Blitz- und Überspannungsschutz für LED-Straßenbeleuchtung ...€¦ · Blitz- und...

12
L L L' N PE LED/ end device Blitz- und Überspannungsschutz für LED-Straßenbeleuchtung Stand 09/2017

Transcript of Blitz- und Überspannungsschutz für LED-Straßenbeleuchtung ...€¦ · Blitz- und...

Page 1: Blitz- und Überspannungsschutz für LED-Straßenbeleuchtung ...€¦ · Blitz- und Überspannungsschutz für LED-Straßenbeleuchtung Kapitel 1. Blitz- und Überspannungsschutz für

L

LL'

N

PE

LED/enddevice

Blitz- und Überspannungsschutz für LED-Straßenbeleuchtung Stand 09/2017

Page 2: Blitz- und Überspannungsschutz für LED-Straßenbeleuchtung ...€¦ · Blitz- und Überspannungsschutz für LED-Straßenbeleuchtung Kapitel 1. Blitz- und Überspannungsschutz für

Die Inhalte der Merkblätter informieren zu bestimmten Sachthemen. Sie basieren auf den derzeit gültigen und bekannten Vorschriften und Bestimmungen sowie auf unseren Erfahrungen. Eine allgemeingültige Rechtsverbindlichkeit und Vollständigkeit kann aus dieser Unterlage nicht ab-geleitet werden.

Page 3: Blitz- und Überspannungsschutz für LED-Straßenbeleuchtung ...€¦ · Blitz- und Überspannungsschutz für LED-Straßenbeleuchtung Kapitel 1. Blitz- und Überspannungsschutz für

Inhaltsverzeichnis

Kapitel 1. Blitz- und Überspannungsschutz für LED-Straßenbeleuchtung . . . . . . .4

Kapitel 1.1 Grundlage. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4

Kapitel 1.2 Gefahren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4

Kapitel 2. Straßenbeleuchtung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6

Kapitel 2.1 Schäden und Reparaturkosten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6

Kapitel 2.2 Ausführung der Erdungsanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6

Kapitel 2.3 Installationsort des Blitz- und Überspannungsschutzes . . . . . . . . . . . . . . . . .7

Kapitel 3. Schaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9

Kapitel 3.1 Paralleler Anschluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9

Kapitel 3.2 Serieller Anschluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9

Kapitel 4. Fazit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10

Kapitel 5. Übersicht Varianten Überspannungsschutzmodule . . . . . . . . . . . . . . . . .11

Page 4: Blitz- und Überspannungsschutz für LED-Straßenbeleuchtung ...€¦ · Blitz- und Überspannungsschutz für LED-Straßenbeleuchtung Kapitel 1. Blitz- und Überspannungsschutz für

4

Blitz- und Überspannungsschutz für LED-Straßenbeleuchtung

Kapitel 1. Blitz- und Überspannungsschutz für LED-Straßenbeleuchtung

Kapitel 1.1 GrundlageAufgrund ihrer Lichtstärke, Energieeffizienz und Robustheit eignen sich LED-Leuchten optimal für die Signal- und Straßenbeleuchtung. Da LED-Leuch-ten bei gleicher Leuchtkraft bis zu 70 Prozent weniger Energie als herkömmli-che Leuchtmittel verbrauchen, tragen Sie erheblich zur Senkung der Energie-kosten bei.

Kapitel 1.2 GefahrenStraßenleuchten sind durch ihre exponierte Lage nahen und direkten Blitzein-schlägen und Überspannungen umittelbar ausgesetzt. Diese Belastungen kön-nen zur Minderung der Lichtstärke oder zur Zerstörung der Vorschaltgeräte führen. Es drohen vorzeitiger Ausfall sowie hohe Reparaturkosten, welche die Amortisationszeit verlängern. Dementsprechend sollte eine geeignete Über-spannungsschutzeinrichtung (SPD - Surge protective device) gegen Schädi-gung durch Blitz- oder Überspannungen eingesetzt werden.

Die VDE 0100-100 (IEC 60364) fordert den Schutz gegen Blitze und Überspan-nungen für Personen, Nutztiere und Sachwerte. Der Schutzbedarf gegen die Auswirkungen von Blitzen lässt sich durch eine Risikoanalyse nach der Blitz-schutz-Norm VDE 0185-305 (IEC 62305) ermitteln. Seit Oktober 2016 gilt die neue VDE 0100-443 (IEC 60364-4-443), die einen Überspannungsschutz min-destens am Speisepunkt jeder elektrischen Anlage vorschreibt. Werden Stra-ßenzüge aus Gebäuden elektrisch gespeist, muss am Gebäudeeintritt ein Po-tentialausgleich mit geeignetem Überspannungsschutz durchgeführt werden.

Blitzeinschlag mit Zerstörung durch Brand und Überspannungen

Ausfall aufgrund von Überspannungen

Elektrische Geräte der Überspannungskategorie I, z. B. die elektronischen Vor-schaltgeräte bzw. LED-Treiber, sind nach VDE 0100-443 (IEC 60364-4-443) Tabelle 1 mit einer Stoßspannungsfestigkeit von 1.500 Volt und bei Überspan-nungskategorie II mit 2.500 Volt auszulegen. Blitze und Schalthandlungen er-zeugen jedoch in der Regel Überspannungen von bis zu mehreren 10.000 Volt, die deutlich über den genannten Stehstoß-Spannungsfestigkeiten liegen. Zum Schutz gegen Überspannungen benötigen moderne LED-Leuchten einen ex-ternen Überspannungsschutz.

Page 5: Blitz- und Überspannungsschutz für LED-Straßenbeleuchtung ...€¦ · Blitz- und Überspannungsschutz für LED-Straßenbeleuchtung Kapitel 1. Blitz- und Überspannungsschutz für

5

Blitz- und Überspannungsschutz für LED-Straßenbeleuchtung

Beispiel: Überspannung beim Blitzeinschlag

Blitzeinschlag mit 100 kA und einem Erdungswiderstand von 1 Ohm

U = R x l = 1 Ohm x 100 kA = 100 kV zur fernen Erde der Energieversorgung (Trafosternpunkt-Erdung)

Durch den Spannungstrichter fällt die Spannung vom Einschlagspunkt ab.

Abstand in m vom Einschlagort

0 30 60 90 120 150 300 450

Spannung in kV zur fernen Erde

100 36 20 12 9 6 4 3

Tabelle 1: Spannung zur fernen Erde (Trafosternpunkt-Erdung)

Page 6: Blitz- und Überspannungsschutz für LED-Straßenbeleuchtung ...€¦ · Blitz- und Überspannungsschutz für LED-Straßenbeleuchtung Kapitel 1. Blitz- und Überspannungsschutz für

6

Straßenbeleuchtung

Kapitel 2. Straßenbeleuchtung

Kapitel 2.1 Schäden und ReparaturkostenBei Straßenbeleuchtungen verursacht der Austausch von defekten Bauteilen neben den Kosten der Hardware auch hohe Kosten für den Einsatz von Hub-steiger und Personal. Vorgeschaltete Überspannungsschutzgeräte reduzieren die Impulse und schützen die Leuchte.

Straßenzüge werden über Verteilerkästen versorgt, in denen die Steuerungen und Schutzkomponenten eingebaut sind. Die Spannung wird im Anschluss-raum des Masts über Erdkabel eingespeist und versorgt die Leuchte. Durch Überspannungschutzeinrichtungen (SPD) werden die Ausbreitung der Über-spannungen minimiert und Schäden durch Überspannungen reduziert.

Kapitel 2.2 Ausführung der ErdungsanlagenDas Versorgungskabel kann durch einen darüber liegenden optionalen Er-dungsleiter gegen Zerstörung durch Blitzströme im Erdreich geschützt werden. Nach der aktuellen Blitzschutznorm VDE 0185-305-3 (DIN EN 62305-3) ist die-ser Erdungsleiter 0,5 Meter über dem Versorgungskabel anzuordnen.

Durch den Erdungsleiter werden Potentialunterschiede ausgeglichen und Überschläge zum Versorgungskabel minimiert.

Bild 1: Verlegung Erdungsleiter und Versorgungskabel

Legende:1 Erdungsleiter unisoliert2 Versorgungskabel

Die zusätzliche Erdung des Leuchtenmasts sollte in Bereichen mit erhöhtem Personenaufkommen erfolgen, z.B. auf Parkplätzen oder an Haltestellen (Beleuchtungsklassen CE0 bis CE5).

Bild 2: Bild 2: Erdung am Leuchtenmast, z. B. Beleuchtungsklasse CE 5

Page 7: Blitz- und Überspannungsschutz für LED-Straßenbeleuchtung ...€¦ · Blitz- und Überspannungsschutz für LED-Straßenbeleuchtung Kapitel 1. Blitz- und Überspannungsschutz für

7

Straßenbeleuchtung

Kapitel 2.3 Installationsort des Blitz- und ÜberspannungsschutzesÜberspannungsschutz ist zum sicheren Betrieb notwendig. Entscheidend für die Schutzwirkung ist, dass der Schutzpegel des Überspannungsschutzgerä-tes unterhalb der Stoßspannungsfestigkeit der Leuchtmittel und des LED-Trei-bers liegt.

Überspannungsschutzgeräte müssen der Prüf-Norm VDE 0675-6-11 (IEC/EN 61643-11) entsprechen und Stoßströme von mehreren tausend Ampere mehr-fach zerstörungsfrei ableiten können. Nach Prüfnorm muss jedes Schutzgerät thermisch überwacht und im Defektfall sicher abgetrennt werden.

In der Leuchtennorm VDE 0711-1 (EN 60598-1) Leuchten – Teil 1: „All-gemeine Anforderungen und Prüfungen“ ist unter Punkt 4.32 festgelegt: „Überspannungs-Schutzeinrichtungen müssen VDE 0675-6-11 (IEC/EN 61643-11) entsprechen.“

Der Kabelübergangskasten im Leuchtenmast ist der Speisepunkt für die Leuch-te. Ein Überspannungsschutzgerät (SPD) schützt vor transienten Spannungen durch Blitzeinschläge in die Versorgungsleitung. Das SPD im Kabelübergangs-kasten des Mastes ist leicht erreichbar und die Gerätemontage, Wartung oder der Ersatz ist gut möglich.

Die einzelnen Straßenleuchten werden vom Steuerschrank bzw. dem Straßen-hauptverteiler aus versorgt. Überspannungen aus dem Versorgungsnetz kön-nen an dieser Stelle zentral abgefangen werden, bevor sie zu den einzelnen Leuchten gelangen. Der Über spannungsschutz als Barriere in diesem Verteiler ist eine wirtschaftlich sinnvolle Investition.

Bei einem Blitzeinschlag in die Mastleuchte fließt ein großer Teil des Blitzstroms direkt ins Erdreich und erzeugt eine Potentialdifferenz zum Versorgungskabel. Der direkte Blitzeinschlag ist nur mit erhöhtem Aufwand wie z.B. einer isolierten Fangeinrichtung zu beherrschen. Durch Überspannungsschutzgeräte muss ein Potentialausgleich zur Minimierung der Schäden erfolgen (Bild 3).

Bild 3: Geräteübersicht zur Schadensminimierung bei Blitzeinschlag und Blitzteilströmen

Legende:1 Steuerschrank mit Elektronik Typ 1 + 22 Anschlusskasten der Mastleuchte Typ 2 + 3 (Empfohlener Montageort)3 Lampenkopf mit LED-System Typ 2 + 34 Erdungsleiter unisoliert5 Versorgungskabel

Page 8: Blitz- und Überspannungsschutz für LED-Straßenbeleuchtung ...€¦ · Blitz- und Überspannungsschutz für LED-Straßenbeleuchtung Kapitel 1. Blitz- und Überspannungsschutz für

8

Straßenbeleuchtung

Installationsort Schutzgerät Beschreibung Artikel-Nr.:

1 Steuerschrank

Einspeisung V50 3+NPE-280 Typ 1+2 Kombiableiter 5093 5262 Mast

Anschlussraum ÜSM-LED-20-230/1P + PE Typ 2 + 3 Überspannungsschutz 5092 4313 Lampenkopf (optional - Schutzklasse prüfen!)

Vor dem LED Treiber ÜSM-LED-20-230/1P + PE Typ 2 + 3 Überspannungsschutz 5092 431Tabelle 2: Auswahl der Schutzgeräte

Ein Blitzeinschlag in einem Umkreis von bis zu 1,5 km erzeugt eine Überspan-nung, die leitungsgebunden über das Versorgungskabel die Beleuchtung trifft (Bild 4). Diese Überspannungen können elektronische Bauteile zerstören. Hier müssen Überspannungsschutzgeräte einen Potentialausgleich zur Minimie-rung der Schäden bilden (Bild 4)

Bild 4: Geräteübersicht zur Schadensminimierung bei Überspannungen

Legende:1 Steuerschrank mit Elektronik Typ 22 Anschlusskasten der Mastleuchte Typ 2 + 3 (Empfohlener Montageort)3 Lampenkopf mit LED-System Typ 2 + 34 Erdungsleiter unisoliert5 Versorgungskabel

Installationsort Schutzgerät Beschreibung Artikel-Nr.:

1 Steuerschrank

Einspeisung 3-Phasen V20 3+NPE-280 Typ 2 Überspannungsschutz 5095 2532 Mast

Anschlussraum ÜSM-LED-20-230/1P + PE Typ 2 + 3 Überspannungsschutz 5092 4313 Lampenkopf (optional - Schutzklasse prüfen!)

Vor dem LED-Treiber ÜSM-LED-20-230/1P + PE Typ 2 + 3 Überspannungsschutz 5092 431Tabelle 3: Auswahl der Schutzgeräte

Induktionen durch nahe Blitze werden durch den metallischen Mast und ein Metallgehäuse deutlich minimiert. Der Überspannungsschutz im Mast-An-schlussraum ist in diesem Fall leicht zugänglich und einfach überprüfbar.

Page 9: Blitz- und Überspannungsschutz für LED-Straßenbeleuchtung ...€¦ · Blitz- und Überspannungsschutz für LED-Straßenbeleuchtung Kapitel 1. Blitz- und Überspannungsschutz für

9

Schaltung

Kapitel 3. SchaltungDas Überspannungsschutzgerät ÜSM-LED-20-230/1P + PE kann seriell oder parallel zu den Leuchten installiert werden. Durch die unterschiedliche Schal-tung kann die Verfügbarkeit maximiert werden (paralleler Anschluss) oder beim Defekt am Schutzgerät die Leuchte abgeschaltet werden (serieller Anschluss).

Kapitel 3.1 Paralleler AnschlussDas Überspannungsschutzgerät wird vor die LED-Leuchte geschaltet.

L

N

PE

L

L'LED/enddevice

Bild 5: Beispiel ÜSM-20-230I 1P+PE: 5092431

Ausfallverhalten: Die Anzeige am Überspannungsschutzgerät ÜSM-LED-20-230/1P + PE erlischt. Der Überspannungsschutz wird abgetrennt. Die LED-Leuchte leuchtet ohne Schutz weiter.

Kapitel 3.2 Serieller AnschlussDer Überspannungsschutz wird in Reihe zur LED-Leuchte geschaltet.

L

LL'

N

PE

LED/enddevice

Bild 6: Beispiel ÜSM-20-230I 1P+PE: 5092431

Ausfallverhalten: Die Anzeige am Überspannungsschutzgerät ÜSM-LED-20-230/1P + PE erlischt. Der Überspannungsschutz und der Stromkreis (L´) wer-den abgetrennt. Der Ausfall wird zusätzlich durch das Erlöschen der Leuchte signalisiert.

Page 10: Blitz- und Überspannungsschutz für LED-Straßenbeleuchtung ...€¦ · Blitz- und Überspannungsschutz für LED-Straßenbeleuchtung Kapitel 1. Blitz- und Überspannungsschutz für

10

Fazit

Kapitel 4. FazitÜberspannungsschutzgeräte vor den elektronischen LED-Treibern stellen eine sichere Barriere gegen Überspannungen dar. Die Lebensdauer der LED-Leuch-ten wird gewährleistet und die Investition gesichert.

Bei der Straßenbeleuchtung lassen sich enorme Kosten für die Energie einspa-ren. Der Return of Invest kann sich jedoch aufgrund eines vorzeitigen Ausfalls durch einen Überspannungsschaden in die Zukunft verschieben. Durch ge-eignete Schutzmaßnahmen lassen sich unnötige Wartungseinsätze vermeiden und die Langlebigkeit, Verfügbarkeit und Investition schützen.

Die Überspannungsschutzgeräte (SPDs) im zentralen Straßenverteiler bzw. Steuerschrank und im Kabelübergangskasten des Mastes bieten ein wirkungs-volles stufiges Schutz konzept gegen Überspannungen.

Für Beleuchtungsanlagen stellt z.B. das OBO-ProtectPlus-Programm sichere Lösungen zur Verfügung.

Page 11: Blitz- und Überspannungsschutz für LED-Straßenbeleuchtung ...€¦ · Blitz- und Überspannungsschutz für LED-Straßenbeleuchtung Kapitel 1. Blitz- und Überspannungsschutz für

11

Übersicht Varianten Überspannungsschutzmodule

Kapitel 5. Übersicht Varianten Überspannungsschutzmodule

Typ ÜSM-20-230I1P+PE

ÜSM-20-230I1PE65

ÜSM-10-230I1P-0

ÜSM-10-230I1P+PE

ÜSM-10-230I2P-0

ÜSM-10-230I2P+PE

Ausführung 1polig + NPE für SK I

1polig + NPE für SK I

1polig ohne PE für SK II

1polig + NPE für SK I

2polig ohne PE für SK II

2polig + NPE für SK I

SPD nach EN 61643-11 Typ 2+3 Typ 2+3 Typ 2+3 Typ 2+3 Typ 2+3 Typ 2+3Höchste Dauerspannung 255 V (AC) 255 V (AC) 255 V (AC) 255 V (AC) 255 V (AC) 255 V (AC)Max. Ableitstoßstrom (8/20) 20 kA 20 kA 10 kA 10 kA 10 kA 10 kANennableitstoßstrom (8/20) 10 kA 10 kA 5 kA 5 kA 5 kA 5 kALeerlaufspannung 10 kV 10 kV 10 kV 10 kV 10 kV 10 kVSchutzpegel (L-N / L/N-PE) 1300 / 1300 V 1500 / 1600 V 1300 V 1300 / 1300 V 1300 V 1300 / 1300 VSchutzart IP20 IP65 IP20 IP20 IP20 IP20Art.-Nr. 5092 43 1 5092 43 3 5092 42 0 5092 42 2 5092 42 4 5092 42 6

Page 12: Blitz- und Überspannungsschutz für LED-Straßenbeleuchtung ...€¦ · Blitz- und Überspannungsschutz für LED-Straßenbeleuchtung Kapitel 1. Blitz- und Überspannungsschutz für

OBO Bettermann Vertrieb Deutschland GmbH & Co. KG

Langer Brauck 25

58640 Iserlohn

DEUTSCHLAND

Kundenservice Deutschland

Tel.: +49 23 71 78 99 - 20 00

Fax: +49 23 71 78 99 - 25 00

www.obo.de

OB

O B

ette

rman

n O

PTO

170

471

Sta

nd S

epte

mbe

r 201

7 D

E A

rtik

elnu

mm

er 9

1319

39

Building Connections