebe und Motoren sowie hochempfindliche Steuerungen kommen verstärkt in immer komplexeren Elektroinstallationen zum Einsatz. 

Werden zu erwartende Überspannungen bei der Auswahl einer Stromversorgung nicht ausreichend berücksichtigt oder der Bedarf eines zusätzlichen Überspannungsschutzes ignoriert, kann es zu einem Ausfall der Komponente kommen. Ein sehr hoher Anteil an Ausfällen im Feld ist auf Überspannungen zurückzuführen. Denn die Zuverlässigkeit von Maschinen und Systemen hängt stark von der Fähigkeit der Stromversorgung ab, diesen Überspannungen standzuhalten. Wie robust und sicher eine Stromversorgung gegenüber kurzzeitigen Überspannungen tatsächlich ist, darüber geben standardisierte Surge-Test-Verfahren sowie die Angabe der Überspannungskategorie in der technischen Dokumentation der Produkte Auskunft.

Die Überspannungskategorie definieren

Für Betriebsmittel, die vom Niederspannungsnetz gespeist werden, gibt es das Schema der Überspannungskategorien: In vier Stufen definiert es für jede Kategorie eine Impulsfestigkeit gegen unterschiedlich hohe Überspannungen. Dabei besteht das wichtigste Ziel darin, den Schutz des Anwenders zu gewährleisten. Demnach ist ein Durchschlagen der Überspannung auf die Sekundärseite des Netzteils (Bild 1) und das damit verbundene Sicherheitsrisiko zwingend zu vermeiden. 
In ihrer Auslegung hängt die Impulsfestigkeit stets von der Applikation ab. Sie wird nach dem Konzept der Überspannungskategorien über den Einbauort des Geräts innerhalb der Installation bestimmt (Bild 2). Grundsätzlich gilt: Je näher sich das Betriebsmittel am Punkt der Einspeisung des Niederspannungsnetzes befindet, desto höher ist die zu berücksichtigende Überspannungskategorie. Hier liegt die Annahme zugrunde, dass eine Überspannung am Einspeisepunkt voraussichtlich energetischer sein wird als am Ende einer Installationskette und sich über diese hinweg abschwächt.

Beschreibung nach Art der Anwendung

Welche Überspannungskategorie berücksichtigt werden muss, lässt sich auch nach der Art der Anwendung festlegen. Als Geräte der Überspannungskategorie I (OVC I) sind solche definiert, die an Stromkreise angeschlossen werden, in denen bereits Vorkehrungen zur Begrenzung möglicher Überspannungen unterhalb des definierten Pegels getroffen wurden. Dazu zählt zum Beispiel IT-Equipment wie ein Laptop mit vorgeschaltetem Tischnetzteil. OVC-I-Geräte lassen sich nicht direkt ans Niederspannungsnetz anschließen.

Zur Überspannungskategorie II (OVC II) zählen Geräte, die einen Stecker besitzen und über eine feste Installation wie eine Netzsteckdose gespeist werden, etwa weiße Ware und Konsumelektronik. Geräte in festen Installationen umfasst die Überspannungskategorie III (OVC III), hier geht es etwa um Geräte in der Hausverteilung. Dazu zählen beispielsweise Netzteile im Schaltschrank für die Gebäudeautomation. Geräte der Überspannungskategorie IV (OVC IV) befinden sich direkt am Anschlusspunkt des Niederspannungsnetzes, wie etwa Smart Meter („intelligente“ Zähler).

All diese Punkte sind in der Norm IEC/EN 60664-1 zur Festlegung der Isolationskoordination für Betriebsmittel in Niederspannungsanlagen definiert. Am 230-Volt-Netz ergibt sich (laut Tabelle 1) eine zu berücksichtigende Überspannungsfestigkeit von 2500 V bei OVC II sowie 4000 V bei OVC III. Diese Werte beziehen sich auf Produkte mit Basisisolierung und einer Betriebshöhe von maximal 2000 Metern. Für Produkte mit doppelter oder verstärkter Isolierung ist der nächsthöhere Wert zu berücksichtigen.