AC- vs. DC-Überspannungsschutz: Was ist der Unterschied?

Überspannungsschutz ist für die Sicherheit und Verfügbarkeit moderner elektrischer Systeme von grundlegender Bedeutung. Das Richtige wählen Überspannungsschutzgerät (SPD) Beginnt mit dem Verständnis, wie sich AC- und DC-Systeme bei Transienten unterschiedlich verhalten – insbesondere Lichtbogenlöschung (AC-Nulldurchgang vs. DC-Nulldurchgang) und Komponentendesign (bidirektionale vs. unidirektionale MOVs). Dieser Leitfaden erklärt den Unterschied zwischen AC-SPD und DC-SPD, stellt die geltenden IEC/UL-Standards dar und zeigt, wie Sie ein SPD auswählen, das Ihren Anwendungs- und Compliance-Anforderungen entspricht.

1. Einführung

Transiente Überspannungen, auch Überspannungen genannt, sind kurzzeitige Spannungsspitzen, die empfindliche elektronische Geräte beschädigen oder zerstören können. Diese Überspannungen können durch Blitzeinschläge, Netzumschaltvorgänge, das Schalten großer Lasten oder das Anlaufen induktiver Geräte verursacht werden. SPD-Geräte, auch Überspannungsunterdrücker oder Überspannungsableiter genannt, sind so konzipiert, dass sie diese Spitzen erkennen und umleiten, bevor sie geschützte Geräte erreichen.

Aber nicht alle Überspannungen – oder SPDs – sind gleich. AC-Systeme (Wechselstrom) und DC-Systeme (Gleichstrom) weisen ein sehr unterschiedliches elektrisches Verhalten auf und erfordern daher unterschiedliche Ansätze für den Überspannungsschutz. Pro IEC 61643-11/-31, Ein SPD begrenzt die Stoßspannung und leitet den Stoßstrom innerhalb von Nanosekunden um, um nachgeschaltete Geräte zu schützen.

2. Was ist AC-Überspannungsschutz?

AC-Überspannungsschutz ist für elektrische Systeme konzipiert, in denen die Spannung periodisch die Richtung ändert – typischerweise bei 50 Hz oder 60 Hz. Diese Systeme werden häufig in Wohnhäusern, Gewerbegebäuden, Fabriken und industriellen Automatisierungsnetzwerken eingesetzt. Entsprechend IEC 61643-11, AC-SPDs werden in Typ 1, Typ 2 und Typ 3 eingeteilt, die jeweils für einen anderen Installationspunkt innerhalb des Verteilungssystems vorgesehen sind.

Hauptmerkmale von AC-SPDs

• Betrieb mit gängigen Netzspannungen wie 115 V, 230 V, 400 V und bis zu 690 V Wechselstrom.

• Bidirektionaler Betrieb zur Polaritätsumschaltung von AC-Sinuswellen.

• Lichtbogenlöschung durch natürliche Nulldurchgänge der Wechselstromwellenform, wodurch die Trennung sicherer und effizienter wird.

• Häufig verwendete MOVs (Metalloxid-Varistoren) zur Absorption von Stoßenergie; Bei SPDs vom Typ 1 werden MOVs oft mit GDTs (Gasentladungsröhren) oder Lichtbogenkammern kombiniert, um hochenergetischen Blitzimpulsen (10/350 µs Wellenformen) standzuhalten.

• Eine Koordination mit dem vorgeschalteten Schutz (MCB oder Sicherung) ist erforderlich; Die beste Vorgehensweise besteht darin, die Länge des SPD-Kabels so kurz wie möglich zu halten, idealerweise < 0,5 m, um die Restspannung zu minimieren.

SPD-Typen für AC-Anwendungen

• Typ 1 SPD – Installiert am Serviceeingang; widersteht direkten Blitzströmen (Iimp 10/350 µs).

• Typ 2 SPD – Installiert an Verteilertafeln; schützt vor Schaltüberspannungen und indirektem Blitzschlag (In/Imax 8/20 µs).

• Typ 3 SPD – In der Nähe empfindlicher Geräte installiert; Bietet guten Schutz gegen Restüberspannungen.

Typische Anwendungen

• Haupt-Service-Klingeltafeln (Typ 1)

• Gebäudeverteiler (Typ 2)

• Bedienfelder in Industrieumgebungen (Typ 2)

• Schutz am Einsatzort oder auf Steckdosenebene für empfindliche, mit Wechselstrom betriebene Geräte (Typ 3)

Beispiel aus Britec AC SPD-Produkt Reichweite

• BR-50GR (Typ 1): Ausgelegt für Uc 275/320/440 V, mit Iimp bis zu 25 kA (10/350 µs); Ideal für den Blitzschutz von Serviceeingängen in TN/TT-Systemen.

• BR-12.5M (Typ 1+2 Hybrid): Bewältigt sowohl Blitzimpulse als auch Schaltstöße und eignet sich daher für Industrieanlagen.

• BR-40 und BR-30FU (Typ 2): Ausgelegt für Uc 275 V, mit In 20 kA / Imax 40 kA (8/20 µs); Der BR-30FU verfügt über eine Backup-Sicherung, die die Installation vereinfacht und die Sicherheit erhöht.

• BR-230/BR275-6 (Typ 3): Zum Schutz von Endgeräten konzipiert, mit niedriger Restspannung (Up ≤ 1,5 kV).

3. Was ist DC-Überspannungsschutz?

DC-Überspannungsschutz ist für Gleichstromsysteme konzipiert, bei denen der Strom in eine Richtung ohne natürliche Nulldurchgänge fließt. Im Gegensatz zu Wechselstromsystemen, die von periodischen Spannungsumkehrungen profitieren, stellen Gleichstromsysteme eine einzigartige technische Herausforderung dar: Lichtbögen erlöschen nicht von selbst. Das bedeutet, dass DC-SPDs eine robustere Lichtbogenlöschung, thermische Trennung und mechanische Auslösemechanismen benötigen, um die Sicherheit zu gewährleisten und ein thermisches Durchgehen zu verhindern.

Hauptmerkmale von DC-SPDs

• Spannungswerte: Typischerweise für 500 VDC bis 1500 VDC ausgelegt und deckt Solar-PV-Anlagen, Batteriespeichersysteme (BESS) und DC-Schnellladenetze ab.

• Unidirektionale MOV-Auswahl: Um die DC-Polarität zu berücksichtigen, verwenden DC-SPDs unidirektionale MOVs, die eine korrekte Überspannungsbegrenzung für einen Stromfluss in eine Richtung gewährleisten.

• Lichtbogenunterdrückung: Da es bei Gleichstrom keinen Nulldurchgang gibt, sind in Gleichstrom-SPDs schnell reagierende thermische Trennschalter, Gasentladungsröhren (GDTs) oder Lichtbogenkammern integriert, um Fehlerströme sicher zu unterbrechen.

• Handhabung hoher Überspannungen: Entwickelt für die Aufnahme hochenergetischer Überspannungen mit In/Imax-Nennwerten von bis zu 20–40 kA (8/20 µs) und Typ 1+2-Geräten, die für Iimp-Blitzimpulse ausgelegt sind.

• Compliance und Zertifizierung:

  • Muss IEC 61643-31 (für PV-DC-SPDs) entsprechen oder UL 1449 (für Gleichstromsysteme in Nordamerika bis zu 1500 V Gleichstrom).

  • Je nach Projekt oder regionalen Anforderungen können die Produkte zusätzliche TÜV-, CB- oder UL-Zertifizierungen für Netzkonformität und Sicherheitsaudits tragen.

Typische Anwendungen des DC-Überspannungsschutzes

• Solar-PV-Arrays (String- oder Combiner-Box-Schutz, typischerweise 1000 Vdc oder 1500 Vdc).

• Batterie-Energiespeichersysteme (BESS) für Grid-Scale- oder Microgrid-Lösungen.

• Ladestationen für Elektrofahrzeuge (EV), insbesondere DC-Schnellladung.

• Telekommunikationstürme und Systeme für erneuerbare Energien (Windkraftanlagen, Hybrid-Gleichstromnetze).

Beispiele aus Britecs DC SPD Reichweite

• BRPV3-1000 (Typ 1+2 DC SPD)

  • Nennspannung: Uc = 1000 Vdc

  • Nennentladestrom: In = 20 kA

  • Maximaler Entladestrom: Imax = 40 kA (8/20 µs)

  • Spannungsschutzpegel: Up ≤ 3,8 kV

  • Merkmale: Thermotrennschalter + Fernsignalisierung für Echtzeitüberwachung.

• BRPV3-1500 (Typ 1+2 DC SPD)

  • Nennspannung: Uc = 1500 Vdc

  • Nennentladestrom: In = 20 kA

  • Maximaler Entladestrom: Imax = 40 kA

  • Spannungsschutzpegel: Bis ≤ 4,5 kV

  • Merkmale: Design der Lichtbogenkammer + thermische Abschaltung, die einen zuverlässigen Betrieb in PV-Anlagen und der Infrastruktur von Elektrofahrzeugen gewährleistet.

4. Was ist der Unterschied zwischen AC- und DC-Überspannungsschutz?

Obwohl AC-SPDs und DC-SPDs auf den ersten Blick ähnlich aussehen, sind ihre Designprinzipien, Standards und Anwendungsanforderungen sehr unterschiedlich. Die folgende Tabelle fasst die wichtigsten Unterschiede zwischen AC-SPD und DC-SPD zusammen:

4.1 Elektrische Stromeigenschaften: Wechselstrom vs. Gleichstrom

Wechselstrom kehrt periodisch die Richtung um (Sinuswelle) und ermöglicht so natürliche Nulldurchgangspunkte. Der Gleichstrom fließt kontinuierlich in eine Richtung (flache Wellenform), was das Löschen des Lichtbogens deutlich schwieriger macht.

Implikation:

AC-SPDs profitieren vom Nulldurchgang zur Lichtbogenunterbrechung, während DC-SPDs aufgrund der Wellenformeigenschaften robustere Mechanismen zur Lichtbogenunterdrückung erfordern.

4.2 Wellenform der Überspannung

• Wechselstromstöße haben oft glattere, sinusförmige Wellenformen.
• Gleichstromstöße sind bei flacher Spitzenspannung kürzer, schneller und abrupter

Reaktionszeitbedarf:

DC-SPDs erfordern typischerweise schnellere Reaktionszeiten (≤25 ns), um vor schnellen Transienten zu schützen.

4.3 Design und Funktionsprinzipien von SPDs

• AC-SPD: Entwickelt für symmetrische Spannungspolarität und Sinuswelleneingang
• DC-SPD: Gebaut für polaritätsempfindliche Schaltkreise und unidirektionalen Stromfluss

Verwendete Technologie: Sowohl AC- als auch DC-SPD-Geräte verwenden üblicherweise MOVs (Metalloxid-Varistoren), thermische Trennelemente und manchmal GDTs (Gasentladungsröhren). Um zu verstehen, wie diese Komponenten in einem Überspannungsschutzgerät funktionieren, lesen Sie unsere ausführliche Anleitung unter wie eine SPD funktioniert.

4.4 Nennspannungen und Überspannungskapazität

• AC-SPDs: Bereich von 115 V bis 600 V
• DC-SPDs: Bereich von 500 V bis 1500 V

Beispiel:

DC SPD FLY1-40PV bewältigt bis zu 40 kA; AC SPD USP2 reicht je nach Modell bis zu 120 kA.

4.5 Anwendungsumgebungen

• AC-SPD: Büros, Wohnungen, HVAC, Schalttafeln
• DC-SPD: Erneuerbare Energien, Outdoor-Telekommunikation, Transportsysteme

Umwelttoleranz:

DC-SPDs unterstützen aufgrund von Außenanwendungen normalerweise größere Temperaturbereiche und relative Luftfeuchtigkeit.

4.6 Lichtbogenlöschung

• Wechselstrom: Der Lichtbogen erlischt auf natürliche Weise beim Nulldurchgang
• Gleichstrom: Erfordert mechanische/thermische Lichtbogenlöschung aufgrund fehlender Polaritätsumkehr.

Warum es wichtig ist:

Eine unzureichende Lichtbogenunterdrückung in DC-Überspannungsableitern kann zu thermischem Durchgehen und Brand führen.

4.7 Standards, Tests und Zertifizierung

• AC-SPD-Standards: UL 1449, IEC 61643-11 (Typ 1, 2, 3)
• DC-SPD-Standards: EN 50539-11, IEC 61643-31, UL 1449 (PV, BESS, EV-Fokus)

Beispiel:

Die Überspannungsschutzklasse muss anhand TÜV-zertifizierter SPD-Etiketten für die Netzkonformität überprüft werden.

5. So wählen Sie die richtige SPD aus

Bei der Auswahl des richtigen Überspannungsschutzgeräts (SPD) kommt es nicht nur auf die Nennspannung an, sondern auch auf die Installationsposition, die Schutzkoordination und die Einhaltung internationaler Standards. Hier sind die wichtigsten Faktoren, die es zu berücksichtigen gilt:

1. Passen Sie das SPD an Ihre Systemspannung an

• AC-Systeme (IEC 61643-11 / UL 1449)

  • 230/400 V (TN/TT-Netze): Wählen Sie Uc 275 V Modelle.

  • Beispiel: Britec BR-40/30FU – Typ 2 SPD, Uc 275 V, In 20 kA, Imax 40 kA, mit integrierter Sicherung für Backup-Schutz.

• PV-DC-Systeme (IEC 61643-31 / UL 1449 ≤1500 Vdc)

  • 600-VDC-, 1000-VDC- oder 1500-VDC-Arrays: Wählen Sie die passende DC-Uc-Bewertung aus.

  • Beispiel: Britec BRPV3-1000 (Uc 1000 Vdc) oder BRPV3-1500 (Uc 1500 Vdc) – DC-SPDs vom Typ 1+2 für PV-Anschlusskästen und Wechselrichter.

Tipp: Überprüfen Sie immer, dass die Uc (Dauerbetriebsspannung) des SPD ≥ 1,2 × Nennsystemspannung ist, um eine vorzeitige Alterung zu vermeiden.

2. Wenden Sie für jede Installationsebene die richtige Schutzklasse (Typ) an

• Typ 1 (10/350 µs Blitzstrom)

  • Installiert am Serviceeingang/Hauptverteiler.

  • Bewältigt direkte Blitzströme.

  • Beispiel: BR-12,5M Typ 1+2 SPD, Iimp 12,5 kA.

• Typ 2 (8/20 µs Schaltstöße)

  • Installiert auf Etagenverteilern.

  • Schützt vor Schaltüberspannungen und Blitzfehlerströmen.

  • Beispiel: BR-40/30FU Typ 2 SPD (mit integriertem Trennschalter).

• Typ 3 (Point-of-Use)

  • In der Nähe empfindlicher Geräte (Computer, Server, medizinische Geräte) installiert.

  • Schützt vor Restüberspannungen, die nicht durch vorgeschaltete SPDs begrenzt werden.

Technische Regel: Wenn die Kabellänge zwischen zwei Schutzstufen beträgt >10 m, installieren Sie an beiden Enden zusätzliche SPDs, um die Koordination sicherzustellen.

3. Stellen Sie die Koordination mit Leistungsschaltern und Sicherungen sicher

• SPDs müssen mit vorgeschalteten MCB/RCB/Backup-Sicherungen koordiniert werden.

• Einige Modelle, wie Britec BR-40/30FU, integrieren thermische Trennschalter und Backup-Schutz und reduzieren so Platz und Kosten.

4. Einhaltung von Standards

• AC-SPDs: IEC 61643-11, UL 1449

• PV-DC-SPDs: IEC 61643-31, UL 1449 (≤1500 Vdc)

Stellen Sie immer sicher, dass das SPD über die entsprechenden CE-, UL- oder IEC-Prüfzertifizierungen verfügt, insbesondere bei internationalen Projekten.

Schlüssel zum Mitnehmen

Die Wahl des richtigen SPD bedeutet, die Spannung anzupassen, den richtigen Typ pro Installationsebene auszuwählen, eine ordnungsgemäße Koordination sicherzustellen und die IEC/UL-Standards einzuhalten.

Mit Britecs Portfolio (BR-12.5M, BR-40/30FU, BRPV3-1000, BRPV3-1500), können Sie Wohn-, Gewerbe-, Industrie- und PV-Solaranwendungen mit zertifiziertem, leistungsstarkem Überspannungsschutz abdecken.

6. Fazit

AC- und DC-Überspannungsschutzgeräte sehen zwar ähnlich aus, bedienen aber grundsätzlich unterschiedliche Systeme. AC-SPDs sind für Sinuswellenanwendungen in Gebäuden und Netzen optimiert. DC-SPDs sind auf flache Spannungswellenformen in erneuerbaren und Hochspannungs-DC-Infrastrukturen zugeschnitten.

Die Wahl des richtigen SPD ist für den Schutz der Ausrüstung und die Einhaltung von Sicherheitsstandards von entscheidender Bedeutung.

Um einen optimalen Schutz zu gewährleisten:

• Passen Sie den SPD-Typ immer an das aktuelle System an (AC oder DC).
• Berücksichtigen Sie die Nennspannung, die Wellenformeigenschaften und die erforderliche Energieabsorptionsfähigkeit.
• Wählen Sie zertifizierte Produkte (TÜV, UL, CE) mit entsprechenden Überspannungsschutzklassen.

Benötigen Sie Hilfe bei der Auswahl Ihrer SPD? Wenden Sie sich an einen zertifizierten Elektrofachmann oder Überspannungsschutzanbieter, um die richtige DC-Überspannungsschutz- oder AC-Überspannungsschutzlösung für Ihr System zu finden.