Auf der 24-V(DC)-Ebene sind in einer Chemieanlage eine Vielzahl von Geräten im Einsatz. Diese besitzen, bedingt durch ihre Funktion und ihre Verwendung, die verschiedensten Eigenschaften und Charakteristika. Sie unterscheiden sich unter anderem in ihrem Ein- bzw. Ausschaltverhalten sowie dem angegebenen Nennstrom. Der Hersteller stellt die Leistungsdaten der Geräte in Datenblättern zur Verfügung. Der Konstrukteur kann diese dann beim Auslegen seines Absicherungskonzeptes heranziehen. Das eigentliche Ein- und Ausschaltverhalten – der Strom- und Spannungsverlauf der unterschiedlichen kapazitiven und induktiven Lasten – ist aus diesen Unterlagen allerdings meist nicht ersichtlich. Problematisch stellt sich die Situation bei der Absicherung mehrerer Verbraucher mit einem Schutzschalter dar. Bei einer derartigen Bündelung der Verbraucher kann es zu Verhaltensmustern kommen, die der Konstrukteur im Vorfeld nicht absehen kann.
Thermisch-magnetische Lösungen
Bei diesem Szenario können kurze, aber hohe Einschaltströme auftreten. Sie führen bei klassischen thermischen Schutzschaltern, mit den flinken A- oder Z-Kennlinien, zu einer sofortigen Auslösung. In diesem Fall wäre das Einschalten der entsprechenden Lasten gar nicht möglich. Eine Alternative ist ein mittelträger Schutzschalter mit C-Kennlinie. Aufgrund seines trägen Verhaltens löst dieser bei auftretenden hohen Einschaltspitzen nicht aus. Allerdings benötigt er einen sehr hohen Auslösestrom, um magnetisch auszulösen. Infolgedessen muss der fließende Strom im Überlast- oder Kurzschlussfall einen Wert vom bis zum 15-fachen des Nennstroms betragen. Nur so kann der thermisch-magnetische Schutzschalter sicher und schnell auslösen.
Einsatz von 24-V-Schaltnetzteilen
In Chemieanlagen finden heute Schaltnetzteile oder auch Batterieeinspeisungen zur Versorgung der 24-V(DC)-Ebene Anwendung. Die Schaltnetzteile haben in der Regel einen Nennstrom zwischen 10 und 40 A. Im Fehlerfall sind sie üblicherweise in der Lage kurzzeitig den 1,5-fachen Nennstrom zur Verfügung zu stellen. Beim Überschreiten dieses Grenzwertes, beispielsweise bei einem Kurzschluss oder in einem Überlastfall, regelt das Netzteil die Ausgangsspannung automatisch herunter. So schützen sich die Geräte selbst.
Durch dieses Verhalten kommt es allerdings zu einem Spannungseinbruch an allen angeschlossenen Verbrauchern. Die Unterbrechung der Versorgung betrifft somit jegliche Verbraucher und nicht nur den vom Kurzschluss betroffenen Pfad. Die Auswirkungen auf die Prozesssicherheit können in diesem Fall beträchtlich sein. Aufgrund dieser Problematik ist die Verwendung von thermisch-magnetischen Schutzschaltern in Verbindung mit einem Schaltnetzteil nur begrenzt zu empfehlen. Bei der Verwendung eines Schutzschalters mit C-Kennlinie liegt der notwendige Abschaltstrom zur schnellen magnetischen Abschaltung über dem maximal vom Netzteil zur Verfügung gestellten Strom. Dadurch ist eine zügige und sichere Abschaltung im Kurzschlussfall nicht gegeben.
Lange Zuleitungen ein Problem
Die Weitläufigkeit und Komplexität der chemischen Anlagen verstärken diese Problematik. Durch die Betrachtung der Zu- und Rückleitung erhöht sich die relevante Leitungslänge zum angeschlossenen Verbraucher deutlich. Hinzu kommt die Verwendung kleiner Querschnitte. Die Kombination beider Parameter führt zu einem physikalisch begründeten hohen Innenwiderstand der Leitung. Bei einem Kurzschluss kommt es in der Regel zu einer Verbindung zwischen der Zu- und der Rückleitung. Somit ist in diesem Fall fast ausschließlich der Innenwiderstand der Leitung für den maximal möglichen Kurzschlussstrom maßgeblich. Da dieser aber recht hoch ist, reicht der fließende Strom nicht aus, um den Schutzschalter auszulösen. Ein Kurzschluss am Endgerät lässt sich in einer derartigen Anlage deshalb häufig nicht als solcher erkennen. Das kann zu Schäden in der Anlage führen.
Mit aktiver Strombegrenzung
Die aktive Strombegrenzung ermöglicht eine Lösung für diese Problematik. Sie bietet in der 24-V(DC)-Stromversorgung Schutz vor Überstromereignissen und im Kurzschlussfall. Eine aktive Begrenzung des Stromes findet beispielsweise beim elektronischen Sicherungsschutzschalter ESS30 Anwendung. Das E-T-A-Gerät begrenzt den möglichen Überstrom auf das 1,2-fache des Nennstroms des Schutzschalters. So lässt er zum Beispiel bei einem Nennstrom von 4 A nur einen maximalen Laststrom von 4,8 A hindurchfließen. Im Überlastfall schaltet er den Lastkreis nach typischerweise 500 ms ab. Dadurch lässt sich zum einen die Überlastung und das Abschalten des Schaltnetzteils vermeiden. Zum anderen aber auch ein nicht festgestellter Kurzschluss am Verbraucher. Es kommt so ausschließlich zur Abschaltung des fehlerhaften Lastkreises. Der Betrieb der anderen Verbraucher ist weiterhin gewährleistet. Eine Rückwirkung auf andere Teile der Anlage ist dadurch ausgeschlossen. Somit ist eine dringend benötigte Selektivität gewährleistet.
Suchwort: cav0418eta
Halle 11, Stand A69
Autor: Thomas Kramer
Geschäftsfeldmanager,
Sparte Automation &
Process Control
E-T-A
Kurz und bündig: Schutzschalter ESS30
Chemische Anlagen halten bei der Absicherung des 24-V(DC)-Bereiches einige Besonderheiten bereit. So ist es essenziell, zum Beispiel auf lange Zuleitungen Rücksicht zu nehmen. Einen zuverlässigen Schutz bieten elektronische Sicherungsautomaten mit einer aktiven Strombegrenzung wie der ESS30 von E-T-A. Der elektronische Schutzschalter ist speziell für den Einsatz in dezentralen- und zentralen 24-V(DC)-Energieversorgungsseinheiten konzipiert. Sein sehr niedriger Ruhestrom begründet die neue Schutzorgankategorie „Low Energy Breaker“. Durch die Kombination von intelligenter Elektronik und bewehrter galvanischer Trennung erfüllt der Schutzschalter alle Anforderungen der DIN EN 60934
(Geräteschutzschalter) und
UL 1077 (Supplementary Protector). Dieses kompakte und steckbare Gerät ist zu den gängigen E-T-A-Sockelsystemen (17plus, 18plus und SVSxxx) kompatibel. Das Gerät eignet sich für einen Temperaturbereich von 0 bis 60 °C und verfügt über einen 6,3-mm-Flachsteckanschluss.
Der elektronische Sicherungsschutzschalter ESS30 begrenzt mögliche Überströme auf das 1,2-fache des NennstromsBild: E-T-A
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