Grundlagen Blitz- und Überspannungsschutz - Vom Entstehen von Überspannungen bis zum umfassenden Schutzkonzept

Grundlagen Blitz- und Überspannungsschutz - Vom Entstehen von Überspannungen bis zum umfassenden Schutzkonzept | Phoenix Contact

Grundlagen Blitz- und Überspannungsschutz Wir möchten Ihnen nicht nur mit überzeugenden Lösungen, sondern auch mit Rat und Tat zur Seite stehen. Dazu gehören die grundlegenden Informationen zu Themen der Technik und Elektronik. In dieser Broschüre erhalten Sie einen Einblick in den Blitz- und Überspannungsschutz von elektrischen Anlagen. Infor- mieren Sie sich kurz und knapp über die wichtigsten Fakten. Schlagen Sie nach, welche Lösungen es für die vielfältigen Herausforderungen auf diesem Gebiet gibt. Oder vertiefen Sie Ihr Wissen über Zusammenhänge und Hintergründe, die sonst nur Spezialisten bekannt sind. Wir wünschen Ihnen – im wahrsten Sinne des Wortes – eine spannende Lektüre! 2 Phoenix Contact

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Fragen und Antworten Möglicherweise haben Sie viele Fragen – von der grundsätzlichen Frage, wie Überspannungen überhaupt entstehen, bis hin zu technischen Details über Netzsysteme oder zu einzelnen Bestandteilen eines Überspannungsschutz- konzepts bis hin zum Gerät. Hier schlagen Sie nach: Was ist eine Überspannung? Wie entsteht diese? Kapitel 1, Seite 6 Woraus besteht ein ganzheitliches Überspannungsschutzkonzept? Kapitel 2.3 ff., Seite 13 Welchen Schaden können Überspannungen verursachen? Kapitel 1.5, Seite 9 Wie funktioniert Überspannungsschutz? Kapitel 2.1, Seite 10 Welche gesetzlichen oder normativen Vorgaben gibt es für den Überspannungsschutz? Kapitel 2.2, Seite 11 Wie lässt sich die Qualität von Überspannungsschutzgeräten nachweisen? Kapitel 3.3, Seite 18 Kapitel 4, Seite 22 In welchen Anwendungen ist Überspannungsschutz besonders wichtig? Kapitel 6, Seite 28 Begriffserklärungen Kapitel 7, Seite 64 4 Phoenix Contact

Inhalt 1. Überspannungen 1.1 Phänomen Überspannung 1.2 Ursachen 1.3 Einkopplungsarten 1.4 Wirkungsrichtung 1.5 Auswirkungen und Schäden 2. Überspannungsschutz: Was ist zu beachten? 2.1 So funktioniert Überspannungsschutz 2.2 Normen zum Blitz- und Überspannungsschutz 2.3 Grundsätzliche Schutzmaßnahmen und -vorrichtungen 2.4 Blitzschutzzonen 2.5 Das Schutzkreisprinzip 3. Klassifizierung und Prüfung von Überspannungs-Schutzgeräten 3.1 Anforderungen nach IEC 61643 3.2 Wichtige Kenngrößen für Überspannungs-Schutzgeräte 3.3 Wartung und Prüfung nach IEC 62305 3.4 Impuls- und Hochstromprüftechnik 4. Qualitätsmerkmale von Überspannungs-Schutzgeräten 4.1 CE-Konformitätserklärung 4.2 Unabhängige Produktzertifizierungen 4.3 Kompetenz im Überspannungsschutz 5. Blitzstrom-Messsystem 5.1 Intelligente Überwachung 5.2 Blitzstromerfassung 6 6 7 8 8 9 10 10 11 13 14 15 16 16 17 18 20 22 22 23 24 26 26 27 6. Einsatzgebiete 28 28 6.1 Schutz von Wechselspannungssystemen 41 6.2 Schutz von Gleichspannungssystemen mit linearen Spannungsquellen 43 6.3 Schutz von Gleichspannungssystemen in Photovoltaikanlagen 48 6.4 Schutz von Signalübertragungskreisen der MSR-Technik 6.5 Schutz von Signalübertragungskreisen in der Informationstechnik 60 6.6 Schutz von Signalübertragungskreisen in der Telekommunikationstechnik 62 6.7 Schutz von Signalübertragungskreisen in Sende- und Empfangsanlagen 63 7. Glossar 8. Literaturverzeichnis 64 67 Phoenix Contact 5

Grundlagen des Überspannungsschutzes | Überspannungen 1 Überspannungen In elektrischen Anlagen und elektronischen Systemen können verschiedene Arten von Überspannungen auftreten. Sie unterscheiden sich hauptsächlich in ihrer Dauer und Amplitude. Je nach Ursache kann eine Überspannung wenige hundert Mikrosekunden, aber auch einige Stunden oder Tage andauern. Die Amplitude kann von wenigen Millivolt bis zu einigen zehntausend Volt reichen. Eine spezielle Ursache von Überspannungen sind Blitzentladungen. Direkte und indirekte Einschläge können neben hohen Überspannungs- amplituden auch besonders hohe und teils lange Stromflüsse zur Folge haben, deren Auswirkungen dann sehr gravierend sind. 1.1 Phänomen Überspannung Jedes elektrische Gerät weist eine definierte Isolationsfestigkeit gegenüber Stoßspannungen auf. Überschreitet die Höhe einer Überspannung diese Festig- keit, so können Störungen oder Schäden auftreten. Überspannungen mit sehr hohen Amplituden im Kilovoltbereich sind in der Regel sogenannte transiente Überspannungen, d. h. von vergleichs- weise kurzer Dauer von wenigen Mikro- bis einigen hundert Mikrosekunden. Die hohe Amplitude und kurze Dauer bedeutet wiederum sehr steile Span- nungsanstiege und hohe Spannungsdiffe- renzen vor deren Auswirkungen nur Überspannungsschutz schützen kann. Zwar kann dem Betreiber einer elekt- rischen Anlage der materielle Schaden an seiner Anlage durch eine entsprechende Versicherung ersetzt werden, jedoch ist der zeitliche Ausfall der Anlage bis zur Instandsetzung ein eigenes Risiko. Die- ser Ausfall ist oftmals nicht versichert und kann innerhalb kürzester Zeit zur großen finanziellen Belastung werden – insbesondere im Vergleich zu den Kosten eines Blitz- und Überspannungsschutz- konzepts. 6 Phoenix Contact

Grundlagen des Überspannungsschutzes | Überspannungen 1.2 Ursachen Je nach Ursache unterscheiden sich die typische Dauer und die Amplitude einer Überspannung. Blitzentladungen Blitzentladungen (lightning electromag- netic pulse, LEMP) haben von allen Entstehungsursachen das größte Zerstörungspotenzial. Sie verursachen transiente Überspannungen, die sich über weite Entfernungen ausbreiten können und oft mit Stoßströmen hoher Amplitude verbunden sind. Schon die indirekten Auswirkungen eines Blitz- schlags können zu einer Überspannung von mehreren Kilovolt und Stoßströmen zehntausender Ampere führen. Trotz der sehr kurzen Dauer – wenige Mikro- bis zu einigen hundert Mikrosekunden – kann ein solches Ereignis zum Total- ausfall oder sogar der Zerstörung der betroffenen Installation führen. Schaltvorgänge Schaltvorgänge erzeugen elektromag- netische Impulse (switching electroma- gnetic pulse, SEMP), die wiederum zu induzierten Überspannungen führen, die sich auf elektrischen Leitungen ausbrei- ten können. Die kurzzeitig sehr hohen Stromflüsse bei Kurzschlüssen oder dem Abb. 1: Blitzentladungen haben ein extrem hohes Zerstörungspotenzial anderen Potenzials kommt. Der plötz- liche Ladungsaustausch führt zu einer kurzzeitigen Stoßspannung. Dies stellt insbesondere für empfindliche elektro- nische Bauteile eine Gefährdung dar. Zuschalten von Verbrauchern mit hohen Einschaltströmen können transiente Überspannungen induzieren. Elektrostatische Entladungen Elektrostatische Entladungen (electro- static discharge, ESD) treten auf, wenn sich Körper mit unterschiedlichem elek- trostatischem Potenzial annähern und es zu einem Ladungsaustausch kommt. In elektrischen Anlagen und elektronischen Systemen kann es zur elektrostatischen Aufladung eines Körpers kommen, die schließlich so hoch wird, dass es zu einem Überschlag zu einem Körper Abb. 2: Leistungsstarke Elektromotoren induzieren Überspannungen durch große Einschaltströme Abb. 3: Elektrostatische Entladungen gefährden vor allem empfindliche Elektronik Phoenix Contact 7

Grundlagen des Überspannungsschutzes | Überspannungen 1.3 Einkopplungsarten Überspannungen können auf unter- schiedliche Weise in einen Stromkreis gelangen. In der Realität handelt es sich in der Regel um eine Überlagerung der einzelnen Einkopplungsarten. Stärke um den Leiter. Befindet sich ein weiterer Leiter in diesem Magnetfeld, so entsteht auf diesem, durch die Änderung der Magnetfeldstärke nach dem Induk- tionsgesetz, eine Spannungsdifferenz. Galvanische Einkopplung Kapazitive Einkopplung Zwei Stromkreise, die elektrisch leitfähig miteinander verbunden sind, können sich gegenseitig direkt beeinflussen. Eine Spannungs- oder Stromänderung in einem Kreis, erzeugt eine entsprechende Reaktion im anderen Kreis. Induktive Einkopplung Ein schnell ansteigender Stromfluss durch einen Leiter erzeugt ein Magnetfeld mit sich schnell ändernder Zwischen zwei Punkten mit unterschied- lichem Potenzial besteht ein elektrisches Feld. Die Ladungsträger von Körpern, die sich innerhalb des Felds befinden, werden entsprechend der Feldrichtung und -stärke nach dem physikalischen Prinzip der Influenz ausgerichtet. So entsteht auch innerhalb des Körpers ein Potenzialunterschied, also eine Spannungsdifferenz. 1.4 Wirkungsrichtung Querspannung (symmetrische Spannung, differential mode voltage) Längsspannung (asymmetrische Spannung, common mode voltage) Die symmetrischen Überspannungen gefährden in erster Linie Betriebsmittel, die zwischen zwei aktiven Potenzialen liegen. Sie können zu Schäden führen, wenn die Spannungsfestigkeit des Betriebsmittels überschritten wird. Die asymmetrischen Überspannungen gefährden in erster Linie Betriebsmittel, die zwischen aktiven Potenzialen (Phasen- und Neutralleiter) und dem Erdpotenzial liegen. Sie können zu Schäden führen, wenn die Isolationsfestigkeit des Betriebsmittels überschritten wird. UQ L/+ N/- PE L/+ N/- PE UL UL Abb. 4: Querspannung Abb. 5: Längsspannung 8 Phoenix Contact

Grundlagen des Überspannungsschutzes | Überspannungen 1.5 Auswirkungen und Schäden Der Gesamtverband der Deutschen Versicherungswirtschaft (GDV) veröffentlicht regelmäßig Statistiken, die Rückschlüsse auf die Entwicklung von Schadenssummen in Abhängigkeit ver- schiedener Ursachen zulassen. Danach verursachen Blitze und Überspannungen, nach Feuer und Sturm, die meisten Schäden. Im Jahr 2012 betrug ihr Anteil an allen versicherten Schäden 18 %. Oder anders gesagt: Fast jeder fünfte versicherte Schaden ist auf eine Über- spannung zurückzuführen. Geräteausfälle oder -defekte werden also häufiger als gedacht durch Über- spannungen hervorgerufen. Laut Statistik des GDV gelten Überspannungen sogar als deren häufigste Schadensursache. Und diese Zahlen beziehen sich lediglich auf die Schäden, aus denen in Folge ein Brandschaden entstanden ist. sicherungen sanken jedoch nur um 10 %. Legt man die Werte aus dem vergleich- baren Jahr 2010 zugrunde, so lässt sich eine Kostensteigerung von ungefähr 20 % ausmachen. Eine der Ursachen sehen die Versicherer darin, dass einerseits immer mehr, andererseits empfindlichere elekt- ronische Geräte in die Haushalte Einzug halten. Durchschnittlich schlug ein ein- zelner Blitz- bzw. Überspannungsschaden im Jahr 2013 mit 800 € zu Buche. Das ist der höchste Wert seit Beginn der Statistik. Bei gewerblichen Anlagen sind jedoch die Ausfallfolgen, beispielsweise in Form von Stillstandszeiten oder Datenverlus- ten, meist viel gravierender. Der Ausfall eines betrieblich genutzten Geräts oder einer Maschine führt sehr häufig zu Kos- ten, die die Instandsetzung des defekten Geräts um ein Vielfaches übersteigen. Abb. 6 zeigt, dass die Anzahl der Beispielsweise können die durch beim GDV gemeldeten Blitz- und Über- spannungsschäden 2013 gegenüber dem Vorjahr um etwa 20 % zurückgegangen ist. Die finanziellen Leistungen der Ver- den Ausfall eines Mobilfunkmasten für den Betreiber entstehenden Kosten im Bereich von einigen Euro pro Sekunde liegen. Hochgerechnet auf einen Tag entspricht dies bereits einem Schaden von mehr als 100.000 €. Aus diesem Grund ist ein durchgän- giges Überspannungsschutzkonzept für industrielle und gewerbliche Anlagen dringend erforderlich. Es geht nicht nur um einen effektiven Brand- und Perso- nenschutz, sondern gerade darum, ein großes finanzielles Risiko auszuschließen. Ein weiterer Aspekt, der die Not- wendigkeit von Blitz- und Überspan- nungsschutz in Zukunft unterstreichen wird, ist die Zunahme der statistischen Wahrscheinlichkeit von Blitzeinschlägen. Diverse Studien sagen bereits voraus, dass im Zuge des globalen Klimawandels die Häufigkeit von Gewittern steigen wird. Diese Entwicklung beschränkt sich dabei nicht nur auf Regionen, die ohne- hin bereits ein hohes Einschlagsrisiko aufweisen, sondern bezieht sich global auf alle Regionen der Erde. 340 Mio. Versicherungsleistungen in Euro 280 Mio. n e d ä h c S r e d l h a z n A 500.000 400.000 300.000 200.000 100.000 0 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 Abb. 6: Anzahl der Schäden durch Blitzeinschläge und Überspannungen und Höhe der Versicherungsleistungen Phoenix Contact 9

2 Überspannungsschutz: Was ist zu beachten? Ein wirkungsvoller Überspannungsschutz wird nicht einfach so installiert. Er muss individuell angepasst sein – auf die zu schützende Anlage und auf die vor Ort herrschenden Umgebungsbedingungen. Aus diesem Grund sollten Planung und Konzept ganzheitlich aufgebaut sein. Das heißt: Von der Berücksichtigung der Normen und Vorgaben bis zur Erarbeitung eines Blitzschutzzonen-Konzepts sind viele Details zu berücksichtigen. 2.1 So funktioniert Überspannungsschutz Überspannungsschutz soll gewährleisten, dass Überspannungen keine Schäden an Installationen, Betriebsmitteln oder Endgeräten verursachen. Daher müssen Überspannungsschutz- geräte (surge protective device, SPD) vor allem zwei Aufgaben erfüllen: • Die Überspannung in ihrer Amplitude begrenzen, sodass die Isolationsfestig- keit der Geräte nicht überschritten wird. • Die mit Überspannungen verbunde- nen Stoßströme zur fernen Erde hin ableiten. Die Funktionsweise des Überspannungs- schutzes lässt sich einfach anhand des Stromversorgungsschemas eines Betriebsmittels erklären (Abb. 7). Wie im vorangegangenen Kapitel 1.4 beschrieben, kann sich eine Überspan- nung entweder zwischen den aktiven Leitern als Querspannung (Abb. 8) oder zwischen aktiven Leitern und dem Schutzleiter bzw. Erdpotenzial als Längsspannung ergeben (Abb. 9). L/+ N/- PE L/+ N/- PE L/+ N/- PE Abb. 7: Schematische Stromversorgung eines Betriebsmittels Abb. 8: Auswirkungen einer Überspannung als Querspannung Abb. 9: Auswirkungen einer Überspannung als Längsspannung 10 Phoenix Contact

Daher werden Überspannungsschutzge- räte jeweils parallel zum Betriebsmittel zwischen den aktiven Leitern selbst (Abb. 10) und den aktiven Leitern und dem Schutzleiter installiert (Abb. 11). Ein Überspannungsschutzgerät funktio- niert analog zu einem Schalter, der sich für die kurze Zeit der Überspannung schließt. Dadurch entsteht ein Quasi- Kurzschluss, Stoßströme können in Richtung Erde oder Versorgungsnetz abfließen. Die Spannungsdifferenz wird so begrenzt (Abb. 12 und 13). Dieser Quasi-Kurzschluss besteht dabei nur für die Dauer des Überspannungsereignisses, typischerweise einige Mikrosekunden. Das zu schützende Betriebsmittel wird dadurch geschützt und arbeitet unbeein- flusst weiter. L/+ N/- PE SPD L/+ N/- PE SPD Abb. 10: SPD zwischen den aktiven Leitern Abb. 11: SPD zwischen aktiven Leitern und dem Schutzleiter L/+ N/- PE SPD L/+ N/- PE SPD Abb. 12: SPD zwischen aktiven Leitern im Fall einer Querspannung Abb. 13: SPD zwischen aktiven Leitern und dem Schutzleiter im Fall einer Längsspannung 2.2 Normen zum Blitz- und Überspannungsschutz soweit möglich auf Basis der internatio- nalen IEC-Dokumente vorgenommen. Nationale und internationale Normen geben eine Orientierung, wenn es um den Aufbau eines Blitz- und Über- spannungsschutzkonzepts sowie die Auslegung der einzelnen Schutzgeräte geht. Es wird unterschieden zwischen folgenden Schutzmaßnahmen: • Schutzmaßnahmen gegen Blitz- ereignisse: Hiermit befasst sich die sogenannte Blitzschutznorm IEC 62305 [1] [2] [3] [4]. Zentraler Bestandteil ist eine ausführliche Risikoanalyse bzgl. der Notwendigkeit, des Umfangs und der Wirtschaftlich- keit eines Schutzkonzepts. • Schutzmaßnahmen gegen atmosphäri- sche Einflüsse oder Schalthandlungen: Hiermit befasst sich die IEC 60364- 4-44 [5]. Sie geht, verglichen mit IEC 62305, von einer verkürzten Risikoanalyse aus und leitet daraus entsprechende Maßnahmen ab. Neben den angesprochenen Normen sind ggf. weitere gesetzliche und landes- spezifische Vorgaben zu beachten, die oftmals den Einsatz von Überspannungs- schutz bereits verbindlich fordern. In folgenden Kapiteln wird darauf verzichtet auf einzelne nationale Besonderheiten einzugehen. Normative Verweise werden Phoenix Contact 11

sicher eingefangen werden können sowie die größten Stromamplituden von Blitzen, die sicher abgeleitet werden können. Dies wird durch die Blitzschutzklassen I bis IV beschrieben. Des Weiteren beschreiben diese auch die Einfangwahrscheinlichkeit bezogen auf das gesamte Blitzaufkommen. Die höchste Blitzschutzklasse I steht dabei für eine Einfangwahrscheinlichkeit von 99 %. Grundlagen des Überspannungsschutzes | Überspannungsschutz: Was ist zu beachten? 2.2.1 Blitzschutz nach IEC 62305 Teil 1: Eigenschaften von Blitzeinschlägen In Teil 1 dieser Norm [1] werden die charakteristischen Eigenschaften von Blitzeinschlägen, deren Auftretenswahr- scheinlichkeit und Gefährdungspotenzial beschrieben. Teil 2: Risikoanalyse Die Risikoanalyse nach Teil 2 dieser Norm [2] beschreibt ein Verfahren, mit dem zunächst die Notwendigkeit des Blitzschutzes für eine bauliche Anlage analysiert wird. Verschiedene Schadens- quellen, z. B. ein direkter Blitzeinschlag ins Gebäude, rücken dabei ebenso in den Blickpunkt wie die daraus resultierenden Schadensarten: • Verlust der Gesundheit oder des Lebens von Menschen • Verlust von technischen Dienst- leistungen für die Öffentlichkeit • Verlust von unersetzlichem Kulturgut • Wirtschaftliche Verluste Der wirtschaftliche Nutzen wird im Vergleich ermittelt: Wie nehmen sich die jährlichen Gesamtkosten für ein Blitzschutzsystem zu den Kosten mög- licher Schäden ohne Blitzschutzsystem aus? Basis für die Kostenbetrachtung sind Aufwände für Planung, Errichtung und Wartung des Blitzschutzsystems. Teil 3 und 4: Planungshilfen und -vorgaben Ergibt das Risikomanagement, dass Blitzschutz erforderlich und wirtschaft- lich ist, lassen sich Art und Umfang der konkreten Schutzmaßnahme anhand der Teile 3 [3] und 4 [4] dieser Norm planen. Maßgeblich für Art und Umfang der Maßnahmen ist der sogenannte Gefährdungspegel, der sich aus dem Risikomanagement ergibt. Bei baulichen Anlagen, die ein extrem hohes Maß an Sicherheit erfordern, müs- sen nahezu alle Blitze sicher eingefangen und abgeleitet werden. Bei Anlagen, bei denen ein höheres Restrisiko akzeptabel ist, wird in Kauf genommen, dass Blitze mit geringen Amplituden nicht eingefan- gen werden. Abb. 14 zeigt, in Abhängig- keit des Gefährdungspegels, die kleinsten Stromamplituden von Blitzen, die noch e s s a l k z t u h c s z t i l B I II III IV 3 – 200 kA 5 – 150 kA 10 – 100 kA 16 – 100 kA 10 50 100 150 I / [kA] 200 Blitzstromamplitude Abb. 14: Blitzschutzklassen nach IEC 62305-1 [1] mit zugehörigen Minimal- und Maximalwerten der Blitzstromamplitude 12 Phoenix Contact

Grundlagen des Überspannungsschutzes | Überspannungsschutz: Was ist zu beachten? 2.2.2 Überspannungsschutz nach IEC 60364-4-44 IEC 60364-4-44 [5] beschreibt u. a. die Anforderungen zum Schutz der elektrischen Installation vor transienten Überspannungen verursacht durch atmosphärische Einflüsse. Dabei fallen unter den Anwendungs- bereich der Norm transiente Über- spannungen, die über das Stromversor- gungssystem übertragen werden. Dies beinhaltet neben Überspannungen, die z. B. durch Schaltvorgänge entstehen, auch den Direkteinschlag eines Blitzes in die Versorgungsleitung. Direkte Blitz- einschläge in oder nahe einer baulichen Anlage werden hingegen nicht betrachtet, hierfür ist die IEC 62305 [1-4] anzuwen- den. Ebenfalls nicht in die Anwendung der Norm fallen Installationen, wenn die Folgen durch Überspannungen Einfluss haben auf: • bauliche Anlagen mit Explosionsrisiko, • bauliche Anlagen, bei denen eine Beschädigung die Umwelt beeinflussen könnte (z. B. chemietechnische Anla- gen oder Kernkraftwerke). Überspannungsschutzgeräte müssen gemäß IEC 60364-4-44 verwendet wer- den, wenn transiente Überspannungen auf folgende Punkte Auswirkungen haben können: • Menschenleben, z. B. Anlagen für Sicherheitszwecke, medizinisch genutzte Bereiche • Öffentliche und kulturelle Einrich- tungen, z. B. Ausfall von öffentlichen Diensten, Telekommunikationszentren, Museen • Aktivitäten in der Industrie oder im Gewerbe, z. B. Hotels, Banken, Industriebetriebe, Gewerbemärkte, landwirtschaftliche Betriebe In allen anderen Fällen muss nach inter- nationaler Norm eine Risikobewertung durchgeführt werden. Es gibt jedoch landesspezifische Abweichungen, in denen der Einsatz von Überspannungsschutz generell verpflich- tend ist und eine Risikobewertung damit entfällt. 2.3 Grundsätzliche Schutzmaßnahmen und -vorrichtungen Für den ganzheitlichen Schutz einer baulichen Anlage vor den Auswirkungen von Blitzeinschlägen und Überspannungen sind mehrere aufeinander abgestimmte Schutzmaßnahmen bzw. Schutzvorrich- tungen notwendig. Eine grobe Untertei- lung lässt sich wie folgt treffen: • Äußerer Blitzschutz • Innerer Blitzschutz • Erdung und Potenzialausgleich • Koordiniertes SPD-System 2.3.1 Äußerer Blitzschutz Der äußere Blitzschutz (Abb. 15) hat die Aufgabe, sich dem zu schützenden Objekt nähernde Blitze einzufangen und den Blitzstrom vom Einschlagpunkt zur Erde hin abzuleiten. Gefährliche Funken- bildung soll vermieden werden. Schäden durch thermische, magnetische oder elektrische Wirkungen müssen dabei durch Auslegung und Dimensionierung ausgeschlossen werden. Der äußere Blitzschutz ist ein System: Er besteht aus der Fangeinrichtung, den Ableitungen und der Erdungsanlage. Maßgeblich für die Planung und Errichtung von äußeren Blitzschutzsyste- men ist Teil 3 der Norm IEC 62305 [3]. Grundlage ist die Ermittlung und Fest- legung der Blitzschutzklasse. Sie ergibt sich aus der Risikoanalyse. Gibt es keine Vorschriften oder Spezifikationen zum äußeren Blitzschutz, wird mindestens die Blitzschutzklasse III empfohlen. Auch die Position der Fangeinrich- tungen am Gebäude muss festgelegt werden. Dazu gibt es drei Verfahren: • Blitzkugelverfahren • Schutzwinkelverfahren • Maschenverfahren Zur Isolation des äußeren Blitzschutz- systems ist ein Mindestabstand zwischen Elektroleitungen und metallenen Installa- tionen einzuhalten, der sogenannte Trennungsabstand. Abb. 15 Äußerer Blitzschutz am Beispiel eines Einfamilienhauses Phoenix Contact 13

Grundlagen des Überspannungsschutzes | Überspannungsschutz: Was ist zu beachten? 2.3.2 Innerer Blitzschutz 2.3.3 Erdung und Das innere Blitzschutzsystem soll eine gefährliche Funkenbildung innerhalb der Anlage verhindern. Funken können durch blitzbedingte Überspannungen im äuße- ren Blitzschutzsystem oder in anderen leitenden Teilen der baulichen Anlage verursacht werden. Das innere Blitzschutzsystem besteht aus dem Potenzialausgleichsystem und der elektrischen Isolierung durch ausrei- chende Abstände bzw. geeignete Mate- rialien vom äußeren Blitzschutzsystem. Der Blitzschutz-Potenzialausgleich soll gefährliche Potenzialunterschiede vermeiden. Im Wesentlichen wird dazu das Blitzschutzsystem mit metallenen Installationen, inneren Systemen sowie elektrischen und elektronischen Syste- men innerhalb der Anlage verbunden. Das geschieht über Potenzialausgleichs- leitungen, Überspannungsschutzgeräte oder Trennfunkenstrecken. Potenzialausgleich Die Erdungsanlage hat die Aufgabe, den zur Erde abgeleiteten Blitzstrom im Erdreich zu verteilen. Dabei ist die Geometrie der Erdungsanlage ausschlag- gebend für ein effektives Ableiten des Blitzstroms, nicht der Wert des Erdungs- widerstands. Auch ein wirkungsvoller Potenzialausgleich ist wichtig. Der Potenzialausgleich verbindet über Lei- tungen alle elektrisch leitfähigen Teile miteinander. Aktive Leiter sind dabei über Überspannungsschutzgeräte in den Potenzialausgleich eingebunden. 2.3.4 Koordiniertes SPD-System Unter einem koordinierten SPD-System versteht man ein mehrstufiges, aufein- ander abgestimmtes System von Über- spannungsschutzgeräten. Folgende Punkte sind empfehlenswert, um ein leistungsfähiges SPD- System zu errichten: • Einteilung der baulichen Anlage in sogenannte Blitzschutzzonen • Einbezug aller Leitungen, die Zonen- grenzen kreuzen, über geeignete SPDs in den lokalen Potenzialausgleich • Koordination verschiedener Typen von SPDs: Die Geräte müssen koor- diniert zueinander ansprechen, um die Überlastung einzelner SPDs zu verhindern. • Kurze Zuleitungen für den Anschluss der SPDs zwischen aktiven Leitern und dem Potenzialausgleich einsetzen • Getrennte Verlegung geschützter und ungeschützter Leitungen • Beim Überspannungsschutz von Signalübertragungskreisen wird empfohlen, die Erdung von Betriebs- mitteln nur über das jeweilige SPD vorzunehmen 2.4 Blitzschutzzonen Die Einbauorte von Überspannungs- schutzgeräten innerhalb einer baulichen Anlage werden durch das sogenannte Blitzschutzzonen-Konzept aus Teil 4 der Blitzschutznorm IEC 62305 [4] bestimmt. Es unterteilt eine bauliche Anlage in Blitzschutzzonen (lightning protection zone, LPZ), und zwar von außen nach innen mit abnehmendem Gefährdungs- pegel. So können in den äußeren Zonen nur unempfindliche Betriebsmittel verwendet werden, in der inneren Zone hingegen auch empfindliches Equipment. Die einzelnen Zonen sind folgender- maßen charakterisiert und benannt: 14 Phoenix Contact LPZ 1 Zone innerhalb des Gebäudes, in der noch mit energiereichen Überspannungen bzw. Stoßströmen und starken elektro- magnetischen Feldern gerechnet wird. LPZ 2 Zone innerhalb eines Gebäudes, in der mit bereits deutlich abgeschwächten Überspannungen bzw. Stoßströmen und elektromagnetischen Feldern gerechnet wird. LPZ 0A Ungeschützte Zone außerhalb eines Gebäudes, in der direkte Blitzeinschläge möglich sind. Gefahren und Schäden können durch die direkte Einkopplung von Blitzströmen in Leitungen und das ungedämpfte magnetische Feld der Blitzentladung entstehen. LPZ 0B Zone außerhalb des Gebäudes, die z. B. durch eine Fangeinrichtung vor direkten Blitzeinschlägen geschützt ist. Gefahren und Schäden können durch das unge- dämpfte magnetische Feld der Blitzent- ladung und induzierte Stoßströme auf Leitungen entstehen.

Grundlagen des Überspannungsschutzes | Überspannungsschutz: Was ist zu beachten? LPZ 3 Zone innerhalb des Gebäudes, in der nur noch mit extrem niedrigen oder gar keinen Überspannungen bzw. Stoß- strömen und sehr schwachen bis nicht vorhandenen elektromagnetischen Feldern gerechnet wird. An allen Leitungen, die Zonengrenzen kreuzen, müssen koordinierte Überspan- nungsschutzgeräte eingesetzt werden (Abb. 16). Deren Ableitvermögen richten sich nach der zu erreichenden Blitz- schutzklasse, die nach gesetzlichen Vorga- ben, nach behördlichen Vorgaben, Vorga- ben von Versicherungen oder durch eine Risikoanalyse bestimmt wurde. Für die Auswahl der Überspannungsschutzgeräte ist gemäß der Norm davon auszugehen, dass 50 % des Blitzstroms zur Erde hin abgeleitet werden. Die anderen 50 % des Blitzstroms gelangen über den Hauptpo- tenzialausgleich in die elektrische Instal- lation und müssen dort vom SPD-System abgeleitet werden. Abb. 16: Blitzschutzzonen-Konzept mit zueinander koordinierten SPDs an den jeweiligen Zonenübergängen 2.5 Das Schutzkreisprinzip Eine anschauliche Darstellung des Blitzschutzzonen-Konzepts ist der soge- nannte Schutzkreis (Abb. 17). Dabei ist gedanklich ein Kreis um das zu schützen- de Objekt zu ziehen. An allen Stellen, an denen Leitungen diesen Kreis schneiden, sind Überspannungsschutzgeräte zu ins- tallieren. Damit ist der Bereich innerhalb des Schutzkreises gesichert. Einkopplun- gen leitungsgebundener Überspannungen werden so abgemildert, dass ein wir- kungsvoller Schutz erreicht wird. Der Schutzkreis muss dabei alle elektrischen und elektro- nischen Übertragungsleitungen folgender Bereiche einschließen: • Stromversorgung • Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik • Informationstechnik • Sende- und Empfangsanlagen Abb. 17: Schutzkreis Phoenix Contact 15

Grundlagen des Überspannungsschutzes | Klassifizierung und Prüfung von Überspannungs-Schutzgeräten 3 Klassifizierung und Prüfung von Überspannungsschutzgeräten Überspannungsschutzgeräte müssen definierte Schutzfunktionen und Leistungs parameter aufweisen, um für den Einsatz in entsprechenden Schutzkonzepten geeignet zu sein. Dazu werden sie nach einer eigenen internationalen Produktnormenreihe entwickelt, geprüft und klassifiziert. Doch auch während des späteren Einsatzes muss die ordnungs- gemäße Funktion und damit die Aufrechterhaltung der Schutzfunktion in regelmäßigen Abständen kontrolliert werden, wie es auch für andere sicherheitsrelevante Komponen- ten von elektrischen Installationen und elektronischen Systemen gefordert ist. 3.1 Anforderungen nach IEC 61643 • IEC 61643-31: Überspannungs- schutzgeräte für den Einsatz in Niederspannungsanlagen – Anforde- rungen und Prüfungen für Überspan- nungsschutzgeräte für den Einsatz in Photovoltaik-Installationen [8] Diese Reihe soll in Zukunft um folgenden Teil ergänzt werden: • IEC 61643-41: Überspannungs- schutzgeräte für den Einsatz in Nieder-Gleichspannungsanlagen – Anforderungen und Prüfungen Die Überspannungsschutzgeräte (SPDs) werden nach ihren Leistungswerten, abhängig von Schutzklasse und Einsatz- ort, allgemein klassifiziert, und zwar in der Produktnorm IEC 61643. Dort finden sich Begriffsdefinitionen, allge- meine Anforderungen und Prüfverfahren für Überspannungsschutzgeräte. Die Normenreihe enthält u. a.: • IEC 61643-11: Überspannungsschutz- geräte für den Einsatz in Niederspan- nungsanlagen – Anforderungen und Prüfungen [6] • IEC 61643-21: Überspannungsschutz- geräte für den Einsatz in Telekommu- nikations- und signalverarbeitenden Netzwerken – Leistungsanforderungen und Prüfverfahren [7] Abb. 18: IEC 61643 – Die Produktnorm für Überspannungsschutz- geräte 16 Phoenix Contact

Grundlagen des Überspannungsschutzes | Klassifizierung und Prüfung von Überspannungs-Schutzgeräten 3.2 Wichtige Kenngrößen für Überspannungsschutzgeräte Nennspannung (UN) Nennwert der Spannung des Strom- oder Signalkreises, bezogen auf den vorgesehenen Einsatz des SPDs. Die angegebene Nennspannung für ein SPD entspricht der Systemspannung des typischen Einsatzorts des SPDs, für ein übliches Drehstromsystem also z. B. 230/400 V AC. Es können auch Systeme mit niedrigeren Systemspannungen durch das SPD geschützt werden. Bei höheren Systemspannungen muss von Fall zu Fall entschieden werden, ob das SPD einge- setzt werden kann und ob Einschränkun- gen dabei zu beachten sind. Nennlaststrom (IL) Maximaler Effektivwert des Nennstroms, der zu einer an dem geschützten Aus- gang des SPDs angeschlossenen Last fließen kann. Dieser Maximalwert wird durch die betriebsstromführenden Teile innerhalb des SPDs vorgegeben, diese müssen der Dauerstrombelastung thermisch standhalten können. Kurzschlussfestigkeit (ISCCR) Höchster unbeeinflusster Kurzschluss- strom des elektrischen Netzes, für den das SPD in Verbindung mit der vorge- lagerten Überstromschutzeinrichtung bemessen ist. Die Kurzschlussfestigkeit gibt an, bis zu welchem prospektiven Kurzschluss- strom am Einbauort das SPD einge- setzt werden darf. Die entsprechenden Prüfungen zur Festlegung dieses Werts werden in Verbindung mit der maximal zulässigen vorgelagerten Überstrom- schutzeinrichtung (overcurrent protec tive device, OCPD) durchgeführt. Im Fall der speziellen Überspannungsschutzgeräte für Photovoltaikanlagen entspricht der Wert ISCPV dem maximalen Gleichstrom-Kurz- schlussstrom einer Anlage, bis zu dem das SPD eingesetzt werden darf. Höchste Dauerspannung (Uc) Höchster Effektivwert der Spannung, die dauernd an den Anschlüssen des SPDs angelegt werden darf. Nennableitstoßstrom (In) Scheitelwert des durch das SPD fließenden Stroms mit der Impulsform (8/20 µs). Die höchste Dauerspannung muss mindestens 10 % über dem Wert der Nennspannung liegen. In Systemen mit größeren Spannungsschwankungen müssen SPDs eingesetzt werden, die einen größeren Abstand zwischen UC und UN aufweisen. Schutzpegel (Up) Maximale Spannung, die an den Anschlussklemmen des SPDs während der Belastung mit einem Impuls festge- legter Spannungssteilheit und Belastung mit einem Ableitstoßstrom gegebener Amplitude und Wellenform auftreten kann. Die Impulsform (8/20 µs) eines Stoßstroms ist charakteristisch für die Auswirkungen eines indirekten Blitzein- schlags oder einer Schalthandlung. Der Wert des Nennableitstoßstroms wird für eine Vielzahl an Prüfungen eines SPDs verwendet, u. a. auch zur Bestimmung des Schutzpegels. Je nach vorgegebener Blitzschutzklasse für ein Blitzschutzsys- tem müssen die SPDs entsprechende Mindestwerte in Bezug auf diesen Scheitelwert erfüllen. Leerlaufspannung (UOC) Leerlaufspannung des Hybrid generators an den Anschlusspunkten des SPD. Dieser Wert charakterisiert die Ein Hybridgenerator erzeugt einen sogenannten kombinierten Stoß, d. h. er liefert im Leerlauf einen Spannungsim- puls definierter Impulsform, in der Regel (1,2/50 µs), und im Kurzschluss einen Stromimpuls definierter Impulsform, in der Regel (8/20 µs). Der kombinierte Stoß ist charakteristisch für die Auswir- kungen von induzierten Überspannungen. Je nach vorgegebener Schutzklasse für ein Blitzschutzsystem müssen die SPDs entsprechende Mindestwerte in Bezug auf diesen Wert erfüllen. Überspannungsschutzwirkung des SPDs. Im Fall einer Überspannung oder eines Stoßstroms innerhalb der Leistungspa- rameter des SPDs wird die Spannung an den geschützten Anschlüssen des SPDs sicher auf maximal diesen Wert begrenzt. Blitzstoßstrom (Iimp) Scheitelwert des durch das SPD fließenden Stroms mit der Impulsform (10/350 µs). Die Impulsform (10/350 µs) eines Stoßstroms wird für die Simulation des Stromverlaufs von direkten Blitzein- schlägen verwendet. Der Wert des Blitzstoßstroms wird für die speziellen Prüfungen eines SPDs zum Nachweis der Tragfähigkeit in Bezug auf ener- giereiche Blitzströme verwendet. Je nach vorgegebener Blitzschutzklasse für ein Blitzschutzsystem müssen die SPDs entsprechende Mindestwerte in Bezug auf diesen Scheitelwert erfüllen. Phoenix Contact 17

Grundlagen des Überspannungsschutzes | Klassifizierung und Prüfung von Überspannungs-Schutzgeräten Normative Stoßstrom- und Stoßspannungsimpulse Die spannungsbegrenzende Funktion der SPDs wird u. a. durch Stoßströme der Impulsform (8/20 µs) (Abb. 19) geprüft, d. h. mit einer Anstiegszeit von 8 µs und einer Rückenhalbwertszeit von 20 µs. Diese Impulsform gibt auch Aufschluss über das dynamische Ansprechverhalten des SPDs. Für spannungsschaltende SPDs, wie Funkenstrecken oder gasge- füllte Überspannungsableiter, wird dieses Ansprechverhalten zusätzlich mit einem sehr schnellen Stoßspannungsimpuls der Impulsform (1,2/50 µs) (Abb. 20) geprüft. SPDs, die für den Schutz vor direkten Blitzströmen konzipiert sind, werden zusätzlich mit Stoßströmen der Impuls- form (10/350 µs) (Abb. 21) geprüft. Die Amplitude richtet sich dabei nach dem vom Hersteller für das Gerät spe- zifizierten Blitzstoßstrom. Diese Impuls- form enthält bei gleicher Amplitude ein Vielfaches an elektrischer Ladung im Vergleich zur (8/20 µs) Impulsform. Sie belastet damit das SPD energetisch deutlich stärker. 100 90 I (%) 50 10 0 8 20 t (µs) 100 90 U (%) 50 30 0 1,2 50 t (µs) 100 90 I (%) 50 10 0 10 350 t (µs) Abb. 19: Verlauf eines (8/20 µs)- Stoßstromimpulses Abb. 20: Verlauf eines (1,2/50 µs)- Stoßspannungsimpulses Abb. 21: Verlauf eines (10/350 µs)- Stoßstromimpulses 3.3 Wartung und Prüfung nach IEC 62305 Um eine hohe Anlagenverfügbarkeit zu erreichen, müssen Anlagenbetreiber ihre elektrische Anlage regelmäßig inspizieren und warten (Tabelle 1). Dies wird, abhängig vom jeweiligen Anlagentyp, von Gesetzgebern, Aufsichtsbehörden oder Berufsgenossenschaften vorgeschrieben. Die regelmäßige Prüfung und Wartung von Blitzschutzsystemen – äußerem und innerem Blitzschutz – wird eben- falls in Anhang E.7 der Blitzschutznorm IEC 62305-3 [3] gefordert. Für die fachgerechte Prüfung von Blitzschutz- systemen sind besondere Kenntnisse erforderlich. Deshalb wird dort gefor- dert, dass diese Prüfung von einer sogenannten Blitzschutz-Fachkraft durch- geführt wird. Eine Prüfung der SPDs ist dabei ebenfalls Bestandteil. Die Norm verpflichtet auch dazu, die Wartung ordnungsgemäß zu dokumentieren. Die drei folgenden Punkte sind besonders zu beachten: Blitzschutzklasse I und II III und IV Tabelle 1: Prüfintervalle nach IEC 62305-3 [3] 18 Phoenix Contact Sichtprüfung (Jahre) Umfassende Prüfung (Jahre) Umfassende Prüfung bei kritischen Situationen (Jahre) 1 2 2 4 1 1

Grundlagen des Überspannungsschutzes | Klassifizierung und Prüfung von Überspannungs-Schutzgeräten Vorteile Das modular aufgebaute und intelligente Prüfgerät ist mit einem Bedienbildschirm , einem Barcode-Scanner, einer speicher- programmierbaren Steuerung sowie einem fernsteuerbaren und strombe- grenzenden Hochspannungsnetzteil ausgestattet. Durch Prüfadapter kann der CHECKMASTER 2 einfach an unter- schiedliche Überspannungsschutzgeräte angepasst werden. Diese Prüfadapter können werkzeuglos ausgetauscht werden, ohne das Prüfgerät ausschalten zu müssen. Der CHECKMASTER 2 erkennt nicht nur defekte Überspannungsschutz- geräte. Er ist auch in der Lage, bereits vorgeschädigte Überspannungsschutz- geräte zu erkennen, deren elektrische Parameter sich am Rand des definierten Toleranzbereichs befinden. Um auch Überspannungsschutzgeräte prüfen zu können, die zukünftig neu ent- wickelt werden, können per USB-Stick Software-Updates durchgeführt werden. Diese stehen für die Bauteile-Datenbank, die Firmware und die Bediensprachen zur Verfügung. Das Prüfprotokoll mit Prüfergebnis- sen, Einbauorten und alphanumerischen Werten wird netzausfallsicher gespei- chert und kann per USB-Schnittstelle auf einem USB-Stick gespeichert werden. Es kann mit Standard-Office-Software (MS-Word, MS-Excel usw.) weiterver- arbeitet werden. CHECKMASTER 2 Der CHECKMASTER 2 ermöglicht eine komfortable und vollautoma- tische Prüfung steckbarer Über- spannungsschutzgeräte. Vorgeschä- digte und überlastete Überspan- nungsschutzgeräte werden sicher erkannt und können vorbeugend ausgetauscht werden. Alle Prüf- ergebnisse werden normgerecht dokumentiert. • „Umfassende Prüfungen bei kritischen Situationen“ beziehen sich auf bau- liche Anlagen, die sensible Systeme enthalten oder auf Anlagen mit einer größeren Anzahl an Personen. • Explosionsgeschützte, bauliche Anlagen sollten alle 6 Monate einer Sichtprüfung unterzogen werden. Der elektrische Test der Installationen sollte einmal im Jahr durchgeführt werden. • Für Anlagen mit hohen sicherheits- technischen Anforderungen kann z. B. der Gesetzgeber eine umfassende Prüfung vorschreiben. Das kann nötig werden, wenn ein Blitzeinschlag inner- halb eines bestimmten Radius um die jeweilige Anlage stattgefunden hat. 3.3.1 Elektrische Prüfung An dieser Stelle ergibt sich die Frage, was genau eine umfassende Prüfung leisten soll. Eine Sichtprüfung allein lässt häufig nicht zuverlässig auf die Funktions- tüchtigkeit eines SPDs schließen. Eine elektrische Prüfung hingegen kann das Leistungsvermögen von SPDs eindeutig nachweisen. Bei der elektrischen Prüfung von SPDs, die eine reale Überspannung simuliert, wird die Prüfspannung so gewählt, dass das SPD „arbeitet“, d. h. leitfähig wird. Die Messergebnisse werden danach mit Referenzwerten verglichen und bewertet. 3.3.2 Prüfgerät CHECKMASTER 2 Der CHECKMASTER 2 (Abb. 22) ist ein tragbares, robustes und einfach bedien- bares Hochspannungsprüfgerät von Phoenix Contact für steckbare Über- spannungsschutzgeräte. Es führt eine automatische, elektrische Prüfung von steckbaren SPDs durch. Abb. 22: Hochspannungsprüfgerät CHECKMASTER 2 Phoenix Contact 19

Grundlagen des Überspannungsschutzes | Klassifizierung und Prüfung von Überspannungs-Schutzgeräten 3.4 Impuls- und Hochstromprüftechnik Überspannungsschutzgeräte sind umso wirkungsvoller, je genauer sie auf die Anforderungen und Besonderheiten ihres Anwendungsgebiets zugeschnitten sind. Die Entwicklung von Überspan- nungsschutzgeräten verlangt daher eine labortechnische Nachbildung der Einsatz- bedingungen – genauer gesagt, der elektrischen Bedingungen sowie der zu erwartenden Überspannungsereignisse. Realitätsnahe Nach bildung von Überspannungs ereignissen Für die prüftechnische Qualifizierung von leistungsfähigen SPDs aller Typen muss das Kurzschlussverhalten von leistungs- fähigen Niederspannungs-Stromversor- gungssystemen nachgebildet werden. Hierfür wird ein einstellbarer Dreh- stromtransformator mit einem anpass- baren Kurzschlussstromverhalten einge- setzt. Diese Nachbildung wird mit einem Stoßstromgenerator gekoppelt, der Stoßströme erzeugt, die typischerweise durch transiente Überspannungsereignis- se hervorgerufen werden. Nur mit einer derartigen Prüfanordnung können die Leistungsfähig keit der Schutzgeräte sowie deren Wechselwirkungen mit unter- IImpulse Ip Stoßstrom- generator D P S Utest 50 Hz Stromversorgungssystem UMV Abb. 24: 50-Hz-Hochstromprüfanlage zur Nachbildung unterschiedlicher Niederspannungs-Stromversorgungssysteme schiedlichen Stromversorgungssystemen bestimmt werden. Die Norm IEC 61643- 11 [6] beschreibt in diesem Zusammen- hang einen Prüfablauf, der als Arbeitsprü- fung bezeichnet wird. Bei dieser Prüfung wird das Überspannungsschutzgerät mit Stoßstromimpulsen beaufschlagt, während es gleichzeitig an ein definiert parametrisiertes Stromversorgungssys- tem angeschlossen ist. Der prinzipielle Aufbau einer derartigen Prüfanlage – im Wesentlichen bestehend aus Stoßstrom- generator, Überspannungsschutzgerät und netzfrequentem Stromversorgungs- system – ist in Abb. 24 dargestellt. Simulation von Blitzstoßströmen Stoßstromgeneratoren (Abb. 27) sind wichtige Bestandteile des Hochstrom- labors: Sie ermöglichen, das Ableit- vermögen zu bestimmen, Bauteile des äußeren Blitzschutzes zu testen und auch die Funktion von Überspannungsschutz- konzepten nachzuweisen. Sie simulieren Abb. 23: Widerstände und Induktivitäten auf der Hoch- und Niederspannungsseite des Prüftransformators Abb. 25: Prüfplätze der Hochstromprüfanlage 20 Phoenix Contact

Grundlagen des Überspannungsschutzes | Klassifizierung und Prüfung von Überspannungs-Schutzgeräten Abb. 26: Vollautomatisierte Prüfanlage zur Bestimmung des Überlast- und Ausfallverhalten von Überspannungs-Schutzgeräten gemäß IEC 61643-11 [6] Abb. 27: Blitzstoßstromgenerator Blitzstoßströme mit Amplituden bis zu 100 kA der Impulsform (10/350 µs) und Stoßströme z. B. aus Schaltüberspan- nungen mit Amplituden von 200 kA und mehr der Impulsform (8/20 µs). Vollautomatische Prüfungen Die Anforderungen an Überspannungs- schutzgeräte gemäß IEC 61643-11 [6] verlangen Prüfungen (Abb. 26), die das Überlast- und Ausfallverhalten bewerten. Eine wichtige Prüfung, die eine Alterung des Überspannungsschutzgeräts infolge steigender Leckströme simuliert, ist die sogenannte Prüfung der thermischen Stabilität. Die Versuchsdurchführung kann dabei über mehrere Stunden andauern. Ähnlich zeit- und ressourcen- intensive Prüfsequenzen sind in IEC 61643-21 [7] für SPDs zum Einsatz in Signalübertragungskreisen definiert. Akkreditierung nach DIN EN ISO / IEC 17025 Nicht nur die technische Ausstattung des Prüflabors zählt: Ebenso wichtig sind die fachliche Kompetenz der Mitarbeiter, die Wirksamkeit eines Management- systems zur Qualitätssicherung sowie Unabhängigkeit und Überparteilichkeit der Prüfkriterien. Die wesentlichen Anforderungen an die Kompetenz von Prüf- und Kalibrierlaboren sind in DIN EN ISO/IEC 17025 beschrieben. Die Umsetzung und Einhaltung dieses Standards kann z. B. durch die Deutsche Akkreditierungsstelle (DAkkS) überprüft und bestätigt werden. Laborbetrieb auf höchstem Niveau • Jedes Überspannungsereignis lässt sich nachbilden. Phoenix Contact kann alle Niederspannungs-Strom- versorgungssysteme in ihren Eigen- schaften realitätsnah nachbilden – in der eigenen, dreiphasig ausgeführten 50-Hz-Hochstromprüfanlage. Sie erzeugt höchste Kurzschlussströme von bis zu 50000 A. Zudem lassen sich die Prüfparameter sehr fein abstufen und einstellen – die ideale Grundlage, um maßgeschneiderte Überspannungsschutzkonzepte zu entwickeln. • Leicht reproduzierbare Prüfer- gebnisse, effizienter Prüfbetrieb. Das Labor von Phoenix Contact ist hochgradig automatisiert und eignet sich somit ideal für ein kontinuier- liches Qualitäts- Monitoring. • Nachweislich höchste und unabhängig bestätigte Qualität. Das Impuls- und Hochstrom- labor von Phoenix Contact ist nach DIN EN ISO/IEC 17025 akkreditiert. Phoenix Contact 21

Grundlagen des Überspannungsschutzes | Qualitätsmerkmale 4 Qualitätsmerkmale von Überspannungsschutzgeräten Die Qualität und Leistungsfähigkeit von Überspannungsschutzgeräten ist für einen Kunden schwer zu beurteilen. Die korrekte Funktionsweise kann nur in entsprechend ausgestatteten Laboren geprüft werden. Neben dem äußeren Erscheinungsbild und der Haptik können also nur die vom Hersteller spezifizierten technischen Daten eine Orientierung bieten. Umso wichtiger ist eine zuverlässige Aussage des Herstellers über die Leistungsfähigkeit des SPDs und das Bestehen der normativ verankerten Prüfungen im jeweiligen Teil der Normenreihe IEC 61643. 4.1 CE-Konformitätserklärung Eine erste Qualitätsaussage ist die CE-Konformitätserklärung. Sie bezeugt die Übereinstimmung des Produkts mit der Niederspannungsrichtlinie 2014/35/ EU der Europäischen Union. Für Über- spannungsschutzgeräte wird vor allem die Erfüllung der Prüfanforderungen der Normenreihe EN 61643, die auf der Reihe IEC 61643 basiert, als Basis für die Bewertung herangezogen. Bitte beachten Sie: Die CE-Konformitäts- bewertung und -erklärung erfolgt durch den Hersteller. Sie ist damit kein Prüfsiegel eines unabhängigen Instituts oder eine sonstige Bescheinigung einer Untersuchung und Bewertung des Produkts durch Dritte. Das CE-Siegel bedeutet lediglich, dass der Hersteller die Einhaltung der einschlägigen Vor- schriften in Bezug auf sein Produkt bestätigt. Beim Beweis von Nicht-Ein- haltung der einschlägigen Vorschriften oder Missbrauch der CE-Kennzeichnung können rechtliche Schritte eingeleitet werden, die bis zum Verbot des Inver- kehrbringens durch die europäische Marktaufsicht reichen können. Offizielles CE-Logo zur Kennzeichnung von Produkten 22 Phoenix Contact

Grundlagen des Überspannungsschutzes | Qualitätsmerkmale 4.2 Unabhängige Produktzertifizierungen Ein echter Qualitätsnachweis sind Produktzertifizierungen unabhängiger Prüfinstitute. Sie können die Erfüllung der jeweiligen normativen Prüfanfor- derungen bestätigen. Darüber hinaus können sie zusätzliche Eigenschaften der Produkte dokumentieren, wie z. B. die Unempfindlichkeit gegenüber Schock- und Vibrationseinwirkungen oder Sicherheitsanforderungen bestimmter Binnenmärkte. Die normativen Anforderungen an SPDs setzen teils sehr aufwändige Prüfungen voraus, die nur wenige Prüf- labore auf der Welt in vollem Umfang durchführen können. Bei immer mehr Herstellern und Anbietern von SPDs, gerade im Niedrigpreissegment, sind zudem die Angaben zur Leistungsfähig- keit der Geräte in Frage zu stellen. So kommt der unabhängigen Zertifi zierung von SPDs und damit der Bestätigung der Leistungsangaben eine immer größere Bedeutung zu. KEMA, VDE, ÖVE und mehr Diese Prüfzeichen unabhängiger Prüf institute bestätigen z. B. die Erfül- lung des aktuellen Stands der jeweiligen Prüfanforderungen der Normen reihe IEC 61643. UL, CSA, EAC und mehr Diese Zertifizierungen sind Beispiele für Anforderungen bestimmter Binnen- märkte. UL und CSA stellen dabei in eigenen Standards Sicherheitsforderungen an die Produkte für den nordamerikanischen Markt oder Gebiete mit amerikanischem Einfluss. EAC hingegen ist eine eher administrative Freigabe der Produkte für den eurasischen Wirtschaftsraum. Sie gleicht der CE-Konformitätserklärung und kann auch auf deren Basis erlangt werden. GL, ATEX, IECEx und mehr Diese Zulassungen zertifizieren das Ver- halten der Produkte unter bestimmten Umgebungsbedingungen. GL bescheinigt dabei die Unempfind- lichkeit der Produkte gegenüber äußeren Einflüssen im maritimen Umfeld bzw. auf See, wie z. B. Schock, Vibrationen, Luftfeuchte oder Salzkonzentration. ATEX und IECEx bestätigen wiederum die Eignung der Produkte für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen, wie sie z. B. häufig in der Prozessindustrie existieren. Unabhängig bestätigte Qualität Phoenix Contact lässt weite Teile seines Produktspektrums im Über- spannungsschutz durch unabhängige Prüfinstitute zertifizieren. Dadurch wird Normenkonformität und höchste Produktqualität für den Anwender nachgewiesen. Abb. 28: Produktzertifizierungen unabhängiger Prüfinstitute Phoenix Contact 23

Grundlagen des Überspannungsschutzes | Qualitätsmerkmale 4.3 Kompetenz im Überspannungsschutz Applikationsverständnis Die Weiterentwicklung der elektrischen Anlagen- und Systemtechnik führt immer wieder zu neuen Technologien und infolgedessen auch zu völlig neu- artigen technischen Lösungen, die sehr spezifische Anforderungen an den Überspannungsschutz stellen. Ein Bei- spiel ist die Systemtechnik zur Nutzung regene rativer Energien (Photovoltaik und Windkraft). Deshalb ist es wichtig, das jeweils zu schützende System und dessen Umgebung sehr genau zu verstehen, um maßgeschneiderte Überspannungsschutz- geräte zu entwickeln. Forschung und Entwicklung Grundlage der Weiterentwicklung ist ein intensives Engagement in der Grundlagen- forschung und Technologieentwicklung. Folgende Aufgaben stellen sich dabei: • Präzise Anforderungen an Über- spannungsschutzgeräte bestimmen (Schutzziele) • Neue, geeignete Materialien für Anwendungen erforschen • Innovative Basistechnologien erschließen und beherrschen • Entwicklungsprozesse strukturieren • Neue Schutzkonzepte sowie -geräte mit maßgeschneiderten Eigenschaften entwickeln Prüfung und Qualifikation Prüfanlagen, die reale Bedingungen nachbilden können, sind für die Entwick- lung von Überspannungsschutzkonzepten und -geräten dringend notwendig. Das gilt ebenso für den labortechnischen Versuch. Produktion und Qualitätssicherung Die Produktion von marktgerech- ten Überspannungsschutzgeräten auf höchstem Qualitätsniveau verlangt bereits in der Entwicklungsphase dieser Produkte die Berücksichtigung prozess- und -verfahrensrelevanter Aspekte. Dies setzt eine frühzeitige Verzahnung der Produktentwicklungsaktivitäten mit der Prozess- und Verfahrensentwicklung voraus. Von Bedeutung sind qualitätssichernde Maßnahmen, die in der Serienfertigung als Stückprüfungen ausgeführt werden sollten. Für Überspannungsschutzge- räte sind z. B. zerstörende Prüfungen sinnvoll , die die Produkteigenschaften bis zur Leistungsgrenze und darüber hinaus erfassen. So lassen sich mögliche Abweichungen in Fertigungsprozessen und damit der Produktqualität frühzeitig erkennen. Abb. 29: Praxisnah an der Applikation Abb. 30: Forschungsgeprägte Entwicklung 24 Phoenix Contact

Grundlagen des Überspannungsschutzes | Qualitätsmerkmale Abb. 31: Qualitätssicherung im Produktionsprozess Abb. 32: Realitätsnahe Prüfbedingungen Partner mit Erfahrung und Know-how • Enge Verzahnung von Produkt-, Verfahrens- und Prozessent- wicklung, die es ermöglicht, dass Fertigungsaspekte, die notwendig sind, um Produkte auf höchstem Qualitätsniveau zu garantieren, von Beginn an bei der Produktgestal- tung berücksichtigt werden. • Standardisierte Qualitätsüber- prüfungen, die als automatisierte Stückprüfungen fertigungsprozess- begleitend und zudem chargen- bezogen in einer zerstörenden Stichprobenprüfung durchgeführt werden und somit Produkte auf höchstem Qualitäts- und Sicher- heitsniveau garantieren. Mit Phoenix Contact als Anbieter von Lösungen im Bereich des Über- spannungsschutzes profitieren Sie von vielen Vorteilen: • Grundlagenforschung und Techno- logieentwicklung im eigenen Haus, die gezielt neue Technologien und Werkstoffe für den Über- spannungsschutz erschließen und nutzbar machen. • Produktentwicklung im Netzwerk durch Technologie- und Hoch- schulkooperationen sowie aktive Mitarbeit in relevanten nationalen und internationalen Gremien und Arbeitskreisen. • Betrieb eines eigenen, nach ISO/ IEC 17025 akkreditierten Impuls- und Hochstromlabors, das die vollumfängliche Qualifikation von Überspannungsschutzgeräten gemäß allen gängigen Standards im Bereich des Blitz- und Überspan- nungsschutzes ermöglicht. Phoenix Contact 25

Grundlagen des Überspannungsschutzes | Das Blitzstrom-Messsystem 5 Blitzstrom-Messsystem Blitzeinschläge verursachen verheerende Beschädigungen an Gebäuden und Anlagen. Sie gefährden besonders exponiert gelegene Bauwerke, wie Offshore-Windparks, Funk- masten, Freizeitanlagen oder hohe Gebäude. Eine kontinuierliche Beobachtung durch Personen ist bei exponiert gelegenen oder großflächigen Anlagen nahezu unmöglich, sodass Zerstörungen zu spät bemerkt werden. Das Blitzstrom-Messsystem LM-S erfasst und analysiert Blitzeinschläge in Echtzeit. Es informiert online über die Stärke des Einschlags auf Basis der Wirkungsparameter von Blitzentladungen. Durch Zusammenführen der Betriebsparameter der Anlage und der Messdaten bietet das System eine fundierte Entscheidungsgrundlage für Kontroll- und Wartungseinsätze. 5.1 Intelligente Überwachung umzusetzen. Zerstörungen oder Beschä- digungen der Anlage werden daher oft erst durch Folgeschäden bemerkt. Daher werden immer häufiger intelli- gente Monitoring-Systeme eingesetzt. Sie überwachen kontinuierlich den Zustand einer Anlage. Besondere Ereignisse und Parameterabweichungen melden sie unmittelbar an eine zentrale Auswerte- einheit. Das hilft, auf mögliche Störungen bzw. Schäden sofort zu reagieren und somit Folgeschäden sowie lange Ausfall- zeiten zu vermeiden. Blitzeinschläge können verheerende Schäden an Gebäuden und Anlagen verursachen. Es kann dabei zu massiven Zerstörungen kommen, die auch Folgeschäden verursachen können. Der Schaden ist vordergründig von der Ladung des Blitzes abhängig. Aber auch die Ausführung des Blitz- und Überspannungsschutzkonzepts hat Einfluss auf das Schadensausmaß. Besonders blitzgefährdete Anlagen sind exponiert gelegen oder großflächig, z. B. Windkraftanlagen, Energieerzeu- gungsanlagen, großflächige Industriebe- triebe und Bahnanlagen. Bei derartigen Anlagen ist eine lückenlose Blitzschutz- maßnahme grundsätzlich sehr schwierig, unter Umständen sogar unmöglich 26 Phoenix Contact Abb. 33: Lightning Monitoring System

Grundlagen des Überspannungsschutzes | Das Blitzstrom-Messsystem 5.2 Blitzstromerfassung Das Blitzstrom-Messsystem LM-S (Abb. 33) bietet die Möglichkeit einer Blitzstrom erfassung: Schlägt ein Blitz in eine Fangstange ein, so baut sich ein Magnetfeld um die blitzstromführende Ableitung auf. Der sog. Faraday-Effekt besagt, dass ein solches Magnetfeld die Polarisation von Lichtwellen verändern kann. Um letztendlich den Blitzstrom zu messen, nutzt das LM-S diesen Effekt. Dazu wird ein Lichtsignal vor der Mess- strecke des Sensors polarisiert. Durch das Magnetfeld wird dann innerhalb der Messstrecke die Polarisationsebene des Lichtsignals gedreht. Mit Hilfe eines weiteren Polarisationsfilters kann die Drehung der Polarisationsebene des Lichts bestimmt werden und daraus wie- derum die Stärke des Magnetfelds, das auf die Messstrecke eingewirkt hat. Die charakteristischen Kennwerte des Blit- zereignisses – Amplitude, Blitzstroms- teilheit, spezifische Energie und Ladung – können so von der Auswerte einheit ermittelt und mit Datum und Uhrzeit des Blitz einschlags gespeichert werden. Wenn in Gebäuden oder Windenergie anlagen Blitzeinschläge gemessen werden, sind jederzeit Rück- schlüsse aus der Relation zwischen den Blitzparametern und der damit verbun- denen möglichen Schädigungen oder Zerstörungen möglich. Auch bei einer Schadensregulierung werden Informationen über Blitzein- schläge mit Hilfe von Blitzinformations- systemen eingeholt. Diese Systeme können einen Blitzeinschlag mit einer Genauigkeit von 200 Metern orten. Aber ob und an welcher Stelle der Blitz ein Gebäude oder eine Anlage getroffen hat, das kann nur mit einem Blitzstrom-Mess- system wie dem LM-S bestimmt werden. Abb. 34: Funktionsprinzip Faraday-Effekt Blitzstrom-Messsystem LM-S Das Lightning Monitoring System erfasst Blitzeinschläge in das Blitzschutzsystem eines Gebäudes oder einer Anlage. Alle Messdaten stehen für eine Fernabfrage über diverse Schnittstellen wie das integ- rierte Web-Interface oder Modbus bereit. Die gemessenen Größen der Blitzentladung sind dabei: • Amplitude Ipeak • Gradient di/dt • Ladung Q • Spezifische Energie W/R Abb. 35: Burj-Khalifa-Anwendung LM-S Phoenix Contact 27

Grundlagen des Überspannungsschutzes | Einsatzgebiete 6 Einsatzgebiete Die Normenreihe IEC 61643 unterteilt die Anwendungsgebiete, in denen Überspan- nungs-Schutzgeräte eingesetzt werden, in Niederspannungsanlagen, Telekommuni kations- und signalverarbeitende Netzwerke sowie Photovoltaikinstallationen. Generell gibt es in allen Bereichen sehr unterschiedliche, individuelle Systemvoraussetzungen. Dementspre- chend können auch die Lösungen bzw. die Schritte dorthin sehr verschieden aussehen. Es lohnt sich, diese Anwendungen genauer zu betrachten. 6.1 Schutz von Wechselspannungssystemen 6.1.1 SPD-Typen und Technologien Das Blitzschutzzonen-Konzept sieht an allen Leitungen, die Zonengrenzen kreuzen, zueinander koordinierte Überspannungs-Schutzgeräte vor. Deren Leistungswerte richten sich nach der zu erreichenden Schutzklasse. Je nach Zonenübergang sind daher verschiedene SPDs nötig (siehe Tabelle 2). Die Anforderungen an die einzelnen SPD-Typen sind in der Norm für Überspannungs-Schutzgeräte für den Einsatz in Niederspannungsanlagen IEC 61643- 11 [6] definiert. Daraus leitet sich ein mehrstufiges Schutzkonzept ab (Abb. 36). Zonenübergang SPD-Typ Bezeichnung LPZ 0A LPZ 0B LPZ 1 LPZ 2 LPZ 1 LPZ 1 LPZ 2 LPZ 3 Typ 1 Typ 2 Typ 2 Typ 3 Blitzstromableiter / Kombiableiter Überspannungsableiter Überspannungsableiter Geräteschutz Tabelle 2: Blitzschutzzonen-Übergang und zugehöriger SPD-Typ Speisepunkt der elektrischen Anlage, z. B. Hauptverteilungsanlage In der Nähe des Speisepunkts der elektrischen Anlage, z. B. Unterverteilungen Geräte und elektrische Betriebsmittel Überspannungskategorie Überspannungskategorie Überspannungskategorie IV D P S III D P S II/I D P S SPD-Typ 1 oder SPD-Typ 2 SPD-Typ 2 oder SPD-Typ 3 SPD-Typ 2 oder SPD-Typ 3 Abb. 36: Mehrstufiges Schutzkonzept 28 Phoenix Contact

Grundlagen des Überspannungsschutzes | Einsatzgebiete Die Mehrstufigkeit begrenzt den Gefährdungspegel von Zone zu Zone. Die Amplituden und spezifischen Energien der zu erwartenden Überspan- nungen bzw. Stoßströme nehmen immer weiter ab. Damit sinkt auch der Span- nungswert, auf den die einzelnen SPDs Überspannungen begrenzen müssen. Dies wird durch entsprechend niedrige Schutzpegel der SPDs erreicht, diese richten sich nach der Isolationsfestigkeit der zu schützenden Betriebsmittel in unmittelbarer Nähe. Die Isolationsfestig- keit wird nach IEC 60664-1 [9] in den Überspannungskategorien I bis IV (Tabelle 3) angegeben. 6.1.2 Typ 1: Blitzstromableiter / Kombiableiter Überspannungsschutzgeräte vom Typ 1 müssen die höchsten Anforderungen in Bezug auf Amplitude und spezifische Energie von Stoßströmen erfüllen, denn sie sollen auch vor den Auswirkungen direkter Blitzeinschläge schützen. In der typischen Installationsumgebung der Hauptverteilung ist auch der Anspruch an die Kurzschlussfestigkeit sehr hoch. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, wird eine leistungsstarke Technologie benötigt, z. B. die Funken- streckentechnologie. Funkenstreckentechnologie Das Funktionsprinzip einer Funken- strecke stellt sich zunächst recht einfach dar: Zwei Elektroden stehen sich in einem definiertem Abstand gegenüber. Getrennt durch ein Medium, wie z. B. Luft, wirkt diese Anordnung zunächst isolierend (Abb. 37). Liegt zwischen bei- den Elektroden eine Spannung an, die die Durchschlagfestigkeit von Luft (ca. 3 kV/ mm) auf diesem Abstand z. B. aufgrund einer Überspannung übersteigt, kommt es zur Ausprägung eines Lichtbogens. Im Vergleich zum isolierenden Zustand mit einem Widerstand im Gigaohmbereich ist die Impedanz des Lichtbogens ver- schwindend gering und damit auch der Nennspannung des Stromversorgungs- systems Dreiphasig Einphasig V V 120 – 240 230/400 277/480 400/690 1000 Spannung Leiter- zu-Neutralleiter, abgeleitet von der Nennwechsel- oder Nenngleichspannung bis einschließlich V 50 100 150 300 600 1000 Bemessungs- stoßspannung Überspannungskategorie I V 330 500 800 1500 2500 4000 II V 500 800 1500 2500 4000 6000 III V 800 1500 2500 4000 6000 8000 IV V 1500 2500 4000 6000 8000 12000 Tabelle 3: Überspannungskategorien in Abhängigkeit der Nennspannung Spannungsfall über der Funkenstrecke. Diese Eigenschaft ist optimal für das Ableiten von Blitzströmen: Je niedriger die sogenannte Restspannung der Fun- kenstrecke ist, desto geringer ist der zu beherrschende Energieeintrag. In Bezug auf den abrupten Wechsel der Impedanz und damit der Spannungsdifferenz über der Funkenstrecke wird die nicht-lineare Charakteristik als spannungsschaltend bezeichnet. Ein großer Vorteil, der aus der niedrigen Restspannung erwächst, ist die geringe Belastung des geschützten Equipments durch Spannungen ober- halb der spezifizierten Nennspannung bzw. höchsten Dauerspannung. Für die vergleichsweise lange Dauer von Blitz- strömen liegt die Restspannung einer Funkenstrecke sehr niedrig, im Bereich der höchsten Dauerspannung des zu schützenden Geräts. SPDs des Typs 1 mit spannungsbegrenzenden Komponen- ten liegen oft mehrere hundert Volt dar- über – eine deutlich größere Belastung für das geschützte Equipment. Moderne Funkenstrecken sind in der Regel in robusten Stahlgehäusen gekap- selt, sodass während des Ableitvorgangs keine durch den Lichtbogen erzeugte, ionisierte Gase in die Umgebung austreten können. Des Weiteren sind die Funkenstrecken oftmals getriggert, sie Abb. 37: Schaltzeichen einer gekapselten Funkenstrecke haben eine zusätzliche Beschaltung zur Begünstigung des Zündens der Funken- strecke. Das begrenzt die Restspannung auf ein sehr niedriges Niveau – deutlich unterhalb der Spannung, die sich allein auf Basis der Durchschlagfestigkeit der Luft ergeben würde. Auch wenn die Ins- tallationsumgebung von SPDs des Typs 1 es meist nicht erfordert: Die Schutzpegel moderner, getriggerter Funkenstrecken liegen oft auf dem Niveau der niedrigs- ten Überspannungskategorie I (bezogen auf die Nennspannung des Systems). Phoenix Contact 29

Grundlagen des Überspannungsschutzes | Einsatzgebiete Folgestrom-Löschfähigkeit Eine spezielle Kenngröße für Funken- strecken ist die sogenannte Folgestrom- Löschfähigkeit Ifi. Wird eine Funkenstre- cke durch eine Überspannung gezündet, bildet sie für das angeschlossene Ver- sorgungsnetz einen Quasi-Kurzschluss, durch den Strom getrieben wird. Die Funkenstrecke muss daher in der Lage sein, nach dem Ableitvorgang selbsttätig, ohne Auslösen der vorgelagerten Über- stromschutzeinrichtung, den Netzstrom zu unterdrücken bzw. zu unterbrechen. Die Folgestrom-Löschfähigkeit gibt an, bis zu welchem prospektiven Kurz- schlussstrom am Einbauort dies gewähr- leistet ist. Moderne Funkenstrecken müssen daher zwei Aufgaben erfüllen: • Energiereiche Blitzströme ableiten • Folgeströme leistungsstarker Versorgungsnetze unterdrücken Im Fall der Blitzströme ist die Impedanz der Funkenstrecke im besten Fall sehr niedrig, um den Energieeintrag möglichst gering zu halten und den Verschleiß zu minimieren. Bei Folgeströmen muss die Impedanz hingehen möglichst hoch U [V] 2000 1500 1000 500 0 I [kA] (8/20 µs) 20 15 10 5 0 0 10 20 t [µs] Abb. 38: Typische Restspannungskurve einer getriggerten Funkenstrecke bei Belastung mit einem (8/20 µs)-Impuls sein, um ein schnelles Verlöschen zu gewährleisten. Um hohen Blitzstromamplituden von bis zu 50 kA an Versorgungsnetzen mit prospektiven Kurzschlussströmen bis 100 kA standhalten zu können, sind heutige Funkenstrecken daher oft komplex konstruiert und bestehen aus vielen funktionellen Einzelteilen (Abb. 39). Netzfolgestromfreie Funkenstreckentechnologie Für eine möglichst hohe Anlagen- verfügbarkeit ist die Begrenzung von Netzfolgeströmen essenziell: • Vorgelagerte Überstromschutz- einrichtungen lösen nicht unnö- tig durch Netzfolgeströme aus • Die Installation wird nicht durch zusätzliche hohe Stromflüsse belastet • Der Verschleiß der Funken- strecke wird minimiert Erstmals ist es Phoenix Contact gelungen, mit der Safe Energy Control-Technologie (siehe 6.1.10) eine komplett netzfolgestromfreie Funkenstrecke zu entwickeln und am Markt anzubieten. Hoch temperatur- und druckfeste Isolierkappen Hochleistungs-Kupferwolfram- Elektroden Gekapseltes Stahlgehäuse Lichtbogenkühlende Isolierteile Abb. 39: Einzelteile einer modernen gekapselten Funkenstrecke 30 Phoenix Contact

Grundlagen des Überspannungsschutzes | Einsatzgebiete 6.1.3 Typ 2: Überspannungs- ableiter Überspannungsschutzgeräte vom Typ 2 sind üblicherweise in Unterverteilungen oder Maschinenschaltschränken verbaut. Diese SPDs müssen induzierte Überspan- nungen aus indirekten Blitzeinschlägen oder Schalthandlungen ableiten können, jedoch keine direkten Blitzströme. Daher ist der zu beherrschende Energieeintrag deutlich geringer. Allerdings sind indu- zierte Überspannungen durch Schalt- handlungen oft sehr dynamisch. Hier bewährt sich eine Ableitertechnologie mit schnellem Ansprechverhalten, z. B. die Varistortechnologie. Varistortechnologie Varistoren (variable resistor bzw. metal oxide varistor, MOV) (Abb. 40) sind Halbleiter-Bauelemente aus Metall- oxidkeramiken. Sie weisen eine nicht- lineare Strom-Spannungs-Kennlinie auf (Abb. 41). In niedrigen Spannungsberei- chen ist der Widerstand eines Varistors sehr hoch, in höheren Spannungsbe- reichen hingegen fällt der Widerstand rapide ab, sodass sehr hohe Ströme problemlos darüber abgeleitet werden können. Daher wird die Charakteristik von Varistoren als spannungsbegren- zend bezeichnet. Mit einer typischen Ansprechzeit im unteren Nanosekunden- Bereich sind Varistoren sehr gut geeig- net, um auch besonders dynamische Überspannungsphänomene zu begrenzen. Blitzstromtragfähige Varistoren Hochleistungs-Varistorkeramiken können sogar ein Impulsableitvermögen von 12,5 kA (10/350 µs) bei akzeptablem Bauraum aufweisen. Dadurch eignen sie sich grundsätzlich auch als SPDs des Typs 1 für Umgebungen mit geringen Gefährdungspegeln. Für ein höheres Impulsableitvermögen von 25 kA bis 50 kA (10/350 µs) muss in der Regel mit der Parallelschaltung mehrerer Varistoren gearbeitet werden. Abb. 40: Schaltzeichen eines Varistors Varistors und damit zum Ausfall des gesamten SPDs. Überspannungsschutzhersteller, denen keine Funkenstreckentechnologie zur Verfügung steht, setzen daher häufig Varistoren als SPDs des Typs 1 für die Anforderungen der Blitzschutzklasse I ein. Dieses Konzept weist allerdings gravierende Mängel auf. Stimmt die Charakteristik der parallelgeschalteten Varistoren nicht exakt überein, eine Anforderung, die quasi nicht zu errei- chen ist, werden die einzelnen Pfade während eines Ableitvorgangs unter- schiedlich stark belastet. Dementspre- chend altern sie unterschiedlich stark. Über die Zeit wird die ungleichmäßige Belastung dadurch immer größer. Das führt letztendlich zur Überlastung eines U [V] 2000 1000 800 600 400 200 100 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 10-0 101 102 103 104 A 105 I [A] Abb. 41: Strom-Spannungs-Kennlinie eines Varistors mit 320 V AC Bemessungsspannung (min. bzw. max. Toleranz vor bzw. nach dem mA-Punkt) U [V] 2000 1500 1000 500 0 I [kA] (8/20 µs) 20 15 10 5 0 0 10 20 t [µs] Abb. 42: Restspannung eines Varistors mit 350 V AC Bemessungsspannung bei Belastung mit 25 kA (8/20 µs) Phoenix Contact 31

Grundlagen des Überspannungsschutzes | Einsatzgebiete 6.1.4 Typ 3: Geräteschutz 6.1.5 Koordination Überspannungsschutzgeräte vom Typ 3 sind in der Regel direkt vor den zu schützenden Endgeräten verbaut. Auf- grund unterschiedlicher Installations- umgebungen gibt es SPDs des Typs 3 in sehr verschiedenen Bauformen. Neben der gängigen Hutschienenmontage gibt es Geräte für den Einbau in Steckdosen oder zur direkten Montage auf einer Leiterplatte des Endgeräts. Technologisch sind SPDs des Typs 3 meist ähnlich zu Typ 2 auf Varistorbasis aufgebaut, allerdings sind die Anforde- rungen an das Ableitvermögen gegen- über Typ 2 nochmals geringer. Oftmals kann es sinnvoll sein, den Schutz der Stromversorgung mit dem Schutz anderer Schnittstellen der End- geräte wie Daten- oder Kommunikati- onsleitungen zu verbinden. Hierfür gibt es kombinierte Geräte, sie übernehmen den Überspannungsschutz für alle ent- sprechenden (Versorgungs-)Leitungen. verschie dener SPD-Typen Das Blitzschutzzonen-Konzept sieht an allen Leitungen, die Zonengrenzen kreuzen, zueinander koordinierte Überspannungsschutzgeräte vor. Deren Leistungswerte richten sich nach der zu erreichenden Schutzklasse. Je nach Zonenübergang sind daher verschiedene Typen nötig (siehe Tabel- le 2). Die Anforderungen an die einzelnen SPD-Typen sind in der Produktnorm für Überspannungsschutzgeräte IEC 61643- 11 [6] definiert. Daraus lässt sich ein mehrstufiges Schutzkonzept ableiten (Abb. 43): Beginnt man an den inneren Schutz- zonen, so müssen ein SPD des Typs 3 und ein vorgelagertes SPD des Typs 2 zueinander koordinieren. Es muss gewährleistet sein, dass das SPD des Typs 3 nicht energetisch überlastet wird. Da in Blitzschutzzone 2 nur noch mit Überspannungen geringer Amplituden zu rechnen ist, kann eine Koordination bereits über das Ansprechverhalten der SPDs erreicht werden. Das SPD des Typs 3 bzw. die darin verwendeten Komponenten müssen so ausgelegt sein, dass sie erst bei höheren Spannungswer- ten ansprechen als die SPDs des Typs 2. In Richtung der äußeren Blitzschutz- zonen muss wiederum die Koordination zwischen SPD des Typs 2 und vorgela- gerten SPDs des Typs 1 gewährleistet sein. Da hier auch mit direkten Blitz- bzw. Teilblitzströmen zu rechnen ist, die nur von einem SPD des Typs 1 getragen werden können, ist das selektive Anspre- chen der SPDs zueinander besonders wichtig. Es könnte sonst zu einer Über- lastung des SPD des Typs 2 kommen. Da die eingesetzten Technologien für SPDs des Typs 1 sehr unterschiedlich sind, kann es keine allgemeingültigen Koordinationsbedingungen geben. Einen klaren Vorteil bieten in diesem Bereich funkenstreckenbasierte SPDs des Typs 1. Ihre vergleichsweise niedrige Restspan- nung von wenigen hundert Volt über den Großteil der Dauer eines Blitz- stroms gewährleistet eine fast komplette Übernahme des Stromflusses. HV Typ 1 D P S Typ 2 Typ 2/3 D P S D P S UV1 UV2 UV3 D P S D P S D P S D P S HV: Hauptverteilung UV: Unterverteilung Abb. 43: Mehrstufiges Schutzkonzept mit verschiedenen, aufeinander folgenden SPD-Typen 32 Phoenix Contact

Grundlagen des Überspannungsschutzes | Einsatzgebiete 6.1.6 Netzsysteme nach IEC 60364 Die Ausführung eines Überspannungs- schutzkonzepts für Drehstromsysteme hängt u.a. vom vorliegenden Netzsystem ab. Diese Systeme können anhand der Ausführung der Erdung des versorgenden Transformators, der Verbraucheranlage und deren Verbindung zueinander unter- schieden werden. Die Richtlinie zur Errichtung von Niederspannungs-Stromversorgungssys- temen IEC 60364-1 [10] führt folgende Systemkonfigurationen auf: TN-S-System In diesem Netzsystem ist ein Punkt des versorgenden Transformators direkt geerdet, in der Regel der Sternpunkt. Der Neutralleiter (N) und der Schutz- leiter (PE) werden jeweils in einem separaten Leiter zur Verbraucheranlage geführt. Eine dreiphasige Stromversor- gung besteht aus fünf Leitungen: L1, L2, L3, N und PE (Abb. 44). TN-C-System In diesem Netzsystem ist der Stern- punkt des versorgenden Transformators direkt geerdet. Der Neutralleiter und der Schutzleiter werden in einem einzi- gen Leiter (PEN) zur Verbraucheranlage geführt. Eine dreiphasige Stromversor- gung besteht aus vier Leitungen: L1, L2, L3 und PEN (Abb. 45). TT-System In diesem Netzsystem wird der geer- dete Punkt des Transformators nur als Neutralleiter in die Anlage geführt. Die Körper der elektrischen Anlage sind mit einem lokalen Erdungssystem verbunden, das vom geerdeten Punkt des Transformators getrennt ist. Der Neutralleiter und der lokale Schutzleiter werden jeweils in einem separaten Leiter geführt. Eine dreiphasige Stromversor- gung besteht aus fünf Leitungen: L1, L2, L3, N und lokalem PE (Abb. 46). IT-System In diesem Netzsystem wird der Stern- punkt des versorgenden Transformators nicht oder nur über eine hohe Impedanz geerdet. Die Körper der elektrischen Anlage sind mit einem lokalen Erdungs- system verbunden. Falls ein Neutrallei- ter vom Sternpunkt des versorgenden Transformators mitgeführt wird, wird dieser getrennt vom lokalen Schutzleiter geführt. Eine dreiphasige Stromversor- gung besteht aus vier bzw. fünf Leitun- gen: L1, L2, L3, ggf. N und lokalem PE (Abb. 47). Eine Besonderheit des IT-Systems ist, dass zeitlich begrenzt ein Isolationsfehler gegen Erde auftreten darf. Der Erd- schluss einer Phase muss lediglich durch eine Isolationsüberwachung erkannt und gemeldet werden, sodass er zeitnah behoben werden kann. Erst ein zweiter Erdschluss führt zum Kurzschluss zwi- schen zwei Phasen und dem Auslösen der entsprechenden Überstromschutz- einrichtung. Überspannungsschutzgeräte für den Einsatz in IT-Systemen müssen daher der verketteten Spannung des Systems zzgl. Toleranz standhalten können. Dies wird durch die normative Anforderung gewährleistet, dass nur SPDs zwischen Phase und PE in IT-Sys- temen eingesetzt werden dürfen, deren höchste Dauerspannung mindestens der verketteten Spannung zzgl. Toleranz entspricht. Abb. 44: TN-S-System Abb. 45: TN-C-System Abb. 46: TT-System L1 L2 L3 N PE L1 L2 L3 PEN L1 L2 L3 N PE L1 L2 L3 PE Abb. 47: IT-System Phoenix Contact 33

Grundlagen des Überspannungsschutzes | Einsatzgebiete 6.1.7 Amerikanische Netzsysteme Speziell im nord- und mittelamerikani- schen Raum kommen andere Netzfor- men zum Einsatz. Die wichtigsten sind: • Wye-System • Delta-System • Split-Phase-System Wye-System Diese Systeme entsprechen meist den TN-Systemen, der Sternpunkt des versorgenden Transformators ist direkt geerdet und von dort wird der Schutz- leiter (grounding conductor, GND) zur Verbraucheranlage geführt. Isolierte Wye-Systeme existieren ebenfalls, sind aber vergleichsweise selten. Ein mög- licher Neutralleiter wird in der Regel erst innerhalb der Verbraucheranlage abgegriffen. Dies entspricht dann einem TN-C-S-System. Eine dreiphasige Strom- versorgung besteht aus vier bzw. fünf Leitungen: L1, L2, L3, ggf. N und GND (Abb. 48). Delta-System Bei diesem System erfolgt die Erdung entweder über eine der Phasen (corner-grounded) oder einen Mittel- abgriff zwischen zwei Phasen (high-leg). Der GND wird vom jeweiligen Erdungs- punkt in die Verbraucheranlage geführt. Isolierte Delta-Systeme existieren eben- falls, sind aber vergleichsweise selten. Der Neutralleiter wird, wenn benötigt, ebenfalls meist erst in der Verbraucher anlage abgegriffen. Eine dreiphasige Stromversorgung besteht aus vier bzw. fünf Leitungen: L1, L2, L3, ggf. N und GND (Abb. 49). Split-Phase-System Bei diesem weitverbreiteten zweiphasi- gen System wird über einen Mittelabgriff an der Transformatorwicklung geerdet und von dort ein Neutralleiter mitge- führt. Eine zweiphasige Stromversorgung besteht aus vier Leitungen: L1, L2, N und GND (Abb. 50). 6.1.8 Anschlussschemata Überspannungsschutzgeräte sind Teil des Potenzialausgleichs einer baulichen Anlage. Sie verbinden bei einer Über- spannung die aktiven Leiter elektrischer Installationen mit der Erdung. Je nach Netzsystem der Verbraucher- anlage kommen verschiedene SPDs zum Einsatz. Sie werden in unterschiedlichen Anschlussschemata (connection type, CT) kombiniert, um diese Verbindung herzustellen. In der Installationsrichtlinie für Überspannungsschutz IEC 60364- 5-53 [11] werden vor allem folgende Schemata genannt: • Anschlussschema CT1: Eine Kombi- nation von SPDs, die einen Schutz- pfad zwischen jedem aktiven Leiter (Außenleiter und Neutralleiter, falls vorhanden) und PE-Leiter aufweist. Dieses Anschlussschema wird oft auch als x+0-Schaltung bezeichnet, wobei x für die Anzahl der aktiven Leiter steht (Abb. 51). • Anschlussschema CT2: Eine Kombina- L3 D P S N D P S L1 D P S L2 D P S PE Abb. 51: Anschlussschema CT1 bzw. 4+0-Schaltung N L3 D P S L1 D P S L2 D P S D P S PE Abb. 52: Anschlussschema CT2 bzw. 3+1- Schaltung tion von SPDs, die einen Schutzpfad zwischen jedem Außenleiter und Neu- tralleiter und einen Schutzpfad zwi- schen dem Neutralleiter und PE-Leiter aufweist. Dieses Anschlussschema wird oft auch als x+1-Schaltung bezeichnet, wobei x für die Anzahl der Außenleiter steht (Abb. 52). L1 N L2 L3 GND L1 L2 L3 N GND L1 N L2 GND Abb. 48: Wye-System Abb. 49: Delta-System (high-leg) Abb. 50: Split-Phase-System 34 Phoenix Contact

Grundlagen des Überspannungsschutzes | Einsatzgebiete Die mögliche Anwendung der Anschluss- schemata in den einzelnen Netzsystemen ist in Tabelle 4 aufgeführt. Für den Einsatz von SPDs zwischen Neutral- und Schutzleiter in IT-Systemen ist zu beach- ten, dass die Kurzschlussfestigkeit und ggf. die Folgestrom-Löschfähigkeit des SPDs mindestens dem zu erwartenden Kurzschlussstrom am Einbauort im Fall eines zweifachen Erdschlusses entspre- chen muss. Anschlussschema CT2 Phoenix Contact bietet für TN- und TT-Systeme vorrangig SPDs im Anschlussschema CT2 an. Die Vor- teile dieses Anschlussschemas sind: • Universelle Einsetzbarkeit in sämtlichen Ländern der Welt • Geringerer Schutzpegel zwi- schen Außen- und Neutralleiter • Keine Leckströme zum Schutz- leiter durch den Einsatz von Funkenstrecken zwischen Neu tral- und Schutzleiter 6.1.9 Anschluss und Über stromschutz von SPDs Beim Auftreten transienter Überspan- nungen kann auf elektrischen Leitern ein induktiver Spannungsfall entstehen. Speziell beim Anschluss von Überspan- nungsschutz kann dieser zusätzliche Spannungsfall auf den Anschlussleitungen die Schutzwirkung abschwächen. Daher sind die Anschlussleitungen von SPDs immer so kurz wie möglich und unter Vermeidung geringer Biegeradien zu verlegen. Der Anschluss von SPDs kann grundlegend auf zwei verschiedene Weisen erfolgen: • Stichverdrahtung (stub wiring), siehe Abb. 53 • V-Verdrahtung (V-shaped wiring, Kelvin connection), siehe Abb. 54 In beiden Fällen sollte nach IEC 60364 Teil 5, Kapitel 53, Hauptabschnitt 534 [11] wenn immer möglich die Summe der Leitungslängen a, b und c 0,5 m nicht überschreiten. Im Fall der V-Verdrahtung ist dies besonders leicht zu gewährleisten, da hier nur die Länge c relevant ist. So kann auch der Gesamt- schutzpegel bestehend aus Schutzpegel des SPDs und Spannungsfall entlang der Anschlussleitungen am besten minimiert werden. Netzsystem am Einbauort des SPD TN-System TT-System IT-System mit mitgeführtem Neutralleiter IT-System ohne mitgeführten Neutralleiter Anschlussschema CT1 CT2 Nur nach einer Fehlerstrom- Schutzeinrichtung Nicht anwendbar Im Fall der Stichverdrahtung kann bzw. muss das SPD je nach Nennwert der vorgelagerten Überstromschutzein- richtung F1 mit einer zweiten zusätzli- chen Überstromschutzeinrichtung F2 mit niedrigerem Strom-Nennwert geschützt werden. Diese Verdrahtung ermöglicht prinzipiell den Einsatz in Anlagen mit beliebig großen Nennströmen, solange der prospektive Kurzschlussstrom am Einbauort des SPDs dessen Kurzschluss- festigkeit nicht übersteigt. Die V-Verdrahtung kann hingegen nur bis zu einem Nennwert der vorge- lagerten Überstromschutzeinrichtung F1 bzw. einem Nennstrom der Anlage eingesetzt werden, der die Dauerstrom- belastbarkeit der Anschluss leitungen und der Anschlussklemmen des SPDs nicht überschreitet. F1 F2 b D P S a c Abb. 53: Stichverdrahtung F1 D P S c Tabelle 4: Anschlussschemata und Netzsysteme Abb. 54: V-Verdrahtung Phoenix Contact 35

Grundlagen des Überspannungsschutzes | Einsatzgebiete Als Teil der elektrischen Installation sind für den Anschluss und den Über- stromschutz von Überspannungsschutz- geräten entsprechende gesetzliche bzw. normative Anforderungen zu erfüllen. Die sollen in erster Linie die Betriebssi- cherheit der Anlage gewährleisten. Des Weiteren sind für eine korrekte Funkti- on des Überspannungsschutzes bestimm- te Bedingungen in Bezug auf Anschluss und Absicherung zu berücksichtigen. Die Anforderungen ergeben sich daher aus unterschiedlichen Teilen der IEC 60364 zur Errichtung von Nieder- spannungsanlagen: zum einen aus Teil 5, Kapitel 53, Hauptabschnitt 534 [11] zur Auswahl und Errichtung von Überspan- nungsschutzgeräten, zum anderen aus Teil 4, Kapitel 43 [12] zu Schutzmaß- nahmen vor Überstrom sowie aus der Produktnorm für Überspannungsschutz- geräte IEC 61643-11 [6]. Anschlussquerschnitte Fasst man diese Anforderungen zusammen, so ergeben sich folgende Bedingungen für die Dimensionierung der Anschlussleitungen von SPDs (bezogen auf PVC-isolierte Kupferkabel): • Die Mindestquerschnitte für die Anschlussleitungen von SPDs ergeben sich zunächst aus den Anforderungen für die Installation von Überspan- nungsschutzgeräten je nach Anschluss der aktiven Leiter oder der Haupt- erdungsschiene (HES)/des Schutz- leiters (PE(N)) sowie dem Typ des SPDs: – Anschlussquerschnitt der aktiven Leiter für SPDs des Typs 1: min. 6 mm² – Anschlussquerschnitt der aktiven Leiter für SPDs des Typs 2: mind. 2,5 mm² 36 Phoenix Contact – Anschlussquerschnitt zur Haupt- erdungsschiene bzw. zum Schutz- leiter für SPDs des Typs 1: mind. 16 mm² – Anschlussquerschnitt zur Haupt- erdungsschiene bzw. zum Schutz- leiter für SPDs des Typs 2: mind. 6 mm² • Ab einem bestimmten Nennwert des vorgelagerten Überstromschutzes ergeben sich die Mindestquerschnitte durch die Anforderung nach Kurz- schlussfestigkeit der Anschlussleitun- gen • Führen die Anschlussleitungen von SPDs Betriebsstrom, so kann ab einem gewissen Stromwert die Dauerstrombelastung der Leitungen den Mindestquerschnitt vorgeben Überstromschutz Für die Ausführung des Überstrom- schutzes von SPDs muss zunächst eine Priorisierung durchgeführt werden: • Priorität der Anlagenversorgung: Stichverdrahtung mit separater Überstromschutzeinrichtung F2 im Stich • Priorität des Überspannungsschutzes der Anlage: V- oder Stichverdrahtung ohne separate Überstromschutzein- richtung F2 Im ersten Fall wird durch die separate Überstromschutzeinrichtung F2 gewähr- leistet, dass diese bei Ausfall des SPDs, z. B. durch einen Kurzschluss, auslöst. Die vorgelagerte Überstromschutz- einrichtung F1 löst nicht aus, sodass die Versorgung der zu schützenden Betriebsmittel nicht unterbrochen wird. In diesem Fall sind die Betriebsmittel jedoch nicht mehr vor nachfolgenden Überspannungsereignissen geschützt. Im zweiten Fall übernimmt die vorgelagerte Überstromschutzeinrich- tung F1 den Überstromschutz bei Ausfall des SPDs. Hierbei wird der Ausfall der Versorgung in Kauf genommen, sodass kein Schaden durch nachfolgende Über- spannungsereignisse entstehen kann. Für die Dimensionierung des Über- stromschutzes sind verschiedene Punkte zu beachten: • Selektivität der jeweiligen Überstrom- schutzeinrichtung zu vorgelagerten Überstromschutzeinrichtungen. • Die letzte Überstromschutzeinrich- tung vor dem SPD darf den vom Hersteller für das SPD spezifizierten maximalen Nennwert der vorgelager- ten Überstromschutzeinrichtung nicht überschreiten. • Die vorgelagerte Überstromschutz- einrichtung sollte die je nach Blitz- schutzklasse geforderten Amplituden von Blitz- und Stoßströmen nach Möglichkeit tragen können. Speziell im Hinblick auf energiereiche Blitzströ- me können zu klein dimensionierte Sicherungen eine Gefahr darstellen, da sie durch den in kürzester Zeit hohen Energieeintrag zerstört werden können. Die Einhaltung von Selektivität hat dabei die oberste Priorität. Für den einfachen Fall, dass die beiden zu betrachtenden Überstromschutzeinrichtungen gG- Sicherungen sind, gilt bis zu einem Nenn- wert von 1250 A, dass F2 × 1,6 ≤ F1 sein muss. Handelt es sich bei einer oder beiden Überstromschutzeinrich- tungen um Leitungsschutzschalter oder Leistungsschalter, müssen deren Aus- schaltcharakteristika miteinander bzw. mit der Sicherungscharakteristik vergli- chen und ggf. aufeinander abgestimmt werden. Dies ist der Fall, wenn sich die Kurven nicht berühren oder überlappen (Abb. 55 und 56). Des Weiteren müssen sie in Bereichen von Kurzschlussströmen ausreichen den zeitlichen Abstand haben, damit die jeweils nachgelagerte der beiden Überstromschutzeinrichtungen anspricht und abschaltet. Ähnliches gilt auch für den Fall, dass ein Leitungsschutzschalter oder Leistungs schalter als F1 den Überstrom- schutz für das SPD darstellen soll, ohne separate Überstromschutzeinrichtung F2. Dann muss die Ausschaltcharakteris- tik des Schalters entsprechend mit der

Grundlagen des Überspannungsschutzes | Einsatzgebiete Auslöse- zeit t F2: Sicherung F1: Leistungsschalter 1 h 10 min 1 min 10 s 1 s 100 ms 10 ms 1 ms 100 1 k 10 k 100 k I [A] Auslöse- zeit t 1 h 10 min 1 min 10 s 1 s 100 ms 10 ms 1 ms 100 F1: Leistungs- schalter max. Vorsicherung 1 k 10 k 100 k I [A] Abb. 55: Ausschaltcharakteristika eines Leistungsschalters (F1) und einer dazu selektiven gG-Sicherung (F2) Abb. 56: Ausschaltcharakteristik eines Leistungsschalters (F1), der als vorgelagerte Überstromschutzeinrichtung für ein SPD mit maximaler Vorsicherung von 315 A gG geeignet ist Charakteristik des vom Hersteller für das SPD spezifizierten maximalen Über- stromschutzes verglichen werden und darf diese im Bereich von Kurzschluss- strömen nicht überschreiten. Hier lassen sich meist keine pau- schalen Aussagen treffen bzw. nur für vergleichsweise niedrige Nennströme von Schaltern verglichen mit den Nenn- strömen der typischerweise für SPDs spezifizierten maximalen Vorsicherungen der gG-Charakteristik. Ist z. B. eine maximale Vorsicherung von 315 A gG spezifiziert, so kann im Vergleich nur ein 125-A-Leitungsschutzschalter der C-Charakteristik pauschal als Vorsiche- rung für das SPD dienen. Schalter höhe- ren Nennstroms oder anderer Charakte- ristik müssen im Einzelfall betrachtet und ggf. geprüft werden (Abb. 56). SPDs mit integriertem Überstromschutz Eine besonders einfache Lösung für die Installation von SPDs in Hinblick auf den Überstromschutz sind Produkte, die bereits entsprechende Sicherungen bein- halten, wie z. B. der FLASHTRAB SEC HYBRID. Abb. 57: FLT-SEC-H-T1-1C-264/25-FM FLASHTRAB SEC HYBRID Dank der integrierten Sicherung werden keine externen Siche- rungselemente benötigt, Platz und Kosten werden deutlich reduziert. Die Schutzwirkung wird erhöht, da die über der Sicherung auftre- tende Spannungsdifferenz bereits im Schutzpegel des SPDs enthalten ist. Die für SPDs geforderten kur- zen Anschlussleitungen lassen sich leicht realisieren (Abb. 57). Phoenix Contact 37

Grundlagen des Überspannungsschutzes | Einsatzgebiete 6.1.10 Safe Energy Control Technology (SEC) Phoenix Contact bietet ein ideal aufeinander abgestimmtes SPD-Portfolio mit dem sich mehrstufige Schutzkon- zepte einfach realisieren lassen. Über- spannungsschutzgeräte mit Safe Ener- gy Control-Technologie (SEC) verbinden maximale Leistungsfähigkeit mit hoher Langlebigkeit, sodass elektrische Aus- stattungen immer sicher geschützt sind und Wartungskosten reduziert werden. Die Installation der SPDs mit SEC- Technologie ist einfach, kosten- und platzsparend. Die einzelnen SPD-Typen finden sich in den Produkt familien nach Tabelle 5 wieder. Rückwirkungsfrei und langlebig Ein durchgängiges Überspannungsschutz- konzept benötigt einen leistungsfähigen Blitzstromableiter / Kombiableiter Typ 1(/2). Herkömmliche Typ-1-Funken- strecken belasten die Installation mit hohen Netzfolgeströmen, die zum Auslö- sen des vorgelagerten Überstromschut- zes führen können. Die Blitzstromablei- ter / Kombiableiter der SEC-Technologie SPD-Typ Produktfamilie Typ 1 Typ 2 Typ 3 FLASHTRAB SEC (FLT-SEC) VALVETRAB SEC (VAL-SEC) PLUGTRAB SEC (PLT-SEC) Tabelle 5: Produktfamilien mit Safe Energy Control-Technologie sind die ersten mit netz folgestromfreier Funkenstreckentechnologie. Das Ver- meiden von Netzfolgeströmen schont die komplette Installation. Das bedeutet, sowohl das geschützte Equipment als auch die gesamte Einspeisung einschließ- lich des SPD wird ausschließlich durch den Ableitvorgang und damit minimal belastet. Das Nicht-Auslösen vorgela- gerter Sicherungsorgane garantiert ein Maximum an Verfügbarkeit der Anlage. Vorsicherungsfreie Lösung für jede Applikation Die leistungsfähigen Blitzstromableiter / Kombiableiter und Überspannungs- schutzgeräte mit Safe Energy Control- Technologie bieten für alle gängigen Anwendungen eine Lösung ohne den Einsatz einer separaten Ableitervorsiche- rung. Für Applikationen, in denen der Schutz der Installation oberste Priorität hat, können Typ-1- und Typ-2-SPDs bis zu Hauptsicherungswerten von 315 A gG ohne separaten Überstromschutz einge- setzt werden. Für darüber hinausgehen- de Anwendungen werden Produkte mit integrierter stoßstromfester Sicherung angeboten, wie z. B. der FLASHTRAB SEC HYBRID. Die Typ-3-SPDs der PLUGTRAB SEC-Produktfamilie können in Stichverdrahtung ohne jegliche Vorsi- cherung betrieben werden, ebenfalls dank integrierter stoßstrom fester Sicherungen. FLASHTRAB N/PE FLT-SEC-P T1-N/PE-350/100-P FLASHTRAB T1 FLT-SEC-P T1-350/25-P FLASHTRAB T1 T1 FLT-SEC-P FLT-SEC-P T1-350/25-P T1-350/25-P FLASHTRAB T1 FLT-SEC-P T1-350/25-P VALVETRAB VALVETRAB VALVETRAB VALVETRAB N/PE T2 T2 T2 VAL-SEC-T2 VAL-SEC N/PE-350-P T2-350-P VAL-SEC T2-350-P VAL-SEC T2-350-P 11 12 PLUGTRAB T3 PLT-SEC T3-3S-230-P F1 L1 L2 L3 N PE F2* F1 F2* F1 F2* L1 L2 L3 N PE * F2 nur notwendig wenn F1 > 315 A Abb. 58: Anschlussbeispiel von Überspannungsschutzgeräten in einem TN-S System 38 Phoenix Contact

Grundlagen des Überspannungsschutzes | Einsatzgebiete In den weiteren Unterverteilungen für Maschinenhalle und Büroräume der Produktionsanlage wird der Schutzzo- nenübergang 1 Typs 2 der Produktfamilie VALVE- TRAB SEC vollzogen. 2 durch SPDs des Eine Einspeisung als TN-C-System, wie in diesem Beispiel angenommen, wird in der Regel bereits in der Haupt- verteilung in ein TN-S-System gewandelt. Somit ist die restliche Installation mit getrennt verlegtem Neutral- und Schutz- leiter realisiert. Als SPD des Typs 2 bietet sich dann der VAL-SEC-T2-3S- 350-FM an (Abb. 62). In den Maschinen- schaltschränken und im Büro wird direkt vor empfindlichen Endgeräten der Schutzzonenübergang 2 3 durch SPDs des Typs 3 der Produktfamilie PLUG- TRAB SEC vollzogen. Für ein mit 230 V Nennspannung betriebenes Endgerät bietet sich dann der PLT-SEC-T3-230-FM an (Abb. 63). 11 12 PLUGTRAB T3 PLT-SEC T3-230-P T3 Kompakt und durchgängig steckbar Mit dem FLASHTRAB SEC PLUS 440 umfasst das SEC-Portfolio die kom- pakteste Typ-1-Funkenstrecke dieser Nennspannung und mit dem VALVE- TRAB SEC das schmalste Typ-2-SPD. Das FLASHTRAB SEC T1+T2 ist die einzige direkt koordinierte Kombination aus Typ-1-Funkenstrecke und Typ-2-Va- ristorableiter auf kleinstem Raum. Sämt- liche Produkte des SEC-Portfolios sind steckbar: eine erhebliche Erleichterung bei Wartungsarbeiten. 6.1.11 Mehrstufige Schutzkonzepte Mit den SPDs des SEC-Portfolios lassen sich sehr einfach mehrstufige Schutz- konzepte für gängige Installationen zusammenstellen. Parameter wie höchste Dauerspannung, Schutzpegel und Ableit- vermögen sind optimal aufeinander abgestimmt. Industrielle Produktionsanlage mit äußerem Blitzschutzsystem Am Gebäudeeintritt der Versorgungs- leitungen im Umfeld der Niederspan- nungshaupteinspeisung wird der Schutz- 1 durch ein SPD zonenübergang 0A des Typs 1 der Produktfamilie FLASH- TRAB SEC vollzogen. Je nach Netzsys- tem, zu wählendem Anschlussschema und Spannungsebene der Einspeisung gibt es verschiedene Typen und Schal- tungsvarianten der SPDs. Handelt es sich z. B. um ein dreiphasiges 230/400-V-AC- TN-C-System, bietet sich der FLT-SEC-P- T1-3C-350/25-FM an (Abb. 60). Alternativ kann hier auch die Ableiterkombination FLASHTRAB SEC T1+T2 (Abb. 61) eingesetzt werden. Diese direkt koordinierte Kombination aus einem SPD des Typs 1 auf Funken- streckenbasis und einem SPD des Typs 2 auf Varistorbasis bietet viele Vorteile beim Einsatz direkt in der Hauptvertei- lung. VALVETRAB VALVETRAB VALVETRAB VALVETRAB N/PE T2 T2 T2 VAL-SEC-T2 VAL-SEC N/PE-350-P T2-350-P VAL-SEC T2-350-P VAL-SEC T2-350-P T2 FLASHTRAB T1 FLT-SEC-P T1-350/25-P FLASHTRAB T1 T1 FLT-SEC-P FLT-SEC-P T1-350/25-P T1-350/25-P FLASHTRAB T1 FLT-SEC-P T1-350/25-P PEN PEN T1 Abb. 59: Mehrstufiges Schutzkonzept am Beispiel einer industriellen Produktionsanlage Phoenix Contact 39

Grundlagen des Überspannungsschutzes | Einsatzgebiete FLASHTRAB SEC Die Typ 1 SPDs der FLASHTRAB SEC-Familie nutzen allesamt die netzfolgestromfreie Funkenstreckentechnologie. Sie garantieren damit maximale Anlagenverfügbarkeit, da vorge- lagerte Überstromschutzorgane beim Ableitvorgang nicht ausgelöst werden, und weisen eine besonders hohe Langlebigkeit auf. FLASHTRAB SEC T1+T2 Die am Markt einzigartige Ableiter- kombination FLASHTRAB SEC T1+T2 schützt empfindliches Equipment optimal durch: • Leistungsfähige SEC-Funkenstrecke zur Ableitung direkter Blitzströme • Varistorableiter zur Begrenzung dynamischer Überspannungen • Ideale Energieaufteilung zwischen Typ 1 und Typ 2 SPD VALVETRAB SEC Der VALVETRAB SEC T2 besticht neben der schmalen Bauform – nur 12 mm pro Pol – vor allem durch die leistungsfähige, interne thermische Abtrennvorrichtung. Das SPD kann dadurch ohne weitere Vorsicherung bis zu 315 A gG eingesetzt werden. Es PLUGTRAB SEC Der PLUGTRAB SEC T3 verfügt über integrierte stoßstromfeste Sicherun- gen. Daher kann er sowohl mit Wech- selstrom als auch mit Gleichstrom betriebene Endgeräte schützen. Der integrierte Überstromschutz ermög- licht einen Anschluss in Stichverdrah- ist auch möglich, das SPD in Netzen mit prospektiven Kurzschlussströmen am Einbauort von bis zu 50 kA zu betreiben. tung ohne separate Vorsicherung – unabhängig vom Nennstrom und der Absicherung des Stromkreises. Abb. 60: FLT-SEC-P-T1-3C-350/25-FM Abb. 61: FLT-SEC-T1+T2-3C-350/25-FM Abb. 62: VAL-SEC-T2-3S-350-FM Abb. 63: PLT-SEC-T3-230-FM 40 Phoenix Contact

Grundlagen des Überspannungsschutzes | Einsatzgebiete 6.2 Schutz von Gleichspannungssystemen mit linearen Spannungsquellen Das Betriebsverhalten von Gleichstrom- anlagen kann aufgrund großer Unter- schiede in deren Quellencharakteristik sehr stark voneinander abweichen. Eine einfache Auswahl von Überspannungs- schutzgeräten ohne genaue Kenntnis der Eigenschaften der jeweiligen Anlage ist daher nicht möglich. Das gilt insbeson- dere für Anlagen mit begrenzten oder niedrigen Kurzschlussströmen. Gleichspannungs-Stromversorgungs- systeme mit linearer Quellencharakte- ristik werden vorrangig eingesetzt für: • Verbraucher mit niedriger Gleich- strom-Versorgungsspannung, z. B. speicherprogrammierbare Steuerungen oder Telekommunikati- onsanlagen • Mobil betriebene Verbraucher, z. B. Gabelstapler oder Bordstromsysteme • Batteriespeicher von USV-Anlagen • Rechenzentren • Schienenfahrzeuge Typische Stromquellen von Gleichspan- nungs-Stromversorgungsanlagen mit linearer Quellencharakteristik sind dabei: • Gesteuerte und nicht-gesteuerte Gleichrichter mit oder ohne Glättung • Geregelte Netzteile • Ladenetzteile • Batteriesätze Auswahl von Überspannungsschutz- geräten Die Auswahl von SPDs für Gleich- strom anlagen ist in der Regel erheblich komplexer als für Wechselspannungs- Stromversorgungsanlagen. Bei Wechselstromanlagen gibt es häu- fig nur eine genau definierte Stromquelle, bei Gleichstromanlagen allerdings oft mehrere Stromquellen mit unterschied- lichem Betriebsverhalten. Das gilt besonders bei batteriebetriebenen Gleichstromanlagen. In den meisten Wechselstromanlagen ist der minimale Kurzschlussstrom hoch genug, um vorgelagerte Überstrom- schutzeinrichtungen in wenigen Millise- kunden zum Auslösen zu bringen. Dies ermöglicht eine einfache Auswahl von Sicherungen, die im Fehlerfall das System zuverlässig schützen, aber hinsichtlich ihrer Bemessung auch Stoßströme tragen können. Bei Gleichstromanlagen mit begrenzten oder niedrigen Kurzschluss- strömen ist es jedoch sehr wichtig, auch den minimalen prospektiven Kurz- schlussstrom am Einbauort des SPDs zu kennen, um grundlegenden Sicherheits- anforderungen gerecht zu werden. Das Abb. 64: VALVETRAB SEC DC Nicht-Auslösen von Sicherungen durch Stoßstrombelastungen ist dann als unter- geordnet anzusehen. Wesentliche Auslegungskriterien für die Auswahl von SPDs und zugehörigen Überstromschutzeinrichtungen bei Gleichstromanlagen sind: • Nennspannung der Gleichspannungs-Stromquelle/n • Anzahl, Art und Betriebsverhalten der Gleichspannungs-Stromquelle/n • Maximaler und minimaler prospektiver Kurzschlussstrom am Einbauort des SPDs VALVETRAB SEC DC Phoenix Contact bietet mit der Produktfamilie VALVETRAB-SEC- DC (Abb. 64) Typ 2 SPDs zum Schutz von Gleichspannungssys- temen, die sich durch eine sehr kompakte Bauform auszeichnen. Bei einer Baubreite von nur 12 mm pro Pol verfügen diese SPDs über eine sehr leistungsfähige Abtrennvor- richtung, die DC-Ströme bis 200 A sicher trennen kann. Dies ermög- licht u. a. den vorsicherungsfreien Einsatz der SPDs in der Applikati- on. Durch den niedrigen Schutzpe- gel werden sensible, nachgelagerte Komponenten optimal geschützt. Phoenix Contact 41

Grundlagen des Überspannungsschutzes | Einsatzgebiete Schutzschaltungen für geerdete und nicht-geerdete Gleichstrom- systeme Bevorzugte Schaltungen für SPDs in Gleichstromsystemen richten sich nach dem Anschlussschema CT1 (siehe Abb. 51) und sind entweder ein- oder zweipolig ausgeführt. Eine 2+0-Schaltung ist ebenfalls für geerdete TN-Systeme erforderlich, wenn der Installationsort der SPDs in größe- rer Entfernung zum Erdungspunkt des Systems liegt (Abb. 67). F1 L+ L- PE F2 D P S F1 F1 F2 F2 D P S D P S L+ L- PE F1 L+ L PE F2 F2 D P S D P S Abb. 65: 1+0-Schaltung für geerdete TN-Systeme am Erdungspunkt Abb. 66: 2+0-Schaltung für IT-Systeme Abb. 67: 2+0-Schaltung für geerdete TN-Systeme in größerer Entfernung zum Erdungspunkt Abb. 68: Rechenzentrum mit einem Gleichspannungs-Stromversorgungssystem mit linearer Quellencharakteristik 42 Phoenix Contact

Grundlagen des Überspannungsschutzes | Einsatzgebiete 6.3 Schutz von Gleichspannungssystemen in Photovoltaikanlagen Die Nutzung regenerativer Energiequel- len hat in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen. Neben Wind- kraftanlagen, Wasserkraftwerken oder Biomasseanlagen liefern photovoltaische Stromerzeugungssysteme (PV-Anlagen) einen bedeutenden Anteil an regenerativ erzeugter Energie. PV-Anlagen werden z. B. als Aufdachanlagen auf Einfamilien- häusern und Industriegebäuden sowie Freiflächenanlagen ausgeführt. Aufgrund ihrer exponierten Lage sind diese Anla- gen einem erhöhten Risiko ausgesetzt durch Blitzeinwirkungen geschädigt zu werden. Zur Vermeidung derartiger Schäden und dem damit verbundenen Verlust von Anlagenverfügbarkeit, sind bei der Konzeptionierung Maßnahmen des Blitz- und Überspannungsschutzes zu berücksichtigen. Speziell auf PV- Stromversorgungssysteme zugeschnitte- ne Normen und Richtlinien ermöglichen dabei eine einfache Planung des Blitz- und Überspannungsschutzes für diese Anlagen. bildet diese Thematik im Rahmen der internationalen Normung ab. Diese Standards bilden die Basis für die Qualifizierung von SPDs für den DC-seitigen Einsatz in PV-Anlagen in Hinblick auf deren Leistungsfähigkeit und im Besonderen deren Sicherheit im Fehlerfall. Auswahl und Installation von SPDs für den Schutz von PV-Anlagen Ein wirkungsvoller Schutz vor Blitz- strömen und Überspannungen ist sowohl für den DC- als auch AC-seitigen Teil von PV-Anlagen relevant. Um diesen zu realisieren, sind neben den allge- meinen Errichtungsbestimmungen für Photovoltaik-Systeme (IEC 60364-7- 712) besondere Leitlinien zur Auswahl und Einbau von SPDs zum DC-seitigen Anlagenschutz zu berücksichtigen. Dies sind CLC/TS 50539-12 bzw. nachfolgend CLC/TS 61643-32 als technische Spezifikation auf europäischer Ebene sowie IEC 61643-32 [18] als interna- tionales Pendant. Anforderungen an SPDs für den Einsatz in PV-Anlagen Die Charakteristik von PV-Quellen stellt besondere Anforderungen an SPDs für den DC-seitigen Schutz von PV-Anlagen. Im Vergleich zu konventionellen Nieder- spannungs-Stromversorgungssystemen zeichnen sich PV-Anlagen insbesondere durch folgende Eigenschaften aus: • Hohe DC-Systemspannungen bis zu 1500 V • Quellencharakteristik, die einer nichtlinearen Stromquelle entspricht • Betriebsstrom im optimalen Arbeits- punkt (MPP), der nur wenige Prozent unterhalb des Kurzschlussstroms der Anlage liegt • Abhängigkeit des Kurzschlussstroms von Umgebungsbedingungen wie z. B. Einstrahlung und Temperatur Allein bezogen auf das Überlast-Ausfall- verhalten von DC-seitig eingesetzten Geräten und Komponenten ergeben sich daraus wesentliche Konsequenzen: Auf- grund des nicht definierten Kurzschluss- stroms ist eine sinnvolle Koordination von Überstromschutzgeräten bzw. Sicherungen zu SPDs in diesen Anlagen oftmals schwierig. Zum anderen stellt die nichtlineare Quellencharakteristik bei Schaltvorgängen sehr hohe Anforderun- gen an die Leistungsfähigkeit von Schalt- geräten, Sicherungen sowie sonstiger Abtrenneinrichtungen. Vor diesem Hintergrund wurden spezielle Anforderungen an SPDs für den Einsatz in PV-Anlagen sowie deren prüftechnischen Nachweis definiert und erstmalig in der europäischen Norm EN 50539-11 veröffentlicht. Ein beson- derer Fokus dieser Normen liegt dabei auf dem Überlast- und Ausfallverhalten von SPDs für den DC-seitigen Anla- genschutz. Insbesondere Möglichkeiten zur labortechnischen Nachbildung der Quellencharakteristik von PV-Anlagen sind dort beschrieben. IEC 61643-31 [8] Phoenix Contact 43

Grundlagen des Überspannungsschutzes | Einsatzgebiete 6.3.1 PV-Anlagen auf Gebäuden Bei der Auslegung und Installation von SPDs zum Schutz von PV-Anlagen ist grundlegend zwischen baulichen Anlagen (Gebäuden) und Freiflächenanlagen zu unterscheiden. Bei baulichen Anlagen ist die PV- Anlage Teil der Gebäudestruktur und mit der Elektroinstallation verbunden. Für die korrekte Auslegung und Instal- lation von SPDs in diesen Anlagen sind folgende Aspekte relevant: • Kennwerte des Versorgungssystems, wie z. B. Netzform, Nennspannung und Kurzschlussstrom • Zu erreichende Blitzschutzklasse (LPL) • Vorhandensein einer äußeren Blitz- schutzanlage sowie die Anzahl der Ableitungen des äußeren Blitzschutz- systems • Einhaltung des Trennungsabstands • Einbauort des Wechselrichters • Leitungslängen zwischen zu schützenden Geräten Basierend auf dem Eigenschaftsprofil der zu schützenden PV-Anlage, das durch die oben genannten Aspekte charakte- risiert ist, werden in IEC 61643-32 [18] Empfehlungen für die Einbauorte von SPDs sowie Anforderungen an deren Leistungsfähigkeit getroffen. Hierbei wird zwischen Gebäudeinstal- lation mit und ohne äußerem Blitz- schutzsystem unterschieden. Bei bauli- chen Anlagen ohne äußerem Blitzschutz- system ist für den Schutz der PV-Anlage in der Regel ein Typ-2-SPD mit einem Ableitvermögen von mindestens 5 kA (8/20 µs) je Schutzpfad ausreichend. Dies gilt sowohl für den DC- als auch für den AC-seitigen Anlagenschutz, SPD DC kWh SPD DC HAK SPD AC Abb. 69: Aufdachanlage auf einem Einfamilienhaus 44 Phoenix Contact L+/- L /+- PE Abb. 70: Y-Schaltung aus drei Varistoren mit thermischen Trennstellen Vorteile der Y-Schaltung Alle Überspannungsschutzgerä- te von Phoenix Contact für den DC-seitigen Schutz von PV-Anlagen basieren auf der sogenannten Y-Schaltung. Bei dieser fehler- resistenten Schaltung sind zwischen allen Potenzialen immer zwei Varistoren mit entsprechend koor- dinierten Abtrennvorrichtungen in Serie geschaltet. Somit ist gewähr- leistet, dass auch im Extremfall bei Versagen eines der Varistoren der Stromfluss durch den zweiten sicher unterbrochen werden kann. Dadurch wird ein Höchstmaß an Sicherheit erzielt.

Grundlagen des Überspannungsschutzes | Einsatzgebiete sofern landesspezifische Vorschriften keine höheren Anforderungen definieren, wie z. B. die Forderung von Typ-1-SPDs zum Schutz der AC-Seite der Anlage. Bei Gebäuden mit PV-Anlagen und äußerem Blitzschutzsystem bei denen der geforderte Trennungsabstand zu allen leitfähigen Teilen des Gebäudes sowie der Elektroinstallation eingehalten wird, ist für den AC-seitigen Anlagen- schutz ein Typ-1-SPD erforderlich. Für den DC-seitigen Anlagenschutz ist auch in diesem Fall ein Typ-2-SPD mit einem Ableitvermögen von mindestens 5 kA (8/20 µs) je Schutzpfad ausreichend. Für den Fall, dass der geforderte Trennungsabstand jedoch nicht einge- halten wird, ist für den DC-seitigen Anlagenschutz ein Typ-1-SPD erforder- lich. IEC 61643-32 [18] legt hierzu das geforderte Ableitvermögen für die ein- zusetzenden SPDs in Abhängigkeit der Blitzschutz klasse sowie der eingesetzten SPD- Technologie fest. Die Unterscheidung nach eingesetzter SPD-Technologie basiert auf der Tatsa- che, dass das SPD selbst Einfluss auf die Blitzstromverteilung in der Anlage ausübt und damit verbunden – je nach Techno- logie – unterschiedlich große Stoßströme ableiten muss. IEC 61643-32 [18] trifft dabei eine Unterscheidung zwischen spannungsbegrenzenden SPDs auf Basis von Varistoren und spannungsschalten- den SPDs auf Basis von Funkenstrecken oder gasgefüllten Überspannungsablei- tern (gas discharge tube, GDT). Kombi- nationen aus diesen Grundbauelemen- ten werden wie folgt betrachtet: Die Reihenschaltung aus Varistor und GDT wird ebenfalls als spannungsbegrenzend betrachtet, demgegenüber gilt die Par- Spannungsbegrenzende SPDs MOV MOV + GDT in Reihe Blitzschutzklasse LPL Maximaler Blitzstoßstrom (10/350 µs) I oder unbekannt II III oder IV 200 kA 150 kA 100 kA Anzahl der äußeren Ableitungen <4 ≥4 pro Schutzpfad Itotal pro Schutzpfad Itotal I8/20 I10/350 I8/20 17 kA 10 kA 34 kA 12,5 kA 7,5 kA 25 kA 8,5 kA 5 kA 17 kA I10/350 20 kA 15 kA 10 kA I8/20 10 kA I10/350 5 kA I8/20 20 kA I10/350 10 kA 7,5 kA 3,75 kA 15 kA 7,5 kA 5 kA 2,5 kA 10 kA 5 kA Tabelle 6: Werte für spannungsbegrenzende SPDs in der PV-Applikation auf einem Gebäude bei nicht eingehaltenem Trennungsabstand Spannungsschaltende SPDs Blitzschutzklasse LPL Maxi maler Blitzstoßstrom (10/350 µs) I oder unbekannt II III oder IV 200 kA 150 kA 100 kA GDT MOV + GDT parallel Anzahl der äußeren Ableitungen <4 ≥4 pro Schutzpfad I10/350 25 kA 18,5 kA 12,5 kA Itotal 50 kA 37,5 kA 25 kA pro Schutzpfad I10/350 12,5 kA 9 kA 6,25 kA Itotal 25 kA 18 kA 12,5 kA Tabelle 7: Werte für spannungsschaltende SPDs in der PV-Applikation auf einem Gebäude bei nicht eingehaltenem Trennungsabstand Phoenix Contact 45

Grundlagen des Überspannungsschutzes | Einsatzgebiete allelschaltung als spannungsschaltend. Für einen effektiven Anlagenschutz gibt IEC 61643-32 [18] weiterhin Hinweise zur Anzahl der zu installierenden SPDs sowie zu deren optimalen Installations- ort. Zum Schutz des Wechselrichters gilt die Empfehlung, die SPDs möglichst nah am Wechselrichter zu installieren. Überschreitet die Leitungslänge zwi- schen PV-Modulen und Wechselrichter 10 m, ist ein zusätzliches Schutzgerät am anderen Leitungsende im Bereich der PV-Module zu installieren, um auch diese effektiv zu schützen. In Anlagen mit äußerem Blitzschutz- system und nicht-eingehaltenem Tren- nungsabstand müssen zudem die metal- lenen Rahmen und Trägersysteme der PV-Module blitzstromtragfähig mit dem Blitzschutzsystem verbunden werden. Unabhängig von der jeweiligen Leitungs- länge muss in diesem Fall an jedem Ein- bauort ein SPD Typ 1 installiert werden. Grund hierfür ist, dass alle Leitungen der PV-Anlage als parallele Pfade zu den Potenzialausgleichsleitungen und den Gebäudeableitungen betrachtet werden und, verbunden über die SPDs, Blitzteil- ströme tragen müssen. Abb. 71: Freiflächenanlage mit äußerem Blitzschutzsystem 46 Phoenix Contact

Grundlagen des Überspannungsschutzes | Einsatzgebiete 6.3.2 Freiflächenanlagen Für die ordnungsgemäße Auslegung von Blitz- und Überspannungsschutzsystemen für PV-Freiflächenanlagen sind im Vergleich zu baulichen Anlagen noch weitere Aspekte relevant: • Potenzialausgleich-Maschenweite • Ausführung des Erdungssystems • Verwendung von Wechselrichtertypen (String- oder Zentralwechselrichter) Freiflächenanlagen sind in der Regel durch ein stark vermaschtes Potenzial- ausgleichssystem charakterisiert, das im Regelfall mit einer Vielzahl von Tiefen- erdern versehen ist. Die Modulrahmen sind ebenfalls an das Potenzialausgleichs- system angebunden. Die Leitungslängen zwischen den PV-Modulen und dem Einspeisepunkt können in diesen Anlagen mehrere 100 m betragen. Kommt es zu einem Einschlag in das äußere Blitzschutzsystem werden Blitz- teilströme in das Potenzialausgleichssys- tem eingekoppelt. Daher sind Freiflä- chenanlagen mit Zentralwechselrichtern DC-seitig mit Typ-1-SPDs zu schützen, deren benötigte Leistungsfähigkeit in Tabelle 8 angegeben ist. Für Freiflächenanlagen mit String- Wechselrichtern, die nahe der PV- Module installiert sind, gilt: Für den Schutz der AC-Seite sind SPDs zu wählen deren Ableitfähigkeit analog zu den Werten aus Tabelle 8 zu wählen sind. Für den Schutz der DC- Seite sind Typ-2-SPDs mit einem Ableitvermögen von mindestens 5 kA (8/20 µs) je Schutzpfad ausreichend. SPDs auf der DC-Seite Iimp in kA (10/350 µs), In in kA (8/20 µs) spannungsbegrenzende SPDs spannungsschaltende SPDs Blitzschutzklasse LPL Maximaler Blitzstoßstrom (10/350 µs) MOV I10/350 MOV + GDT in Reihe GDT MOV + GDT parallel I8/20 I10/350 pro Schutzpfad Itotal pro Schutzpfad Itotal pro Schutzpfad Itotal III oder IV 100 kA 5 kA 10 kA 15 kA 30 kA 10 kA 20 kA Tabelle 8: Blitzstromparameter (I10/350) und In (I8/20) für SPDs auf der DC-Seite in PV-Freiflächenanlagen mit Zentralwechselrichter VALVETRAB-MB-...-DC-PV Die Kosten einer PV-Anlage können deutlich gesenkt werden durch eine hohe DC-Systemspannung von bis zu 1500 V. Es werden weniger Genera- toranschlusskästen benötig und auch bei der Leitungsverlegung können Materialkosten eingespart werden. Mit der VAL-MB-Produktfamilie setzt Phoenix Contact neue Impulse mit leistungsstarken SPDs für Span- nungen bis 1500 V DC. Diese zeich- nen sich durch ein hohes Gesamt- ableitvermögen Itotal von 12,5 kA (10/350 μs) aus und erfüllen damit alle normativen Anforderungen und Bedingungen der Installationsrichtlinie für den Einsatz in Blitzschutzklasse III und IV. Abb. 72: VAL-MB-T1/T2 1500DC-PV/2+V-FM Phoenix Contact 47

Grundlagen des Überspannungsschutzes | Einsatzgebiete 6.4 Schutz von Signalübertragungskreisen der MSR-Technik In der Mess-, Steuerungs- und Regelungs- technik (MSR-Technik) nimmt die störungs freie Übertragung von Signalen eine zentrale Rolle ein. Der reibungslose Betrieb der Gebäudeleittechnik, Produk- tion oder Prozesstechnik setzt ein hohes Maß an Qualität und Verfügbarkeit der übertragenen Signale voraus. Diese sind jedoch einer zunehmend elektrisch aktiven Umgebung ausgesetzt. Dies gilt besonders für die eher schwachen Signale , die von Sensoren geliefert wer- den. Kleine Spannungen oder Ströme, die geschützt übertragen, aufbereitet und ausgewertet werden müssen, sind immer häufiger elektromagnetischen und hochfrequenten Störungen ausgesetzt. Ursachen dafür sind: • Eine steigende Anzahl elektrisch betriebener Komponenten in allen Leistungsklassen, insbesondere über Frequenzumrichter betriebene Motoren und andere Aktoren. • Eine zunehmende Miniaturisierung und Packungsdichte von Geräte- komponenten. • Eine wachsende Zahl drahtloser Kommunikations- und Steuerungs- einrichtungen. • Digitale Systeme, die mit immer höheren Übertragungsfrequenzen arbeiten. Unzureichende Berücksichtigung dieser Störgrößen, nicht ausreichende Fehleran- passungen oder andere Planungsmängel beeinträchtigen eine fehlerfreie Signal- übertragung. Auch Überspannungen, etwa durch Blitzeinwirkungen, können Funktion und Verfügbarkeit elektronischer Baugruppen der MSR-Technik beeinträchtigen. Über- spannungsbedingte Störungen und Schä- den in Systemen der MSR-Technik lassen sich jedoch durch den Einsatz passge- nauer SPDs wirksam verhindern. Je nach Gefährdungspotenzial und Anspruch an das Schutzniveau kommen SPDs mit kombinierten Schutzschaltun- 48 Phoenix Contact LPZ 1 LPZ 2 LPZ 3 D1 D P S C2 D P S C1 D P S Abb. 73: Blitzschutzzonen und Klassifizierung von Schutzgeräten für MSR und IT-Anlagen nach IEC 61643-22 [16] gen oder mit einzelnen Bauelementen zum Einsatz. Diese werden unmittelbar vor den zu schützenden Signaleingängen installiert. Die Schaltungen der einzuset- zenden SPDs sind an die verschiedenen Signalarten angepasst. 6.4.1 Funktionsweise der Überspannungsschutzge- räte In der MSR-Technik existiert eine Fülle an unterschiedlichen Anwendungen und Signalformen. Daher sind verschie- dene, speziell auf die jeweilige Appli- kation optimierte Schutzschaltungen, erforder lich. Typische Bauelemente für diese Schutzschaltungen sind gasgefüll- te Überspannungsableiter (GDT) und Suppressordioden (Transient Voltage Suppressordiode, TVS-Diode). Varisto- ren werden aufgrund des „Alterungsver- haltens“ (Anstieg des Leckstroms nach starker Belastung) und der größeren Bauform seltener verwendet. GDTs bestehen aus einer Elektro- denanordnung in einem Keramik- oder Glasröhrchen. Zwischen den Elektroden befindet sich ein Edelgas, z. B. Argon oder Neon. Bei Erreichen der Zündspan- nung wird das Bauelement aufgrund der einsetzenden Gasentladung niederohmig. Die Zündspannung ist keine Konstante, sondern weist eine Abhängigkeit von der Anstiegsgeschwindigkeit der Überspan- nung auf. Nach dem Zünden der Entla- dungsstrecke stellt sich typischerweise eine Bogenbrennspannung zwischen 10 Abb. 74: Schaltzeichen eines Gasableiters Abb. 75: Schaltzeichen einer Suppressordiode

Grundlagen des Überspannungsschutzes | Einsatzgebiete und 30 V ein, die als Spannungsfall am SPD messbar ist. GDTs besitzen eine hohe Stoßstromableitfähigkeit von meh- reren zehntausend Ampere (8/20 μs). Mit Werten ab mehreren hundert Volt ist der Schutzpegel jedoch relativ hoch. Suppressordioden werden leitend, wenn eine Spannungsschwelle, bzw. die Sperrspannung UR überschritten wird. Bei der etwas höheren Durchbruchspan- nung UBR fließt über die Suppressordi- ode ein Strom von 1 mA. Hier beginnt die Suppressordiode die Überspannung zu begrenzen. Die maximale Begren- zungsspannung ist die Spannung, die beim Stoßstromimpuls höchstens an der Suppressordiode abfallen kann. Die großen Vorteile von TVS-Dioden sind die Reaktionsgeschwindigkeit und die gute Spannungsbegrenzung. Die Stoßstromab- leitfähigkeit ist jedoch deutlich geringer als die von GDTs. Moderne Schutzgeräte verwenden aufeinander abgestimm- te GDTs und TVS-Dioden, um deren jeweilige Vorteile optimal zu nutzen. So bietet der GDT ein hohes Ableitvermö- gen und die TVS-Diode einen niedrigen Schutzpegel sowie schnelles Ansprech- verhalten. Um dies zu erreichen, ist eine Koordination über Koppelelemente zwischen GDT und TVS-Diode erforder- lich. Die Funktionsweise einer solchen zweistufigen Schaltung wird anhand der Abbildung 76 verdeutlicht. Bei Auftre- ten einer transienten Überspannung zwischen den Signaladern nimmt die TVS-Diode nach kurzer Ansprechzeit einen niederohmigen Zustand ein. Dabei kommt es zu einem Stromfluss über die Diode und den im Signalpfad befindli- chen Entkopplungselementen Rgesamt. Der Spannungsfall an der Diode wird dabei auf den Wert der so genannten „maximum clamping voltage“ bzw. an den Ausgangsklemmen des SPD auf den Wert des Schutzpegels UP begrenzt. Bei optimaler Auslegung der Stromführung durch das SPD ist der Schutzpegel UP nur geringfügig höher als die „maximum clamping voltage“. Um Stoßströme ablei- ten zu können, die die maximale Stoß- stromtragfähigkeit der TVS-Diode über- steigen, muss der GDT den Anteil des Stoßstroms abführen, der ansonsten zu einer Überlastung der TVS-Diode führen würde. Die Kommutierung des Stroms erfolgt dabei abrupt, nachdem die am GDT anliegende Spannung dessen Zünd- spannung UZ erreicht. Bei Einsetzen des Stromflusses sinkt die an der Entladungs- strecke abfallende Spannung auf den Wert der Bogenbrennspannung (typabh. 10 V–30 V) ab. Bei der betrachteten Schutzschaltung (Abb. 76) wird das Kom- mutierungsverhalten wesentlich durch den Widerstand der Entkopplungsele- mente bestimmt, was aus der nachfol- genden Betrachtung deutlich wird. Der Spannungsfall UG am GDT, der dessen Zündverhalten bestimmt, ergibt sich aus dem Spannungsfall entlang der Entkopp- lungselemente (ohmsche Betrachtung) ungeschützt ∆U geschützt Transiente Überspannung Entkopplungswiderstand UG US Gasableiter ∆U Suppressordiode Feld Entkopplungswiderstand Zündspannung UG=2x∆U+US zu schützendes Gerät Abb. 76: Zweistufige Schutzschaltung und dem Spannungsfall US an der TVS- Diode. Aus der näherungsweise linearen Beziehung der vorgenannten Spannungs- fälle wird ersichtlich, dass sich über die Variation des Widerstandswerts der Entkopplungselemente der Spannungsfall am GDT und darüber dessen Ansprech- verhalten sowie der Leistungs umsatz in der TVS-Diode gezielt steuern lässt. Diesen positiven mit der Steigerung von Rgesamt verbundenen Eigenschaften, steht eine Erhöhung der Verlustleistungen in den Entkopplungselementen (Widerstän- den) entgegen. Aus der Eigenerwärmung, verbunden mit der Forderung nach der Einhaltung von Maximaltemperaturen, ergibt sich eine obere Grenze für den Bemessungsstrom des SPD. Phoenix Contact 49

Grundlagen des Überspannungsschutzes | Einsatzgebiete Grundschaltungen Für die MSR-Technik stehen verschie- dene auf die jeweilige Applikation zugeschnittene Schutzschaltungen zur Verfügung. In erster Linie unterscheidet man zwischen Signalformen, die als eigen- ständiger geschlossener Kreis (Loop) ausgeführt sind und Signalen mit einem gemeinsamen Bezugspotenzial bzw. einem gemeinsamen Rückleiter. Die eigenstän- digen geschlossenen Kreise (Loops) sind aus Gründen der Störsicherheit oft vom Erdpotenzial isoliert ausgeführt. Eine häufig vorkommende Anwendung dieser Art ist die 4 bis 20-mA- Stromschleife zur Übertragung von Messwerten. Um die Isolation in der Applikation auch weiterhin zu gewährleisten, werden die SPDs entsprechend ausgelegt. Gasgefüllte Überspannungsableiter gewährleisten im Betriebsfall die Isolation zwischen den Signaladern und dem Erdpotenzial. Im Fall einer anliegenden Überspannung leitet der GDT die Transiente wirksam zur Erde ab und sorgt für eine Spannungs- begrenzung, sodass die Isolationsfestigkeit des Endgeräts nicht überschritten wird. Typische Isolationsfestigkeiten von End- geräten liegen bei 1,5 kV. Neben dem Schutz der Isolationsfestigkeit ist bei MSR-Anwendungen ein Schutz zwischen den Signaladern besonders wichtig, um ein Überschreiten der Spannungsfestig- keit zu verhindern. Die Endgeräte sind für Potenzialunterschiede dieser Art in der Regel wesentlich empfindlicher, da sensible Halbleiterbauelemente der Endgeräte direkt betroffen sind. Häufig liegt die entsprechende Spannungsfestig- keit der Geräte unterhalb von 100 V. Die betroffene Schutzstufe im SPD besteht daher aus einer schnell ansprechenden TVS-Diode, die einen entsprechend niedrigen Schutzpegel realisiert. In Fällen, in denen die Entkopplungs- widerstände im Längspfad nicht zulässig sind, ist eine Schaltungsvariante ohne Entkopplung notwendig. Dies kann bei Pt-100-Zweileiter-Messkreisen der Fall sein, bei denen Widerstände das Mess- ergebnis verfälschen können. Auch bei Aktorschaltungen mit höheren Nenn- strömen wird diese Art der Schutz- schaltung eingesetzt. Durch die fehlende Entkopplung stellt sich jedoch eine gerin- gere Stoßstromtragfähigkeit zwischen den Signaladern ein. Anwendungen mit gemeinsamem Bezugspotenzial erfordern eine beson- ders ausgelegte Schutzschaltung, da die empfindlichen Halbleiterbauteile der Endgeräte auch durch transiente Über- spannungen zwischen den Signaladern und dem Bezugspotenzial beschädigt werden können. Aus diesem Grund sind in diesem Fall die TVS-Dioden zwischen Signal Erde Signal Erde Abb. 77: Grundschaltung für isolierte Signalkreise Abb. 78: Grundschaltung für isolierte Signalkreise (ohne Koppelwiderstände) Signal 1 Signal 2 Erde Signal 1 Signal 2 Bezug Erde Abb. 79: Grundschaltung für Anwendungen mit gemeinsamem Bezugs- potenzial, direkt geerdet Abb. 80: Grundschaltung für Anwendungen mit gemeinsamem Bezugs- potenzial, indirekt geerdet 50 Phoenix Contact

Grundlagen des Überspannungsschutzes | Einsatzgebiete jeder Ader und dem Bezugspotenzial geschaltet. In Fällen, in denen das Bezugspotenzial geerdet ist, kann das SPD, wie in Abb. 79 dargestellt, ver- wendet werden. In manchen Fällen ist eine direkte Verbindung des gemeinsa- men Bezugspotenzials (z. B. Masse) und des Erdpotenzials nicht zulässig oder unerwünscht. Für diesen Anwendungsfall werden Schaltungsvarianten mit einem zusätzlichen GDT zwischen Bezugspoten- zial und Erde verwendet (Abb. 80). Dies wird als indirekte Erdung bezeichnet. 6.4.2 Schutzzonenkonzept in MSR-Anwendungen Auf Basis einer Risikoanalyse wird die Notwendigkeit des Einsatzes von Überspannungsschutz festgestellt. Eine Auswahl der SPDs erfolgt dann anhand der Prüfklasse, die durch den Zonenübergang vorgegeben wird, siehe Abb. 81. Um eine optimale Schutzwir- kung zu erzielen, sollten die SPDs jeweils an den Zonengrenzen platziert werden. Alle Leitungen, die in das Gebäude ein- oder herausgeführt werden, soll- ten durch entsprechende SPDs in den gemeinsamen Potenzialausgleich einge- bunden werden. Das Zonenkonzept ist insbesondere dann anzuwenden, wenn eine äußere Blitzschutzanlage vorhanden ist. Z. B. dient die erste Schutzstufe (j, h) direkt am Gebäudeeintritt vorrangig dem Schutz der Installation vor Zerstörung. Die verwendeten SPDs sollten entspre- chend der zu erwartenden Bedrohung Zonenübergang 0A 1 1 2 2 3 SPD-Typ entsprechend IEC-61643-21 D1 C2 C1 SPD-Typ entsprechend IEC-61643-11 1 2 3 Tabelle 9: Blitzschutzzonen-Übergänge und entsprechende SPD-Typen IB LPZ 0A LPZ 0B LPZ 1 LPZ 3 f ITE g LPZ 2 o D P S n D P S m D P S d d p l D P S k j D P S D P S h IB 50% IB 50% Abb. 81: Zonenkonzept gemäß IEC 61643-22 [16] bemessen sein. Die nachfolgenden SPDs (k,n und m,o) müssen dann nur noch in der Lage sein, die reduzierten Störspan- nungen und Stoßströme auf ein für die Endgeräte akzeptables Maß zu reduzie- ren. Anders als bei der Installation von SPDs für Stromversorgungssysteme muss bei den MSR-Signalen nicht an jedem Zonenübergang zwingend ein SPD instal- liert werden (siehe IEC 61643-22, [16]). In der Praxis wird diese Möglichkeit, die Signalkabel aus dem Feld nicht an jedem Zonenübergang aufzutrennen, genutzt. Der Installationsaufwand wird hiermit gering gehalten. Mehrere Schutz- stufen sind daher in einem MSR-SPD kombiniert. Dieser Schutzbaustein kann dann praxisgerecht vor dem zu schüt- zenden Gerät, z. B. den Eingängen einer Steuerung installiert werden. Im Ver- gleich zu SPDs für die Stromversorgung gem. IEC 61643-11 unterscheidet man hier allerdings nicht nach T1, T2, T3, sondern klassifiziert die SPDs je nach Ableitvermögen. D1 für Blitzimpulse an der Zonengrenze LPZ 0/1, C2 für reduzierte Störimpulse an LPZ 1/2 und C1 an LPZ 2/3. Die Auswahlhilfe (Tabelle 9) aus DIN CLC/TS 61643-22 [16] gibt Aufschluss, an welcher Stelle welcher SPD-Typ eingesetzt werden muss. Phoenix Contact 51

Grundlagen des Überspannungsschutzes | Einsatzgebiete Überspannungsschutz für Stromschleifen Die Übertragung von Messwerten wird im Feld häufig mittels genormter Ver- fahren vorgenommen. Insbesondere das 4 bis 20-mA-Signal wird besonders häufig dort eingesetzt, wo längere Leitungen vorzufinden sind. Der Messwert am Sensor wird in einen Stromwert gewan- delt, der zwischen den beiden Übertra- gungseinrichtungen fließt. Der ohmsche Widerstand der Leitung hat dabei keinen Einfluss auf den Strom der Messwert- übertragung. Häufig werden bei den Stromschleifen zwei Signaladern verwen- det, die kein weiteres Bezugspotenzial benötigen und gegenüber dem Erdpoten- zial isoliert geführt sind. Um eine solche Anwendung gegenüber Transienten zu schützen, wird an beiden Endstellen ein SPD benötigt. Das jeweilige SPD ist mit einer mehrstufigen Schutzschaltung ausgeführt. Sowohl transiente Quer- spannungen zwischen den Signaladern als auch Längsspannungen zur Erde werden somit an beiden Endstellen wirksam begrenzt, siehe Abb. 82. Überspannungsschutz für Binärsignale In der Steuerungstechnik werden häu- fig Baugruppen verwendet, die eine höhere Anzahl an Signalein- und -aus- gängen (digital in / digital out) aufweisen. Weiterhin existiert ein gemeinsames Bezugspotenzial, das häufig gleichzeitig als gemeinsamer Rückleiter aus dem Feld verwendet wird. Die für diese Art von Anwendung geeignete Schutzschal- tung ist mit zwei Schutzstufen zwischen jeder Ader und dem gemeinsamen Bezugspotenzial ausgelegt. Zwischen zwei „benachbarten“ Signaladern besteht immer ein Schutz über die Reihen- schaltung von zwei Suppressordioden. Weiterhin ist ein Schutz zur Erde über einen GDT vorhanden, sodass in Summe alle denkbaren Transienten begrenzt werden, siehe Abb. 83. Überspannungsschutz für Temperaturmessungen Wird eine Temperaturmessung über einen temperaturabhängigen Wider- stand, wie den Pt 100, vorgenommen ist der ohmsche Anteil der zusätzlichen Leitungen und auch der Entkopplungs- widerstände von Überspannungs- schutzgeräten in besonderer Weise zu berücksichtigen. Im Fall der Zweidraht- Messung kann der Widerstandswert des SPD das Messergebnis verfälschen. Beträgt die Summe der Entkopplungs- widerstände im Messkreis z. B. 4 Ohm, dann liegt bei einer Messung bei 0 °C ein Messfehler von 4 % vor, da anstatt 100 Ohm 104 Ohm detektiert werden. Aus diesem Grund gibt es die zweistufi- gen Schutzschaltungen als Variante ohne Entkopplungswiderstände, um den Ein- fluss des SPDs in dieser Applikation zu minimieren, siehe Abb. 84. Überspannungsschutz in explosionsgeschützten Bereichen In der chemischen und petrochemischen Industrie können aufgrund verfahrens- technischer Abläufe immer wieder explosionsfähige Atmosphären auftreten. Sie werden z. B. durch austretende Gase, Dämpfe oder Nebel hervorgerufen. Aber auch in Mühlen, Silos, Zucker- und Futtermittelfabriken muss mit dem Auf- treten explosionsfähiger Atmosphären durch Stäube gerechnet werden. Daher unterliegen elektrische Geräte in explo- sionsgefährdeten Bereichen besonderen Richtlinien. Dies gilt auch für SPDs, die in derartigen Applikationen eingesetzt werden. Explosionsgefährdete Bereiche werden in genormte Zonen unterteilt. Für staub- und gasexplosionsgefährdete Bereiche ist eine Einteilung in der Norm IEC/EN 60079-11 [17] zu finden. Die Einteilung der Zonen erfolgt auf Basis der Häufigkeit des Auftretens einer explosionsfähigen Atmosphäre. Im Bereich der MSR-Technik wird besonders häufig die Zündschutzart Ex i, Eigensicherheit verwendet. Die Zünd- schutzart Eigensicherheit bezieht sich im Unterschied zu anderen Zündschutz- arten, z. B. erhöhte Sicherheit nicht nur auf einzelne Betriebsmittel, sondern auf den gesamten Stromkreis. Ein Stromkreis wird als eigensicher bezeichnet, wenn Strom und Spannung so weit begrenzt sind, dass ein Funke oder ein thermi- 4 5 6 4...20 mA 1 2 3 1 2 3 PLC 4...20 mA 4 5 6 Abb. 82: Beispiel einer Messsignalübertragung (4...20 mA) mit Überspannungsschutz 52 Phoenix Contact

Grundlagen des Überspannungsschutzes | Einsatzgebiete nungsschutz für eigensichere Kreise ist darauf zu achten, dass eine entsprechen- de Ex i-Zulassung vorliegt. Weiterhin ist gefordert, dass das SPD mindestens 10 Impulse eines Stoßstroms von 10 kA (8/20 μs) sicher ableiten kann. Die umfas- sende Beschreibung von Explosions- schutzmaßnahmen in Verbindung mit der Zündschutzart Eigensicherheit sind in der Norm IEC / EN 60079-11 [17] zu finden. scher Effekt keine Zündung einer explo- sionsfähigen Atmosphäre auslösen kann. Um die Energie des Funken unterhalb der Zündenergie des umgebenden Gases zu halten, wird die Spannung begrenzt. Ein thermischer Effekt, z. B. eine zu heiße Oberfläche, wird durch die Strom- begrenzung verhindert. Energie kann auch in Kapazitäten oder Induktivitäten innerhalb des eigensicheren Stromkreises gespeichert sein. Dies muss ebenfalls bei der Betrachtung des eigensicheren Stromkreises berücksichtigt werden. Das Schutzniveau ia, ib oder ic legt fest, ob in der Schutzbeschaltung eine 2-Fehler-, 1-Fehler-Sicherheit oder keine Fehlersi- cherheit vorhanden ist. Es wird bei der Eigensicherheit eine Fehlerbetrachtung durchgeführt, um eine Explosionsgefahr auszuschließen. In Bezug auf Überspan- PLC L+ 0 V GND 1 2 3 1 2 3 $ $ 4 5 6 4 5 6 Abb. 83: Beispiel geschützte binäre Ein- und Ausgänge einer Steuerung ˜ + – ˜ 1 2 3 PLC U U 4 5 6 Abb. 84: Beispiel geschützte Zweidraht-Temperaturmessung (Pt 100) Phoenix Contact 53

Grundlagen des Überspannungsschutzes | Einsatzgebiete Zone 2 Zone 1 Zone 0 Abb. 85: Zoneneinteilung am Beispiel eines Flüssigkeitstanks mit Füllstandssensor Zone 0 Bereich, in dem gefährliche explosions- fähige Gasatmosphäre ständig, langzeitig oder häufig vorhanden ist. In der Regel liegen diese Bedingungen im Inneren von Behältern, Rohrleitungen, Apparaturen und Tanks vor. Zone 1 Bereich, in dem damit zu rechnen ist, dass eine gefährliche explosionsfähige Gasatmosphäre bei normalem Betrieb gelegentlich auftritt. Hierzu gehört die nähere Umgebung der Zone 0 sowie nähere Bereiche um Füll- und Entlee- rungseinrichtungen. Zone 2 Bereich, in dem nicht damit zu rechnen ist, dass bei normalem Betrieb eine gefährliche explosionsfähige Gasatmos- phäre auftritt, und wenn sie dennoch auftritt, dann nur kurzzeitig. Zur Zone 2 gehören Lagerräume, wenn sie nur zum Lagern verwendet werden, Bereiche um lösbare Verbindungen von Rohrleitungen und in der Regel die nähere Umgebung der Zone 1. Zertifizierte Schutzgeräte für explosionsgefährdete Bereiche Phoenix Contact bietet mit den Produktfamilien TERMITRAB complete, PLUGTRAB IQ, und SURGETRAB Lösungen, die eine ATEX-Zulassung nach der Richtlinie 94/9/EG besitzen und in eigensicheren Kreisen bis in die Ex-Zone 1 installierbar sind. Da alle SPDs von Phoenix Contact für eigensichere Stromkreise in die Kate- gorie „Ex ia“ eingeordnet sind, bieten sie höchste Sicherheit. In Kategorie „ia“ darf bei angelegter Spannung Um und Ui der eigensichere Stromkreis in einem elektrischen Betriebsmittel, selbst unter der Annahme von zwei unabhängigen Fehlern, nicht in der Lage sein eine Zündung zu verursachen. Abb. 86: TERMITRAB complete zum Schutz von eigensicheren Stromkreisen 54 Phoenix Contact

Grundlagen des Überspannungsschutzes | Einsatzgebiete 6.4.3 Auswahl von SPDs für e) Steckbarkeit MSR-Anlagen Die Varianz an Überspannungsschutz- geräten im Bereich der MSR-Technik ist hoch. Die Auswahlkriterien reichen von offensichtlichen Installationseigenschaften des SPD, über vorteilhafte Produktfea- tures bis hin zu technischen Parametern der Anwendung. Installationseigenschaften a) Montageart Standardmäßig werden SPDs auf der Hutschiene installiert. Für die Installation von SPDs am Feldgerät ist es zum Teil einfacher, das SPD direkt am Sensorkopf anzuschrauben. b) Anschlusstechnik Viele SPDs bieten den bekannten Schraubanschluss. In der MSR-Technik, wo viele Adern verdrahtet werden, ist auch der schnelle, werkzeuglose Push-in-Anschluss beliebt. c) Baubreite Die Anzahl der zu schützenden Signale in einer MSR-Anwendung ist oft sehr groß. Ein schmaleres SPD kann deswegen erheblich dazu beitragen, dass der gesamte Schaltschrank kleiner dimen- sioniert werden kann. Produktfeatures d) Signalisierung und Fernmeldung Überlastete SPDs schützen nicht mehr und müssen ausgetauscht werden. Anhand einer Statusanzeige am SPD lässt sich ein ausgefallenes Gerät erken- nen. Mit einer Fernmeldemöglichkeit lässt sich der Status an die Leitwarte übertragen und die SPDs können schnell ausgetauscht werden. Die Fernmeldung erhöht also die Schutzqualität des gesamten Überspannungsschutzkonzepts. Steckbare SPDs lassen sich ohne Eingriff in die Installation austauschen. Beim Stecken und Ziehen wird das Signal weder unterbrochen noch beeinflusst. f ) Messertrennung SPDs mit Messertrennung bieten die Möglichkeit, den Signalpfad am SPD zu öffnen. Dadurch kann die feldseitige Verdrahtung des SPD separat zur Verdrahtung der Elektronikseite durch- geführt werden. Außerdem lassen sich so leicht Wartungsarbeiten, wie z. B. Isolationsmessungen durchführen, um z. B. einen Fehler in der Feldverkabelung zu identifizieren. Applikationsparameter g) Schnittstellentyp Grundsätzlich können Schnittstellentypen mit und ohne Bezugsleiter unterschieden werden. Signale mit Bezugseiter, z. B. digitale Signaleingänge, benötigen ein Grob- und Feinschutzelement zwischen Signalader und Bezugsleiter. Signale ohne Bezugsleiter, z. B. 4 bis 20-mA-Strom- schleifen, benötigen ein Feinschutzele- ment zwischen den beiden Signaladern, da hier die empfindliche Elektronik installiert ist, und einen Grobschutz zum Erdpotenzial. Dementsprechend sollten die Schutzschaltungen der SPDs ausge- wählt werden. h) Nennspannung Die Nennspannung der Anwendung hat einen erheblichen Einfluss auf die Stoßspannungsfestigkeit des Endgeräts. Orientierend gilt, je geringer die Nenn- spannung der Anwendung ist, desto geringer sollte der Schutzpegel des SPD sein. Die maximale Spannung der Anwendung darf aber nicht die höchste Dauerspannung Uc des SPDs überschrei- ten, da es sonst überlastet werden kann. i) Bemessungsstrom Der Bemessungsstrom von SPDs für die MSR-Technik ist durch die Art der Schutzschaltung begrenzt. Da die Nenn- ströme in der MSR-Technik in der Regel gering sind, genügt in vielen Fällen ein niedriger Bemessungsstrom des SPD. Bei Anwendungen mit höherem Nennstrom muss die Schutzschaltung variiert werden. Grundsätzlich gilt, dass der Nennstrom der Anwendung den Bemessungsstrom des SPD nicht überschreiten darf. j) Anzahl Signaladern Grundsätzlich kann für jedes Signalader- paar ein separates SPD genutzt werden. Um die Packungsdichte zu erhöhen, sind SPDs sinnvoll, die mehrere Signaladern schützen, z. B. zwei digitale Eingänge mit einem gemeinsamen Bezugsleiter. Online-Konfigurator für MSR-Überspannungsschutz Die einzelne Bewertung aller Auswahlkriterien ist mühsam. Phoenix Contact bietet mit einem Online-Konfigurator eine einfache Möglichkeit, das geeignete SPD für die jeweilige MSR-Anwendung auszuwählen. Der Konfigurator berück- sichtigt dabei die technische Eignung des SPD. Es lassen sich leicht gewünschte Produkteigenschaften hinzufügen, sowie nicht erforderliche Produkteigen- schaften entfernen. So wird auf einfache Art und Weise die Produktauswahl wesentlich erleichtert. Webcode: #1389 Phoenix Contact 55

Grundlagen des Überspannungsschutzes | Einsatzgebiete k) HF-Anwendung oder Datenschnittstelle >1 MBit/s Viele Überspannungsschutzschaltungen weisen eine Tiefpasscharakteristik auf. Für Hochfrequenzanwendungen sind daher Schutzschaltungen erforderlich, die das Signal nicht nennenswert dämpfen. m) Ex-Anwendung In Anwendungen mit explosionsfähigen Atmosphären bestehen erhöhte Anfor- derungen an elektrische Geräte. Für diese Anwendungen sind SPDs mit entsprechenden Eigenschaften und Zulassungen notwendig. Installations- eigenschaften Applikations- parameter Montageart Schnittstellentyp Anschlusstechnik Nennspannung l) Widerstandabhängige Messung In gebräuchlichen Schutzschaltungen für die MSR-Technik werden Entkopplungs- widerstände im Signalpfad genutzt, die zur Koordination zwischen Fein- und Grobschutzelement dienen. Für wider- standabhängige Messungen sind Schal- tungen verfügbar, die die Impedanz des Signalpfads nicht beeinflussen. 6.4.4 Überspannungsschutz in dünnen Scheiben – TERMITRAB complete In der MSR-Technik werden häufig SPDs mit einer hohen Packungsdichte gefor- dert, weil z. B. in der Prozessindustrie sehr viele Signale in einem Schaltschrank geschützt werden sollen. Durch die Nutzung von besonders schmalen SPDs wie TERMITRAB complete kann der Platzbedarf erheblich reduziert und Anlagen können kleiner dimensioniert werden. Statusanzeige und Fernmeldung Überspannungsschutzgeräte können überlastet werden und ausfallen. Für ein dauerhaft funktionsfähiges Über- spannungsschutzkonzept ist es wichtig, überlastete SPDs zu erkennen und auszutauschen. TERMITRAB complete bietet dafür eine mechanische Status- anzeige am Modul, die die Abtrennung einer Überspannungsschutzkomponente vom Signalpfad anzeigt. Die Statusan- zeige arbeitet ohne zusätzliche Hilfs- energie. Der Status der TERMITRAB complete-Module lässt sich dank der optional erhältlichen Fernmeldemodule an die Leitwarte übertragen. So ist die Information über ein funktionsfähiges Überspannungsschutzsystem permanent verfügbar. Ein Fernmeldemodul über- wacht den Status von bis zu 40 benach- barten TERMITRAB complete-Modulen. Dafür ist keine zusätzliche Verdrahtung oder Programmierung notwendig. Wird im Überlastfall ein Schutzelement abge- trennt, schließt die Abtrennvorrichtung den Überwachungskanal und eine Sam- melfernmeldung wird ausgelöst. Passgenaues Portfolio TERMITRAB complete bietet ein passgenaues Portfolio mit unterschied- lichen Funktionalitäten. Es beginnt bei einfachen Klemmen mit einer Überspan- nungsschutzkomponente und reicht bis zu mehrstufigen, steckbaren SPDs mit Statusanzeige und integrierter Messer- trennung. So kann ein Konzept nach 56 Phoenix Contact n) Schutzschaltungstyp Baubreite Standardmäßig werden mehrstufige Schutzschaltungen genutzt, die sowohl Grob- als auch Feinschutzelemente enthalten. Diese Schaltungen dienen als Blitz- und Überspannungsschutz und sind deswegen universell einsetzbar. Einstufige Schaltungen sind einfacher aufgebaut, bieten aber auch entweder nur den Blitz oder nur den Überspannungsschutz. Produkt-Features Signalisierung und Fernmeldung Bemessungsstrom Anzahl Signaladern HF-Anwendung oder Datenschnittstelle (> 1 MBit/s) Widerstand abhängige Messung Steckbarkeit Ex-Anwendung Messertrennung Schutzschaltungstyp Tabelle 10: Auswahlkriterien für MSR-SPDs individuellem Bedarf mit den gewünsch- ten Produkteigenschaften erstellt werden. Die Auswahl einer geeigneten Schaltung und der optionalen Funktio- nalitäten erfolgt in wenigen Schritten über einen Online-Konfigurator. Abb. 87: Überspannungsschutz für alle Anwendungen – TERMITRAB complete

Grundlagen des Überspannungsschutzes | Einsatzgebiete TERMITRAB complete – Superschmal Die Produktfamilie TERMITRAB com- plete TTC beinhaltet den weltweit schmalsten Überspannungsschutz für die MSR-Technik mit einer Baubreite von nur 3,5 mm. So werden Platz und Kosten eingespart. • 3,5 mm Baubreite • Push-in-Anschlusstechnik • Mehrstufige Schutzschaltung • Digitale und analoge Signale Abb. 88: TTC-3 TERMITRAB complete – Schmal und steckbar Auch bei den steckbaren Varian- ten bietet TERMITRAB complete mit 6 mm Baubreite die schmalsten Lösungen am Markt. • 6 mm Baubreite • Steckbar und prüfbar • Integrierte Statusanzeige • Optional mit Messertrennung • Push-in- oder Schraubanschluss • Mehrstufige Schutzschaltung TERMITRAB complete – Einteilig Wenn keine Steckbarkeit und Prüfbarkeit der Geräte gefordert ist, sind die einteiligen Varianten die geeignete Alternative aus dem TERMITRAB complete-System. • 6 mm Baubreite • Optional mit integrierter Statusanzeige und Messertrennung • Push-in- oder Schraubanschluss • Mehrstufige Schutzschaltung TERMITRAB complete – Einstufig Die einzigen einstufigen Schutz- elemente am Markt mit integrierter Statusanzeige und Fernmeldemög- lichkeit. • 6 mm Baubreite • Integrierte Statusanzeige • Push-in- oder Schraubanschluss • Einstufige Schutzschaltung TERMITRAB complete – Fernmeldung Sender- und Empfängermodul zur Überwachung von bis zu 40 Schutz- geräten der TERMITRAB complete- Familie. • 6 mm Baubreite • Integrierte Statusanzeige • Push-in- oder Schraubanschluss • Potenzialfreier Fernmeldekontakt • Keine Verdrahtung einzelner Schutzgeräte Abb. 89: TTC-6 steckbare Varianten Abb. 90: TTC-6 einteilige Varianten Abb. 91: TTC-6 einstufige Varianten Abb. 92: TTC-6 Fernmelde-Set Phoenix Contact 57

Grundlagen des Überspannungsschutzes | Einsatzgebiete 6.4.5 Überspannungsschutz mit Früherkennung Insbesondere bei einem Einsatz von Schutzgeräten an schwer zugänglichen Orten ist ein Monitoring der Schutz- elemente in Verbindung mit einer Fernmeldefunktion sinnvoll. Durch eine kontinuierliche Zustandserfassung und -bewertung von Alterungsindikatoren wird eine zustandsorientierte bis hin zu einer vorausschauenden Wartungs- strategie möglich. Auf die betrachteten Bauelemente TVS-Diode und GDT der Schutzschaltung bezogen, lassen sich die nachfolgend beschriebenen Methoden, die auf physikalischen sowie statistischen Prinzipien sowie deren Verknüpfung basieren, für die Erfassung des Bauteil- zustands und die Bewertung von Alte- rungsprozessen nutzen. a) Eine „direkte“ Beurteilung des Bauteil- zustands im Sinn eines „direkten physika- lischen Bewertungsverfahrens“ ist mög- lich, wenn ein direkter Zusammenhang zwischen der Messgröße und dem zu erfassenden Alterungszustand besteht. Ein derartiger physikalischer Zusammen- hang besteht z. B. zwischen der Leck- stromentwicklung der TVS-Diode und deren Schädigungsmaß. b) Statistische Bewertungsverfahren kön- nen Anwendung finden, wenn fundiertes Wissen über das belastungsabhängige Alterungs- und Ausfallverhalten für das betrachtete Bauelement besteht. In die- sem Fall lassen sich durch Erfassung von Beanspruchung und deren Vergleich mit Belastungsgrenzen, die in IEC 61643- 21 [7] beschrieben werden, statistische Aussagen zum Zustand treffen. Hier bie- tet sich z. B. die optische Detektion der mit einem Stromfluss durch den GDT verbundenen Gasentladung an. Für die technische Realisierung der Zustandserfassung und -bewertung für eine 2-stufige Schutzschaltung bietet sich somit die optische Detektion des Strom- flusses durch den GDT sowie die Erfas- sung des Leckstroms durch die TVS-Dio- de an. Durch die Erfassung dieser Mess- größen, lassen sich mittels geeigneter Algorithmen kontinuierlich Aussagen zur erfolgten Bauteilbeanspruchung sowie zu physikalischen Bauteilparameteränderun- gen treffen. Diese Informationen lassen sich über eine Statusmeldung abbilden. Damit diese Information z. B. in einer Leitwarte abgefragt werden kann, ist von Vorteil, wenn der Schutzstatus fernge- meldet werden kann. Hierzu wird häufig ein potenzial freier Kontakt am Schutz- gerät verwendet, der von einer SPS ausgewertet werden kann. Das Ergebnis kann dann über unterschiedliche Über- tragungsmedien (Bus- oder Wireless- Systeme) an die Leitwarte weitergegeben werden. Mit dem Schutzgerätesystem PLUGTRAB PT-IQ (Abb. 93) wurde die Möglichkeit der Zustandserfassung und deren Weiterverarbeitung umgesetzt. Durch ein intelligentes Monitoring-Sys- tem melden sie den jeweiligen Funktions- status. Am Schutzstecker gibt es dafür Abb. 93: Schutzgerätesystem PT-IQ mit Funktionsstatusanzeige 58 Phoenix Contact LED-Anzeigen in Grün, Gelb und Rot. Gelb signalisiert, dass sich das Schutz- gerät der Leistungsgrenze nähert. Gelb bedeutet aber auch, dass die Schutzfunk- tion noch vollständig gewährleistet ist. Diese Vorwarnanzeige ermöglicht das frühzeitige Einplanen des Austausches. Ein Austausch ist empfehlenswert und spätestens bei der Anzeige rot erforder- lich. Um den Verdrahtungsaufwand der Produkte zu minimieren, verläuft in der Tragschiene ein Signal- und Versorgungs- bus. Darüber erhalten die Schutzmodule die Versorgungsspannung und melden ihren Status an das zentrale Versorgungs- und Fernmeldemodul (PT-IQ-PTB), wel- ches das Signal ebenfalls optisch anzeigt und über einen potenzialfreien Kontakt als Fernmeldesignal zur Verfügung stellt. Über diesen potenzialfreien Kontakt kann der Zustand des SPDs über die unter- schiedlichen Übertragungsmedien (Bus- oder Wireless-Systeme) weitergegeben werden. PLUGTRAB PT-IQ Mit diesem intelligenten Monito- ring-System kennt ein Anwender, egal wo er sich befindet, jederzeit den Schutzzustand seiner Anlage. Durch die dreistufige Anzeige ist zudem eine vorausschauende War- tungsstrategie möglich. Die Geräte sind mit Schraubklemmen oder mit Push-in-Anschluss erhältlich. Durch einen Signal- und Versorgungsbus in der Tragschiene wird der Ver- drahtungsaufwand der Produkte minimiert. Des Weiteren existie- ren Varianten für den Einsatz in Ex i-Stromkreisen.

Grundlagen des Überspannungsschutzes | Einsatzgebiete 6.4.6 Überspannungsschutz am Feldgerät Um Feldgeräte zu schützen, sind Bau- formen der SPDs verfügbar, die sich leicht an den zu schützenden Objekten anbringen lassen. Hierbei wird eine freie Kabelverschraubung genutzt und das SPD in paralleler Verdrahtung ange- schlossen. Ist keine weitere Verschrau- bung am Feldgerät mehr frei, kann eine SPD-Variante mit Durchgangsverdrah- tung verwendet werden. SURGETRAB Diese Artikelreihe ist speziell für den Einsatz im Feld konzipiert. Unterschiedliche Schaltungsva- rianten sind optimiert für die Anforderungen der Messkreise und Aktoren. Verschraubungen mit metrischem Gewinde oder ½“ bzw. ¾“ ermöglichen den Einsatz an allen weltweit verfügbaren Feld- gerätesystemen. 6.4.7 Blitzschutz-Potenzialaus- gleich für Pipelines Eine lange Betriebsdauer ist für den wirtschaftlichen Betrieb von Pipelines unerlässlich. Zum Schutz vor Rost werden aktive Korrosionsschutzsyste- me eingesetzt. Diese erfordern für den Betrieb eine Isolation der metallischen Rohre gegenüber dem Erdpotenzial. Um die Isolation der Rohre (Coating) und der Isolierflansche vor Beschädigungen durch Überspannungen zu schützen, werden Trennfunkenstrecken eingesetzt. Bei einer auftretenden Überspannung, die z. B. durch einen Blitzeinschlag auf- treten kann, wird die Trennfunkenstre- cke niederohmig. Der Blitzstoßstrom Abb. 94: SURGETRAB in Durchgangsverdrahtung am Feldgerät Abb. 95: SURGETRAB in Parallelverdrahtung an einem Feldgerät wird auf definiertem Weg zur Erde abge- leitet. Somit ist der Blitzschutz-Potenzi- alausgleich gewährleistet. Abb. 96: Typisches Anwendungsfeld: Gasverdichterstation Abb. 97: Installationsbeispiel an einem isolierten Flansch Phoenix Contact 59

Grundlagen des Überspannungsschutzes | Einsatzgebiete 6.5 Schutz von Signalübertragungskreisen in der Informationstechnik Kommunikation über Datennetzwerke gehört in allen Bereichen der Gesell- schaft zum täglichen Leben. Die Schnittstellen arbeiten mit niedri- gen Signalpegeln bei hohen Frequenzen. Das macht sie besonders empfindlich gegen Überspannungen und kann zur Zerstörung elektronischer Komponen- ten von IT-Anlagen führen. Neben einer auf diese Anlagen zugeschnittenen Schutzwirkung müssen SPDs für diesen Einsatzzweck über ein hochwertiges Signalübertragungsverhalten verfügen, da ansonsten mit Störungen in der Datenübertragung zu rechnen ist. Dieser Aspekt gewinnt vor dem Hintergrund permanent steigender Datenübertra- gungsraten zunehmend an Bedeutung. Daher liegt bei der Entwicklung neu- artiger SPDs für IT-Anlagen der Fokus auf der Realisierung eines hochwertigen Signalübertragungsverhaltens. Es wird auf Basis der Standards ISO/IEC 11801 bzw. EN 50173 beurteilt. Des Weiteren trifft man in diesem Anwendungsbereich auf sehr unter- schiedliche Anschlusstechniken. Darum müssen die Schutzgeräte sowohl den elektrischen Spezifikationen entsprechen als auch an die zu schützenden Schnitt- stellen angepasst sein. Die SPD-Varian- ten unterscheiden sich oft nur durch Bauform und Anschlusstechnik. Die Schutzschaltungen kombinie- ren meistens schnell ansprechende, nieder kapazitive Suppressordioden mit leistungsstarken, gasgefüllten Überspan- nungsableitern. Soweit schaltungstech- nisch erforderlich, entkoppeln ohmsche Widerstände die beiden Schutzstufen voneinander. 6.5.1 Ethernet- und Token-Ring-Schnittstelle Die Architektur bzw. der Aufbau der Netzwerkinstallation und die Art der Datenübermittlung zwischen den Statio- nen im Datennetz werden als Topologie bezeichnet. In lokalen Netzen haben sich die Bus-, Ring- und Sterntopologien bewährt, die aber auch kombiniert aufgebaut werden können. Zur Übertragung der Informatio- nen in Datennetzwerken kommen Twisted Pair- oder Lichtwellenleiter zum Einsatz. Anforderungen an die Datenübertragung Ethernet- und Token-Ring-Schnittstellen werden schon seit vielen Jahren verwen- det. Ethernet-Systeme haben sich jedoch aufgrund ihrer Übertragungsgeschwindig- keit und des kompakten Steckverbinders durchgesetzt. Das Übertragungsver- fahren des Ethernet-Systems ist in der Norm IEEE 802.3 definiert. Die Über- tragungsgeschwindigkeit beträgt bis zu 10 GBit/sec. Abhängig von den Leistungskategorien (Cat. 5 – Cat. 7) wird die Übertragungs- geschwindigkeit definiert (Tabelle 11). Neuere Systeme mit dem Anspruch an eine hohe Übertragungsfrequenz arbeiten gemäß Cat. 6 und Cat. 7, bzw. zukünftig Cat. 8.1 oder Cat. 8.2. Schutzgeräte mit RJ45-Anschluss, bei denen alle acht Signalwege geschützt sind, eignen sich universell für die Schnittstel- len Ethernet, PROFINET und Token-Ring. Power-over-Ethernet (PoE) Power-over-Ethernet (PoE) ist ein Verfahren, bei dem auch die Hilfsenergie für die angeschlossenen Geräte mit der Ethernet-Datenleitung übertragen wird. Die Hilfsenergie liegt entweder auf den nicht genutzten Aderpaaren (Mode B, Abb. 100) oder wird als Phan- tomspeisung (Mode A, Abb. 99) zwi- schen den Signaladerpaaren eingespeist. Gemäß IEEE 802.3af lässt sich mit die- sem Verfahren eine Leistung von maxi- mal 13,5 W übertragen. Der nachfol- gende Standard IEEE 802.3at erlaubt mit PoE+ schon 25,5 W. In Diskussion ist PoE++, mit dem noch höhere Übertra- gungsleistungen erreicht werden können. 1 32 6 OUT 4 5 7 8 DT-LAN-Cat.6+ Das Schutzgerät DT-LAN-CAT.6+ schützt empfindliches Equipment optimal, da schnell reagierende Schutzkomponenten sowohl für die Datenleitungen als auch für das das PoE-System verwendet werden. 1 32 6 IN 4 5 7 8 Abb. 98: DT-LAN-Cat.6+ - SPD für die Informationstechnik 60 Phoenix Contact

Grundlagen des Überspannungsschutzes | Einsatzgebiete Einsatzgebiet Kategorie MBit/s Leitung Anschluss 5 100 2- ... 4-paarig Twisted Pair RJ45, Paare: 1-2, 3-6, oder 4-5, 7-8 100 Base TX (Fast Ethernet) 1000 Base T (Gigabit-Ethernet) 10 GBase T (Gigabit-Ethernet) 10 GBase T (Gigabit-Ethernet) LAN, strukturierte Gebäudeverkabelung LAN, strukturierte Gebäudeverkabelung LAN, strukturierte Gebäudeverkabelung LAN, strukturierte Gebäudeverkabelung Tabelle 11: Übertragungsgeschwindigkeit vs. Leistungskategorien 5e, 6 1000 4-paarig Twisted Pair 10.000 4-paarig Twisted Pair 10.000 4-paarig Twisted Pair RJ45, Paare: 1-2, 3-6, + 4-5, 7-8 RJ45, Paare: 1-2, 3-6, + 4-5, 7-8 RJ45, Paare: 1-2, 3-6, + 4-5, 7-8 6a 7 3 3 6 6 7 8 4 5 1 2 50 V bis 57 V (30 W) 1 2 50 V bis 57 V (30 W) Abb. 99: Übertragung der Hilfsenergie über Phantomspeisung (Mode A) Abb. 100: Übertragung der Hilfsenergie über freie Aderpaare (Mode B) 6.5.2 Serielle Schnittstellen Serielle Schnittstellen dienen dem Datenaustausch zwischen Computern und Peripheriegeräten. Bei einer seriellen Datenübertragung werden die Bits nacheinander (seriell) über eine Leitung übertragen. Insbesondere kommen zum Einsatz: RS-485- und PROFIBUS-Schnitt- stelle Die serielle Schnittstelle RS-485 wird am Intel-Bitbus eingesetzt und ist mit der RS-422 eng verwandt. Diese symme- trische Datenübertragung arbeitet üblicherweise über ein Signaladerpaar. Varianten mit zwei Signaladerpaaren und einem Ground sind ebenso anzutreffen. In älteren Anlagen beträgt die Signal- spannung dieser Schnittstelle gegenüber Ground -7 V und +12 V. In neueren Sys- temen wird eine Variante mit TTL-Pegel, d.h. mit +/- 5 V betrieben. Eine Weiterentwicklung der RS485- Schnittstelle ist die Profibus-Schnitt- stelle. Sie nutzt die physikalischen Eigenschaften vom RS-485 jedoch mit Übertragungsraten von bis zu 12 MBit/s. Weitere Anwendungen findet diese Schnittstelle im Bereich von Zeit- und Maschinendaten -Erfassungsgeräten. Es werden häufig D-SUB-Zwischenste- cker für die Tragschienenmontage oder Tragschienenmodule mit Schraubklem- men als Schutzgeräte verwendet. V.24-Schnittstelle Die serielle Schnittstelle V.24 oder RS-232 arbeitet mit einer unsymmet- rischen Signalübertragung. Jeweils ein Sende- und Empfangssignal haben ein gemeinsames Bezugspotenzial (Ground). Zusätzlich können bis zu fünf Steuer- signale übertragen werden. So ergeben sich maximal acht aktive Signale inklusive Ground. Der Anschluss erfolgt üblicher- weise über D-SUB 25, D-SUB 9 oder Schraubklemmen. V.11-Schnittstelle Die serielle Schnittstelle V.11 oder RS-422 arbeitet auf Basis einer symmet- rischen Signalübertragung. Die Übertra- gungsstrecke kann bis zu 1000 m betra- gen. Sende- und Empfangssignal werden jeweils mit einem Signaladerpaar über- tragen. Zusätzlich wird ein Ground als Bezugspotenzial mitgeführt, damit in den angeschlossenen Schnittstellen definierte Spannungsverhältnisse herrschen. TTY-Schnittstelle Die TTY-Schnittstelle arbeitet seriell und symmetrisch über zwei Signalader paare. Bei einer Signalspannung von maximal 24 V wird ein Stromsignal ausgewertet. Dabei gelten 10 bis 30 mA als logische 1 und 0 bis 1 mA als logische 0. Übliche Datenübertragungsraten sind 9,6 oder 19,2 kBit/s. Phoenix Contact 61

Grundlagen des Überspannungsschutzes | Einsatzgebiete 6.6 Schutz von Signalübertragungskreisen der Telekommunikationstechnik Telekommunikationsendgeräte sind heute fester Bestandteil der Büroelektronik. Besonders im geschäftlichen Umfeld kann auf die uneingeschränkte Betriebsbereit- schaft moderner und schneller Kommu- nikationssysteme nicht mehr verzichtet werden. Mit dem gezielten Einsatz geeig- neter Überspannungsschutzgeräte kann der plötzliche und unerwartete Ausfall wichtiger Telekommunikationseinrich- tungen verhindert werden. Für die DSL- Datenübertragung und auch für analoge Signalschnittstellen stehen geeignete Schutzgeräte zur Verfügung. Die Schutzschaltung besteht prinzipiell aus einer Kombination von Dioden und leistungsstarken, gasgefüllten Überspan- nungsableitern. Die gasgefüllten Über- spannungsableiter sind als Dreielektro- denableiter ausgeführt. Die Mittelelekt- rode liegt als Längsspannungsschutz auf Erdpotenzial. Soweit schaltungstechnisch erforderlich, entkoppeln ohmsche Widerstände die beiden Schutzstufen voneinander. Zum Schutz von Span- nungen aus dem Stromversorgungsnetz (power cross) werden die Dreielekt- rodenableiter mit einem thermischen Schutz versehen. 6.6.1 Schnittstellen in der Telekommunikation xDSL-Schnittstelle DSL-Schnittstellen (digital subscriber line) stellen Internetverbindungen mit Geschwindigkeiten von 1 MBit/s (ADSL) bis 100 MBit/s (VDSL) zur Verfügung. Die Übertragungsfrequenz liegt hierbei zwi- schen 2,2 und 17,7 MHz. Die Nennspan- nung für die Schutzschaltung geeigneter Schutzgeräte ist davon abhängig, ob eine Gleichspannungsversorgung mit übertra- gen wird. Typische Nennspannungswerte für Anwendungen sind: • Ohne Spannungsversorgung: <24 VDC • Mit Spannungsversorgung: ≥110 VDC Im internationalen Vergleich kann die Übertragungsfrequenz im DSL-Bereich regionsabhängig um einige 100 kHz variieren. Darum ist bei der Auswahl der Schutzgeräte deren Grenzfrequenz zu berücksichtigen. Analoge Telekommunikations- Schnittstelle Die analoge Telekommunikation ist heutzutage nur noch bei reinen Telefon- anschlüssen anzutreffen. Schutzgeräte hierfür sollten Nennspannungen von 180 V besitzen. Üblicherweise sind l g u P Aa 1 1 J R 2 2 1 J R 3 5 4 J R 4 Ab 3 4 5 unprotected Ba 1 2 3 1 1 J R 2 2 1 J R 3 5 4 J R 4 l g u P Aa 3 4 5 Ab protected 1 2 3 Ba Bb 4 5 6 4 5 6 Bb Abb. 101: DT-TELE-RJ45 - SPD für Telekommunikationsanlagen 62 Phoenix Contact DSL-Schutzgeräte (Abb. 101) auch für die analoge Telekommunikation einsetzbar. 6.6.2 Anschlusstechnik Als Anschlusstechnik wird seit vielen Jahren die LSA-PLUS-Technik verwendet. Es ist eine Schneidklemme, die mit einem speziellen Werkzeug, dem sogenannten Anlegewerkzeug, die Adern eines Kabels samt Isolierung einzeln einpresst. Auf diese LSA-PLUS-Leisten können Schutz- module auf einfache Weise, ohne Werk- zeug, eingesteckt werden. Zum Schutz stehen Grobschutzmagazine (mit GDT) oder modulare Miniaturstecker mit kom- binierten Grob- und Feinschutzelementen (Abb. 102) zur Verfügung. Abb. 102: COMTRAB: Modular, klein und einfach DT-TELE-RJ45 Das Schutzgerät DT-TELE-RJ45 schützt dank seiner geringen Dämpfung schnelle VDSL-Anschlüs- se. Mit der universellen Anschluss- technik (RJ45, RJ12, RJ11 und steckbarer Schraubanschluss) ist das Produkt für jede Anwendung geeignet.

Grundlagen des Überspannungsschutzes | Einsatzgebiete 6.7 Schutz von Signalübertragungskreisen in Sende- und Empfangsanlagen Sende- und Empfangsanlagen gelten im Allgemeinen als besonders überspan- nungsgefährdet. Gebäudeüberschreitende und dabei meist sehr lange Antennenleitungen sowie die Antennen selbst sind atmos- phärischen Entladungen direkt ausge- setzt. Aus diesem Grund werden Leitun- gen mit koaxialem Aufbau verwendet, die EMV-technisch grundsätzlich günstige Eigenschaften besitzen. Der Schirm der Antennenleitung kann abhängig von den Systembedingungen geerdet oder erdpotenzialfrei sein. Damit ist aber die Gefahr einer Überspannungseinkopp- lung in Antennenleitungen nicht restlos gebannt. Über den Leitungsweg können Überspannungen bis in die empfindlichen Schnittstellen der Sende- und Empfangs- anlagen gelangen. Die hohen Frequenzen der Funküber- tragung erfordern Schutzgeräte mit geringer Eigenkapazität beziehungsweise kleiner Einfügungsdämpfung und guter Impedanzanpassung. Dennoch ist eine gute Schutzwirkung mit hohem Ableit- vermögen erforderlich. Darum sind die meisten Schutzgeräte mit leistungsstar- ken, gasgefüllten Überspannungsableitern oder mit der Lambda/4-Technologie ausgestattet. LAMBDA/4 Technologie Die Lambda/4-Technologie verwendet einen Kurzschluss zwischen Innenleiter und Schirm. Die Länge der Leitung zwischen dem Kurzschluss und dem Innenleiter ist auf die Frequenz, die ohne Dämpfung durchgelassen werden soll, abgestimmt. Ein großer Vorteil in dieser Technologie liegt in dem Erreichen eines sehr guten (niedrigen) Schutzpegels, da das Schutzgerät im Frequenzbereich von Überspannungen als Kurzschluss arbeitet. Berücksichtigt werden muss jedoch, dass an das Kabel, in dem der Lambda/4-Ableiter angeschlossen ist, keine Gleichstrom-Spannungsversorgung verwendet werden darf. Durch HF- technisch optimierte Lambda/4-Ableiter können relativ breitbandige Signale (z. B. 0,8 bis 2,25 GHz) übertragen werden. Abb. 103 zeigt eine typische Bauform eines Schutzgeräts mit Lambda/4-Tech- nologie. Die verbreitetsten Anwendungsgebiete für SPDs in der Telekommunikation sind: Antennenanschluss von Fernseh- und Rundfunkgeräten Die Schutzgeräte für Rundfunk- und Fernsehgeräte werden meistens zwi- schen Antennenwandanschluss und abgehende Antennenleitung montiert. Für Sat-Receiver gibt es mehrkanalige Schutzgeräte für die Wandmontage. Breitbandkabel- und Antennenan- schluss haben üblicherweise TV- und RF-Connectoren nach DIN 45325. Der Anschluss von Sat-Receivern erfolgt über F-Connectoren. Videokommunikation Das Einsatzgebiet der Videokommunika- tion reicht von der Überwachung von Gebäuden über öffentliche Plätze und Einrichtungen bis hin zu Sport- und Frei- zeitanlagen. Die permanente Betriebs- bereitschaft dieser Überwachungsein- richtungen erfordert geeignete Über- spannungsschutzgeräte. Als Schutzgeräte werden grundsätzlich koaxial aufgebaute Zwischenstecker mit BNC- oder TNC- Connectoren verwendet. Richtfunk- und Mobilfunkanlagen Richtfunk ist eine Technik zur drahtlo- sen Übertragung von Informationen. Die erzeugten Funkwellen werden mit einer Trägerfrequenz zwischen 1 und 40 GHz über Richtantennen gebündelt übertra- gen. Typische Antennen sind Parabolspie- gel, Muschelantennen und Hornstrahler. Die Nennfrequenzen der Nutzsignale in diesem Bereich liegen zwischen 0,8 GHz und 2,7 GHz. Als Anschlusstechnik der Schutzgeräte werden üblicherweise N-, SMA- oder 7/16-Connectoren verwendet. λ/4 Abb. 103: CN-LAMBDA/4 - Schutzgerät mit Lambda/4-Technologie CN-LAMBDA/4 Mit dem Schutzgerät CN-LAMBDA/4-2.25 können unter- schiedlichste Übertragungssysteme im GHz-Bereich effektiv geschützt werden. Dieses wird durch eine breitbandige LAMBDA/4-Technik erreicht. Phoenix Contact 63

Grundlagen des Überspannungsschutzes | Glossar 7 Glossar ATEX ATEX ist ein weit verbreitetes Synonym für die ATEX-Richtlinie der Europäischen Union. Die Bezeichnung ATEX leitet sich aus der französischen Abkürzung für „atmosphères explosibles“ ab. müssen über entsprechende SPDs in den Blitzschutz-Potenzialausgleich einbezogen werden. Die Zonengrenzen einer Blitz- schutzzone sind nicht unbedingt physi- kalische Grenzen (z. B. Wände, Boden oder Decke). erspannung muss mindestens 10 % über dem Wert der Nennspannung liegen. In Systemen mit größeren Spannungs- schwankungen müssen SPDs eingesetzt werden, die einen größeren Abstand zwischen UC und UN aufweisen. Binärsignale Einfügungsdämpfung Mit Binärsignalen sind digitale Signale gemeint, die nur den Zustand „high“ oder „low“ annehmen. Üblicherweise beziehen sich diese Signale auf ein gemeinsames Bezugspotenzial bzw. auf einen gemeinsamen Rückleiter. Der Dämpfungswert wird als Verhältnis der Spannungen definiert, die unmittel- bar hinter dem Einfügungspunkt vor und nach dem Einfügen des zu prüfenden Schutzgeräts auftreten. Das Ergebnis wird in Dezibel ausgedrückt Blitzschutzsystem EMV System bestehend aus Fangstangen, Ableitungen und Erdungssystem außer- halb sowie Potenzialausgleichsystem und koordiniertem SPD-System innerhalb der baulichen Anlage zum Schutz vor Schäden durch Überspannungen und Stoßströmen aus Blitzentladungen. Blitzschutzklasse Eine normative Einteilung von Blitz- schutzsystemen in die Klassen I bis IV. Sie beziehen sich auf einen Satz von Blitzstrom-Parameterwerten hinsichtlich der Wahrscheinlichkeit, mit der zuge- hörige größte und kleinste Bemessungs- werte bei natürlich auftretenden Blitzen nicht überschritten werden und die Blitze sicher abgeleitet werden können. Blitzschutzklasse I entspricht dabei den höchsten Bemessungswerten und der größten Einfangwahrscheinlichkeit. Die Werte nehmen entsprechend ab bis zu Blitzschutzklasse IV. Blitzschutzzone EMV steht für elektromagnetische Ver- träglichkeit, die Fähigkeit eines Apparats, einer Anlage oder eines Systems, in der elektromagnetischen Umwelt zufrieden- stellend zu arbeiten, ohne dabei selbst elektromagnetische Störungen zu ver- ursachen, die für die in dieser Umwelt vorhandenen Apparate, Anlagen oder Systeme unannehmbar wären. Folgestrom-Löschfähigkeit (Iﬁ) Die Folgestrom-Löschfähigkeit gibt den prospektiven Effektivwert des Kurz- schlussstroms am Einbauort eines span- nungsschaltenden SPDs an, bis zu dem das SPD bei anliegender höchster Dau- erspannung Uc selbständig nach Anspre- chen aufgrund eines Stoßstroms, ohne Auslösen einer vorgelagerten Über- stromschutzeinrichtung wieder in einen hochohmigen Zustand übergeht. Gas discharge tube, GDT Gasgefüllter Überspannungsableiter Zone, in der die elektromagnetische Umgebung hinsichtlich der Blitzgefähr- dung festgelegt ist. Alle die Zonengren- zen kreuzenden (Versorgungs-)Leitungen Höchste Dauerspannung (Uc) Höchster Effektivwert der Spannung, die dauernd an den Schutzpfaden des SPDs angelegt werden darf. Die höchste Dau- Impulsableitstoßstrom (Iimp) Scheitelwert des durch das SPD fließenden Stroms mit der Impulsform (10/350 µs). Die Impulsform (10/350 µs) eines Stoßstroms ist charakteristisch für die Auswirkungen eines direkten Blitzeinschlags. Der Wert des Impulsab- leitstoßstroms wird für die speziellen Prüfungen eines SPDs zum Nachweis der Tragfähigkeit in Bezug auf ener- giereiche Blitzströme verwendet. Je nach vorgegebener Blitzschutzklasse für ein Blitzschutzsystem müssen die SPDs entsprechende Mindestwerte in Bezug auf diesen Wert erfüllen. Isolationsfestigkeit Festigkeit der Isolation elektrischer Stromkreise eines Betriebsmittels gegenüber Steh- und Stoßspannungen mit Amplituden oberhalb der höchsten Dauerspannung. Leerlaufspannung (UOC) Leerlaufspannung des Hybridgenerators an den Anschlusspunkten des SPD. Ein Hybridgenerator erzeugt einen sogenann- ten kombinierten Stoß, d.h. er liefert im Leerlauf einen Spannungsimpuls definier- ter Impulsform, in der Regel (1,2/50 µs), und im Kurzschluss einen Stromimpuls definierter Impulsform, in der Regel (8/20 µs). Der kombinierte Stoß ist charakteristisch für die Auswirkungen von induzierten Überspannungen. Je nach vorgegebener Schutzklasse für ein Blitz- schutzsystem müssen die SPDs entspre- chende Mindestwerte in Bezug auf diesen 64 Phoenix Contact

Grundlagen des Überspannungsschutzes | Glossar Wert erfüllen. Kurzschlussfestigkeit (ISCCR) Höchster unbeeinflusster Kurzschluss- strom des elektrischen Netzes, für den das SPD in Verbindung mit der vorge- lagerten Überstromschutzeinrichtung bemessen ist. Die Kurzschlussfestigkeit gibt an, bis zu welchem prospektiven Kurzschlussstrom am Einbauort das SPD eingesetzt werden darf. Die entspre- chenden Prüfungen zur Festlegung dieses Werts werden in Verbindung mit der vorgelagerten Überstromschutzeinrich- tung durchgeführt. Im Fall der speziellen Überspannungsschutzgeräte für PV-Anla- gen entspricht der Wert ISCPV dem maxi- malen Gleichstrom-Kurzschlussstrom einer Anlage bis zu dem das SPD einge- setzt werden darf. Lightning protection zone, LPZ Blitzschutzzone Nennableitstoßstrom (In) Scheitelwert des durch das SPD fließenden Stroms mit der Impulsform (8/20 µs). Die Impulsform (8/20 µs) eines Stoßstroms ist charakteristisch für die Auswirkungen eines indirekten Blitzein- schlags oder einer Schalthandlung. Der Wert des Nennableitstoßstroms wird für eine Vielzahl an Prüfungen eines SPDs verwendet, u. a. auch zur Bestimmung des Schutzpegels. Je nach vorgegebener Blitzschutzklasse für ein Blitzschutzsys- tem müssen die SPDs entsprechende Mindestwerte in Bezug auf diesen Wert erfüllen. Nennlaststrom (IL) Maximaler Effektivwert des Nennstroms, der zu einer an dem geschützten Aus- gang des SPDs angeschlossenen ohm- schen Last fließen kann. Dieser Maxi- malwert wird durch die Betriebsstrom- führenden Teile innerhalb des SPDs vorgegeben, diese müssen der Dauer- strombelastung thermisch standhalten können. Nennspannung (UN) Nennwert der Spannung des Strom- oder Signalkreises, bezogen auf den vorgesehenen Einsatz des SPDs. Die angegebene Nennspannung für ein SPD entspricht der Systemspannung des typischen Einsatzorts des SPDs, für ein übliches Drehstromsystem also z. B. 230/400 V AC. Niedrigere Systemspan- nungen können durch das SPD auch geschützt werden. Bei höheren System- spannungen muss von Fall zu Fall ent- schieden werden, ob das SPD eingesetzt werden kann und ob Einschränkungen dabei zu beachten sind. Overcurrent protective device, OCPD Überstromschutzeinrichtung Power-over-Ethernet, PoE Power-over-Ethernet ist ein Verfahren, bei dem auch die Hilfsenergie für die angeschlossenen Geräte mit der Ether- net-Datenleitung übertragen wird. Safe Energy Control-Technologie, SEC-Technologie Technologie für SPDs zum Schutz der Stromversorgung. SPDs mit SEC-Tech- nologie zeichnen sich durch folgende Kernpunkte aus: • Rückwirkungsfrei und langlebig • Vorsicherungsfreie Lösung für jede Applikation • Kompakt und durchgängig steckbar Schutzpegel (Up) Maximale Spannung, die an den Anschlussklemmen des SPDs während der Belastung mit einem Impuls festge- legter Spannungssteilheit und Belastung mit einem Ableitstoßstrom gegebener Amplitude und Wellenform auftreten kann. Dieser Wert charakterisiert die Überspannungsschutzwirkung des SPDs. Im Fall eines Überspannungsphänomens innerhalb der Leistungsparameter des SPDs wird die Spannung an den geschütz- ten Anschlüssen des SPDs sicher auf maximal diesen Wert begrenzt. Stoßspannung Eine impulsförmige Spannung, die durch einen großen Spannungsanstieg innerhalb kurzer Zeit charakterisiert ist. Eine typi- sche Impulsform ist (1,2/50 µs), mit der auch das Ansprechverhalten von SPDs oder die Stoßspannungsfestigkeit von Betriebsmitteln überprüft wird. Stoßstrom Ein impulsförmiger Strom, der durch einen großen Stromanstieg innerhalb kurzer Zeit charakterisiert ist. Typische Impulsformen sind (8/20 µs), mit der das Spannungsbegrenzungsverhalten von SPDs überprüft wird, und (10/350 µs), mit der die Blitzstromtragfähigkeit von SPDs getestet wird. Surge protective device, SPD Überspannungsschutzgerät TVS TVS steht für Transient Voltage Supressor. Überspannungskategorie Einteilung von Betriebsmitteln in Katego- rie I bis IV gemäß ihrer Stoßspannungs- festigkeit. Überspannungskategorie I ent- spricht dabei dem niedrigsten Wert und umfasst besonders empfindliche (End-) Geräte. Die Werte steigen entsprechend bis zu Überspannungskategorie IV. Die Werte der für die einzelnen Kategorien hängen dabei auch von der Spannungs- ebene des Stromversorgungssystems ab. Phoenix Contact 65

Grundlagen des Überspannungsschutzes | Literaturverzeichnis 8 Literaturverzeichnis [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] International Electrotechnical Commission. IEC 62305-1 - Blitzschutz - Teil 1: Allgemeine Grundsätze. s.l. : VDE Verlag GmbH, 2010. International Electrotechnical Commission. IEC 62305-2 - Blitzschutz - Teil 2: Risiko-Management. s.l. : VDE Verlag GmbH, 2010. International Electrotechnical Commission. IEC 62305-3 - Blitzschutz - Teil 3: Schutz von baulichen Anlagen und Personen. s.l. : VDE Verlag GmbH, 2010. International Electrotechnical Commission. IEC 62305-4 - Blitzschutz - Teil 4: Elektrische und elektronische Systeme in baulichen Anlagen. s.l. : VDE Verlag GmbH, 2010. International Electrotechnical Commission. IEC 60364-4-44 - Errichten von Niederspannungsanlagen - Teil 4-44: Schutzmaßnahmen - Schutz bei Störspannungen und elektromagnetischen Störgrößen. s.l. : VDE Verlag GmbH, 2015. International Electrotechnical Commission. IEC 61643-11 - Überspannungsschutzgeräte für den Einsatz in Niederspannungsanlagen - Anforderungen und Prüfungen. s.l. : VDE Verlag GmbH, 2011. International Electrotechnical Commission. IEC 61643-21 - Überspannungsschutzgeräte für den Einsatz in Telekommunikations- und signalverarbeitenden Netzwerken - Leistungsanforderungen und Prüfverfahren. s.l. : VDE Verlag GmbH, 2000. International Electrotechnical Commission. IEC 61643-31 - Überspannungsschutzgeräte für den Einsatz in Niederspannungsanlagen - Anforderungen und Prüfungen für Überspannungsschutzgeräte für den Einsatz in Photovoltaik-Installationen - Anforderungen und Prüfverfahren.. s.l. : VDE Verlag GmbH, 2015. International Electrotechnical Commission. IEC 60664-1 - Isolationskoordination für elektrische Betriebsmittel in Niederspannungsanlagen - Teil 1: Grundsätze, Anforderungen und Prüfungen. s.l. : VDE Verlag GmbH, 2007. International Electrotechnical Commission. IEC 60364-1 - Errichten von Niederspannungsanlagen - Teil 1: Allgemeine Grundsätze, Bestimmungen allgemeiner Merkmale, Begriffe. s.l. : VDE Verlag GmbH, 2005. International Electrotechnical Commission. IEC 60364-5-53 - Errichten von Niederspannungsanlagen - Teil 5: Auswahl und Errichtung elektrischer Betriebsmittel; Kapitel 53: Schaltgeräte und Steuergeräte. s.l. : VDE Verlag GmbH, 2015. International Electrotechnical Commission. IEC 60364-4-43 - Errichten von Niederspannungsanlagen - Teil 4-43: Schutzmaßnahmen - Schutz bei Überstrom. s.l. : VDE Verlag GmbH, 2008. European Committee for Electrotechnical Standardization. CLC/TS 50539-12 - Überspannungsschutzgeräte für den Einsatz in Photovoltaik-Installationen - Auswahl- und Anwendungsprinzipien. s.l. : VDE Verlag GmbH, 2013. PHOENIX CONTACT GmbH & Co. KG. Überspannungsschutz TRABTECH - Handbuch für Elektrofachplaner. 2015. International Electrotechnical Commission. IEC 61643-12 - Überspannungsschutzgeräte für den Einsatz in Niederspannungsanlagen - Auswahl und Anwendungsgrundsätze. s.l. : VDE Verlag GmbH, 2010. International Electrotechnical Commission. IEC 61643-22 - Überspannungs-Schutzgeräte für den Einsatz in Telekommunikations- und signalverarbeitenden Netzwerken - Auswahl- und Anwendungsprinzipien. s.l. : VDE Verlag GmbH, 2007. International Electrotechnical Commission. IEC 60079-11 (VDE 0170-7) - Explosionsgefährdete Bereiche - Teil 11: Geräteschutz durch Eigensicherheit „i“ VDE-VERLAG GMBH, 2012 International Electrotechnical Commission. IEC 61643-32 - Überspannungsschutzgeräte für den Einsatz in Niederspannungsanlagen - Anforderungen und Prüfungen für Überspannungsschutzgeräte für den Einsatz in Photovoltaik-Installationen - Auswahl und Anwendung s.l. : VDE Verlag GmbH, 2015. Phoenix Contact 67

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