Ursachen von Überspannungen

Überspannung – was genau ist das eigentlich? Wie entstehen Überspannungen? Wie gelangen Überspannungen in Ihre Geräte und Anlagen? Diese Fragen haben Sie sich vielleicht auch schon mal gestellt. Auf den folgenden Seiten werden Sie umfassend über den Bereich der Überspannungsschutz-Technologie informiert.

Entstehungsursachen

Überspannungen treten nur für den Bruchteil einer Sekunde auf. Man nennt sie deshalb auch transiente Spannungen oder kurz Transienten. Sie haben sehr kurze Anstiegszeiten von wenigen Mikrosekunden, bevor sie dann vergleichsweise langsam über einen zeitlichen Bereich von bis zu 100 Mikrosekunden wieder abfallen.

Überspannungen entstehen durch folgende Ereignisse:

Der Fachausdruck für eine Blitzentladung ist LEMP. Das steht für Lightning Electromagnetic Pulse.

Blitzschläge bei einem Gewitter verursachen extrem hohe transiente Überspannungen. Diese liegen weit höher als solche, die durch Schalthandlungen oder elektrostatische Entladungen entstehen. Jedoch treten Sie im Vergleich zu anderen Entstehungsursachen wesentlich seltener auf.

Schalthandlungen werden mit der Abkürzung SEMP bezeichnet. Dieser Ausdruck steht für Switching Electromagnetic Pulse.

Unter Schalthandlungen versteht man in diesem Zusammenhang das Schalten leistungsstarker Maschinen oder Kurzschlüsse im Stromversorgungsnetz. Bei solchen Vorgängen entstehen in den betroffenen Leitungen in wenigen Sekundenbruchteilen sehr hohe Stromänderungen.

Die Abkürzung ESD steht für Electrostatic Discharge und bezeichnet eine elektrostatische Entladung.

Hier findet bei einer Annäherung oder Berührung von Körpern mit unterschiedlichem elektrostatischen Potenzial eine Übertragung elektrischer Ladung statt. Ein bekanntes Beispiel dafür ist die Entladung einer Person, die sich während des Laufens über einen Teppich auflädt und sich dann an einem metallischen, geerdeten Gegenstand – wie einem Metallgeländer – entlädt.

Einkopplungsarten

Überspannungen können auf unterschiedlichen Wegen in Stromkreise gelangen. Diese Wege werden als Einkopplungsarten bezeichnet.

Galvanische Einkopplung (links), Induktive Einkopplung (Mitte) und Kapazitive Einkopplung (rechts)

Galvanische Einkopplung (links), Induktive Einkopplung (Mitte) und Kapazitive Einkopplung (rechts)

So bezeichnet man Überspannungen, die direkt in einen Stromkreis einkoppeln. Das ist zum Beispiel bei Blitzeinschlägen zu beobachten. Dabei verursachen hohe Blitzstromamplituden am Erdungswiderstand des betroffenen Gebäudes eine Überspannung.

Alle Leitungen, die am zentralen Potenzialausgleich angeschlossen sind, werden mit dieser Spannung beaufschlagt. An blitzstromdurchflossenen Leitern entsteht zusätzlich eine Überspannung. Sie ist aufgrund der großen Stromsteilheit hauptsächlich auf den induktiven Anteil des Leitungswiderstandes zurückzuführen. Berechnungsgrundlage dafür ist das Induktionsgesetz: u0 = L x di/dt.

Dieser Vorgang erfolgt durch das magnetische Feld eines stromdurchflossenen Leiters nach dem Transformatorprinzip. Eine direkt eingekoppelte Überspannung verursacht in dem betroffenen Leiter einen Stoßstrom mit hohen Anstiegswerten.

Gleichzeitig entsteht ein entsprechend starkes Magnetfeld um diesen Leiter, wie bei der Primärwicklung eines Transformators. Das Magnetfeld induziert eine Überspannung in anderen Leitungen, die sich in seinem Wirkungsbereich befinden, wie in die Sekundärwicklung eines Transformators. Über den Leitungsweg gelangt die eingekoppelte Überspannung in das angeschlossene Gerät.

Diese Einkopplung erfolgt prinzipiell über das elektrische Feld zwischen zwei Punkten mit hohem Potenzialunterschied. Über der Ableitung eines Blitzableiters entsteht ein hohes Potenzial aufgrund eines Blitzeinschlags. Es bildet sich ein elektrisches Feld zwischen der Ableitung und anderen Teilen mit niedrigerem Potenzial.

Das können zum Beispiel Leitungen der Stromversorgung und Signalübertragung oder Geräte innerhalb des Gebäudes sein. Es kommt zu einem Ladungstransport durch das elektrische Feld. Das führt zu einem Spannungsanstieg beziehungsweise zu einer Überspannung in den betroffenen Leitungen und Geräten.

Wirkungsrichtung von Überspannungen

Überspannungen wirken in den beeinflussten Stromkreisen in zwei Richtungen.

Längsspannung (links) und Querspannung (rechts)

Längsspannung (links) und Querspannung (rechts)

Längsspannungen [UL] treten im Beeinflussungsfall durch Überspannungen oder hochfrequente Störspannungen zwischen aktiven Leitern und Erde auf. Man verwendet auch die Begriffe asymmetrisch und common mode.

Asymmetrische Spannungen gefährden in erster Linie Bauelemente, die zwischen aktiven Potenzialen und einem geerdeten Ground liegen, sowie die Isolation zwischen aktiven Potenzialen und Erde. Es kommt zu Überschlägen auf Platinen oder von Spannung führenden Betriebsmitteln zu geerdeten Gehäuseteilen.

Querspannungen [UQ] treten im Beeinflussungsfall durch Überspannungen oder hochfrequente Störspannungen zwischen den aktiven Leitern eines Stromkreises auf. Man verwendet auch die Begriffe symmetrisch und differential mode.

Symmetrische Überspannungen gefährden den Spannungs- und Signaleingang von Geräten und Schnittstellen. Es kommt zur direkten Überlastung mit Zerstörung der betroffenen Betriebsmittel in der Stromversorgung oder von Signal verarbeitenden Bauelementen.

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