Sicherheitstechnik So lässt sich die Sicherheit von Hochspannungs-Prüfanlagen gewährleisten

Autor / Redakteur: Dr. Thomas Hinterholzer, Günther Bissle / Ines Stotz

Am Lehrstuhl für Hochspannungs- und Anlagentechnik der TU München hat man sukzessive alle Hochspannungs-Versuchsfelder modernisiert. Die zugehörige Mess- und Steuerungstechnik wurde dabei komplett erneuert und mit Sicherheitskomponenten von ABB Stotz-Kontakt sicherheitstechnisch auf den neuesten Stand gebracht.

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Die 18 m hohe Transformatorenkaskade an der TU München liefert eine maximale Prüfwechselspannung von 1,2 MV.
Die 18 m hohe Transformatorenkaskade an der TU München liefert eine maximale Prüfwechselspannung von 1,2 MV.
(ABB)

Das Fachgebiet Hochspannungstechnik wurde an der TU München (damals noch TH) 1923 eingeführt. Das Lehrstuhlgebäude mit den darin befindlichen Hochspannungsprüf- und Versuchsfeldern wurde Ende der fünfziger Jahre neu erbaut und 1963 offiziell eingeweiht. Seitdem stehen dem Lehrstuhl eine große Hochspannungs-Versuchshalle (34 x 23 x 19 m) und zwei kleinere Hochspannungs-Versuchsfelder mit Prüfanlagen für hohe Wechsel-, Gleich- und Stoßspannungen sowie eine Prüfanlage für impulsförmige Stoßströme zur Verfügung.

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Transformatorenkaskade für Wechselspannungen bis 1,2 MV

In der großen Hochspannungs-Versuchshalle steht zur Erzeugung hoher Wechselspannungen eine dreistufige Transformatorenkaskade zur Verfügung. Jeder der drei sekundärseitig in Reihe geschalteten Einzeltransformatoren stellt eine maximale Ausgangsspannung von 400 kV(eff) zur Verfügung, so dass sich bei standardmäßiger Kaskadenschaltung eine max. Prüfwechselspannung von 1200 kV(eff) erzeugen lässt. Je nach gewünschter Ausgangsspannung, werden die drei Einzeltransformatoren primärseitig mit einer Wechselspannung von 0 bis 5 kV erregt.

Die Erregerleistung wird von einem rotierenden Umformer zur Verfügung gestellt. Dies erlaubt eine geringe maximale Kurzschlussleistung und eine auch in der Frequenz veränderbare Prüfspannung. Zur Erzeugung hoher Gleichspannungen kann man die erzeugte Wechselspannung mit Hilfe eines Einweggleichrichters gleichrichten und durch einen fest im Versuchsfeld installierten Kondensator glätten. Als Glättungskapazität stehen dabei 16 nF bei einer max. Spannung von 1400 kV zur Verfügung. Auch hier muss sichergestellt sein, dass beim Betreten des Versuchsfeldes der Glättungskondensator auf eine ungefährliche Spannung entladen ist. Hierfür steht eine elektromechanisch betätigte Entladeeinrichtung zur Verfügung.

Impulsförmige Stoßspannungen bis 2,4 MV

Generatoren zur Erzeugung impulsförmiger Stoßspannungen bestehen gewöhnlich aus mehreren Kondensatorgruppen, die zunächst gemeinsam in Parallelschaltung über eine Ladegruppe (Hochspannungstransformator mit nachgeschalteter Einweggleichrichtung) auf eine vorwählbare maximale Spannung aufgeladen werden. Im vorliegenden Fall werden 12 Kondensatorgruppen auf eine max. Spannung von jeweils 200 kV geladen.

Die Ladegruppe wird aus dem Niederspannungsnetz (400 V) gespeist und der Ladevorgang mittels eines Thyristorstellers gesteuert. Die Kondensatorgruppen werden nach dem Ladevorgang durch schnelle Schalter in Reihe geschaltet. Zusammen mit einigen zusätzlichen Widerständen als Beschaltungselemente erhält man so eine impulsförmige Prüfspannung mit doppelexponentiellem Verlauf und einem Scheitelwert von bis zu ca. 2400 kV. Bei maximaler Ladespannung ist in den Kondensatoren des Stoßgenerators eine Energiemenge von 120 kJ gespeichert. Vor dem Betreten des Versuchsfelds muss daher unbedingt sichergestellt sein, dass alle Kondensatorgruppen auf ungefährliche Spannungen entladen sind und so ein eventuelles Berühren der Kondensatoranschlüsse keine Gefährdung des Prüfenden darstellt. Hierfür stehen entsprechende Entlade- und Kurzschlusseinrichtungen zur Verfügung.

Hohe sicherheitstechnische Anforderungen

Die Sicherheitsanforderungen an elektrische Prüfanlagen werden in der EN 50191 bzw. BGI 891 unter anderem durch den „Einsatzzweck" der Prüfanlage bestimmt. Im vorliegenden Fall werden die Prüfanlagen primär zur Durchführung von Versuchen im Rahmen von Forschungs- und Entwicklungsaufgaben verwendet, sie gelten daher als „Versuchsfeld" im Sinne der EN 50191. Die grundlegenden sicherheitstechnischen Anforderungen an Versuchsfelder, wie z.B. die Notwendigkeit entsprechender Abgrenzungen der Versuchsbereiche, entsprechende Kennzeichnungen und die Anzeige der Betriebszustände an den Zugangstüren, das Vorhandensein von Not-Aus-Einrichtungen sowie von Rettungswegen und Notausgängen sind in EN 50191 beschrieben. Darüber hinaus fordert die BGI 891 „bei der Konzipierung von Prüfanlagen die allgemeinen Gestaltungsleitsätze zur Sicherheit von Maschinen", bezüglich dem sicherheitsbezogenen Teil der Steuerung des Versuchsfelds bzw. der Spannungserzeuger also EN ISO 13849-1 anzuwenden. Unter Berücksichtigung aller sicherheitsrelevanten Aspekte ergab sich aus der Risikobeurteilung ein erforderlicher Performance-Level von d (PLr=d) für einige wenige Sicherheitsfunktionen.

Durchgängige Sicherheitslösung

Um diese Anforderungen umsetzen zu können, wurde jedes Hochspannungs-Versuchsfeld mit einem Sicherheitszaun Quick-Guard zur Abtrennung des Steuerbereiches vom Prüfbereich und mit einer Sicherheits-SPS Pluto von ABB Stotz-Kontakt ausgestattet, welche die Abfrage sämtlicher sicherheitsrelevanten Sensoren (Not-Aus-Taster, Türsensoren, Überwachung von Erdungseinrichtungen) und die Ansteuerung der Warnlampen und Türzuhaltungen des entsprechenden Hochspannungs-Versuchsfeldes übernimmt. Besonderes Augenmerk wurde hierbei auf ein durchgängiges und kompatibles System aus Sicherheitszaun, Sicherheitssteuerungen und Sensoren gelegt, welches zum einen den in einem Hochspannungs-Versuchsfeld vorherrschenden elektromagnetischen Umgebungsbedingungen widerstehen kann und zudem die Möglichkeit einer einfachen und strukturierten Verkabelung bietet.

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Sicherheitskomponenten aus einer Hand

Im Idealfall wird auch bei der Kaskadierung von Sicherheitssensoren noch ein hoher Performance-Level erreicht. Die Sicherheitssteuerungen der Pluto-Familie erfüllen zusammen mit den Sicherheitssensoren des Typs Eden und den Not-Aus-Tastern der Serie Inca diese Kriterien. Zusätzlich bieten die Pluto-Geräte noch die Möglichkeit, mehrere Sicherheitssteuerungen miteinander zu vernetzen und diese in ein gemeinsames Projekt zu integrieren. Dadurch kann im vorliegenden Anwendungsfall beispielsweise der Leistungsteil der Prüfspannungsquelle, in dem sich die redundanten Schaltgeräte zur sicheren Energietrennung nebst deren Spiegelkontakten und eventuell einigen Erdungseinrichtungen befinden, von der eigentlichen Laborsicherheitssteuerung abgesetzt werden.

Lichtwellenleiter-Signalumsetzer und Faradaykugel

Da die Pluto-Sicherheitssteuerungen zur Vernetzung den im Industriebereich üblichen CAN-Bus verwenden, konnte hier durch Einsatz von LWL-Signalumsetzern des Typs PSI-MOS-DNET-CAN/FO von Phoenix Contact mit einfachen Mitteln eine sichere galvanische Trennung und damit eine deutliche Reduzierung der EMV-Problematik der einzelnen Teilbereiche der Sicherheitsanlagen erreicht werden.

Die Möglichkeit der Vernetzung mehrerer Sicherheitssteuerungen innerhalb eines Projektes erlaubt auch die Realisierung von Sonderlösungen wie z.B. die Integration einer fahrbaren Faradaykugel. Sie wird für Vorführungen im Rahmen von Experimentalvorlesungen für die Studierenden der Elektrotechnik und Informationstechnik benutzt und muss zu diesem Zweck mit einer Person besetzt werden. Da sie sich im Prüfbereich und damit innerhalb der Verbotszone nach EN 50191 befindet, musste man auch diese mit Sicherheitseinrichtungen wie Türsensoren, Not-Aus-Taster und einer Türzuhaltung ausrüsten. Zur Ansteuerung dieser Komponenten wurde ebenfalls eine Pluto-Sicherheitssteuerung in die Faradaykugel integriert, welche über LWL mit der übergeordneten Laborsicherheitssteuerung vernetzt ist.

Sicherheits-SPS mit 46 E/As

Die Sicherheits-SPS Pluto B20 verfügt über einen Busanschluss. Die ebenfalls mit einem Busanschluss versehene Pluto B46 wurde entwickelt, um der Nachfrage nach mehr Ein- und Ausgängen gerecht zu werden. Sie hat insgesamt 46 E/As, sechs davon sind unabhängige Sicherheitsausgänge. Da die Programmierung über die intuitive Pluto-Manager-Software im Kontaktplan erfolgt, eignet sich die SPS auch zur Steuerung kleinerer Maschinen. Sie vereinfacht den Entwurf von Sicherheitssystemen und unterstützt den Performance Level e nach EN ISO 13849-1 sowie SIL 3 nach EN 62061. Alle Plutos sind Master-Geräte und können somit Entscheidungen bezüglich ihrer eigenen unmittelbaren Sicherheitsumgebung treffen. Die kostenfreie Programmiersoftware Pluto Manager basiert auf Windows und ermöglicht sowohl die Nutzung TÜV-zertifizierter Sicherheitsfunktionsblöcke als auch freie Programmierung.

Zur Überwachung: Türsensor und elektromagnetische Zuhaltung

An jedem Zugang zu den Versuchsfeldern ist ein berührungsloses Sicherheits-Sensorpaar Eden angebracht. Es besteht aus dem aktiven, elektrisch verdrahteten Teil Adam und dem passiven, als Betätiger wirkenden Teil Eva. Der wartungs- und verschleißfreie Sensor hat einen Schaltabstand von 0 bis 15 mm und lässt sich unter einem Winkel von 0 bis 360° betätigen.

Die elektromagnetische Zuhaltung Magne 1B kann eine Tür oder Klappe mit einer Zuhaltekraft von bis zu 1500 N geschlossen halten. Dabei überwacht der zusätzlich angebrachte Sensor Eden, dass die Tür oder Klappe sicher geschlossen ist. Unterschiedliche Zuhaltekräfte (maximal 1500 N) erhält man, indem man die Spannung am Elektromagnet zwischen 0 und 30 V variiert. Als Zubehör gibt es einen Montagesatz, einen Kunststoffhandgriff sowie ein Handgriffprofil für die Befestigung an herkömmlichen Türen mit dem Zaunsystem Quick-Guard und einem Türspalt von 5 bis 15 mm.

Not-Halt-Taster mit Anzeige

Inca ist ein Not-Halt-Taster für den Einbau in Schaltschränke und Bedienfelder. Sein Anschluss erfolgt über abnehmbare Anschlussklemmen. Funktion und Optik des Tasters sind dieselben wie beim Not-Halt-Taster Smile. Beide sind mit einer LED ausgestattet, die den aktuellen Zustand des Tasters anzeigt. Leuchtet die LED grün, ist der Not-Halt-Taster nicht aktiviert. Ein rotes Licht weist dahingegen darauf hin, dass der Taster betätigt wurde. Blinkt die LED rot/grün, wurde einer der vorgeschalteten Not-Halt-Taster aktiviert. So lässt sich schnell feststellen, welcher Not-Halt-Taster aktiviert wurde. Smile und Inca sind in Ausführungen für dynamische oder statische Schaltkreise erhältlich.

Vollauf zufriedene Anwender

Die Sicherheits-Komplettlösung aus einer Hand von ABB Stotz-Kontakt überzeugt die Anwender am Lehrstuhl für Hochspannungs- und Anlagentechnik der TU München. Neben der leicht verständlichen Produktdokumentation, der problemlosen Montage, der hohen EMV-Verträglichkeit und der intuitiven Bedienung der Sicherheitsprodukte stehen auch ein umfangreiches Angebot an Beratung und Schulungen zum Thema Maschinensicherheit zur Verfügung.

Hannover Messe: Halle 9, Stand D06

* Dr.-Ing. Thomas Hinterholzer, Lehrstuhl für Hochspannungs- und Anlagentechnik, Technische Universität München;

* Günther Bissle, Key Account Manager, ABB Stotz-Kontakt, Spaichingen

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