Überspannung (Elektrotechnik)

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Überspannung ist eine elektrische Spannung in elektrischen Systemen, die den Toleranzbereich deren Nennspannung überschreitet.

Überspannungen führen zu einem Störfall, wenn sie Bauelemente oder Bestandteile der Anlagen zerstören; sie können auch Sicherungen auslösen und dadurch Versorgungsausfälle verursachen.

Überspannungen können symmetrisch (d.h. zwischen beiden Zuleitungen) oder unsymmetrisch (beide Zuleitungen führen Überspannung gegen Erde) auftreten.

[Bearbeiten] Ursachen

Ursachen für langdauernde Überspannungen im Bereich von Sekunden bis Stunden können sein:

schlechte Regelung durch den Energieversorger
plötzlicher Belastungsrückgang im Netz, zum Beispiel durch
- Verbraucherverhalten (z.B. symbolische Stromsparaktionen, Ende eines Fußballspieles)
- Stromausfälle in der Netz-Nachbarschaft, z. B. bei durch Blitzeinschlag ausgelösten Abschaltungen
- unsymmetrische Belastung oder Kurzschluss einer Phase bei Drehstromgeneratoren, Stromaggregaten, nicht sternpunktgeerdeten Netzten
- Verbrauchsrückgang während der Nachtstunden

Ursachen für transiente Überspannungen können sein:

Elektrostatische Entladungen (Impuls-Anstiegszeiten typisch <1 ns)
Abschalten insbesondere von induktiven Verbrauchern, Schaltfunken an Schaltkontakten, Bürstenfeuer großer elektrischer Maschinen (Burst, Impulsfolgen mit Anstiegszeiten um 5 ns)
Blitzschlag in der Nachbarschaft, Schalthandlungen im Stromnetz (Surge, Impuls-Anstiegszeiten einige µs, Impulsdauer mehrere 10 µs)

Auch NEMP und durch die Aktivität der Sonne auf der Erde verursachte Magnetstürme verursachen Überspannungen.

Transiente Überspannungen können von benachbarten Ströquellen auch kapazitiv (durch Influenz) oder induktiv in Versorgungs- oder Signalleitungen einkoppeln sowie durch starke Funkwellen verursacht werden.

[Bearbeiten] Folgen

Folgen transienter (kurzzeitiger) Überspannungen

Durchschläge und Schädigung von Isolierstoffen
Zerstörung von Halbleiterbauelementen durch mikroskopische thermische Überlastungen
vorübergehende Fehlfunktion oder Funktionsausfall elektronischer Schaltkreise (latching)

Folgen länger andauernder Überspannungen

thermische Überlastung z. B. von Transformatoren aufgrund erhöhten Leerlaufstromes (Kernsättigung)
vorzeitiger Ausfall z. B. von Glühlampen

[Bearbeiten] Abhilfe

Langdauernde Überspannungen im Versorgungsnetz können vom Verbraucher nur mit einem Netzregler verhindert werden. Solche Netzregler sind jedoch nur für einzelne, besonders störempfindliche und teure elektrische Verbraucher üblich und sinnvoll.

Transiente Überspannungen können mit Überspannungsableitern von gefährdeten Komponenten ferngehalten werden (siehe auch Überspannungsschutz):

im Bereich der Energieversorger mit Funkenstrecken und Varistor-Überspannungsableitern
am Haus mit Blitzschutz, gemeinsamen Erdschienen für Energieversorgung, Medien und Kommunikation sowie mit Varistor-Überspannungsableitern
im Bereich der Telekommunikation mit Suppressordioden und Gasableitern
innerhalb von elektronischen Geräten mit Suppressordioden, Varistoren oder Schutzdioden sowie mit Störschutz-Kondensatoren

Netzspannungsseitig werden weiterhin Isolier-, Luftstrecken und Kriechstrecken überdimensioniert, um bei hohen Spannungs-Impulsen einen elektrischen Durchschlag zu vermeiden.

Elektronische Bauteile sowie elektrische Endgeräte für Netzspannungsbetrieb werden im Rahmen der Elektromagnetischen Verträglichkeitsprüfung hinsichtlich ihrer Immunität gegenüber transienten Überspannungen von 500 bis 4000 Volt (teilweise bis 15.000 Volt) getestet und dementsprechend spezifiziert oder im Fall von Endgeräten nach Normen für Industrie-, Medizin- oder Heimanwendung zertifiziert. Dazu gehört^[1]:

ESD-Test (Impulsanstiegszeit ca. 1 ns) nach dem Human-Body-Modell oder dem Maschinenmodell
Burst-Test (Impulsfolgen mit 5 ns Anstiegszeit und 50 ns Dauer)
Surge-Test (Impulse mit 1,2/50µs oder 8/20µs Anstiegts/Abfallzeit)