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Transiente Überspannungen

Transiente Überspannungen sind die Hauptursache für Ausfälle elektrischer Geräte und Produktivitätsverluste. Sie sind das Ergebnis von Blitzschlag, Schaltvorgängen im Stromnetz oder Einstreuungen. 

Heutzutage verlässt man sich überall (Wohnen, Gewerbe, Industrie, Rechenzentren) auf Computersysteme. – Eine Ausfallzeit eines dieser Computersysteme aufgrund von transienten Überspannungen kann katastrophale Folgen haben. Betriebsausfälle, Serviceausfälle, Daten- und Produktivitätsverluste verursachen in den meisten Fällen erhebliche wirtschaftliche Schäden, die bei weitem höher sind als die Kosten der Einrichtungen zum Schutz gegen Überspannungen.

Trends

  1. Wachsende Verwendung elektronischer Systeme wie Computer und Telekommunikationsgeräte. Überspannungs-folgen sind von großer Bedeutung in einer Weltwirtschaft, die auf Stromnetze und Informationssysteme baut.

  2. Elektronische Geräte werden immer empfindlicher. Durch Miniaturisierung von Schaltungen und Komponenten in der Elektronik sind moderne Geräte anfälliger, durch transiente Überspannungen beschädigt zu werden.

  3. Verbindung und Komplexität von Versorgungsnetzen. In großen Städten sind die Auswirkungen von Blitzeinschlägen sehr groß, da sich diese über die Versorgungsleitungen viele Kilometer weit ausbreiten können. Außerdem werden von vielen industriellen Anlagen Störungen in Form von transienten Überspannungen erzeugt. Diese gefährden Geräte und Anlagen.

Daher ist der Schutz gegen Blitzschlag und transiente Überspannungen ein wichtiger Aspekt in modernen elektrischen Anlagen.



Ursachen transienter Überspannungen


Transiente Überspannungen durch direkten Blitzschlag

Wenn ein Blitz direkt in ein Gebäude einschlägt, das mit einem Blitzschutzsystem ausgestattet ist, wird der Blitzstrom durch die Ableitungen in den Erdboden abgeführt. Die transiente Überspannung kann jedoch über die Erdung der elektrischen Anlage Schäden im Gebäude verursachen. Diese Art des direkten Effekts kann einen Brand verursachen, die Gebäude, Anlagen und Geräte zerstören oder sogar zu Verletzungen führen.

Gleiches gilt für einen Blitzschlag in eine Leitung, die mit dem Gebäude verbunden ist, wodurch Brände entstehen und elektrische Anlagen im Gebäude zerstört werden können.

Transiente Überspannungen durch indirekten Blitzschlag

Transiente Überspannungen können auch die Folge eines indirekten Blitzschlags in der Nähe des Gebäudes oder in der Nähe von Außenleitungen sein, die mit dem Gebäude verbunden sind. In diesem Fall erzeugt das durch den Blitzstrom entstehende elektromagnetische Feld ohmsche und induktive Kopplungen. Diese können schwere Störungen oder Schäden an Anlagen und Geräten im Gebäude verursachen.

Transiente Überspannungen durch Schaltvorgänge

Überspannungen durch Schaltvorgänge sind nicht so stark und zerstörend wie transiente Stoßspannungen(Link einfügen) durch Blitzschlag. Sie kommen jedoch viel häufiger vor und verursachen eine vorzeitige Alterung der Geräte. Diese Überspannungen können tatsächlich zu schweren Schäden an elektronischen Schaltkreisen führen und müssen wirksam verhindert werden, um teure Ausfallzeiten und Wartungskosten zu vermeiden.


Warum ist Überspannungsschutz wichtig und wie kann man sich schützen?

Die Notwendigkeit, empfindliche und unverzichtbare elektronische Systeme gegen transiente Überspannungen zu schützen, wird oft außer Acht gelassen. Erst nachdem die Anlage installiert und eine Risikobewertung durchgeführt wurde, wird der Schutzbedarf erkannt. 

Was sind Transienten und warum benötigen wir Schutz vor diesen?

Transiente Überspannungen sind kurzzeitige, starke Spannungsspitzen mit schnell ansteigenden Flanken, die häufig als Wellen bezeichnet werden. Oft auch als „Spannungsspitze“ beschrieben, können transiente Spannungen von bis zu 6.000 V in einem Niederspannungs-Verbrauchernetz, mit einer Dauer von nicht mehr als einer Millisekunde, erreichen. Blitzeinschläge sind die häufigste Quelle von extremen, transienten Überspannungen, bei denen ein Totalausfall eines ungeschützten Systems auftreten kann. Beschädigungen der Kabelisolation durch Funkenüberschlag können zu Todesfällen durch Feuer und Stromschläge führen. Elektrische und elektronische Betriebsmittel werden jedoch auch kontinuierlich durch Hunderte von Transienten beansprucht, die jeden Tag im Stromversorgungsnetzwerk durch Schalthandlungen von induktiven Lasten wie z. B. Klimaanlagen, Aufzugmotoren und Transformatoren auftreten. Schaltüberspannungen können auch als Ergebnis der Unterbrechung von Kurzschlussströmen (z. B. bei durchgebrannten Sicherungen) auftreten. Transienten durch Schalthandlungen sind schwächer als die Auswirkungen eines Blitzschlages. Schalthandlungen treten aber häufiger auf und fördern den Alterungsprozess der angeschlossenen elektronischen Geräte und haben einen frühzeitigen und unerwarteten Ausfall zur Folge. Der Ausfall ist meistens mit hohen Kosten verbunden.

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

  •  Störungen (z. B. Datenverlust, RCD-Auslösung)
  • Degeneration (reduzierte Lebensdauer der Anlage)
  • Beschädigung (Komplettausfall der Anlage, besonders kritisch für unverzichtbare Dienste wie Brand- und Sicherheitsalarmsysteme)
  • Ausfallzeiten - der größte Kostenfaktor für jedes Geschäft, wie etwa durch verlorene Produktivität und Ausschuss, Überstunden, Lieferverzug und an Konkurrenten verlorene


Wie wird der Überspannungsschutz angewendet?

Um die elektronischen Betriebsmittel innerhalb eines Gebäudes zu schützen, müssen alle Leitungen, die in das Gebäude hinein- oder aus ihm herausführen geschützt sein. Leitungen, die aus dem Gebäude herausführen können ebenso einen Rückweg für Transienten in das Gebäude hinein bieten.

Standort- oder feldbasierte elektronische Betriebsmittel mit Netzstrom-, Datenkommunikations-, Video-, Signal- oder Telefonleitungen müssen durch Überspannungsschutz gegen transiente Überspannungen geschützt werden. Es kann hilfreich sein, jeden Geräteschrank oder Verteiler als separates Gebäude mit hinein- und herausführenden Kabeln zu betrachten, die geschützt werden müssen.

Schutz vor Blitzschlag und Überspannungen durch Schalthandlungen

VDE 0185-305 Teil 1-4 berücksichtigt Schutzmaßnahmen an metallischen Serviceleitungen (typischerweise Strom-, Signal- und Telekommunikationsleitungen) durch Verwendung von Überspannungsschutzgeräten (SPD) sowohl gegen direkte, die häufigeren indirekten Blitzeinschläge und Schalthandlungen. Standards wie die IEC/EN 61643-Reihe definieren die Eigenschaften von Blitzströmen und -spannungen, um ein verlässliches und wiederholbares Prüfen von Überspannungsableitern (sowie Blitzschutzkomponenten) zu ermöglichen. Auch wenn die tatsächlichen Transienten von diesen Kurvenformen abweichen können, basieren die standardisierten Formen auf jahrelanger Beobachtung und Messung (und bisweilen Simulation). Allgemein bieten sie eine Annäherung an die realen Transienten. Transientenkurven haben eine schnell ansteigende Flanke und einen längeren Auslauf. Sie werden mit ihrem Spitzenwert (oder Amplitude), der Anstiegszeit und ihrer Dauer (oder Abfallzeit) beschrieben. Die Dauer wird gemessen als die Zeit, die die Testtransiente benötigt, um auf die Hälfte ihres Spitzenwerts abzufallen. 

Strom- und Spannungskurven zum Prüfen von Überspannungsableitern für Strom-, Signal- und Telekommunikationsleitungen:




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