Moderne Haushaltsgeräte verfügen oft über einen eingebauten Überspannungsschutz in ihren Netzteilen. Allerdings ist die Lebensdauer typischer Varistorlösungen auf maximal 30 Aktivierungsfälle begrenzt, und selbst dann, wenn der Strom im Notfall 10 kA nicht überschreitet. Früher oder später kann der im Gerät eingebaute Schutz versagen, und Geräte, die nicht vor Überspannung geschützt sind, fallen einfach aus und bereiten ihren Besitzern große Probleme. Mittlerweile können die Ursachen für gefährliche Impulsüberspannungen sein: Gewitter, Reparaturarbeiten, Überspannungen beim Schalten starker Blindlasten und wer weiß was noch.

Um solche unangenehmen Situationen zu verhindern, wurden Überspannungsschutzgeräte (kurz SPDs) entwickelt, die einen Notfall-Überspannungsimpuls absorbieren und so verhindern, dass an das Netzwerk angeschlossene Elektrogeräte beschädigt werden.

Das Funktionsprinzip eines SPD ist recht einfach: Im Normalmodus fließt der Strom im Inneren des Geräts durch einen leitenden Shunt und dann durch die Last, die gerade an das Netzwerk angeschlossen ist; aber zwischen dem Shunt und der Erdung ist ein Schutzelement installiert - ein Varistor oder eine Funkenstrecke, deren Widerstand im Normalmodus Megaohm beträgt, und wenn plötzlich eine Überspannung auftritt, geht das Schutzelement sofort in einen leitenden Zustand über und die Strom fließt durch ihn zur Erdung.

Im Moment des Auslösens des SPD sinkt der Widerstand in der Phase-Null-Schleife auf den kritischen Wert und die Haushaltsgeräte werden geschont, da die Leitung durch das Schutzelement des SPD praktisch kurzgeschlossen wird. Wenn sich die Netzspannung stabilisiert, geht das Schutzelement des SPD wieder in den nichtleitenden Zustand über und der Strom fließt wieder über den Shunt zur Last.

Es gibt drei Klassen von Überspannungsschutzgeräten, die weit verbreitet sind:

Schutzgeräte der Klasse I dienen dem Schutz vor Überspannungsimpulsen mit einer Wellencharakteristik von 10/350 μs, was bedeutet, dass die maximal zulässige Zeit für den Anstieg eines Überspannungsimpulses auf das Maximum und den Abfall auf den Nennwert 10 und 350 nicht überschreiten sollte jeweils Mikrosekunden; in diesem Fall ist ein Kurzzeitstrom von 25 bis 100 kA akzeptabel; solche Impulsströme treten bei einer Blitzentladung auf, wenn sie in einer Entfernung von weniger als 1,5 km zum Verbraucher auf eine Stromleitung trifft.

Geräte dieser Klasse werden mit Ableitern hergestellt und ihre Installation erfolgt im Hauptverteiler oder Eingangsverteiler am Eingang des Gebäudes.

SPDs der Klasse II sind zum Schutz vor kurzzeitigem Impulsrauschen konzipiert und werden in Verteilertafeln eingebaut. Sie sind in der Lage, Schutz vor Überspannungsimpulsen mit Parametern von 8/20 μs und einer Stromstärke von 10 bis 40 kA zu bieten. SPDs dieser Klasse verwenden Varistoren.

Da die Ressourcen von Varistoren begrenzt sind, wurde das Design der darauf basierenden SPDs um eine mechanische Sicherung erweitert, die den Shunt einfach vom Varistor ablötet, wenn sein Widerstand nicht mehr dem sicheren Schutzmodus entspricht. Dabei handelt es sich im Wesentlichen um einen Wärmeschutz, der das Gerät vor Überhitzung und Feuer schützt. Auf der Vorderseite des Moduls befindet sich eine Farbanzeige für den Status der Sicherung. Wenn der Varistor ausgetauscht werden muss, ist dies leicht erkennbar.

SPDs der Klasse III sind ähnlich aufgebaut, mit dem einzigen Unterschied, dass der maximale Strom des internen Varistors 10 kA nicht überschreiten sollte.

Herkömmliche, in Haushaltsgeräte eingebaute Impulsschutzschaltungen haben die gleichen Parameter. Wenn sie jedoch mit einem externen SPD der Klasse III dupliziert werden, wird die Wahrscheinlichkeit eines vorzeitigen Geräteausfalls minimiert.

Fairerweise muss man erwähnen, dass es für einen zuverlässigen Geräteschutz wichtig ist, SPDs der Schutzklassen I, II und III zu installieren. Dies muss beachtet werden, da ein leistungsstarkes SPD der Klasse I aufgrund seiner geringen Empfindlichkeit bei kurzen Impulsen geringer Überspannung nicht funktioniert und ein weniger leistungsstarkes SPD den hohen Strom, den ein SPD der Klasse I verarbeiten kann, nicht bewältigen kann.

Klassifizierung und Anwendung von SPDs

Typischerweise werden Überspannungsschutzgeräte auf Varistorbasis mit DIN-Schienenmontage hergestellt. Ein durchgebrannter Varistor kann durch einfaches Entfernen des Moduls aus dem SPD-Gehäuse und Einbau eines neuen ersetzt werden.

Anwendungspraxis

Um ein Objekt zuverlässig vor den Auswirkungen von Überspannungen zu schützen, muss zunächst ein wirksamer Potenzialausgleich hergestellt werden. In diesem Fall müssen Sie auf TN-S- oder TN-CS-Erdungssysteme mit getrennten Neutral- und Schutzleitern umsteigen.

Der nächste Schritt sollte darin bestehen, Schutzvorrichtungen zu installieren. Bei der Installation eines SPD ist es erforderlich, dass der Abstand zwischen benachbarten Schutzstufen entlang des Stromversorgungskabels mindestens 10 Meter beträgt. Die Einhaltung dieser Anforderung ist für den korrekten Funktionsablauf von Schutzeinrichtungen von großer Bedeutung.

Wenn für den Anschluss eine Freileitung verwendet wird, ist es besser, ein SPD basierend auf Ableitern und Sicherungseinsätzen im Eingangsfeld am Mast zu verwenden. In der Hauptschalttafel des Gebäudes sind Varistor-Überspannungsschutzgeräte der Klasse I oder II und in den Schalttafeln auf den Etagen sind Überspannungsschutzgeräte der Klasse III installiert. Wenn ein zusätzlicher Schutz der Geräte erforderlich ist, werden SPDs in Form von Einsätzen und Verlängerungen in die Steckdosen eingebaut.

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass alle aufgeführten Maßnahmen natürlich die Wahrscheinlichkeit einer Schädigung von CEA und Menschen durch erhöhte Spannung verringern, aber kein Allheilmittel sind. Daher ist es im Falle eines Gewitters besser, die kritischsten Knoten abzuschalten, sofern dies natürlich möglich ist.

Wenn Ihr Zuhause über viele teure Haushaltsgeräte verfügt, ist es besser, sich um die Organisation eines umfassenden Elektroschutzes zu kümmern. In diesem Artikel sprechen wir über Überspannungsschutzgeräte, warum sie benötigt werden, was sie sind und wie sie installiert werden.

Die Natur von Impulsüberspannungen und ihre Auswirkungen auf die Technologie

Viele Menschen kennen seit ihrer Kindheit den Aufwand, elektrische Haushaltsgeräte beim ersten Anzeichen eines aufziehenden Gewitters vom Stromnetz zu trennen. Heutzutage ist die elektrische Ausrüstung städtischer Netze fortschrittlicher geworden, weshalb viele Menschen grundlegende Schutzvorrichtungen vernachlässigen. Gleichzeitig ist das Problem nicht vollständig verschwunden; Haushaltsgeräte, insbesondere in Privathaushalten, sind immer noch gefährdet.

Die Art des Auftretens von Impulsüberspannungen (IP) kann natürlicher und vom Menschen verursachter Natur sein. Im ersten Fall entsteht IP durch Blitzeinschläge in Freileitungen, wobei die Entfernung zwischen Einschlagstelle und gefährdeten Verbrauchern bis zu mehreren Kilometern betragen kann. Es ist auch möglich, Funkmasten und Blitzableiter zu treffen, die an den Haupterdungskreis angeschlossen sind. In diesem Fall entsteht eine induzierte Überspannung im Haushaltsnetz.

1 - Fernblitzeinschlag auf Stromleitungen; 2 - Verbraucher; 3 - Erdungsschleife; 4 - Blitzeinschlag in der Nähe von Stromleitungen; 5 - direkter Blitzeinschlag auf den Blitzableiter

Künstliche Stromquellen sind unvorhersehbar; sie entstehen durch Schaltüberlastungen in Umspannwerken und Umspannwerken. Bei einem asymmetrischen Leistungsanstieg (nur in einer Phase) ist ein starker Spannungsanstieg kaum vorhersehbar.

Impulsspannungen sind zeitlich sehr kurz (weniger als 0,006 s), sie erscheinen systematisch im Netzwerk und bleiben für den Beobachter meist unbemerkt. Haushaltsgeräte sind für Überspannungen bis 1000 V ausgelegt, diese treten am häufigsten auf. Bei höheren Spannungen ist ein Ausfall der Stromversorgung garantiert; auch ein Isolationsdurchschlag in der Hausverkabelung ist möglich, was zu mehrfachen Kurzschlüssen und Bränden führt.

Wie die SPD funktioniert und wie sie funktioniert

Das SPD kann je nach Schutzart über ein Halbleiterbauelement auf Basis von Varistoren oder über einen Kontaktableiter verfügen. Im Normalmodus arbeitet das SPD im Bypass-Modus, der Strom in seinem Inneren fließt durch einen leitenden Shunt. Der Shunt ist über einen Varistor oder zwei Elektroden mit streng geregeltem Abstand mit der Schutzerde verbunden.

Bei einem Spannungsstoß, selbst bei einem sehr kurzen, fließt der Strom durch diese Elemente und breitet sich entlang der Erdung aus oder wird durch einen starken Widerstandsabfall in der Phase-Null-Schleife (Kurzschluss) ausgeglichen. Nachdem sich die Spannung stabilisiert hat, verliert der Ableiter seine Kapazität und das Gerät arbeitet wieder im Normalmodus.

Dadurch schließt das SPD den Stromkreis für eine Weile, sodass die Überspannung in thermische Energie umgewandelt werden kann. In diesem Fall fließen erhebliche Ströme durch das Gerät – von mehreren zehn bis Hunderten von Kiloampere.

Was ist der Unterschied zwischen den Schutzklassen?

Abhängig von den Ursachen des IP werden zwei Merkmale der erhöhten Spannungswelle unterschieden: 8/20 und 10/350 Mikrosekunden. Die erste Ziffer gibt die Zeit an, in der der PI seinen Maximalwert erreicht, die zweite die Zeit, die er braucht, um auf Nominalwerte zu fallen. Wie Sie sehen, ist die zweite Art der Überspannung gefährlicher.

Geräte der Klasse I sind für den Schutz vor Überspannungen mit einer Charakteristik von 10/350 μs ausgelegt, die am häufigsten bei einer Blitzentladung in Stromleitungen auftreten, die näher als 1500 m vom Verbraucher entfernt sind. Die Geräte sind in der Lage, kurzzeitig einen Strom von 25 bis 100 kA durch sich selbst zu leiten; fast alle Geräte der Klasse I basieren auf Ableitern.

SPDs der Klasse II konzentrieren sich auf die IP-Kompensation mit einer Charakteristik von 8/20 μs, die Spitzenstromwerte liegen bei ihnen zwischen 10 und 40 kA.

Die Schutzklasse III dient zur Kompensation von Überspannungen mit Stromwerten kleiner 10 kA bei einer IP-Kennlinie von 8/20 μs. Geräte der Schutzklasse II und III basieren auf Halbleiterelementen.

Es mag den Anschein haben, dass es ausreicht, nur Geräte der Klasse I als die leistungsstärksten zu installieren, aber das ist nicht der Fall. Das Problem besteht darin, dass das SPD umso unempfindlicher ist, je höher die untere Schwelle des Durchgangsstroms ist. Mit anderen Worten: Bei kurzen und relativ niedrigen IP-Werten funktioniert ein leistungsstarkes SPD möglicherweise nicht und ein empfindlicheres wird mit Strömen dieser Größenordnung nicht zurechtkommen.

Geräte der Schutzklasse III sind darauf ausgelegt, niedrigste Spannungen – nur wenige tausend Volt – zu eliminieren. Sie ähneln in ihren Eigenschaften völlig den Schutzvorrichtungen, die von Herstellern in Netzteilen für Haushaltsgeräte eingebaut werden. Bei einer Backup-Installation übernehmen sie als Erste die Last und verhindern den Betrieb des SPD bei Geräten, deren Lebensdauer auf 20-30 Zyklen begrenzt ist.

Besteht Bedarf an einer SPD, Risikobewertung?

Eine vollständige Liste der Anforderungen für die Organisation des Schutzes vor Stromversorgung ist in der Norm IEC 61643-21 festgelegt. Die obligatorische Installation kann anhand der Norm IEC 62305-2 festgelegt werden, nach der eine spezifische Bewertung des Risikograds eines Blitzschlags und der welche Folgen daraus entstehen, ist geklärt.

Im Allgemeinen ist bei der Stromversorgung über Freileitungen die Installation eines Überspannungsschutzes der Klasse I fast immer vorzuziehen, es sei denn, es wurden eine Reihe von Maßnahmen ergriffen, um die Auswirkungen von Gewittern auf den Stromversorgungsmodus zu verringern: erneute Erdung von Stützen, PEN-Leiter und metallische tragende Elemente, Installation eines Blitzableiters mit separater Erdungsschleife, Installation von Potentialausgleichssystemen.

Eine einfachere Möglichkeit, das Risiko einzuschätzen, besteht darin, die Kosten ungeschützter Haushaltsgeräte und Sicherheitsgeräte zu vergleichen. Selbst in mehrstöckigen Gebäuden, in denen Überspannungen mit einer Charakteristik von 8/20 sehr niedrige Werte aufweisen, ist das Risiko eines Isolationsdurchschlags oder eines Geräteausfalls recht hoch.

Installation von Geräten in der Hauptschalttafel

Die meisten Überspannungsschutzgeräte sind modular aufgebaut und können auf einer 35-mm-DIN-Schiene installiert werden. Voraussetzung ist lediglich, dass die Abschirmung zur Installation des SPD über ein Metallgehäuse mit zwingender Verbindung zum Schutzleiter verfügt.

Bei der Auswahl eines SPDs sollten Sie neben den wesentlichen Leistungsmerkmalen auch den Nennbetriebsstrom im Bypass-Modus berücksichtigen; dieser muss der Belastung in Ihrem Stromnetz entsprechen; Ein weiterer Parameter ist die maximale Grenzspannung; sie sollte den höchsten Wert innerhalb der täglichen Schwankungen nicht unterschreiten.

SPDs werden über einen zwei- bzw. vierpoligen Leistungsschalter in Reihe an ein einphasiges bzw. dreiphasiges Versorgungsnetz angeschlossen. Sein Einbau ist erforderlich, wenn die Funkenstreckenelektroden verlötet sind oder der Varistor ausfällt, was zu einem dauerhaften Kurzschluss führt. An den oberen Klemmen des SPD werden die Phasen und der Schutzleiter angeschlossen, an den unteren Klemmen der Neutralleiter.

Beispiel für einen SPD-Anschluss: 1 - Eingang; 2 - automatischer Schalter; 3 - SPD; 4 - Erdungsbus; 5 - Erdungsschleife; 6 - Stromzähler; 7 - Differentialautomatik; 8 - zu Verbrauchermaschinen

Bei der Installation mehrerer Schutzgeräte mit unterschiedlichen Schutzklassen ist deren Koordination durch spezielle Drosseln erforderlich, die in Reihe mit dem SPD geschaltet sind. Schutzgeräte werden in aufsteigender Reihenfolge ihrer Klasse in den Stromkreis eingebaut. Ohne Zustimmung werden sensiblere SPDs die Hauptlast übernehmen und früher scheitern.

Der Einbau von Drosseln kann vermieden werden, wenn die Länge der Kabelleitung zwischen den Geräten 10 Meter überschreitet. Aus diesem Grund werden SPDs der Klasse I bereits vor dem Zähler an der Fassade montiert, um die Messeinheit vor Überspannungen zu schützen, und SPDs der Klasse zwei und drei werden jeweils an den ASU- und Etagen-/Gruppenschalttafeln installiert.

Die Norm GOST 13109-97 gibt keine begrenzenden oder zulässigen Impulswerte an, sondern gibt uns nur die Form dieses Impulses und seine Definition. Wir gehen bei Messungen davon aus, dass im Netzwerk keine Impulse auftreten dürfen. Und wenn ja, dann wird es notwendig sein, die Sache zu klären und nach den Schuldigen zu suchen. Bei unseren Messungen in 0,4-kV-Netzen sind keine Impulsprobleme aufgetreten. Dies ist nicht überraschend – bei der Messung auf der 0,4-kV-Seite wird jeder Impuls von Überspannungsschutzgeräten absorbiert oder abgeschnitten, aber das ist ein Thema für einen anderen Artikel. Aber wie sie sagen: Vorgewarnt ist gewappnet. Deshalb werden wir in dem Artikel darlegen, was wir wissen.

Dies sind die Definitionen aus GOST 13109-97:

Spannungsimpuls – eine starke Spannungsänderung an einem Punkt im Stromnetz, gefolgt von einer Wiederherstellung der Spannung auf den ursprünglichen oder nahe diesem Wert über einen Zeitraum von bis zu mehreren Millisekunden;

— Impulsamplitude – der maximale Momentanwert des Spannungsimpulses;

— Impulsdauer – das Zeitintervall zwischen dem Anfangszeitpunkt des Spannungsimpulses und dem Moment der Wiederherstellung des momentanen Spannungswerts auf den ursprünglichen oder nahe bei ihm liegenden Wert;

Woher kommen Impulse?

Impulsspannungen werden durch Blitzerscheinungen sowie transiente Vorgänge beim Schalten im Stromversorgungsnetz verursacht. Blitz- und Schaltspannungsimpulse unterscheiden sich deutlich in ihrer Charakteristik und Form.

Bei der Impulsspannung handelt es sich um eine plötzliche Spannungsänderung an einem Punkt im Stromnetz, gefolgt von einer Wiederherstellung der Spannung auf den ursprünglichen oder nahe diesem Wert innerhalb von 10–15 μs (Blitzimpuls) und 10–15 ms (Schaltimpuls). Und wenn die Dauer der Front eines Blitzstromimpulses eine Größenordnung kürzer ist als die des Schaltstromimpulses, dann kann die Amplitude des Blitzimpulses um mehrere Größenordnungen höher sein. Der gemessene Maximalwert des Blitzentladungsstroms kann je nach Polarität zwischen 200 und 300 kA variieren, was selten vorkommt. Typischerweise erreicht dieser Strom 30–35 kA.

Abbildung 1 zeigt ein Oszillogramm eines Spannungsimpulses und Abbildung 2 zeigt dessen Gesamtansicht.

Blitzeinschläge in oder in der Nähe von Stromleitungen ins Erdreich führen zum Auftreten von Impulsspannungen, die gefährlich für die Isolierung von Leitungen und elektrischen Geräten von Umspannwerken sind. Der Hauptgrund für das Versagen der Isolierung von Elektrizitätsanlagen, Unterbrechungen der Stromversorgung und die Kosten für deren Wiederherstellung sind Blitzschäden an diesen Anlagen.

Abbildung 1 – Spannungsimpulsoszillogramm

Abbildung 2 – Gesamtansicht eines Spannungsimpulses

Blitzimpulse sind ein weit verbreitetes Phänomen. Bei Entladungen dringt ein Blitz in die Blitzschutzvorrichtung von Gebäuden und Umspannwerken ein, die durch Hoch- und Niederspannungskabel, Kommunikations- und Steuerleitungen verbunden sind. Bei einem Blitz können bis zu 10 Impulse beobachtet werden, die im Abstand von 10 bis 100 ms aufeinanderfolgen. Wenn ein Blitz in ein Erdungsgerät einschlägt, erhöht sich sein Potenzial relativ zu entfernten Punkten und erreicht eine Million Volt. Dies trägt dazu bei, dass in Schleifen, die mit Kabel- und Freileitungsanschlüssen ausgestattet sind, Spannungen im Bereich von mehreren zehn Volt bis zu vielen hundert Kilovolt induziert werden. Wenn ein Blitz in Freileitungen einschlägt, breitet sich eine Überspannungswelle entlang dieser aus und erreicht die Sammelschienen der Umspannwerke. Die Überspannungswelle wird entweder durch die Stärke der Isolierung während ihres Durchbruchs oder durch die Restspannung der Schutzableiter begrenzt, wobei ein Restwert von mehreren zehn Kilovolt erhalten bleibt.

Schaltspannungsimpulse entstehen beim Schalten induktiver (Transformatoren, Motoren) und kapazitiver (Kondensatorbänke, Kabel) Lasten. Sie treten bei einem Kurzschluss und dessen Abschaltung auf. Die Werte der Schaltspannungsimpulse hängen von der Art des Netzes (Freileitung oder Kabel), der Art des Schaltens (Ein oder Aus), der Art der Last und der Art des Schaltgeräts (Sicherung, Trennschalter, Leistungsschalter) ab. Schaltstrom- und Spannungsimpulse haben aufgrund des Lichtbogenbrennens einen oszillierenden, gedämpften und sich wiederholenden Charakter.

Die Werte von Schaltspannungsimpulsen mit einer Dauer von 0,5 Impulsamplituden (siehe Abb. 3.22), gleich 1-5 ms, sind in der Tabelle angegeben.

Der Spannungsimpuls wird durch die Amplitude charakterisiert U imp.a, maximaler Spannungswert U imp, die Dauer der Vorderkante, d.h. Zeitintervall vom Beginn des Impulses T beginnend, bis es seinen maximalen (Amplituden-)Wert erreicht T Ampere und Spannungsimpulsdauer auf einem Niveau von 0,5 seiner Amplitude T Ampere 0,5. Die letzten beiden Zeitverläufe werden als Bruch ∆ dargestellt T Ampere/ T imp 0,5 .

Wert der Schaltstoßspannungen

Liste der verwendeten Quellen

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