Abschalten, bevor etwas passiert

Dipl.-Ing. Jürgen Ziarnetzki

Ein großer Anteil von Feldgeräten wie Sensoren und Aktoren, Bedienpanels und aktive Geräte werden mit 24-V-DC-Systemen gespeist. Da die Anlagen in der chemischen Industrie oft sehr weitläufig aufgebaut sind, können hierfür trotz fortschreitender Dezentralisierung längere Leitungswege erforderlich sein. Das stellt bei der 24-V-DC-Versorgung eine große Herausforderung dar. Die gesamte 24-V-DC-Anlage muss an die örtlichen Gegebenheiten angepasst sein. Diese resultieren aus der Art der Energieversorgung und den spezifischen Systemgegebenheiten wie Art der Lasten und Widerstandsbetrachtungen. Oftmals beschäftigen sich die Betreiber einer Anlage zwar mit Bussystemen und übergeordneten Backbone-Netzwerken. Ohne die Informationen aus dem Feld und ohne eine maßgeschneiderte 24-V-DC-Versorgung verblasst jedoch das beste Gesamtkonzept.

Zur Absicherung der 24-V-DC-Komponenten werden häufig thermisch-magnetische Leitungsschutzschalter eingesetzt. Wie nachfolgendes Beispiel zeigt, ist der Einsatz solcher Leitungsschutzschalter je nach System kritisch zu betrachten. Geht man von einer einfachen Leitungslänge von 50 m und einem Querschnitt von 1,5 mm² Cu aus, ergibt sich bei Hin- und Rückleiter ein Leitungswiderstand von 1,2 Ω.. Das ergibt bei einer konstanten Versorgung von 24-V-DC einen Strom von 20 A. Handelsübliche Leitungsschutzschalter mit einer B-Charakteristik lösen beim drei- bis fünffachen Nennstrom bei AC 50 Hz magnetisch aus. Beim Einsatz in einem DC-Netz liegt dieser Wert beim Fünf- bis Achtfachen des Nennstroms. Das bedeutet, unter 24-V-DC-Bedingungen erhöht sich der erforderliche Auslösewert des Stroms gegenüber AC-Bedingungen ca. um den Faktor 1,6. Die notwendige Energie zum Bewegen des Kurzschlussauslösers ist dabei in beiden Fällen gleich, was sich jedoch ändert sind die Verluste im Magnetkreis und das Ansprechverhalten des Ankers. Daher ist in dem Beispiel bereits bei einem 3-A-Leitungsschutzschalter mit B- oder C-Charakteristik nicht 100 %ig gewährleistet, dass die erforderliche Energie zum Abschalten vorhanden ist oder, da die Abschaltkurve im Grenzbereich liegt, dass der Schutzschalter innerhalb der Zeittoleranz auslöst. Der Leitungsschutzschalter schaltet erst beim bis zu achtfachen Nennstrom ab. Dies würde 24 A bedeuten – es sind aber nur 20 A möglich. In diesem Fall ist ein thermisches Abschalten also nicht oder nur nach längerer Zeit gegeben. Der Einsatz eines Leitungsschutzschalters mit einer Z-Kurve würde zwar im Bereich kleiner Belastungen Abhilfe schaffen. Jedoch entstünden beim Aufschalten von kapazitiven Lasten erhebliche Probleme.

Hinsichtlich Sicherheit verdient ein weiterer Aspekt die Aufmerksamkeit. In dem Beispiel wird deutlich, dass 20 A im System fließen können. Das bedeutet, dass sämtliche Leitungen über einen längeren Zeitraum für 20 A ausgelegt sein müssen, um Leitungsüberhitzungen zu verhindern. Die Praxis zeigt jedoch oft, dass an einem Messwertfühler der letzte Meter einer Anschlussleitung direkt aus dem Gerät ausgeführt ist und dabei ein kleinerer Querschnitt verwendet wird. Sollte nun ein solcher Sensor defekt sein, aber einen entsprechenden Strom von maximal 20 A ermöglichen (ggf. Kurzschluss), kann es zu erheblicher Überhitzung der Leitung bis hin zur Gefährdung von Mensch und Anlage kommen. Da in der chemischen Industrie sehr oft batteriegepufferte Systeme im Einsatz sind, ist davon auszugehen, dass die Versorgungsspannung verhältnismäßig konstant bleibt und somit eine Überhitzung der Leitung möglich ist. Beim Einsatz von elektronischen Schaltnetzteilen dagegen besteht das Problem, dass diese sich im Falle eines Kurzschlusses abschalten, um sich selbst vor der hohen Energie zu schützen. Kurzzeitig mögliche höhere Ströme garantieren nicht in allen Fällen ein sicheres Abschalten des Schutzschalters, wenn der Energieinhalt des Strompulses zu gering ist. Auch ein zu frühes Abschalten bei tolerierbaren Einschaltimpulsen ist möglich, wenn der Energieinhalt des Strompulses etwas über der Ansprechschwelle liegt. Das ist im Detail wieder von den genutzten Kennlinien, Stromwerten und dem Widerstand des gesamten Systems abhängig. Daher ist beim Einsatz von elektronischen Schaltnetzteilen nicht gewährleistet, dass alle angeschlossenen Lastkreise bei Ausfall eines einzigen in Funktion bleiben. Die Folgen wären ein potenzieller Anlagenstillstand oder eine unklare Prozessunterbrechung. Dies sorgt für hohe Kosten beim Reset der Anlage.

Als Spezialist für Absicherungskonzepte bietet E-T-A hierzu eine Lösung. Die Geräteserien ESS20, ESX10 und ESX10-T elektronischer Schutzschalter zur Montage auf der Tragschiene sorgen in 24-V-DC-Systemen für Selektivität und sicheres Abschalten durch eine aktive elektronische Strombegrenzung. Je nach Nennstromtyp begrenzt das System zuverlässig zwischen dem 1,3- und dem 1,8-fachen Nennstrom, unabhängig vom Widerstand im Lastkreis oder der Art der Spannungsversorgung, bis zur Abschaltung. Die Abschaltzeit bewegt sich zwischen 100 ms und 3 s, je nachdem, ob es sich um eine Überlast oder einen Kurzschluss handelt. Durch die Strombegrenzung wird zu hoher Strom über die Leitungswege verhindert und eine Überhitzung der Leitung wird somit unterbunden. Das erhöht die Sicherheit im System. Weiterhin ist ein Schutz des Systems sowohl bei Überlast als auch bei Kurzschluss gewährleistet, da keine erhöhte Energie zum Abschalten erforderlich ist. Die elektronischen Schutzschalter sind mit einer den Strom überwachenden Elektronik ausgestattet. Während die Typen ESX10 und ESX10-T über eine ausschließlich elektronische Abschaltung verfügen, bietet der Typ ESS20 eine echte galvanische Trennung des Lastkreises. Bei der Nutzung dieser Technologie wird bereits in der Planungsphase ein weiterer Vorteil erkennbar. Da eine Kennlinienauswahl nicht erforderlich ist, müssen im Vorfeld nicht alle Anlagendetails hinsichtlich Widerstände oder Lastarten bekannt sein. Strombegrenzung ist also wesentlich effektiver als eine zeitabhängige Abschaltung.

Die elektronischen Schutzschalter sind in der Lage, kapazitive Lasten bis 20000 µF zu schalten und somit für alle erforderlichen Lastbedingungen gerüstet. Die Geräte sind mit festen Nennströmen zwischen 0,5 und 10 A (ESS20) bzw. bis 12 A (ESX10/T) verfügbar. Das modular aufgebaute Sockelsystem 17plus sowie das Stromverteilersystem SVS sind mit den steckbaren elektronischen Schutzschaltern ESS20 und ESX10 bestückbar. Der Typ ESS20 mit galvanischer Trennung ist gemäß UL 1077 als Electronic Supplementary Protector zugelassen. Die ESX10-Serie ist zertifiziert nach UL 2367. UL 1604 (Class I Div2, Zone2) ist in Vorbereitung. Neben der Anlageverfügbarkeit und Sicherheit bietet das System dank einer Baubreite von nur 12,5 mm den Vorteil des Platzgewinns im Schaltschrank. Durch den Einsatz des Stromverteilersystems SVS wird der Verdrahtungsaufwand verringert. Natürlich sind auch individuelle und kundenspezifische Lösungen oder auch der Einbau in 19”- Systeme umsetzbar.

cav 454

Elektronischer Überstromschutz

SPS/IPC/Drives 2008