Absicherung ist ein Muss

Erich Fischer

Eine selektive Absicherung von DC-24-V-Verbrauchern wie SPS, Feldbusmodule oder Sensoren in Anlagen der chemischen Industrie kann mit elektronischen Schutzschaltern optimal realisiert werden. In den elektrischen Anlagen werden dabei für die DC-24-V-Ebene fast ausschließlich Schaltnetzteile (=SNT) eingesetzt. Ein SNT hat allerdings die Eigenschaft, dass bei Überlastung die Ausgangsspannung stark abfallen kann. E-T-A hat mit dem elektronischen Schutzschalter ESS1 eine professionelle Absicherung für diese Problemstellung realisiert.

Viele der elektronischen Automatisierungsgeräte in der chemischen und petrochemischen Industrie beinhalten in ihrem Eingangskreis diverse Kondensatoren. Sie generieren beim Einschalten der Geräte einen kurzen, aber sehr hohen Einschaltstromstoß. Dies führt dazu, dass elektromechanische Schutzschalter mit flinker A- oder Z-Kennlinie bei diesen Anwendungen nur sehr eingeschränkt eingesetzt werden können. Der hohe Einschaltstromstoß der Kondensatoren bringt unverzögert den flinken Schutzschalter zum Auslösen. Dadurch kann die Anlage gar nicht erst gestartet werden. Zudem wurde festgestellt, dass die bisher als Alternative eingesetzten mittelträgen Leitungsschutzschalter mit C-Charakteristik häufig im Kurzschluss überhaupt nicht oder nur verzögert auslösen. C-Automaten benötigen einen sehr hohen Auslösestrom (bis zum 15-fachen ihres Nennstromes), den das DC-24-V-Schaltnetzteil jedoch gar nicht liefern kann. Das Netzteil geht in seinen internen Selbstschutz über und regelt die Ausgangsspannung herunter. Dies bringt dann die gesamte Automatisierungstechnik (SPS, Feldbusmodule etc.) zum Abstürzen, denn ohne eine stabile DC-24-V-Spannung funktioniert in der Anlage nichts mehr. Erschwerend kommt hinzu, dass beim Ausfall der DC-24-V-Versorgungsspannung der SPS keinerlei Fehler- oder Notfallroutinen mehr gefahren werden können und auch Antriebe wenigstens teilweise ungeregelt weiterlaufen.

In den elektronischen Schutzschaltern von E-T-A sind im Grunde genommen zwei Kennlinien, eine flinke und eine mittelträge Abschaltcharakteristik, optimal miteinander kombiniert. Kapazitive Einschaltströme werden auf maximal 2 · IN limitiert und führen nicht zum Auslösen. Im Kurzschlussfall wird der Laststrom ebenfalls begrenzt und innerhalb von ca. 100 ms abgeschaltet. Dadurch lässt sich verhindern, dass das Schaltnetzteil in seinen Überlastbereich kommt und die Spannung abregelt. Die elektronischen Schutzschalter werden deshalb auch als rückwirkungsfreier Überstromschutz bezeichnet, da sie nur so schnell wie nötig (und nicht so schnell wie möglich) den Stromkreis abschalten. Der Zusatznutzen dabei ist, dass Fehlauslösungen beim Auftreten von Stromspitzen im Betrieb zuverlässig verhindert werden. Als Varianten des ESS20 sind neben den einstellbaren Standard-Geräten (3A/6A und 1A/2A) auch Geräte mit festen Stromstärken 1, 2, 3, 4, 6, 8 und 10 A verfügbar.

Um die gesamte Funktionsfähigkeit, Verfügbarkeit und Diagnosemöglichkeit einer Anlage zu erhöhen, sind die elektronischen Schutzschalter ESS1/ESS20 mit etlichen Zusatzfunktionen wie galvanische Trennung nach elektronischer Abschaltung, eindeutige und einfach verständliche Signalisierung des Fehlerzustandes sowie Überlastabschaltung nach 5 s bei ILast > 1,1 · IN ausgestattet. Mit den vorgenannten Eigenschaften bieten die elektronischen Schutzschalter einen weiteren klaren Vorteil gegenüber Leitungsschutzschaltern und anderen elektronischen Absicherungen, die keine Strombegrenzung integriert haben. Für den sicheren Leitungsschutz ist immer zu beachten, dass die zulässige Grenzbelastungskennlinie und damit der I² t-Wert der angeschlossenen Leitung nicht überschritten wird. Dies ist für den Nachweis des Brandschutzes zwingend erforderlich. Da der maximale Kurzschlussstrom beim Einsatz der elektronischen Schutzschalter bekannt ist (max. 2 · IN), kann die größte zulässige Leitungslänge und die zugehörige Leitungsdämpfung sehr einfach berechnet werden. In der Praxis ist sehr häufig gemischte Verdrahtung vorhanden, da im Schaltschrank meist 1,0 mm² oder 1,5 mm² verdrahtet wird, Sensoren und Endschalter in den Anlagen aber häufig mit 0,25-mm²- oder 0,14-mm²-Leitungen an die im Feld befindliche Unterverteilung angeschlossen sind.

Von den besonderen Eigenschaften der elektronischen Schutzschalter ESS1/ESS20 können alle Anlagenplaner, Inbetriebnehmer oder Instandhalter profitieren. Bei der Inbetriebnahme signalisieren eine oder mehrere LEDs an der Gehäusefront der elektronischen Schutzschalter ESS20 bzw. ESS1, in welchem Zustand sich momentan der jeweilige Lastkreis befindet. Beim ESS1 wird über mehrere LEDs der Auslastungsgrad des jeweiligen Schutzschalters in % vom eingestellten Nennstrom anzeigt, beim ESS20 wird durch eine mehrfarbige LED über die klassischen Ampelfarben grün/gelb/rot der jeweilige Betriebszustand sehr einfach und verständlich gemeldet. Der integrierte Betätigungsknopf erlaubt es, einzelne Kanäle galvanisch getrennt abzuschalten, um die einzelnen Funktionsgruppen der Anlage zu testen oder Messungen durchzuführen. Zudem kann bei Problemen in der Anlage sehr schnell eingegriffen werden, da die DC-24-V-Spannung bei einem Fehler in einem der Lastkreise stabil bleibt und der Fehler dadurch schnell lokalisierbar ist. Die SPS wird durch den Signalkontakt des auslösenden elektronischen Schutzschalters sofort getriggert, und dadurch die Anlage in einen sicheren Zustand gebracht. Hat der elektronische Schutzschalter im Laststromkreis einen Überstrom (Überlast oder Kurzschluss) detektiert, läuft folgende interne Routine ab: Der Überstrom wird, falls nötig, sofort auf maximal 2 · IN begrenzt, um zu verhindern, dass das Schaltnetzteil die Spannungsversorgung der Anlage abregelt. Der fehlerhafte Strompfad wird nach einer entsprechenden Verzögerungszeit zuerst elektronisch abgeschaltet, anschließend erfolgt die galvanische Trennung. Diese wird durch einen integrierten Schutzschalterkontakt erreicht, der über die Elektronik angesteuert wird und das Gerät zum Auslösen bringt. Das Wiedereinschalten kann dann sehr einfach über den Druckknopf erfolgen. Die galvanische Trennung ist im Rahmen der CE-Kennzeichnung nachder EG-Maschinenrichtlinie und der Europanorm EN60204-1 (Sicherheit von Maschinen, Elektrische Aussrüstung) auch erforderlich, um eine gefahrbringende Bewegung von Anlagenkomponenten zu verhindern.

Die Verdrahtung von Last- und Signalleitungen ist für den professionellen Elektroplaner von großer Bedeutung, da die Schaltschränke bei der weiter fortschreitenden Dezentralisierung der Automatisierungstechnik in Zukunft immer kompakter aufgebaut sein müssen. Der Stromverteiler Modul 17plus bietet die Möglichkeit, ein modulares Verteilungssystem direkt auf die Hutschiene zu montieren sowie einfach, schnell und Platz sparend in Käfigzugfedertechnik zu verdrahten. Alle potenzialfreien Signalkontakte der steckbaren ESS20 sind bei diesem System schon vorverdrahtet, der gemeinsame Line-Eingang (Einspeisung von +DC 24 V) wird einfach mit einer steckbaren Verbindungsschiene gebrückt. Weiterhin können flexible Stromverteilungssysteme SVS1 bzw. SVS2 maßgeschneidert werden. Dadurch ist beispielsweise möglich, im Schaltschrank auf die Unterrangierung des Minusleiters bzw. der Funktionserde der Verbraucher zu verzichten, da diese Leitungen direkt am jeweiligen Lastabgang des Stromverteilers angeschlossen werden können.

Halle 11, Stand B62

cav 465

Details zum Schutzschalter ESS20

Produktprogramm elektronischer Schutzschalter

Grundlagenwissen zum Schutz in elektrischen Anlagen

Fachmesse Factory Automation auf der HMI 2005