Verschmutzungsgrad und Überspannung: Schlüsselkriterien für die Isolationskoordination

Verschmutzungsgrad und Überspannungskategorie sind zwei grundlegende Parameter, die beim Dimensionieren von Isolierungen und Abständen in elektrischen Systemen berücksichtigt werden müssen. Der Verschmutzungsgrad bezieht sich auf die Umweltschmutzung und Feuchtigkeit (Mikroumgebung), die die Kriechstrecke beeinflussen. Eine höhere Umweltverschmutzung kann die Isolierung beeinträchtigen und den Abstand verringern, was das Risiko von Isolationsfehlern erhöht. Die Überspannungskategorie beschreibt die Intensität von Transienten, wie Blitze oder Schaltvorgänge, die das Gerät aushalten muss. Die Auswirkungen von Überspannungen hängen stark von der Position im Stromnetz ab – vom Schutz bei Steckdosen bis zu höheren Schutzanforderungen an zentralen Netzanschlüssen.

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Verschmutzungsgrad und Überspannungskategorie: Klassifizierungen

Verschmutzungsgrad und seine Klassifizierung nach IEC 60664-1 und IEC 61010-1

Der Verschmutzungsgrad beschreibt die Art und Intensität der Verschmutzung, die einen Einfluss auf die Isolierung von elektrischen Bauteilen haben kann. Er wird in vier Grade unterteilt, die jeweils unterschiedliche Anforderungen an die Isolierung und den Schutz von Geräten stellen:

Verschmutzungsgrad 1: Dieser Grad bezeichnet Bereiche, in denen keine oder nur geringe, jedoch nicht leitfähige Verschmutzungen auftreten. In solchen Umgebungen hat die Verschmutzung keinen Einfluss auf die Funktion der Bauteile. Geräte, die in diesen Bereichen eingesetzt werden, benötigen nur eine standardisierte Isolierung, die auch durch spezielle Beschichtungen erreicht werden kann.

Verschmutzungsgrad 2: Hier können Verschmutzungen auftreten, die zwar nicht leitfähig sind, jedoch durch gelegentliches Kondenswasser (Betauung) oder z. B. Handschweiß leitfähig werden können. Bauteile, die in diesen Bereichen eingesetzt werden, müssen gegen diese vorübergehenden Verschmutzungen geschützt werden, um eine sichere Funktion zu gewährleisten.

Verschmutzungsgrad 3: In dieser Kategorie werden Verschmutzungen definiert, die entweder bereits leitfähig sind (z. B. Metallstaub) oder durch Betauung leitfähig werden können. Bauteile, die in solchen Umgebungen installiert werden, müssen entsprechend abgeschirmt sein und eine höhere Robustheit gegen leitende Verschmutzungen aufweisen.

Verschmutzungsgrad 4: Der höchste Verschmutzungsgrad beschreibt Umgebungen, in denen dauerhaft leitfähige Verschmutzungen, wie Staub, Regen oder Nässe, zu erwarten sind. Diese Umgebungen stellen die größte Herausforderung für die Isolierung dar, weshalb Bauteile in solchen Bereichen besonders robust ausgelegt sein müssen, um den Anforderungen standzuhalten.

Verschmutzungsgrad und Überspannungskategorie sind entscheidend für die Isolationskoordination in elektrischen Systemen. Diese Parameter beeinflussen die Dimensionierung der Kriechstrecke und den Abstand zwischen leitenden Teilen. Für eine präzise Auswahl der Isolierung und Berücksichtigung der Umgebungsbedingungen ist es wichtig, die richtigen Klassifizierungen zu wählen. Weitere Informationen zu den Auswirkungen dieser Klassifizierungen auf die Auswahl und Anwendung von Busbar-Fertigungsmaschinen finden Sie in unserem Leitfaden zu Busbar-Fertigungsmaschinen.

Überspannungskategorien

Definition der Überspannungskategorie (Installationskategorie)

Die Überspannungskategorie (auch Installationskategorie oder Overvoltage Category, OVC) beschreibt gemäß DIN EN IEC 60664-1 VDE 0110-1 das zu erwartende Niveau transienter Überspannungen, denen ein elektrisches Betriebsmittel abhängig von seiner Position im Stromversorgungssystem ausgesetzt ist. Sie ist ein zentrales Kriterium der Isolationskoordination und beeinflusst insbesondere die Auslegung der erforderlichen Luft- und Kriechstrecken.

In der VDE-Norm DIN EN 60664-1 VDE 0110-1 werden vier Überspannungskategorien: I, II, III und IV definiert. Die Zuordnung erfolgt nicht anhand eines festen „Überspannungsgrades“, sondern anhand der Einbindung des Geräts in das Stromnetz und der daraus resultierenden Beanspruchung durch transiente Überspannungen, z. B. durch Schalthandlungen oder indirekte Blitzeinflüsse.

In der Norm IEC 60664-1 (DIN EN 60664-1 VDE 0110-1) werden vier Überspannungskategorien (I–IV) definiert. Die nachfolgende Tabelle erweitert diese Klassifikation herstellerseitig um eine zusätzliche Kategorie, die jedoch nicht Bestandteil der Norm ist.

Die vorliegende Tabelle liefert Informationen über Überspannungskategorie 1-4 in der VDE-Norm DIN EN 60664-1 VDE 0110-1.

Überspannungskategorie I (OVC I)

Diese Kategorie gilt für Betriebsmittel, die an Stromkreise angeschlossen sind, in denen Maßnahmen zur Begrenzung transienter Überspannungen getroffen wurden (z. B. interne Schutzschaltungen).
Typische Bemessungsstoßspannungen liegen – abhängig von der Netzspannung – im Bereich von etwa 1,5 kV.
Typische Geräte: Elektronik mit externem Netzteil, empfindliche Signal- und Messgeräte.

Überspannungskategorie II (OVC II)

Diese Kategorie umfasst Betriebsmittel, die über Steckvorrichtungen mit der festen Installation verbunden sind. Typische Bemessungsstoßspannungen liegen bei Niederspannungsnetzen häufig im Bereich von etwa 2,5 kV.

Typische Geräte: Haushaltsgeräte, Bürogeräte, Server, IT-Equipment.

Überspannungskategorie III (OVC III)

OVC III gilt für Betriebsmittel, die Teil der festen Elektroinstallation sind und näher an der Energieverteilung liegen. Typische Bemessungsstoßspannungen liegen – abhängig von der Nennspannung – häufig bei etwa 4 kV.

Typische Geräte: Schalt- und Verteilungsanlagen, fest installierte Motoren, industrielle Steuerungen.

Überspannungskategorie IV (OVC IV)

Diese Kategorie betrifft Betriebsmittel am Ursprung der elektrischen Installation, wo die höchsten transienten Überspannungen auftreten können. Typische Bemessungsstoßspannungen können bei Niederspannungsnetzen Werte von etwa 6 kV erreichen.

Typische Geräte: Einspeisepunkte, Hauptverteilungen, Zähleranlagen, Betriebsmittel in Umspannwerken.

Die Überspannungskategorie ist stets gemeinsam mit dem Verschmutzungsgrad, der Bemessungsspannung, der Isolationsart sowie der Materialgruppe zu betrachten, um eine normkonforme und sichere Isolationskoordination sicherzustellen.

Wie Verschmutzungsgrad und Überspannungskategorie: Kriechstrecke und Abstand beeinflussen

Verschmutzungsgrad und Überspannungskategorie bieten Möglichkeiten,  die erforderlichen Mindestwerte für Kriech- und Luftstrecken zu erhöhen: Ein höherer Verschmutzungsgrad (z.B. von Grad 2 auf Grad 3) führt zu stärkeren Verschmutzungen, die leitfähig werden und kürzere Wege für Kriechströme schaffen, was größere Abstände erfordert. Eine höhere Überspannungskategorie bedeutet, dass das Gerät höheren transienten Spannungen standhalten muss, was ebenfalls größere Abstände zur Vermeidung von Überschlägen (Luftstrecke) und Kriechwegen (Kriechstrecke) bedingt.

Die Bemessung der Kriech‑ und Luftstrecken hängt direkt von der Überspannungskategorie (die die erwarteten transienten Überspannungen definiert) und dem Verschmutzungsgrad (der das Ausmaß von Umweltverschmutzung beschreibt) ab. Je höher diese Werte, desto größer müssen die Abstände zwischen leitenden Teilen sein, um elektrischen Durchschlag und Oberflächenkriechen zu verhindern.

Verbindung zur Isolationskoordination und IEC 60664-1

Dieser Teil von IEC 60664 enthält Festlegungen der Isolationskoordination für mit Niederspannungsanlagen verbundene Betriebsmittel mit einer Bemessungswechselspannung bis zu 1 000 V oder einer Bemessungsgleichspannung bis zu 1 500 V. Dieses Schriftstück gilt für Frequenzen bis 30 kHz. Anforderungen für die Isolationskoordination für elektrische Betriebsmittel in Niederspannungsanlagen mit Bemessungsfrequenzen über 30 kHz enthält IEC 60664-4.

Die Kriechstrecke und der Abstand sind entscheidend für die Sicherheit und Isolierung von Geräten. Sie hängen ab von:

• der Betriebs- und Bemessungs-Spannung,
• der Isolationsart und Materialgruppe,
• dem Verschmutzungsgrad der Umgebung,
• der Überspannungskategorie, und
• weiteren Faktoren wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Gerätekonstruktion.

All diese Faktoren müssen sorgfältig berücksichtigt werden, um die richtige Isolierung und den geeigneten Abstand in elektrischen Installationen zu gewährleisten.

Verschmutzungsgrad und Überspannungskategorie in der Praxis für Niederspannungs-/Mittelspannungs-Schaltanlagen und Sammelschienen-Systeme anwenden

Typische Annahmen für Niederspannungs-Schaltanlagen

In der Praxis werden für Standardgeräte in Niederspannungs-Schaltanlagen häufig Verschmutzungsgrad 2 (PD2) und Überspannungskategorie II (OVC II) angenommen, da diese Geräte in Umgebungen wie Büros oder Haushalten typischerweise nur geringer, nicht leitfähiger Verschmutzung ausgesetzt sind. Für Verteilungsanlagen in Gebäuden wird jedoch häufig eine Überspannungskategorie III (OVC III) verwendet, da diese Anlagen höheren transienten Überspannungen und fest installierten Komponenten ausgesetzt sind.

Nicht-offizielle Design-Cheat-Sheet: Auswahl des Verschmutzungsgrads und der Überspannungskategorie

Schritt 1: Analyse der Umgebungsbedingungen

Bestimmen des Verschmutzungsgrads (PD): Überlegen Sie, in welcher Umgebung das Gerät installiert werden soll (z. B. Büro, Industriehalle, Außenbereich). Berücksichtigen Sie dann Feuchtigkeit, Staub oder korrosive Stoffe. Wählen Sie danach den Verschmutzungsgrad (PD1 bis PD4) basierend auf diesen Faktoren:

• PD1: Saubere, trockene Umgebungen.
• PD2: Gelegentliche Feuchtigkeit oder geringe Verschmutzung.
• PD3: Industrielle Umgebungen mit leitfähigem Staub.
• PD4: Hohe Verschmutzung, z. B. feuchte Umgebungen oder Außeneinsatz.

Schritt 2. Bestimmung der Überspannungskategorie (OVC)

Analysieren Sie die Position des Geräts im Stromnetz:

• Geräte, die direkt an die Stromquelle angeschlossen sind, benötigen eine höhere Überspannungskategorie.
• OVC I: Für Endgeräte, die an Steckdosen angeschlossen sind.
• OVC II: Für Geräte in Bereichen wie Haushalten oder Büros.
• OVC III: Für fest installierte Geräte in Verteilungsanlagen oder Industrien.
• OVC IV: Für Geräte am Einspeispunkt des Stromnetzes.

Schritt 3. Berücksichtigung der Isolationskriterien

Prüfen Sie, welche Isolierung verwendet wird:

• Kunststoff, Keramik, Glas oder andere Isoliermaterialien beeinflussen, wie viel Spannung und Verschmutzung das Gerät aushalten kann.
• Wählen Sie dann basierend auf der Isolierung die geeignete Kriechstrecke und Luftstrecke, die in den Normen wie IEC 60664-1 definiert sind.

 4. Überprüfung der Normen und Standards

• Normen wie IEC 61439, IEC 60664-1 und VDE 0110-1 bieten genaue Vorgaben, wie Verschmutzungsgrad und Überspannungskategorie für verschiedene Geräte und Installationen festgelegt werden müssen. Stellen Sie sicher, dass alle Auswahlkriterien mit den aktuellen Normen übereinstimmen.

5. Praktische Umsetzung

• Berechnen Sie die erforderliche Kriechstrecke und den Abstand basierend auf den festgelegten Parametern.
• Berücksichtigen Sie Sicherheit und Langfristigkeit: Wenn Sie unsicher sind, wählen Sie eine höhere Kategorie (z. B. OVC III statt OVC II), um auf der sicheren Seite zu sein und höhere transienten Überspannungen abzufangen.

 Fazit

Die Isolationskoordination in Niederspannungs- und Mittelspannungs-Systemen ist entscheidend für die Sicherheit und Effizienz elektrischer Anlagen. Verschmutzungsgrad und Überspannungskategorie spielen dabei eine wesentliche Rolle, da sie die Anforderungen an Isolierung und Abstand zwischen leitenden Teilen maßgeblich beeinflussen. Der Verschmutzungsgrad und Überspannungskategorie bezieht sich auf die Umwelteinflüsse wie Staub, Feuchtigkeit und korrosive Stoffe, die bestimmen, wie robust die Isolierung sein muss, um Kriechströme und Isolationsfehler zu vermeiden. Ebenso wichtig ist die Überspannungskategorie, die die Intensität von transienten Überspannungen beschreibt und den Abstand zwischen den Bauteilen festlegt, um Überschläge zu verhindern.

Die präzise Auswahl der richtigen Verschmutzungsgrad und Überspannungskategorie ist unerlässlich, um die langfristige Betriebssicherheit und Zuverlässigkeit von Anlagen zu gewährleisten. Durch die Anwendung der IEC-Normen und die sorgfältige Planung der Isolierung sowie der Kriech- und Luftstrecken können Ingenieure und Techniker potenzielle Risiken minimieren und eine hohe Schutzleistung sicherstellen. In der Praxis sollten Unternehmen stets die spezifischen Anforderungen ihrer jeweiligen Umgebung und Geräte berücksichtigen, um eine optimale Isolationskoordination zu gewährleisten und die Sicherheit der elektrischen Infrastruktur zu maximieren.

FAQs zu Verschmutzungsgrad und Überspannungskategorie

Was ist der Verschmutzungsgrad gemäß IEC 60664-1 und warum ist er wichtig?

Der Verschmutzungsgrad beschreibt die Art und Intensität der Umweltverschmutzung, die einen Einfluss auf die Isolierung von elektrischen Bauteilen hat. Verschmutzungsgrad und Überspannungskategorie sind entscheidend, um die richtigen Kriechstrecken und Abstände festzulegen, die notwendig sind, um elektrische Fehler zu vermeiden. Höhere Verschmutzungsgrade (z. B. PD3 und PD4) erfordern größere Abstände und robustere Isolierungen, um die Auswirkungen von leitfähigen Verschmutzungen zu verhindern.

Wie entscheide ich, ob mein Gerät Verschmutzungsgrad 2 oder 3 ist?

Um den Verschmutzungsgrad und Überspannungskategorie zu bestimmen, analysieren Sie die Umgebung des Geräts. Wenn das Gerät in einer feuchten oder staubigen Umgebung arbeitet, bei der Verschmutzungen leitfähig werden können, fällt es in Verschmutzungsgrad 3. Wenn es sich jedoch nur um gelegentliche, nicht leitfähige Verschmutzungen handelt, fällt es in Verschmutzungsgrad 2. In industriellen Umgebungen, in denen leitfähiger Staub vorhanden ist, wird typischerweise PD3 gewählt.

Was ist eine Überspannungskategorie und wie hängt sie mit IEC 60664-1 zusammen?

Die Überspannungskategorie beschreibt das Niveau von transienten Überspannungen (Spannungsspitzen), dem ein Gerät ausgesetzt sein kann, abhängig von seiner Position im Stromnetz. Verschmutzungsgrad und Überspannungskategorie beeinflussen die Isolierung und die Abstände zwischen Bauteilen. Höhere Kategorien (OVC III und IV) erfordern größere Kriechstrecken und robustere Isolierungen, um Überschläge und Kriechströme zu verhindern.

Wie beeinflussen Verschmutzungsgrad und Überspannungskategorie die Kriechstrecke und den Abstand?

Verschmutzungsgrad und Überspannungskategorie beeinflussen direkt die Dimensionierung der Kriechstrecke (Abstand entlang der Oberfläche) und Luftstrecke (Abstand in der Luft) zwischen leitenden Teilen. Ein höherer Verschmutzungsgrad (z. B. PD3 oder PD4) erfordert größere Abstände, da die Verschmutzung die Isolierung beeinträchtigen und den Kriechstrom fördern kann. Ebenso erfordert eine höhere Überspannungskategorie (z. B. OVC III oder IV) größere Abstände, um den Überschlag zwischen leitenden Teilen zu verhindern. Beide Faktoren tragen somit dazu bei, die elektrische Sicherheit zu gewährleisten und das Risiko von Durchschlägen und Kriechströmen zu minimieren.

Welche Rolle spielt der Verschmutzungsgrad bei der Auswahl von Isoliermaterialien?

Der Verschmutzungsgrad und Überspannungskategorie wirken sich auf die Wahl der Isoliermaterialien aus. Höhere Verschmutzungsgrade erfordern Materialien, die widerstandsfähiger gegenüber Umwelteinflüssen wie Staub oder Feuchtigkeit sind. Zudem müssen Isoliermaterialien in Umgebungen mit hohem Verschmutzungsgrad und Überspannungskategorie zusätzliche Eigenschaften aufweisen, um eine sichere Funktion zu gewährleisten und vor elektrischen Fehlern zu schützen.