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LED-Beleuchtungsanlagen brauchen zum Funktionieren elektronische Bauteile. Diese sind empfindlich gegen Blitzeinschläge und Überspannungen zum Beispiel durch Schaltvorgänge. Der Schutz gegen diese Risiken ist wichtig, sonst drohen der Totalausfall der Straßenbeleuchtung und hohe Folgekosten.
Der Trend zur LED in der Innen- und Außenbeleuchtung ist eindeutig. Es scheint, dass die Vorteile, besonders in den Punkten Energieeinsparung und intelligenter Lichtsteuerung, für einen wachsenden Anteil der LED-Lösungen in der Beleuchtungstechnik sorgen werden. In der Straßenbeleuchtung ist dies schon in vielen Städten offensichtlich, aber auch in der Industrie- und Gebäudebeleuchtung befindet sich die LED auf dem Vormarsch.
Mittlerweile haben viele Kommunen und Netzbetreiber europaweit ihre ersten Erfahrungen mit der relativ neuen Technik gesammelt. Es zeigt sich, dass es bei der Technologie Licht- und Schattenseiten gibt. Seit einigen Jahren wird offenbar, dass insbesondere Überspannungen ein ernsthaftes Problem für die empfindliche Elektronik von LED-Beleuchtungsanlagen darstellen. Erste Rückmeldungen aus dem Feld bestätigen dies. Die dänische Stadt Esbjerg etwa kam Ende 2014 mit dem bisher größten Ausfall einer LED-Straßenbeleuchtung in Folge eines Blitzeinschlags in die Schlagzeilen. Über 400 Straßenleuchten waren betroffen. Dies ist auch deshalb besonders erwähnenswert, weil Dänemark eine der blitzärmsten Regionen in Europa ist.
Andere Betreiber melden Probleme durch Überspannungen infolge von Schaltvorgängen im Netz oder beim Betrieb von gemischten Netzen mit LED- und herkömmlichen Entladungsleuchten, bei denen die konventionellen Leuchten am Abend mit mehreren tausend Volt gezündet werden.
Probleme durch Zündvorgänge
Ein anderes Phänomen, das insbesondere bei Schutzklasse-II-Leuchten auftritt, sind statische Aufladungen, bei denen eine Ladungstrennung stattfindet und sich darauf folgend eine hohe Spannung am Leuchtengehäuse beziehungsweise am Kühlkörper der LED aufbauen kann. Dieses Phänomen ist jedem Autofahrer bekannt, der beim Aussteigen aus seinem Auto schon mal einen elektrischen Schlag bekommen hat.
Aber auch in der Gebäude- und Hallenbeleuchtung gibt es Probleme. Insbesondere dort, wo Überspannungen nicht von außen, sondern aus der eigenen Anlage herrühren. So sind insbesondere Fälle aus der Industrie bekannt, in denen elektrische Betriebsmittel Überspannungen erzeugen und diese durch die elektrische Verkabelung zur Beleuchtung gelangen. Erste sporadische Ausfälle einzelner Leuchten oder LEDs sind die dafür typische Anzeichen.
Stand der Technik
Auch Aufgrund dieser Erfahrungen haben die Straßenleuchtenhersteller ihre Anforderungen an die Festigkeit der Leuchten gegen Überspannungen angehoben. Lag vor einigen Jahren die Überspannungsfestigkeit bei etwa 2000 bis 4000 Volt, liegt sie derzeit im Durchschnitt bei 4000 bis 6000 Volt. Allerdings reicht selbst dies vielfach nicht aus. Durch Blitzeinschläge können sich Überspannungen von einigen hunderttausend Volt aufbauen, durch elektrostatische Entladungen immerhin bis zu 30.000 Volt.
Um dem Rechnung zu tragen, bieten viele Hersteller optional an, ihre Leuchten durch ein leistungsfähiges Typ 2+3 Überspannungsschutzgerät (ÜSG) zu schützen. Ist dies nicht möglich oder gewollt, zum Beispiel aus Platzgründen oder weil die Leuchten schon verbaut sind, kann das Schutzgerät auch im Mastsicherungskasten eingesetzt werden. Dies bietet zudem den Vorteil der einfacheren Wartung und Nachrüstung.
Zur Vervollständigung des Schutzkonzepts und zur Entlastung der Lichtpunkte sollte ein zusätzlicher Kombi-Ableiter Typ 1+2+3 in der Straßenschaltstelle beziehungsweise zentral im Verteiler die Ausbreitung von Blitzströmen und Überspannungen verhindern.
In der Gebäudetechnik kann man durch eine Ausrüstung der Elektroinstallation mit Blitz- und Überspannungsschutzgeräten einen wirkungsvollen Schutz realisieren. So können in der Gebäudeeinspeisung Kombi-Ableiter Typ 1+2+3 zum Schutz gegen Blitzströme und Überspannungen eingesetzt werden. In den Beleuchtungsunterverteilungen und Leuchtenanschlussdosen ist der Einsatz von Typ 2+3 Überspannungsschutzgeräten gegen Überspannungseinkopplungen und Schaltüberspannungen, die in der Anlage selbst entstehen, sinnvoll.
Praxisnaher Überspannungsschutz
Auf dem Markt finden sich viele Hersteller für Überspannungsschutz. Hier den Überblick zu behalten und das richtige ÜSG für LED-Beleuchtungsanlagen zu finden, stellt daher die erste große Hürde da. Daher sollte auf folgende Punkte besonders geachtet werden:
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Ein guter Überspanungsschutz sollte nach IEC 61643-11 geprüft sein und die Anforderungen der VDE 0100-534 erfüllen. Um dies zu erreichen, werden unter anderem Zustandssignalisierungen und Trennvorrichtungen im Schutzgerät integriert. Da das Gerät meist, wie zum Beispiel bei Leuchten, an unzugänglichen Stellen verdeckt verbaut wird, ist reine optische Signalisierung nicht ideal. Ein Überspannungsschutzgerät, das zusätzlich die Leuchte im Fehlerfall vom Stromkreis trennen kann, bietet hier eine gute und einfache Möglichkeit der indirekten Signalisierung.
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Die Baugröße und Montageart des Überspannungsschutzgeräts ist für Leuchten und Sicherungskästen sehr wichtig.
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Treten am Einbauort allgemein Feuchtigkeit oder Stäube auf, sollte ein Schutzgerät mit erhöhter IP-Klasse ausgewählt werden.
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Überspannungsschutzgeräte müssen die Schutzklasse (SKI oder SKII) der Leuchten berücksichtigen.
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Neben dem Schutz für die 230-Volt-Versorgung sollte der Schutz der Steuerung, wie zum Beispiel DALI, zweite (Steuer)-Phase, 1-10 Volt oder DMX berücksichtigt werden. Überspannungsschutzgeräte, die beide Schnittstellen schützen können, sind ideal für diese Leuchten und bieten in der Regel einen besser abgestimmten Schutz als zwei einzelne ÜSG.
Fazit: Die LED-Technik wird in der Beleuchtung immer wichtiger. Die Weiterentwicklung der Technik sorgt für immer zuverlässigere Lösungen. Praxisorientiere, angepasste Überspannungsschutzgeräte und Schutzkonzepte sichern dabei die empfindliche Elektronik vor schädlichen Überspannungen. Die zusätzlichen Kosten eines wirkungsvollen Überspannungsschutzkonzepts für ein Leuchtensystem liegen derzeit bei unter ein Prozent der Gesamtkosten. Überspannungsschutzmaßnahmen sind daher für jeden Anlagenbetreiber ein einfaches und vielfach unverzichtbares Mittel um langfristig die Lebensdauer und Zuverlässigkeit der Beleuchtung zu erhalten und Folgekosten zu vermeiden.
Mirko Harbott
Der Autor
Mirko Harbott ist Leiter Produktmanagement bei dem auf Lösungen für den Blitz- und Überspannungsschutz spezialisierten Unternehmen Citel Electronics in Bochum
Info: Wissensbaustein Überspannungsschutztechnik
Aktiver Überspannungsschutz
Ein entscheidender Vorteil von aktiven Überspannungsschutzgeräten (im Gegensatz zur reinen Absicherung durch hohe Überspannungsfestigkeit) ist, dass diese relativ unabhängig von der Überspannungshöhe arbeiten. Wichtig zur Auswahl ist dabei die Größe der maximalen Energieaufnahme. Daher sollte bei der Auswahl des Überspannungsschutzes auf den Typ, die Einbausituation und das Risiko für die Anlage oder Personen geachtet werden. Ohne aktiven Überspannungsschutz ist bei einer Überschreitung der Isolationsfestigkeit/Spannungsfestigkeit einer Leuchte in der Regel ihr Teil- oder sogar Totalausfall zu befürchten.
Schutzgerät-Typen
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Typ 1: Blitzstromableiter, der zum Schutz gegen Blitzströme eingesetzt wird.
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Kombi-Ableiter Typ 1+2 oder Typ 1+2+3: Kombinierte Blitz- und Überspannungsschutzgeräte, die zum einen energiereiche Blitzströme ableiten können, zum anderen aber auch einen wirkungsvollen Schutz gegen schnell ansteigende Überspannungen, wie zum Beispiel Schaltüberspannungen, sowie Feldeinkopplungen sicherstellen.
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Typ 2 oder Typ 2+3: Überspannungsschutzgeräte zum Schutz gegen Schaltüberspannungen und Feldeinkopplungen.
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Typ 3: Umgangssprachlich auch Feinschutz genannt. Bietet nur einen Mindestschutz direkt im oder am Endgerät und sollte in Kombination mit vorgelagerten, leistungsfähigeren Überspannungsschutzgeräten eingesetzt werden.
Koordiniertes Schutzkonzept
Dies beschreibt die optimale Energieverteilung zwischen verschiedenen Überspannungsschutzgeräten und den Feinschutzkomponenten im LED-Treiber. Kombi-Ableiter Typ 1+2+3 mit der integrierten Citel VG-Technology zum Einbau in die zentrale Einspeisung und zum LED-Treiber hin koordinierte Typ 2+3 im Leuchtenstromkreis erfüllen diesen Zweck optimal.
Bemerkung: Überspannungsschutzgeräte werden nach IEC61643-11 geprüft. Je mehr Typen kombiniert sind, umso mehr Tests und Parameter werden nach IEC61643-11 vom Hersteller garantiert.
Mirko Harbott