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Voraussetzung für eine funktionierende und in die Zukunft gerichtete Elektromobilität ist eine großflächig vernetzte und intelligente Ladeinfrastruktur (Quelle: Dehn)
Blitz- und Überspannungsschutz | Energietechnik/-Anwendungen | Elektromobilität

Aus dem Facharchiv: Elektropraxis

Normgerecht geschützt,
sicher laden

14.04.2022

Das Interesse an Elektromobilität nimmt unter anderem bei Flottenbetreibern und Stadtwerken, aber auch bei Kommunen und Bürgern immer mehr Fahrt auf. Hersteller von Elektrofahrzeugen präsentieren zunehmend neue attraktive Modelle mit immer größerer Reichweite. Nicht zuletzt machen es politische Förderungen auch immer attraktiver, in eine flächendeckende Ladeinfrastruktur zu investieren [1].

Eine Voraussetzung für eine funktionierende und in die Zukunft gerichtete Elektromobilität ist eine großflächig vernetzte und intelligente Ladeinfrastruktur (Bild). Bestandteile davon – wie intelligente Ortsnetzstationen mit integrierter Fernwirk- und Messtechnik, batteriebetriebene Speicher bis hin zur fernsteuerbaren Ladesäule mit integrierten Energie- und Lastmanagementsystemen sowie Ladecontroller – haben eine entscheidende Gemeinsamkeit: Überall sind sensible elektronische Komponenten verbaut, bei denen ein stark steigendes Risiko hinsichtlich Blitz- und Überspannungsschäden besteht [2]. Teure Wartungs- und Instandhaltungsarbeiten sowie ein damit verbundener hoher Personalaufwand sind die Folge. Aber nicht nur die Ladeinfrastruktur, sondern auch die Elektrofahrzeuge selbst sind betroffen. Denn die Ladeschnittstelle ist gemäß IEC 60 664-1[3] lediglich nach Überspannungskategorie II, d. h. mit einer Bemessungs-Stoßspannung von 2 500 V definiert. Jedoch überschreiten die Auswirkungen von Blitzen und netzbedingten Überspannungen um ein Vielfaches die definierte Bemessungs-Stoßspannung. Zudem sind nicht nur direkte, sondern auch ferne Blitzauswirkungen in Betracht zu ziehen. Denn kommt es zu einer Blitzentladung, kann dies einen Schadensradius von bis zu 2 km nach sich ziehen. Wird während eines Gewitters das Elektrofahrzeug geladen, so hat dies nicht nur eine defekte Ladeinfrastruktur zur Folge. Auch das Elektrofahrzeug kann beschädigt werden, zum Beispiel die Batterien. Aber auch netzbedingte Überspannungen, beispielsweise erzeugt durch Schalthandlungen in der davor gelagerten Transformatorstation oder Erd- und Kurzschlüsse verursachen Überspannungen, die zu folgeschweren Störungen führen können. Um diesem stark steigenden Risiko entgegen zu wirken, ist ein ganzheitliches und geprüftes Blitz- und Überspannungsschutzkonzept von entscheidender Bedeutung.

Normative Anforderungen

Die Normen der Reihe DIN VDE 0100 sind Installationsnormen und deshalb auf die feste Installation anwendbar. Sofern eine Ladesäule nicht ortsveränderlich und über eine feste Verkabelung angeschlossen ist, fällt sie in den Geltungsbereich dieser Normenreihe. Die DIN VDE 0100-443:2016-10 [4] behandelt den Schutz von elektrischen Anlagen bei transienten Überspannungen infolge atmosphärischer Einflüsse, die über das Stromversorgungsnetz übertragen werden, inklusive direkter Blitzeinschläge in die Versorgungsleitungen und transienter Überspannungen infolge von Schaltvorgängen. Sie liefert eine Aussage, ob Überspannungsschutzmaßnahmen erforderlich sind, um Personen- und Sachschäden zu vermeiden. Zudem wägt sie das Standortrisiko ab, definiert Überspannungskategorien und die dazugehörigen geforderten Bemessungs-Stoßspannungen der Betriebsmittel und geht auf die notwendige Verfügbarkeit der Anlage ein. Haben Überspannungen Auswirkungen beispielsweise auf öffentliche Einrichtungen und Dienste, Gewerbe- und Industrieaktivitäten oder sind empfindliche Betriebsmittel der Überspannungskategorie I oder II verbaut, so sagt die Norm, dass ein Überspannungsschutz vorzusehen ist. Daher ist die DIN VDE 0100-443 grundsätzlich sowohl auf private als auch auf halböffentliche und öffentliche Ladeinfrastruktur anzuwenden. Zusätzlich geht aus der DIN VDE 0100-722: 2019-06 [5] hervor, dass öffentlich zugängliche Anschlusspunkte als Teil einer öffentlichen Einrichtung erachtet werden und daher bei transienten Überspannungen geschützt werden müssen. Werden Ladesäulen als Kundenanlage direkt an das Niederspannungsnetz angeschlossen, werden in VDE AR-N 4100 [6] zusätzliche Anforderungen an Typ 1 Ableiter beschrieben, die im Hauptstromversorgungssystem installiert werden. Ist eine Gefährdung durch direkte Blitzeinschläge zu berücksichtigen, ist weiterhin die Blitzschutz-Norm DIN VDE 0185-305 [7] zu beachten. Die Auswahl von Blitzstrom- und Überspannungsableitern und deren Installationsanforderungen erfolgt nach DIN VDE 0100-534: 2016-10 [8].

Standortabhängige 
Auswahl von Ableitern

Ein direkter oder naher Einschlag in die Ladesäule oder in die Versorgungsleitungen  verursacht die Einkopplung von Blitzströmen (Impulsform 10 /350 µs) oder führt zu induktiven / kapazitiven Einkopplungen (Impulsform 8/20 µs). Wenn die Ladesäule oder die Leitungsführung zur Ladesäule in Zone 0A errichtet wird, sind bei einem Nah- oder Ferneinschlag sowohl galvanische, induktive als auch kapazitive Einkopplungen zu erwarten. Um diese Störimpulse zu beherrschen, sind gemäß DIN VDE 0100-534 [8] Typ 1+2 Kombi-Ableiter in der Ladesäule zu installieren. Sind die Ladesäulen oder Wallboxen und deren Zuleitungen in der Blitzschutzzone 0B errichtet, d. h. im einschlaggeschützten Bereich, so sind lediglich induktive und kapazitive Einkopplungen durch Blitzentladungen oder netzbedingte Spannungsspitzen zu erwarten. In diesem Fall sind Überspannungsableiter mit energetisch koordinierter Schutzwirkung Typ 2+3, beispielsweise DEHNguard, zu berücksichtigen. Sollte das Bedrohungsszenario durch die sehr stark variierenden Aufstellorte nicht eindeutig zu bestimmen sein, empfiehlt sich generell der Einsatz eines Kombiableiters mit einer energetisch koordinierten Schutzwirkung Typ 1+2+3. Hierbei handelt es sich um kompakte, auf Funkenstreckentechnologie basierende Ableiter. Durch deren Wellenbrecherfunktion wird die Restenergie auf ein Minimum begrenzt und stellt somit selbst bei maximalen Einkopplungen sowohl bei direkten als auch indirekten Blitzauswirkungen einen wirksamen Schutz sicher – für die Ladeinfrastruktur und für das Elektrofahrzeug. Autor: T. Kerschensteiner Literatur:
[1] Ladeinfrastruktur Elektromobilität – Der Technische Leitfaden (Version 2). Erscheinungsdatum: 24.11.2016. [2] Landers, E. H., Zahlmann, P.: EMV – Blitzschutz von elektrischen und elektronischen Systemen in baulichen Anlagen. Berlin: VDE Verlag. 3. Auflage, 2013. [3] IEC 60 664-1:2007-04: Insulation coordination for equipment within low-voltage systems – Part 1: Principles, requirements and tests. [4] DIN VDE 0100-443:2016-10 Errichten von Niederspannungsanlagen; Teil 4-44: Schutzmaßnahmen – Schutz bei Störspannungen und elektromagnetischen Störgrößen – Abschnitt 443: Schutz bei transienten Überspannungen infolge atmosphärischer Einflüsse oder von Schaltvorgängen. [5] DIN VDE 0100-722: 2019-06: Errichten von Niederspannungsanlagen; Teil 7-722: Anforderungen für Betriebsstätten, Räume und Anlagen besonderer Art – Stromversorgung von Elektrofahrzeugen. [6] VDE-AR-N 4100:2019-04 Technische Regeln für den Anschluss von Kundenanlagen an das Niederspannungsnetz und deren Betrieb (TAR Niederspannung). [7] Normenreihe DIN VDE 0185-305 DIN EN 62305-1 VDE 0185-305-1:2011-10: Blitzschutz, Teil 1: Allgemeine Grundsätze; DIN EN 62305-2 VDE 0185-305-2:2013-02: Blitzschutz, Teil 2: Risiko-Management; DIN EN 62305-3 VDE 0185-305-3:2011-10: Blitzschutz, Teil 3: Schutz von baulichen Anlagen und Personen; DIN EN 62305-4 VDE 0185-305-4:2011-10: Blitzschutz, Teil 4: Elektrische und elektronische Systeme in baulichen Anlagen. [8] DIN VDE 0100-534 VDE 0100-534:2016-10: Errichten von Niederspannungsanlagen, Teil 5-53: Auswahl und Errichtung elektrischer Betriebsmittel – Trennen, Schalten und Steuern – Abschnitt 534: Überspannungs-Schutzeinrichtungen (SPDs). [9] Die deutsche Normungs-Roadmap Elektromobilität – Version 3 | Dezember 2014. Dieser Artikel wurde unserem Facharchiv entnommen.