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Ein Überspannungsableiter ist ein Schutzgerät, das transiente Überspannungen begrenzt, indem es den Stoßstrom zur Erde ableitet und die Spannung auf ein für die angeschlossenen Geräte sicheres Niveau reduziert. Im Gegensatz zu Sicherungen oder Leistungsschaltern, die den Stromfluss unterbrechen, reagieren Überspannungsableiter innerhalb von Nanosekunden und setzen sich automatisch zurück - sie bieten einen kontinuierlichen Schutz ohne Unterbrechung des Stromkreises.
In Mittelspannungsnetzen, die mit 10-36 kV betrieben werden, dienen Metalloxid-Überspannungsableiter (MOSAs) als primärer Schutz gegen Blitzeinschläge und Schalttransienten, die andernfalls Transformatoren beschädigen würden, Vakuum-Leistungsschalter, und Kabelabschlüsse. Die richtige Auswahl hängt von drei voneinander abhängigen Parametern ab: Maximale Dauerbetriebsspannung (MCOV), Restspannung und Energieleistung. Jeder dieser Parameter bezieht sich auf einen bestimmten Fehlermodus, und die Vernachlässigung eines dieser Parameter beeinträchtigt das gesamte Schutzsystem.
Moderne Überspannungsableiter nutzen die Zinkoxid (ZnO)-Varistortechnologie, um spannungsabhängige Widerstandseigenschaften zu erreichen. Die keramische Mikrostruktur enthält ZnO-Körner (typischerweise 10-20 μm Durchmesser), die von dünnen intergranularen Schichten aus Wismutoxid und anderen Additiven umgeben sind. Diese Korngrenzen fungieren als Back-to-Back-Schottky-Dioden, die das für den Überspannungsschutz erforderliche nichtlineare Verhalten erzeugen.
Bei normaler Betriebsspannung weist der Varistor einen extrem hohen Widerstand von über 10⁹ Ω auf und verbraucht nur einen Leckstrom im Mikroampere-Bereich (typischerweise 0,5-2 mA bei Geräten der Verteilerklasse). Wenn eine transiente Überspannung die Leitungsschwelle überschreitet, kommt es an den Korngrenzen zu Quanten-Tunneling und Lawinendurchbruch. Der Widerstand fällt innerhalb von Nanosekunden um einen Faktor 10⁶.
Die Spannung-Strom-Beziehung folgt einer Potenzgesetz-Gleichung: I = k × Vα, wobei der Nichtlinearitätskoeffizient α bei modernen MOV-Materialien zwischen 25 und 50 liegt. Diese extreme Nichtlinearität bedeutet, dass eine Erhöhung der Spannung um 20% den Stromfluss um einen Faktor von 10 erhöhen kann5 oder mehr.
Bei einem Blitzstoß von 10 kA begrenzt ein richtig ausgewählter Ableiter den Spannungsanstieg auf das 2,5- bis 3,5-fache des MCOV und leitet gleichzeitig den vollen Stoßstrom. Die Reaktionszeit beträgt weniger als 25 Nanosekunden - schnell genug, um Geräte vor steilflankigen Blitzimpulsen zu schützen.
Der Energieabsorptionsmechanismus wandelt die Energie des Stromstoßes in Wärme innerhalb der ZnO-Matrix um. Der thermische Anstieg während eines typischen Schaltstoßes erreicht 40-80 °C über der Umgebungstemperatur. Wenn die Energie die Nennleistung des Ableiters übersteigt, kommt es zum thermischen Durchgehen: Die steigende Temperatur verringert den Widerstand, erhöht den Stromfluss und die Wärmeentwicklung, bis es zu einem katastrophalen Ausfall kommt.
MCOV definiert die höchste Effektivspannung, der ein Ableiter unbegrenzt standhalten kann, ohne sich zu verschlechtern. Dieser Parameter ist die erste Hürde bei der Auswahl von Überspannungsableitern. Wird er falsch gewählt, fällt der Ableiter innerhalb von Monaten statt Jahrzehnten aus.
Das Verhältnis zwischen MCOV und Systemspannung hängt entscheidend von der Erdungskonfiguration ab:
Solide geerdete Systeme: Bei einfachen Erdschlussfehlern steigen die Spannungen der gesunden Phasen auf das 1,0-1,05-fache des Normalwerts. MCOV-Anforderung:
MCOV ≥ (Um / √3) × 1,05
Nicht geerdete oder mit Resonanz geerdete Systeme: Gesunde Phasen können während eines Erdschlusses die volle Netzspannung erreichen - möglicherweise über Stunden hinweg. MCOV-Anforderung:
MCOV ≥ Um × 1,05
Dabei entspricht Um der maximalen Systemspannung (nicht der Nennspannung - ein häufiger Spezifikationsfehler).
| System Um (kV) | Massiv geerdet MCOV (kV) | Ungeerdeter MCOV (kV) |
|---|---|---|
| 12 | 7.6 | 12.7 |
| 24 | 15.3 | 25.5 |
| 36 | 22.9 | 38.0 |
| 40.5 | 25.5 | 42.5 |
Die Fähigkeit zur vorübergehenden Überspannung (TOV) ist direkt mit der MCOV-Auswahl verknüpft. Lastabwurf, Ferranti-Anstieg auf unbelasteten Kabeln oder die Erregung eines Transformators können die Spannung für Sekunden bis Minuten über das normale Niveau anheben. IEC 60099-4 spezifiziert die Anforderungen an die TOV-Beständigkeit: Ableiter müssen 1,4 × MCOV für 10 Sekunden ohne Schaden überstehen.
[Experteneinblick: MCOV-Marge in der Praxis]
- Ausfälle im Feld sind häufig auf MCOV zurückzuführen, die auf der Grundlage der Nennspannung (z. B. 10 kV) und nicht der maximalen Systemspannung (z. B. 12 kV) ausgewählt wurden.
- Bei nicht geerdeten Industriesystemen kommt es bei der Erdschluss-Suche häufig zu anhaltenden Überspannungen - legen Sie eine großzügige MCOV-Marge fest.
- Geerdete Resonanzsysteme (Petersen-Spule) erfordern den gleichen MCOV wie ungeerdete Systeme.
- Bei Unsicherheiten bezüglich der Erdungskonfiguration werden standardmäßig ungeerdete MCOV-Werte verwendet.
Die Restspannung - die Spannung an den Ableiterklemmen während der Überspannungsentladung - bestimmt den tatsächlichen Schutz der Geräte. Zwei standardisierte Wellenformen charakterisieren die Leistung des Ableiters:
Blitzimpuls (8/20 μs): Simuliert direkte oder nahe Blitzeinschläge. Der Blitzschutzpegel (Lightning Impulse Protective Level, LIPL) wird bei Nennableitströmen von 5 kA, 10 kA oder 20 kA je nach Ableiterklasse gemessen.
Schaltimpuls (30/60 μs): Steht für Schaltvorgänge wie das Einschalten von Kondensatorbatterien oder die Wiedereinschaltung von Leitungen. Der Switching Impulse Protective Level (SIPL) gilt hauptsächlich für Ableiter der Übertragungsklasse.
Das Schutzniveau muss unter dem Basisisolationsniveau (BIL) des geschützten Betriebsmittels bleiben. Die Berechnung der Schutzmarge:
Schutzspanne (%) = [(BIL - Schutzniveau) / Schutzniveau] × 100
Gemäß IEC 60099-5 (Auswahl- und Anwendungsempfehlungen) gewährleisten Mindestmargen von 20% für Blitzimpulse und 15% für Schaltimpulse einen zuverlässigen Schutz unter Berücksichtigung der Alterung des Ableiters und der Abstandseffekte.
| Ausrüstung BIL (kV Spitze) | Maximal zulässiger LIPL (kV Spitze) | Resultierende Marge |
|---|---|---|
| 75 | ≤60 | 25% |
| 95 | ≤76 | 25% |
| 125 | ≤100 | 25% |
| 170 | ≤136 | 25% |
Eine niedrigere Restspannung bietet einen besseren Schutz, erfordert aber in der Regel eine größere Baugröße und höhere Kosten. Bei Verteilungsanwendungen zum Schutz von 95-kV-BIL-Anlagen rechtfertigt die Wahl eines Ableiters mit einer LIPL von 70 kV (36%-Marge) anstelle von 76 kV (25%-Marge) möglicherweise nicht den Kostenaufschlag.
Die Energieleistung gibt an, wie viele Joule der Ableiter ohne thermisches Versagen aufnehmen kann. Dieser Parameter erweist sich als entscheidend für Anwendungen, die über den grundlegenden Blitzschutz hinausgehen - das Schalten von Kondensatorbatterien, die Erregung von Kabeln und Systeme mit hoher Blitzdichte stellen alle einen erheblichen Energiebedarf dar.
Die IEC 60099-4 klassifiziert die Energiefähigkeit anhand mehrerer Metriken:
Leitungsentladungsklasse (Klasse 1-5): Definiert die Fähigkeit, Entladungsereignisse in Übertragungsleitungen zu bewältigen. Klasse 2 eignet sich für die meisten Verteilungsanwendungen; Klasse 3-4 gilt für den Schutz von Umspannwerken und Kondensatorschaltungen.
Wärmeenergieniveau (kJ/kV von Ur): Gesamtenergie, die der Ableiter in einem bestimmten Zeitfenster aufnehmen kann, ohne die Grenzen der thermischen Stabilität zu überschreiten.
Bewertung der Ladungsübertragung (Coulombs): Neuerer Klassifizierungsansatz, der sowohl den Umgang mit Impuls- als auch mit Dauerstrom erfasst.
| Anwendung | Empfohlene Klasse | Typische Energie (kJ/kV Ur) |
|---|---|---|
| MV-Verteilungseinspeiser | Klasse 2 | 2.5-4.0 |
| Schutz von Transformatoren in Umspannwerken | Klasse 3 | 4.5-6.0 |
| Kondensatorbank / Nebenschlussdrossel | Klasse 3-4 | 6.0-8.0 |
| Langer Kabelanschluss | Klasse 3 | 5.0-7.0 |
Die Energieabsorption hängt von der ZnO-Korngröße und der Dotierungskonzentration ab. Hochwertige MOV-Materialien können eine spezifische Energie von 150-200 J/cm³ aufnehmen. Die physikalische Größe korreliert direkt mit der Energieaufnahmefähigkeit - Ableiter der Stationsklasse mit 100 mm Scheibendurchmesser absorbieren weit mehr Energie als Geräte der Verteilerklasse mit 40-60 mm großen Scheiben.
Die Prüfung der thermischen Stabilität nach IEC 60099-4 prüft, ob der Ableiter nach der Einspeisung von Nennenergie zu stabilen Ableitstromwerten zurückkehrt, ohne thermisch durchzudrehen. Diese Prüfung simuliert die ungünstigsten Feldbedingungen, bei denen mehrere Überspannungen auftreten, bevor der Ableiter vollständig abkühlt.
[Experteneinblick: Überlegungen zur Energiebewertung im Feld]
- Kabelgebundene Transformatoren können während des Einschaltens Schaltenergien von 6-8 kJ/kV erzeugen - Standard-Verteilungsableiter können unzureichend sein
- Regionen mit hoher Blitzdichte (>8 Blitze/km²/Jahr) erfordern höhere Energiewerte für Ereignisse mit mehreren Blitzen
- Kondensatorbatterie-Installationen sind einer wiederholten Energiebelastung ausgesetzt; kumulative thermische Alterung beschleunigt den Ausfall
- Im Zweifelsfall sollten Sie eine Klasse höher wählen, als es die Berechnungen nahelegen - der Kostenaufschlag ist im Vergleich zu den Wiederbeschaffungskosten minimal.
Nehmen wir ein ungeerdetes 12-kV-Industriesystem, das einen 170-kV-BIL-Öltransformator schützt.
Schritt 1: Ermitteln der maximalen Systemspannung
Um = 12 kV (nicht 10 kV nominal)
Schritt 2: Ermittlung der Erdungskonfiguration
Nicht geerdetes System → gesunde Phasen erreichen bei Erdschlüssen die volle Netzspannung
Schritt 3: Berechnung des Mindest-MCOV
MCOV ≥ Um × 1,05 = 12 × 1,05 = 12,6 kV
Wählen Sie einen Ableiter mit MCOV ≥ 12,7 kV (Standard-Nennleistung)
Schritt 4: Restspannung prüfen
Ausgewählter Ableiter: LIPL bei 10 kA = 42 kV Spitze
Schritt 5: Überprüfung der Schutzmarge
Marge = [(170 - 42) / 42] × 100 = 305%
Übersteigt bei weitem 20% Minimum ✓
Schritt 6: Bewertung des Energiebedarfs
Standard-Verteilungseinspeisung, keine Kondensatorbatterien, mäßige Blitzregion
Klasse 2 ausreichend (≥3,0 kJ/kV Ur)
Endgültige Spezifikation:
Befestigung des Ableiters an Mastisolatoren sollten Abstände einhalten, die mit der System-BIL übereinstimmen. Die Leitungslänge zwischen den Ableiterklemmen und den geschützten Geräten wirkt sich auf den tatsächlichen Schutzpegel aus - halten Sie die Verbindungen nach Möglichkeit unter 1 m.
Die Laborwerte gehen von Standardbedingungen aus: Höhe unter 1000 m, Umgebungstemperatur 20°C, saubere Gehäuseoberfläche. Reale Installationen entsprechen selten diesen Annahmen.
Höhenreduzierung: Oberhalb von 1000 m verringert die geringere Luftdichte die externe Überschlagsspannung um ca. 1% pro 100 m. In 2000 m Höhe sollte die nächsthöhere Spannungsklasse gewählt oder ein Polymergehäuse mit erweiterter Kriechstrecke spezifiziert werden.
Schwere der Verschmutzung: Die IEC 60815 definiert Verschmutzungsklassen von “sehr leicht” bis “sehr schwer”. Verschmutzungsablagerungen auf Ableitergehäusen verringern die Überschlagsspanne. Polymergehäuse sind bei starker Verschmutzung besser als Porzellan, da ihre hydrophobe Oberfläche Verschmutzungen abhält und eine höhere Überschlagsfestigkeit gewährleistet. Geben Sie für stark verschmutzte Umgebungen eine Kriechstrecke ≥25 mm/kV an.
Temperatur-Extreme: Standard-Ableiter arbeiten bei Umgebungstemperaturen von -40°C bis +40°C. Höhere Temperaturen beschleunigen die MOV-Alterung; niedrigere Temperaturen beeinträchtigen die Flexibilität des Polymergehäuses. Prüfen Sie die Herstellerangaben für Installationen in extremen Klimazonen.
Auswahl des Gehäusematerials:
Integration von Trennschaltern: Verteiler-Ableiter enthalten oft integrierte Trennschalter, die ausgefallene Einheiten isolieren und visuell anzeigen. Dies ist nützlich, wenn die Inspektionsintervalle ein Jahr überschreiten. Der Abtrenner wird aktiviert, wenn der anhaltende Fehlerstrom ein Schmelzelement nach dem Ausfall des Ableiters schmilzt.
Überspannungsableiter funktionieren im Rahmen eines umfassenderen Isolationskoordinationsschemas. Ein ordnungsgemäßer Schutz erfordert die Abstimmung der Schutzstufen des Ableiters auf die Isolationsstärke von Transformatoren, Leistungsschaltern und Schaltanlagenkomponenten im gesamten System.
XBRELE stellt Vakuum-Leistungsschalter, Vakuum-Schütze und Komponenten für Mittelspannungs-Schaltanlagen her, die für Systeme bis zu 40,5 kV ausgelegt sind. Unser Ingenieurteam unterstützt Sie bei der Analyse der Isolationskoordination und hilft Ihnen dabei, die Nennwerte der VCBs und die Spezifikationen der Komponenten auf Ihre Überspannungsschutzanforderungen abzustimmen.
Ganz gleich, ob Sie neue Umspannwerke spezifizieren oder bestehende Schutzsysteme aufrüsten wollen, Kontaktieren Sie XBRELE für technische Beratung. Wir stellen detaillierte Koordinationsdatenblätter zur Verfügung und können geeignete BIL-Werte für Geräte empfehlen, die neben den von Ihnen ausgewählten Überspannungsableitern betrieben werden.
Was ist die Ursache für das Versagen von Überspannungsableitern, selbst wenn die Nennwerte korrekt erscheinen?
Die meisten Ausfälle im Feld sind eher auf Installationsprobleme als auf Fehler in der Auslegung zurückzuführen. Eine übermäßige Leitungslänge führt zu einem zusätzlichen Spannungsabfall bei Überspannungen - jeder Meter Leiter steuert etwa 1 kV bei steilflankigen Impulsen bei. Eine Erdungsimpedanz von mehr als 5 Ω erhöht die effektive Klemmspannung und verringert die Schutzspanne unter den sicheren Grenzwert.
Wie wirkt sich die Erdungskonfiguration auf die MCOV-Auswahl aus?
Ungeerdete und resonant geerdete Systeme erfordern eine MCOV, die der vollen Netzspannung entspricht oder diese übersteigt, da gesunde Phasen während der gesamten Dauer des Erdschlusses eine erhöhte Spannung aufrechterhalten. Solide geerdete Systeme benötigen nur eine Spannung zwischen Leitung und Nullleiter plus Marge, da die Fehlerbeseitigung innerhalb von Zyklen erfolgt.
Können Ableiter der Verteilerklasse die Ausrüstung von Umspannwerken schützen?
Ableiter der Verteilerklasse (in der Regel Energieklasse 2) bieten keine ausreichende Energieabsorption für Anwendungen am Eingang von Umspannwerken, wo Schaltüberspannungen und Blitzeinschläge mit mehreren Schlägen eine höhere thermische Belastung darstellen. Ableiter der Stationsklasse (Klasse 3 oder höher) sind im Allgemeinen für den Schutz von Transformatoren und Sammelschienen erforderlich.
Warum dominieren bei Neuinstallationen die Ableiter mit Polymer-Gehäuse?
Polymergehäuse bieten drei Vorteile: ein geringeres Gewicht, das die mechanische Beanspruchung der Montagestrukturen reduziert, eine bessere Leistung in verschmutzten Umgebungen aufgrund der hydrophoben Oberflächeneigenschaften und einen nicht fragmentierenden Ausfallmodus, der die Gefahr von Porzellansplittern bei einem katastrophalen Ausfall ausschließt.
Wie oft sollten Überspannungsableiter geprüft oder ausgetauscht werden?
Jährliche visuelle Inspektion zur Feststellung offensichtlicher Schäden - gerissene Gehäuse, Betätigung von Trennschaltern oder Brandspuren. Eine Ableitstrommessung alle 3 bis 5 Jahre liefert eine quantitative Zustandsbewertung. Gut ausgewählte Ableiter in moderaten Umgebungen erreichen in der Regel eine Lebensdauer von 20-25 Jahren; in stark blitzbelasteten oder verschmutzten Umgebungen kann sich diese auf 12-15 Jahre reduzieren.
Wie ist der Zusammenhang zwischen Restspannung und Entladestrom?
Die Restspannung steigt aufgrund der MOV-Widerstandseigenschaften mit der Höhe des Entladestroms. Ein 10 kA-Stromstoß erzeugt eine höhere Klemmspannung als ein 5 kA-Stromstoß durch den gleichen Ableiter. Die Hersteller geben die Restspannung bei mehreren Stromstärken an (typischerweise 5 kA, 10 kA, 20 kA), um genaue Koordinationsberechnungen zu ermöglichen.
Spielt der Standort des Ableiters innerhalb eines Umspannwerks eine Rolle?
Spannungswellen breiten sich mit ca. 300 m/μs aus und führen zu einer entfernungsabhängigen Schutzverschlechterung. Geräte, die sich mehr als 8-10 Meter vom Ableiter entfernt befinden, sind aufgrund von Wanderwellenreflexionen einer höheren Spannungsbelastung ausgesetzt. Jede kritische Anlage - Transformatoren, Leistungsschalter, Kabelendverschlüsse - profitiert von einem speziellen Überspannungsschutz, wenn die räumliche Trennung diese Grenzen überschreitet.
