Überspannungsschutz für LEDs Damit kein Licht ausgeht

Energieeffizienz und Langlebigkeit sind die Hauptvorteile der LED-Technik. So wird diese Technik auch zunehmend in Straßenleuchten eingesetzt, die aufgrund der zahlreichen verbauten Halbleiterelemente allerdings sensibler gegen Überspannungen sind. Ein wirksames Schutzkonzept erhöht die Verfügbarkeit, und mit einer zertifizierten Lösung spart der Leuchtenhersteller Kosten bei der Zulassung.

Anbieter zum Thema

PFLITSCH GmbH & Co. KG

FINDER GmbH

ELMEKO GmbH + Co. KG

PHOENIX CONTACT Deutschland GmbH

Heute können LED-Mastleuchten bis zu 8 kV spannungsfest gebaut werden, und die Leuchtenhersteller versuchen, die Überschläge bis zu diesem Wert zu vermeiden. In der Praxis jedoch können diese Werte erheblich überschritten werden. Grund dafür sind die im Netz auftretenden Stoßströme und Überspannungen, die als Folge von direkten und indirekten Blitzeinschlägen entstehen, sowie transiente Überspannungen. Auf diese Weise können die sensiblen Vorschaltgeräte sowie die LED-Module selbst beschädigt oder gar zerstört werden.

Wer derartige Ausfälle durch Überspannungen vermeiden und seine Investitionen in die LED-Technik schützen möchte, kommt auch bei der Straßen- und Objektbeleuchtung an einem umfassenden Überspannungsschutz-Konzept nicht vorbei. Denn die Folgen von Ausfällen der LED-Beleuchtung können – je nach Standort – mitunter dramatisch sein.

Überspannungen und die Folgen

Unerwünschte Überspannungen haben verschiedene Ursachen – grundsätzlich wird zwischen direkten und indirekten Blitzeinwirkungen und Schalthandlungen aus dem Wechselstromnetz unterschieden. Die direkten Blitzeinwirkungen treten je nach Region zwar selten auf, sind aber energiereich und verursachen meist größere Schäden. Zum Teil hinterlassen die Blitzeinschläge in Entfernungen bis zu 5 km noch ihre Spuren. Überspannungen entstehen dabei zum einen durch direkte Blitzeinschläge in die Leuchte oder in die Überlandleitung, und zum anderen als Folge von indirekten Blitzeinwirkungen durch Erdrückkopplung oder durch elektromagnetische Induktion.

Aufgrund ihrer zumeist exponierten Lage können LED-Mastleuchten direkt vom Blitz getroffen werden. Dadurch sind unter Umständen ganze Straßenzüge betroffen, da die Leuchten über das Stromnetz miteinander verbunden sind. Ohne passende Schutzeinrichtungen kann sich der Blitzstrom schnell in der gesamten Installation verteilen und hohe Schäden anrichten. Zudem erzeugen die Blitzeinschläge am Einschlagsort Spannungserhöhungen von mehreren tausend Volt. Schlägt ein Blitz etwa in ein Gebäude mit einem äußeren Blitzschutz ein, oder auch in einen Baum in der Umgebung, so wird das Erdpotenzial angehoben.

Wenn die Isolationsfestigkeit der Komponenten überschritten wird, schlägt die Isolation an der schwächsten Stelle über. Ob die Isolation am elektronischen Gerät, am LED-Modul, an der Versorgungsleitung oder am Kabelübergangskasten beschädigt ist, kann oft erst bei der routinemäßigen Prüfung festgestellt werden. Bei Isolationsfehlern besteht zudem Gefahr für Leib und Leben, im ungünstigen Fall kann es beim Berühren metallischer Teile – etwa beim Leuchtenmast – zum Stromschlag kommen. Auch durch kapazitive oder induktive Einkopplung in der Versorgungsleitung können Überspannungen entstehen – verantwortlich dafür ist der fließende Blitzstrom zu Erde. So erzeugt beispielsweise der Stromfluss in den Ableitungen vom äußeren Blitzschutzsystem ein elektromagnetisches Feld um sich herum, das wiederum Überspannungen in die parallel verlau¬fende Versorgungsleitung induziert. Auch bei einem direkten Blitzeinschlag in den Baum ist mit derartigen Effekten zu rechnen – auch hier fällt unter ungünstigen Umständen die Straßenbeleuchtung aus.

Die häufigen Überspannungen – bis zu mehreren kV – sind aufgrund von Schalthandlungen aus dem Verteilnetz zu erwarten: Ein- und Ausschaltvorgänge von nahegelegenen elektrischen Ausrüstungen, Erd- und Kurzschlüsse sowie das Auslösen der Sicherungen. Dabei können funktionsfähige LED-Leuchten durch ein Überspannungsereignis vorgeschädigt werden – was die Lebensdauer der Leuchte reduziert. Diese Ereignisse zeigen sich häufig bei Leuchten der Schutzklassen II.

Wie sieht ein geeignetes Schutzkonzept aus?

Um die gesamte Installation vor unvorhersehbaren Ereignissen zu schützen, ist ein umfassendes Blitzstrom- und Überspannungsschutz-Konzept erforderlich. Ein mehrstufiges Konzept für ein Straßenbeleuchtungssystem auf LED-Basis konzentriert sich auf drei Installationsorte: direkt in der LED-Leuchte, im Kabelübergangskasten am Mastfuß sowie in den Kabelverteilern der Einspeisung.

Mithilfe eines Typ 2-Überspannungsschutzgerätes werden die elektronischen Komponenten direkt in der Leuchte vor Überspannungen geschützt. Dafür ist meist der Leuchtenhersteller zuständig, da er einen direkten Einfluss auf die Positionierung der aufeinander abgestimmten Komponenten sowie auf die Qualität der Installation hat. Für die Straßenbeleuchtung gibt es die Schutzklassen I und II. Der Unterschied liegt darin, dass die Leuchte der Schutzklasse I mit dem Schutzleiter ausgeführt und angeschlossen ist. Die Leuchte der Schutzklasse II hat zwar keinen Schutzleiter, beinhaltet aber Komponenten mit doppelter oder verstärkter Isolation. Dabei ist zu beachten, dass der Schutzleiter in einer LED-Leuchte der Schutzklasse II mit doppelter oder verstärkter Isolierung nicht angeschlossen werden darf.

Auch der Kabelübergangkasten eignet sich zur Installation des Überspannungsschutzgerätes. Der Vorteil gegenüber einer Installation in der Leuchte liegt darin, dass auch der Schutzleiter in den Kabelübergangskasten eingeführt ist. So kann der Schutzleiter für die Beschaltung gegen Erde auch für LED-Leuchten der Schutzklasse II verwendet werden. Auf diese Weise besteht ein wirksamer Schutz gegen Überspannungen. Vorteil¬haft ist hier auch der bequeme Zugang bei Inspektionen oder Nachrüstungen. Denn gerade das Nachrüsten eines geeigneten Überspannungsschutzes wird aus Kosten- und Zeitgründen gern vernachlässigt.

Ergänzendes zum Thema

kd0__1-zeilig, zum füllen

So lässt sich eine LED-Leuchte über viele Jahre sicher und effizient betreiben

Andreas Schamber, Produktmanager Power Protection bei Phoenix Contact

Andreas Schamber, Produktmanager Power Protection bei Phoenix Contact empfiehlt für alle Arten der Beleuchtung – Innen-, Außen-, Tunnel- und Objektbeleuchtung ein fachgerechtes Blitzstrom- und Überspannungsschutz-Konzept. Geeignete Geräte sollen dabei die sensiblen elektronischen Komponenten vor unerwünschten und nicht vorhersehbaren Überspannungen schützen – und somit dazu beitragen, die geplante Amortisationszeit zu erreichen. Zusätzlich tragen die Schutzgeräte zur Personen-, und Anlagen- und Verkehrssicherheit bei. Außerdem werden dadurch Wartungseinsätze reduziert und Reparaturkosten verringert.

Leuchte wird bei Überlast ausgeschaltet

Für beide Schutzklassen und Installationsorte bietet Phoenix Contact geeignete Überspannungsschutzgeräte aus der Produktfamilie Blocktrab. Mit ihrer kompakten Bauform werden sie problemlos in die bestehende Installation integriert. Zusätzlich bieten sie dem Anwender eine hohe Flexibilität bei der Verdrahtung. Das gilt nicht nur für die Schraubklemme mit ihrem breiten Anschlussbereich von 0,2 bis 4 mm², sondern auch in Bezug auf unterschiedliche Verdrahtungsarten – für die serielle V-Verdrahtung genauso wie für die parallele Stich-Verdrahtung. Damit können die Leuchten-Hersteller und Installateure bei Neuinstallation und Nachrüstung von Leuchten bequem Kabellängen, -querschnitte und -farben bestimmen.

Durch die verstärkte Isolierung ist der Einsatz der Schutzgeräte in LED-Anwendungen der Schutzklasse II ohne weiteres möglich. Für geerdete Systeme steht ein Schutzgerät mit Schutzleiter-Anschluss zur Verfügung. Der Zustand der Schutzgeräte wird direkt am Gerät signalisiert, und über den L‘-Anschluss kann die Signalisierung an die Lampe übertragen werden. Hat die Abtrennvorrichtung des Überspannungsschutzes aufgrund einer Überlastung ausgelöst, wird die Leuchte ebenfalls abgeschaltet. Das erleichtert die routinemäßige Überprüfung der Überspannungsschutzgeräte erheblich.

Die Schutzgeräte sind mit einem niedrigeren Schutzpegel – (L-N) < 1,3 kV – für typische LED-Anwendungen ausgelegt. Denn die Schutzwirkung besteht nur dann, wenn der Schutzpegel des Überspannungsschutzgeräts unterhalb der Stoßspannungsfestigkeit der Leuchtmittel und des LED-Treibers liegt. Das Überspannungsschutzgerät für die Schutzklasse I kann vor dem Fehlerstrom-Schutzschalter (FI-Schutzschalter) im TT-Netz (frz. terre terre) eingesetzt werden.

Außerdem wurden die Überspannungsschutzgeräte aus der Blocktrab-Familie von der Dekra auf Qualität und Sicherheit überprüft sowie nach der aktuellen Norm IEC/EN 61643-11 durch die KEMA-Zulassung zertifiziert. Der Anwender profitiert so nicht nur von der erhöhten Sicherheit, sondern auch von einem finanziellen Vorteil bei weiteren Zulassungen für die LED-Leuchte – beispielsweise nach ENEC (European Norms Electrical Certification).

Für den Schutz in den Stromkreisverteilern sind Kombi-Ableiter aus Typ 1 und Typ 2 zu empfehlen – etwa aus der Produktfamilie Valvetrab. Die Ableiter schützen vor direktem Blitzeinschlag und transienter Überspannung, die durch indirekte Auswirkungen eines Blitzes oder durch Schalthandlungen entstehen. Damit sind alle speisenden LED-Leuchten gegen direkte und indirekte Blitzbeeinflussungen aus dem Verteilnetz geschützt.

* Dipl.-Ing. Andreas Schamber, Produktmanager Power Protection, Phoenix Contact, Blomberg

(ID:44091848)