Technik
Licht 2 | 2019

Sicher beleuchten, Technik schützen

Überspannungsschutz für LEDs

Der LED-Anteil in der Beleuchtungstechnik wächst permanent. Infolge von Schäden durch Blitzschlag aufgrund schwerer Unwetter sowie von Überspannungen entstehen hohe Kosten. Schukat zeigt, wie Überspannungsschutzgeräte (SPDs) LED-Beleuchtungssysteme im Innen- und Außenbereich mit Schaltnetzteilen wirkungsvoll schützen können.

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Ursachen und Folgen von Überspannungen

Transiente Überspannungen, also sehr kurzzeitig auftretende Überspannungen über das Niederspannungsnetz, begleiten uns kontinuierlich und sind praktisch unvermeidbar. Diese Störungen dauern nur wenige Mikrosekunden bis Millisekunden an. Sie können sehr klein sein und deshalb völlig unbemerkt bleiben, oder aber hoch energetisch ausfallen. Dann beeinflussen oder zerstören sie möglicherweise LED-Beleuchtungen und stellen im schlimmsten Fall ein Sicherheitsrisiko dar.

Überspannungen können durch verschiedenste Ereignisse hervorgerufen werden und unterscheiden sich in Amplitude, Dauer und Frequenz. Eine Ursache ist der Blitzschlag. Hierbei fließt zum Zeitpunkt der Entladung ein Impulsstrom mit einem Spitzenwert zwischen 1000 und 200000 A. Ein Blitzschlag kann durch eine Potentialanhebung oder induktive Einkopplung Überspannungen von mehreren 10000 V erzeugen. Stoßspannungen, die durch den Einschlag in Freileitungen folgen, erreichen über die Leitung auch LED-Beleuchtungen. Durch den Einschlag des Blitzes ins Erdreich, der je nach Stromstärke und Erdimpedanz unterschiedlich ausfällt, steigt das Erdpotential an und kann elektrische Geräte in einem Radius von bis zu zwei Kilometern schädigen oder zerstören.

Gefahr für LED-Beleuchtung

Bei LED-Netzteilen kommen Probleme mit Überspannungen recht häufig vor, während alte Vorschaltgeräte aufgrund ihrer hohen Zündspannungen weniger empfindlich waren. Oftmals treten Probleme auch beim Kombinieren moderner LED-Netzteile mit herkömmlichen Vorschaltgeräten für Entladungslampen in einer Installation auf. Insbesondere bei LED-Leuchten der Schutzklasse II ist zudem eine statische Aufladung des Leuchtengehäuses kritisch, bei der sich sehr hohe Spannungen aufbauen können.

Während Anwendungen in der Außenbeleuchtung, wie die Wege- und Parkplatzbeleuchtung oder die Werbebeleuchtung, von Natur aus kritisch in Bezug auf Überspannungen sind, treten durch Schaltvorgänge bedingte Überspannungsprobleme auch in Anwendungen im Innenbereich auf, hier verstärkt im industriellen Umfeld. Wird eine Überspannung durch Schaltvorgänge oder defekte elektrische Betriebsmittel erzeugt, kann diese über die Verkabelung L/N/PE oder über die Dimmleitungen bzw. Busleitungen die Leuchte erreichen.

Zu den Auswirkungen von Überspannungen bei der LED-Beleuchtung zählen neben dem Totalausfall des Schaltnetzteils oder der LEDs eine vorzeitige Alterung der Leuchtdioden und damit eine reduzierte Lichtausbeute, ebenso ein Ausfall der Dimmung und eine verkürzte Betriebserwartung der gesamten Beleuchtungsanlage.

Herausforderungen bei Netzteilen

Auch ohne die Berücksichtigung einer möglichen Überspannung ist die Auswahl einer geeigneten Stromversorgung für die LED-Beleuchtung nicht trivial. Effizienz und Standby-Verbrauch spielen eine wichtige Rolle, um ein möglichst energiesparendes System aufzubauen, ebenso wie die Beachtung der anzuwendenden Sicherheits- und EMV-Normen. Ziel ist es am Ende, ein Netzteil mit einer geringen Ausfallwahrscheinlichkeit und einer möglichst hohen Betriebserwartung für die jeweilige LED-Applikation zu finden.

Da bei Schaltnetzteilen ein sehr hoher Anteil an Frühausfällen in den Applikationen transienten Überspannungen geschuldet sind, ist es erforderlich, auch die sogenannte surge capability, also die Fähigkeit des Netzteils, den Netztransienten zu widerstehen, zu berücksichtigen.

Wo ein Netzteil in der Elektroinstallation verbaut werden darf, ist je nach Impulsfestigkeit und damit erfüllter Überspannungskategorie festgelegt. Berücksichtigt wird dies in der EN60664-1 (Isolationskoordination für elektrische Betriebsmittel in Niederspannungsanlagen) bzw. der VDE0110 sowie durch die Auslegung der Luftstrecken in den entsprechenden Sicherheitsnormen für Stromversorgungen. Damit ist zwar das Durchschlagen einer Überspannung bis zu einer definierten Impulsspannung erfasst, jedoch nicht der mögliche elektrische Ausfall oder Defekt der Stromversorgung durch die Überspannung. Eine Widerstandsfähigkeit gegen Impulsspannungen ist jedoch in der EMV-Immunitätsnorm EN61000-4-5 (Prüfung der Störfestigkeit gegen Stoßspannungen) festgelegt.

Aktive SPDs als Lösung

Ein Schaltnetzteil kann die durch Transienten auftretende hohe Impulsenergie oftmals nicht oder nur ungenügend ableiten, obwohl die Stromversorgungshersteller die Spannungsfestigkeit immer weiter erhöht haben. Die passive Widerstandsfähigkeit eines Schaltnetzteils ist durch dessen komplexen Aufbau deutlich begrenzt. Zudem unterliegen die in den Netzteilen als Feinschutz verwendeten Ableiter auf Basis von Varistoren permanenten Leckströmen, die über die Zeit und unter bestimmten Bedingungen zu einem vorzeitigen Altern der Komponenten führen können.

Zusätzliche aktive Überspannungsschutzgeräte (SPD, Surge Protective Device) bieten hier eine Lösung. Ein guter Überspannungsschutz verfügt über einen möglichst niedrigen Schutzpegel von unter 1500 V (bei 230/400 VAC Systemspannung) und eine hohe Ableitfähigkeit. Zudem muss er neben der Spannungsversorgung über die ein- oder mehrphasige Netzzuleitung auch mögliche Schnittstellen wie DALI oder 1–10 Volt vor Überspannungen schützen.

Bei einem aktiven SPD ist primär nicht die maximal auftretende Spannung entscheidend, sondern die Energie des Störimpulses. So kommt es bei der Auswahl des passenden Überspannungsschutzes auf die Größe der maximalen Energieaufnahme an. Wichtig hierfür sind Typ, Einbausituation und das Risiko für die Anlage oder Personen. Durch die Spannungsbegrenzung des Schutzelements erhält das Endsystem unabhängig von der Impulshöhe einen Schutz vor zu hohen Spannungen. Übersteigt die Impulsenergie die Ableitfähigkeit des Schutzelementes, erfährt dieses eventuell eine Überlastung, das Endsystem ist durch die integrierte Trennvorrichtung jedoch auch in diesem Fall weiterhin geschützt. Aktive SPDs eignen sich durch ihren im Vergleich zu Schaltnetzteilen weniger komplexen Aufbau deutlich besser für höhere Impulsenergien.

Sollte der Schutz über das SPD nicht mehr gewährleistet sein, lösen vorgesehene Trennvorrichtungen aus. Diese haben die Aufgabe, das SPD und, je nach Applikation, das zu schützende Gerät vom Stromnetz zu trennen sowie über Melde- und Signalvorrichtungen den Status des SPDs zu übermitteln.

SPD-Typen

Um einen optimalen Schutz für empfindliche und hochwertige Anlagen und Systeme zu schaffen, gilt es, den Schutzpegel möglichst weit zu begrenzen – und zwar durch den Einbau von SPDs des Typs 1 bis 3, abhängig von der zu erwartenden Überspannung bzw. dem Installationsort. Diese umfassen:

– Blitzstromableiter (Typ 1)

– kombinierte Blitz- und Überspannungsschutzgeräte zum Ableiten von Blitzströmen und gleichzeitig zum Schutz gegen schnell ansteigende Überspannungen (Typ 1+2+3),

– Überspannungsschutzgeräte gegen Schaltüberspannungen und Feldeinkopplungen (Typ 2 oder Typ 2+3) sowie

– Geräteschutz-SPDs für den Mindestschutz (Typ 3).

Für den Einbau in eine LED-Beleuchtung sind insbesondere die SPDs des Typs 2+3 relevant.

Normgerechte Überspannungsschutzgeräte sollten nach IEC61643-11 geprüft sein und die Anforderungen der VDE 0100-534 erfüllen. Durch die Neuregelung der Normen DIN VDE 0100-443 und -534 in 2016 gibt es zudem neue Anforderungen, wo und ab wann in einer Neuinstallation oder bei maßgeblichen Änderungen einer bestehenden Installation ein Überspannungsschutz erforderlich ist.

Einsatz in der LED-Beleuchtung

Ein Überspannungsschutzgerät für die LED-Beleuchtung sollte neben dem Netzanschluss auch einen Schutz für eventuelle Steuerleitungen berücksichtigen. Auch wenn die Hersteller von LED-Netzteilen die minimale Forderung der 2 kV Spannungsfestigkeit für Außenanwendungen nach EN61547 teilweise übertreffen, sollte ein zusätzliches SPD berücksichtigt werden. Durch die Ausrüstung der Elektroinstallation durch SDPs in der Unterverteilung lässt sich in der Gebäudetechnik ein erster Schutz realisieren. Bei längeren Leitungswegen zur Leuchte oder bei den genannten potentiellen Störern in der Elektroinstallation empfiehlt es sich, auch in der Leuchte oder in unmittelbarer Nähe zu ihr ein SPD für einen wirkungsvollen Schutz zu berücksichtigen.

Es ist sinnvoll, die LED-Beleuchtung in jedem Fall durch ein SPD zu schützen. Gilt es, den Ausfall einer Leuchte bzw. eines LED-Netzteils zu vermeiden, müssen hochwertige Leuchten eine möglichst lange Betriebserwartung erfüllen oder verursacht die Wartung und Instandhaltung von schwer zugänglichen High-Bay-Strahlern und Werbebeleuchtungsanlagen hohe Servicekosten, dann ist es zweckdienlich, ein SPD in oder an der Leuchte zu berücksichtigen. Um den Überspannungen Rechnung zu tragen, sehen viele Leuchtenhersteller bereits zusätzliche SPDs vor oder bieten diese optional an.

Auswahl des passenden Schutzgerätes

Um das passende Überspannungsschutzgerät zu finden, bietet der Distributor Schukat electronic eine große Auswahl an SPDs des Herstellers CITEL ab Lager an. Dieser prüft und testet seine Komponenten wie gasgefüllte Funkenstrecken, Gasableiter und Überspannungsschutzgeräte in eigenen Laboren und kann Überspannungen bis 240 kA nachstellen. Somit bieten die SPDs einen sicheren Schutz und verfügen über eine hohe Qualität. Bei Fragen zum Thema Überspannungsschutz erhalten Kunden eine Beratung über das technische Vertriebsteam von Schukat.

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Licht 2 | 2019

Erschienen am 25. März 2019