Die neue Produktnorm IEC 61643-41 schafft erstmals einen klaren Rahmen für Überspannungsschutzgeräte in Gleichspannungsnetzen, die nicht auf Photovoltaik beschränkt sind. Damit wird eine Lücke im bestehenden Regelwerk geschlossen. Denn Gleichspannungsnetze stellen strengere Anforderungen an den Überspannungsschutz – insbesondere, wenn Produkte das Ende ihres Lebenszyklus erreicht haben.
Überspannungsschutzgeräte (Surge Protection Devices, SPD) schützen Anlagen vor Schäden durch Überspannung. Aufgrund zunehmender Extremwetterereignisse nimmt ihre Bedeutung immer weiter zu. Hinzu kommt, dass in modernen Netzen immer mehr und immer teurere Elektronik zur Steuerung, Messung und Kommunikation eingesetzt wird. Dadurch steigt die Anzahl der zu schützenden Komponenten und somit auch die Kosten.
SPD werden eingesetzt, um Überspannungen, die durch atmosphärische Entladungen wie Blitze, Schalterereignisse oder Erdschlüsse verursacht werden, im Hochspannungsnetz zu begrenzen. Sie sind fast immer inaktiv, aktivieren sich bei Bedarf jedoch innerhalb von Nanosekunden und leiten dann Ströme von mehreren Kiloampere ab. Normalerweise ist der gesamte Arbeitsvorgang eines SPDs in weniger als einer Millisekunde abgeschlossen. Kritisch ist jedoch die Trennung vom Netz am Lebensende. Dann muss der Überspannungsschutz entweder sicher vom Netz getrennt werden oder einen anderen sicheren Zustand einnehmen, um Anwender und Anlagen zu schützen.
DC auf dem Vormarsch – und die Gründe liegen auf der Hand
Gleichspannungsnetze bieten eine Reihe von Vorteilen. Durch ihren geringeren Kabelquerschnitt kann rund die Hälfte an Kupfer eingespart werden. Dadurch reduzieren sich neben den Materialkosten auch das Gewicht der Kabel. In DC-Netzen entfallen außerdem Oberwellen, wie sie in üblichen Dreiphasensystemen auftreten. Es handelt sich um einfache Netze, die die Komplexität senken.
Da die meisten Lasten im Alltag wie LED-Beleuchtung, Elektromobilität, Batterieladungen und Elektronik auf Gleichspannung entfallen, schaffen DC-Netze eine höhere Energieeffizienz im täglichen Betrieb und verzeichnen weniger Verluste, wenn nicht von Wechselstrom auf Gleichstrom umgewandelt werden muss. Auch die Integration erneuerbarer Energiequellen ist in DC-Netzen einfacher. Integrierte Speicher steigern die Verfügbarkeit und reduzieren Spitzenlasten, was die Energiekosten wiederum senkt.
In der IEC-Norm 60364 (in Deutschland harmonisiert als VDE 0100) ist die Notwendigkeit, Auswahl und Positionierung von Überspannungsschutzgeräten für Gleich- und Wechselstromnetze reguliert. Die Blitzschutznorm IEC 62305 (in Deutschland harmonisiert als VDE 0185-305) behandelt zusätzlich externe und interne Blitzschutzmaßnahmen inklusive Risikoabschätzungen. Die Positionierung der SPDs am Gebäudeeintritt und der Maximalabstand von 10 m Kabellänge für weitere Schutzelemente bleibt dabei unverändert gültig.
Neue Norm, klare Regeln: DC-Schutz endlich normiert
Bisher waren SPDs in diesem Bereich nur für PV-Anlagen durch eine eigene Produktnorm abgedeckt. Die IEC 61643-41 schließt deshalb nun eine echte Lücke für DC-Systeme oder Anwendungen, die auch erhebliche Kurzschlussströme liefern können. Sie definiert erstmals spezifische Anforderungen und Prüfungen für Überspannungsschutzgeräte in DC-Niederspannungsnetzen bis 1.500 V DC, die nicht in PV-Anlagen verbaut sind.
Gleichspannungsnetze stellen jedoch auch besondere Anforderungen an den Überspannungsschutz. Während in AC-Netzen die Kurzschlusspotenziale nur von Seiten des Trafos ausgehen, gibt es in DC-Netzen sowohl auf der AC-Seite Energie durch Trafo und Wandler als auch auf der DC-Seite beispielsweise durch die Batterie des Elektrofahrzeugs. Auch Speicherlösungen liefern teils erhebliche Kurzschlussströme.
Die Norm IEC 61643-41 wurde geschaffen, da DC-Niederspannungsanwendungen außerhalb der Photovoltaik eigene Anforderungen haben, beispielsweise bei Ladeinfrastrukturen, Energiespeichern, Bahnsystemen oder anderen DC-Systemen. Für solche Anlagen reichen die bisherigen, PV-spezifischen Regeln aus IEC 61643-31 nicht aus und Teil 41 schließt genau diese Lücke. Die Norm beschreibt, welche SPDs in DC-Niederspannungssystemen zulässig sind, wie sie geprüft werden und welche Sicherheits- und Leistungsanforderungen sie erfüllen müssen. Dabei wird von DC-Stromkreisen mit linearer Spannungs-Strom-Kennlinie ausgegangen. Werden andere Quellen eingesetzt, muss die Anlage hinsichtlich Kurzschlussstrom oder temporärer Überspannung (TOV) genauer betrachtet werden.
Für PV-Anwendungen gilt also weiterhin IEC 61643-31, während SPDs für Batteriesysteme, DC-Verteilungen, EV-Ladeinfrastrukturen und andere DC-Anwendungen künftig über IEC 61643-41 abgedeckt sind.
End-of-Life im DC-Netz: Unterschätzte Gefahr, neue Anforderungen
Der Überspannungsschutz muss nicht nur während der Lebensdauer von SPDs gewährleistet sein, sondern auch, wenn deren interne Schutzbauteile gealtert oder überlastet sind und deshalb vom Netz getrennt werden müssen. Genau deshalb rückt das sichere End-of-Life-Verhalten, also die zuverlässige Trennung durch interne oder externe Abtrennmechanismen, stärker in den Fokus der Regulatorik. Ein unsauber getrenntes SPD kann in einen dauerhaft leitenden Zustand übergehen und dadurch Folgeschäden auslösen.
In DC-Netzen kann dieser Fehlerfall deutlich gefährlichere Auswirkungen haben als in Wechselstromnetzen. Eine Erweiterung der Norm war deshalb notwendig. Wenn ein Bauteil am Lebensende kurzschließt oder eine Schutzschaltung versagt, kann das DC-Netz hohe Kurzschlussströme liefern, die Lichtbogen, Brände oder im schlimmsten Fall Explosionen auslösen. Die Norm betont deshalb die Betrachtung des erwartbaren Kurzschlussstroms und der TOV-Stresssituation, erweitert damit den Fokus von der reinen Überspannungsbegrenzung auf das sichere Verhalten im Fehlerfall und sorgt so dafür, dass Anlagen und Anwender auch nach dem Ende des Lebenszyklus geschützt sind.
Vier Schritte für ein sicheres Lebensende
In der Praxis lässt sich die Norm in vier Schritten umsetzen: Zunächst wird unterschieden, ob es sich um ein allgemeines DC-System oder eine PV-Anwendung handelt. Je nach Anwendungsfall ist IEC 61643-41 oder IEC 61643-31 zu beachten und gibt die Schutzanforderungen entsprechend vor. Danach folgt ein Abgleich der Kurzschlussfestigkeit und des zulässigen Abschaltkonzepts mit der realen Netzquelle. Einfach gesagt: Welches SPD bringt die passenden Eigenschaften für dieses konkrete DC-Netz mit?
Im nächsten Schritt wird das SPD mit dem vorgelagerten Schutzelement koordiniert. Zuletzt werden eine End-of-Life-Anzeige sowie regelmäßige Wartungszyklen in das Anlagenkonzept integriert. Deshalb sollte bereits bei der Auswahl der Produkte im Datenblatt neben der Nennspannung auch die TOV-Festigkeit, das Abschaltvermögen und die vorgesehene Netzform berücksichtigt werden. So wird aus einem „irgendwie passenden“ Gerät ein normativ stimmiges und betriebssicheres Schutzkonzept.
So wird IEC 61643-41 in der Praxis umgesetzt
Wie die Norm in der Praxis umgesetzt wird, kommt ganz auf den individuellen Fall an. Privatpersonen erkennen zunehmend, wie sich durch DC-Verteilung Effizienzgewinne erzielen lassen. Die Integration von Batteriespeichern, Ladeinfrastruktur und PV-Anlagen in Wohngebäuden benötigen allerdings neue Schutzkonzepte.
In industriellen Anwendungen wiederum ist eine zuverlässige Energieversorgung geschäftskritisch. Hier kommen zunehmend häufig DC-Schnellladestationen zum Einsatz, die Fuhrparks betreiben oder den Mitarbeitern zur Verfügung stehen. Dadurch entstehen mehr Kurzschlussquellen – durch Batteriespeicher, Leistungselektronik und Elektrofahrzeuge – und somit höher Anforderungen an den Überspannungsschutz als in klassischen AC-Netzen. Nicht nur die Geräteauswahl, sondern auch die Dimensionierung der Anlagen ist hier entscheidend, um den sicheren Betrieb zu gewährleisten.
Unverzichtbar für sichere DC-Netze
IEC 61643-41 schließt eine wichtige Lücke in der Normlandschaft und misst Überspannungsschutz den richtigen Wert bei. Denn dieser nimmt durch Extremwetterlagen, hohen Anforderungen an die Verfügbarkeit und zunehmend teurer Elektronik immer weiter zu. Die Norm deckt nun auch das Vorgehen am Ende des Lebenszyklus in DC Anwendungen ab und gibt Verantwortlichen einen Leitfaden in die Hand, mit dem sie die richtigen Produkte für ihre DC-Anwendungen auswählen und implementieren können, um Anlagen und Anwender gleichermaßen zu schützen.
