Fünf Schutzmethoden von Überspannungsschutzgeräten
Methoden zum Überspannungsschutz
1. Parallele Überspannungsschutzgeräte (SPDs) an Stromleitungen angeschlossen
Unter normalen Bedingungen befinden sich die Varistoren im Überspannungsschutzgerät im hochohmigen Zustand. Bei Blitzeinschlägen oder kurzzeitigen Überspannungen durch Schaltvorgänge reagiert das Schutzgerät innerhalb von Nanosekunden. Die Varistoren schalten in den niederohmigen Zustand und begrenzen die Überspannung schnell auf ein sicheres Niveau. Bei anhaltenden Überspannungen oder Überspannungen verschlechtert sich der Zustand des Varistors, er erhitzt sich und löst einen thermischen Trennmechanismus aus, um Brände zu verhindern und angeschlossene Geräte zu schützen.
2. Serienmäßige Überspannungsschutzgeräte vom Filtertyp, die in die Stromkreise geschaltet sind
Diese Schutzvorrichtungen gewährleisten eine saubere und sichere Stromversorgung für empfindliche elektronische Geräte. Blitzüberspannungen übertragen nicht nur enorme Energiemengen, sondern auch extrem steile Spannungs- und Stromanstiegsraten. Parallel geschaltete Überspannungsschutzgeräte (SPDs) können zwar die Amplitude der Überspannung reduzieren, aber nicht deren scharfe Wellenfronten abflachen. Serien-Überspannungsschutzgeräte vom Filtertyp, die in die Stromkreise integriert sind, nutzen MOVs (MOV1, MOV2), um Überspannungen innerhalb von Nanosekunden zu begrenzen. Zusätzlich reduziert ein LC-Filter die Steilheit der Spannungs- und Stromanstiegsraten der Überspannung um fast das Tausendfache und senkt die Restspannung um das Fünffache, wodurch empfindliche Geräte geschützt werden.
3. Installation von Spannungsbegrenzungsvaristoren zwischen Phasen und Leitungen zur Begrenzung von Stoßspannungen
Diese Methode eignet sich gut für Beleuchtung, Aufzüge, Klimaanlagen und Motoren, die eine höhere Überspannungsfestigkeit aufweisen. Bei moderner, kompakter Elektronik mit hohem Integrationsgrad ist sie jedoch weniger effektiv. Beispielsweise werden in einphasigen 220-V-Wechselstromsystemen typischerweise Varistoren zwischen Neutralleiter und Erde installiert, um induzierte Blitzspitzen zu absorbieren. Die Schutzwirkung hängt vollständig von der Auswahl und Zuverlässigkeit der Varistoren ab.
Die Klemmspannung wird auf Basis der Spitzenspannung des Netzes (310 V) unter Berücksichtigung folgender Faktoren eingestellt:
- 20% Netzschwankungen,
- 10% Bauteiltoleranz,
- 15 % Zuverlässigkeitsfaktoren (Alterung, Feuchtigkeit, Hitze).
Die typischen Klemmspannungen liegen daher zwischen 470 V und 510 V. Überspannungen unter 470 V werden unbeeinflusst durchgelassen.
Während Standard-Elektrogeräte (z. B. Motoren, Beleuchtung) 1500 V Wechselspannung (2500 V Spitze) aushalten, arbeiten moderne Elektronikgeräte mit ±5 V bis ±15 V und maximalen Toleranzen unter 50 V. Hochfrequente Spannungsspitzen unter 470 V können dennoch über parasitäre Kapazitäten in Transformatoren und Netzteilen eingekoppelt werden und integrierte Schaltungen (ICs) beschädigen. Darüber hinaus können starke Überspannungen aufgrund von Varistor-Restspannungen und Leitungsinduktivitäten die Klemmspannungen auf 800 V bis 1000 V erhöhen und die Elektronik zusätzlich gefährden.
4. Verbesserung des Schutzes durch Ultra-Isolationstransformatoren (Isolationsmethode)
Ein geschirmter Trenntransformator wird zwischen Stromquelle und Last eingefügt, um hochfrequente Störungen zu unterdrücken und gleichzeitig eine ordnungsgemäße Erdung der Sekundärwicklung zu gewährleisten. Gleichtaktstörungen, die gegen Masse gerichtet sind, koppeln über die Wicklungskapazität ein. Eine geerdete Schirmung zwischen Primär- und Sekundärwicklung leitet diese Störungen ab und reduziert so das Ausgangsrauschen.
5. Absorptionsmethode
Absorptionsbauteile unterdrücken Spannungsspitzen, indem sie bei Überschreiten von Schwellenspannungen von hoher auf niedrige Impedanz umschalten. Gängige Bauteile sind:
- Varistoren – Begrenzte Strombelastbarkeit.
- Gasentladungsröhren (GDTs)– Langsame Reaktion.
- TVS-Dioden / Halbleiter-Entladungsröhren – Schneller, aber mit Einbußen bei der Energieaufnahme.
