Überspannungsschutz: Was ist zu beachten?

Ein wirksamer Überspannungsschutz wird nicht einfach nur installiert. Es muss individuell abgestimmt werden – auf die zu schützende Anlage und die vor Ort vorherrschenden Umgebungsbedingungen. Aus diesem Grund müssen Design und Konzept stimmig sein. Dabei sind viele Details zu berücksichtigen, von der Berücksichtigung der Normen und Vorschriften bis hin zur Einteilung nach Blitzschutzzonen.

Blitz- und Überspannungsschutznormen

Nationale und internationale Normen geben eine Orientierung für die Erstellung eines Blitz- und Überspannungsschutzkonzepts sowie für die Gestaltung der einzelnen Schutzgeräte.

Blitzschutz nach IEC 62305:

Teil 1: Eigenschaften von Blitzeinschlägen

Im Teil 1 dieser Norm [1] werden die charakteristischen Eigenschaften von Blitzeinschlägen, die Eintrittswahrscheinlichkeit und das Gefährdungspotenzial berücksichtigt.

Teil 2: Risikoanalyse

Die Risikoanalyse nach Teil 2 dieser Norm [2] beschreibt ein Verfahren, mit dem zunächst die Notwendigkeit des Blitzschutzes für eine physikalische Anlage analysiert wird. Verschiedene Schadensquellen, z. B. ein direkter Blitzeinschlag in das Gebäude, rücken ebenso in den Fokus wie die daraus resultierenden Schadensarten:

• Auswirkungen auf die Gesundheit oder Verlust von Menschenleben

• Verlust technischer Dienstleistungen für die Öffentlichkeit

• Verlust unersetzlicher Objekte von kultureller Bedeutung

• Finanzielle Verluste

Der finanzielle Nutzen ermittelt sich wie folgt: Wie hoch sind die jährlichen Gesamtkosten einer Blitzschutzanlage im Vergleich zu den Kosten möglicher Schäden ohne Schutzanlage? Grundlage der Kostenermittlung sind die Aufwendungen für Planung, Montage und Wartung der Blitzschutzanlage.

Teile 3 und 4: Planungshilfen und Spezifikationen

Ergibt die Gefährdungsbeurteilung, dass ein Blitzschutz erforderlich und wirtschaftlich ist, können Art und Umfang der konkreten Schutzmaßnahmen auf Basis der Teile 3 [3] und 4 [4] dieser Norm geplant werden. Maßgeblich für Art und Umfang der Maßnahmen ist das durch das Risikomanagement ermittelte Blitzschutzniveau.

Bei Bauwerken, die ein extrem hohes Maß an Sicherheit erfordern, müssen nahezu alle Einschläge erfasst und sicher abgeführt werden. Bei Systemen, bei denen ein höheres Restrisiko akzeptabel ist, werden Einschläge mit geringeren Amplituden nicht erfasst.

Überspannungsschutz gemäß IEC 60364-4-44

Diese Norm [5] beschreibt die Bedingungen, unter denen Überspannungsschutzgeräte in Niederspannungsanlagen zum Schutz der elektrischen Anlage vor Überspannungen eingesetzt werden sollen. Der Anwendungsbereich beschränkt sich dabei auf Überspannungen, die durch atmosphärische Einflüsse oder als Folge von Schaltvorgängen verursacht werden und vom Stromnetz übertragen werden. Direkte Blitzeinschläge in eine bauliche Anlage werden nicht berücksichtigt, sondern nur Einschläge in oder in der Nähe von Versorgungsleitungen.

Ebenso sind bauliche Anlagen mit Explosionsgefahr sowie bauliche Anwendungen, die Schäden für die Umwelt verursachen können (z. B. petrochemische Anlagen oder Kernkraftwerke), nicht von der Anwendung der Norm umfasst. Für diese Prozesse ist ausschließlich die Blitzschlagnorm IEC 62305 anzuwenden.

Überspannungsschutzgeräte sollten verwendet werden, wenn eine vorübergehende Überspannung Auswirkungen auf Folgendes haben könnte:

• Menschenleben, z. B. Sicherheitssysteme, Krankenhäuser

• Öffentliche und kulturelle Einrichtungen, z. B. Verlust öffentlicher Dienstleistungen, IT-Zentren, Museen

• Industrielle oder geschäftliche Aktivitäten, z. B. Hotels, Banken, Produktionssysteme, landwirtschaftliche Betriebe.

Grundlegende Schutzmaßnahmen und Ausrüstung

Um eine bauliche Anlage dauerhaft vor Blitzeinschlägen und Überspannungen zu schützen, sind verschiedene, aufeinander abgestimmte Schutzmaßnahmen bzw. -einrichtungen erforderlich. Eine grobe Einteilung lässt sich wie folgt vornehmen:

• Äußerer Blitzschutz

• Interner Blitzschutz

• Erdung und Potenzialausgleich

• Koordiniertes SPD-System

Äußerer Blitzschutz

Ziel des äußeren Blitzschutzes (Abb. 15) ist es, Einschläge, die in die Nähe des zu schützenden Objekts kommen, abzuleiten und den Blitzstrom vom Auftreffpunkt in die Erde weiterzuleiten. Somit können keine Schäden durch thermische, magnetische oder elektrische Einwirkungen entstehen. Der äußere Blitzschutz ist systematisch: Er besteht aus dem Luftterminal, den Ableitern und dem Erdungssystem.

Interner Blitzschutz

Das interne Blitzschutzsystem soll eine gefährliche Funkenbildung innerhalb der Anlage verhindern. Funken können durch Blitzströme in der äußeren Blitzschutzanlage oder in anderen leitfähigen Teilen der baulichen Anlage entstehen.

Das innere Blitzschutzsystem besteht aus dem Potenzialausgleich und der elektrischen Isolierung äußerer Blitzschutzanlagen.

Der Blitzschutz-Potenzialausgleich ist eine Kombination von Maßnahmen zur Vermeidung von Potenzialunterschieden. Sie verbinden das Blitzschutzsystem hauptsächlich mit Metallinstallationen, internen Systemen sowie elektrischen und elektronischen Systemen innerhalb des Systems. Dies geschieht durch Potenzialausgleichsleitungen, Überspannungsschutzgeräte oder Trennfunkenstrecken.

Erdung und Potenzialausgleich

Ziel des Erdungssystems ist es, den eingefangenen Blitzstrom zu verteilen und zur Erde abzuleiten. Dabei ist die Art des Erdungssystems wichtiger als der Erdungswiderstand. Der Blitzstrom ist ein sehr kurzer Impuls, der sich wie ein Hochfrequenzstrom verhält. Wichtig ist auch ein wirksamer Potenzialausgleich. Der Potenzialausgleich verbindet alle elektrisch leitenden Teile über Leiter miteinander – aktive Leiter werden durch Überspannungsschutzgeräte geschützt. Dadurch wird esschützt vor Kupplungen aller Art.

Koordiniertes SPD-System

Unter einem koordinierten SPD-System versteht man ein mehrstufiges System aufeinander abgestimmter Überspannungsschutzgeräte.

Um ein leistungsstarkes SPD-System zu erreichen, werden die folgenden Schritte empfohlen.

• Unterteilen Sie die bauliche Anlage in Blitzschutzzonen

• Binden Sie alle zonenübergreifenden Leitungen durch geeignete SPDs in den örtlichen Potenzialausgleich ein

• Verschiedene Arten von SPDs koordinieren: Die Geräte müssen sich gezielt gegenseitig ansprechen, um eine Überlastung einzelner Komponenten zu verhindern

• Verwenden Sie für die Parallelschaltung von SPDs zwischen aktiven Leitern und dem Potenzialausgleich kurze Zuleitungen

• Geschützte und ungeschützte Leitungen getrennt verlegen

• Nur Bodengeräte über das jeweilige SPD (empfohlen)

Blitzschutzzonen

Die Entscheidung, wo Überspannungsschutzgeräte innerhalb eines baulichen Systems installiert werden sollen, basiert auf dem Blitzschutzzonenkonzept, das in Teil 4 der Blitzschutznorm IEC 62305 [4] erläutert wird.

Es unterteilt bauliche Anlagen in Blitzschutzzonen (LPZ), und zwar von außen nach innen mit abnehmendem Blitzschutzniveau. In Außenbereichen dürfen nur widerstandsfähige Geräte verwendet werden. In Innenräumen können jedoch auch empfindliche Geräte zum Einsatz kommen. Die einzelnen Zonen werden wie folgt charakterisiert und benannt:

LPZ 0A

Ungeschützter Bereich außerhalb eines Gebäudes, in dem direkte Blitzeinschläge möglich sind. Direkte Einkopplung von Blitzströmen in Leitungen, ungedämpftes Magnetfeld des Blitzeinschlags

LPZ 0B

Bereich außerhalb des Gebäudes, der durch einen Flugterminal vor direkten Blitzeinschlägen geschützt ist. Das ungeschwächte Magnetfeld des Blitzeinschlags verursachte lediglich Stoßströme auf den Leitungen.

LPZ 1

Bereich innerhalb des Gebäudes, der noch energiereichen Überspannungen oder Stoßströmen sowie starken elektromagnetischen Feldern ausgesetzt sein kann

LPZ 2

Bereich innerhalb eines Gebäudes, der möglicherweise noch Überspannungen oder Überströmen sowie bereits deutlich abgeschwächten elektromagnetischen Feldern ausgesetzt ist.

LPZ 3

Bereich innerhalb des Gebäudes, der nur sehr geringen oder kaum auftretenden Überspannungen oder Stoßströmen und sehr schwachen oder nicht vorhandenen elektromagnetischen Feldern ausgesetzt sein darf.

Alle Leitungen, die zwischen Zonen verlaufen, müssen koordinierte Überspannungsschutzgeräte verwenden. Ihre Leistungswerte richten sich nach der zu erreichenden Schutzart, die nach gesetzlichen Vorgaben oder anhand der Risikoanalyse ermittelt wird. Bei der Auswahl von Überspannungsschutzgeräten orientieren Sie sich an der Norm und gehen davon aus, dass 50% des Blitzstroms in die Erde abgeleitet werden. Die anderen 50% des Blitzstroms werden über das Hauptnetz zur Elektroinstallation geleitetPotenzialausgleich und von dort aus vom SPD-System weggeführt werden.