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LED-Technik vor Überspannungen schützen

Die Überspannungsschutzgeräte für LED-Anwendungen aus der Produktfamilie Blocktrab verhindern eine Zerstörung der empfindlichen Vorschaltgeräte bei Überlastung

Die Überspannungsschutzgeräte für LED-Anwendungen aus der Produktfamilie Blocktrab verhindern eine Zerstörung der empfindlichen Vorschaltgeräte bei Überlastung

Blitzgefährdung von Straßenbeleuchtung und Potenzialanhebung bei einem Blitz-Naheinschlag in das Gebäude - Erzeugung von Überspannung durch induktive Einkopplung

Blitzgefährdung von Straßenbeleuchtung und Potenzialanhebung bei einem Blitz-Naheinschlag in das Gebäude – Erzeugung von Überspannung durch induktive Einkopplung

Mögliche Einsatzorte für einen umfassenden Überspannungs ­schutz in der Straßenbeleuchtung: direkt in der LED-Leuchte (1), im Kabelübergangskasten am Mastfuß (2) sowie in den Kabel ­verteilern der Einspeisung (3)

Mögliche Einsatzorte für einen umfassenden Überspannungs ­schutz in der Straßenbeleuchtung: direkt in der LED-Leuchte (1), im Kabelübergangskasten am Mastfuß (2) sowie in den Kabel ­verteilern der Einspeisung (3)

LED-Technik hat sich aufgrund längerer Lebensdauer und höherer Energieeffizienz in vielen Bereichen durchgesetzt. Wer Schäden im Fehlerfall vermeiden und seine Investitionen in die LED-Technik sichern möchte, kommt auch bei der Straßenbeleuchtung an einem umfassenden Überspannungsschutzkonzept nicht vorbei.
Durch LED-Bausteine sind Leuchten kompakter geworden, und mittels Sensoren können sie gedimmt und an die Bedürfnisse der Nutzer angepasst werden. Allerdings ist LED-Beleuchtung im Vergleich zu konventioneller Beleuchtung empfindlicher gegen Überspannungen. Eine Zerstörung der sensiblen Vorschaltgeräte sowie der LED-Module selbst durch Überspannungen mindert den Spareffekt – auch weil die Kosten für die Widerbeschaffung der Betriebsmittel viel höher sind als bei konventioneller Leuchttechnik.
Soll eine LED-Leuchte über viele Jahre sicher und effizient betrieben werden, müssen für die Elektroinstallation alle Komponenten sorgfältig ausgewählt werden. Für alle Arten der Beleuchtung – Innen-, Außen-, Tunnel- und Objektbeleuchtung – empfiehlt sich ein fachgerechter Blitzstrom- und Überspannungsschutz. Geeignete Schutzgeräte erhöhen die Lebensdauer der LED-Technik und tragen zur Personen- und Anlagensicherheit bei. Außerdem werden dadurch ­Wartungseinsätze reduziert und Reparaturkosten verringert. Um die teuren Komponenten vor dem frühzeitigen Ausfall bewahren zu können, hat Phoenix Contact spezielle Blitzstrom- und Überspannungsableiter für ein abgestimmtes Schutzkonzept entwickelt.
Überspannungen und die Folgen
Überspannungen bei der Straßenbeleuchtung haben verschiedene Ursachen:
• direkte Blitzeinschläge in die Leuchte, in die Versorgungsleitung oder in die Peripherie der Straßenbeleuchtung,
• indirekte Blitzeinwirkungen aufgrund kapazitiver oder induktiver Einkopplung in die Versorgungsleitung oder
• Schalthandlungen als Folge von Erd- oder Kurzschlüssen sowie als Folge vom Auslösen von Sicherungen.
Ob es dabei zu Teil- oder Komplettausfällen kommt, hängt von der Energiedichte des Stromimpulses und von der Überspannungsempfindlichkeit der Komponenten ab. ­Zudem können funktionsfähige LED-Leuchten durch ein Überspannungsereignis vorgeschädigt werden – was die Lebensdauer der Leuchte reduziert.
Blitzeinschläge in der Umgebung der Leuchte können in den Leitungen Spannungen bis zu mehreren 10 000 V erzeugen. Schlägt beispielsweise ein Blitz in ein Gebäude ein, das über einen äußeren Blitzschutz verfügt, oder auch in einen Baum in der Umgebung, so entsteht ein Spannungstrichter, und das Erdpotenzial steigt auf mehrere 1 000 V an.
Höhe und Intensität der Überspannungen hängen wiederum von der Blitzstärke und vom Bodeninnenwiderstand ab. Wenn die Isolationsfestigkeit der Komponenten überschritten wird, wird die Isolation an der schwächsten Stelle überschlagen. Elektronisches Gerät, LED-Modul, Versorgungsleitung oder Kabelübergangskasten werden beschädigt oder zerstört. Bei Isolationsfehlern besteht immer die Gefahr für Leib und Leben, und im ungünstigen Fall kann es beim Berühren metallischer Teile, etwa beim Leuchtenmast, zum Stromschlag kommen.
Auch durch kapazitive oder induktive Einkopplung in der Versorgungsleitung können Überspannungen entstehen. Verantwortlich dafür ist der fließende Blitzstrom zu Erde. So erzeugt beispielsweise der Stromfluss in den Ableitungen vom äußeren Blitzschutzsystem ein elektromagnetisches Feld um sich herum, das wiederum Überspannungen in die parallel verlaufende Versorgungsleitung induziert.
Bei einem direkten Blitzeinschlag in den Baum ist ebenfalls mit derartigen Effekten zu rechnen – auch hier kann unter ungünstigen Umständen die Straßenbeleuchtung ausfallen. Ein umfassendes Blitzstrom- und Überspannungsschutzkonzept schützt auch in diesem Fall die LED-Leuchten vor Überspannungen und erhöht damit die Verfügbarkeit der Verkehrsinfrastruktur.
Geeignetes Schutzkonzept
Ein mehrstufiges Überspannungsschutzkonzept für ein Straßenbeleuchtungssystem auf LED-Basis konzentriert sich auf drei Installationsorte: direkt in der LED-Leuchte, im Kabelübergangskasten am Mastfuß sowie in den Kabelverteilern der Einspeisung. Durch die Integration eines Typ-2-Überspannungsschutzgeräts in die Leuchte sind die elektronischen Komponenten direkt in der Leuchte vor Überspannungen durch Blitzeinschlag aus der Umgebung geschützt.
Dabei hat der Leuchtenhersteller einen direkten Einfluss auf die Positionierung der aufeinander abgestimmten Komponenten. Außerdem ist zu beachten, dass der Schutzleiter in einer LED-Leuchte der Schutzklasse II mit doppelter oder verstärkter Isolierung nicht angeschlossen werden darf. Denn zu diesem Zweck gibt es geeignete Überspannungsschutzgeräte zwischen Außenleiter (L) und Neutralleiter (N). Die aktuelle Produktnorm für Leuchten DIN EN 60598-1 (VDE 0711-1) [1], die für die Schutzklassen I und II gilt, besagt, dass bei ortsfesten Leuchten der Schutzklasse II die Überspannungsschutzgeräte nicht gegen Erde oder gegen das metallische Leuchtengehäuse geschaltet werden dürfen. In Leuchten der Schutzklasse I dürfen dagegen Überspannungsschutzgeräte gemäß DIN EN 61643-11 (VDE 0675-6-11) [2] installiert werden.
Auch der Kabelübergangskasten eignet sich zur Installation des Überspannungsschutzgeräts. Der Vorteil gegenüber einer Installation in der Leuchte liegt darin, dass der Schutzleiter in den Kabelübergangskasten mit eingeführt ist. So kann der Schutzleiter für die Beschaltung gegen Erde auch für LED-Leuchten der Schutzklasse II verwendet werden. Damit besteht ein wirksamer Schutz gegen transiente Überspannungen. Vorteilhaft ist dann auch der bequeme Zugang bei der Inspektion oder Nachrüstung. Gerade das Nachrüsten eines geeigneten Überspannungsschutzes wird aus Kosten- und Zeitgründen gern vernachlässigt.
Hohe Flexibilität bei der Verdrahtung
Für beide Installationsorte eignen sich die Überspannungsschutzableiter aus der Produktfamilie Blocktrab von Phoenix Contact. Mit ihrer kompakten Bauform werden die Schutzgeräte problemlos in die bestehende Installation integriert. Außerdem bieten sie dem Anwender eine hohe Flexibilität bei der Verdrahtung. Das gilt nicht nur für die Schraubklemme mit ihrem breiten Anschlussbereich von 0,2 mm2 bis 4 mm2, sondern auch in Bezug auf unterschiedliche Verdrahtungsarten – für die serielle V-Verdrahtung genauso wie für die parallele Stich-Verdrahtung. Damit ­können die Leuchtenhersteller und Installateure bei Neuinstallation und Nachrüstung von Leuchten uneingeschränkt auf Kabellängen, -querschnitte und -farben zugreifen.
Durch die verstärkte Isolierung ist der Einsatz der Schutzgeräte in LED-Anwendungen der Schutzklasse II ohne Weiteres möglich. Für geerdete Systeme steht ein Schutzgerät mit Schutzleiteranschluss zur Verfügung. Der Zustand der Schutzgeräte wird direkt am Gerät signalisiert, und über den sogenannten L‘-Anschluss kann die Signalisierung an die Lampe übertragen werden. Hat die Abtrennvorrichtung des Überspannungsschutzes aufgrund einer Überlastung ­ausgelöst, wird die Leuchte ebenfalls abgeschaltet. Das erleichtert die routinemäßige Überprüfung der Überspannungsschutzgeräte.
Die Schutzgeräte sind mit einem niedrigeren Schutzpegel (L-N < 1,3 kV) für typische LED-Anwendungen ausgelegt. Denn die Schutzwirkung ist nur dann gegeben, wenn der Schutzpegel des Überspannungsschutzgeräts unterhalb der Stoßspannungsfestigkeit der Leuchtmittel und des LED-Treibers liegt. Außerdem wurden die Überspannungsschutzgeräte aus der Blocktrab-Familie von der Dekra auf Qualität und Sicherheit überprüft und nach der aktuellen DIN EN 61643-11 (VDE 0675-6-11) durch die Kema-Zulassung zertifiziert. Der Anwender profitiert so nicht nur von der erhöhten Sicherheit, sondern auch von einem finan ­ziellen Vorteil bei weiteren Zulassungen für die LED-Leuchte – beispielsweise nach Enec (European Norms Electrical ­Certification).
Für den Schutz in den Stromkreisverteilern sind Kombi ­ableiter aus Typ 1 und Typ 2 zu empfehlen. Die Ableiter schützen vor direkten Blitzeinschlägen und transienter Überspannung, die durch indirekte Auswirkungen eines Blitzes oder durch Schalthandlungen entstehen. Damit sind alle speisenden LED-Leuchten gegen direkte und indirekte Blitzbeeinflussungen aus dem Verteilnetz geschützt.
Fazit
Blitzeinschläge und deren Folgen sind nicht vorhersehbar, aber mit geeigneten Schutzkomponenten beherrschbar. Die Leuchtenindustrie hat in den letzten Jahren große ­Fortschritte gemacht und dabei besonders auf energieeffiziente LED-Technik gesetzt. Weil diese Technik empfindlicher gegen Überspannungen ist als konventionelle Beleuchtungstechnik, kommen hier auch spezifische Schutzmechanismen zum Tragen. So ist ein geeignetes Schutzkonzept für die empfindliche LED-Beleuchtung ein wichtiger Faktor, wenn es darum geht, die Lebensdauer der LED-Leuchten zu erhöhen und die Investitionen in die neue Technik langfristig zu sichern.
Literatur
[1] DIN EN 60598-1 (VDE 0711-1):2015-10 Leuchten – Teil 1: ­Allgemeine Anforderungen und Prüfungen. Berlin . Offenbach: VDE VERLAG
[2] DIN EN 61643-11 (VDE 0675-6-11):2013-04 Überspannungsschutzgeräte für Niederspannung – Teil 11: Überspannungsschutzgeräte für den Einsatz in Niederspannungsanlagen – ­Anforderungen und Prüfungen. Berlin . Offenbach: VDE VERLAG
www.phoenixcontact.de/LED-Schutz

Autor:
Dipl.-Ing. Andreas Schamber ist als Produktmanager Power Protection für die Phoenix Contact GmbH & Co. KG in Blomberg tätig.