Surge Protection Device

Bezug zur UL

Die Norm UL 1449 in Verbindung zur NFPA 79 schreibt vor, dass ein SPD erforderlich ist, wenn Sicherheitsbauteile im Schaltschrank verbaut werden. Der SPD kann hierbei entweder bauseits oder im Schaltschrank eingebaut werden.

Was ist ein Surge Protection Device?

Ein Surge Protection Device (SPD, im Deutschen Überspannungsableiter genannt) ist ein Bauteil, das dazu dient, Schäden an elektrischen Geräten zu begrenzen, indem Überspannungen abgeleitet werden.

Was ist eine Überspannung und wie entsteht sie?

Unter einer Überspannung versteht man in der Elektrotechnik eine Spannung, welche die Nennspannung übertrifft. Die Nennspannung wird, inklusive gewisser Toleranzwerte, vom Hersteller eines Gerätes definiert und bezeichnet die elektrische Spannung, die im Normalbetrieb auftritt. Eine Überschreitung der Nennspannungen kann zu schweren Schäden am Gerät und erheblichen Sekundärschäden (z. B. durch Feuer) führen.

Überspannungen können durch eine ganze Reihe von Ereignissen verursacht werden. Das reicht von einem Vorkommnis kosmischen Ausmaßes, wie einem Sonnensturm, der auf die Erde trifft, bis zu einem Schaltfehler in einem Gerät. Eine sehr bekannte Ursache ist ein Blitzeinschlag, aber auch eine elektrostatische Entladung, ein elektromagnetischer Puls oder eine Störung im Stromnetz können zu einer Überspannung führen.

Überspannungsschutz oder Blitzschutz?

Ein Überspannungsableiter schützt zwar auch vor Stromimpulsen, die durch einen in der Nähe einschlagenden Blitz verursacht werden, darf jedoch nicht mit einer Blitzschutz-Einrichtung für Gebäude („Blitzstromableiter“) verwechselt werden. Ein Blitzschutz erfüllt eine gänzlich andere Funktion und ist völlig anders aufgebaut als die verschiedenen Typen von Überspannungsschutz-Einrichtungen.

Arten von Surge Protection Devices

Es gibt verschiedene Arten von Surge Protection Devices, die nach verschiedenen Kriterien unterteilt werden können. Häufig unterscheidet man bei Überspannungsableitern zwischen Grob- und Feinschutzelementen. Grobschutzelemente können auch starke Überspannungen ableiten, haben jedoch eine deutlich längere Ansprechzeit als Feinschutzelemente. Zu den Grobschutzelementen zählen die Gasableiter und (historisch) die Funkenstrecken, Feinschutzelemente sind die Suppressordioden und die Varistoren.

Gasableiter

Der Gasableiter (GTD, Gas Discharge Tube) basiert auf der Funktionsweise der Gasentladungsröhren. Er besteht aus einer gläsernen Röhre, die mit Gas gefüllt ist und an deren Enden sich eine Kathode und eine Anode befinden. Wird eine bestimmte Überspannung erreicht, wird diese automatisch durch eine Gasentladung unter Entstehung eines Lichtbogens abgebaut – der Widerstand fällt massiv ab.

Gasableiter zeichnen sich durch die geringste Eigenkapazität aller Überspannungsableiter aus, können hohe Stromstärken (bis 20.000 Ampere) ableiten und sind preiswert, robust und langlebig. Jedoch sinkt im Zuge der Gasentladung die Spannung am Gasableiter weit unter die Nennspannung, was auf das betroffene Netz die gleichen Auswirkungen wie ein Kurzschluss hat. Außerdem sind Gasableiter nicht für dauerhaft hohen Stromfluss geeignet, weshalb sie mit einer Sicherung kombiniert werden müssen.

Suppressordioden

Suppressordioden (TVS, Transient Voltage Suppressor) sind ein Typ von Feinschutzelementen. Sie schützen elektrische Schaltungen vor Überspannungen, indem sie den Impuls an dem zu schützenden Bauteil vorbeileiten. Dies geschieht in Form einer Parallelschaltung, die aktiviert wird, wenn eine bestimmte Spannungsschwelle überschritten wird.

Suppressordioden kommen vornehmlich zum Schutz von Halbleiterelementen und Baugruppen auf Leiterplatten zum Einsatz. Im normalen Betrieb verhalten sie sich nahezu neutral. Ihre Eigenkapazität ist jedoch höher als die von Gasableitern, was im Hochfrequenzbereich zu Störungen führen kann. Wie die Gasableiter eignen sich auch die Suppressordioden nur zur Ableitung kurzer Spannungsspitzen, weshalb auch sie mit weiteren Schutzmaßnahmen in einem Überspannungsschutzgerät zu kombinieren sind.

Varistoren

Bei einem Varistor (Variable Resistor) handelt es sich, abhängig vom Typ, um eine Tablette aus gepresstem und gesintertem Siliciumcarbid, Zinkoxid oder anderen Metalloxiden. Er besteht also aus vielen kleinen Körnern des verwendeten Materials, an deren Berührungspunkten Sperrschichten entstehen. Je höher die Spannung ist, die an den Varistor angelegt wird, desto mehr dieser Sperrschichten werden abgebaut und umso geringer ist der Widerstand. Beim Auftreten einer Überspannung fällt der Widerstand in sehr stark ab und die Spannung wird abgeleitet.

Varistoren zeichnen sich durch eine sehr kurze Ansprechzeit von weniger als einer Nanosekunde aus. Außerdem sind sie Robuster als Suppressordioden, allerdings ist ihre Eigenkapazität wesentlich höher, weshalb sie auf hochfrequente Signale eine stark dämpfende Wirkung haben können. Außerdem sind Varistoren nicht alterungsbeständig. Im Gegensatz zu den anderen Surge Protection Devices werden Varistoren durch dauerhafte Überspannungen nicht überlastet, weshalb man sie häufig zur Konstruktion von Strombrücken einsetzt, zum Beispiel in Lichterketten.

Surge Protection Devices und die UL 1449

Überspannungsableiter sind, wie wir gesehen haben, wichtige Bauteile zum Schutz elektrischer Geräte und für die Sicherheit der Anwender. Wenig überraschend, dass die Anforderungen an sie in einer eigenen UL-Norm beschrieben werden. Die UL 1449 unterscheidet 5 Typen von Surge Protection Devices nach ihren jeweiligen Konstruktionsmerkmalen. Dabei deckt die UL 1449 auch die Anforderungen für Überspannungsschutzeinrichtungen in speziellen Anwendungsfeldern ab, so zum Beispiel für Telekommunikationseinrichtungen.