Überspannungsschutz

Alles Wichtige auf einen Blick – DPS klärt auf.

Gefahren und Schäden, die durch Stoßströme und Überspannungen, in der Regel bedingt durch atmosphärische Entladungen also Gewitterblitze, entstehen, werden gemeinhin unterschätzt oder gar ignoriert. Ein Blick in die Statistik belehrt jedoch schnell eines Besseren. Hoch über Deutschland blitzt es, nach Angaben des Gesamtverbands der Deutschen Versicherungswirtschaft pro Jahr rund 2 Millionen mal. Dabei kommt es jährlich zu etwa 500.000 Blitzeinschlägen in Häusern oder Industrieanlagen. Allein für Wohnhäuser beläuft sich der jährliche Schaden auf rund 340 Mio. Euro. Dabei kann es selbst dann zu Überspannungsschäden kommen, wenn Blitze in einem Radius von bis zu 2 km in der Umgebung eines Hauses einschlagen. 80% der Blitzschlag Schäden werden durch Überspannung verursacht. Ein ausreichender Schutz ist daher sehr wichtig.

Überspannungsschutz – Ursachen für Überspannung

Überspannungen und Stoßströme werden oft durch Blitze während eines Gewitters hervorgerufen. Hierbei kann es sich um einen direkten Blitzeinschlag handeln oder um sogenannte Wanderwellen. Ein weiterer Grund können auch unvorhergesehene Schaltvorgänge im Umspannwerk sein. 

Blitze

Blitze sind die steten Begleiter eines jeden Gewitters. Wenn Gewitterwolken sich in großen Höhen auftürmen kommt es in ihrem Inneren zu einer Ladungstrennung. Dies geschieht durch Reibung und Zerstäuben der Wasserteilchen. Dabei laden sich Eiskristalle positiv auf und die Wassertropfen negativ. Dadurch entsteht im kalten oberen Teil der Wolke ein Gebiet positiver Ladung, während nahe dem Erdboden negative Ladung überwiegt. Das elektrische Feld vergrößert sich so lange, bis eine Spannung von mehreren hundert Millionen Volt erreicht wird. Irgendwann überschreitet die Feldstärke eine kritische Schwelle von ca 170 000 Volt pro Meter und ein gigantischer Kurzschluss kündigt sich an: Der Blitz. Er kann sich innerhalb der Wolke oder zwischen Wolke und Boden entladen.

Wanderwellen

Ein weitere Ursache, die zu Überspannung führt, sind Wanderwellen. Eine Gewitterwolke kann aufgrund ihrer elektrischen Ladung mit einer Freileitung durch Influenz einen geladenen Kondensator bilden. Bei einem Blitzeinschlag oder einem Wolke zu Wolke Blitz verliert die Ladung der Freileitung die Bindung an die Ladung der Wolke. Die nun freigewordene Ladung der Leitung fließt auf dieser als Stoßstrom und Überspannung als Wanderwellen ab. An den Enden der Freileitung kann die Überspannung durch Reflexion erhöht werden. Der Stoßstrom dieser Erscheinung ist jedoch wesentlich kleiner, es sei denn, dass ein Blitz direkt in die Freileitung oder in ein an diese angeschlossenes Gebäude einschlägt.  

Schaltvorgänge

Auch Schaltvorgänge, sowohl innerhalb als auch außerhalb eines Gebäudes, können Überspannungen bewirken. Hier kann es sich um das Auftreten und Abschalten eines Kurzschlusses oder das betriebsgemäße Ein- und Ausschalten eines Verbrauchers mit großem Nennstrom handeln. Besonders das Abschalten von Induktivitäten und Kapazitäten ist dabei kritisch. Dabei kann es sich beispielsweise um Transformatoren, Frequenzumrichter

oder große Elektromotoren handeln. Die Schaltüberspannungen und deren Stoßströme sind aber wesentlich kleiner als die von Blitzeinschlägen. Sie können sowohl leitungsgebunden, kapazitiv oder induktiv übertragen werden. 

Schädliche Wirkungen von Überspannung

Die Schäden, die durch Überspannung in Stromkreisen verursacht werden, können durchaus eindrucksvoll sein. Beispielsweise gab es im Jahr 2019 nach heftigen Gewittern in Niedersachen einen Blitzeinschlag in drei Wohnhäuser. Angaben der Feuerwehr zufolge seien: „Steckdosen und Schalter förmlich aus der Wand geflogen. Hauptsicherungen der Stromzufuhr seien explodiert. Feuer habe es aber nicht gegeben.” Oft treten auch Schäden an elektronischen Anlagen auf, die Datenverluste oder Betriebsstillstände, mit allen negativen Konsequenzen z.B. für Kundenbeziehungen, nach sich ziehen können. 

Durch den Einschlag in einen landwirtschaftlichen Betrieb 130km entfernt wurde z.B. die komplette Elektrik und die elektronischen Steuerungseinrichtungen der Stallungen zerstört. Wie es dazu kommen kann erklären wir in den folgenden Abschnitten.

Wärme durch Stoßstrom

Leiter, die nicht für Stoßströme bestimmt und bemessen sind (in Endstromkreisen oder in informationstechnischen Anlagen) können zu glühen oder schmelzen beginnen oder sogar explosionsartig verdampfen. Nicht als Leiter bestimmte wasserhaltige Gegenstände (z. B. Bäume, Holzstangen, Mauerwerk) können durch den extrem schnellen Wechsel des Aggregatzustandes des Wassers zu Wasserdampf gesprengt werden. 

Stoßstrom und magnetische Kräfte

Von einem Stoßstrom durchflossene Leiter, die parallel angeordnet sind, unterliegen bei gleicher Stromrichtung magnetischer Anziehung und stoßen sich bei entgegengesetzter Stromrichtung magnetisch ab. Die Leitungen können, bei kleinem Abstand, dadurch aus Ihren Umhüllungen, Halterungen oder Klemmen gerissen werden. Derartige Magnetfelder können umgekehrt durch Induktion auch in anderen Leitern Stromstöße bewirken, so dass die Schäden sich weiter im Leitungssystem fortpflanzen. 

Gefahr von Schrittspannung

Als Schrittspannung wird die elektrische Spannung zwischen zwei Punkten eines von starkem Strom durchflossenen Bodenbereiches bezeichnet. In der Abbildung beispielhaft durch eine abgerissene Freileitung verursacht. Der Name rührt von dem Umstand her, dass diese Spannung einen Menschen oder ein Tier dann betrifft, wenn er den Boden an unterschiedlichen Punkten berührt. Sie kann für Menschen oder Tiere lebensgefährlich sein. Wird ein hoher elektrischer Strom in den Erdboden eingeleitet (bei Blitzeinschlag kann es sich kurzzeitig um einige 10.000 Ampere handeln), erzeugt dieser Strom dem ohmschen Gesetz zufolge am elektrischen Widerstand des Erdbodens eine elektrische Spannung. Ein Körper, der im Bereich des stromdurchflossenen Bodens zwei Punkte unterschiedlichen Potentials berührt, überbrückt dann eine Spannung, die einige 1.000 Volt betragen und damit lebensgefährlich sein kann. Wer sich inmitten eines Gewitters im Freien aufhält sollte darauf achten mit den Füßen eng zusammen auf dem Boden zu stehen. Keinesfalls sollte man sich auf den Boden legen.                                                                                                             

Überspannungsschutz – innerer und äußerer Blitzschutz

Um sich vor den Folgen von Überspannung infolge von Blitzeinschlägen zu schützen muss ein äußerer und ein innerer Blitzschutz installiert werden. Der äußere Blitzschutz, allgemein als Blitzableiter bekannt, besteht aus Fangeinrichtung, Ableitung und Erdungsanlage. Er dient dazu, den Blitz in die Erde abzuleiten und die Brandgefahr durch einen direkten Einschlag zu minimieren. Nicht alle Gebäude sind mit Blitzableitern ausgestattet. Wichtig sind diese Anlagen besonders für stark exponierte Gebäude oder Gehöfte.

Der innere Blitzschutz (Blitzschutz-Potentialausgleich & Überspannungsschutz) wird unterteilt in Grobschutz, Mittelschutz und Feinschutz. Der innere Blitzschutz ist selbst dann von Bedeutung, wenn kein äußerer Blitzschutz ausgeführt wurde. Er schützt vor Überspannung infolge von Schaltvorgängen aber auch direkten Blitzeinschlägen oder Einschläge in Freileitungen oder Trafostationen.

Äußerer Blitzschutz

In der Abbildung links sind alle Komponenten des äußeren Blitzschutzes schematisch dargestellt. Ohne Blitzschutz können direkte Blitzeinschläge Zerstörungen anrichten, wenn, wie schon erwähnt, in Baustoffen enthaltenes Wasser, Harz oder ätherische Öle in Holz explosionsartig verdampfen oder durch die Hitzewirkung der elektrischen Entladung Brände entstehen. Schlägt ein Blitz ein, bietet die Blitzschutzanlage dem Blitzstrom durch den Blitzableiter einen definierten, niederohmigen Strompfad. Die vorrangige Schutzfunktion besteht darin, den Blitzstrompfad am Objekt vorbeizuführen, abzuleiten und vor allem aufzuteilen. Der Blitzstoßstrom als Naturerscheinung ist ein eingeprägter Strom. Seine Größe kann durch die Eigenschaft des Einschlagobjekts und Widerstände nicht beeinflusst werden. Es ist lediglich möglich, den Strom durch Verzweigung aufzuteilen. Die Fangeinrichtungen eines Blitzschutzsystems dienen dazu, Orte für potentielle Einschläge festzulegen und so unkontrollierte Einschläge an anderen Stellen zu vermeiden. Dies funktioniert deswegen, weil die elektrisch leitende Spitze eine viel höhere Feldliniendichte aufweist als der Rest des Hauses. Die umgebende Luft wird so vorionisiert und schwach leitend und der Blitz schlägt bevorzugt in den Blitzableiter statt in das Haus ein. Der Blitzableiter sorgt dafür, den von der Fangeinrichtung aufgeteilten Blitzstrom vom Dach an der Wand herab Richtung Erdung zu leiten. Fundament- und Tiefenerder übernehmen die Aufgabe, den von den Ableitungen herangeführten Blitzstrom großflächig an das umliegende Erdreich zu verteilen.

Innerer Blitzschutz

Der innere Blitzschutz umfasst alle Maßnahmen gegen die Auswirkungen des Blitzstroms. Dazu gehören hauptsächlich der Potentialausgleich und der Überspannungsschutz. Für einen umfassenden Potenzialausgleich werden alle metallenen Systeme im Gebäude (z. B. Rohre oder Heizungen) an eine Potentialausgleichsschiene angeschlossen. Spannungsunterschiede werden dadurch vermieden. Außerdem gehört zum Grundschutz die ordnungsgemäße Erdung von terrestrischen Antennen und SAT-Anlagen.

Die „Überspannungsschutz – Kaskade“

Der Überspannungsschutz ist Teil der DIN-Blitzschutznorm VDE 0185. Diese Norm ist im Jahr 2002 überarbeitet und in 4 Teilen herausgegeben worden. Diese Norm ist übergegangen in die VDE 0185-305(2007) mit 3 Teilen. Die beiden wichtigsten Normen für den Überspannungsschutz in Niederspannungsanlagen sind die DIN VDE 0100-443 und die DIN VDE 0100-534.

Der Überspannungsschutz wird in der Regel dreistufig ausgeführt. Dies wird oft als „Überspannungsschutz – Kaskade“ bezeichnet, die in Grobschutz, Mittelschutz und Feinschutz unterteilt wird. Hierbei werden starke Impulsströme von schwächer bemessenen Anlagenteilen und empfindlichen Geräten ferngehalten und die Überspannungen stufenweise auf verträgliche Größen herabgesetzt. Dabei kommen auf jeder Stufe Bauteile unterschiedlicher Dimensionierung zum Einsatz – die Varistoren. Im normalen Betrieb ist ihr Widerstand sehr groß, während dagegen bei Überspannung der Widerstand fast verzögerungsfrei sehr klein wird und Ladung ableitet. Varistoren haben Ansprechzeiten von unter einer Nanosekunde und können sehr schnell kurzzeitige Überspannungen begrenzen, ohne zerstört zu werden. Bei längerer Dauer wird der Varistor überhitzt, weil die absorbierbare Energie von der Gesamtmasse abhängt. Im Stromnetz werden Blitzstrom-Ableiter (SPD Typ 1) meistens in der Hauptverteilung (Zählerschrank) eingebaut. Damit ist die gesamte nachgeordneten Anlage grob geschützt. Überspannungsableiter (SPD Typ 2) werden ebenfalls in Elektroverteilungsschränke eingebaut. (z.B. für die Versorgung einzelner Etagen eines Gebäudes) SPDs vom Typ 1 & Typ 2 müssen von einer Elektrofachkraft eingebaut werden.

Spezielle Überspannungsableiter für empfindliche elektronische Geräte (SPD Typ 3) sind i.d.R. Geräte, die in eine Schuko-Steckdose (Steckdose mit Erdungsanschluss) eingesteckt werden. Diese Schutzgeräte kann im Prinzip jeder kaufen und einbauen.

Überspannungsschutz – ist der Einbau Pflicht ? 

Ein Überspannungsschutz gilt seit Dezember 2018 als notwendiger Teil einer elektrischen Anlage. Er muss bei Neubauten daher eingebaut werden. Für ältere Gebäude ist der Überspannungsschutz nicht Pflicht. Trotzdem ist es sehr ratsam, einen Überspannungsschutz nachzurüsten. Denn in modernen Haushalten wird eine Vielzahl hochwertiger elektrischer Geräte genutzt, die mit dem Stromnetz verbunden sind wie z.B. Fernseher, Herd, Router oder Computer. In all diesen Geräten ist empfindliche Elektronik verbaut, die bei Überspannungen leicht kaputt gehen kann.

Fazit

Gerade zum Schutz von empfindlicher Elektronik ist ein Überspannungsschutz essenziell. Da die auftretenden Überspannungen schrittweise reduziert werden müssen, ist es nur sinnvoll alle drei Stufen des Überspannungsschutzes zusammen zu installieren. Eine Steckdosenleiste mit Überspannungsschutz für den Computer (Feinschutz) ist im Zweifel nutzlos, wenn es keinen Überspannungsschutz der ersten beiden Stufen (Grobschutz und Mittelschutz) gibt.

 
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