Überspannungsschutz

Ein Überspannungsschutzgerät , auch Spike-Suppressor, Surge Suppressor, Surge Diverter, ^{[ 1 ]} Surge Protection Device (SPD), Transient Voltage Suppressor (TVS) oder Transient Voltage Surge Suppressor (TVSS) genannt, ist ein Gerät, das elektrische Geräte in Wechselstromkreisen vor Spannungsspitzen mit einer sehr kurzen Dauer im Mikrosekundenbereich schützen soll , die durch verschiedene Ursachen entstehen können, unter anderem durch Blitzeinschläge in der Nähe.

Ein Überspannungsschutz begrenzt die Spannung, die den elektrischen Geräten zugeführt wird, auf einen bestimmten Schwellenwert, indem er den Strom bei einem transienten Spannungsstoß gegen Erde kurzschließt oder den Spannungsstoß absorbiert und so Schäden an den angeschlossenen Geräten vermeidet.

Zu den wichtigsten Spezifikationen, die dieses Gerät charakterisieren, gehören die Klemmspannung bzw. die Übergangsspannung, bei der das Gerät zu funktionieren beginnt, die Joule -Nennleistung, ein Maß dafür, wie viel Energie pro Stoß absorbiert werden kann, und die Ansprechzeit.

Die Begriffe Überspannungsschutzgerät ( SPD ) und transienter Spannungsableiter ( TVSS ) bezeichnen elektrische Geräte, die typischerweise in Stromverteilern, Prozessleitsystemen , Kommunikationssystemen und anderen industriellen Hochleistungssystemen installiert werden, um vor Überspannungen und Spannungsspitzen, einschließlich solcher durch Blitzeinschläge , zu schützen . Verkleinerte Versionen dieser Geräte werden mitunter in Hausanschlusskästen installiert, um die dortigen Geräte vor ähnlichen Gefahren zu schützen. ^{[ 2 ]}

In einem Wechselstromkreis ist ein Spannungsstoß ein kurzzeitiges Ereignis von typischerweise 1 bis 30 Mikrosekunden Dauer, das über 1000 Volt erreichen kann. Ein Blitzeinschlag in eine Stromleitung kann einen Spannungsstoß von Tausenden von Volt verursachen. Ein abgeschalteter Motor kann einen Spannungsstoß von Hunderten von Volt erzeugen. ^{[ 3 ]} Solche Spannungsstöße können die Isolierung von Leitungen beschädigen und elektronische Geräte wie Glühbirnen , Ladegeräte, Modems, Fernseher und andere Unterhaltungselektronik zerstören .

Spannungsspitzen können auch auf Telefon- und Datenleitungen auftreten, wenn versehentlich Wechselstrom-Hauptleitungen mit ihnen verbunden werden, wenn ein Blitz einschlägt oder wenn die Telefon- und Datenleitungen in der Nähe von Leitungen mit einer Spannungsspitze verlaufen und dadurch eine Spannung induziert wird.

Eine lang anhaltende Überspannung , die Sekunden, Minuten oder Stunden andauert und durch Fehler an Leistungstransformatoren wie einen Ausfall des Neutralleiters oder andere Störungen des Energieversorgungsunternehmens verursacht wird, wird von Überspannungsschutzgeräten nicht abgedeckt. Solche Überspannungen können die Schutzeinrichtungen in einem ganzen Gebäude oder Bereich zerstören. Selbst einige zehn Millisekunden können länger sein, als ein Schutzgerät verkraften kann. Sicherungen und Überspannungsrelais können solche Überspannungen unter Umständen abfangen .

Die Gebäudeverkabelung erzeugt einen elektrischen Widerstand , der den Stoßstrom begrenzt, der die Verbraucher erreicht, wenn eine Spannungsspitze am Hausanschluss (dem Punkt, an dem die Verkabelung des Energieversorgers in das Gebäude eintritt) auftritt. Bei größeren Leitungsabständen und höherem Widerstand zwischen Hausanschluss und Verbraucher ist der Stoßstrom geringer. ^{[ 4 ]}

Lasten der Kategorie A weisen eine Kabellänge von mehr als 18 Metern (60 Fuß) vom Hausanschluss bis zur Last auf. Lasten der Kategorie A können folgenden Einflüssen ausgesetzt sein:6 kV undStoßströme von 0,5 kA . Verbraucher der Kategorie B haben eine Leitungslänge von 9 bis 18 Metern (30 bis 60 Fuß) vom Hausanschluss bis zur Last. Verbraucher der Kategorie B können folgenden Belastungen ausgesetzt sein:6 kV und3 kA . Lasten der Kategorie C befinden sich weniger als 9 Meter vom Netzanschluss entfernt. Lasten der Kategorie C können folgenden Einflüssen ausgesetzt sein:20 kV und10 kA . ^{[ 5 ]}

Mit einem Spiralkabel lässt sich die Kabellänge auf über 60 Fuß verlängern und die Impedanz zwischen Hausanschluss und Verbraucher erhöhen. ^{[ 6 ]}

Ein Überspannungsschutzgerät begrenzt die Spannung, die einem elektrischen Gerät zugeführt wird, indem es den Strom entweder blockiert oder kurzschließt, um die Spannung unter einen sicheren Schwellenwert zu senken. Die Blockierung erfolgt durch Induktivitäten , die plötzliche Stromänderungen verhindern. Der Kurzschluss wird durch Kondensatoren realisiert , die plötzliche Spannungsänderungen verhindern, oder durch Funkenstrecken , Entladungsröhren , Zener- Halbleiter oder Metalloxidvaristoren (MOVs), die alle Strom leiten, sobald ein bestimmter Spannungsschwellenwert erreicht ist. ^{[ 7 ]} Einige Überspannungsschutzgeräte verwenden mehrere dieser Elemente.

Bei der Kurzschlussmethode werden die elektrischen Leitungen kurzzeitig miteinander kurzgeschlossen (z. B. mittels einer Funkenstrecke) oder auf eine Zielspannung geklemmt (z. B. mittels eines MOV), was einen hohen Stromfluss zur Folge hat. Der Spannungsstoß wird durch den Kurzschlussstrom, der durch den Widerstand in den Stromleitungen fließt, reduziert. Die Energie des Spannungsstoßes wird in den Stromleitungen, der Erde oder im Schutzschalter in Wärme umgewandelt. Da ein Spannungsstoß nur wenige zehn Mikrosekunden andauert, ist der Temperaturanstieg minimal. Ist der Spannungsstoß jedoch groß oder lang genug, kann der Schutzschalter zerstört und die Stromleitungen beschädigt werden.

Überspannungsschutzgeräte für Privathaushalte können in Steckdosenleisten im Innenbereich oder als separates Gerät am Sicherungskasten im Außenbereich installiert sein. Steckdosen in modernen Häusern verwenden drei Adern: Phase, Neutralleiter und Schutzleiter. Viele Überspannungsschutzgeräte verbinden alle drei Adern paarweise (Phase–Neutralleiter, Phase–Schutzleiter und Neutralleiter–Schutzleiter), da es Situationen wie beispielsweise Blitzeinschläge gibt, in denen sowohl Phase als auch Neutralleiter hohe Spannungsspitzen aufweisen, die gegen Erde abgeleitet werden müssen.

Darüber hinaus verfügen einige Überspannungsschutzgeräte für Endverbraucher über Anschlüsse für Ethernet , Kabelfernsehen (CATV) und herkömmliche Telefonanschlüsse . Durch das Anschließen dieser Anschlüsse kann der Überspannungsschutz sie vor externen elektrischen Schäden schützen. ^{[ 8 ]}

Die Eigenschaft eines TVS (Transversal-Überspannungsschutzgeräts) erfordert, dass es schneller auf Überspannungen reagiert als andere gängige Überspannungsschutzkomponenten wie Varistoren oder Gasentladungsröhren (GDT). Dadurch eignen sich TVS-Bauteile zum Schutz vor sehr schnellen und oft schädlichen Spannungsspitzen . Diese schnellen Überspannungsspitzen treten in allen Verteilungsnetzen auf und können durch interne oder externe Ereignisse wie Blitzeinschläge oder Motorüberschläge verursacht werden . ^{[ 9 ]}

Überspannungsschutzdioden (TVS) dienen dem Schutz von Übertragungs- und Datenleitungen in elektronischen Schaltungen vor unidirektionaler oder bidirektionaler elektrostatischer Entladung . MOV-basierte TVS schützen Heimelektronik und Stromverteilungssysteme und können auch Störungen in der industriellen Stromverteilung abfangen, wodurch Ausfallzeiten und Geräteschäden minimiert werden. Die Energie einer transienten Überspannung kann der in Joule gemessenen Energie oder dem elektrischen Strom bei der Auslegung von Geräten für verschiedene Anwendungen entsprechen. Diese Überspannungsspitzen lassen sich mit speziellen elektronischen Messgeräten erfassen, die Spannungsschwankungen mit Amplituden von mehreren tausend Volt für wenige Mikrosekunden oder weniger anzeigen können.

Ein MOV kann überhitzen, wenn er einer Überspannung ausgesetzt ist, die zwar ausreicht, um ihn leitend zu machen, ihn aber nicht zerstört oder eine Haussicherung auslöst. Hält die Überspannung lange genug an, um eine signifikante Erhitzung des MOV zu verursachen, kann dies zu thermischen Schäden am Bauteil und möglicherweise zu einem Brand führen. ^{[ 10 ] [ 11 ]}

Viele Steckdosenleisten verfügen über einen integrierten Überspannungsschutz; diese sind in der Regel entsprechend gekennzeichnet. In Ländern ohne entsprechende Vorschriften gibt es jedoch Steckdosenleisten, die als „Überspannungsschutz“ oder „Spitzenschutz“ bezeichnet werden, aber lediglich einen Kondensator, eine Funkentstörungsschaltung oder gar nichts enthalten und keinen Überspannungsschutz bieten.

Blitzeinschläge und andere hochenergetische, kurzzeitige Spannungsspitzen können durch vom Energieversorger installierte Überspannungsschutzgeräte an Strommasten oder durch einen vom Hausbesitzer installierten Überspannungsschutz für das gesamte Haus verhindert werden. Ein solcher Überspannungsschutz ist zwar teurer als ein einfacher Überspannungsschutz für eine einzelne Steckdose und erfordert oft die fachgerechte Installation am Stromanschluss; er verhindert jedoch, dass Spannungsspitzen ins Haus gelangen. Schäden durch direkte Blitzeinschläge über andere Wege, wie beispielsweise Telefonleitungen, müssen separat behandelt werden.

Überspannungsableiter , Überspannungsschutzgeräte (SPD) oder transiente Spannungsspitzenableiter (TVSS) dienen dem Schutz von Anlagen in Energieübertragungs- und -verteilungssystemen . Die Energiebilanz verschiedener Isolationsmaterialien lässt sich anhand des Impulsverhältnisses vergleichen. Ein Überspannungsableiter sollte ein niedriges Impulsverhältnis aufweisen , damit eine auf den Ableiter einwirkende Überspannung gegen Erde abgeleitet wird, anstatt das Gerät zu durchdringen.

Um ein Gerät vor Überspannungen auf einem angeschlossenen Leiter zu schützen, wird ein Überspannungsableiter kurz vor dem Eintritt in das Gerät an den Leiter angeschlossen. Der Überspannungsableiter ist außerdem geerdet und leitet die Energie einer Überspannung gegen Erde ab, während er den Leiter bei normalen Betriebsspannungen von Erde trennt. Dies wird üblicherweise durch einen Varistor erreicht, dessen Widerstand bei unterschiedlichen Spannungen deutlich variiert.

Überspannungsableiter sind im Allgemeinen nicht zum Schutz vor direkten Blitzeinschlägen in Leiter ausgelegt, sondern vielmehr zum Schutz vor elektrischen Transienten, die durch Blitzeinschläge in der Nähe des Leiters entstehen. ^{[ 12 ]} Blitzeinschläge in die Erde erzeugen Erdströme, die über vergrabene Leiter fließen und eine Transiente induzieren können, die sich zu den Leiterenden hin ausbreitet. Dieselbe Art von Induktion tritt auch in Freileitungen und oberirdischen Leitern auf, die die Energie eines durch einen Blitzschlag verursachten atmosphärischen elektromagnetischen Impulses aufnehmen.

Die gängigen Annahmen bezüglich Blitzen, insbesondere basierend auf ANSI/IEEE C62.41 und UL 1449 (3. Auflage), besagen, dass die minimalen Blitzstromspitzen in einem Gebäude typischerweise 10.000 Ampere oder 10 Kiloampere (kA) betragen. Dies basiert auf der Annahme, dass 20 kA in eine Stromleitung einschlagen, der übertragene Strom sich dann gleichmäßig in beide Richtungen auf der Leitung ausbreitet und die resultierenden 10 kA in das Gebäude fließen. Diese Annahmen basieren auf einer durchschnittlichen Näherung für die Prüfung von Mindeststandards. Obwohl 10 kA in der Regel für einen Mindestschutz gegen Blitzeinschläge ausreichend sind, ist es möglich, dass ein Blitzeinschlag bis zu 200 kA in eine Stromleitung einbringt, wobei sich 100 kA in jede Richtung ausbreiten.

Überspannungsableiter schützen lediglich vor induzierten Transienten, die für die schnelle Anstiegszeit eines Blitzschlags charakteristisch sind, und bieten keinen Schutz vor Elektrifizierung durch einen direkten Blitzeinschlag in den Leiter. Ähnliche Transienten wie Blitzüberspannungen, beispielsweise durch Fehlerschaltungen in Hochspannungssystemen, können ebenfalls sicher gegen Erde abgeleitet werden; gegen dauerhaften Überstrom bieten diese Geräte jedoch keinen Schutz. Die Energie einer behandelten Transiente ist zwar deutlich geringer als die eines Blitzschlags, reicht aber dennoch aus, um Geräteschäden zu verursachen und erfordert daher häufig einen Schutz.

Ohne eine sehr dicke Isolierung, die in der Regel zu teuer ist, werden die meisten Leiter, die länger als etwa 15 Meter (50 Fuß) sind, im Betrieb irgendwann Blitzeinschlägen ausgesetzt. Da diese Einschläge üblicherweise an einer Stelle zwischen den beiden Leiterenden entstehen, wird in den meisten Anwendungen an jedem Ende, kurz bevor der Leiter in das jeweilige zu schützende Gerät mündet, ein Überspannungsableiter (SPD) installiert. Jeder Leiter muss geschützt werden, da von jedem ein eigener Blitzschlag ausgelöst wird, und jeder SPD muss einen Pfad zur Erde bereitstellen, um den Blitzschlag sicher vom geschützten Bauteil abzuleiten.

Eine bemerkenswerte Ausnahme bilden Hochspannungsverteilungssysteme, bei denen sie nicht an beiden Enden installiert werden. Im Allgemeinen ist die induzierte Spannung am Erzeugungsende der Leitungen nicht ausreichend, um Schäden zu verursachen; die Installation am Hausanschluss eines Gebäudes ist jedoch entscheidend für den Schutz nachgelagerter, weniger robuster Produkte.

Niederspannungs-Überspannungsableiter

Anwendung im Niederspannungsverteilungssystem, Austausch von Schutzschaltern für elektrische Geräte, Wicklungen von Niederspannungsverteilungstransformatoren

Verteiler-Überbrückungsgerät

Anwendung in 3-, 6- und 10-kV-Wechselstromverteilungssystemen zum Schutz von Verteiltransformatoren, Kabeln und Kraftwerksanlagen

Der Stationstyp des gemeinsamen Ventilabweisers

Dient zum Schutz der Anlagen und Kommunikationssysteme von 3-220-kV-Transformatorstationen.

Magnetischer Blasventil-Stationsableiter

Wird zum Schutz von 35- bis 500-kV-Kommunikationssystemen, Transformatoren und anderen Geräten verwendet.

Schutz rotierender Maschinen mittels Magnetschlagventil

Dient zum Schutz der Isolierung von Wechselstromgenerator und Motor.

Magnetischer Leitungs-Blasventil-Überspannungsschutz

Wird zum Schutz der Isolierung von Kommunikationssystemen und Schaltkreisen ab 330 kV verwendet.

Gleichstrom- (DC) oder Blasventil-Überspannungsableiter

Wird zum Schutz der Isolierung elektrischer Geräte im Gleichstromsystem verwendet.

Neutraler Schutzleiter

Anwendung im Motor- oder Transformator-Neutralleiterschutz

Faserrohr-Überspannungsableiter

An den Leitungen des Kraftwerks anbringen

Steckbarer Signalableiter

Wird auf verdrillten Übertragungsleitungen zum Schutz von Kommunikations- und Computersystemen verwendet.

Hochfrequenz-Überspannungsableiter

Wird zum Schutz von Mikrowellengeräten, Mobilfunkbasisstationen, Satellitenempfängern usw. verwendet.

Überspannungsableiter mit Steckdose

Zum Schutz des Endgeräts verwenden

Signalableiter

Anwendbar auf Modem, DDN-Leitung, Fax, Telefon, Prozesssteuerungssignalkreis usw.

Netzwerk-Feststeller

Anwendung auf Servern, Workstations, Schnittstellen usw.

Blitzableiter für Koaxialkabel

Wird am Koaxialkabel zum Schutz des drahtlosen Sende- und Empfangssystems verwendet.

Dies sind einige der wichtigsten Spezifikationen, die einen Überspannungsschutz für Wechselstromnetze sowie für bestimmte Datenkommunikationsschutzanwendungen definieren.

Diese auch als Durchlassspannung bezeichnete Spannung gibt an, welche Spannungsspitze die Schutzkomponenten eines Überspannungsschutzes kurzschließt oder abschaltet. ^{[ 13 ] [ 14 ]} Eine niedrigere Abschaltspannung bedeutet besseren Schutz, kann aber die Lebensdauer des gesamten Schutzsystems verkürzen. Die drei niedrigsten Schutzstufen gemäß UL-Norm sind 330, 400 und 500 V. Die Standard-Durchlassspannung für 120-V-Wechselstromgeräte beträgt 330 Volt. Ein Überspannungsschutz mit höherer Durchlassspannung leitet eine höhere Überspannungsspitze an das angeschlossene Gerät weiter. Ob diese Überspannungsspitze Schäden verursacht, hängt von der Bauart des angeschlossenen Geräts ab. Motoren und mechanische Geräte sind in der Regel nicht betroffen. Einige (insbesondere ältere) elektronische Bauteile wie Ladegeräte, LED- oder Energiesparlampen und computergesteuerte Geräte sind empfindlich, können beschädigt werden und ihre Lebensdauer kann sich verkürzen.

Underwriters Laboratories (UL), ^{[ 15 ]} ein weltweit tätiges, unabhängiges Unternehmen für Sicherheitsforschung, definiert die sichere Verwendung von Schutzgeräten. Die Einhaltung der UL 1449 ist in Ländern und Regionen, die den NEC (National Electrical Code) mit der 3. Ausgabe im September 2009 übernommen haben, verpflichtend, um die Sicherheit im Vergleich zu Produkten der 2. Ausgabe zu erhöhen. Ein Test der Grenzspannung mit sechsfach höherem Strom (und damit höherer Energie) definiert die Schutzspannungsfestigkeit (VPR). Diese Spannung kann für ein bestimmtes Schutzgerät höher sein als die in früheren Ausgaben ermittelte Sperrspannung (SVR), bei der die Durchlassspannung mit geringerem Strom gemessen wurde. Aufgrund der nichtlinearen Eigenschaften von Schutzgeräten sind die nach der 2. und 3. Ausgabe ermittelten Durchlassspannungen nicht vergleichbar. ^{[ 16 ]} Um bei Tests nach der 3. Ausgabe die gleiche Durchlassspannung zu erreichen, muss ein Schutzgerät möglicherweise größer dimensioniert sein. Daher bietet ein Schutzgerät der 3. Ausgabe oder einer späteren Version eine höhere Sicherheit und eine längere Lebensdauer.

Die Joule-Angabe definiert, wie viel Energie ein MOV-basierter Überspannungsschutz bei einem einzelnen Ereignis ohne Ausfall absorbieren kann. Hochwertige Schutzgeräte erreichen Werte von über 1.000 Joule und 40.000 Ampere. Da die tatsächliche Dauer einer Spannungsspitze nur etwa 10 Mikrosekunden beträgt, ist die tatsächliche Verlustenergie gering. Wird die Nennleistung überschritten, brennt der MOV entweder durch oder schmilzt und verursacht einen permanenten Kurzschluss. Im Idealfall löst dabei eine Sicherung aus und trennt den geschützten MOV sowie das angeschlossene Gerät von der Stromversorgung.

Gemäß dem Ohmschen Gesetz benötigt der MOV (oder ein anderes parallelgeschaltetes Schutzgerät) einen Widerstand in der Zuleitung, um die Spannung zu begrenzen. Für Geräte, die an Stromleitungen mit großem Widerstand und niedrigem Widerstand angeschlossen sind, ist ein MOV mit höherer Joule-Zahl erforderlich. In Wohnhäusern mit dünneren Leitungen und höherem Widerstand genügt ein MOV mit geringerer Joule-Zahl.

Bei jedem Kurzschluss eines MOVs verändert sich dessen interne Struktur und seine Schwellenspannung sinkt leicht. Nach vielen Spannungsspitzen kann die Schwellenspannung so weit sinken, dass sie sich der Netzspannung (z. B. 120 oder 240 V AC) annähert. Dann leitet der MOV nur noch teilweise, erhitzt sich und fällt schließlich aus – manchmal mit einer dramatischen Überhitzung oder sogar einem Brand. Die meisten modernen Überspannungsschutzgeräte verfügen über Leitungsschutzschalter und Temperatursicherungen, um schwerwiegende Folgen zu verhindern. Viele haben außerdem eine LED-Anzeige, die signalisiert, ob die MOVs noch funktionieren.

Die Joule-Angabe wird häufig zum Vergleich von MOV-basierten Überspannungsschutzgeräten herangezogen. Ein durchschnittlicher Überspannungsimpuls ist von kurzer Dauer ( Nanosekunden bis Mikrosekunden) , und die experimentell ermittelte Impulsenergie kann unter 100 Joule liegen. ^{[ 17 ]} Gut konzipierte Überspannungsschutzgeräte berücksichtigen den Widerstand der Stromleitungen, die Wahrscheinlichkeit von Blitzeinschlägen oder anderen hochenergetischen Spannungsspitzen und wählen die MOVs entsprechend aus.

Gemäß den branchenüblichen Prüfstandards, die auf Annahmen von IEEE und ANSI basieren , können Überspannungen in Stromleitungen innerhalb eines Gebäudes bis zu 6.000 Volt und 3.000 Ampere betragen und bis zu 90 Joule Energie liefern, einschließlich Überspannungen aus externen Quellen, jedoch ohne Blitzeinschläge.

Manche Hersteller konstruieren Überspannungsschutzgeräte mit höherer Joule-Nennleistung durch Parallelschaltung mehrerer MOVs. Dies kann jedoch zu einer irreführenden Nennleistung führen. Da einzelne MOVs leicht unterschiedliche Spannungsschwellen und nichtlineare Reaktionen bei gleicher Spannungskurve aufweisen, kann ein einzelner MOV empfindlicher reagieren als andere. Dadurch kann ein MOV in einer Gruppe einen höheren Strom leiten (ein Phänomen, das als Stromüberlastung bezeichnet wird ), was zu Überbeanspruchung und schließlich zum vorzeitigen Ausfall dieses Bauteils führen kann. Ein weiteres Problem besteht darin, dass eine einzelne Inline-Sicherung, die als Sicherheitsvorrichtung in Reihe mit einer Gruppe parallelgeschalteter MOVs geschaltet ist, alle verbleibenden, funktionierenden MOVs unterbricht. Die Angabe der tatsächlichen Joule-Nennleistung als Summe aller Einzelwerte der MOVs spiegelt daher nicht die tatsächliche Gesamtkapazität wider.

Die effektive Stoßenergieaufnahmekapazität des Gesamtsystems hängt von der MOV-Anpassung ab, weshalb üblicherweise eine Reduzierung um 20 % oder mehr erforderlich ist. Diese Einschränkung lässt sich durch die Verwendung sorgfältig aufeinander abgestimmter MOV-Sätze beheben. ^{[ 18 ] [ 19 ]}

Ein Hersteller von MOVs empfiehlt, weniger, aber größere MOVs (z. B. 60 mm statt 40 mm Durchmesser) zu verwenden, sofern diese in das Gerät passen. Weiterhin wird empfohlen, mehrere kleinere MOVs aufeinander abzustimmen und deren Leistung zu reduzieren. In manchen Fällen können vier 40-mm-MOVs erforderlich sein, um die gleiche Leistung wie ein 60-mm-MOV zu erzielen. ^{[ 19 ]}

Überspannungsschutzgeräte reagieren nicht sofort; es besteht eine geringe Verzögerung von wenigen Nanosekunden. Aufgrund der längeren Reaktionszeit und abhängig von der Systemimpedanz können angeschlossene Geräte einem Teil der Überspannung ausgesetzt sein. Glücklicherweise verlaufen Überspannungen typischerweise viel langsamer und erreichen ihre Spitzenspannung erst nach einigen Mikrosekunden. Ein Überspannungsschutzgerät mit einer Reaktionszeit im Nanosekundenbereich würde in der Regel schnell genug reagieren, um den schädlichsten Teil der Spannungsspitze zu unterdrücken. ^{[ 20 ]}

Daher ist die Reaktionszeit unter Standardtestbedingungen kein aussagekräftiges Maß für die Leistungsfähigkeit eines Überspannungsschutzes beim Vergleich von MOV-Geräten. Alle MOVs weisen Reaktionszeiten im Nanosekundenbereich auf, während die üblicherweise zur Auslegung und Kalibrierung von Überspannungsschutzgeräten verwendeten Testwellenformen auf modellierten Überspannungswellenformen im Mikrosekundenbereich basieren. Langsamer reagierende Technologien (insbesondere GDTs) können Schwierigkeiten beim Schutz vor schnellen Spannungsspitzen haben. Daher kombinieren gute Designs, die langsamere, aber ansonsten nützliche Technologien einsetzen, diese in der Regel mit schneller reagierenden Komponenten, um einen umfassenderen Schutz zu gewährleisten. ^{[ 21 ]}

Zu den Normen für Überspannungsschutz gehören unter anderem:

• IEC 61643-11 Überspannungsschutzgeräte für Niederspannungsnetze – Teil 11: Überspannungsschutzgeräte für Niederspannungsnetze – Anforderungen und Prüfverfahren (ersetzt IEC 61643-1)
• IEC 61643-21 Niederspannungs-Überspannungsschutzgeräte – Teil 21: Überspannungsschutzgeräte für Telekommunikations- und Signalnetze – Leistungsanforderungen und Prüfverfahren
• IEC 61643-22 Niederspannungs-Überspannungsschutzgeräte – Teil 22: Überspannungsschutzgeräte für Telekommunikations- und Signalnetze – Auswahl- und Anwendungsgrundsätze
• EN 61643-11, 61643-21 und 61643-22
• Telcordia Technologies Technische Referenz TR-NWT-001011
• ANSI / IEEE C62.xx
• Underwriters Laboratories (UL) 1449
• AS/NZS 1768

Jeder Standard definiert unterschiedliche Schutzmerkmale, Testvektoren oder Einsatzzwecke.

Die dritte Ausgabe der UL-Norm 1449 für Überspannungsschutzgeräte (SPDs) stellte eine grundlegende Überarbeitung der vorherigen Ausgaben dar und wurde erstmals auch als ANSI-Norm anerkannt. ^{[ 22 ]} Eine nachfolgende Überarbeitung im Jahr 2015 beinhaltete die Ergänzung um Niederspannungsschaltungen für USB- Ladeanschlüsse und zugehörige Akkus. ^{[ 23 ] [ 24 ]}

EN 62305 und ANSI/IEEE C62.xx definieren, welche Spannungsspitzen ein Überspannungsschutz ableiten kann. EN 61643-11 und 61643-21 spezifizieren sowohl die Leistungs- als auch die Sicherheitsanforderungen des Produkts. Im Gegensatz dazu erstellt die IEC lediglich Normen und zertifiziert keine Produkte hinsichtlich deren Konformität. IEC-Normen werden von Mitgliedern des CB-Systems internationaler Abkommen zur Prüfung und Zertifizierung von Produkten auf Konformität mit den Sicherheitsstandards verwendet.

Keiner dieser Standards garantiert, dass ein Blitzschutzgerät in einer bestimmten Anwendung ausreichenden Schutz bietet. Jeder Standard definiert, was ein Blitzschutzgerät leisten sollte oder leisten könnte, basierend auf standardisierten Tests, die möglicherweise nicht mit den Bedingungen einer konkreten realen Situation übereinstimmen. Eine spezielle technische Analyse kann erforderlich sein, um einen ausreichenden Schutz zu gewährleisten, insbesondere in Situationen mit hohem Blitzrisiko.

Die folgenden Normen gelten nicht für eigenständige Überspannungsschutzgeräte, sondern dienen der Prüfung der Überspannungsfestigkeit von elektrischen und elektronischen Geräten als Ganzes. Daher werden sie häufig bei der Entwicklung und Prüfung von Überspannungsschutzschaltungen verwendet.

• IEC 61000-4-2 Prüfung der Störfestigkeit gegen elektrostatische Entladung
• IEC 61000-4-4 Prüfung der Störfestigkeit gegen schnelle elektrische Transienten/Bursts
• IEC 61000-4-5 Überspannungsfestigkeitsprüfung

Systeme zur Reduzierung oder Begrenzung von Überspannungen können eine oder mehrere der folgenden Arten elektronischer Bauteile umfassen . ^{[ 25 ]} Einige Überspannungsschutzsysteme nutzen mehrere Technologien, da jede Methode ihre Stärken und Schwächen aufweist. ^{[ 21 ] [ 26 ] [ 27 ]} Die ersten sechs aufgeführten Methoden leiten unerwünschte Überspannungsenergie primär von der geschützten Last ab, indem sie ein Schutzbauteil in Parallelschaltung (oder Shunt-Schaltung) verwenden. Die letzten beiden Methoden blockieren ebenfalls unerwünschte Energie, indem sie ein Schutzbauteil in Reihe mit der Stromzufuhr zur geschützten Last schalten und die unerwünschte Energie zusätzlich, wie die zuvor genannten Methoden, ableiten können.

Ein Metalloxidvaristor (MOV) besteht aus einem Halbleitermaterial ( typischerweise gesintertes Zinkoxidgranulat ) , das bei einer Spannung oberhalb seiner Nennspannung hohe Ströme leiten kann. ^{[ 28 ]} MOVs begrenzen die Spannung typischerweise auf das Drei- bis Vierfache der normalen Schaltungsspannung, indem sie Stoßströme ableiten. Mehrere MOVs können parallel geschaltet werden, um die Strombelastbarkeit und Lebensdauer zu erhöhen, sofern sie aufeinander abgestimmt sind . ^{[ a ]} ​​.

MOVs haben eine begrenzte Lebensdauer und verschleißen, wenn sie wenigen großen oder vielen kleinen Spannungsspitzen ausgesetzt sind. ^{[ 29 ] [ 30 ]} Bei jedem Schaltvorgang sinkt die Schwellenspannung eines MOVs geringfügig. Nach vielen Spannungsspitzen kann die Schwellenspannung so weit sinken, dass sie sich der Schutzspannung (Netz- oder Datenspannung) nähert. Dann leitet der MOV immer häufiger, erhitzt sich und fällt schließlich aus. In Datenstromkreisen wird der Datenkanal kurzgeschlossen und ist nicht mehr funktionsfähig. In einem Stromkreis kann es ohne Sicherung zu einer Kernschmelze oder sogar zu einem Brand kommen. ^{[ 31 ]}

Moderne Überspannungsschutzleisten und Haussteckdosen verfügen über Leitungsschutzschalter und Thermosicherungen, um schwerwiegende Folgen zu verhindern. Eine Thermosicherung schaltet den MOV ab, wenn dieser zu heiß wird. Nur der MOV wird abgeschaltet, der Rest des Stromkreises bleibt funktionsfähig, jedoch ohne Überspannungsschutz. Oftmals zeigt eine LED-Anzeige an, ob die MOVs noch funktionieren. ^{[ 32 ]}

Ältere Überspannungsschutzleisten besaßen keine Thermosicherung und waren auf den integrierten 10- oder 15-Ampere -Leistungsschalter angewiesen , der bei einem Ausfall des motorbetriebenen Transformators (MOV) nicht zuverlässig auslöste. Ein defekter MOV stellt eine Brandgefahr dar. Aus diesem Grund erließ die National Fire Protection Association (NFPA) 1986 die Norm UL1449 ^{[ 33 ]} mit nachfolgenden Überarbeitungen in den Jahren 1998, 2009 und 2015. Die NFPA legt besonderen Wert auf den Brandschutz. ^{[ 34 ]}

Eine TVS-Diode (Transient Voltage Suppression Diode) ist eine Art Lawinendiode , die Spannungsspitzen begrenzen kann. Diese Bauteile bieten die schnellste Begrenzungswirkung aller Schutzbauteile (theoretisch im Pikosekundenbereich ), haben aber eine relativ geringe Energieaufnahmefähigkeit. Spannungen können auf weniger als das Doppelte der normalen Betriebsspannung begrenzt werden. Solange die spezifizierte Energieaufnahmefähigkeit nicht überschritten wird, ist die Lebensdauer dieser Dioden extrem lang. Wird die Nennleistung überschritten, kann die Diode einen permanenten Kurzschluss verursachen, der typischerweise den normalen Betrieb des geschützten Stromkreises beeinträchtigt.

Aufgrund ihrer relativ geringen Strombelastbarkeit werden TVS-Dioden häufig nur in Schaltungen mit kleineren Stromspitzen eingesetzt. Sie kommen auch dort zum Einsatz, wo Stromspitzen deutlich häufiger als einmal jährlich auftreten, da diese Bauteile bei Betrieb innerhalb ihrer Nennwerte keine Degradation aufweisen. Eine spezielle Art von TVS-Dioden (Handelsnamen Transzorb oder Transil ) enthält in umgekehrter Reihenfolge geschaltete, paarweise angeordnete Lawinendioden für den bipolaren Betrieb.

TVS-Dioden werden häufig in schnellen, aber energiearmen Schaltungen eingesetzt, wie sie beispielsweise in der Datenkommunikation vorkommen. Diese Bauelemente können in Reihe mit einer weiteren Diode geschaltet werden, um die in Kommunikationsschaltungen erforderliche niedrige Kapazität ^{[ 35 ] zu erreichen.}

Ein Trisil ist ein Thyristor-Überspannungsschutzgerät ( TSPD ), ein spezielles elektronisches Halbleiterbauelement, das in Kurzschlussschaltungen zum Schutz vor Überspannungen eingesetzt wird . Ein SIDACtor ist ein weiteres Thyristorbauelement mit ähnlichen Schutzfunktionen.

Diese Thyristoren weisen ähnliche Eigenschaften wie Funkenstrecken oder GDTs auf, arbeiten aber deutlich schneller. Sie sind mit TVS-Dioden verwandt , können aber, analog zu einer ionisierten und leitenden Funkenstrecke, auf eine niedrige Klemmspannung „durchschalten“. Nach dem Zünden ermöglicht die niedrige Klemmspannung hohe Stromspitzen bei gleichzeitig begrenzter Wärmeabgabe im Bauelement.

Eine Gasentladungsröhre ( GDT ) ist ein versiegeltes, glasumschlossenes Bauteil, das ein spezielles Gasgemisch zwischen zwei Elektroden enthält. Dieses leitet elektrischen Strom, nachdem es durch einen Hochspannungsimpuls ionisiert wurde. ^{[ 36 ]} GDTs können im Verhältnis zu ihrer Größe mehr Strom leiten als andere Bauteile. Wie MOVs haben auch GDTs eine begrenzte Lebensdauer und können entweder wenige sehr große oder eine größere Anzahl kleinerer Transienten verkraften. Der typische Ausfall tritt ein, wenn die Triggerspannung so hoch ansteigt, dass das Bauteil wirkungslos wird. Blitzüberspannungen können jedoch gelegentlich einen Kurzschluss verursachen.

GDTs benötigen relativ lange Zeit zum Auslösen (länger als ein Blitzeinschlag von 60 bis 70 ns), wodurch kurzzeitig ein höherer Spannungsstoß durchgelassen wird, bevor der GDT einen signifikanten Strom leitet. Es ist nicht ungewöhnlich, dass ein GDT Impulse von 500 V oder mehr mit einer Dauer von 100 ns durchlässt.

In einigen Fällen sind zusätzliche Schutzkomponenten erforderlich, um Schäden an der geschützten Last durch kurzzeitige Durchlassspannungen zu verhindern, die vor dem Ansprechen des Gastransistors auftreten. Die Auslösespannungen für Gastransistoren liegen typischerweise zwischen 400 und 600 Volt. Die nach UL-Standard 497 gelisteten Geräte weisen in der Regel hohe Stoßstromfestigkeiten von 5.000 bis 10.000 Ampere (8 × 20 µs) auf. ^{[ 37 ]}

Gasentladungstransistoren (GDTs) erzeugen beim Auslösen einen effektiven Kurzschluss. Sobald elektrische Energie (Spitze, Signal oder Leistung) anliegt, wird der GDT kurzgeschlossen. Nach dem Auslösen leitet der GDT weiter (Nachlaufstrom ) , bis der gesamte Strom ausreichend abgeklungen ist und die Gasentladung erlischt. Im Gegensatz zu anderen Shunt-Schutzvorrichtungen leitet ein GDT nach dem Auslösen mit einer Spannung weiter, die unterhalb der Hochspannung liegt, die das Gas ursprünglich ionisiert hat; dieses Verhalten wird als negativer Widerstand bezeichnet .

In Gleichstromanwendungen (und einigen Wechselstromanwendungen) kann eine zusätzliche Hilfsschaltung erforderlich sein, um Folgeströme zu unterdrücken und so zu verhindern, dass diese den GDT nach Abklingen des initialen Spannungsstoßes zerstören. Einige GDTs sind so konstruiert, dass sie bei Überhitzung absichtlich einen Kurzschluss gegen Masse herstellen und dadurch eine externe Sicherung oder einen Schutzschalter auslösen. ^{[ 38 ]}

Viele GDTs sind lichtempfindlich, da Lichteinwirkung ihre Auslösespannung senkt. Daher sollten GDTs vor Lichteinwirkung geschützt oder lichtunempfindliche, opake Ausführungen verwendet werden.

Die Überspannungsableiter der Serie CG2 SN, die früher von CP Clare hergestellt wurden, werden als nicht radioaktiv beworben, das Datenblatt dieser Serie gibt jedoch an, dass einige Mitglieder der Serie CG/CG2 (75–470 V) von Natur aus radioaktiv sind . ^{[ 39 ]}

Aufgrund ihrer extrem niedrigen Kapazität werden GDTs häufig in Hochfrequenzleitungen, wie sie beispielsweise in Telekommunikationsgeräten verwendet werden, eingesetzt. Dank ihrer hohen Strombelastbarkeit können GDTs auch zum Schutz von Stromleitungen verwendet werden, wobei jedoch Folgeströme kontrolliert werden müssen.

Die Funkenstrecke ist eine der ältesten elektrischen Schutztechnologien, die noch heute in Telefonleitungen Anwendung findet und im 19. Jahrhundert entwickelt wurde. Eine Kohlestabelektrode ist mit einem Isolator in einem bestimmten Abstand zu einer zweiten Elektrode angeordnet. Der Elektrodenabstand bestimmt die Spannung, bei der ein Funke zwischen den beiden Elektroden überspringt und einen Kurzschluss gegen Erde verursacht. Der typische Abstand für Telefonanwendungen in Nordamerika beträgt 0,076 mm (0,003 Zoll). ^{[ 40 ]} Kohleblock-Entstörer ähneln Gasdurchschlagsicherungen (GDTs); da die beiden Elektroden jedoch der Luft ausgesetzt sind, wird ihr Verhalten von der Umgebungsluft, insbesondere von hoher Luftfeuchtigkeit , beeinflusst . Da sie einen offenen Funken erzeugen, dürfen diese Geräte niemals in explosionsgefährdeten Bereichen installiert werden.

Induktivitäten, Netzreaktoren, Drosseln und Kondensatoren werden zur Begrenzung von Fehlerströmen eingesetzt und können Überspannungsereignisse reduzieren oder verhindern. ^{[ 41 ]} In Anwendungen zur Begrenzung von Fehlerströmen werden Induktivitäten häufiger als elektrische Netzreaktoren oder Drosseln bezeichnet. Netzreaktoren können Überspannungsauslösungen verhindern, die Zuverlässigkeit und Lebensdauer von Halbleiterbauelementen erhöhen und Fehlauslösungen reduzieren. ^{[ 42 ] [ 43 ] [ 44 ]}

Metallische Verteilerschränke ermöglichen es, Ausfälle von Überspannungsschutzgeräten (SPDs) fernzuhalten und digitale Geräte sowie elektrische Steuerungen zu schützen. Direkte Blitzeinschläge und Blitzüberspannungen auf sekundäre Systeme können zu katastrophalen Ausfällen von SPDs führen. Solche Ausfälle können Feuerbälle aus Metallfragmenten und leitfähige Rußwolken freisetzen. Verteilerschränke verhindern, dass diese Gefahren die in den entfernten Hauptverteilern montierten digitalen Geräte und Steuergeräte erreichen. ^{[ 45 ] [ 46 ] [ 47 ]} Verteilerschränke werden für digitale Systemverteiler (z. B. Brandmeldeanlagen, Zutrittskontrollsysteme, Stromversorgung für Computer) verwendet. Die zu schützenden Leitungen und Kabel umfassen sowohl die Stromversorgung als auch jegliche Verkabelung (Signalkreise, Auslösekreise, Abschirmungen usw.), die über das Gebäude hinaus unterirdisch, oberirdisch oder auf andere Weise, z. B. über Gehwege oder Brücken, verläuft. Zusätzlich ist die Verkabelung von Geräten in höheren Bereichen wie Dachböden, Parkhausdächern, Parkplatzbeleuchtung usw. einzuschließen. ^{[ 48 ] [ 49 ]} Nach dem Durchlaufen der Überspannungsschutzgeräte (SPDs) in den Verteilerschränken können die Leitungen durch Schutzrohre zu anderen, nahe beieinander liegenden Schränken geführt werden, die die Ein- und Ausgänge für digitale Systempanels (Brandmeldeanlage, Zutrittskontrolle, Stromversorgung für Computer, speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) usw.) enthalten.

Diese Technologie, die in Hochfrequenz- (HF-)Signalübertragungspfaden eingesetzt wird, verfügt über einen abgestimmten Viertelwellen-Kurzschlussstichel. Dieser ermöglicht die Durchlassung eines Frequenzbandes, stellt jedoch für alle anderen Signale, insbesondere im Gleichstrombereich, einen Kurzschluss dar. Die Durchlassbereiche können schmalbandig (ca. ±5 % bis ±10 % Bandbreite) oder breitbandig (über ±25 % bis ±50 % Bandbreite) sein. Viertelwellen-Koaxial-Überspannungsableiter besitzen Koaxialanschlüsse, die mit gängigen Koaxialkabelsteckern (insbesondere N- oder 7-16- Steckern) kompatibel sind. Sie bieten den robustesten verfügbaren Schutz für HF-Signale oberhalb von 400 MHz ; bei diesen Frequenzen sind sie deutlich leistungsfähiger als die in universellen/Breitband-Koaxial-Überspannungsableitern üblicherweise verwendeten Gasentladungszellen. Viertelwellen-Ableiter eignen sich für Telekommunikationsanwendungen wie WLAN bei 2,4 oder 5 GHz , sind jedoch für TV-/CATV-Frequenzen weniger geeignet. Da ein Viertelwellen-Überspannungsableiter die Leitung für niedrige Frequenzen kurzschließt, ist er nicht kompatibel mit Systemen, die Gleichstrom für einen LNB über die koaxiale Downlink-Verbindung senden.

Diese Geräte werden nicht in Joule angegeben , da sie anders funktionieren als die oben genannten Überspannungsschutzgeräte und nicht auf Materialien angewiesen sind, die bei wiederholten Überspannungen verschleißen. SM-Überspannungsschutzgeräte werden primär zur Begrenzung transienter Spannungsspitzen in den Stromzuleitungen zu geschützten Geräten eingesetzt. Sie sind im Wesentlichen hochbelastbare Tiefpassfilter, die so geschaltet sind, dass sie 50- oder 60-Hz-Netzspannungen zur Last durchlassen, während sie höhere Frequenzen blockieren und ableiten. Dieser Überspannungsschutztyp unterscheidet sich von anderen durch die Verwendung von Spulen , Kondensatoren und Widerständen , die Spannungsspitzen und Einschaltströme zum Neutralleiter unterdrücken , während andere Ausführungen gegen den Schutzleiter ableiten. ^{[ 50 ]} Überspannungen werden nicht abgeleitet, sondern tatsächlich unterdrückt. Die Spulen verlangsamen die Energie. Da die in Reihe mit dem Stromkreis geschaltete Spule den Stromstoß verlangsamt, wird die Spitzenenergie der Überspannung zeitlich verteilt , unschädlich absorbiert und langsam von einer Kondensatorbank abgegeben. ^{[ 51 ]}

Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass die meisten Stoßenergien unter 100 Joule liegen, sodass ein Überschreiten der Auslegungsparameter der Überspannungsschutzgeräte unwahrscheinlich ist. Selbst wenn die absorbierte Energie die Auslegungsgrenzen des dielektrischen Materials der Komponenten überschreitet, besteht bei Überspannungsschutzgeräten keine Brandgefahr, da die Stoßenergie durch den Überschlag gegen Erde bei Blitzeinschlägen begrenzt wird . Die verbleibende Restspannung überschreitet oft nicht den theoretischen Maximalwert (z. B. 6000 V bei 3000 A mit einer modellierten Wellenform von 8 × 20 Mikrosekunden gemäß IEEE/ANSI C62.41). Da Überspannungsschutzgeräte sowohl auf Strom- als auch auf Spannungsanstiege reagieren, können sie auch in Umgebungen mit extremen Stoßbelastungen sicher betrieben werden.

Die SM-Unterdrückung konzentriert sich auf den Schutz des Netzteileingangs , bietet aber keinen Schutz gegen Überspannungen zwischen dem Eingang eines SM-Geräts und Datenleitungen , wie z. B. Antennen, Telefon- oder LAN- Anschlüssen oder mehreren kaskadierten und mit dem Hauptgerät verbundenen Geräten. Dies liegt daran, dass die Überspannungsenergie nicht gegen Masse abgeleitet wird. Für die Datenübertragung ist eine saubere Masse als Referenzpunkt erforderlich. In diesem Designkonzept ist das SM-Gerät bereits vor dem Netzteil gegen solche Ereignisse geschützt. Das NIST berichtet: „Überspannungen, die über einen Erdungsleiter abgeleitet werden, treten innerhalb einer Mikrosekunde etwa 200 Meter entfernt an einem anderen Leiter wieder auf.“ ^{[ 52 ]} Ein Schutz der Datenübertragungsleitung ist daher nur erforderlich, wenn Überspannungen gegen Masse abgeleitet werden.

SM-Geräte sind in der Regel größer und schwerer als Geräte mit anderen Überspannungsschutztechnologien. Die Anschaffungskosten für SM-Filter sind höher und liegen typischerweise bei 130 US- Dollar und mehr. Bei sachgemäßer Verwendung ist jedoch eine lange Lebensdauer zu erwarten. Die Installationskosten vor Ort können höher ausfallen, da SM-Geräte in Reihe mit der Stromzuleitung geschaltet werden und die Zuleitung daher unterbrochen und wieder angeschlossen werden muss.

• Blitzableiter
• Blitzableiter

• Überspannungsschutz in Niederspannungs-Wechselstromkreisen: Eine 8-teilige Anthologie. Eine umfassende Zusammenstellung von Aufsätzen und Artikeln, die zwischen 1963 und 2003 veröffentlicht wurden und vom National Institute of Standards and Technology (NIST), einer Behörde des US-Handelsministeriums, herausgegeben werden.
• NEMA-Institut für Überspannungsschutz
• Wichtige Informationen zu Überspannungsschutzgeräten . Überspannungsschutztechnik
• Einführung in TVS auf AllAboutCircuits
• Lichtbogenunterdrückung bei induktiven Lasten