Arten von Überspannungsschutzgeräten: Typ 1, Typ 2 und Typ 3 erklärt

In der heutigen hoch elektrifizierten und digitalisierten Welt setzt unsere Gesellschaft auf fragile elektronische Geräte - von Smart-TVs und Computern in Haushalten bis hin zu Präzisionssteuergeräten in industriellen Umgebungen.

Im Stromnetz lauert jedoch eine unsichtbare Bedrohung: elektrische Überspannungen. Diese können innerhalb von Millionstelsekunden massiven Schaden anrichten. Überspannungsschutzgeräte (SPDs) dienen als kritische Verteidigung gegen diese Bedrohung. Aber nicht alle SPDs sind gleich.

Das Verständnis der Unterscheidungen zwischen Typ 1, Typ 2 und Typ 3 SPDs ist für den Aufbau eines umfassenden und effektiven Überspannungsschutzsystems von entscheidender Bedeutung. Dieser Artikel beschreibt die Rollen, Standards und Anwendungen dieser drei SPD-Kategorien und bietet Ihnen einen vollständigen Leitfaden für den Aufbau einer robusten elektronischen Verteidigung.

Was ist ein Überspannungsschutzgerät (SPD)?

Woher kommen Überspannungen?

Ein Überspannungsstoß, auch als vorübergehende Überspannung bekannt, bezieht sich auf einen elektrischen Stromimpuls mit einer astronomischen Dauer (Milsekunden bis Millisekunden), aber einer Spannungsamplitude, die weit über normale Betriebspegel hinausgeht. Es kann grob in zwei Typen eingeteilt werden: externe Überspannungen und interne Überspannungen.

Externe Überspannungen (primäre Bedrohung)

a) Direkte Blitzschläge: Blitzschlagende Stromnetze oder nahegelegene Strukturen injizieren Millionen Volt - das extremste Szenario.

b) Induzierter Blitz: häufiger. Selbst wenn Blitze Hunderte von Metern entfernt auftreffen, führt sein leistungsstarkes elektromagnetisches Feld zu Überspannungen auf den Innen-Strom- und Signalleitungen, die sich dann in die Ausrüstung ausbreiten.

Interne Überspannungen (häufige Vorkommen)

Schaltvorgänge von Hochleistungsgeräten in Gebäuden wie Aufzügen, Klimaanlagenkompressoren und Schweißmaschinen erzeugen häufige Schalttransienten im Stromnetz. Auch Operationen wie Fotokopierer und Kaffeemaschinen erzeugen häufige transiente Überspannungen mit geringerer Energie.

Die kumulative Wirkung dieser Überspannungen wirkt wie ein „Miniaturhammer“, der ständig elektronische Komponenten schlägt und allmählich Leistungseinbußen, Datenbeschädigung und verkürzte Lebensdauer der Geräte verursacht. Ein einzelnes großes Surge-Ereignis ähnelt jedoch einem „elektronischen Herzinfarkt“, der sofort dauerhaften Geräteschaden verursachen oder sogar Brände auslösen kann.

Überspannungsschutzgeräte (SPDs) sind elektronische Sicherheitsvorrichtungen, die speziell zur Bekämpfung dieser Bedrohungen entwickelt wurden. Ihre Kernfunktionen lassen sich als „Monitor, Divert und Clamp“ zusammenfassen.

Unter normalen Spannungsbedingungen weisen SPDs eine hohe Impedanz auf, die keinen Einfluss auf die Schaltung haben. Bei der Erkennung der Überspannung geht es innerhalb von Nanosekunden in einen niedrigen Impedanzzustand über, wodurch ein sicherer Entladungsweg für Stoßströme zur Erde geschaffen wird, während die Spannung über den Anschlüssen (die Klemmspannung) auf einen sicheren Bereich innerhalb der Toleranz der geschützten Ausrüstung begrenzt wird.

Daher sind SPDs kein Luxus, sondern eine wesentliche Komponente in einem modernen elektrischen System, das Vermögenswerte sichern, die Geschäftskontinuität sicherstellen und Daten schützen soll.

Wie funktioniert eine SPD?

Unter normalen Bedingungen hat eine SPD keine Wirkung auf die Schaltung und verbleibt in einem hochohmigen Zustand. Bei der Erkennung eines gefährlichen Anstiegs reagiert er innerhalb von Nanosekunden und schaltet in einen niedrigen Impedanzzustand. Dadurch entsteht ein Weg mit niedrigem Widerstand für den Stoßstrom, der ihn schnell auf Masse umlenkt und gleichzeitig die Spannung über seine Klemmen (sogenannte Spannung) auf einen sicheren Bereich begrenzt. Dies schützt das parallel angeschlossene Gerät vor Beschädigungen.

Sie können es als intelligentes Druckbegrenzungsventil für Hochspannungswasserströmung visualisieren, wie unten gezeigt: Wenn der Wasserdruck normal ist, bleibt das Ventil dicht geschlossen. Wenn der Druck plötzlich ansteigt (Stoß), öffnet sich das Ventil sofort und setzt überschüssigen Wasserfluss (Stoßstrom) frei, um die Sicherheit der nachgeschalteten Geräte (Ihrer Geräte) zu gewährleisten.

Welche Schäden können Stromstöße an LED-Beleuchtungsleuchten verursachen?

Viele Menschen gehen davon aus, dass LED-Leuchten langlebig und energieeffizient sind, sie von Natur aus „langlebig und robust“ sind. Die Realität ist jedoch genau umgekehrt: LED-Leuchten sind extrem empfindlich gegenüber Stromstößen, vor allem aufgrund ihrer Kernkomponente: der Treiber-Stromversorgung.

1. Schäden an Schaltnetzteilen

Wie unten gezeigt, arbeiten LED-Chips selbst unter niedriger Gleichspannung (z. B. 3 V) und konstantem Strom. Der 220-V-Wechselstrom, den wir täglich verwenden, muss über eine Komponente umgewandelt werden, die als „Treiberstromversorgung“ bezeichnet wird. Dieser Treiber ist im Wesentlichen eine präzise Schaltnetzteil, das mit empfindlichen Halbleiterbauelementen (wie MOSFETs, IC-Steuerungen, Gleichrichterdioden usw.) gepackt ist.

Diese Halbleiterbauelemente sind extrem zerbrechlich, wobei die Spannungstoleranz weit unter der herkömmlicher Glühbirnen oder Leuchtstofflampen liegt. Schon ein kleiner Spannungsspitzen kann zum Ausfall führen. Daher ist eine überspannungsgeschützte Schaltnetzteil entscheidend für die Verlängerung der Lebensdauer von Beleuchtungskörpern.

2. Ausbrennen von LED-Chips

Hohe Ströme können Golddrahtverbindungen direkt trennen oder LED-Chips beschädigen, was zu einer teilweisen oder vollständigen Schwärzung und einem Ausfall der Chips führt.

3. Progressive Komponentendegradation

Diese Art von Schaden ist subtiler und weit verbreitet. Wiederholte kleinere Überspannungen, die die Vorrichtung nicht sofort zerstören, verursachen kumulative Schäden an den internen Halbleitermaterialien. Mit der Zeit können Leuchten unerklärlicherweise dimmen, flackern, Farbdrift erfahren oder abnormale Geräusche vom Fahrer ausgeben.

Die erwartete Lebensdauer von Leuchten sinkt von 50.000 bis 100.000 Stunden auf nur ein oder zwei Jahre - oder sogar weniger. Sie könnten annehmen, dass Sie ein "unterstandardisiertes Produkt" gekauft haben, aber der wahre Schuldige ist wahrscheinlich häufige interne Überspannungen.

Vorteile der Ergänzung von SPDs zu Beleuchtungskörpern

LED-Beleuchtungsvorrichtungen, insbesondere in gewerblichen, industriellen oder Außenanwendungen (wie Straßenlaternen, Scheinwerfer und Industrie- / Bergbau-Lichter), tragen erheblich höhere Beschaffungs- und Installationskosten als herkömmliche Leuchten. Der Schaden an einer einzelnen Vorrichtung beinhaltet nicht nur die Kosten für den Austausch der Einheit selbst, sondern auch erhebliche Arbeitskosten für Wartung / Austausch, insbesondere in Höhen- oder komplexen Umgebungen.

Die Kosten für die Installation einer SPD sind deutlich niedriger als die langfristigen Kosten, die durch häufiges Ersetzen von LED-Treibern oder ganze Vorrichtungen aufgrund von Überspannungsschäden entstehen. Es stellt einen entscheidenden Schutz für Beleuchtungsinvestitionen dar.

Daher ist die Ausstattung von LED-Beleuchtungssystemen - insbesondere Außen-, Gewerbe- und Industriebeleuchtung - mit Überspannungsschutzgeräten (SPDS) kein optionaler Luxus, sondern eine notwendige Schutzmaßnahme. Es ermöglicht:

• Verhindern Sie plötzliche, kostspielige Geräteausfälle.
• Vermeiden Sie versteckte, schrittweise Leistungseinbußen und verkürzte Lebensdauer.
• Senken Sie Wartungsaufwendungen und erhöhen Sie die Zuverlässigkeit der Beleuchtungssysteme.
• Für individuelle Haushaltsgeräte: Verwenden Sie hochwertige Steckdosenleisten mit eingebautem Grundschutz.

• Für ganze Gebäude oder Villen: Installieren Sie Typ 2 SPDs in der Hauptverteilerplatte, um den Kofferraumschutz für alle Haushaltskreise zu bieten.

• Für LED-Außenleuchten (Straßenlichter, Landschaftsbeleuchtung) und große Fabrik-/Einkaufs-Lichtschaltungen müssen SPDs vom Typ 2 speziell für Beleuchtungskreise innerhalb der entsprechenden Zonenverteiler installiert werden. Bei besonders teuren oder kritischen Vorrichtungen sollten Sie SPDs vom Typ 3 in der Vorrichtung oder am Terminal für einen Granulatschutz hinzufügen.

Durch die Investition in SPDs stellen Sie sicher, dass Ihre LED-Beleuchtung die versprochene Langlebigkeit und hohe Leistung liefert und so ein echtes Preis-Leistungs-Verhältnis bietet.

Wie kann man die SPD-Bewertung verstehen?

Sie könnten fragen: Wenn es SPDs gibt, warum sollten Sie sie in verschiedene Typen einteilen? Die Antwort ist, dass keine einzelne SPD unabhängig voneinander mit allen Arten von Überspannungsbedrohungen umgehen kann.

Die durch Blitzschläge erzeugte Energie unterscheidet sich in ihrer Größe erheblich von der durch interne Schaltvorgänge erzeugten. Eine effektive Schutzstrategie beinhaltet daher die Einrichtung eines geschichteten, synergistischen Verteidigungssystems. Dieses Konzept wird als „Energiekoordination“ oder „gestufte Entladung“ bezeichnet. Stellen Sie es sich als Verteidigungssystem eines Schlosses vor:

• Typ 1 fungiert als robuste Außenwände und Tore, die den intensivsten Frontalangriffen standhalten.

• Typ 2: Die Patrouillenwachen im Schloss, die sich an Nachzügler wenden, die die Außenmauern und innere Störungen durchbrechen.

• Typ 3: Die persönlichen Wachen an der Schlafkammertür des Königs, die die endgültige und raffinierteste Schutzschicht bieten.

Erst wenn diese drei Verteidigungslinien zusammenarbeiten, kann das Schloss (Ihr elektrisches System) den umfassendsten Schutz erhalten.

SPD Typ 1: Die erste Verteidigungslinie gegen externe Überspannungen

Typ-1-SPDs sind die am höchsten bewerteten Geräte, die durch direkte Streiks verursachte Blitzströme ableiten. Gemäß internationalen Standards (z. B. IEC 61643-1) müssen sie Tests mit einer simulierten Blitzstrom-Wellenform von 10/350µs aushalten. Diese Wellenform stellt die immense Energie eines direkten Blitzschlags dar und weist eine extrem lange Dauer auf, die die Ausrüstung starken Belastungen aussetzt. Installationsort: Installiert in der Hauptverteilerplatine (MDB), typischerweise am Stromeintrittspunkt.

Eigenschaften: Entlädt massive Blitzströme (oft zehn Kiloampere). Sein Hauptzweck ist es nicht, die Spannung auf sehr niedrige Werte zu begrenzen, sondern den tödlichsten ersten Schlag sicher zu „absorbieren“.

Typische Komponenten: verwendet typischerweise Funkenstrecken oder Gasentladungsröhren, da diese Komponenten extremen Auswirkungen auf die Energie aushalten können.

Anwendbare Szenarien: Wird hauptsächlich in Gebäuden mit externen Blitzschutzsystemen (z. B. Blitzableiter) oder solchen, die von Freileitungen versorgt werden, verwendet. Es bildet die Grundlage des gesamten Überspannungsschutzsystems.

Typ 2 SPD: Primärschutz, Schutz von Verteilungssystemen

Typ-2-SPDs sind die am weitesten verbreiteten SPDs und dienen als primäres Schutzniveau in Überspannungsschutzsystemen. Sie werden mit einer 8/20µs Stromwellenform getestet, die nach der Begrenzung durch SPDs vom Typ 1 übertragene Reststübe sowie durch interne Schaltvorgänge erzeugte Überspannungen simuliert.

Einbauort: In Sub-Distribution Boards installiert, um Schutz für bestimmte Stockwerke, Zonen oder Lastgruppen zu bieten.

Eigenschaften: Weiterer Grenzwert Überspannungen und Entladung von Stoßströmen, die nicht vollständig von Typ 1-SPDs abgewickelt werden, zusammen mit intern erzeugten Überspannungen. Es beschränkt die Spannung auf die meisten Haushalts- und Gewerbegeräte (z. B. unter den Geräten, die den Spannungsnennungen standhalten).

Typisches Gerät: Am häufigsten ein Metalloxid-Varistor (MOV) aufgrund seiner hervorragenden Ansprechgeschwindigkeit und der Spannungseigenschaften.

Anwendungsszenario: Eine fast unverzichtbare Schutzvorrichtung in allen elektrischen Anlagen. In kleinen Gebäuden ohne externe Blitzschutzsysteme kann es sogar als Schutz der ersten Ebene dienen.

Typ 3 SPD: Präzisionsschutz für Endgeräte

Typ 3 SPD bietet das raffinierteste Schutzniveau, das speziell für die Sicherung hochempfindlicher oder teurer Endgeräte entwickelt wurde. Es wird mit Composite-Wellen (1,2/50µs Spannungswelle und 8/20µs Stromwelle) getestet, wobei die Teststromwerte deutlich niedriger sind als Typ 2.

Typ 3 SPD unterdrückt winzige Restüberspannungen, die die ersten beiden Schutzstufen umgehen. Diese Spannungsspitzen können zwar wenig Energie, aber sie können die Lebensdauer der Geräte verschlechtern oder durch längere Anreicherung Datenbeschädigung verursachen. Es darf niemals alleine verwendet werden und sollte nach einer Typ-2-SPD installiert werden.

Installationsorte:

– Am Geräteende, einschließlich Steckdosen mit SPD-Funktionalität (z. B. einige erweiterte Steckdosenleisten).

– Dedizierte Plug-in-SPDs.

– Eingebettete SPD-Module in die Ausrüstung.

Kombieinheiten: Typ 2+3-Kombinations-SPDs sind ebenfalls auf dem Markt erhältlich. Diese integrieren beide Schutzstufen in ein einziges Modul und bieten eine bequeme und effiziente Lösung für Szenarien, in denen die Installation mehrerer eigenständiger SPDs unpraktisch ist.

Wie wähle und setze ich dein SPD-System aus?

Die Auswahl der entsprechenden SPD und der Aufbau eines koordinierten Systems sind in Umgebungen von entscheidender Bedeutung, die zu häufigen Blitzeinschlägen oder erheblichen Leistungsschwankungen neigen. Eine ordnungsgemäße Auswahl und Installation der SPD verhindert nicht nur kostspielige Reparaturen, sondern sorgt auch für Kontinuität in Produktion und Alltag, was zu einer technischen Entscheidung wird, die umfassend berücksichtigt werden muss.

Bewerten Sie zunächst die Umgebung Ihres Gebäudes: Blitzschlagfrequenz, Isolationsstatus, Über- oder Untergrundnetzteil, Vorhandensein von Blitzstäben in der Struktur sowie den Wert und die Empfindlichkeit der internen Geräte. Hierdurch wird bestimmt, ob Sie den Schutz vom Typ 1 benötigen oder ob eine Kombination vom Typ 2+3 ausreicht.

• Befolgen Sie das hierarchische Prinzip:

– Gebäude mit externen Blitzschutzsystemen oder Hochrisikozonen: Implementieren Sie eine komplette Architektur vom Typ 1 → Typ 2 → Typ 3.

– Standard-Geschäfts- oder Wohngebäude: Installieren Sie mindestens eine SPD vom Typ 2 am Haupteingang und ergänzen Sie sie mit SPDs vom Typ 3 an kritischen Geräten.

– Kleine Gebäude oder Apartmenteinheiten: Installieren Sie eine Hochleistungs-SPD vom Typ 2 innerhalb der Serviceplatte und verwenden Sie spannungsgeschützte Steckdosenleisten vom Typ 3 für wertvolle Geräte.

• Spannungsschutzstufe (UP): Dies stellt die Klemmspannung der SPD dar. Niedrigere Werte weisen auf einen besseren Schutz hin Stellen Sie sicher, dass UP unter der Spannungsfestigkeit geschützter Geräte liegt.

• Nenn-Entladestrom (in) und maximaler Entladestrom (IMAX): Diese zeigen die Fähigkeit der SPD an, Überspannungsströme zu zerstreuen. Höhere Werte bedeuten eine größere Widerstandsfähigkeit.

• Bei SPDs vom Typ 1 konzentrieren Sie sich auf den Impulsstrom (IIMP).

• Achten Sie auf die ordnungsgemäße Installation: SPD-Leistung ist stark installationsabhängig. Die Minimierung der Erdungsleitungslänge ist kritisch, da übermäßig lange Leitungen induzierte Spannung erzeugen, die den Schutz erheblich beeinträchtigt. Verwenden Sie spezielle Werkzeuge oder Sammelschienen, um die SPD direkt und mit minimaler Länge mit dem Erdungssystem zu verbinden.

• Wartung und Lebensdauer: SPDs sind Verbrauchsmaterialien. Besonders MOV-basierte SPDs verschlechtern sich nach wiederholten Überspannungsereignissen allmählich. Wählen Sie SPDs mit Fernsignalkontakten oder visuellen Alarmfenstern aus, um ihren Status zu überwachen und den rechtzeitigen Austausch zu erleichtern.

Die Auswahl des entsprechenden SPD-Typs und der Bau eines abgestimmten Schutzsystems sind der Schlüssel zur Gewährleistung der Sicherheit der elektrischen Geräte und der Verlängerung der Lebensdauer. Wenn Sie ihre Unterscheidungen und Verbindungen verstehen, können Sie eine wirklich robuste „elektronische Verteidigungslinie“ für Ihr Zuhause oder Geschäft aufbauen. Der Anhang enthält Referenzparameter für die Auswahl verschiedener SPD-Typen:

Empfohlene Werte für Überspannungsstrom und Nennentladestrom Parameter von Überspannungsschutz

Abschluss

Zusammenfassend erfüllen Typ 1, Typ 2 und Typ 3 SPDs jeweils unterschiedliche Rollen und bilden ein geschichtetes Verteidigungssystem von Makro- bis Mikroebene. Bei der Investition in ein gut konzipiertes Überspannungsschutzsystem geht es nicht nur um die Sicherung der Hardware, sondern auch um eine strategische Investition in Datensicherheit, Geschäftskontinuität sowie um den Schutz von Leben und Eigentum. Durch das Verständnis ihrer jeweiligen Funktionen und deren synergistischer Bereitstellung können Sie eine robuste Barriere für Ihre elektronischen Vermögenswerte gegen unvorhersehbare elektrische Bedrohungen schaffen.