Norm IEC 61643-41 Überspannungsschutz in DC-Netzen

Mit der neuen Produktnorm IEC 61643-41 wird erstmals ein klarer Rahmen für Überspannungsschutzgeräte in Gleichspannungsnetzen geschaffen, die nicht auf Photovoltaik beschränkt sind. Sie schließt damit eine Lücke im bestehenden Regelwerk. Denn Gleichspannungsnetze stellen strengere Anforderungen an den Überspannungsschutz, besonders dann, wenn Produkte das Ende ihres Lebenszyklus erreicht haben.

Überspannungsschutzgeräte (Surge Protection Devices, SPD) schützen Anlagen vor Schäden durch Überspannung. Aufgrund zunehmender Extremwetterereignisse nimmt ihre Bedeutung zu. Hinzu kommt, dass in modernen Netzen immer mehr und immer teurere Elektronik zur Steuerung, Messung und Kommunikation im Einsatz ist. Dadurch steigen die Anzahl und die Kosten der zu schützenden Komponenten. SPD werden eingesetzt, um Überspannungen durch atmosphärische Entladungen wie Blitze, Schalterereignisse oder Erdschlüsse im Hochspannungsnetz zu begrenzen. Sie sind fast immer inaktiv, aktivieren sich bei Bedarf jedoch in Nanosekunden und leiten dann mehrere Kiloampere an Strömen ab. Normalerweise ist der gesamte Arbeitsvorgang eines SPD in unter einer Millisekunde abgeschlossen. Kritisch ist jedoch die Trennung vom Netz am Lebensende. Dann muss der Überspannungsschutz entweder sicher vom Netz getrennt werden oder einen anderen sicheren Zustand einnehmen, der Anwender und Anlagen schützt.

Warum Gleichspannungsnetze zunehmen

Gleichspannungsnetze bringen eine Reihe von Vorteilen mit sich. Ihr geringerer Kabelquerschnitt sorgt dafür, dass rund die Hälfte an Kupfer eingespart werden kann. Dadurch reduziert sich neben den Materialkosten auch das Gewicht der Kabel. In DC-Netzen entfallen außerdem Oberwellen wie in üblichen Dreiphasensystemen. Es handelt sich um einfache Netze, die die Komplexität senken.

Weil im Alltag die meisten Lasten wie LED-Beleuchtung, Elektromobilität, Batterieladen und Elektronik auf Gleichspannung entfallen, schaffen DC-Netze eine höhere Energieeffizienz im täglichen Betrieb und verzeichnen weniger Verluste, wenn nicht von Wechselstrom auf Gleichstrom umgewandelt werden muss. Auch die Integration erneuerbarer Energiequellen ist in DC-Netzen einfacher. Integrierte Speicher steigern die Verfügbarkeit und reduzieren Spitzenlasten, was die Energiekosten wiederum senkt.

Mit der Norm IEC 60364 (in Deutschland harmonisiert als VDE 0100) ist die Notwendigkeit, Auswahl und Positionierung von Überspannungsschutzgeräten für Gleich- und Wechselstromnetze reguliert. Die IEC 62305 (in Deutschland harmonisiert als VDE 0185-305) behandelt zusätzlich externe und interne Blitzschutzmaßnahmen inklusive Risikoabschätzungen. Die Positionierung der SPD am Gebäudeeintritt und der Maximalabstand von 10 m Kabellänge für weitere Schutzelemente bleibt dabei unverändert gültig.

Eine regulatorische Lücke schließen

Bisher waren SPD in diesem Bereich nur für PV-Anlagen durch eine eigene Produktnorm abgedeckt. Die IEC 61643-41 schließt deshalb nun eine echte Lücke für DC-Systeme oder Anwendungen, die auch erhebliche Kurzschlussströme liefern können. Sie definiert erstmals spezifische Anforderungen und Prüfungen für Überspannungsschutzgeräte in DC-Niederspannungsnetzen bis 1.500 V DC, die nicht in PV-Anlagen verbaut sind. Gleichspannungsnetze stellen aber auch besondere Anforderungen an den Überspannungsschutz. Während in AC-Netzen die Kurzschlusspotenziale nur von Seiten des Trafos ausgehen, gibt es in DC-Netzen auf der AC-Seite Energie durch Trafo und Wandler sowie auf der DC-Seite beispielsweise durch die Batterie des Elektrofahrzeugs. Auch Speicherlösungen liefern teils erhebliche Kurzschlussströme.

Die IEC 61643-41 wurde geschaffen, weil DC-Niederspannungsanwendungen außerhalb von Photovoltaik eigene Anforderungen haben, etwa bei Ladeinfrastruktur, Energiespeichern, Bahn- oder anderen DC-Systemen. Für solche Anlagen reichen die bisherigen PV-spezifischen Regeln aus IEC 61643-31 nicht aus, weshalb der Teil 41 diese Lücke schließt. Die Norm beschreibt, welche SPD in DC-Niederspannungssystemen zulässig sind, wie sie zu prüfen sind und welche Sicherheits- und Leistungsanforderungen sie erfüllen müssen. Dabei wird von DC-Stromkreisen mit linearer Spannung-Strom-Kennlinie ausgegangen. Kommen andere Quellen zum Einsatz, muss die Anlage mit Blick auf Kurzschlussstrom oder temporärer Überspannung (TOV) genauer betrachtet werden. Für PV-Anwendungen gilt also weiterhin die IEC 61643-31. SPD für Batteriesysteme, DC-Verteilung, EV-Ladeinfrastruktur oder andere DC-Anwendungen sind künftig über die IEC 61643-41 abgedeckt.

Überspannungsschutz am Ende des Lebenszyklus

Der Schutz vor Überspannung muss nicht nur während der Lebensdauer von SPD gegeben sein, sondern auch, wenn interne Schutzbauteile gealtert oder überlastet sind und deshalb vom Netz getrennt werden müssen. Deshalb rückt das sichere End-of-life-Verhalten – die zuverlässige Trennung durch interne oder externe Abtrennmechanismen – stärker in den Fokus der Regulatorik. Ein unsauber getrenntes SPD kann in einen dauerhaft leitenden Zustand übergehen und dadurch Folgeschäden auslösen.

In DC-Netzen kann dieser Fehlerfall deutlich gefährlichere Auswirkungen haben als in Wechselstromnetzen. Eine Erweiterung der Norm war deshalb notwendig. Wenn ein Bauteil am Lebensende kurzschließt oder eine Schutzschaltung versagt, kann das DC-Netz hohe Kurzschlussströme liefern, die Lichtbogen, Brände oder im schlimmsten Fall Explosionen auslösen. Die Norm betont deshalb die Betrachtung des erwartbaren Kurzschlussstroms und der TOV-Stresssituation, erweitert damit den Fokus von der reinen Überspannungsbegrenzung auf das sichere Verhalten im Fehlerfall und sorgt so dafür, dass Anlagen und Anwender auch nach dem Ende des Lebenszyklus geschützt sind.

Vier Schritte für ein sicheres Lebensende

In der Praxis lässt sich die Norm in vier Schritten umsetzen: Zunächst wird unterschieden, ob es sich um ein allgemeines DC-System oder eine PV-Anwendung handelt. Je nach Anwendungsfall ist IEC 61643-41 oder IEC 61643-31 zu beachten und gibt die Schutzanforderungen entsprechend vor. Danach folgt ein Abgleich der Kurzschlussfestigkeit und des zulässigen Abschaltkonzepts mit der realen Netzquelle. Einfach gesagt: Welches SPD bringt die passenden Eigenschaften für dieses konkrete DC-Netz mit?

Danach wird das SPD mit vorgelagertem Schutzelement koordiniert und zuletzt eine End-of-life-Anzeige sowie regelmäßige Wartungszyklen in das Anlagenkonzept integriert. Deshalb sollten bereits bei der Auswahl der Produkte im Datenblatt neben der Nennspannung die TOV-Festigkeit, das Abschaltvermögen und die vorgesehene Netzform berücksichtigt werden. So wird aus einem „irgendwie passenden“ Gerät ein normativ stimmiges, betriebssicheres Schutzkonzept.

Stellenwert von IEC 61643-41 und Überspannungsschutz in der Praxis

Wie die Norm in der Praxis umgesetzt wird, kommt ganz auf den individuellen Fall an. Privatpersonen erkennen zunehmend, wie sich durch DC-Verteilung Effizienzgewinne erzielen lassen. Die Integration von Batteriespeichern, Ladeinfrastruktur und PV-Anlagen in Wohngebäuden benötigen allerdings neue Schutzkonzepte. In industriellen Anwendungen wiederum ist eine zuverlässige Energieversorgung geschäftskritisch. Hier kommen zunehmend DC-Schnellladestationen zum Einsatz, die Fuhrparks betreiben oder den Mitarbeitern zur Verfügung stehen. Dadurch entstehen mehr Kurzschlussquellen – aufgrund von Batteriespeichern, Leistungselektronik und Elektrofahrzeugen – und somit höhere Anforderungen an den Überspannungsschutz als in klassischen AC-Netzen. Nicht nur die Geräteauswahl, sondern auch die Dimensionierung der Anlagen ist hier entscheidend, um den sicheren Betrieb zu gewährleisten.

Die IEC 61643-41 schließt eine wichtige Lücke in der Normlandschaft und misst Überspannungsschutz den richtigen Wert bei. Denn dieser nimmt durch Extremwetterlagen, hohe Anforderungen an die Verfügbarkeit und zunehmend teure Elektronik immer weiter zu. Die Norm deckt nun auch das Vorgehen am Ende des Lebenszyklus in DC-Anwendungen ab und gibt Verantwortlichen einen Leitfaden in die Hand, mit dem sie die richtigen Produkte für ihre DC-Anwendungen auswählen und implementieren können, um Anlagen und Anwender gleichermaßen zu schützen.