Surge Protection Device im Schaltschrank

Wie Überspannungsschutz nach UL 1449 und NFPA 79 richtig eingeplant wird

Warum ein SPD im Schaltschrank heute Pflicht ist

Industriemaschinen werden komplexer. Sicherheitskreise überwachen Türen, Not-Halt, Lichtgitter und weitere Schutzeinrichtungen. Genau diese Sicherheitskreise sind nach NFPA 79 in Verbindung mit dem NEC nur mit Überspannungsschutz zulässig. Für Maschinen mit Safety-Schaltungen verlangt die Norm Surge Protective Devices, um die Auswirkungen von transienten und schaltbedingten Überspannungen zu begrenzen.

Ohne SPD besteht das Risiko von Ausfällen von Sicherheitsrelais, Steuerungen oder Kommunikationsbaugruppen. Im ungünstigsten Fall kommt es zu einem Maschinenstillstand oder zu einer Beeinträchtigung der Sicherheitsfunktion.

Was ist ein Surge Protection Device

Ein Surge Protection Device, abgekürzt SPD, ist ein Schutzgerät, das kurzzeitige Überspannungen auf ein für angeschlossene Betriebsmittel verträgliches Niveau begrenzt und den zugehörigen Stoßstrom in das Erdungssystem ableitet.

Daniel Ernst

UL508A MTR / techn. Projektierung

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Wichtige Aspekte in der Anwendung:

Ein SPD arbeitet nur bei transienten Ereignissen, im Normalbetrieb ist es nahezu hochohmig und beeinflusst die Schaltung kaum.
Wird eine festgelegte Ansprechspannung überschritten, wird das SPD leitend, begrenzt die Spannung und leitet den Stoßstrom ab.
Die Bemessungsdaten wie Nennspannung, maximaler Ableitstoßstrom und Schutzpegel müssen zur konkreten Anwendung passen.

Was ist eine Überspannung

In der Elektrotechnik liegt eine Überspannung vor, wenn die an einem System anliegende Spannung über der vorgesehenen Nennspannung des Systems liegt. Die Nennspannung ist vom Hersteller definiert und beschreibt den Spannungsbereich, in dem ein Gerät dauerhaft betrieben werden darf.

Wird dieser Bereich deutlich überschritten, können Isolationen durchschlagen, Bauteile thermisch überlastet werden oder Lichtbögen entstehen. Das führt zu defekten Komponenten sowie zu Sekundärschäden durch Brand oder Produktionsstillstand.

Typische Ursachen für Überspannungen in Industrieanlagen

In industriellen Netzen treten Überspannungen in verschiedenen Betriebssituationen auf.

Typische Quellen sind:

Direkte oder indirekte Blitzeinwirkungen auf das Versorgungsnetz oder benachbarte Leitungen
Schalthandlungen im Energieversorgungsnetz
Schalthandlungen im eigenen Betrieb, zum Beispiel beim Zuschalten großer Motoren oder Umrichter
Fehlerhafte Verdrahtung oder Erdung
Schalthandlungen von Lastschützen in Maschinen mit hohen induktiven Lasten

Viele dieser Ereignisse dauern nur Mikrosekunden bis Millisekunden, liefern aber hohe Energiemengen. Für diese transiente Belastung werden SPDs ausgelegt.

Überspannungsschutz ist kein Blitzschutz

Überspannungsschutz und Blitzschutz erfüllen unterschiedliche Aufgaben.

Überspannungsschutzgeräte schützen elektrische Betriebsmittel vor transienten Überspannungen, etwa durch ferne Blitzeinwirkungen und Schaltvorgänge.
Blitzschutzsysteme für Gebäude führen einen direkten Blitzeinschlag in ein definiertes Ableitsystem und schützen das Bauwerk vor mechanischen und thermischen Schäden.

Ein SPD im Schaltschrank ersetzt keinen äußeren Blitzschutz und kein Blitzstromableitsystem. Es ergänzt diese Systeme und schützt die angeschlossenen Geräte und Schaltungen.

Technologien in Surge Protection Devices

SPDs nutzen unterschiedliche nichtlineare Bauelemente. In der Praxis werden häufig mehrere Technologien kombiniert, um Grob- und Feinschutz zu realisieren.

– Gasableiter (GDT)

Gasableiter bestehen aus einer mit Gas gefüllten Kapsel mit zwei oder drei Elektroden. Wird eine bestimmte Zündspannung überschritten, ionisiert das Gas und es entsteht ein leitender Plasmakanal. Der Widerstand fällt stark ab und der Stoßstrom fließt über den Gasableiter ab.

Typische Eigenschaften:

Hohe Ableitströme möglich
Geringe Eigenkapazität, gut geeignet für Hochfrequenzanwendungen
Längere Ansprechzeit im Vergleich zu Varistoren oder Suppressordioden
Nicht für dauerhaften Stromfluss geeignet, daher meist in Kombination mit Sicherungen eingesetzt

– Suppressordioden (TVS)

Transient Voltage Suppressor Dioden sind speziell ausgelegte Zener oder Avalanche Dioden. Sie werden parallel zu den zu schützenden Bauteilen geschaltet. Überschreitet die Spannung eine definierte Durchbruchspannung, werden sie leitend und begrenzen die Spannung sehr schnell.

Typische Eigenschaften:

Sehr kurze Ansprechzeit im Nanosekundenbereich
Geeignet für den Schutz empfindlicher Halbleiter
Begrenzte Energieaufnahme
Höhere Eigenkapazität als Gasableiter, daher weniger geeignet für hochfrequente Signale mit engen Anforderungen an die Signalform

– Varistoren (MOV)

Metalloxid-Varistoren bestehen meist aus Zinkoxid-Keramik. Ihr Widerstand ist spannungsabhängig.
Bei normaler Betriebsspannung ist der Widerstand hoch. Bei Überspannung sinkt der Widerstand stark ab, die Energie wird in Wärme umgesetzt und der Stoßstrom abgeleitet.

Typische Eigenschaften:

Schnelle Ansprechzeit
Hohe Energiebewältigung
Deutliche Eigenkapazität mit dämpfender Wirkung bei hohen Frequenzen
Alterung bei wiederholter Überspannungsbelastung

In modernen SPDs werden diese Technologien häufig kombiniert, zum Beispiel Gasableiter mit Varistor oder Varistor mit TVS.
So entsteht ein abgestufter Schutz mit angepasstem Schutzpegel.

Grob- und Feinschutz sinnvoll kombinieren

In der Praxis hat sich eine mehrstufige Schutzstrategie bewährt:

Grobschutz nahe der Einspeisung oder im Hauptverteiler
Mittelschutz in Unterverteilungen oder bei größeren Leitungslängen
Feinschutz direkt an empfindlichen Baugruppen oder Schnittstellen

FAQ

Häufig gestellte Fragen zu UL-zertifizierten Schaltschränken

UL FAQ

Für den Maschinenbau bedeutet das typischerweise:

SPD an der Einspeisung der Maschine oder am Schaltschrank
Zusätzliche Feinschutzmodule direkt an sicherheitsgerichteten Steuerungen, Kommunikationsschnittstellen und Sensorleitungen mit langen Zuleitungen

SPD Typen nach UL 1449

Die UL 1449 ist die zentrale Produktnorm für Surge Protective Devices im nordamerikanischen Raum.
Sie definiert Begriffe, Prüfungen, Kennwerte und Kategorien von SPDs.

Wichtige Typen nach UL 1449:

Type 1 SPDs für die Installation auf der Versorgungsseite oder direkt am Service Equipment, teilweise in Kombination mit Blitzschutzsystemen
Type 2 SPDs für den Einbau auf der Lastseite der Überstromschutzeinrichtung, zum Beispiel in Unterverteilungen oder in Maschinen
Type 3 SPDs für den Einsatz in der Nähe der Verbraucher, etwa als Gerätestecker oder direkt in Geräten integriert
Type 4 und Type 5 beschreiben Baugruppen und Komponenten, die in andere Geräte integriert werden

Für industrielle Maschinen und Schaltschränke sind in der Regel Type 1 oder Type 2 Geräte relevant. Typ 2 SPDs werden häufig im Schaltschrank eingesetzt, um Steuerung und Sicherheitskreise gegen Überspannungen im Versorgungsnetz zu schützen.

NFPA 79 und die Pflicht zum SPD im Sicherheitskreis

Die NFPA 79 legt die Anforderungen an elektrische Ausrüstung von Industriemaschinen fest. In der Ausgabe 2018 wurde eine klare Forderung aufgenommen, die in der Ausgabe 2024 fortgeführt wird. Maschinen mit Sicherheitskreisen müssen mit Surge Protective Devices ausgerüstet werden, um die Auswirkungen von transienten Überspannungen und Schaltüberspannungen zu begrenzen.

Wichtige Punkte für die Planung:

Betroffen sind Maschinen mit Sicherheitskreisen, zum Beispiel Sicherheitsrelais, zweikanalige Schützkombinationen, Sicherheits-SPS oder entsprechende Bussysteme.
Das SPD muss mindestens den Sicherheitskreis schützen, in vielen Fällen ist ein Schutz des gesamten Steuerstromkreises sinnvoll.
In der Praxis verlangen viele Betreiber explizit UL-gelistete SPDs, abgestimmt auf die in Nordamerika gültigen Netzsysteme und Kurzschlussleistungen.

Praktische Auswahlkriterien für ein SPD im Schaltschrank

Damit ein SPD im Schaltschrank nicht nur formal eine Normforderung erfüllt, sondern im Fehlerfall
wirksam schützt, sollten folgende Punkte beachtet werden:

Netzsystem und Nennspannung
Das SPD muss zur Netzform, etwa TN, TT oder IT, und zur Nennspannung der Maschine passen. Die Kennzeichnung nach UL ist sorgfältig zu prüfen.
Bemessungsableitstrom und Kurzschlussfestigkeit
Die Daten des SPD müssen zu den zu erwartenden Stoßströmen passen. Gleichzeitig ist das Zusammenspiel mit der vorgeschalteten Sicherung oder dem Leistungsschalter zu prüfen.
Schutzpegel
Der maximale Restspannungspegel des SPD muss unterhalb der Spannungsfestigkeit der zu schützenden Geräte liegen, mit ausreichender Reserve.
Koordination mehrerer Stufen
Wenn mehrere Schutzstufen eingesetzt werden, müssen sie energetisch und vom Schutzpegel her aufeinander abgestimmt sein. Andernfalls wird die falsche Stufe belastet oder der Schutzpegel bleibt zu hoch.
Umgebung und Montageort
Temperaturbereich, Verschmutzungsgrad und verfügbare Einbaubreite im Schaltschrank sind zu berücksichtigen. Auch Anschlussquerschnitt und Erdungsführung sind kritisch für die tatsächliche Schutzwirkung.

Checkliste für Maschinen mit Sicherheitskreisen

Für Maschinen, die in den nordamerikanischen Markt geliefert werden, kann folgende Checkliste als Orientierung dienen:

Verfügt die Maschine über Sicherheitskreise im Sinne der NFPA 79.
Ist ein SPD vorgesehen, das mindestens den Sicherheitskreis schützt.
Entspricht das SPD UL 1449 in der aktuellen Edition und ist es für die vorgesehene Netzform geeignet.
Sind Ableitstrom, Schutzpegel und Kurzschlussfestigkeit passend zum Netz und zur vorgeschalteten Schutztechnik ausgewählt.
Ist die Leitungsführung zum SPD kurz und direkt ausgeführt, mit geeigneter Erdungsanbindung, damit der Schutzpegel in der Praxis erreicht wird.
Sind zusätzliche Feinschutzmaßnahmen für besonders empfindliche Baugruppen vorgesehen, falls erforderlich.

Kurzfassung

Ein Surge Protection Device ist kein optionales Zubehör. Für Maschinen mit Sicherheitskreisen ist es nach NFPA 79 und den zugehörigen NEC-Vorgaben erforderlich. Ein richtig ausgewähltes und korrekt eingebautes SPD schützt Steuerungen, Sicherheitsbaugruppen und Kommunikationssysteme vor Ausfällen und reduziert das Risiko von Stillständen.

Wenn Netzsystem, Normanforderungen und Schutzbedarf früh in der Planung berücksichtigt werden, lässt sich Überspannungsschutz konsistent in das Gesamtkonzept des Schaltschranks integrieren. Auf diese Weise werden die UL-Anforderungen erfüllt und spätere Nacharbeiten reduziert.