Ein Überspannungsschutzgerät gehört zu den wenigen Komponenten in einer Stromversorgung, von denen erwartet wird, dass sie jahrelang nichts tun und dann in Mikrosekunden einen Blitzimpuls aufnehmen. Das macht es leicht, es wegzulassen, zu klein zu dimensionieren oder so zu installieren, dass es korrekt aussieht, die Last aber ungeschützt bleibt.
Dieser Leitfaden erläutert, was ein SPD leistet, worin sich die Kategorien Typ 1, 2 und 3 unterscheiden, wo welcher Typ hingehört und wie der Überspannungsschutz mit einem UPS und einem Spannungsstabilisator koordiniert wird.
Was ist eine Überspannung?
Eine Überspannung ist ein kurzzeitiger Anstieg der Spannung über den normalen Betriebspegel hinaus. Ursachen können ein Blitzeinschlag, das Schalten einer großen Last, das Schalten von Kondensatorbänken oder ein elektrischer Fehler in der Nähe sein. Die Dauer reicht von Mikrosekunden bei einem Blitzimpuls bis zu Millisekunden bei einer Schalttransiente.
Der Schädigungsmechanismus hängt von der Last ab. Ein Halbleiter kann bei einer hohen Spitzenspannung sofort ausfallen. Ein Netzteil kann durch wiederholte kleinere Überspannungen allmählich altern. Ein Motor kann eine Isolationsbelastung erleiden. Der SPD begrenzt die Spitzenspannung und leitet den Stoßstrom zur Erde ab; er beseitigt die Überspannung nicht und korrigiert auch keine anhaltende Überspannung.
Bei anhaltenden Spannungsproblemen verwenden Sie einen Spannungsstabilisator oder einen automatischen Spannungsregler. Bei einem Stromausfall hilft ein UPS. Der SPD ist die Ebene für Transienten.
Wie funktioniert ein SPD?
Ein SPD ist ein spannungsabhängiges Bauelement, meist ein Metalloxid-Varistor, eine Funkenstrecke oder eine Kombination aus beidem. Bei normaler Spannung weist er eine hohe Impedanz auf und beeinflusst den Stromkreis kaum. Überschreitet die Spannung seine Schwelle, sinkt die Impedanz, und das Gerät leitet den Stoßstrom an der Last vorbei.
Die wichtigsten Bemessungswerte sind die maximale Dauerspannung, der Nennableitstrom, der maximale Ableitstrom, der Spannungsschutzpegel und der Kurzschlussstrom-Bemessungswert. Der Spannungsschutzpegel ist die Restspannung, die die Last während des Stoßes sieht; für empfindliche Geräte ist ein niedrigerer Wert besser, das Gerät muss jedoch weiterhin mit dem vorgeschalteten Schutz koordiniert werden.
Ein SPD hat eine begrenzte Lebensdauer. Jede Überspannung verbraucht einen Teil seiner Aufnahmefähigkeit. Eine Statusanzeige oder ein potentialfreier Kontakt ist kein Luxus, sondern die einzige Möglichkeit festzustellen, ob das Gerät die Last noch schützt.
SPD-Typen 1, 2 und 3
Die Normenreihe IEC 61643 definiert die gängigen SPD-Kategorien. Die genaue Prüfklasse und die erforderlichen Bemessungswerte hängen von der Anlage und den örtlichen Vorschriften ab.
| Typ | Einbauort | Prüfschwerpunkt | Typische Anwendung |
|---|---|---|---|
| Typ 1 | Hauseinführung, stromaufwärts des Hauptschalters | Direkter Blitzstrom | Gebäude mit Blitzschutzanlage oder Freileitungsversorgung |
| Typ 2 | Verteiler | Stoßstrom nach der ersten Stufe | Haupt- und Unterverteiler |
| Typ 3 | Nahe an der Last | Niedrige Restspannung | Empfindliche Geräte, Anschlusskästen, Schaltschränke |
Ein Typ-1-Gerät ist nicht automatisch besser als ein Typ 2. Die richtige Wahl hängt davon ab, ob der Standort über eine Blitzschutzanlage verfügt, ob die Versorgung über Freileitung oder Erdkabel erfolgt und was die örtlichen Vorschriften verlangen. In vielen Projekten werden Typ 1 an der Hauseinführung und Typ 2 im Verteiler gemeinsam eingesetzt.
Wo gehört welcher SPD hin?
Der Einbauort ist ebenso wichtig wie die Bemessung. Eine lange Anschlussleitung erhöht die Induktivität und hebt die Restspannung an der Last an. Der SPD sollte mit kurzen, geraden Leitungen und einem niederimpedanten Erdungsanschluss installiert werden.
| Einbauort | Gerät | Schutzobjekt |
|---|---|---|
| Hauseinführung | Typ 1 oder Typ 2 | Die Anlage und die Hauptverteilung |
| Hauptverteiler | Typ 2 | Unterverteiler und Abgänge |
| Unterverteiler | Typ 2 oder Typ 3 | Lokale Lasten und Schaltschränke |
| UPS-Eingang | Typ 2 stromaufwärts | Gleichrichter und Bypass-Pfad des UPS |
| UPS-Ausgang / kritischer Verteiler | Typ 3 | Server, SPS und empfindliche Elektronik |
| DC-Batteriekreis | DC-geeigneter SPD | Batteriebank und DC-Bus |
Der Eingang und der Ausgang des UPS werden oft als getrennte Schutzzonen behandelt. Ein Stoß am Eingang kann den Gleichrichter beschädigen; ein Stoß am Ausgang kann die Last erreichen, auch wenn das UPS im Batteriebetrieb läuft. Der Einlinienschaltplan sollte beide Zonen zeigen.
SPD, UPS und Stabilisator: unterschiedliche Aufgaben
Diese Geräte werden häufig gemeinsam verkauft, erfüllen aber unterschiedliche Aufgaben. Die folgende Tabelle ist eine Schnellreferenz für die Projektbesprechung.
| Gerät | Hauptfunktion | Reagiert auf | Ersetzt nicht |
|---|---|---|---|
| SPD | Begrenzt transiente Überspannung | Blitz- und Schaltüberspannungen | Spannungsregelung oder Notstromversorgung |
| Stabilisator / AVR | Korrigiert den Effektivwert der Spannung | Anhaltende Über- und Unterspannung | Überspannungsschutz oder Notstromversorgung |
| UPS | Konditioniert die Versorgung und trägt die Last | Stromausfall, Einbruch, Frequenzdrift | Überspannungsschutz an der Hauseinführung |
| Generator | Erzeugt Energie für einen langen Ausfall | Langen Stromausfall | Schutz der Umschaltzeit |
Eine verbreitete Architektur besteht aus einem Typ-1-SPD an der Hauseinführung, einem Servostabilisator für die gesamte Anlage, einem Typ-2-SPD am UPS-Eingang und einem Typ-3-SPD an der kritischen Last. Die Lösungsseite für Überspannungsschutz beschreibt diese Koordination ausführlicher.
Wie koordiniere ich SPDs?
Koordination bedeutet, Geräte so auszuwählen, dass der nachgeschaltete SPD nicht den gesamten Stoß aufnimmt und der vorgeschaltete SPD nicht zu viel Restspannung für das nachgeschaltete Gerät übrig lässt. Dazu wird die Koordinationstabelle des Herstellers oder ein berechneter Ansatz verwendet.
Die praktischen Prüfpunkte sind:
- Der Spannungsschutzpegel des vorgeschalteten Geräts muss niedriger sein als die Stoßspannungsfestigkeit des nachgeschalteten Geräts.
- Die Kabellänge zwischen den Stufen muss ausreichend sein, oder es ist eine Entkopplungsdrossel einzusetzen.
- Die Absicherung oder der Leistungsschalter muss für den Kurzschlussstrom-Bemessungswert des SPD ausgelegt sein.
- Der Erdungsanschluss muss kurz und mit der Gebäudeerdung gemeinsam sein.
Prüfen Sie die Koordination, bevor Sie Geräte verschiedener Hersteller mischen. Zwei SPD, die einzeln korrekt sind, können trotzdem schlecht aufeinander abgestimmt sein.
Blitzschutz, Erdung und Batteriekreis
Eine Blitzschutzanlage und ein SPD-System hängen zusammen, sind aber getrennte Einrichtungen. Die Blitzschutzanlage fängt den Einschlag auf; der SPD begrenzt den Stoß, der in die elektrische Anlage gelangt. Beide benötigen einen niederimpedanten Erdungspfad.
Bei einem UPS kann auch der DC-Batteriekreis Stoßstrom führen. Am Batterieschrank kann ein DC-geeigneter SPD erforderlich sein, insbesondere an Standorten mit hohem Blitzrisiko. Bestätigen Sie die DC-Spannungsbemessung und die Polarität; ein AC-SPD ist für den DC-Bus nicht geeignet.
Die Seiten zur VRLA-Batteriereihe und zur LiFePO4-Batteriereihe beschreiben die Batteriekonfigurationen. Die Reihe Transformatoren und Drosseln ist relevant, wenn das Projekt eine Trennung oder eine Impedanz für die Stoßkoordination benötigt.
Wartung und Inspektion
Ein SPD ist ein Verschleißteil. Die Statusanzeige sollte bei jedem Wartungstermin geprüft und das Steckmodul oder das Gerät ausgetauscht werden, wenn sich die Anzeige ändert. Ein potentialfreier Kontakt kann den Status an das BMS oder an die UPS-Überwachung übermitteln.
Die Inspektion sollte auch die Anschlussleitungen, den Erdungsanschluss und die Absicherung umfassen. Eine lockere Leitung oder ein korrodierter Erdungsanschluss kann die Restspannung erhöhen, auch wenn der SPD selbst in Ordnung ist.
Projekt-Checkliste
Verwenden Sie diese Checkliste, wenn Sie Überspannungsschutz für ein UPS-Projekt spezifizieren.
- Klären Sie, ob der Standort über eine Blitzschutzanlage verfügt und ob die Versorgung über Freileitung oder Erdkabel erfolgt.
- Wählen Sie das Typ-1- oder Typ-2-Gerät für die Hauseinführung.
- Ergänzen Sie ein Typ-2-Gerät im Verteiler, der das UPS und die kritischen Lasten versorgt.
- Ergänzen Sie ein Typ-3-Gerät am kritischen Verteiler, wenn die Last empfindlich ist.
- Prüfen Sie den Spannungsschutzpegel gegen die Stoßspannungsfestigkeit der Last.
- Prüfen Sie den Kurzschlussstrom-Bemessungswert und die Absicherung.
- Bestätigen Sie den Erdungsanschluss und die Leitungslänge.
- Ergänzen Sie bei Bedarf einen DC-geeigneten SPD an der Batteriebank.
- Erfassen Sie Statusanzeige und potentialfreien Kontakt im Wartungsplan.
- Tragen Sie die SPD-Einbauorte in den Einlinienschaltplan ein.
Für die UPS-Seite verwenden Sie den Dimensionierungsrechner und den vollständigen Modellindex. Für ein Rechenzentrum beginnen Sie mit dem UPS-Leitfaden für Rechenzentren; für einen Serverraum nutzen Sie den Serverraum-Leitfaden. Industrieanlagen können mit der Seite für Industrie-UPS oder der Produktfamilie Industrie-UPS beginnen.
Welche Märkte benötigen besondere Aufmerksamkeit?
Blitze und Freileitungsnetze machen Überspannungsschutz in einigen Märkten wichtiger als in anderen. Der Leitfaden für Südafrika, der Leitfaden für die Philippinen und der Leitfaden für Bangladesch beschreiben die lokalen Versorgungsbedingungen und die Unterlagen, die Käufer üblicherweise anfordern.
Für Telekommunikationsstandorte siehe die Lösungsseite Telekommunikation; für Sicherheitsräume siehe Sicherheit und Videoüberwachung; für Gewerbegebäude siehe Gewerbegebäude. Diese Seiten zeigen, wo der SPD im Verhältnis zu UPS, Stabilisator und Verteiler sitzt.
Wie spezifiziere ich einen SPD zusammen mit einem UPS?
Senden Sie den Einlinienschaltplan, die Netzspannung, die UPS-Bemessung, die Batteriekonfiguration, die Empfindlichkeit der Last und das Blitzrisiko am Standort. Das Technikteam kann dann die Anordnung Typ 1/2/3, den Spannungsschutzpegel und die Absicherung vorschlagen.
Für die kaufmännische Checkliste nutzen Sie die Lieferanten- und Angebotsseite, für eine technische Prüfung die Kontaktseite. Die Zertifizierungsseite erläutert die modellspezifischen Dokumente, und die Downloadseite listet das Dokumentenpaket auf.
Überspannungsschutz ist kein einzelnes Gerät. Er ist eine koordinierte Schicht, die an der Hauseinführung beginnt und an der Last endet. Das UPS, der Stabilisator und der SPD erfüllen jeweils eine andere Aufgabe; ein Projekt ist stimmig, wenn die Grenzen zwischen diesen Aufgaben im Einlinienschaltplan eingezeichnet sind.
