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In vielen elektrischen Geräten wandeln AC/DC-Schaltnetzteile die Netzspannung in die benötigte Systemspannung. Ihre Auslegung hinsichtlich Luftstrecken und Impulsfestigkeit bestimmt unter anderem, welcher Überspannungskategorie sie entsprechen und an welcher Stelle einer Elektroinstallation sie eingesetzt werden dürfen. Damit ist jedoch zunächst die Widerstandsfähigkeit gegen einen Spannungsdurchschlag bis zu einer definierten Impulsspannung beschrieben. Ob eine Stromversorgung einmalige oder wiederkehrende Überspannungsimpulse auch ohne elektrischen Defekt übersteht, ist damit nicht automatisch gewährleistet.
Hersteller haben die Surge Capability, also die Fähigkeit von Netzteilen, Netztransienten zu widerstehen, zwar kontinuierlich verbessert. Aufgrund des komplexen Aufbaus eines Schaltnetzteils bleibt seine passive Widerstandsfähigkeit jedoch begrenzt. Deshalb lassen sich hohe Impulsenergien nicht in jedem Fall ausreichend ableiten. Hinzu kommt, dass intern als Feinschutz eingesetzte Ableiter auf Varistorbasis permanenten Leckströmen ausgesetzt sind und unter bestimmten Bedingungen vorzeitig altern können.
Kurze Impulse mit weitreichenden Folgen
Transiente Überspannungen treten im Niederspannungs- oder Datennetz für wenige Mikrosekunden bis Millisekunden auf und unterscheiden sich erheblich in ihrer Stärke und Energie. Kleine Ereignisse bleiben häufig unbemerkt. Energiereiche Impulse können dagegen angeschlossene Geräte beeinflussen, beschädigen oder im schlimmsten Fall ein Sicherheitsrisiko darstellen.
Zu den möglichen Folgen zählen Teil- und Komplettausfälle von Anlagen und Systemen. Weitere Folgen sind Durchschläge an Halbleiterübergängen sowie Schäden an Bonddrahtanschlüssen oder Leiterbahnen. Möglich sind außerdem ein undefinierter Betrieb von Logikgattern sowie Programm-, Daten- und Übertragungsfehler oder das Löschen von Speicherinhalten. Auch ohne unmittelbar sichtbaren Schaden ist es möglich, dass belastete Bauelemente eine verkürzte Betriebserwartung aufweisen.
Die Ursachen solcher Spannungsspitzen sind vielfältig. Besonders bekannt ist der Blitzschlag. Während der Entladung fließen Impulsströme mit Spitzenwerten zwischen etwa 1.000 und 200.000 A. Potentialanhebungen oder induktive Einkopplungen rufen dadurch Überspannungen von mehreren zehntausend Volt hervor. Bei einem Einschlag in eine Freileitung gelangen Stoßspannungen über die Leitungen bis zu angeschlossenen Geräten. Auch ein Einschlag in das Erdreich kann das Erdpotential anheben und abhängig von Stromstärke und Erdimpedanz elektrische Geräte in einem Radius von bis zu 2 kom beeinträchtigen.
Häufiger entstehen Überspannungen jedoch durch Vorgänge innerhalb des Energieversorgungsnetzes oder einer elektrischen Anlage. Dazu gehören beispielsweise das Schalten von Motoren, Transformatoren und anderen induktiven Lasten sowie das Auslösen von Sicherungen und Leitungsschutzschaltern. Zu den weiteren Ursachen zählen etwa auch defekte elektrische Betriebsmittel. Überspannungsereignisse bis 2 kV können durchschnittlich einige hundertmal pro Jahr auftreten; auch Impulse bis 6 kV sind mehrmals jährlich möglich. Gerade für elektronische Geräte und die darin verbauten Schaltnetzteile stellen solche wiederkehrenden Belastungen ein Risiko dar.
Überspannung dort begrenzen, wo sie wirkt
Bei Anwendungen, in denen ein Ausfall vermieden werden soll, sind deshalb zusätzliche Schutzmaßnahmen sinnvoll. Überspannungsschutzgeräte können hohe Impulsenergien ableiten und die Spannung begrenzen, bevor sie das zu schützende System erreicht. (Bild 3) Für die Wirksamkeit spielt dabei der Einbauort eine wesentliche Rolle. SPDs sollten möglichst nah am jeweiligen Betriebsmittel installiert werden. Bei einem Netzüberspannungsschutz für eine Systemspannung von 230/400 V AC ist ein möglichst niedriger Schutzpegel von weniger als 1.500 V empfehlenswert. Für Datenleitungen hängt der erforderliche Schutzpegel von der jeweils verwendeten Datenschnittstelle ab.
Bei der Auswahl eines geeigneten SPDs ist nicht allein die Höhe einer möglichen Überspannung ausschlaggebend. Entscheidend ist insbesondere die Energie des Störimpulses und damit die maximale Energieaufnahme des Schutzgeräts. Darüber hinaus sind Typ, Einbausituation sowie die Risiken für Anlagen und Personen zu berücksichtigen.
Übersteigt die Impulsenergie die Ableitfähigkeit des eingesetzten Schutzelements, kann dieses überlastet werden. Ist der Schutz anschließend nicht mehr sichergestellt, lösen integrierte Trennvorrichtungen aus. Sie trennen das SPD und abhängig von der jeweiligen Anwendung auch das zu schützende Gerät vom Stromnetz. Zusätzliche Auskunft über den Zustand des SPDs liefern auch Melde- und Signalvorrichtungen.
Mehrere Schutzstufen kombinieren
Je nach zu erwartender Überspannung und Installationsort kommen unterschiedliche SPD-Typen zum Einsatz. Typ 1 übernimmt die Funktion eines Blitzstromableiters. Kombinierte Geräte des Typs 1+2+3 können Blitzströme ableiten und zugleich vor schnell ansteigenden Überspannungen schützen. Typ 2 beziehungsweise Typ 2+3 wird zum Schutz vor Schaltüberspannungen und Feldeinkopplungen eingesetzt. Typ-3-SPDs dienen dem Mindestschutz.
Eine Schutzmaßnahme in der Unterverteilung schafft dabei eine erste Schutzstufe. Sie muss jedoch nicht in jeder Installation ausreichen. Bei längeren Leitungswegen bis zum Verbraucher oder bei möglichen Störquellen innerhalb der Elektroinstallation empfiehlt sich ein weiterer Schutz unmittelbar am Betriebsgerät oder in dessen Nähe.
Das gilt vor allem dann, wenn ein System oder seine Stromversorgung nicht ausfallen darf, eine möglichst lange Betriebserwartung gefordert ist oder Wartung und Instandhaltung mit hohen Servicekosten verbunden sind. Auch bei Geräten, die im Freien oder in industrieller Umgebung betrieben werden, ist ein zusätzlicher Schutz am Endgerät sinnvoll.
Die passende Lösung finden
Für einen umfassenden Schutz sind neben Netz- auch vorhandene Datenleitungen einzubeziehen, da Überspannungen über beide Wege in ein System gelangen können. Entsprechend stehen SPDs für unterschiedliche Anwendungen und Montagesituationen zur Verfügung. Neben klassischen Geräten für die Hutschienenmontage gibt es Varianten für den Chassis-Geräteeinbau sowie Lösungen zur THT-Platinenmontage.
Eine anwendungsspezifische Lösung erfordert Know-how und Expertise in der Auswahl und im Zusammenspiel der Komponenten. Hier bieten Partner wie der Distributor Schukat wertvollen Support durch technisch versierte Vertriebsteams, die Kunden mit fundiertem Produktwissen über den gesamten Produktlebenszyklus hinweg begleiten.
Aus einer breiten Auswahl führt Schukat Electronic Überspannungsschutzgeräte von Citel für unterschiedliche Einsatzbereiche. Der Hersteller prüft und testet Komponenten wie gasgefüllte Funkenstrecken, Gasableiter und Überspannungsschutzgeräte in eigenen Laboren.
