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Blitze ohne Chance

Überspannungsschutzgeräte erhöhen die Verfügbarkeit vom Sensor bis zur Steuerung
Blitze ohne Chance

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Ein Ausfall von Signalkreisen der MSR-Technik aufgrund von transienten Überspannungen kann hohe Schäden zur Folge haben. Durch den Einsatz von Überspannungsschutzgeräten (ÜSG) wird die Verfügbarkeit der Anlage erhöht und damit die Wirtschaftlichkeit des Anlagenbetriebes optimiert. Für ÜSG der MSR-Technik sind die Normen IEC 61643 Teil 21 und 22 maßgebend.

Silvester Paul

Ursache für unerwartete Geräteschäden oder Anlagenausfälle in der Mess-, Steuer- und Regelungstechnik (MSR-Technik) sind meistens transiente Überspannungen, die durch Blitzbeeinflussungen oder Schalthandlungen im Versorgungsnetz entstehen. Aufwendige Fehlersuche, Wiederbeschaffung, Reparatur und Stillstandzeiten führen zu erheblichen Folgekosten. Überspannungsschutzgeräte, die solchen transienten Überspannungen entgegen wirken und diese für die zu schützende Betriebsmittel auf ein akzeptables Maß begrenzen, sollten nach IEC 61643-22 mit den Anforderungen der IEC 61643-21 und den auf das zu schützende System bezogenen Spezifikationen übereinstimmen [1].
Die Auswahl der ÜSG für die MSR-Technik richtet sich nach Faktoren wie:
  • Signalverarbeitung wie Zwei-, Drei-, Vier- oder Sechsleiter-Messtechnik
  • maximale Signalspannung
  • Stoßspannungsfestigkeit
  • Übertragungsfrequenz
Auch der Einsatzort des ÜSGs spielt eine Rolle – so stellt der Schutz der Betriebsmittel in explosionsgefährdeten Bereichen, etwa für eigensichere Stromkreise, spezielle Anforderungen.
Typische Anwendungsgebiete für die Zweileitermessung sind Durchflussmessungen oder Füllstandmessungen. Für die Drei- oder Vierleitermessung sind es Temperaturmessungen und Wägemessungen. Temperatur- oder Füllstandmessungen an Tanks kommen häufig im Ex-i-Bereich vor. Sowohl die Anschlusstechnik als auch der Platzbedarf müssen zur Installationsumgebung passen. Daher sind die ÜSG für die MSR-Technik mit unterschiedlichen Anschlusstechniken verfügbar.
Einsatzgebiete und Schutzklassen in der MSR-Technik
Für die Prüfung und Anwendung von ÜSG in Telekommunikations- und Signalleitungen ist die IEC 61643-21 bzw. IEC 61643-22 maßgebend. Weitere Empfehlungen, insbesondere zum Schutz von baulichen Anlagen gegen elektromagnetische Blitzimpulse, sind in der DIN EN 62305-3 und DIN EN 62305-4 zu finden.
Die IEC 61643-22 (VDE 0845 Teil 3-2) beschreibt die Prinzipien für die Auswahl, den Betrieb, die Installation und die Koordination von ÜSG, die in Telekommunikations- und signalverarbeitenden Netzwerken eingesetzt werden [1]. Dagegen beschreibt die IEC 61643-21 (VDE 0845 Teil 3-1) Prüfverfahren und Leistungsanforderungen für ÜSG, die in der selben Umgebung eingesetzt werden [2].
Ein wirkungsvolles Überspannungsschutzkonzept berücksichtigt alle Leitungen, die von außen in ein Gebäude oder die zu schützende Anlage hineinführen [1], [4]. Unter anderem sind auch die Stromversorgungsleitungen mit Überspannungsschutz zu versehen.
Die genannten Normen beschreiben ein mehrstufiges Überspannungsschutzkonzept sowie die Einteilung des Gebäudes in sogenannte Blitzschutzzonen. Bei Blitzschutzzonen werden äußere und innere Zonen unterschieden [4]. Diese beschreiben, wie die Bedrohung durch Störgrößen wie Blitzentladungen und Überspannungen mit dem Einsatz von aufeinander abgestimmten Schutzstufen reduziert werden.
Laut IEC 61643-22 müssen die Schutzanforderungen bei der Realisierung von Schutzmaßnahmen an jedem einzelnen Installationsort der ÜSG betrachtet werden. Großen Vorteil bietet hierbei die kaskadierte Anordnung der ÜSG an den Zonenschnittstellen. Ein vollständiges Zonenkonzept ist insbesondere dann relevant, wenn eine äußere Blitzschutzanlage vorhanden ist. So sollte direkt am Gebäudeeintritt die erste Schutzstufe der Anforderungskategorie D1 entsprechen. Dieser Schutz muss so leistungsfähig sein, dass er einen Blitzstrom der Impulsform 10/350 µs von 500 bis 2500 A beherrschen kann. Die Eingangsgröße für die zweite Schutzstufe besitzt damit eine deutlich reduzierte Störenergie. Diese Stufe muss die Anforderungskategorie C2 mit einem Ableitvermögen von 1000 bis 5000 A (Impulsform 8/20 µs) erfüllen. Reicht der Schutzpegel aufgrund empfindlicher Geräte immer noch nicht aus oder erwartet man zwischen der zweiten Schutzstufe und dem zu schützenden Gerät weitere Überspannungseinkopplungen, wird die dritte Schutzstufe erforderlich. Die Schutzgeräte der dritten Stufe müssen der Anforderungskategorie C1 entsprechen, die ein Ableitvermögen von 250 bis 500 A fordert (Impulsform 8/20 µs). Die kaskadierte Anordnung reduziert somit die Störenergie auf einen für das zu schützende Gerät akzeptablen Wert. Abhängig von den Installationsbedingungen und der zu erwartenden Störenergie aufgrund von Überspannungseinkopplungen kann ein einzelnes ÜSG zum Schutz mehrerer Schutzzonen eines Gebäudes genutzt werden.
Ein wirksames Schutzkonzept endet jedoch nicht mit dem Schutz für die Signale der MSR-Technik, es schließt Antennen-, Telekommunikations- sowie Stromversorgungsleitungen mit ein. Außerdem müssen die Spannungsbegrenzungseigenschaften der ÜSG in Bezug auf Quer- und Längsspannungen auf die Schutzanforderungen des Systems abgestimmt sein [1].
Überspannungsschutzgeräte in Messkreisen
In der MSR-Technik können ÜSG ein-, zwei- oder dreistufig ausgelegt werden. Schutzelemente, die hier eingesetzt werden, sind meistens Suppressor-Dioden, Varistoren und Gasentladungsableiter. Viele zweistufig ausgelegte ÜSG besitzen als Schutzelemente Gasentladungsableiter und Suppressor-Dioden. Die Suppressor-Dioden stellen die schnellsten und zugleich empfindlichsten Komponenten der ÜSG in der MSR-Technik dar. Um diese vor hohen Strömen zu schützen und auf das leistungsfähigere Bauelement zu entkoppeln, ist zwischen der Suppressor-Diode und dem Gasentladungsableiter oft ein ohmscher Widerstand geschaltet.
Bei der Verwendung von ÜSG mit Entkopplungselementen in Messkreisen sollte geprüft werden, ob eine Widerstandserhöhung zulässig ist. Eine Erhöhung der Impedanzen im Messkreis kann bei Temperaturmessungen mit Zweileitermesstechnik zu Messfehlern führen. Damit die Entkopplungselemente aufgrund der Verlustleistung nicht thermisch zerstört werden, sollte der maximale Betriebsstrom der ÜSG beachtet werden.
In vielen Applikationen – etwa bei Bussystemen – ist die Grenzfrequenz fg wichtig. Diese beschreibt das frequenzabhängige Verhalten des ÜSG. Kapazitive und induktive Eigenschaften der Bauelemente sorgen für eine Dämpfung des Signals zu höheren Frequenzen hin. Alle metallisch leitenden Teile müssen an den Übergängen der Blitzschutzzonen in den Potenzialausgleich einbezogen werden.
Halle 9, Stand F40
Literaturhinweise
  • 1. DIN CLC/TS 61643-22:2007; Überspannungsschutz-Geräte für Niederspannung – Teil 22: Überspannungsschutz-Geräte für den Einsatz in Telekommunikations- und signalverarbeitenden Netzwerken – Auswahl und Anwendungsprinzipien
  • 2. DIN EN 61643-21:2002; Überspannungsschutzgeräte für Niederspannung – Teil 21: Überspannungsschutzgeräte für den Einsatz in Telekommunikations- und signalverarbeitenden Netzwerken – Leistungsanforderungen und Prüfverfahren
  • 3. EN 62305-3:2006; Blitzschutz – Teil 3: Schutz von baulichen Anlagen und Personen
  • 4. EN 62305-4:2006; Blitzschutz – Teil 4: Elektrische und elektronische Systeme in baulichen Anlagen
  • 5. Schimanski, J.; Überspannungsschutz. Theorie und Praxis; Hüthig Verlag, 2002
Online-Info www.cav.de/0410440
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