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Überspannungen aus Netz- und Versorgungsleitungen schützen mit Gasableitern und Varistoren

Von Paul-Martin Kamprath

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Überspannungen, die z.B durch Schaltvorgänge und Blitzschlag entstehen können, verfügen über ein hohes zerstörerisches Potential für die nachfolgende Schaltung. Ein unzureichender Schutz kann nicht nur sehr große Reparaturkosten verursachen, sondern auch Gefahr für Leib und Leben bedeuten.

Bauelemente, die vor Überspannungen schützen, sind parallel zur folgenden Schaltung angebracht und schließen im Allgemeinen die zu hohe Energie kurz. Sie wird anschließend gegen Erde oder den Nullleiter abgeleitet.

An einen effektiven Überspannungsschutz werden einige Anforderungen gestellt. Er muss

  • sehr schnell auslösen
  • hohe Energien ableiten
  • Leckströme vermeiden
  • nach seinem Einsatz wieder in den Normalzustand übergehen

Um gegen Überspannungen aus Netz- und Versorgungsleitungen zu schützen werden im Allgemeinen Varistoren und Gasableiter eingesetzt. Es gibt unterschiedliche Schaltungsprinzipien, die sich in Aufwand und Schutzgrade unterscheiden. Der Schaltungsdesigner muss ein Kosten- und Nutzenverhältnis abwägen. Grob gesagt bedeutet ein höherer Aufwand auch ein höherer Schutz.

Daneben sind, je nach Einsatzort, Land und erforderlichen Schutzgrad bestimmte Richtlinien und Normen zu erfüllen. Diese sind im Zusammenhang mit der Applikation genau zu prüfen.
 

Der Varistor

Der Varistor ist ein spannungsabhängiger Widerstand („variable resistor“). Gemäß seiner Spezifikation besitzt er eine Schwellspannung („Clamping Voltage“) bei der sein Widerstand exponentiell gegen nahezu null Ohm geht. Der Varistor kann im Bereich von Nanosekunden schalten und ist somit sehr schnell. Im hochohmigen Zustand ist der Widerstand nicht unendlich hoch, so dass Gefahren über Leckströme entstehen können. Für den Anschluss an den Schutzleiter (PE) ist ein Varistor im Allgemeinen nicht geeignet. Zum einen ist der Berührschutz nicht gewährleistet und zum anderen können empfindliche Fehlerstromschutzleiter ungewollt auslösen. Mit Alterung und zunehmender Beaufschlagung mit Überspannungen degradieren Varistoren und der Leckstrom nimmt zu. Zudem bedeuten Leckströme Verluste und sie korrodieren Erdungsanlagen.

Ist der Varistor längere Zeit im Bereich der Schwellspannung in Betrieb wird er sehr heiß. Das stellt eine Brandgefahr dar. Für maximalen Schutz wird eine träge Sicherung eingefügt. Eine andere Variante sind Varistoren mit einer Thermosicherung, die bei Übertemperatur auslöst.
 

Der Gasableiter

In einem Gasableiter sind zwei Elektroden in einem mit Gas gefüllten Raum eingeschlossen. Der Widerstand des Gasableiter ist im normalen Betriebszustand sehr hoch. Erreicht die Spannung an den Elektronen einen bestimmten Wert „zündet“ der  Gasableiter. Das Gas ionisiert und ein Lichtbogen leitet die Energie durch. Die Spannung sinkt dabei auf wenige Volt. Aufgrund des hohen Widerstandes im Normalzustand ist ein Gasableiter sehr gut für den direkten Anschluss an den Schutzleiter geeignet. Gasentladungs-Ableiter gelten robuster als Varistoren und können mehrfach auslösen.

Im leitenden Zustand entsteht aus der Netz- oder Versorgungsspannung ein sogenannter Netzfolgestrom. Dieser hält solange an bis der Gasableiter wieder in den hochohmigen Zustand übergeht, was einige Millisekunden dauern kann. Aus diesem Grund ist der Anschluss eines Gasableiters ohne weitere Elemente in der Regel nur an Wechselstrom sinnvoll, da mit dem Nulldurchgang der Übergang in den unausgelösten Zustand einfacher möglich ist. Gleichstrom würde das verhindern, weil der ausgelöste Zustand anhält.

Grob gesagt ist der Unterschied im Verhalten eines Varistors und eines Gasableiter wie folgt: der Gasableiter schließt, wenn aktiv, quasi kurz und reagiert im Bereich einer Mikrosekunde. Der Varistor reduziert den Impuls bis auf die Klemmenspannung („clamping voltage“) und reagiert im Nano-Sekunden-Bereich.
 

Schaltungsvarianten

 
 

Eine einfache Schaltung zum Schutz von Netzanwendungen:

Diese Schaltung schützt gegen Überspannungen zwischen allen Leitern. Der oben besprochene hochohmige Abschluss zum Schutzleiter im Normalzustand ist gewährleistet. Allerdings spricht zwischen L und N die Schutzschaltung erst bei der doppelten Spannung an als zwischen L, N und dem Schutzleiter (PE). Ist der Gasableiter aktiv wird ein Folgestrom verursacht und die Spannung für den folgenden Verbraucher kurzgeschlossen. Das hält an bis der Gasableiter wieder in seinen unausgelösten Zustand übergeht.

 

 

Die Kombination beider Technologien ist eine gängige Möglichkeit die Nachteile zu minimieren:

Die schnell schaltenden Varistoren leiten bei Überspannung durch und schützen unmittelbar die folgende Schaltung. Im Anschluss zündet der Gasentladungsableiter und leitet die Energie gefahrlos zur Erde ab. Der Varistor verhindert, dass die Spannung nicht kleiner wird als die Klemmenspannung („clamping voltage“). Damit wird auch die Spannung zur folgenden Applikation nicht kurzgeschlossen und die Versorgung unterbrochen.
Nach Abfallen des Impulses hilft der Varistor, den Folgestrom zu begrenzen.

 

 

Als Variante kann der Überspannungsschutz zwischen L und N noch mit einer direkten Verbindung zwischen den Leitern verbessert werden:

Als Vereinfachung kann man auf den Ableiter zwischen L und N auch verzichten.
Wie oben beschrieben ist es ratsam mit Sicherungen oder der Verwendung von Varistoren mit Thermosicherung (TMOV) die Problematik einer zu starken Erhitzung des Varistors in den Griff zu bekommen.
 

 

 

Eine andere und den Aufwand reduzierende Variante ist der Einsatz eines „Fail safe“ Gasentladungsableiters (OGDT):

Dieser öffnet sich nach der Durchleitung des Impulses und schließt den entstehenden Folgestrom. Somit wird eine unzulässige Überhitzung des Varistors wirksam vermieden.

 

 

 

 

In Applikationen, in denen eine galvanische Trennung zum Schutzleiter (PE) nicht erforderlich ist, werden gerne Ableiter aus Kostengründen weggelassen. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass neben den eintretenden Leckströmen und Verlusten, der Varistor rascher degradiert als in der Kombination mit einem Ableiter.

Die Dimensionierung des Varistors hinsichtlich der maximal möglichen Energieaufnahme wird aus Kostengründen oft unterschätzt. Kleinere Größen können weniger Energie aufnehmen als größere und degradieren rascher. Bei den Varistoren werden für obige Applikationen gerne Metaloxid-Varistoren (MOV) in Scheibenform verwendet. Diese bedrahtete Variante ist vielfach bewährt und bietet einen günstigen Schutz. Viele Hersteller empfehlen die Verwendung von Metaloxid-Varistoren mit Scheibendurchmessern von mindestens 14mm.

Mit der Zunahme der Wetterextremitäten ist es ratsam, den Überspannungsschutz nicht zu unterdimensionieren.

Bencent: Fehlersichere Gasableiter bei Netzfolgestrom

Mit dem fehlersicheren Gasableiter wird ein Netzfolgestrom rasch unterbrochen und Folgeschäden durch Überhitzung vermieden.

Artikelnummer Beschreibung Hersteller Stückzahl
BEN_GDT_SMD_3pin.jpg B3D090L-C-M 3-Elektroden SMD 7.6x5.0x5.8 Ableiter 5kA 90V, Muster Datenblatt Bencent 20 Muster anfordern
BEN_GDT_SMD_3pin.jpg B3D090M-C-M Ableiter SMD 3 Term. 90V 3kA, Muster Datenblatt Bencent 20 Muster anfordern
BEN_GDT_SMD_3pin.jpg B3D230L-C-M 3-Elektroden SMD 7.6x5.0x5.8 Ableiter 5kA 230V, Muster Datenblatt Bencent 20 Muster anfordern
BEN_GDT_SMD_3pin.jpg B3D470L-C-M 3-Elektroden SMD 7.6x5.0x5.8 Ableiter 5kA 470V, Muster Datenblatt Bencent 20 Muster anfordern
BEN_OGDT_leaded.jpg B5G3600-M Ableiter 2 Term. 3600V 5kA, Muster Datenblatt Bencent 5 Muster anfordern
BEN_OGDT_leaded.jpg B5G600L-M 2-Elektroden Ableiter 5kA 600V, Muster Datenblatt Bencent 20 Muster anfordern
BEN_OGDT_leaded.jpg B8G3600-M 2-Elektroden Ableiter 8kA 3600V, Muster Datenblatt Bencent 5 Muster anfordern
BEN_OGDT_leaded.jpg B8G3600L-M 2-Elektroden Ableiter 8kA 3600V, Muster Datenblatt Bencent 20 Muster anfordern
BEN_OGDT_leaded.jpg B8G600M-M 2-Elektroden Ableiter 8kA 600V, Muster Datenblatt Bencent 20 Muster anfordern
BEN_GDT_SMD_2pin_BX.jpg BC091N-M 2-Elektroden SMD 1812 Ableiter 2kA 90V, Muster Datenblatt Bencent 20 Muster anfordern
Artikelnummer Beschreibung Hersteller Stückzahl
SWH_Disk_Varistor.jpg SVC101D-10ABW7-M Varistor D=10mm 60VAC, Muster Datenblatt Samwha 50 Muster anfordern
SWH_Disk_Varistor.jpg SVC101D-14ABW7-M Varistor D=14mm 60VAC, Muster Datenblatt Samwha 50 Muster anfordern
SWH_Disk_Varistor.jpg SVC182D-14ABW7-M Varistor D=14mm 1000VAC, Muster Datenblatt Samwha 30 Muster anfordern
SWH_Disk_Varistor.jpg SVC241D-10ABW7-M Varistor D=10mm 150VAC, Muster Datenblatt Samwha 50 Muster anfordern
SWH_Disk_Varistor.jpg SVC241D-14ABW7-M Varistor D=14mm 150VAC, Muster Datenblatt Samwha 50 Muster anfordern
SWH_Disk_Varistor.jpg SVC431D-05ABW5-M Varistor D=5mm 275VAC, Muster Datenblatt Samwha 50 Muster anfordern
SWH_Disk_Varistor.jpg SVC431D-07ABW5-M Varistor D=7mm 275VAC, Muster Datenblatt Samwha 50 Muster anfordern
SWH_Disk_Varistor.jpg SVC431D-10ABW7-M Varistor D=10mm 275VAC, Muster Datenblatt Samwha 50 Muster anfordern
SWH_Disk_Varistor.jpg SVC431D-14ABW7-M Varistor D=14mm 275VAC, Muster Datenblatt Samwha 50 Muster anfordern
SWH_Disk_Varistor.jpg SVC431D-20ABW1-M Varistor D=20mm 275VAC, Muster Datenblatt Samwha 50 Muster anfordern
SWH_Disk_Varistor.jpg SVC470D-10BBW7-M Varistor D=10mm 30VAC, Muster Datenblatt Samwha 50 Muster anfordern
SWH_Disk_Varistor.jpg SVC470D-14BBW7-M Varistor D=14mm 300VAC, Muster Datenblatt Samwha 50 Muster anfordern

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