24V-Gleichspannungs-Stromversorgungen Vermeidung unzulässiger Mehrfach-Erdverbindungen sorgt für höhere Systemverfügbarkeit

Autor / Redakteur: Gerhard K. Wolff / Ines Stotz

In der Steuerungstechnik von Maschinen und Anlagen werden zumeist 24-Volt-Gleichspannungs-Stromversorgungen verwendet. Komplexere Anlagen werden oft aus mehreren Stromversorgungen gespeist, etwa für Leistungsverbraucher, Sensorik und Aktorik. Der Minuspol der Stromversorgungen wird dann geerdet und bildet gleichzeitig die System-Masse. So werden bestimmte Anforderungen zur funktionalen Anlagensicherheit erfüllt.

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Während des Aufbaus der Steuerungen nimmt man meist keine Isolationsmessungen der 24V-Gleichspannungs-Systeme vor. Die Verbindungsleitungen zwischen System-Masse und Erdpotential werden wie alle anderen Leitungen verdrahtet. Nach Abschluss der Verdrahtungsarbeiten werden Maschinen und Anlagen dann in Betrieb genommen.

Verkannte Störungsursache

Viele dieser Steuerungen arbeiten ohne größere Auffälligkeiten, bis sie eines Tages durch modernere ersetzt werden. Die 24V-Gleichspannungs-Stromversorgungen dieser neuen Betriebsmittel werden wie ihre Vorgänger aufgebaut. Andere Steuerungen hingegen neigen - ohne erkennbare Ursachen - zu Störungen oder Ausfällen. Im Extremfall können bei komplexen Anlagen sogar Ausfallkosten von 500.000 Euro pro Tag entstehen.

Unter dem allgegenwärtigen Zeitdruck werden ausgefallene Komponenten ersetzt, der Betrieb läuft irgendwie weiter, und niemand forscht nach den wirklichen Ursachen der Ausfälle. Erst wenn sich die Störungen häufen und die Ausfälle kritisch werden, müssen Experten helfen. In etwa drei Vierteln aller Fälle zeigen die Untersuchungen dann gravierende Mängel in der Anlagen-EMV.

In der Elektroinfrastruktur solcher Anlagen lassen sich Jahrzehnte alte Niederspannungsanlagen finden. Diese werden immer noch als TN-C- oder TN-C-S-Systeme betrieben. Niederspannungsanlagen sowie die daran angeschlossenen Betriebsmittel werden so betrieben, dass Betriebsströme teilweise aus den Rückleitern austreten müssen. Diese Ströme fließen dann durch alle elektrisch leitfähigen Systeme: Erdungs- und Potentialausgleichs-Anlagen, Leitungsschirme, metallene Konstruktionsteile.

Aufgrund der in der Anlage erzeugten Potentialdifferenzen fließen solche vagabundierenden Ströme auch durch Leitungen der System-Masse, sofern diese an mehr als einer Stelle mit Erde verbunden ist. Besonders bei Erdschlüssen oder Kürzschlüssen in der Starkstromanlage oder auch bei einem Blitzeinschlag treten aufgrund der hohen Stromanstiegs-Geschwindigkeiten dieser Beeinflussungen kräftige Induktionsspannungen in den Leitungen auf, die von diesen Strömen durchflossenen werden.

Störungsursachen erkennen und beseitigen

Zusätzlich zur 24V-System-Gleichspannung treten an den angeschlossenen Betriebsmitteln kurzzeitig Spannungen bis in den Kilo-Volt-Bereich auf. Wird die Spannungsfestigkeit dieser Betriebsmittel überschritten, sind dauerhafte Schäden die Folge. Störungen oder Ausfälle von System-Funktionen lassen Maschinen und Anlagen schlagartig still stehen.

Um derartige Schäden zu vermeiden, wird zunächst die Niederspannungsanlage an die Erfordernisse der Betriebsmittel angepasst. Im ungestörten Betrieb müssen Ströme durch die Rückleiter in den Drähten bleiben, sie dürfen nicht in die Erdungsanlage austreten. TN-C-Systeme mit geerdetem PEN-Leiter eignen sich hier nicht. Das Gleiche gilt auch für TN-C-S Systeme.

Neuanlagen und Erweiterungen müssen grundsätzlich als TN-S-System geplant, ausgeführt und betrieben werden. Diese fachgerechte Vorgehensweise reduziert die anlagenseitigen Potential-Differenzen in der Erdungsanlage drastisch.

Gefahr erkannt – Gefahr gebannt

Bei der Verdrahtung der 24V-System-Masse ist ein Umdenken erforderlich. Es muss ausgeschlossen werden, dass die geerdete System-Masse der 24V-Gleichspannungs-Versorgung mehr als einmal mit Erde verbunden ist. Dies gilt von der Inbetriebnahme bis zum dauerhaften Außerbetriebsetzen. Nur so können Stromwege parallel zu anlagenseitigen Potential-Differenzen vermieden werden.

Moderne Arbeitsanweisungen zur Errichtung von 24V-Gleichspannungs-Stromversorgungen schreiben vor, dass zunächst alle Verdrahtungsarbeiten der 24V-Anlage abzuschließen sind, bevor die funktionale Erdung mittels Brücke zwischen System-Masse (Minuspol) und Erde vorgenommen wird. Eine allpolige Isolationsmessung zwischen 24V-Anlage und Erde verifiziert den gewünschten Zustand. So schreibt beispielsweise die DIN EN 60204-1 (VDE 0113-1):2011-01 vor, dass bei Erdung der System-Masse diese ausschließlich ein einziges Mal geerdet werden darf - eine Anforderung, die schon seit Jahrzehnten besteht. Nach erfolgreicher Messung wird die Verbindungsbrücke eingebracht. Bei mehreren 24V-Stromversorgungen in einer Anlage wird entsprechend vorgegangen. Diese elektrische Verifizierung des erforderlichen Isolationszustandes dauert nur wenige Minuten - der Nutzen daraus ist hoch.

Dauerhaft sicher mit Permanent-Monitoring

Mit wenig Mehraufwand wird der erforderliche Isolationszustand der 24V-Systeme für die gesamte Betriebsdauer aufrechterhalten. Zu diesem Zweck wird ein Permanent-Monitoring-System in die Verbindungsleitung zwischen System-Masse und Erde eingebracht. Die Stromerfassung erfolgt vorzugsweise berührungslos. Ein Allstrom-sensitives Strom-Monitoring-System erfasst bereits kleinste Ströme. Wechselströme mit Beträgen bis zu etwa einem Prozent des Betriebsgleichstroms sind unkritisch, sie entstehen typischerweise durch kapazitive Kopplungen aufgrund von EMV-Filtern oder von ausgedehnten Leitungs-Systemen. Gleichströme in dieser Größenordnung offenbaren bereits unzulässige Mehrfacherdungen, hier sollten die Fehler umgehend beseitigt werden.

Maschinen und Anlagen mit geerdeten 24V-Gleichspannungs-Stromversorgungen dürfen nur ein Mal geerdet werden. Mehrfacherdungen führen zu vagabundierenden Strömen in der System-Masse. Über die gleichen Stromwege beeinflussen transiente Ströme die Hard- und Software, Betriebsstörungen bis zum Ausfall sind die Folge. Konsequente Isolationsmessung vor Inbetriebnahme sowie Permanent-Strom-Monitoring der Verbindungsleitung zwischen System-Masse und Erde erhöhen die Verfügbarkeit von Beginn an.

Gerhard K. Wolff, Senior Manager Surge Protection, Netz- & Signal-Qualität Trabtech, Phoenix Contact, Blomberg

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