Überspannungsschutzgeräte: Eine vollständige technische Anleitung

Während des Betriebs wirken sofortige Hochspannungen (Stöße) in LED-Schaltnetzteilen wie unsichtbare „Strom-Assassinen“, die möglicherweise plötzlich durch Blitzeinschläge, Netzumschaltung, Motorstarts / -stopps und ähnliche Operationen entstehen.

Obwohl diese Überspannungen nur einen Bruchteil einer Sekunde dauern (typisch Millisekunden zu Mikrosekunden), können ihre Spitzenspannungen zehn oder sogar hundertmal so hoch sein wie die normale Spannung - es reicht aus, Halbleiterbauelemente auszubrechen oder auszubrennen, was irreversiblen Schaden verursacht.

Überspannungsschutz dient als „Lebenslinie“ für LED-Leuchten gegen Gitterinstabilität und Blitzschlag. Daher ist die Auswahl einer geeigneten Treiberstromversorgung von entscheidender Bedeutung. Bei Bedarf sollten Überspannungsschutz den Befestigungen hinzugefügt werden.

Dieser Artikel enthält eine umfassende Analyse der Überspannungsschutzgeräte, die technische Prinzipien, technische Anwendungen und Installationstechniken abdecken.

Was ist ein Überspannungsschutzgerät für LED-Leuchten?

Was ist ein Überspannungsschutz? Einfach ausgedrückt, ein Überspannungsschutz "entlastet" plötzlich übermäßige Spannungen (Stöße) in einem Stromkreis, um Schäden am Beleuchtungssystem zu verhindern. Es wirkt wie ein „Sicherheitsventil“ im Stromkreis: Wenn die Spannung die Grenzen überschreitet, leitet sie schnell den Strom ab und kehrt dann in den offenen Zustand zurück, sobald die Spannung wieder normal ist, und stellen sicher, dass LED-Leuchten immer innerhalb sicherer Spannungsbereiche arbeiten.

Überspannungsschutzgeräte adressieren in erster Linie zwei typische „Spannungsstossszenarien“: Blitzstöße, die SPDs vom Typ I und Typ II erfordern, und Schaltstöße, die durch Inbetriebnahmen und Abschaltungen von Industrieanlagen erzeugt werden, was einen spannungsbegrenzenden SPD-Schutz erfordert. Beide fangen grundsätzlich Spannungen ab, die den Toleranzbereich eines Geräts überschreiten, und bieten umfassenden Schutz für elektrische Geräte.

Zusammenfassend haben Überspannungsschutz einen doppelten Zweck: Verhindern, dass plötzliche Hochspannungen die Geräte beschädigen und häufige kleinere Überspannungen lindern, die das Altern beschleunigen, und somit umfassenden Schutz für LED-Beleuchtungssysteme bieten.

Weitere Informationen zu Überspannungsschutzgeräten in LED-Beleuchtungsanwendungen finden Sie im Blog: “Überspannungsschutzgeräte (SPD) für LED-Beleuchtung: Komplette Anleitung für Innen- und Außenanwendungen.”

Welche Arten von Überspannungsschutzgeräten gibt es?

klassifiziert nach Funktionsprinzip:

a) Spannungsschaltende SPDs

Hohe Impedanz im Normalbetrieb; bei Spannungsstößen abrupt auf niedrige Impedanz geschaltet, was einen hohen Stromfluss ermöglicht. Auch als „Short-Circuit Switch-Typ SPD“ bekannt. Als Komponenten werden typischerweise Entladungsspalte, Gasentladungsröhren, Thyristoren oder siliziumgesteuerte Gleichrichter verwendet. Diese Überspannungsschutzvorrichtungen werden aufgrund ihrer diskontinuierlichen Spannungs-Strom-Eigenschaften auch als "Croba-Typ" bezeichnet.

b) Spannungsbegrenzende SPD

zeigt eine hohe Impedanz ohne Überspannungen. Die Impedanz nimmt mit zunehmendem Stoßstrom und Spannung kontinuierlich ab. Komponenten umfassen typischerweise Varistoren und Unterdrückungsdioden. Auch als Überspannungsschutz "Spann" bezeichnet. gekennzeichnet durch kontinuierliche Spannungs-Strom-Kennlinien.

c) Kombinierte SPD

Ein Überspannungsschutz, der spannungsschaltende und spannungsbegrenzende Komponenten kombiniert. Seine Eigenschaften können sich je nach angelegtem Spannungsprofil als Spannungsumschaltung, Spannungsbegrenzung oder beides manifestieren.

Komposit-Überspannungsschutz kann Überspannungen von mehr als 6 kV bis unter dem Doppelten der maximalen Betriebsspannung des Systems in einem einzigen Betrieb unterdrücken. Dreiphaseneinheiten können bis zu 800 V unterdrücken, während Einphaseneinheiten bis unter 600 V unterdrücken können. Im Gegensatz dazu benötigen modulare Überspannungsableiter drei Schutzstufen (Klasse B, C und D), um eine Unterdrückung um 1000 V zu erreichen.

Klassifizierung nach Anwendung:

Je nach Anwendung können SPDs in zwei Typen unterteilt werden: Power Line SPDs und Signal Line SPDs.

Die Zusammensetzung der Überspannungsschutzvorrichtung

Die Überspannungsschutzstruktur besteht hauptsächlich aus folgenden Komponenten:

• Metalloxid-Varistor (MOV): Die Kernkomponente des Überspannungsschutzes aus Materialien wie Zinkoxid. Wenn eine Überspannung in der Schaltung auftritt, geht das MOV schnell in einen leitenden Zustand über, absorbiert die Überspannungsenergie und leitet sie gegen Masse ab.

• Schutz Circuit Bkrönen: Im Überspannungsschutz steuert und überwacht er Strom- und Spannungsänderungen. Typischerweise aus integrierten Schaltungen ermöglicht es automatische Schalt- und Rücksetzfunktionen für den Überspannungsschutz.

• Terminal BSchlösser: Schließen Sie den Überspannungsschutz an den Stromkreis an, der normalerweise zwei Anschlüsse aufweist - einen für die Eingangsleistung und einen für die Ausgangsleistung.

• Gehäuse: Schützt die internen Komponenten des Überspannungsschutzes, typischerweise aus Isoliermaterial, um elektrischen Schlag und andere Gefahren zu verhindern.

Unterschiede zwischen SPDs und gewöhnlichen Sicherungen und Filterkreisen

Unterschiede zwischen SPDs und Sicherungen

‌SPD‌ : Speziell entwickelt, um transiente Stoßströme (z. B. Blitzeinschläge, Netzumschaltung) abzuleiten. Es kanalisiert Hochspannungsstöße über Komponenten wie Metalloxidvaristoren (MOV) oder Gasentladungsröhren (GDT) bis zur Erdung und schützt die Ausrüstung vor sofortigen Hochspannungsschäden.

‌Sicherungen‌ : Nur durch Unterbrechung des Stromkreises durch Schmelzen anhaltende Überlasten oder Kurzschlussströme adressieren. Sie können Überspannungen auf Nanosekundenebene nicht bewältigen.

Die SPD-Antwortzeit reicht von Nanosekunden bis Mikrosekunden (z. B. Nanosekunden für MOVs, Mikrosekunden für GDTs), während Sicherungen zum Durchbrennen von Millisekunden erforderlich sind, wodurch empfindliche Geräte nicht rechtzeitig geschützt werden. Verschlechterte SPDs können Strom oder Kurzschluss auslaufen und erfordern die Verwendung mit Sicherungen (keine Leistungsschalter), um Folgestromgefahren zu vermeiden; durchgebrannte Sicherungen müssen ausgetauscht werden, sind jedoch nicht auf dem Laufenden.

Unterschiede zwischen SPDs und Filterschaltungen

‌SPD‌ : Schützt vor vorübergehenden Hochspannungen (kV-Pegel), wie Blitzeinschlägen oder Stromstößen.

‌Kreislaufe filtern‌: Beseitigen Sie anhaltendes Hochfrequenzrauschen (kHz-MHz), wie z. B. elektromagnetische Störungen in Netzteilen.

SPDs funktionieren durch Entladen oder Klemmen von Spannung (z. B. MOVs leiten über 600 V); Filterschaltungen verwenden Induktivitäten und Kondensatoren, um Tiefpassnetze zu bilden, wodurch das Rauschen progressiv abgeschwächt wird. SPDs schützen vor Blitzeinschlägen und Stromnetzen; Filterschaltungen dienen Anwendungen, die eine hohe Leistungsreinheit erfordern, wie medizinische Geräte und Kommunikationssysteme.

Zusammenfassung Vergleichstabelle

‌Feature	SPD	Sicherung	‌Filter Runde
‌Kernfunktion‌	Entladen vorübergehende Überspannungen	Überlast-/Kurzschlussschutz	Hochfrequenzrauschen filtern
‌Antwortzeit‌	Nanosekunden-Mikrosekunden-Bereich	Millisekundenbereich	Dauerbetrieb
‌Typische Komponenten‌	MOV, GDT, TVS2	Metallsicherung	Induktivitäten, Kondensatoren
‌Risikenrisiken‌	Potential Leckage oder Kurzschluss	Erforderlich	Leistungsminderung

Wie der obige Vergleich zeigt, dienen SPDs, Sicherungen und Filterschaltungen jeweils unterschiedlichen Rollen innerhalb von Stromversorgungssystemen. Deren koordinierter Einsatz ist unerlässlich, um einen umfassenden Schutz zu erreichen.

Funktionsprinzip von Überspannungsschutzgeräten

Unter normalen Bedingungen zeigt der Überspannungsschutz einen offenen Zustand gegenüber Masse im Stromkreis, was einen Zustand mit hoher Widerstandsfähigkeit bedeutet. Diese hochohmige Kennlinie minimiert ihre Auswirkungen auf die Schaltung. Es funktioniert wie ein Schalter und bleibt geöffnet, wenn er nicht benötigt wird, um den normalen Schaltungsbetrieb ohne Störungen zu gewährleisten. Wie in Abbildung 1 unten gezeigt.

Wenn im Hauptstromkreis eine vorübergehende Hochspannung auftritt - wie beispielsweise während eines Blitzschlags - reagiert der Überspannungsschutz sofort. Unter dieser vorübergehenden Überspannungsbedingung verhält sich der Überspannungsschutz als Zustand mit niedrigem Widerstand. Seine internen Komponenten (z. B. Varistoren, Gasentladungsröhren) treten schnell von hochohmigen zu Zuständen mit niedrigem Widerstand und bilden einen leitenden Weg. Es lenkt sofort den Stoßstrom und begrenzt die Stoßspannung auf ein sicheres Niveau, wodurch der Stromkreis und die Ausrüstung vor Beschädigungen geschützt werden. Wie in Abbildung 2 dargestellt.

Wie in Abbildung 2 gezeigt, spielt der Überspannungsschutz bei vorübergehenden Überspannungsereignissen eine kritische Schutzrolle. Es wirkt als Barriere und schützt die Stromversorgung und die Beleuchtungskörper vor den Auswirkungen von Überspannungen.

Warum Überspannungsschutz für LED-Beleuchtungssysteme?

Überspannungsschutz ist für LED-Beleuchtungssysteme aus folgenden Hauptgründen von entscheidender Bedeutung:

1. LED-Empfindlichkeit gegenüber Überspannungen

Als Halbleiterbauelemente haben LEDs nur wenige Volt Durchlassspannungen und zeigen einen extrem schlechten Überspannungswiderstand, insbesondere eine schwache Gegenspannungstoleranz. Überspannungen (Tausend von tausend Volt) durch Blitzeinschläge oder Netzschaltungen können direkt LED-Chips oder Treiber beschädigen und so einen sofortigen Ausfall oder latente Schäden verursachen.

2. Diverse Überspannungsquellen

• ‌Blitzeinleitung‌ : Blitzstromentladung verursacht plötzliche Erdungspotentialstöße, die über Strom-/Signalleitungen eintreten.

• ‌Rasteroperationen‌: Schaltgeräte, Kurzschlussfehler usw. erzeugen transiente Überspannungen.

• ‌elektrostatisch ICHEntstörung: Auf Metallgehäusen angesammelte statische Elektrizität (> 10 kV) kann Treiberschaltungen zerstören.

3. Folgen von Überspannungsschäden

Überspannungsereignisse beschleunigen nicht nur die Alterung der LED-Lichtquellen (reduzierte Lichtausbeute), sondern können auch kaskadierende Ausfälle auslösen: Ein einzelner LED-Kurzschluss überträgt seinen Spannungsabfall auf benachbarte LEDs und beschleunigt das Ausbrennen ganzer Lampenketten. Hohe Wartungskosten für Außenbeleuchtungsanlagen bedeuten unzureichender Schutz erhöht den Instandhaltungsaufwand erheblich.

In einer Stadt scheiterten 301 TP3T der Hauptstraßenbeleuchtung nach einer Gewittersaison aufgrund fehlender Überspannungsschutz und wurden bei Reparaturen über 500.000 Yuan. Die Inspektion ergab, dass mehrere Überspannungseinschläge die Metalloxidvaristoren (MOVs) gealtert und verschlechterten, wodurch nachfolgende Blitzeinschläge die LED-Module direkt beschädigen konnten.

Überspannungsschutz ist eine entscheidende Maßnahme zur Sicherstellung der Langlebigkeit und Zuverlässigkeit von LED-Leuchten, die insbesondere in risikoreichen Umgebungen wie Außen- und Industrieumgebungen unverzichtbar sind. LED-Leuchten mit Überspannungsschutz weisen eine erhöhte Zuverlässigkeit auf. Die Installation von SPDs, die Prüfnormen wie IEC 61000-4-5 entsprechen, reduziert die Wartungskosten erheblich und macht es für LED-Beleuchtungssysteme unerlässlich.

Anschlussmethoden für Überspannungsschutz in LED-Leuchten

Der gebräuchlichste Ansatz zum Anschließen von Überspannungsschutz an LED-Leuchten besteht darin, diese in Reihe oder parallel an den Eingangs- oder Ausgangsklemmen zu installieren. Diese lassen sich anhand verschiedener Installationsorte und Methoden wie folgt kategorisieren:

1. Überspannungsschutz integriert Fahrers

Eingebaute Überspannungsschutzvorrichtungen mildern die Auswirkungen von vorübergehenden Überspannungen durch Blitzeinschläge, Schaltvorgänge oder elektrostatische Entladungen auf das System. Sie erhalten Stabilität der Stromversorgung und sorgen für einen kontinuierlichen Betrieb der Beleuchtung. Durch schnelles Ansprechen auf und Unterdrückung vorübergehender Überspannungen reduzieren Überspannungsschutzbeschädigungen Schäden an LED-Treibermodulen und lichtemittierenden Modulen, die durch anormale Spannungen verursacht werden, wodurch die Gesamtlebensdauer der Ausrüstung verlängert wird.

2. Überspannungsschutz installiert bei Fahrer Vorderseite

Dieser Ansatz eignet sich vor allem für Bereiche mit häufigen Blitzeinschlägen und hoher Umgebungsfeuchtigkeit. Die Installation eines Überspannungsschutzes am vorderen Ende von Straßenlaternen bietet beispielsweise einen verbesserten Schutz vor elektrischen Schäden durch Blitzeinschläge und elektromagnetische Störungen und dient als doppelte Sicherheit. Es erleichtert auch später eine einfachere Wartung. Es ist jedoch unbedingt darauf zu achten, dass die neu hinzugefügte SPD kompatibel ist und mit der Erdungsmethode des bestehenden Systems abgestimmt ist.

3. Serienverbindung am Eingang

Schließen Sie den Überspannungsschutz in Reihe mit dem Eingang der LED-Treiber-Stromversorgung an. Wenn am Eingang ein Überspannungsstoß auftritt, unterbricht der Überspannungsschutz den Stromfluss und schützt dadurch die LED-Lampe.

4. Parallelschaltung am Eingang

Überspannungsschutz parallel zum Eingang des LED-Treibers anschließen. Wenn am Eingang ein Überspannungsstoß auftritt, leitet der Überspannungsschutz den Strom und leitet überschüssigen Strom ab.

Verschiedene Überspannungsschutztypen haben unterschiedliche Vor- und Nachteile, die auf der Grundlage bestimmter Bedingungen ausgewählt werden müssen.

Im Allgemeinen bieten Serien-Überspannungsschutzzeiten schnelle Reaktionszeiten, starken Schutz und minimale Auswirkungen auf den normalen Betrieb, weisen jedoch Nachteile auf, wie z. B. komplexe Installation, Platzbedarf und Beschädigungsanfälligkeit.

Parallele Überspannungsschutze verfügen über eine einfache Installation, einen kompakten Platzbedarf und einfache Austauschmöglichkeiten, leiden jedoch unter langsameren Reaktionszeiten, einem schwächeren Schutz und möglichen Störungen beim normalen Betrieb.

Welche Art von SPD wird bei LED-Beleuchtung verwendet?

Überspannungsschutzgeräte (SPDs) werden hauptsächlich anhand ihrer Schutzfunktion, ihres Installationsortes und der Wellenformtoleranzkennlinien klassifiziert. Internationale Standards kategorisieren sie in der Regel in drei Typen wie folgt:

Typ 1 SPD

Entwickelt für direkte Blitzeinschläge oder Hochenergiestöße, installiert am Hauptverteiler oder Stromeintrittspunkt eines Gebäudes. Mit einem höheren Spannungsschutzniveau (UP) von 1,5 kV bis 4 kV, mit einem Nenntladungsstrom (in), der typischerweise zwischen 12,5 kA und 200 kA liegt.

Typische Anwendungen: Hochrisiko-Standorte, die für direkte Blitzeinschläge wie Industrieanlagen und Kommunikations-Basisstationen neigen.

Typ 2 SPD

Geeignet für indirekte Blitzeinschläge oder Stromnetzstörungen, installiert in Verteilerschränken oder bodenebenen Verteilerschränken. In ist im Allgemeinen 5ka bis 20kA, und UP ist typischerweise 1,5 kV bis 2,5 kV.

Typische Anwendungen: LED-Beleuchtungsanwendungen im Freien und kommerzielle LED-Beschilderungen und Ampeln, einschließlich Straßenbeleuchtung, Beleuchtung für die Wand, die Beleuchtung, die Beleuchtung von der Wand, die Beleuchtung von Verkehrsmitteln, die Flutbeleuchtung, die digitale Beschilderung, die Straßenblitzbeleuchtung und die Tunnelbeleuchtung.

Typ 3 SPF

Geeignet für Endgeräteschutz, am vorderen Ende der Geräte oder Steckdosen installiert. Typisch in ≤10KA. Bietet einen Feinschutz (bis ≤1 kV) mit schnelleren Reaktionszeiten (Nanosekunden-Pegel).

Typische Anwendungen: Häufig in LED-Treiber für den lokalen Spannungsschutz integriert.

Allgemeine Hauptverteilergeräte verwenden Geräte vom Typ 1 oder Typ 2, Verteiler können Geräte vom Typ 2 und Typ 3 verwenden, wobei Typ 2 und Typ 3 auch für Backend-Anwendungen geeignet sind.

Für AC-Versorgungsleitungen, die in Gebäude eintreten, Installieren Sie die Überspannungsschutz vom Typ 1 oder 2 als Primärschutz an der Grenze zwischen den Zonen LPZ0A/LPZOB und LPZ1 (z. B. am Hauptverteilerfeld).

An den Grenzen nachfolgender Schutzzonen, wie Verteilerfelder in Stromverteilungsleitungen oder elektronischen Geräteräumen, können Überspannungsschutz vom Typ 2 als Sekundärschutz installiert werden. Bei Geräten wie LED-Beleuchtungsvorrichtungen können Überspannungsschutz vom Typ 2 oder Typ 3 vor dem Netzteil installiert werden.

Wie wählt man einen Überspannungsschutz richtig aus?

Bei elektrischen Anwendungen ist die Auswahl eines Überspannungsschutzes ein hochkomplexes Problem, das Faktoren wie die Konfiguration der Systemerdung, die Belichtungsebene, die Blitzschutzzonen, die Kabellänge, den Schutz zwischen den Ebenen, die Größe des Kurzschlussstroms an den Schutzpunkten und die Anzahl der Shunt-Schaltungen betrifft.

Zahlreiche Hersteller produzieren Überspannungsschutz auf dem Markt. Bei der Auswahl von Überspannungsschutzgeräten sollte daher besondere Aufmerksamkeit auf folgende Punkte gelegt werden:

1. Bestimmen Sie den UC-Wert

Die Auswahl der maximalen Dauerbetriebsspannung des Überspannungsschutzes (UC) erfordert eine umfassende Berücksichtigung der Systemspannung, der Gerätespannung und der Standardspezifikationen. Der minimale UC-Wert sollte das 1,15-fache der Nennspannung betragen.

In einem 220-V-Phasenspannungssystem ist UC = 1,15 × 220 V = 253 V. Da AC-Netzspitzenspannungen das 1,1-fache des Effektivwerts erreichen können (253V × 1,414 = 357V; ca. 350V Spitze für ein 220V-System), UC muss diesen Wert überschreiten. In der Praxis wird jedoch empfohlen, um häufigere Aktivierung zu vermeiden, die Auswahl eines höheren Wertes wie 385V. Gleichzeitig sollte die Aktivierungsspannung des Varistors (U1MA) dem Netzschwankungsbereich entsprechen.

2. Schutzstufen auswählen

Für die Hauptverteilung werden SPDs der Klasse I (z. B. IIMP ≥ 100KA) verwendet, während SPDs der Klasse II (in ≥ 40KA) für Verteilertafeln verwendet werden und mehrstufige Schutz bilden. Die Abmessungen und Typen der SPD-Installation müssen die Anforderungen vor Ort erfüllen. Auswahlrichtlinien sind unten aufgeführt:

Schutzniveau	Einbauort	Anwendungsszenario	Wichtige Parameter
Typ 1	Hauptverteilertafel	Direkter Blitzschlagschutz	≥100KA(10/350μs)
Typ 2	Verteilerkasten	Induzierter Blitz/Betriebsschub	40KA(8/20μs)
Typ 3	LED-Treiber-Front-End	Schutzausrüstung für Präzisionsgeräte	bis ≤1,5 kV

3. Installationsmethode

Wählen Sie eine SPD, die korrekt positioniert und einfach zu installieren ist, je nach Standort der Leuchte. Da SPDs in schwer zugänglichen Bereichen, wie vor Leuchten, in der Regel verdeckt sind, können sie die Leuchte im Fehlerfall zusätzlich von der Schaltung trennen und so den zukünftigen Austausch und die Wartung erleichtern.

4. Umweltanpassung

Wählen Sie für Außenbeleuchtung SPDs mit einer IP-Bewertung von IP54 oder höher aus. Verwenden Sie in feuchten oder staubigen Bedingungen SPDs mit einer höheren IP-Bewertung von IP67.

5. Erdungsspezifikationen

SPD muss über eine dedizierte PE-Klemme geerdet werden, um gemeinsame Erdungswege mit abgehenden Leitern zu vermeiden. Bodendurchgangswiderstandstest ≤0,1Ω.

6. Mehrebenenschutz

Überlegen Sie sich über die Sicherung der 230-V-Netzteile hinaus, um Steuergeräte wie DALI, zweite (Steuerungs-) Phase, 1-10 V oder DMX zu schützen. Kombinierte Wechselstrom- und Steuerungs-SPDs sind ideal für diese Vorrichtungen und bieten typischerweise einen besseren koordinierten Schutz als zwei separate SPDs.

7 . Zertifizierung und Sicherheit

Wählen Sie SPDs mit zuverlässigen Zertifizierungen wie TUV oder UL aus, die auf IEC 61643-11 und VDE 0100-534-Anforderungen getestet wurden.

Abschluss

Überspannungsschutzgeräte dienen als Kernbarriere für Außenbeleuchtungssysteme gegen Blitzeinschläge und Gitterstöße. Durch die synergistische Wirkung von Varistoren und Gasentladungsröhren leiten sie Hochspannungsstöße innerhalb von Mikrosekunden um, während sie Spannungen an sichere Geräteschwellen klemmen.

Ohne ausreichenden Schutz sind LED-Leuchten und ihre Fahrer dem Risiko eines irreversiblen Schadens, einer geringeren Effizienz und eines möglichen vollständigen Ausfalls ausgesetzt. Überspannungsschutzgeräte erhöhen die Zuverlässigkeit von LED-Straßenlaternen in rauen Netzumgebungen erheblich und sind damit unverzichtbare Schutzkomponenten für intelligente Stadtbeleuchtungssysteme.