Überspannungsschutz für LED-Beleuchtungsanlagen
Schutzkonzepte
In einem wirkungsvollen Schutzkonzept gegen transiente Überspannungen sind folgende Komponenten relevant:
- Straßenbeleuchtungs-Hauptverteiler
- Mastsicherungskasten im Mast
- Leuchte
Straßenbeleuchtungs-Hauptverteiler:
Hochwertige Kombi-Ableiter vom Typ 1+2+3 können im Hauptverteiler installiert werden, um die zentrale Einspeisung zu schützen, wo eine gute Schutzerdeverbindung besteht. Dieses schützt den Hauptverteiler und somit den gesamten Straßenzug vor einem Total-Ausfall. Indirekt werden auch die Leuchten geschützt, indem ein Großteil der transienten Überspannungen aus dem Stromnetz zentral begrenzt wird. Durch einen guten Potentialausgleich zwischen den Lichtpunkten und dem Hauptverteiler wird die Schutzwirkung erhöht.
Straßenbeleuchtungs-Lichtpunkte:
Der Schutz der einzelnen Lichtpunkte ist abhängig von der jeweiligen Situation. Prinzipiell ist der Einbau eines Überspannungsschutzes im Mastsicherungskasten oder in der Leuchte möglich. In der Regel reicht ein Schutzgerät aus. Da die Masthöhen meist eine Höhe von 15m nicht überschreiten, kann ein gutes Schutzniveau auch durch den Einbau im Mastsicherungskasten erreicht werden.
Die sinnvollste Lösung ist abhängig von den örtlichen Gegebenheiten. So sind folgende Punkte von Relevanz:
- Leuchten-Schutzklasse I oder II
- Platzverhältnisse in der Leuchte bzw. im Mastsicherungskasten
- Zugänglichkeit zu Wartungszwecken
- Nachrüstung oder Neuinstallation
Besonders die Frage der Wartungsmöglichkeit und die Möglichkeit einer Nachrüstung bestehender Anlagen sprechen für eine Installation im Mastsicherungskasten. Das etwas bessere Schutznivau und der geringere Installationsaufwand sprechen eher für eine Installation in der Leuchte.
Bei Schutzklasse I Leuchten hat der Lichtpunktbetreiber immer die Möglichkeit der Installation von Überspannungschutzgeräten in der Leuchte oder im Mastsicherungskasten, da hier ein Schutzleiter zur Verfügung steht und die elektrische Sicherheit in jedem Fall gewährleistet ist.
Bei Schutzklasse II Leuchten dürfen Überspannungsschutzgeräte nach IEC61643-11 nicht die Schutzisolierung aufheben. Ein optimaler Überspannungsschutz gegen das metallene Gehäuse bzw. Erde ist in einer Schutzklasse II Leuchte daher nicht möglich. Lediglich ein Schutz zwischen L und N ist uneingeschränkt möglich.
Nicht vergessen werden darf der Schutz der Lichtsteuerung. Die Lichtsteuerungssysteme wie eine Steuerphase, DALI, 1-10V, RS485, DMX…müssen in das Schutzkonzept einbezogen werden. Diese sind meist noch empfindlicher als die 230V~ Systeme und in Regel nicht geschützt durch das EVG. Hier empfehlen sich koordinierte Überspannungsschutzlösungen für 230 V und Steuerung in einem Gerät zum Schutz der Leuchte.
Die Montage im Mastsicherungskasten ist unter Beachtung der elektrischen Sicherheit nach IEC 60364-4-41 „Errichten von Niederspannungsanlagen - Teil 4-41: Schutzmaßnahmen - Schutz gegen elektrischen Schlag“ möglich, sofern der Mast nicht selbst Teil der Schutzklasse II ist. In vielen Beleuchtungsinstallationen befindet sich im Mastsicherungskasten ein Schutzleiter, der es ermöglicht, den Mast und ein Überspannungsschutzgerät in den Schutzpotentialausgleich einzubinden. Die elektrische Sicherheit, besonders die Abschaltbedingungen, werden durch die Anbindung des Schutzleiters und der meist vorhanden Sicherung im Mastsicherungskasten erreicht. Sollte die Impedanz des Schutzleiters nicht gut genug sein, wie z.B. bei TT-Netzen, ist der Einbau von RCD-Schaltern notwendig, um die notwendigen Abschaltzeiten nach IEC 60364-4-41 zu erreichen. Durch die leitfähige Anbindung der Leuchte an den metallenen Mast können so auch Leuchten der Schutzklasse II wirkungsvoll gegen Überspannungen geschützt werden.
Stand der Technik
Überspannungsursachen, Erfahrungen und Schutzkonzepte
Der Trend zur LED–Beleuchtung in der Innen- und Außenbeleuchtung nimmt stetig
zu. Mittlerweile haben viele Kommunen und Netzbetreiber europaweit ihre ersten
Erfahrungen mit der relativ neuen Technik gesammelt. Es scheint, dass die
Vorteile, besonders in den Punkten Energieeinsparung und intelligenter Lichtsteuerung, dafür sorgen werden, dass der Anteil der LED-Lösungen in der Beleuchtungstechnik auch in Zukunft stetig steigen wird. In der Straßenbeleuchtung ist dies schon in vielen Städten offensichtlich, aber auch in der Industrie- und Gebäudebeleuchtung ist der Trend auf dem Vormarsch. Allerdings zeigt sich auch hier, dass es Licht- und Schattenseiten gibt.
So zeigt sich seit einigen Jahren, dass insbesondere Überspannungen ein ernsthaftes
Problem für die empfindliche Elektronik darstellen. Erste Rückmeldungen
aus dem Feld bestätigen dies. So wurde aus der Stadt Esbjerg der bisher größte
Ausfall von über 400 Straßenleuchten in Folge eines Blitzeinschlages gemeldet.
Dies ist insbesondere erwähnenswert, da Dänemark eine der blitzärmsten Regionen
in Europa ist.
Blitzeinschläge können je nach Entfernung des Einschlagsortes, der Boden- und Erdungsverhältnisse und der Blitzstärke sehr hohe Werte erreichen. Bild 1 zeigt qualitativ die Beeinflussung der Lichtpunkte einer Straßenbeleuchtung durch die Entstehung eines Potentialtrichters bei einem Blitznaheinschlag.
Bei Schaltvorgängen im Netz werden Spannungsspitzen von mehreren tausend
Volt erzeugt, welche sich im Niederspannungsnetz ausbreiten und andere
Betriebsmittel belasten.
Ein typisches Beispiel ist das Auslösen von Sicherungen oder auch gemischte
Netze mit LED- und herkömmlichen Entladungsleuchten mit konventionellen Vorschaltgeräten, welche mehrere tausend Volt Zündspannung bereitstellen.
Elektrostatische Aufladungen sind ein Phänomen, welches insbesondere bei
Schutzklasse II Leuchten auftritt, bei der eine Ladungstrennung stattfindet
(Bild 3) und sich darauf folgend eine hohe Spannung am Leuchtengehäuse
bzw. Kühlkörper der LED aufbauen kann. Dieses Phänomen ist jedem Autofahrer
bekannt, der beim Griff an sein Auto schon mal einen elektrischen Schlag
bekommen hat.
Besonders betroffen sind Leuchten die völlig isoliert vom Erdpotential betrieben werden. Beispiele sind SK II Leuchten auf Kunststoffmasten oder Seilabhängungen. Durch die Verwendung des Schutzgerätes „MLPC2-230L-V/ESP“ können diese statischen Aufladungen und Folgeschäden verhindert werden.
Netzfehler können zu so genannten temporären Überspannungen führen. Der
Abfall des Neutralleiters, z. B. durch Beschädigung, ist hier die häufigste Ursache.
Bei diesem Fehler kann sich die Nennspannung durch Netzunsymmetrien
im 3-Phasen-Netz auf den Phasen bis auf 400 V erhöhen (Bild 4). Der Schutz
gegen temporäre Überspannungen erfordert eine besondere Betrachtung. Citel
bietet hier spezielle Geräte der Serie PSPD- und VM-Serie an.
Aber auch in der Gebäude- und Hallenbeleuchtung gibt es Probleme. Insbesondere
dort wo Überspannungen nicht von außen, sondern täglich aus der eigenen
Anlage herrühren. So sind insbesondere Fälle aus der Industrie bekannt, in
denen elektrische Betriebsmittel Überspannungen erzeugen und diese durch
die elektrische Verkabelung zur Beleuchtung gelangen. Erste sporadische Ausfälle
einzelner Leuchten oder LED’s sind die dafür typischen Anzeichen.
Auch aufgrund dieser Erfahrungen haben die Leuchtenhersteller ihre Anforderungen
an die Festigkeit der Leuchten gegen Überspannungen angehoben. Lag
vor einigen Jahren die Festigkeit der Straßenleuchten gegen Überspannungen
bei ca. 2.000 – 4.000 V, liegt sie derzeit im Durchschnitt bei ca. 4.000 – 6.000 V.
Allerdings reicht dies vielfach nicht aus, wie aus Bild 5 ersichtlich wird
Um dem Rechnung zu tragen bieten viele Leuchtenhersteller optional an, ihre
Leuchten durch ein leistungsfähiges Typ 2+3 Überspannungsschutzgerät (SPD)
zu schützen. Ist dies nicht möglich oder gewollt, z. B. aus Platzgründen oder weil
die Leuchten schon im Feld verbaut sind, kann das SPD auch im Mastsicherungskasten
eingesetzt werden. Dies bietet zudem den Vorteil der einfacheren
Wartung und Nachrüstung.
Zur Vervollständigung des Schutzkonzepts und zur Entlastung der Lichtpunkte
(Bild 6) sollte zusätzlich mit einem Kombi-Ableiter Typ 1+2+3 in der Straßenschaltstelle/
Verteiler zentral gegen die Ausbreitung von Blitzströmen und Überspannungen
geschützt werden.
In der Gebäudetechnik (Bild 7) kann man durch eine Ausrüstung der Elektroinstallation mit Blitz- und Überspannungsschutzgeräten einen wirkungsvollen Schutz realisieren. So können in der Gebäudeeinspeisung Kombi-Ableiter Typ 1+2+3 zum Schutz gegen Blitzströme und Netztransienten, sowie in den Beleuchtungs-
Unterverteilungen und Leuchten-Anschlussdosen SPD Typ 2+3 zum Schutz
gegen Feldeinkopplungen und Schaltüberspannungen eingesetzt werden.
Praxisnaher Überspannungsschutz
Auf dem Markt finden sich viele Hersteller für Überspannungsschutz. Daher sollte bei der Auswahl von Überspannungsschutzgeräten auf folgende Punkte besonders geachtet werden.
- Ein guter Überspanungsschutz sollte nach IEC 61643-11 geprüft sein und die Anforderungen der VDE 0100-534 erfüllen. Um dies zu erreichen werden u. a. Zustandssignalisierungen und Trennvorrichtungen im SPD integriert.
- Da das SPD meist, wie z. B. bei Leuchten, an unzugänglichen Stellen verdeckt verbaut wird, ist reine optische Signalisierung nicht ideal. Ein SPD, dass zusätzlich die Leuchte im Fehlerfall vom Stromkreis trennen kann, bietet hier eine gute und einfache Möglichkeit der indirekten Signalisierung.
- Die Baugröße und Montageart des SPD muss den Erfordernissen des Einbauorts entsprechen.
- Bei Auftreten von Feuchtigkeit oder Stäuben sollte ein SPD mit erhöhter IP Klasse ausgewählt werden.
- SPD müssen die Schutzklasse (SKI oder SKII) der Leuchten berücksichtigen.
- Neben dem Schutz für die 230 V Versorgung sollte der Schutz der Steuerung, wie z. B. DALI, zweite (Steuer)-Phase, 1 – 10 V oder DMX berücksichtigt werden. SPD, die AC- und Steuerung kombinieren, sind ideal für diese Leuchten und bieten in der Regel einen besser abgestimmten Schutz als zwei einzelne SPD.
Feldtest an verschiedenen Leuchten
Um zu testen, wie gut aktuelle Leuchten konstruktiv gegen Überspannungen geschützt sind und was aktive Überspannungsschutzbauelemente zusätzlich bringen, wurden Leuchten des Marktführers WE-EF und anderer Hersteller getestet. Zunächst wurden die WE-EF Leuchten mit dem standardmäßig verbauten Überspannungsschutz mit 15 Impulsen von bis zu 10kV/5kA nach dem in Diagramm 1 gezeigten Testablauf belastet.
Bei den Tests mit Überspannungsschutzgeräten viel keins der getesteten Systeme mit 10kV (Bild 1) Impulsspannung aus. Durch das integrierte Überspannungsschutzgerät wird die Spannung auf akzeptable Werte begrenzt (Bild 2) und der Impulsstrom durch das Überspannungsschutzgerät sicher abgebaut.
Fazit
Die LED-Technik wird in der Beleuchtung immer wichtiger. Die Weiterentwicklung
der Technik sorgt für immer zuverlässigere Lösungen. Praxisorientierte, angepasste
Überspannungsschutzgeräte und Schutzkonzepte (Bild 6 und 7) sichern
dabei die empfindliche Elektronik vor schädlichen Überspannungen. Die zusätzlichen
Kosten eines wirkungsvollen Überspannungsschutzkonzepts für ein Leuchtensystem
liegen derzeit bei unter ein Prozent der Gesamtkosten.
Überspannungsschutzmaßnahmen sind daher für jeden Anlagenbetreiber ein
einfaches und vielfach unverzichtbares Mittel um langfristig die Lebensdauer
und Zuverlässigkeit der Beleuchtung zu erhalten und Folgekosten zu vermeiden.
Produktübersicht
Straßenbeleuchtung mit Schutzklasse II Leuchtenkopf auf einem Schutzklasse I Masten, mit oder ohne zweiter Steuerphase. Der Überspannungschutz im Leuchtenkopf oder im Mastanschlußkasten? Die Anwendungsmöglichkeiten sind vielfältig und ebenso die Auswahlmöglichkeit an passenden Überspannungsschutzlösungen.
Um den passenden Überspannungsschutz einfach und schnell zu bestimmen und die Auswahl einzugrenzen, haben wir für unsere Kunden folgende Auswahlhilfe erstellt.
MLPC-Serie
Die Produkte der MLPC-Serie wurden zum Schutz von 1-phasig versorgten Endgeräten für die Schutzklassen 1 (MLPC1) oder 2 (MLPC2) entworfen. Die Geräte erfüllen die Anforderungen der IEC 61643-11 und VDE 0675 Norm und sind als Typ 2+3 einsetzbar. Durch die sehr kompakte Bauform und einer max. Ableitfähigkeit von 10 kA pro Pol bietet die MLPC-Serie ein sehr gutes Leistungsverhältnis. Der Anschluss erfolgt über Schraubklemmen (MLPC1-230L-V) oder Federkraftklemmen (MLPC1-230L-R). Der Anwender hat die Wahl zwischen einseitigen (MLPC1-230L-x/50) oder gegenüberliegenden (MLPC1-230L-x) Anschlussklemmen. Die Montage der Gehäuse ist bei allen Versionen durch standardisierte Befestigungslöcher identisch. Dies bietet dem Anwender die notwendige Flexibilität bei gleichbleibender einfacher Montage.
MLP-Serie
Die MLP-Serie ist eine umfassende Baureihe zum Schutz der LED-Beleuchtung. Verschiedene Varianten ermöglichen es die bestmögliche kundenorientierte Lösung zu realisieren. Die MLP-Serie schützt das LED-System wirkungsvoll, selbst gegen energiereiche Überspannungen, je nach Version auch die Dimmung (RS485 oder DALI). Zur Wahl stehen Ausführungen in den Schutzklassen I und II sowie verschiedene Möglichkeiten der Fehlersignalisierung und Trennung im Fehlerfall. Je nach Bedarf erfolgt eine Stromkreistrennung des Beleuchtungskreises oder nur eine Trennung des Überspannungsschutzes vom Netz. Die Fehlermeldung erfolgt optisch, über einen potentialfreien Kontakt oder indirekt über die Stromkreistrennung des Beleuchtungskreises.
MLPX-Serie
Die Geräte der MLPX-Serie sind Überspannungsschutzgeräte vom Typ 2+3 und zum Schutz von 1-phasig versorgten Endgeräten entworfen worden, besonders für den Einsatz in LED-Beleuchtungssystemenmit Platzproblemen. Die MLPX sind IEC 61643-11 und VDE 0675 konform und in den Schutzklassen I und II verfügbar. Eine sehr kompakte Bauform, eine Ableitfähigkeit (Imax) von 10 kA und eine Kurzschlussfestigkeit von 10000 A sind bezeichnend für die Leistungsfähigkeit der MLPX-Serie. Der Anschluss erfolgt über doppelt isolierte Leitungen und über die Fehlersignalisierung lässt sich jederzeit die Funktionsfähig anzeigen. Zudem bieten die MLPX die Möglichkeit der Laststromkreistrennung im Fehlerfall, so dass auch über den Ausfall der Laststromkreise eine indirekte Meldung gegeben wird. Die Geräte sind wahlweise in den Schutzarten IP 67 oder IP 20 verfügbar.
DSLP-Serie
Die Geräte der DSLP-Serie sind Überspannungsschutzgeräte vom Typ 2+3 für Hutschienenmontage. Die DSLP sind IEC 61643-11 und VDE 0675 konform und in den Schutzklassen I und II verfügbar. Die Geräte verfügen über Ableitwerte von 10 kA Imax, einen niedrigen Schutzpegel und eine Kurzschlußfestigkeit von 10 kA. Der Anschluss erfolgt über Schraubkäfige bis 2,5mm². Über die Fehlersignalisierung lässt sich jederzeit die Funktionsfähig ablesen. Die DSLP bieten die Möglichkeit der Laststromkreistrennung im Fehlerfall, so dass auch über den Ausfall der Laststromkreise eine indirekte Meldung gegeben wird.
MLPCA-Serie
Die MLPCA-Serie wurde zum Schutz von 1-phasig (MLPCA1-230L) oder 2-phasig (MLPCA1-230-2L) versorgten Endgeräten für die Schutzklasse 1 entworfen und kommt speziell für die Installation außerhalb eines Kabelübergangskastens zum Einsatz. Die MLPCA-Serie erfüllt die IEC 61643-11 und VDE 0675 Norm und ist als Typ 2+3 einsetzbar. Durch die sehr kompakte Bauform und einer max. Ableitfähigkeit von 10 kA pro Pol bietet die MLPCA-Serie ein sehr gutes Leistungsverhältnis. Der Anschluß erfolgt Kabelgebunden, wobei sich die Anschlußleitungen in einer hoch flexiblen und widerstandsfähigen Gummischlauchleitung befinden. Die MLPCA Ableiter bieten Schutz gegen Schaltüberspannungen aus dem Netz sowie gegen erdgebundene Potentialanhebungen.
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