Erfahren Sie mehr über Überspannungs- und Blitzschutz

Ein Spannungsstoß, auch als vorübergehende Spannung oder Spannungsspitze bezeichnet, bezeichnet das Phänomen, dass die Spannung für einen kurzen Moment die normale Betriebsspannung überschreitet. Im Wesentlichen ist ein Spannungsstoß ein schneller Spannungsimpuls, der innerhalb von Mikrosekunden auftritt. Häufige Ursachen für Spannungsstöße sind das Starten oder Herunterfahren schwerer Geräte, Kurzschlüsse, Stromschaltungen und der Betrieb großer Motoren.

Überspannungen können möglicherweise schwere Schäden an elektrischen Geräten verursachen. Daher können Produkte, die mit Überspannungsschutzgeräten ausgestattet sind, plötzliche Ausbrüche enormer Energie effektiv absorbieren und angeschlossene Geräte vor Schäden schützen. Der Einsatz dieser Schutzgeräte erhöht die Sicherheit und Zuverlässigkeit elektrischer Geräte erheblich.

Eigenschaften von Überspannungen:

Stöße haben eine extrem kurze Dauer, die normalerweise zwischen Nanosekunden und Mikrosekunden liegt. Wenn Spannungsspitzen auftreten, übersteigt die Amplitude von Spannung und Strom die normalen Werte um mehr als das Doppelte. Aufgrund der schnellen Aufladung der Eingangsfilterkondensatoren ist der Spitzenstrom von Spannungsspitzen viel größer als der stationäre Eingangsstrom. Um Spannungsspitzen zu begegnen, sollten Netzteildesigns die Begrenzung der Spannungsspitzenpegel in Betracht ziehen, denen Wechselstromschalter, Gleichrichterbrücken, Sicherungen und EMI-Filtergeräte standhalten können.

Bei wiederholten Schaltvorgängen sollte die AC-Eingangsspannung weder die Stromversorgung beschädigen noch zum Durchbrennen einer Sicherung führen. Dieses Phänomen dauert normalerweise nur einige Nanosekunden bis Millisekunden, aber seine Spannungs- und Stromwerte überschreiten die normalen Betriebswerte deutlich. Überspannungen sind in Verteilungssystemen weit verbreitet und können als allgegenwärtig angesehen werden.

Zu den wichtigsten Erscheinungsformen von Spannungsspitzen in Verteilungssystemen gehören:

• Spannungsschwankungen: Maschinen und Geräte stoppen bzw. starten unter normalen Betriebsbedingungen automatisch.
• Störungen elektrischer Geräte: beispielsweise Klimaanlagen, Kompressoren, Aufzüge, Pumpen oder Motoren.
• Anomalien in Computersteuerungssystemen: Häufige unerklärliche Zurücksetzungen.
• Häufiger Austausch oder Neuwickeln von Motoren.
• Verkürzte Lebensdauer elektrischer Geräte: Reduzierte Lebensdauer aufgrund von Fehlern, Resets oder Spannungsproblemen.

Überspannungen können empfindliche elektronische Geräte auf verschiedene Weise beeinträchtigen, unter anderem:

Beschädigung:

• Spannungsdurchschlag von Halbleiterbauelementen.
• Zerstörung von Metallschichten auf Bauteilen.
• Schäden an Leiterbahnen oder Kontaktpunkten auf der Leiterplatte.
• Schäden an bidirektionalen Thyristoren/Triacs usw.

Interferenz:

• Geräteblockierung, Kontrollverlust über Thyristor oder bidirektionalen Thyristor.
• Teilweise Beschädigung von Datendateien.
• Fehler in Datenverarbeitungsprogrammen.
• Fehler und Störungen beim Datenempfang und der Datenübertragung.
• Unerklärliche Fehlfunktionen und mehr.

Vorzeitiges Altern:

• Bauteile altern vorzeitig, die Lebensdauer der Elektronik wird dadurch deutlich verkürzt.
• Verringerte Audio- und Videoqualität bei der Ausgabe.
Quellen von Überspannungen:
Überspannungen können sowohl externe als auch interne Quellen haben. Etwa 20 % der Überspannungen kommen von externen Quellen, hauptsächlich Blitzeinschlägen und anderen Systemeinwirkungen. Etwa 80 % der Überspannungen kommen von internen Quellen, hauptsächlich von internen elektrischen Lasten.

Externe Überspannungen entstehen hauptsächlich durch Blitzschlag und umfassen:

Direkte Blitzeinschläge: Direkte Treffer in Blitzableiter, Blitzableiter, Gebäude oder Raffinerietürme.
Elektromagnetische Strahlung von Blitzen: Vom Einschlagspunkt des Blitzes gehen starke Magnetfelder aus, die Mikroelektronik beschädigen können, selbst wenn der Blitz ein Gebäude nicht direkt trifft.
Durch Blitzschlag verursachte Ströme in Strom- und Signalleitungen.
Blitzinduktion: Um die Blitzentladung herum bilden sich starke alternierende Magnetfelder, die in benachbarten Metallleitern Spannung induzieren.
Durch Blitzschlag verursachte hohe lokale Potentiale.
Blitzeinschlag: Direkte Blitzeinschläge in Stromleitungen oder Ableitungen können Blitzüberspannungen in Stromleitungen und starke elektromagnetische Impulse um Stromkabel herum verursachen. Diese induzierten Überspannungen können sich zu den Eingangsanschlüssen von Geräten ausbreiten und zu Fehlfunktionen oder Schäden an den Geräten führen.

Interne Überspannungen entstehen hauptsächlich durch Schaltvorgänge elektrischer Geräte im Stromnetz und andere Faktoren, darunter:

Ein- und Ausschalten hoher elektrischer Lasten wie beispielsweise Klimaanlagen, Kompressoren, Pumpen oder Motoren.
Zu- und Abschalten induktiver Lasten.
Ein- und Ausschalten von Leistungsfaktorkorrekturkondensatoren.
Kurzschlussfehler.
Mechanische Kontakte: Mechanische Schalter inkl. Relaisschaltkontakte, Tastschalter, Schlüsselschalter, Potentiometer mit Schalter etc.

Gemäß den IEEE-Definitionen können Überspannungen in mehrere Kategorien eingeteilt werden:

• Impulsartige Spannungsstöße: Die Spannung reicht von mehreren hundert Volt bis zu 20,000 Volt innerhalb von Mikrosekunden.
• Oszillierende Spannungsstöße: Die Spannung reicht von mehreren hundert Volt bis 6000 Volt innerhalb von Mikrosekunden bis Millisekunden.
• Burst-artige Spannungsspitzen: Spitzenspannung oder -strom sich wiederholender Zyklen.

Um elektronische Geräte vor Blitzüberspannungen zu schützen, wurden entsprechende Immunitätsteststandards festgelegt. Der nationale Standard für Blitzüberspannungsimmunitätstests für elektronische Geräte ist GB/T17626.5 (entspricht dem internationalen Standard IEC61000-4-5). Dieser Standard simuliert hauptsächlich verschiedene Situationen, die durch indirekte Blitzeinschläge verursacht werden, darunter:

• Blitzeinschläge in Außenleitungen verursachen große Ströme, die in Außenleitungen oder Erdungswiderstände fließen und so zu Störspannungen führen.
• Induzierte Spannung und Strom durch indirekte Blitzeinschläge (wie z. B. Blitze zwischen oder innerhalb von Wolken) auf externen Leitungen.
• Um Objekte in der Nähe von Blitzeinschlägen herum bilden sich starke elektromagnetische Felder, die Spannung auf externen Leitungen induzieren.
• Blitzeinschläge in Bodennähe, bei denen Erdströme Störungen über das gemeinsame Erdungssystem verursachen. Darüber hinaus simuliert der Standard Störungen, die durch Schaltvorgänge in Umspannwerken verursacht werden (Spannungsspitzen während des Schaltbetriebs), wie beispielsweise:

• Störungen, die beim Schalten von Hauptstromversorgungssystemen entstehen (z. B. Schalten von Kondensatorbatterien).
• Störungen durch geringfügiges Umschalten der Schalter innerhalb desselben Stromnetzes.
• Störungen durch Thyristoranlagen mit Resonanzkreisen.
• Verschiedene systematische Fehler, wie etwa Kurzschlüsse und Lichtbogenfehler zwischen Geräteerdungsnetzen oder Erdungssystemen, werden ebenfalls simuliert.

Der Standard beschreibt zwei Arten von Wellenformgeneratoren:

• Auf Stromleitungen induzierte Wellenformen: Schmale Stoßwellenformen (50 µs) mit steilen Fronten (1.2 µs).
• Auf Kommunikationsleitungen induzierte Wellenformen: Breite Stoßwellenformen mit sanften Fronten.

Simulierte Blitzimpulse, die in Stromleitungen durch Blitzeinschläge oder durch Blitzentladungen über den gemeinsamen Erdungswiderstand verursacht werden. Typische Parameter sind Leerlaufausgangsspannung (0.5 bis 6 kV), Kurzschlussausgangsstrom (0.25 bis 2 kA) für verschiedene Teststufen, Innenwiderstand (2 Ohm) und zusätzliche Widerstände (10, 12, 40, 42 Ohm) für verschiedene Teststufen. Die Polarität des Überspannungsausgangs kann positiv/negativ sein, und der Überspannungsausgang kann mit einer Phasenverschiebung von 0 bis 360 Grad mit der Stromversorgung synchronisiert werden. Die Wiederholungsfrequenz sollte mindestens einmal pro Minute betragen.

Schweregrade der Blitzstoßimmunitätstests:

• Stufe 1: Gutes Schutzumfeld.
• Stufe 2: Umgebung mit gewissem Schutz.
• Stufe 3: Normale Umgebung mit elektromagnetischen Störungen, ohne festgelegte spezielle Installationsanforderungen für Geräte, wie z. B. Industriearbeitsplätze.
• Level 4: Umgebung mit starken Störungen, wie etwa zivile Freileitungen oder ungeschützte Hochspannungs-Umspannwerke.
• Stufe X: Wird durch Vereinbarung zwischen Benutzer und Hersteller festgelegt.

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