Transiente Überspannungen

Transiente Überspannungen sind kurzzeitige, hohe Spannungsspitzen mit schnell ansteigenden Flanken. Diese Spannungsspitzen können in einem Niederspannungs-Verbrauchernetz je nach Installationsort Werte von mehr als 6 000 V mit einer Dauer von mehreren Mikrosekunden bis hin zu wenigen Millisekunden annehmen. Gerade im Industrieumfeld mit seinen zum Teil rauen Umgebungsbedingungen sind Schaltvorgänge die am häufigsten auftretende Ursache für Überspannungsschäden. Sie entstehen vor allem durch Schaltvorgänge in der elektrischen Installation, wie beispielsweise durch das Schalten von Motoren oder auch durch das Auslösen von Sicherungen.

Schaltüberspannungen sind in ihren Auswirkungen oftmals geringer als die eines Blitzschlags, treten aber häufiger auf und fördern den Alterungsprozess der angeschlossenen elektrischen und elektronischen Geräte. Ein frühzeitiger und oftmals unerwarteter Ausfall ist meistens mit hohen Kosten verbunden.

Transiente Überspannungen, ob durch Blitzschlag oder Schalthandlungen verursacht, haben ähnliche Auswirkungen: 

• Störungen, wie z. B. Datenverlust oder Auslösung von Schutzorganen,
• reduzierte Lebensdauer der Anlage durch Alterung und 
• Ausfall der Anlage – kurze oder lange Ausfallzeiten führen zu Produktivitätsverlust, Lieferverzug und stellen oftmals den größten Kostenfaktor dar.

Ausfallszenarien für SPD

Es gibt zwei Arten von Ausfällen bei SPD: Ausfälle durch Überlastung und Ausfälle am Ende der Lebensdauer [3]. Während der Ausfall am Lebensdauerende meist ein langsamer Prozess ist, der z. B. durch viele Ableitleistungen verursacht wird, sind Überlastungen oft einzelne oder kurzfristige Ereignisse. Überlastungen können beispielsweise entstehen, wenn zu große Impulse auftreten, die das angegebene Ableitvermögen überschreiten.

Die Ausfallszenarien von SPD hängen von ihrer Technologie ab. Zum Beispiel altern funkenstreckenbasierte SPD nicht durch die Netzspannung und sind unempfindlicher gegenüber hochfrequenten Störungen, wie sie durch das Schalten von Leistungshalbleitern hervorgerufen werden können [4]. Metalloxid-Varistoren-basierte SPD, die ständig an die Netzspannung angeschlossen sind, sind dagegen anfälliger für Schwankungen oder Störungen als SPD mit Funkenstrecken [5].

SPD auf Funkenstreckenbasis hingegen können durch eine Vielzahl von Ableitvorgängen, die zu einem technologiebedingten Netzfolgestrom führen, altern. Gerade funkenstreckenbasierte SPD mit einem kleinen Schutzpegel und mit einer guten Schutzwirkung für nachgeordnete elektrische Systeme werden häufiger aktiviert. Diese SPD sind in der Regel sehr robust und haben ein großes Ableitvermögen gegenüber energiereichen Impulsen, wie sie beispielsweise von eingekoppelten Blitzströmen hervorgerufen werden. Dennoch muss auch für Typ-1-SPD auf Funkenstreckenbasis ein sicheres Ausfallverhalten am Lebensdauerende betrachtet werden. Ein möglicher Fehlerstrom durch das SPD muss von einer integrierten oder externen Überstromschutzeinrichtung (OPCD) sicher beherrscht und abgeschaltet werden. Die anzuwendende Produktnorm DIN EN 61643-11 (VDE 0675-6-11) enthält bereits Prüfverfahren, die das sichere Ausfallverhalten nachweisen.

Üblicherweise werden SPD durch eine interne oder externe OPCD, wie z. B. Sicherungen oder LS-Schalter, geschützt. Um sicherzustellen, dass die vorgeordnete OPCD nicht durch den abzuleitenden Impulsstrom ausgelöst oder überlastet wird, sollten OPCD mit großem Bemessungsstrom gewählt werden. Beim Betrachten der Ausschalt-Charakteristik einer Sicherung oder eines Leistungsschalters [6] ist festzustellen, dass die Ausschaltdauer von dem auftretenden Fehlerstrom abhängig ist. So werden beispielsweise Fehlerströme im Bereich von einigen hundert Ampere erst nach Sekunden abgeschaltet, während große Kurzschlussströme im Bereich von Millisekunden unterbrochen werden.