Letzte Aktualisierung: 06.09.2024
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Ratgeber Überspannungsschutz: Ursachen, Ableiter, SPDs & Kosten
Welche Schäden verursacht eine Überspannung? Wie schützen Überspannungsableiter? Was sind Surge Protective Devices, SPDs? Was kostet ein Überspannungsschutz für ein Einfamilienhaus?
Ist von Überspannungsschutz die Rede, meint man eine technische Vorrichtung, die hilft, strombetriebene Geräte vor zu hoher elektrischer Spannung (sogenannte Überspannungen) zu schützen. Die Überspannung kann unter anderem von einem Blitz herrühren und die Geräte irreparabel beschädigen. Der Überspannungsschutz ist ein Teil des Blitzschutzes und unter anderem Bestandteil der VDE 0185, also der DIN-Blitzschutznorm.
Ratgeber zu Überspannung und Schutz:
Was sind Überspannungen und wie werden sie verursacht?
Eine Überspannung ist eine elektrische Spannung (Stärke einer Spannungsquelle) innerhalb eines elektrischen Systems, die so hoch ist, dass sie den Toleranzbereich der Nennspannung der Geräte im System überschreitet.
Unter einer Überspannung leiden die an das elektrische System angeschlossenen Geräte: Sie kann zu Betriebsstörungen, Fehlfunktionen und Ausfällen führen. Schlimmstenfalls explodieren die Geräte oder brennen - und haben anschließend irreparable Schäden. Auch das elektrische System selbst nimmt dabei Schaden und muss gegebenenfalls aufwendig repariert werden.
Je nach Ursache unterscheidet man zwischen kurzzeitigen (transienten) und langdauernden Überspannungen mit entsprechenden Folgen, die neben der Höhe der Überspannung auch von deren Anstieg und Dauer abhängen.
Kurzzeitige Überspannungen: Ursachen und Folgen
Eine kurzzeitige Überspannung dauert weniger als eine Nanosekunde an, wenn sie infolge elektrostatischer Entladungen auftritt. Schlägt ein Blitz in der Nachbarschaft ein, kann die Überspannung schon mal einige Mikrosekunden anhalten.
Solche kurzzeitigen Überspannungen führen beispielweise zu Schäden an Isolierstoffen oder zerstören Halbleiterbauelemente. Auch zeitweise Fehlfunktionen oder ein zeitweiser Funktionsausfall sind möglich.
Langdauernde Überspannungen: Ursachen und Folgen
Dauert eine Überspannung zwischen Sekunden und Stunden, spricht man von langdauernden Überspannungen. Neben schlechter Regelung seitens des Energieversorgers, einem plötzlichen Belastungsrückgang im Netz, beispielsweise infolge eines synchronisierten Verbraucherverhaltens, wie es bei der Earth Hour geschieht, können auch Netzabschaltungen in der Nachbarschaft nach einem Blitzeinschlag Ursache für langdauernde Überspannungen sein.
Bei länger andauernden Überspannungen werden zum Beispiel Transformatoren heiß oder Glühlampen geben den Geist auf (brennen durch).
Experten-Wissen: Die am häufigsten auftretenden Überspannungen entstehen durch Schaltvorgänge in der Starkstrominstallation, z. B. durch das Schalten von Motoren oder das Auslösen von Sicherungen. Solch eine Überspannung verbreitet sich vom Einschlagsort bis zu einem Umkreis von zwei Kilometern aus. Dann liegen statt der üblichen 230 Volt Spannung für kurze Zeit mehrere zehntausend Volt auf den Elektroleitungen. Ein Blitzableiter allein stellt dabei keinen ausreichenden Schutz dar.
Überspannung – wie dringt sie ins Haus ein?
Eine Überspannung hat typischerweise zwei Wege, um ins Gebäude vorzudringen:
Erstens über ein starkes elektromagnetisches Feld, wie es bei einem direkten Blitzeinschlag aufgebaut wird. Das ist jedoch nur für äußerst empfindliche elektronische Geräten von Relevanz.
Zweitens über Leitungen aus Metall. Für derartige leitungsgebundene Störungen kommen sämtliche in ein Gebäude führende Leitungen in Frage, darunter die Stromleitung, die Telefonleitung (sofern sie noch aus Metall und nicht Glasfaserkabel ist), die Breitbandleitung und die Wasserleitung.
Das ist auch der Grund dafür, dass diese Leitungen geerdet werden müssen. Das bedeutet, dass sie dort, wo sie ins Gebäude führen (sogenannter Gebäudeeintritt), mit der zentralen "Erde"zum sogenannten Hauptpotentialausgleich verbunden werden müssen.
Und aktive, spannungsführende Leiter wie Telefonkabel, Stromkabel, Breitbandkabel brauchen extra Überspannungsschutzgeräte (Überspannungsableiter - "Sicherungen"), die für Überspannungen einen kurzzeitigen Kurzschluss gegen Erde herstellen.
Der erste Einbauort einer Überspannungsschutzeinrichtung ist daher grundsätzlich am Speisepunkt der elektrischen Anlage zu errichten. Das kann z. B. der Ort sein, an dem die Einspeisung in das Gebäude eintritt, oder die Hauptverteilung.
Zum Schutz der Betriebsmittel können weitere Überspannungsschutzeinrichtungen erforderlich sein, z. B.
- wenn der Abstand zwischen dem SPD (Surge Protective Device) und dem zu schützenden Betriebsmittel mehr als 10 Meter beträgt,
- wenn der Schutzpegel zu hoch ist oder
- wenn Schaltüberspannungen von Betriebsmitteln innerhalb der Anlage zu erwarten sind.
Diese zusätzlichen SPDs können in Unterverteilung oder unmittelbar vor dem Endgerät installiert werden.
Überspannungsschutz-Stufen im Überblick
Zum Schutz vor Überspannungen gehört der Blitzschutz ebenso wie der Geräteschutz. Wirksamer Blitzschutz lässt sich
- über Maßnahmen zum äußeren Blitzschutz des Gebäudes mittels Fangleitungen, Ableitern und Erdern (sogenannte Fundamenterder und Ringerder sind im Neubau heute Standard)
- sowie über Maßnahmen zum inneren Blitzschutz vor den Folgen des Blitzstroms mittels Potentialausgleich und Überspannungsschutz
realisieren.
Maßgeblich für die Umsetzung eines Überspannungsschutzes ist die Norm DIN VDE 0100-534. Sie regelt alle Einzelheiten zur Auswahl und Installation von Überspannungsschutzgeräten (Sicherungen), sogenannten SPD (Surge Protective Device) in Niederspannungsanlagen, beschreibt detailliert verschiedene Arten von SPDs, die dort zum Einsatz kommen und definiert den Schutzpegel (Up), wie weit die Überspannung reduziert werden kann.
Gemäß der DIN VDE 0100-534 wird der Überspannungsschutz dreistufig umgesetzt.
Überspannungsschutz - 1. Stufe: Grobschutz mit Blitzstrom-Ableitern (SPD 1)
Den Grobschutz realisiert man in der Gebäudeeinspeisung, also im Hauptverteiler (Zählerschrank). Er hat die Aufgabe, den Energieinhalt eines gegebenenfalls einschlagenden Blitzes, also die sogenannten Blitz(teil)ströme, abzuleiten und somit die verbleibende Restspannung – je nach der Art der genutzten Technologie – bei Werten zu halten, die kleiner als 1.300 bis 6.000 Volt (V) ausfallen. Damit ist die gesamte der Hauptverteilung nachgeordnete elektrische Anlage grob geschützt.
Überspannungsschutz - 2. Stufe: Mittelschutz mit Überspannungsableitern (SPD 2)
Dieser Typ von Überspannungsschutz sitzt häufig im Sicherungskasten (Unterverteiler) beziehungsweise ist er in den (Unter)Verteilern auf den Etagen eines mehrstöckigen Wohnhauses untergebracht. Der Mittelschutz begrenzt die verbleibenden Überspannungen auf Werte zwischen 600 V und 200 V. Aber: Er kann nur Eingangsspannungen von höchstens 4.000 V runterregeln.
Überspannungsschutz - 3. Stufe: Feinschutz mit Überspannungsableitern (SPD 3)
Als Feinschutz werden Maßnahmen begriffen, die Sie als Verbraucher selbst umsetzen können. Dabei kommen Geräte (Sicherungen) zum Einsatz, die Sie direkt an Steckdosen (Schukosteckdose mit Erdungsanschluss) und Steckverbindungen anschließen, so dass sie die dort noch ankommenden Überspannungen auf die von der Heimelektronik verkraftbaren Spannungen senken.
Expertenwissen: Schutzgeräte (Blitzstromableiter) zum Feinschutz-Überspannungsschutz sind dort angebracht, wo Sie besonders wertvolle Geräte wie Computer oder teure TV-Geräte angeschlossen haben. Gleichwohl die Hersteller solcher Geräte in Deutschland die Pflicht haben, ihre Produkte bereits ab Werk mit einem Feinschutz zu versehen, zeigt die Praxis, dass es dabei recht große Qualitätsunterschiede gibt. Aus diesem Grund lohnt es sich für den Fall des Falles einen externen Feinschutz zu haben.
Schutzschaltungen für unterschiedliche Netzformen
In der DIN VDE 0100-534 werden zwei Anschlussschemata beschrieben:
- Beim Anschlussschema 1 werden der oder die Außenleiter und, falls vorhanden, der Neutralleiter jeweils über ein SPD mit dem Schutzleiter bzw. dem PEN-Leiter verbunden. Dieses Anschlussschema wird abhängig von der Netzform auch als 3+0-Schaltung (TN-C-System) oder 4+0-Schaltung (TN-S-System) bezeichnet.
- Das Anschlussschema 2 weist je einen Schutzpfad zwischen Außenleiter und Neutralleiter und einen Schutzpfad zwischen Neutralleiter und Schutzleiter auf. Dieses Anschlussschema wird auch als 3+1-Schaltung bezeichnet. In TT-Systemen ist dieses Anschlussschema vorgeschrieben und in TN-Systemen optional anwendbar.
Die 3+1-Schaltung bietet gegenüber der 4+0-Schaltung den Vorteil, dass der Schutzpegel zwischen Außenleiter und Neutralleiter deutlich niedriger ist und dadurch unter Umständen weniger SPDs eingesetzt werden müssen.
| 3+0-Schaltung oder 4+0-Schaltung | Eine SPD-Kombination, die einen Schutzpfad zwischen jedem aktiven Leiter (Außenleiter und Neutralleiter, falls vorhanden) und Schutzleiter oder zwischen jedem Außenleiter und PEN-Leiter aufweist. |
|---|---|
| 3+1-Schaltung | Kombination von Überspannungsschutzeinrichtungen (SPDs), die einen Schutzpfad zwischen jedem Außenleiter und dem Neutralleiter und einen Schutzpfad zwischen dem Neutralleiter und dem Schutzleiter aufweist. |
Experten-Tipp: Bei der Elektromobilität kommen häufig Technologien wie das Schnellladen oder Batteriespeichersysteme speziell mit DC-Anwendungen zum Einsatz. Dafür sind dedizierte Ableiter mit entsprechenden erweiterten Sicherheitsanforderungen nötig, wie zum Beispiel größere Luft- und Kriechstrecken. Da die Gleichspannung im Gegensatz zur Wechselspannung keinen Nulldurchgang hat, können entstehende Lichtbogen nicht selbstständig gelöscht werden. In der Folge können so leicht Brände entstehen. Damit weder das Auto, die elektrische Anlage noch die Fahrer zu Schaden kommen, ist jede Ladestation mit Schutzeinrichtungen zu versehen. Dazu gehören ein ein fachgerecht installierter Leitungsschutzschalter (LS) sowie ein geeigneter Fehlerstromschutzschalter (FI) und Überspannungsschutz. In bestehenden Häusern sollten E-Auto-Besitzer unbedingt einen qualifizierten Elektrofachmann in die Planungen für die eigene Stromtankstelle einbeziehen.
Schutzpegel: 0,5-Meter-Regel zur Bestimmung der Leitungslängen
Für einen optimalen Überspannungsschutz ist der Abstand zwischen dem SPD und dem zu schützenden Betriebsmittel von zentraler Bedeutung.
Denn die Anschlussleitung hat neben dem zu vernachlässigenden ohmschen Widerstand auch einen induktiven Widerstand. Ein sehr schneller Stromanstieg beim Ableitvorgang verursacht an diesem induktiven Widerstand dann einen sehr hohen Spannungsfall.
Da sich der effektive Schutzpegel näherungsweise aus der Summe der Restspannung über den Anschlussklemmen des SPDs und dem Spannungsfall über den Anschlussleitungen ergibt, verschlechtert jeder Zentimeter Anschlussleitung den Schutzpegel.
Eine kurze Distanz minimiert daher die Leitungsimpedanz und stellt sicher, dass die Überspannung schnell und effizient zum SPD abgeleitet wird.
Zur Bestimmung der Gesamtlänge aller Leitungen zwischen zwei Anschlusspunkten hat sich die „0,5-Meter-Regel“ bewährt: Um ein wirksames Überspannungsschutzkonzept zu realisieren, muss die Strecke vom Abgang der Zuleitung über das SPD zum Potenzialausgleich so kurz wie möglich sein, sollte aber 0,5 Meter nicht überschreiten.
Genau beschrieben wird die Kalkulation in der bereits erwähnten Norm DIN VDE 0100-534. Um den Wert präzise zu berechnen, muss die jeweilige Überspannungskategorie von elektronischen Geräten berücksichtigt werden, sodass der Scheitelwert die jeweilige Bemessungs-Stoßspannung nicht überschreitet.
| Überspannungskategorie | Anwendung | Bemessungs-Stoßspannung |
|---|---|---|
| Kategorie I | Endgeräte, die über ein Netzteil direkt an die Steckdose angeschlossen werden, wie beispielsweise Laptops, Router oder Fernsehgeräte. | max. 1.500 Volt |
| Kategorie II | feststehende Geräte mit Steckern wie etwa Fotokopierer, Küchengeräte oder auch tragbare Werkzeuge wie Bohrmaschinen einordnen. | max. 2.500 Volt |
| Kategorie III | Betriebsmittel mit fester Installation sowie Geräte, die eine hohe Zuverlässigkeit erfordern, wie etwa Motoren und Maschinen. Zu dieser Kategorie zählen beispielsweise Hausverteilerschränke sowie deren Komponenten wie FI-Schalter oder LS-Automaten. | max. 4.000 Volt |
| Kategorie IV | Betriebsmittel für den Einsatz am Einspeisepunkt in die Niederspannungs-Infrastruktur einordnen. Dazu zählen beispielsweise große Hauptschalter oder Wandlerschränke. | max. 6.000 Volt |
Laut der Norm DIN VDE 0100-534 besteht eine weitere Möglichkeit darin, ein weiteres SPD möglichst nah an dem zu schützenden Endgerät zu installieren. Hierbei wird also ein abgestuftes Schutzsystem aufgebaut, das über alle drei SPD-Typen bis hin zum Endgeräteschutz reicht. Mit diesem Ansatz lassen sich elektrische Geräte auch zuverlässig vor Quer-Einkopplungen abschirmen.
Als weitere Lösung kann der Abzweig zum Überspannungsschutz auf ein Minimum reduziert werden, was über eine V-Verdrahtung am SPD funktioniert. Hierfür lässt sich beispielsweise ein Doppelanschluss am Überspannungsschutz nutzen. Ein solcher findet sich insbesondere bei älteren Generationen von Typ-1-Geräten, wenn diese über 2 Teilungseinheiten verfügen. Allerdings muss dabei auf die Dauerstrombelastung am SPD geachtet werden.
Eine dritte Lösung besteht schließlich in der Nutzung eines Zusatzanschlusses.
Was kostet der Überspannungsschutz?
Ein System für äußeren und inneren Blitzschutz inklusive Potentialausgleich und Überspannungsschutz hat seinen Preis: Für den Schutz eines Einfamilienhauses müssen Sie mit Kosten von rund 350 bis 400 Euro rechnen.
| Position | Kosten |
|---|---|
| Vorhandene Sicherungen und angeschlossene Stromkreisleitung analysieren, dokumentieren, freischalten und demontieren. | 30,00 € |
| Blitzstromableiter Typ 1 / 4 pol für TNS-Netze Inst.Ort NSHV / 8 TE Betriebsspannung 230 / 400 V höchste Dauerspannung 255 V Impulsstrom 100 kA max.Vorsicherung 315 A für 3 phasige Stromversorgung | 280,00 € |
| Nettopreis + MWSt. = Bruttopreis | 310,00 € + 58,90 € = 368,90 € |
Angesichts der Schutzwerte, die Ihr Haus samt seiner Einrichtung und Ihr unbezahlbares Leben darstellen, ist das sicher eine verkraftbare Investition.
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