Überspannungsschutz neu erfunden

Normenänderung für den Überspannungsschutz

Einfach erklärt.
DIN VDE 0100-443 und DIN VDE 0100-534

Überspannungsschutz ist Pflicht

Die Höhe der Schäden, die durch transiente Überspannungen entstehen, wächst stetig an. Im schlimmsten Fall kann eine solche Überspannung zu Funkenbildung und einem daraus resultierenden Brand führen. Um dieser Gefahr entgegen zu wirken, sind Maßnahmen zum Schutz bei transienten Überspannungen normativ verpflichtend vorgeschrieben.

Die DIN VDE 0100-443 legt konkret fest, unter welchen Voraussetzungen die Pflicht zur Errichtung von Schutzmaßnahmen besteht. In der DIN VDE 0100-534 sind die Anforderungen an die Auswahl und Installation von Überspannungs-Schutzeinrichtungen (SPDs) definiert.

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Für einen schnellen Überblick haben wir im Folgenden die wichtigsten Informationen für Sie zusammengefasst:

DIN VDE 0100-443

Die DIN VDE 0100-443 beschreibt die Anforderungen für den Schutz elektrischer Anlagen bei transienten Überspannungen infolge atmosphärischer Einflüsse und Schaltvorgängen.

Transiente Überspannungen unterschiedlichen Ursprungs werden unter anderem über das Versorgungsnetz eingekoppelt. Schaltüberspannungen können aber auch innerhalb der elektrischen Anlage entstehen. z. B. in folgenden Fällen:

  • Generatoreinspeisungen in der Niederspannungsanlage
  • Schalten großer induktiver Lasten (Motoren, Transformatoren)
  • Schalten großer kapazitiver Lasten (Kondensatorbänke, Speichereinheiten)
  • Schalten hoher Lastströme

Maßnahmen zum Schutz sind zwingend erforderlich, wenn die Folgen der Überspannung Auswirkungen auf Menschenleben (z. B. Anlagen für Sicherheitszwecke), auf öffentliche Einrichtungen (z. B. Ausfall von öffentlichen Diensten), auf Gewerbe- oder Industrieaktivitäten oder auf Ansammlungen von Personen (z. B. in großen Gebäuden, Büros oder Schulen) haben. Auch bei Auswirkungen auf Einzelpersonen, z. B. in Wohngebäuden oder kleineren Büros, gilt diese Verpflichtung, wenn in diesen Gebäuden Betriebsmittel der Überspannungskategorie I oder II betrieben werden. Das kann unter anderem die in praktisch jedem Gebäude vorhandene Heizungsanlage sein, die an die feste Installation angeschlossen ist.

Wenn nach den genannten Kriterien ein Überspannungsschutz für die Niederspannungsanlage erforderlich ist, dann ist auch ein Überspannungsschutz für andere Systeme, deren Leitungen in das Gebäude eingeführt werden (z. B. Telekommunikationsleitungen), empfohlen.

Die Installation von Überspannungs-Schutzeinrichtungen (SPD = Surge Protective Device) stellt eine Spannungsbegrenzung entsprechend der Isolationskoordination sicher. Dank der Vermeidung von gefährlicher Funkenbildung ist der Einsatz der SPDs ein wichtiger Schritt für den vorbeugenden Brandschutz.

Darüberhinausgehende Maßnahmen zum Schutz bei transienten Überspannungen infolge von Blitzeinschlägen in das Gebäude oder unmittelbar daneben gehören nicht zum Anwendungsbereich dieser Norm. Dafür sind die Normen der Reihe DIN VDE 62305 (VDE 0185-305) zu berücksichtigen.

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DIN VDE 0100-534

Die DIN VDE 0100-534 beschreibt die Anforderungen an die Auswahl und Errichtung von Überspannungs-Schutzeinrichtungen in Niederspannungsanlagen.

Die Installation des Überspannungsschutzgerätes muss am oder in der Nähe des Speisepunktes erfolgen. Der Speisepunkt der elektrischen Anlage kann der Ort sein, an dem die Einspeisung in das Gebäude eintritt oder auch der elektrische Hauptverteiler, z. B. der Zählerschrank. Bei Niederspannungsanlagen, die an das öffentliche Versorgungsnetz angeschlossen sind, müssen zusätzlich die Vorgaben der Technischen Anwendungsregel (TAR) Niederspannung (VDE-AR-N 4100) berücksichtigt werden. 

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Es muss mindestens eine Überspannungs-Schutzeinrichtung (SPD) Typ 2 verwendet werden. Bei Gebäuden mit Blitzschutz oder Freileitungseinspeisung ist ein Überspannungsschutzgerät Typ 1 erforderlich. Für einen ausreichenden Schutz der gesamten elektrischen Anlage können weitere Überspannungs-Schutzeinrichtungen Typ 2 oder Typ 3 erforderlich sein.

Bei der Installation sind unter anderem die Anforderungen hinsichtlich des Mindest-Ableitvermögens, der Länge der Anschlussleitungen, der passenden Vorsicherung und des Abstands zu den zu schützenden Betriebsmitteln zu beachten.

Nachfolgend können Sie noch detailliertere Informationen dazu nachlesen.

Die richtige Auswahl von Überspannungsschutzgeräten

(Typ und Ableitvermögen)

  • Zum Schutz der elektrischen Anlage muss mindestens ein SPD Typ 2 mit einem Gesamt-Nennableitstoßstrom In = 10 kA (8/20 µs) je Pol bzw. 40 kA in Summe so nah wie möglich am Speisepunkt der elektrischen Anlage eingebaut werden.
  • Ist ein äußerer Blitzschutz vorhanden, muss je nach Blitzschutzklasse oder Berechnung ein SPD Typ 1 mit einem Mindestableitvermögen von Iimp = 12,5 kA (10/350 µs) je Pol bzw. 50 kA in Summe verwendet werden.
  • Bei einer Freileitungseinspeisung muss ein SPD Typ 1 mit einem Mindestableitvermögen von Iimp = 5 kA (10/350 µs) je Pol bzw. 20 kA in Summe eingesetzt werden.
  • In Unterverteilungen und vor Endgeräten, die nicht mehr im Wirkungsbereich des vorherigen SPDs liegen (> 10 m entfernt), sollten zusätzliche SPDs Typ 2 oder Typ 3 eingebaut werden.
  • Vor Geräten, von denen Störungen (z. B. Schaltüberspannungen) ausgehen, müssen SPDs Typ 2 oder Typ 3 eingebaut werden.
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Mit unserer Auswahlhilfe für Blitz- und Überspannungsschutzgeräte finden Sie schnell und gezielt die geeigneten Produkte zum Schutz Ihrer Gebäudeinstallation.

Bei den meisten Gebäuden ist die Hauptverteilung der Zählerschrank mit einem 40-mm-Sammelschienensystem im netzseitigen Anschlussraum. In diesem Raum ist nach der TAR Niederspannung (VDE-AR-N 4100) der Einbau von Überspannungsschutzgeräten Typ 1 erlaubt, sofern das Produkt alle im Abschnitt 11.2.2 der TAR genannten technischen Voraussetzungen für den Einbau in Hauptstromversorgungssystemen erfüllt.

Kombiableiter im netzseitigen Anschlussraum

Kombiableiter im netzseitigen Anschlussraum

Der Kombiableiter FLT-SEC-ZP ist für diese Anwendung ideal geeignet, da er die normativen Anforderungen bis einschließlich Blitzschutzklasse III abdeckt. Die Installation erfolgt einfach durch das Aufrasten auf das 40-mm-Schienensystem im netzseitigen Anschlussraum des Zählerplatzes. Dank der schmalen Baubreite von nur 47 mm passt der FLT-SEC-ZP in jeden Installationsverteiler. Natürlich können Sie den FLT-SEC-ZP auch bei Gebäuden ohne Blitzschutz und ohne Freileitungseinspeisung verwenden, da er ebenfalls die Anforderungen an ein SPD Typ 2 erfüllt.

In den meisten Fällen - bei allen Gebäuden ohne Blitzschutzsystem oder Freileitungsversorgung - ist formal ein SPD Typ 2 ausreichend. Der Einbau darf nach VDE-AR-N 4100, Abschnitt 7.2, im anlagenseitigen Anschlussraum erfolgen.

SPD Typ 2 im anlagenseitigen Anschlussraum

SPD Typ 2 im anlagenseitigen Anschlussraum

Beim Einsatz eines SPD Typ 2 am oder in der Nähe des Speisepunkts müssen Sie jedoch beachten, dass der Ableiter für einen erhöhten Gesamt-Nennableitstoßstrom In von 40 kA 8/20 µs ausgelegt sein muss. Die üblichen SPD Typ 2 erfüllen diese Anforderungen in der Regel nicht, dürfen aber weiterhin als nachgelagerte Überspannungs-Schutzgeräte - z. B. in Unterverteilungen - verwendet werden.

Als erster Hersteller bietet Ihnen Phoenix Contact mit dem Überspannungsableiter Typ 2 VAL-SEC-T2-3S-350/40 ein schmales, steckbares SPD Typ 2, das diese erhöhten Anforderungen erfüllt.

Schutz von Stromzählern

Video Schutz von Stromzählern

Wie sicher der Typ 2 Ableiter VAL-SEC-T2-3S-350/40 schützt, haben wir in unserem hauseigenen Impuls- und Hochstromlabor getestet. Die Installation erfolgt nach dem Zähler, im anlagenseitigen Anschlussraum. Dennoch ist nicht nur die nachfolgende Installation, sondern auch der Zähler selbst geschützt.
 

Wirksamer Schutzbereich von SPDs

Mit zunehmender Entfernung zwischen SPD und zu schützendem Betriebsmittel nimmt die Schutzwirkung aufgrund verschiedener physikalischer Effekte ab. Dazu kommen äußere Effekte, die in einer elektrischen Anlage nicht immer vermeidbar sind. Für eine sichere Planung wird daher von einem wirksamen Schutzbereich von SPDs gesprochen. Dieser Schutzbereich gilt bis 10 m Leitungslänge ab eingebautem SPD. Maßgeblich ist die effektive Leitungslänge, nicht die räumliche Entfernung. Wenn die Leitungslänge mehr als 10 m beträgt, sollten Sie eine zusätzliche Überspannungs-Schutzeinrichtung so nah wie möglich vor dem zu schützenden Betriebsmittel installieren.

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Auf die Leitungslänge kommt es an

Stichverdrahtung  

Stichverdrahtung

Die Gesamtlänge der Anschlussleitungen eines SPDs hat einen entscheidenden Einfluss auf den effektiven Schutzpegel der Anordnung. Die Anschlussleitung hat neben dem zu vernachlässigenden ohmschen Widerstand auch einen induktiven Widerstand. Bei einem runden Leiter beträgt dieser – nahezu querschnittsunabhängig – etwa 1 µH pro Meter. Der sehr schnelle Stromanstieg beim Ableitvorgang verursacht an diesem induktiven Widerstand einen sehr hohen Spannungsfall – überschlägig 1 kV je Meter bei einem 10 kA 8/20 Impuls. 

Da sich der effektive Schutzpegel näherungsweise aus der Summe der Restspannung über den Anschlussklemmen des SPDs und dem Spannungsfall über den Anschlussleitungen ergibt, verschlechtert jeder Zentimeter Anschlussleitung den Schutzpegel. Die Gesamtlänge aller Leitungen a, b und c zwischen den Anschlusspunkten A und B darf daher bei Verwendung runder Leiter nicht mehr als 0,5 m betragen.

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V-Verdrahtung

V-Verdrahtung

Wenn die Einhaltung der 0,5 m aus konstruktiven Gründen nicht möglich ist, muss nach Alternativen gesucht werden. Eine Lösung kann die sogenannte V-Verdrahtung sein. Bei der V-Verdrahtung wandert der Anschlusspunkt A direkt an die Anschlussklemmen des SPD. Die Leitungslängen a und b entfallen. Es bleibt nur die Anbindung an den Schutzleiter, die Länge c.

Eine weitere, hier nicht dargestellte Möglichkeit kann eine zusätzliche Verbindung des SPDs mit dem Schutzleiter über geerdete Anlagenteile sein, zum Beispiel über den Montagerahmen oder die Montageplatte. Dadurch wird die Impedanz der Verbindung deutlich verringert und damit der Sinn der Norm erfüllt.

Die passende Vorsicherung wählen

Wie jedes elektrische Betriebsmittel muss auch ein SPD und dessen Anschlussleitungen vor den Auswirkungen eines Überstroms geschützt werden. Hierzu muss eine passend dimensionierte Überstrom-Schutzeinrichtung vorgesehen werden. Der Hersteller des SPDs liefert in seiner technischen Dokumentation Angaben zum maximal zulässigen Nennwert der Überstrom-Schutzeinrichtung. In der Regel beziehen sich diese Angaben auf eine NH-Sicherung mit gG-Charakteristik. Der Sicherungsnennwert fällt bei Stichverdrahtung deutlich höher aus als bei der V-Durchgangsverdrahtung, weil in diesem Fall kein Schutz bei Überlast, sondern nur bei Kurzschluss gewährleistet sein muss. Bei der V-Durchgangsverdrahtung ist der maximale Anschlussquerschnitt des SPDs die limitierende Größe. Da der Betriebsstrom über die Anschlussklemmen fließt, muss hier neben dem der Überlast- auch der Kurzschlussfall berücksichtigt werden.

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SPD Typ 2 für große Anlagen- sicherungen

SPD Typ 2 für große Anlagensicherungen

Gängig für SPD Typ 1 ist eine maximale Vorsicherung von 315 A gG bei Stichleitungsverdrahtung und 125 A gG bei V‑Durchgangsverdrahtung.

Für SPD Typ 2 hingegen ist eine maximale Vorsicherung von 125 A gG bei Stichleitungsverdrahtung und 80 A gG bei V‑Durchgangsverdrahtung üblich.

Außergewöhnlich ist der kompakte VALVETRAB-SEC-T2. Bei nur 12 mm Baubreite pro Kanal bietet er maximale Leistungsstärke und hohe Kurzschlussfestigkeit. Bis zu einem Nennwert der Hauptsicherung von 315 A gG lässt sich der VALVETRAB-SEC bei Stichleitungsverdrahtung problemlos ohne zusätzliche Sicherung in der Stichleitung einsetzen.

SPD Typ 1 in Stichleitungsverdrahtung

SPD Typ 1 in Stichleitungsverdrahtung

Wenn die Stichleitungsverdrahtung gewählt wird und der Nennwert der anlagenseitigen Sicherung F1 größer ist als der vom Hersteller ausgewiesene Maximalwert, muss in jedem Fall eine zusätzliche Sicherung F2 im Stich eingeplant werden. Bei der Dimensionierung sind zum einen die Selektivitätskriterien zu beachten (F2:F1 ≤ 1:1,6), zum anderen aber auch die Stoßstromtragfähigkeit, damit die Sicherung nicht beim Ableitvorgang auslöst oder sogar mechanisch zerstört wird. 

Wenn der Nennwert von F1 kleiner oder gleich der maximal zulässigen Vorsicherung ist, sind vom Planer oder Betreiber zwei Argumente gegeneinander abzuwägen: Auf der einen Seite könnte der dann erlaubte Verzicht auf eine separate Sicherung F2 dazu führen, dass ein (extrem unwahrscheinlicher) Kurzschluss in der Überspannungs-Schutzeinrichtung die gesamte Anlage stilllegt, weil dann die Hauptsicherung F1 auslösen würde. Auf der anderen Seite könnte eine nicht ausreichend stoßstromfeste Sicherung F2 unter Umständen dazu führen, dass diese bereits bei Stoßströmen, die unterhalb der Leistungsfähigkeit des SPDs liegen, auslöst, und dann der Anlagenschutz nicht mehr gegeben ist. Und ohne Sicherungsüberwachung würde dieser Fehler unbemerkt bleiben!

Beispielhaft ist im Folgenden die Sicherungsdimensionierung für ein SPD Typ 1 mit einem Ableitvermögen von 25 kA (10/350 µs) pro Pfad skizziert. Die maximal zulässige Vorsicherung des SPDs soll laut Hersteller 315 A gG betragen.

Im ersten Fall ist dieses SPD in einer Anlage mit einer Sicherung F1 = 500 A gG vorgesehen. Es ist also eine Stichleitungssicherung F2 erforderlich. Aufgrund des Selektivitätskriteriums F2:F1 ≤ 1:1,6 könnte man für F2 den maximal zulässigen Nennwert von 315 A gG ausschöpfen. Und weil eine NH-Sicherung 315 A gG einen 25 kA-Blitzstoßstrom auch mehrfach zerstörungsfrei ableiten kann, wäre das aus normativer Sicht die optimale Lösung. Wenn das Blitzschutzsystem aber nur der Blitzschutzklasse III oder IV entspricht oder eine Berechnung ergibt, dass der am Einbauort zu erwartende Blitzstrom deutlich unter 25 kA pro Pol liegt, kann die Sicherung auch kleiner dimensioniert werden. Eine zusätzliche Sicherung F2 erfordert aber immer einen erhöhten Platzbedarf und führt unter Umständen zu längeren Anschlussleitungen.

SPD Typ 1 mit integrierter Vorsicherung

SPD Typ 1 mit integrierter Vorsicherung

Eine sinnvolle Alternative kann daher ein SPD mit integrierter Sicherung sein. Hier ist seitens des Herstellers sichergestellt, dass auch mehrfache Blitzströme mit 25 kA pro Pol von der integrierten Sicherung beherrscht werden. Weitere Vorteile einer solchen Lösung sind der deutlich geringere Platzbedarf gegenüber einer konventionellen externen Sicherung der Baugröße 2 und die Möglichkeit, die Länge der Anschlussleitungen zu Gunsten eines besseren Schutzpegels zu optimieren.

Im zweiten Fall ist das SPD in einer Anlage mit F1 = 315 A gG vorgesehen. Formal wäre hier keine separate F2 erforderlich. Wenn der Planer oder Betreiber aber aus oben genannten Gründen festlegt, dass trotzdem eine F2 installiert werden soll, dann sollte diese F2 unter Einhaltung des Selektivitätskriteriums so groß wie möglich gewählt werden, also 200 A gG. Eine solche Sicherung kann zwar nicht mehrfache 25 kA-Blitzimpulse tragen, aber da diese Maximalamplitude nur extrem selten auftritt – weniger als 1% aller Blitze erreichen diesen Spitzenwert –, ist sie aus pragmatischer Sicht immer noch ausreichend stoßstromtragfähig.

SPD Typ 2 in Stichleitungsverdrahtung

SPD Typ 2 in Stichleitungsverdrahtung

In einem weiteren Beispiel soll die Dimensionierung für ein SPD Typ 2 beschrieben werden.

Konventionelle SPD Typ 2 können bei Stichleitungsverdrahtung nur in Anlagen mit F1 bis einschließlich 125 A ohne F2 betrieben werden. Hier spielt der VAL-SEC seine Vorteile voll aus, da er nicht nur bis F1 = 125 A gG, sondern bis 315 A gG ohne F2 installiert werden darf. Dadurch wird in den allermeisten Fällen eine F2 überflüssig.

Falls trotzdem eine F2 gewünscht wird oder erforderlich ist, sollte diese nach Möglichkeit nicht kleiner als 80 A gG gewählt werden, da die Stoßstromtragfähigkeit einer solchen Sicherung dem Nennableitstoßstrom eines typischen SPD Typ 2 von 20 kA 8/20 pro Pol entspricht.

Ausführliche Informationen zu den Normen mit Lösungsbeispielen

In Kooperation mit dem ZVEH entstand eine umfangreiche Broschüre mit detaillierten Informationen zu allen Änderungen in der DIN VDE 0100-443 und -534, die sich im Rahmen der Überarbeitung im Oktober 2016 ergeben haben. Sie wird ergänzt um weiterführende Informationen von Phoenix Contact.

 

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