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Moderne Sicherheitslösungen für LED-Beleuchtungsanlagen

 Betriebsausfälle in Folge von Blitzschlag oder Überspannung sind bei Schauhöhlen immer wieder Thema, denn der Ausfall der Beleuchtungsanlage, aber auch von anderen elektrischen und elektronischen Systemen (z.B. Kassenhaus, Computer, Telefone, usw.) sind für den Betreiber äußerst unerfreulich und können sogar zum Stillstand des Führungsbetriebes führen.


Man wünscht sich daher den störungsfreien Betrieb aller elektrischen Geräte. Unsere langjährigen Erfahrungen zeigen auf, dass vor allem bei Schauhöhlen oft Nachholbedarf zu diesem Thema besteht.

Mit einem umfassenden Schutzkonzept kann dieses Ziel erreicht werden. Wer also wirtschaftlich denkt, sollte auch in Überspannungsschutz investieren. Die Investition beträgt nur einen Bruchteil dessen, was ein Blitz- oder Überspannungsschaden auslösen kann. Der Stillstand des Besucherbetriebes oder der Ausfall von sicherheitsrelevanter Wegebeleuchtung können sehr teuer werden. Nicht nur der erhebliche Aufwand zur Beseitigung des Schadens und die Ausfallzeiten sind hier nachteilig, sondern zusätzlich verkürzt sich auch die Lebensdauer der elektrischen Bauteile (wie z.B. der LEDs).

Die Gefährdung durch Überspannung ist somit erheblich!

Als gute Beispiele eines von uns geplanten Überspannungsschutz sind hier z.B. die Schauhöhlen Höllgrotten-Baar (Blitzschlag bei Unwetter) und Wendelstein (Blitzschlag, exponierte Lage auf einem Gipfel auf fast 2000m Höhe) zu nennen, welche problemlos seit Jahren die Überspannungsereignisse verkraftet haben.

Generell sind alle elektrischen und leitfähigen Betriebsmittel von Überspannung bedroht: von der Hochspannungsleitung zum Höhlenhaus, das Kassenhaus und dessen Systeme, die Kabel in die Höhle bis sogar zum letzten Bauteil, z.B. die LED-Lampe.

Nur ein durchdachtes Gesamtsystem kann einen wirksamen Schutz für alle Bereiche einer Schauhöhle darstellen. Überspannungsschutz braucht aber Fachwissen und muss differenziert sein bzw. ist generell ein sehr komplexes Thema. Der Schutz besteht nicht aus einem Bauteil, sondern aus einer Kombination mehrerer Funktionselemente und benötigt daher spezielles Ingenieurwissen; ebenso deren Einsatz, Projektierung und die Installation. Wir wollen hier daher nur die Grundlagen darstellen und auf die generelle Problematik hinweisen.

Wie und wodurch entsteht eigentlich Überspannung?

Sie entsteht z.B. durch Schalthandlungen in Umspannwerken (Spannungsschwankungen) ihres Energieerzeugers, bei Blitzen bei Gewitter, durch elektrostatische Entladung und Fehlschaltungen bzw. Auslösen von Sicherungen. Die Einkopplungsmöglichkeiten in das elektrische System einer Schauhöhle sind vielfältig und können galvanisch, induktiv, kapazitiv sein oder durch Strahlungseinkopplung, transiente Schaltvorgänge, Störspannungen, Gegentaktstörung (symmetrisch), Querspannung, Gleichtaktstörung (asymmetrisch), Längsspannung, usw. hervorgerufen werden.

Überspannungen, die infolge eines Gewitters auftreten, werden durch Direkt- oder Naheinschlag oder auch durch Ferneinschlag eines Blitzes verursacht. Direkt- oder Naheinschläge sind Blitzschläge in die Blitzschutzanlage (falls überhaupt vorhanden) eines Gebäudes (Höhlen/Kassenhaus), in dessen unmittelbarer Umgebung oder in die in das Gebäude bzw. die Höhle eingeführten elektrisch leitfähigen Systeme (z.B.: Kabel für die Stromversorgung, Telefon- und Steuerleitungen, Überwachungssysteme, usw.). Die dadurch entstehenden Ströme und Spannungen, sowie das zugehörige elektromagnetische Feld stellen bezüglich ihrer Amplitude und ihres Energiegehaltes eine besondere Bedrohung für die zu schützende Anlage dar. Bei einem Direkt- oder Naheinschlag eines Blitzes entstehen die Überspannungen durch den Spannungsfall am Erdungswiderstand und der daraus resultierenden Potentialanhebung des Gebäudes oder der Höhle gegenüber der fernen Umgebung. Dies stellt die stärkste mögliche Beanspruchung in elektrischen Anlagen dar.

Zusätzlich zum Spannungsfall am Erdungswiderstand entstehen Überspannungen durch die Induktionsspannung des elektromagnetischen Blitzfeldes. Die Energie dieser induzierten Überspannungen und der daraus resultierenden Implusströme ist wesentlich geringer als die des direkten Blitzstoßstromes.

Überspannungen sind also Spannungen, die über das normale Maß hinausgehen. Das normale Maß bestimmt die Isolation eines Bauteils. Die Isolation ist nach den entsprechenden Vorschriften ausgelegt und geprüft bzw. je nach elektrischem Betriebsmittel unterschiedlich hoch. Ein 230V Betriebsmittel wie z.B. ein Elektromotor hat eine Isolation, die mit einigen Kilovolt geprüft wird. Es ist leicht einzusehen, dass eine LED Lampe mit 24VDC und internen Elektronikbauteilen nicht dieselbe Isolationsfestigkeit haben kann! Bereits 50V können unter Umständen ihr Ende bedeuten.

Überspannungen sind extrem hohe Spannungen mit sehr steilen Anstiegsflanken im Mikrosekundenbereich (0,000 001 Sek.), die Isolation und Funktion elektrischer und elektronischer Bauteile stören oder diese sogar zerstören können. Jedes elektrische Bauteil ist mit einer Isolation zur Trennung der Spannung gegen Erde oder andere spannungsführende Teile versehen. Die Isolationsfestigkeit ist in Abhängigkeit von Bemessungsspannung und der Art des Bauteils in Vorschriften gesetzlich festgelegt. Sie wird mit der vorgeschriebenen Spannung über eine festgelegte Zeitdauer geprüft. Für die Zulassung bei CE und UL Kennzeichnung unserer LEDs wurde die Isolation erfolgreich geprüft und des Weiteren sind in jeder unserer LED-Lampen Suppressor-Dioden eingebaut.

Dauerhafte, also permanente Überspannungen im normalen 400V/230V/50Hz-Netz kommen vor und sind ein Fall für den Überspannungsschutz.

Temporäre Überspannungen die aufgrund ihrer physikalischen Entstehung hochfrequent sind, haben im Vergleich zur 50Hz Spannung einen Stromanstieg, der ca. 10.000mal steiler ist. Diese Überspannungen werden als "transiente" Spannungen bezeichnet, was bedeutet, dass sie kurzlebige und vorübergehende Ausgleichsschwingungen darstellen. Verlauf und Frequenz sind sehr von der Impedanz des Stromkreises abhängig.

Abgesehen von einer Gebäudeblitzschutzanlage sind somit weiterführende Maßnahmen zum Überspannungsschutz moderner LED-Beleuchtungssysteme notwendig. Wichtig ist hierbei die Berücksichtigung aller Ursachen. Das Thema ist wie beschrieben recht komplex und innerhalb von Höhlen schwierig umzusetzen, wir wollen aber hier einen allgemeinen Lösungsansatz beschreiben.

Abb.1: Beispiel mit schematischer Darstellung des Gebäudeschutzes und der Hauptverteilung im Höhlen- oder Kassenhaus einer Schauhöhle

Das Schutzzonenkonzept

Wichtig ist die Aufteilung in Zonen unterschiedlicher Gefährdung. Anhand dieser Zonen können dann die notwendigen Schutzmaßnahmen, insbesondere die Geräte und Komponenten für den Blitz- und Überspannungsschutz bestimmt werden.

Zu einem gutem Blitzschutzzonenkonzept gehören dabei:

Das Blitzschutzzonenkonzept definiert die folgenden Bereiche. Unterscheidungskriterium ist hierbei die mögliche Belastung durch Blitzströme und elektromagnetische Felder.

Blitzschutzzone 0A: direkter Blitzeinschlag möglich (höchste Belastung)
Blitzschutzzone 0B: im Schutzbereich (einer Fangeinrichtung oder eines Gebäudes), elektromagnetisch ungedämpfter Bereich.
Blitzschutzzone 1: Bereich mit verminderten elektromagnetischen Feldern, (durch Schirmung gedämpft).
Blitzschutzzone 2: Durch weitere Schirmung gedämpfter Bereich.

Sehr wichtig ist hier der Potentialausgleich an jedem Zonenübergang!

Nach Anforderungen der Schutzzonen unterteilt man in:

Für die Endgeräte, wie eine LED-Beleuchtung, sind Überspannungsableiter wichtig. Ihre Aufgabe ist es nämlich, die Restgröße der vorgelagerten Schutzstufen weiter abzuschwächen, als auch die in der Anlage induzierten oder dort selbst erzeugten Überspannungen zu begrenzen.

Generell kann man sagen:

Wie kann man Überspannungsschutz realisieren?

Man kann unterscheiden zwischen:

Generelle Schutzmaßnahmen durch Bauund Elektroplanung

Spezielle Schutzmaßnahmen

Wo und wie sollte geschützt werden?

Hier ist das Überspannungsschutz-Konzept, welches generell in 3 Klassen eingeteilt ist, zu beachten, und beginnt mit der Energieeinspeisung und Verteilung, sowie dem Schutz der Versorgungsleitungen. Grundvoraussetzung ist allerdings ein guter Potentialausgleich!

Klasse 1, Grobschutz bei der Einspeisung

Hier werden die Störimpluse via Blitzstromableiter der Klasse 1 direkt an der Einspeisung oder der Hauptverteilung zur Erde abgeleitet und auf 6kV begrenzt. Es müssen auch die Netzfolgeströme und Hauptsicherungen beachtet und in die Planungen eingebracht werden.

Klasse 2, Mittleren Schutz bei der Unterverteilung

Klasse 3, Feinschutz bei Endgeräten

Abb.2: Beispiel mit schematischer Darstellung des Überspannungsschutzes eines Cavelighting-LED-Systems

Die klassifizierten Schutzzonen sind durch eine vollständig geerdete Hülle gekennzeichnet, die einen vollständigen Potentialausgleich aufweist. Deshalb ist ein Potentialausgleichsystem so wichtig und immer notwendig!

Leitungen, die durch diese Schirmung geführt werden, müssen dann mit Ableitern so abgesichert werden, dass ein vorgegebener Schutzpegel erreicht wird. Im inneren einer Schutzzone können weitere Zonen erstellt werden, die dann nur noch unterhalb des Schutzpegels der übergeordneten Schutzzone abgesichert werden müssen. Dies führt zu einer Koordination der Schutzpegel der zu schützenden Betriebsmittel. Die einzelnen Schutzzonen gewährleisten, dass eine bestimmte Höhe der Überspannung nicht überschritten wird bzw. in das System eindringen kann.

Moderne Blitz- und Überspannungsschutzanlagen müssen somit mehrere verschiedene Schutzziele abdecken. Während der klassische Blitzschutz materielle Schäden und Lebensgefahr bei direkten Blitzeinschlägen minimieren soll, muss darüber hinaus für bauliche Anlagen mit elektrischen und elektronischen Systemen auch der Schutz dieser Systeme gegen leitungsgebundene und gestrahlte Störungen durch den elektromagnetischen Blitzimpuls bei direkten und indirekten Blitzeinschlägen gewährleistet werden. Es müssen deshalb neben der Gebäudeinfrastruktur auch alle Versorgungssysteme sowie energie- und informationstechnischen Anlagen betrachtet werden. Das Blitz- und Überspannungsschutzzonen-Konzept ermöglicht somit ein strukturiertes Bearbeiten beliebig komplexer Schutzaufgaben bei Schauhöhlen durch Unterteilung in einzelne Schutzzonen und durch die eindeutige Festlegung von Schnittstellen. Dazu gehören ebenfalls eine genaue Risikoanalyse, sorgfältige Elektroplanung über ein sich mit dem Thema gut auskennendes Planungsbüro, die Auslegung und Berechnung der Schutzbausteine, die Installation durch eine Elektrofachkraft und Abnahme der Gesamtanlage.

Für die praktische Ausführung des Blitz- und Überspannungsschutzes steht Germtec in engem Kontakt zu namhaften Herstellern der für die Realisierung eines Blitz- und Überspannungsschutzes nötigen Bauteile und Schutzgeräte wie z.B. Dehn, Phoenix-Contact, usw.

Um den Feinschutz noch weiter zu erhöhen, entwickelten wir spezielle Anschlussdosen für unser LED-System.

Abb.3: Schaltbild einer Anschlussdose für LED-Leuchten, Schutzklasse 3

Zögern sie also nicht, uns zu kontaktieren, um die Kenndaten und Auswahlkriterien für ihre Schauhöhle in Bezug auf Blitz- und Überspannungsschutz professionell zu ermitteln.

Wir haben dafür einen speziellen und auf Schauhöhlen zugeschnittenen Fragebogen entwickelt, den wir ihnen gerne zusenden. So können ihre elektrischen und elektronischen Anlagenteile gegen Überspannung- und Blitzschutz gesichert oder kontrolliert werden und der langfristige Schauhöhlenbetrieb ist gewährleistet.