Schutzkonzept

Auswirkungen von Überspannungen

Darstellung des Schutzkreisprinzips  

Darstellung des Schutzkreisprinzips

Das Schutzkreisprinzip beschreibt eine lückenlose Maßnahme zum Schutz vor Überspannungen. Dabei ist um das zu schützende Objekt gedanklich ein Kreis zu ziehen. An allen Stellen, an denen Leitungen diesen Kreis schneiden, sind Überspannungsschutzgeräte zu installieren. Die Nenndaten des jeweiligen Stromkreises sind bei der Auswahl der Schutzgeräte zu berücksichtigen. Damit ist der Bereich innerhalb des Schutzkreises so gesichert, dass leitungsgebundene Überspannungseinkopplungen konsequent vermieden werden.

Das Schutzkreiskonzept lässt sich in folgende Bereiche sinnvoll unterteilen:

  • Stromversorgung
  • Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik
  • Informationstechnik
  • Sende- und Empfangsanlagen

Schutzzonen

Lage der einzelnen Schutzzonen am Beispiel eines typischen Einfamilienhauses  

Lage der einzelnen Schutzzonen am Beispiel eines typischen Einfamilienhauses

Für die Einrichtung eines wirkungsvollen Schutzes ist es wichtig zu bestimmen, wo sich gefährdete Geräte befinden und durch welche Einflüsse sie gefährdet sind. Diese Abbildung zeigt ein typisches Einfamilienhaus, an dem beispielhaft die Lage der einzelnen Schutzzonen erklärt ist.

Die Abkürzung LPZ steht für Lightning Protection Zone und kennzeichnet die verschiedenen Gefährdungsbereiche. Dabei wird zwischen folgenden Zonen unterschieden:

  • LPZ 0A (direkte Blitzeinwirkung): Bezeichnet den gefährdeten Bereich außerhalb des Gebäudes.
  • LPZ 0B (direkte Blitzeinwirkung): Bezeichnet den geschützten Bereich außerhalb des Gebäudes.
  • LPZ 1: Bezeichnet eine Zone innerhalb des Gebäudes, die durch energiereiche Überspannungen gefährdet ist.
  • LPZ 2: Bezeichnet die Zone innerhalb eines Gebäudes, die durch energieärmere Überspannungen gefährdet ist.
  • LPZ 3: Diese Zone ist gefährdet durch Überspannungen und sonstige Einflüsse, die durch die Geräte und Leitungen selbst entstehen.

Auswirkungen von Stoßströmen in Leitungen

Entstehung von Induktionsspannungen in Leitungen  

Entstehung von Induktionsspannungen in Leitungen

Bei der Begrenzung von Überspannung handelt es sich um die Ableitung hochfrequenter Ströme und damit um transiente Vorgänge. Das bedeutet, dass in erster Linie nicht der ohmsche, sondern der induktive Widerstand einer Leitung ausschlaggebend ist.

Beim Ableiten solcher Stoßströme zum Erdpotenzial werden nach dem Induktionsgesetz erneut Überspannungen zwischen dem Einkopplungspunkt und Erde erzeugt.

u0 = L x di/dt
u0 = induzierte Spannung in V
L = Induktivität in Vs/A in H
di = Stromänderung in A
dt = Zeitintervall in s

Der induktive Widerstand lässt sich nur durch Verkürzen der Leitungslänge oder durch Parallelschalten von Ableitstrecken verringern. Deshalb ist ein maschenförmiger, möglichst engmaschiger Potenzialausgleich die beste technische Lösung, um die Gesamtimpedanz der Ableitstrecke und damit die Restspannung gering zu halten.

Potenzialausgleich

Potenzialausgleichsysteme  

Potenzialausgleichsysteme

Ein vollständiger Schutz lässt sich nur durch eine vollständige Isolierung oder durch einen vollständigen Potenzialausgleich erreichen. Da aber eine vollständige Isolierung für viele praktische Anwendungen gar nicht möglich ist, bleibt nur der vollständige Potenzialausgleich.

Dafür sind alle elektrisch leitfähigen Teile mit dem Potenzialausgleichssystem zu verbinden. Die Verbindung von spannungsführenden Leitungen zum zentralen Potenzialausgleich erfolgt über Schutzgeräte. Diese werden im Falle einer Überspannung leitfähig und schließen die Überspannung kurz. Überspannungsschäden lassen sich so wirkungsvoll verhindern.

Potenzialausgleichssysteme können unterschiedlich aufgebaut sein:

  • Linienförmiger Potenzialausgleich
  • Sternförmiger Potenzialausgleich
  • Maschenförmiger Potenzialausgleich

Der maschenförmige Potenzialausgleich ist dabei die wirkungsvollste Methode, da hier alle elektrisch leitfähigen Teile über eine separate Leitung verfügen und zusätzliche Leitungen alle Endpunkte auf dem kürzesten Weg verbinden. Diese Art von Potenzialausgleich ist sinnvoll bei besonders empfindlichen Anlagen wie Rechenzentren.

Mehrstufiges Schutzkonzept für die Stromversorgung

Die erforderlichen Maßnahmen zum Schutz von Geräten und Anlagen gliedern sich je nach Ableiterauswahl und den zu erwartenden Umwelteinflüssen in zwei oder drei Stufen. Die Schutzgeräte für die einzelnen Stufen unterscheiden sich grundsätzlich durch die Höhe des Ableitvermögens und den Schutzpegel gemäß der Schutzstufenzugehörigkeit.

Dreistufiges Schutzkonzept mit getrennt installierten Schutzstufen:

  • Typ 1: Blitzstromableiter
    Schutzpegel < 4 kV, üblicher Einbauort: Hauptverteilung
  • Typ 2: Überspannungsableiter
    Schutzpegel < 2,5 kV, üblicher Einbauort: Unterverteilung
  • Typ 3: Geräteschutz
    Schutzpegel < 1,5 kV, üblicher Einbauort: vor dem Endgerät

Die Schutzstufen 1 und 2 lassen sich auch in einem Kombiableiter Typ 1+2 realisieren. Dieses Schutzgerät erfüllt die Anforderungen, die an Ableiter des Typs 1 und 2 gestellt sind. Der wesentliche Vorteil ist die einfache Installation. Es müssen auch keine besonderen Installationsbedingungen berücksichtigt werden.

Dreistufiges Schutzkonzept mit Kombiableiter Typ 1+2 und separatem Ableiter Typ 3:

  • Kombiableiter Typ 1+2
    Schutzpegel < 2,5 kV, üblicher Einbauort: Hauptverteilung
  • Typ 3: Geräteschutz
    Schutzpegel < 1,5 kV, üblicher Einbauort: vor dem Endgerät

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