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Überspannungsschutz Das Plus für eine lange Lebensdauer industrieller Anlagen

| Autor / Redakteur: Alexa Broer* / Dipl. -Ing. Ines Stotz

Lange Lebensdauer und hohe Verfügbarkeit industrieller Anlagen sind der Grundstein produzierender Unternehmen. Durch die Digitalisierung und den stetig steigenden Automatisierungsgrad wird die Produktauswahl immer komplexer. Überspannungsschutz spielt dabei eine wichtige Rolle.

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Optimal aufeinander abgestimmte Produkte aus einer Hand erhöhen die Lebensdauer und Verfügbarkeit von Anlagen selbst bei unvorhersehbaren Einflüssen.
Optimal aufeinander abgestimmte Produkte aus einer Hand erhöhen die Lebensdauer und Verfügbarkeit von Anlagen selbst bei unvorhersehbaren Einflüssen.
(Toniflap@shutterstock & Phoenix Contact)

Die Auswahl und das Zusammenspiel der Komponenten sind entscheidend, um den Zielkonflikt zwischen Kostenoptimierung, sinnvollen Schutz der Anlage und langer Lebensdauer von Endgeräten zu lösen.

Versorgen und Schützen industrieller Anlagen

Um in einer industriellen Anlage einen reibungslosen Betrieb über einen langen Zeitraum zu gewährleisten, ist es unerlässlich, auf hochwertige Komponenten zu setzen. Von der Einspeisung bis zum Verbraucher sind alle Anlagenteile zuverlässig vor Ausfall und Beschädigung zu schützen. Diverse Fehlerfälle können im laufenden Betrieb die Anlage zum Stillstand bringen. Um die damit verbundenen nicht planbaren Kosten zu vermeiden, ist es erforderlich, sich ausreichend mit den Themen Überspannungsschutz, Überstromschutz, Kurzschlussschutz, Anlauf von Lasten und einer Pufferung der Versorgungsspannung auseinanderzusetzen.

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Ganzheitlicher Schutz von Gebäuden und Anlagen

Für den ganzheitlichen Schutz von Gebäuden und Anlagen vor den Auswirkungen von Blitzeinschlägen und Überspannungen sind mehrere aufeinander abgestimmte Schutzmaßnahmen und Schutzvorrichtungen notwendig. Hier unterteilt man in inneren und äußeren Blitzschutz.

Der äußere Blitzschutz hat die Aufgabe, sich dem zu schützenden Objekt nähernde Blitze einzufangen und den Blitzstrom vom Einschlagpunkt zur Erde hin abzuleiten und im Erdreich zu verteilen. Das innere Blitzschutzsystem soll eine gefährliche Funkenbildung innerhalb der Anlage verhindern. Hierzu wird ein mehrstufiges, aufeinander abgestimmtes System von Überspannungsschutzgeräten eingesetzt – ein sogenanntes koordiniertes SPD(Surge Protective Device)-System.

Mit dem Schutzkreis rundum sicher

Das Schutzkreisprinzip definiert eine lückenlose Schutzmaßnahme vor Überspannungen. Ein gedachter Kreis umfasst dabei die zu schützenden Geräte, Anlagen oder Systeme. An allen Stellen, wo Leitungen diesen Kreis schneiden, gilt es Überspannungsschutzgeräte zu installieren, die den Nenndaten der jeweiligen Stromversorgung oder Signalart entsprechen. Um Objekte konsequent vor leitungsgebundenen Überspannungs-Einkopplungen zu schützen, sind folgende Bereiche zu berücksichtigen:

  • Stromversorgung
  • Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik
  • Datenverarbeitung, Telekommunikation
  • Sende- und Empfangsgeräte

Die Stromversorgung ist der Teil einer Anlage, in der Überspannungen mit besonders hoher Energie auftreten. Alle Anlagenteile von der Gebäudeeinspeisung bis hin zum Verbraucher können direkt betroffen sein. Ein leistungsstarker Überspannungsschutz sorgt für eine unterbrechungsfreie Stromversorgung und somit für eine höhere Verfügbarkeit der Anlage. Dabei sind die nationalen Errichtungsbestimmungen für Niederspannungsanlagen bei Produktauswahl und Einbau zu berücksichtigen – wie die VDE 0100 Teil 534 [1]. Die für Überspannungsschutz relevante Anwendungsnorm (DIN CLC/TS 61643-12 [2]) beschreibt ein mehrstufiges Schutzkonzept, welches sich mit den Schutzgeräten vom Typ 1+2, Typ 2 und Typ 3 einfach planen und umsetzen lässt.

Überspannungsschutz für Endgeräte

Technologische Weiterentwicklung – von der „Klappertechnik“ zur Digitalisierung – impliziert auch den Einsatz von immer mehr elektronischen Betriebsmitteln und somit einen erhöhten Schutzbedarf von Komponenten, um die Verfügbarkeit der Anlage sicherzustellen. Der Endgeräteschutz Typ 3 ist häufig eine wirtschaftliche Entscheidung. Mögliche Gründe für den Einsatz sind die essenzielle Verfügbarkeit, aufwendige Wartung oder ein hoher Wert der Anwendung. Hinzu kommt vermehrt die Lebensdauer der Anlage, um eine hohe Planungssicherheit der Kosten zu erreichen.

Elektronische Endgeräte enthalten Komponenten, die empfindlich gegen Alterungserscheinungen sind, wie etwa Elektrolytkondensatoren in der Eingangsschaltung. Der Einsatz von Überspannungsschutz Typ 3 vor Endgeräten stellt nicht nur einen wichtigen Bestandteil zur Verfügbarkeit und Sicherheit einer elektrischen Anlage dar, sondern dämmt darüber hinaus die Alterungserscheinungen von empfindlichen Komponenten ein und erhöht somit die Lebensdauer. Je besser die Komponenten aufeinander abgestimmt sind, desto größer ist der Effekt auf die Lebensdauer.

Produktnorm: aufeinander abgestimmte Kombination

Hochwertige Komponenten erfüllen die jeweilige Produktnorm, die in der Regel durch eine unabhängige Prüfstelle mit einer Approbation bescheinigt wird. Viele Produkte von Phoenix Contact sind bereits leistungsfähiger als die jeweilige Produktnorm es erfordert.

Die Produktnorm beschreibt aber nur die jeweilige Produktanforderung und nicht das Zusammenspiel der einzelnen Komponenten. Deshalb wurde im Labor von Phoenix Contact die aufeinander abgestimmte Produktkombination von Überspannungsschutz Plugtrab-SEC und der Stromversorgung Quint Power der 4. Generation explizit in Anlehnung an Annex J CLC/TS 61643-12:2009 miteinander geprüft. Diese Kombination wird mit Hybridimpulsen unterschiedlicher Amplitude belastet. Dabei wird der Eingangsstrom der Gesamtanordnung, der Eingangsstrom in die Quint Power 4, der Schutzpegel am Ausgang des Plugtrab-SEC und die Spannung an den Elektrolyt-Kondensatoren in der Stromversorgung gemessen. Das Prüfergebnis zeigt die direkte Koordination zwischen Überspannungsschutz und Stromversorgung. Bei einer symmetrischen Belastung zwischen L-N mit einem Hybridimpuls unterschiedlicher Amplituden fließen 50 % des Stromes in die Stromversorgung, die andere Hälfte wird durch den Überspannungsschutz abgeleitet. Die Robustheit gegenüber Überspannungen verdoppelt sich dadurch nicht nur, sondern die Stromversorgung Quint Power 4 kann durch Vorschalten des Plugtrab-SEC 10 mal so häufig mit Stoßstromimpulsen belastet werden wie ohne zusätzlich vorgeschalteten Überspannungsschutz.

Bei asymmetrischer Belastung zwischen L-PE wird der komplette Strom aufgrund der wesentlich niedrigeren Zündspannung des im Plugtrab-SEC eingesetzten Gasableiters durch den Plugtrab-SEC abgeleitet, es fließt also kein Strom in die Stromversorgung.

Fazit: Überspannungsschutz verringert die Alterung elektrischer Endgeräte und erhöht die Anlagenverfügbarkeit. Durch eine optimierte Technologie bietet Plugtrab-SEC eine erhöhte Leistungsfähigkeit und somit einen idealen Schutz für Endgeräte. Die aufeinander abgestimmte Kombination aus dem Überspannungsschutz Plugtrab-SEC und der Stromversorgung Quint Power der 4. Generation bietet auch bei extremen Umweltbedingungen einen maximalen Schutz der Anlage.

Literatur:

[1] VDE 0100 Teil 534; Errichten von Niederspannungsanlagen – Abschnitt 534: Überspannungs-Schutzeinrichtungen (SPDs)

[2] DIN CLC/TS 61643-12; Überspannungsschutzgeräte für Niederspannung – Teil 12:

Überspannungsschutzgeräte für den Einsatz in Niederspannungsanlagen – Auswahl und Anwendungsgrundsätze

* Dipl.-Ing. Alexa Broer, Produkt-Marketing, Überspannungsschutz Trabtech, Phoenix Contact, Blomberg

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