Grundlage für das Zukunftsbild der All Electric Society ist die umfassende Elektrifizierung, Vernetzung und Automatisierung aller Sektoren von Wirtschaft und Infrastruktur. Diese Entwicklungen stellen erhöhte Anforderungen an die Sicherheit bei Installation und Betrieb elektrischer Anlagen und Systeme. Zum Schutz vor transienten Überspannungen kommt dem Überspannungsschutz eine Schlüsselrolle zu. Das betrifft nicht nur klassische Industrieanwendungen und die Gebäudetechnik. Der zunehmende Einsatz erneuerbarer Energien sowie die immer stärkere Verbreitung von DC-Systemen, z. B. im Bereich Stromversorgung von Fertigungseinrichtungen, Data Centern, Batteriespeicher-Anlagen oder der Ladeinfrastruktur für die Elektromobilität, erfordern teilweise neue Konzepte für den Blitz- und Überspannungsschutz. Ein besonderes Augenmerk liegt dabei auf der Sicherheit und Zuverlässigkeit von Überspannungsschutzgeräten. Dies spiegelt sich auch in der Entwicklung der Standards und Normen im Überspannungsschutz wider, wie z. B. in der aktuellen Weiterentwicklung der EN/IEC 61643 Serie.
Funktionsweise von Überspannungsschutzgeräten
Beim Überspannungsschutz wird unterschieden zwischen Blitzschutz (Typ 1), klassischem Überspannungsschutz (Typ 2) und Geräteschutz (Typ 3). Insbesondere der Typ-2-Überspannungsschutz findet seit vielen Jahren Anwendung beim Schutz der elektrischen Anlagen in Hauptverteilungen und Unterverteilungen im Gebäude sowie in klassischen Industrieschaltschränken. Elektrische Systeme können sowohl durch eine Überspannung selbst als auch durch die Energie eines mit dem Überspannungsereignis einhergehenden Stoßstroms geschädigt werden. Überspannungsschutzgeräte begrenzen zum einen die Überspannung auf den ausgewiesenen Maximalwert, den sogenannten Schutzpegel. Der Schutzpegel liegt unterhalb der Isolationsfestigkeit der zu schützenden Geräte. Zum anderen verhindern sie, dass Stoßströme über die zu schützenden Geräte abgeleitet werden. In normativen Prüfungen wird das Überspannungsschutzgerät dazu mehrfach mit Stoßströmen der Impulsform 8/20 µs, dessen maximale Amplitude dem ausgewiesenen Nennableitstrom entspricht, belastet und ihre volle Funktionsfähigkeit im Anschluss an die Prüfung sichergestellt. Dadurch wird der Anlagenschutz über die gesamte Lebensdauer sichergestellt. Darüber hinaus schützen interne Abtrennvorrichtungen und externe Schutzorgane bei Überlastung des Überspannungsschutzgeräts an dessen Lebensende. Die zu betrachtenden Überlastungen und Fehlerfälle leiten sich aus der Netzform und Verschaltung der Geräte ab. So kann z. B. ein Erdschluss oder Neutralleiterverlust zu einer Spannungsüberhöhung führen, welche das Überspannungsschutzgerät schädigen kann und somit zu einer vorzeitigen Alterung führt.
Was bedeutet die kommende EN/IEC 61643 Serie für den Überspannungsschutz?
Die Normen für Überspannungsschutzgeräte (SPDs, engl. Surge Protective Device) werden aktuell sowohl auf IEC- als auch auf CLC-Ebene überarbeitet und in diesem Zug neu strukturiert, um auf weitere Anwendungsbereiche vorbereitet zu sein. Treiber der Weiterentwicklung sind u. a. die Dezentralisierung der Energieversorgung, die Umstellung auf erneuerbare Energien sowie die Speisung von Energieversorgungssystemen aus unterschiedlichsten Energiequellen. Die IEC 61643-01 ist künftig die Basisproduktnorm für alle Überspannungsschutzgeräte in Niederspannungssystemen. Sie definiert die generellen Anforderungen und Prüfungen im Hinblick auf Sicherheit und Performance. Darunter fallen u. a. elektrische Anforderungen wie Schutz vor elektrischem Schlag, Ermittlung des Schutzpegels, die Bestimmung des Ableitvermögens sowie die Überprüfung des Alterungs-, Überlast- und Kurzschlussverhaltens von Überspannungsschutzgeräten. Darüber hinaus definiert sie u. a. Anforderungen an Luft- und Kriechstrecken, die mechanische Festigkeit von Gehäuseteilen sowie die Prüfungen von Klemmstellen. Spezifische Anforderungen und Prüfungen, die sich aus dem Applikationsbereich der Produkte ergeben, sind in den jeweiligen Unterteilen festgelegt. Dies sind z. B. Überlasttests sowie Anforderungen an das Verhalten bei temporären Überspannungen im Fehlerfall in AC- oder DC-Systemen. Diese Fehler sind typisch für das Niederspannungsnetz und stellen hohe Anforderungen an das sichere Verhalten von Überspannungsschutzgeräten. Bei der Neuausrichtung der Standards wurde der Fokus auf sicherheitsrelevante Themen wie das spezifische Überlast- und Kurzschlussverhalten von Überspannungsschutzgeräten gelegt. Zudem ist jetzt auch doppelte bzw. verstärkte Isolation zu Fernmelde- und Hilfsstromkreisen gefordert, sofern diese an Kleinspannung (Extra Low Voltage, ELV) angeschlossen werden. Beispiele für ELV sind die sogenannte Sicherheitskleinspannung (Safety Extra Low Voltage, SELV) und Schutzkleinspannung mit elektrisch sicherer Trennung (Protective Extra Low Voltage, PELV).
Klarer Fokus auf Einfachheit und Sicherheit in Installation und Betrieb
Mit Valvetrab SPP (Safe Protection Plus) hat Phoenix Contact eine neue Produktfamilie ins Leben gerufen, die diese Anforderungen bereits umsetzt. Ein besonderer Fokus wurde dabei auf die Einfachheit und Sicherheit sowohl bei der Installation als auch im Betrieb gelegt. Beispiele hierfür sind ein reduziertes Anzugsdrehmoment der Klemmtaschen von nur 3 Nm (üblich sind 4 bis 4,5 Nm) sowie der vorsicherungsfreie Einsatz bis zu 315 A. Darüber hinaus können in der Praxis nicht korrekt angeschlossene elektrische Leiter an den Klemmtaschen des Überspannungsschutzgeräts zu erhöhten Übergangswiderständen und damit einer ungewollten Wärmeentwicklung führen. Dies stellt eine potenzielle Gefahrenquelle dar. Der Untersteckschutz zusammen mit dem Berührschutz verhindert nicht nur ein solches Fehlstecken, sondern gleichzeitig ein versehentliches Berühren spannungsführender Bauteile und somit die Gefahr eines elektrischen Schlags für den Installateur. Weitere Sicherheitsmerkmale der neuen Produktfamilie sind die leistungsfähige Abtrennung, die doppelte bzw. verstärkte Isolation sowie spezielle Maßnahmen zur Erhöhung der Luft- und Kriechstrecken, deren Funktionsweise im Folgenden ausführlicher beschrieben wird.
