Spannungsversorgung Selektives Absicherungskonzept gestaltet sicheren Prozessablauf

Eine verlässliche 24 V DC-Versorgung gewährleistet die Funktionalität und Sicherheit prozesstechnischer Anlagen. Zugleich sollen die Lösungen heute flexibel, servicefreundlich und kostensparend sein sowie eine hohe Anlagenverfügbarkeit sicherstellen. E-T-A hat ein solches Konzept entwickelt.

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Prozessabläufe sind heute zunehmend komplexer und stark vernetzt. Diese Netzwerke einer Anlage sind sensible Gebilde, und so ist oft der Ausfall einzelner Anlagenteile mit hohen Kosten verbunden. Dazu kommen weitere Aufwendungen für die Wiederinbetriebnahme oder Sicherung einer ausgefallenen Anlage. Und da es sich hier oft um mehrstufige Prozesse handelt, wird durch Störungen meist eine Kettenreaktion mit direkter oder indirekter Wirkung angestoßen. Ein beachtlicher Teil der Steuerung und Überwachung einer solchen Prozessanlage basiert auf Versorgung durch die 24 V DC-Ebene; sie ist die Basis für die Funktionalität und Sicherheit der Anlage. Ein Ausfall oder teilweiser Ausfall der 24 V DC-Versorgung kann kosten- und sogar sicherheitsrelevante Folgen haben. Oft gerät gerade die Spannungsversorgung in eine „selbstverständliche Vergessenheit“, die im Eifer der Planung von Steuerung, Regelung und Prozessleittechnik unterzugehen droht.

In den meisten Fällen finden sich in der Chemie und artverwandten Industrien Batteriesysteme oder batteriegepufferte Systeme zur Energieversorgung der 24 V DC-Verbraucher — mit höchster Stabilität und hohem Energiegehalt. Als Absicherung kommen überwiegend thermisch-magnetische Schutzschalter zum Einsatz, die an die Nennströme der Verbraucher angepasst sind. Meistens gibt es in solchen Anlagen auch eine Vielzahl von Verbrauchern, die nur kleinste Ströme benötigen. Das trifft im Besonderen auf die Regel- und Messeinheiten zu: Stromwerte zwischen 0,5 und 3 A sind hier die Praxis.

Derart aufgebaute Absicherungskonzepte haben sich bewährt und sind auch heute noch in vielen Fällen eine gute Lösung. Immer häufiger finden sich jedoch auch elektronische Verbraucher im Feld mit hohem kapazitiven Anteil durch integrierte, elektronische Bauteile. Dazu kommen Leitungswege, die bei zunehmend ausgedehnten und leistungsfähigeren Anlagen immer länger werden. Zudem gibt es dezentrale Einheiten, die im Ganzen eine Prozessanlage darstellen und deren Verfügbarkeit von höchster Priorität gekennzeichnet ist. Thermisch-magnetische Schutzschalter geraten bei diesen weitläufigen Anforderungen an ihre Grenzen.

Bewährtes kann bei allzu langen Wegen zum Sicherheitsrisiko werden

Sind die Leitungswege sehr lang, kann im Kurzschlussfall die magnetische Auslösung bei einem Schutzschalter mit einer C-Charakteristik nicht erfolgen. Es entsteht nicht genug Energie zur Erzeugung des Magnetfelds, um auf den Auslösemechanismus zu wirken. Die thermische Auslösung kann Minuten oder sogar Stunden auf sich warten lassen. Dieses massive Sicherheitsrisiko kann sogar zu einem Kabelbrand führen.

Eine einfache Leitungslänge von nur 50 m Cu bei einem Querschnitt des Leiters von 1,5 mm² lässt einen maximalen Strom von 20,16 A zu. Dabei spielt es keine Rolle, welche Energiereserve aus der Batterieanlage oder 24 V DC-Versorgung ansteht. Der „Flaschenhals“ ist der Leitungswiderstand. Zur magnetischen Auslösung fordert aber die C-Charakteristik eines Schutzschalters bis zu 15fachen Nennstrom. Das bedeutet bei einem 2 A Schutzschalter bereits einen notwendigen Strom von etwa 30 A. Bei einem Kurzschluss würde dann also lediglich die thermische Auslösung wirken.

Bei der thermischen Auslösung durch das Bimetall – die durchaus viele Minuten dauern kann – fließen diese 20,16 A über die Leitung. Eine massive Erwärmung oder im Extremfall sogar ein Kabelbrand könnten die Folge sein. Ohne Auslösung des Schutzschalters gibt es zudem natürlich auch keine Fehlermeldung über den Hilfskontakt. Damit ist die Anlage unter Umständen in einem nicht definierten Zustand, der ein Sicherheitsrisiko und hohe Kosten verursachen kann. Der Fehlerkreis wurde nicht abgeschaltet, und selektives Verhalten ist nicht gegeben.

Eine intelligente Lösung vereint unterschiedlichste Anforderungen

Wählt man eine sensiblere Kennlinie, wie zum Beispiel eine Z- oder B-Kennlinie, können kapazitive Verbraucher erst gar nicht eingeschaltet werden, weil deren hohe Einschaltströme den Schutzschalter sofort magnetisch auslösen. All dies muss bei einem ganzheitlichen Konzept beachtet werden; hinzu kommen höchste Sicherheitsanforderungen, Flexibilität und Servicefreundlichkeit. Idealerweise sollen diese Anforderungen mit absoluter Verfügbarkeit der Anlage und einer Kostenreduktion verbunden werden. Weist dennoch ein Teil der Anlage eine Störung auf, sollte ein selektives, intelligentes System eine kontrollierte Abschaltung oder einen beherrschbaren Modus ermöglichen. Dies setzt neben modernster Steuer-, Regelungs- und Prozesstechnik ein intelligentes Absicherungskonzept voraus, das die Ansprüche unter Berücksichtigung von Normen und Standards erfüllt.

Eine derart flexible Lösung ermöglicht der elektronische Schutzschalter von E-T-A Typ ESS20, der Prozesse zuverlässig mit der notwendigen Spannung von 24V DC versorgt und sie selektiv absichert. Er verfügt über die UL1077 als Electronic Supplementary Protector und ist somit eine echte Schutzkomponente. Die Typenvielfalt von 0,5 bis 10 A ermöglicht ein weites Einsatzspektrum. Mit einer Kombination aus aktiver elektronischer Strombegrenzung und bewährter Schutzschaltertechnologie inklusive galvanischer Trennung bei manueller Betätigung ist ein sicheres Auslösen bei Überlast sowie Kurzschluss gegeben. Kapazitive Lasten bis 20.000 µF sind ebenso beherrschbar wie lange Leitungswege, da der Typ ESS22 nicht über nachempfundene Kennlinien detektiert, sondern über die integrierte Strombegrenzung abschaltet.

Mehr Übersichtlichkeit erleichtert Planungs- und Umbauarbeiten

Das flexible steckbare System in Verbindung mit dem Sockel 17Plus erhöht die Anlagenverfügbarkeit und bietet auf kleinstem Raum einen individuellen Aufbau der Anlage bis 50 A Einspeisung je Sockel. Das erleichtert die Anlagenplanung oder Umbauten erheblich. Für eine kompakte Einbindung vieler Lasten wiederum bietet das Stromverteilersystem SVS serien- und kundespezifische Lösungen für die 24 V DC-Verteilung. Der SVS ist für einen maximalen Gesamtstrom von 40 A konzipiert. Dabei wird durch die Rangierung sowohl der Lastkreise als auch des Minuspotenzials auf dem Stromverteiler eine Verteilungs- und Rangierebene gespart — das schafft Platz und Übersichtlichkeit.

Ist keine galvanische Trennung erforderlich, kommt der Schutzschalter Typ ESX10 zum Einsatz — verfügbar in Stromstärken von 0,5 bis 12 A und zertifiziert gemäß UL 2367. Beide Schutzschaltertypen (ESS20 und ESX10) verfügen über eine LED als Statusanzeige und sind mechanisch zu „reseten“. Darüber hinaus steht ein elektrischer Reset in der Typenvielfalt zur Verfügung, das ausschließlich auf die elektronische Auslösekomponente wirkt. Integrierte Hilfsschalter in mechanischer oder elektronischer Wirkweise runden das System-Portfolio ab, wobei auch 19Zoll-Baugruppen gemäß Kundenanforderung entwickelt und gebaut werden.

Unumgänglich in der chemischen Industrie ist ein Einsatz nach UL 1604 (Class I Div2, Zone2). Für diese Anwendungen hat E-T-A das Schutzschaltersystem ESX10-T entwickelt, das sowohl nach UL 1604 (class I, div. 2, group A, B, C, D) als auch nach UL 2367 zertifiziert ist. Das System kann als Einzel- wie auch als Mehrkanallösung individuell aufgebaut werden und ist für die DIN-Schienenmontage konzipiert. Eine Verteilung sowohl der Plus- und Minuspotenziale über Cu-Schiene sowie die Konfiguration der Summen- oder Einzelkanalsignalisierung über Cu-Schiene bieten eine Platz sparende und überaus flexible Lösung.

Alle elektronischen Schutzschalter haben ein integriertes Fail-Safe-Element, das ganz spezifisch auf den Nennstrom des Geräts ausgelegt ist. Nur so ist gewährleistet, dass ein Fail-Safe-Element auch Sicherheit bietet.

Achema: Halle 10.1, Stand H22-J23

Jürgen Ziarnetzki, Geschäftsfeldmanager Automation & Process Control, E-T-A

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