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Ratgeber

Überspannungsableiter und Gasableiter

Elektrische und elektronische Geräte reagieren bekanntlich äußerst empfindlich auf hohe Spannungsspitzen. Aus diesem Grund wurden schon vor vielen Jahren Methoden und Systeme entwickelt, die schädliche Überspannungen zur Erde ableiten, noch bevor sie Schaden anrichten können. Wie solche Schutz-Ableiter funktionieren, welche Einsatzbereiche infrage kommen und worauf bei der Beschaffung zu achten ist, erfahren Sie in diesem Ratgeber.

  • Häufige Ursachen für Überspannungen

  • Wie funktionieren Überspannungsableiter?

  • Auswahlkriterien für die Beschaffung von Gasableitern

  • FAQ – häufig gestellte Fragen

Blitzeinschläge können zu Überspannungen führen


Häufige Ursachen für Überspannungen

Brand durch Überspannung

Je nach ihrer Art werden Überspannungen in zwei Kategorien eingeteilt: Hohe Spannungsspitzen aufgrund von Blitzeinschlägen und von Schaltvorgängen.

Gewitter sind sehr häufig und gefährlich. Experten schätzen, dass auf der Erde täglich etwa 1000 Gewitter mit etwa 4 bis 10 Millionen Blitzen stattfinden. Im Durchschnitt sind das rund 50 Blitzeinschläge pro Sekunde. Wenn ein Blitz einschlägt, verursacht er einen Stromimpuls, der Zehntausende von Ampere erreichen kann. Diese Entladung erzeugt eine Überspannung in elektrischen Leitungen und kann Brände, Schäden an Geräten und sogar Todesopfer verursachen.

Schaltüberspannungen entstehen in elektrischen Leitungen hauptsächlich durch das Schalten großkalibriger Elektromotoren. Es handelt sich dabei um hohe induktive Lasten, deren Ein- und Ausschalten hohe Spannungsspitzen verursachen kann. Ähnliches passiert beim Ein- und Ausschalten eines Schweißgeräts. Aber auch Fehler im Stromversorgungsnetz können Überspannungen verursachen. So reagieren Leistungsschalter im Fall eines Kurzschlusses durch Ausschalten und anschließendem automatischen Wiedereinschalten, wenn es sich um einen vorübergehenden Fehler handelt.



Wie funktionieren Überspannungsableiter?

Ein Überspannungsableiter ist ein Gerät beziehungsweise Bauteil zum Schutz vor Überspannungen bei Blitzschlägen oder Schaltvorgängen. Um ein Gerät vor Überspannungen zu schützen, wird ein Überspannungsableiter an den Leiter angeschlossen, kurz bevor dieser in das Gerät eintritt. Der Ableiter ist zudem auch mit der Erde verbunden. Tritt eine Überspannungstransiente auf, leitet er deren Energie zur Erde, während er den Leiter bei normalen Betriebsspannungen von der Erde isoliert. Erreicht wird dies in der Regel durch Supressordioden, Varistoren und Gasableiter. 

Hier kurz deren Wirkungsprinzip:

  • Suppressordioden bieten einen Schutz elektronischer Schaltungen vor elektrostatischen Entladungen. Sie werden häufig zum Überspannungsschutz von Eingängen verwendet. Eine USB-Buchse oder ein USB-Anschluss ist ein typischer Einsatzfall, da hier elektrostatische Entladungen häufig auftreten. Wenn beispielsweise jemand über einen Teppich läuft, um ein USB-Kabel einzustecken, kann sich eine Ladung aufbauen, die eine elektrostatische Entladung am USB-Eingang verursacht. Die Suppressordiode fängt den Stromstoß ab und unterbricht die Verbindung, bevor die für den USB-Chip maximale Belastung erreicht ist. Suppressordioden reagieren zwar sehr schnell auf Überspannungen, besitzen jedoch nur eine relativ geringe Strombelastbarkeit.

  • Der Begriff Varistor ist ein Kofferwort auf den englischen Wörtern „variable“ und „resistor“, zu Deutsch „variabel“ und „Widerstand“. Es handelt sich um ein elektronisches Bauteil, dessen elektrischer Widerstand sich mit der angelegten Spannung ändert. Er wird auch als spannungsabhängiger Widerstand bezeichnet. Das Besondere: Der Varistor besitzt eine nichtlineare, nichtohmsche Strom-Spannungs-Kennlinie, die der einer Diode ähnelt. Im Gegensatz zu einer Diode zeigt er jedoch für beide Richtungen des durchfließenden Stroms die gleiche Charakteristik.

    Traditionell wurden Varistoren durch die antiparallele Schaltung von zwei Gleichrichtern aus Kupfer-Oxid oder Germanium-Oxid hergestellt. Moderne Varistoren basieren in erster Linie auf gesinterten keramischen Metalloxidmaterialien, die nur auf mikroskopischer Ebene ein Richtungsverhalten aufweisen. Dieser Typ ist allgemein als Metalloxidvaristor oder kurz MOV bekannt. Bei niedriger Spannung besitzt der Varistor einen hohen elektrischen Widerstand, der mit steigenden Volt-Werten abnimmt. 

    Varistoren werden als Steuer- oder Kompensationselemente in Schaltkreisen verwendet, um entweder optimale Betriebsbedingungen zu schaffen oder zum Schutz vor übermäßigen Spannungsspitzen. Wenn sie als Überspannungsschutz verwendet werden, leiten sie den Strom von empfindlichen Bauteilen ab.

  • Ein weiteres gängiges Bauteil für den Überspannungsschutz ist der Gasableiter. Diese Entladungsröhre erfüllt die gleiche Aufgabe wie ein Varistor, sie leitet ebenfalls Überspannungen an den Erdanschluss weiter.

    Dazu verwendet der Gasableiter ein inertes Edelgas als Leiter zwischen den beiden Leitungen: Bei relativ niedriger Spannung – zum Beispiel bis 600 Volt – leitet das Edelgas nur sehr schlecht oder gar nicht. Übersteigt die Spannung einen Wert von einigen Kilovolt, wird das Edelgas ionisiert und damit leitfähig. Der Gasableiter leitet den Strom an die Erdleitung weiter, bis die Spannung wieder normale Werte erreicht und die Leitfähigkeit des Gasableiters erlischt.



Auswahlkriterien für die Beschaffung von Gasableitern

Bei der Auswahl eines Überspannungsschutzes ist als wichtigstes Kriterium die Schutzklasse zu berücksichtigen. Sie wird in drei Bereiche eingeteilt: Grob-, Mittel- und Feinschutz beziehungsweise Typ1, Typ 2 und Typ 3.

Blitzstromableiter gehören in die Schutzklasse Grobschutz (Typ 1) mit einem Spannungspegel von etwa 4000 Volt. Ihre Installation erfolgt noch vor den Stromzählern. Sie begrenzen damit eventuell über das Stromversorgungsnetz eindringende Überspannungen und verhindern unkontrollierte Überschläge in der Gebäudeinstallation.

Überspannungsableiter aus dem Bereich Mittelschutz (Typ 2) sind für die Installation in Gebäuden und dort in der Regel auf den Etagenebenen vorgesehen. Sie begrenzen die durch den Typ-1-Ableiter durchdringenden restlichen Überspannungen auf weniger als 600 bis 2000 Volt. In der Regel werden dazu Varistoren verwendet, um kurze Ansprechzeiten und niedrige Schutzpegel zu erreichen.

Ableiter für den Feinschutz (Typ 3) können definitionsgemäß nur relativ kleine Überspannungen unterdrücken. Dazu gehören beispielsweise Schaltvorgänge im Haus wie das Betätigen von Lichtschaltern oder das Ein- und Ausschalten von kleineren Motoren etwa denen in Staubsaugern.

Gasableiter


FAQ – häufig gestellte Fragen

Wo lassen sich Normen und Vorschriften für die Installation von Bauteilen für den Überspannungsschutz nachlesen?

Im Bereich des Blitzschutzes gilt die Norm DIN EN 62305 beziehungsweise VDE 0185-305. Geht es um den Feinschutz, ist das „Elektromagnetische-Verträglichkeit-Gesetz“ oder kurz EMVG eine gute Quelle. Es gilt für alle Betriebsmittel, die elektromagnetische Störungen verursachen oder durch sie beeinträchtigt werden können.

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