Kleine Ursache mit großer Wirkung

Herbert Krämer

Feldgeräte sind häufig mit Sensorik ausgestattet, um Zustände von Prozessen zu überwachen und die Daten einem zentralen Rechnersystem zuzuführen. Wenn einer dieser Prozesswerte fehlerhaft ist, kann das verheerende Folgen haben. Ein Beispiel ist eine Chemieanlage, die über eine Abgasreinigungsanlage mit Schadstoffüberwachung verfügt. Bei einem Blitzschlag wurde das Schadstoffüberwachungssystem durch Überspannungen beschädigt und die Emissionen konnten nicht mehr gemessen werden. Da die Messung jedoch eine Auflage der Umweltbehörde war, musste die Produktion für die Reparaturdauer stillstehen. Die geschätzten Ausfallkosten beliefen sich auf 500 000 EUR. Dies unterstreicht die Notwendigkeit, auch die Geräte im Feld effektiv gegen Überspannungen zu schützen.

Für den Überspannungsschutz von Feldgeräten stehen Überspannungsableiter verschiedener Bauformen zur Verfügung. Die Ableiter unterscheiden sich in ihren elektrischen und mechanischen Eigenschaften und eignen sich für unterschiedliche Installationsbedingungen.

Feldgeräte können je nach Anwendung verschiedene Kabelzu- oder -einführungen haben. Häufig dienen PG-, npt- oder metrische Kabelverschraubungen als Zugang zu dem Anschlussraum, der aus einem metallischen Werkstoff oder Kunststoff hergestellt sein kann. Um eine maximale Schutzwirkung mittels eines gemeinsamen und niederimpedanten Potenzialausgleichs zu erreichen, sollten Ableiter möglichst nah an den zu schützenden Geräten installiert werden. Für 2-Leiter-Feldgeräte sind Bauformen erhältlich, die sich unmittelbar in eine passende Kabelverschraubung montieren lassen. Zu unterscheiden sind Ableiter für den seriellen und den parallelen Anschluss an das Feldkabel. Während beim seriellen Anschluss eine Kabeleinführung am Feldgerät ausreichend ist, sind zwei Einführungen für den parallelen Anschluss nötig. Werden in ein Feldgerät mehr als zwei Adern durch eine Verschraubung eingeführt oder handelt es sich um eine 230-V-Versorgungsleitung, so ist die Schraublösung gewöhnlich nicht geeignet. Es muss dann auf die Installation von externen Anschaltkästen mit integrierten Ableitern zurückgegriffen werden. Im Gegensatz zu den genannten mechanischen Eigenschaften, sind die elektrischen Eigenschaften als von der Ableiterbauform unabhängig zu betrachten.

Besonders bei MSR-Leitungen ist darauf zu achten, dass der Ableiter nicht unzulässig die Übertragung oder Messung stört. So müssen die maximal zulässigen Werte für Betriebsspannung und Betriebsstrom des Ableiters über der Leerlaufspannung und dem Kurzschlussstrom des Systems liegen. Handelt es sich um ein Bussystem, ist zusätzlich die Impedanzerhöhung im System durch den Einsatz von Ableitern zu beachten. Die Ableiterimpedanzen sind eine Kombination aus den Kapazitäten der Schutzelemente und den Widerstandswerten der Entkopplungselemente zwischen den Schutzstufen. Diese Impedanzen sind bei der Auslegung von Bussystemen zu berücksichtigen und können unter Umständen die maximale Leitungslänge oder die Anzahl der Busteilnehmer einschränken. Aus diesem Grund ist es sinnvoll, möglichst niederimpedante Ableiter für Bussysteme zu wählen.

Ableiter für Feldgeräte besitzen in der Regel zwei Schutzstufen, die aus einer Kombination von überspannungsgefüllten Gasentladungsableitern und Suppressordioden bestehen. Die Schutzwirkung eines derartigen Ableiters hängt unter anderem davon ab, ob die Schutzstufen mittels seriellen Impedanzen im Leitungszug voneinander entkoppelt sind. In Abhängigkeit von dieser Bedingung kann zwischen serieller und paralleler Installation unterschieden werden.

Bei der seriellen Installation ist der Ableiter zwischen Feldkabel und Feldgerät montiert. So sitzen die Entkopplungselemente direkt im Leitungszug, was einen energetisch koordinierten Überspannungsschutz mit hohem Ableitvermögen ermöglicht. Energetische Koordination bedeutet, dass für alle Störimpulse innerhalb des ausgewiesenen Ableitvermögens eine Überlastung des Ableiters ausgeschlossen werden kann. Mit dieser Schaltung lassen sich beispielsweise hohe Stoßstromspitzen von 5 kA (8/20) zwischen den Adern ableiten.

Wird der Ableiter parallel zum Feldkabel an den Feldgeräteklemmen angeschlossen, ist eine wirksame Entkopplung der parallel zum Leitungszug installierten Schutzstufen nicht möglich. Durch die fehlende energetische Koordination der Schutzstufen kann das Ableitvermögen zwischen den Signaladern auf wenige 100 A sinken.

Ableiter für den Einsatz in explosionsgefährdeten Anlagen müssen entsprechend der vorhandenen Installationsumgebung ausgewählt werden. Beispielsweise spielen die Ex-Zonen-Einteilung des Installationsortes und die Zündschutzart des zu schützenden Messkreises eine wichtige Rolle. Als günstig haben sich Ableiter erwiesen, die über eine geringe Eigenerwärmung und vernachlässigbares Energiespeichervermögen verfügen. Sicherheit bezüglich des Explosionsschutzes für den Anwender bieten nach Atex zertifizierte Ableiter, die beispielsweise für eigensichere Messkreise oder in druckfester Kapselung erhältlich sind. Den Einsatz in eigensicheren Bussystemen erleichtern Ableiter erheblich, die nach dem Fisco-Modell ausgewiesen sind. Passen Standardgeräte nicht, sind für abweichende Anlagen ebenfalls Lösungen möglich. Zum Beispiel lassen sich Überspannungs-ableiter zum Schutz der Netzversorgung von Endgeräten in druckfest gekapselte Gehäuse einbauen und nach Atex bescheinigen.

cav 468

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