Heizelemente in der Kabelproduktion Wie Halbleiterschütze die Temperaturregelung von Anlagen zur Kabelherstellung vereinfachen

Ein Hersteller von Anlagen zur Kabelproduktion benötigt für die Vernetzung der XLPE-Ummantelung lange Heizstrecken. Die beste Lösung für die häufig schaltenden Heizelemente sind Halbleiterschütze. Durch den Wechsel zu modular aufgebauten Geräten ist nun sogar eine Laststrom-Überwachung mit dabei, die jede Veränderung sofort meldet. Dadurch steigt auch die Qualität dieser elektrischen Versorgungsadern unserer Gesellschaft.

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Die Firma Troester in Hannover ist für hochwertige und leistungsfähige Produktionsanlagen in der Kabelindustrie bekannt. Das Unternehmen bietet mit dem patentierten Twinrot-Verfahren ausgefeilte Lösungen für die Produktion von qualitativ hochwertigen Mittel- und Hochspannungsleitungen. Eine solche CCV-Anlage (Catinery Continous Vulcanisation) mit einer Vorschubgeschwindigkeit von maximal 45 m pro Minute wurde beispielsweise in ein Land am Persischen Golf geliefert.

Das Besondere an solchen Anlagen, wie sie dorthin zur Produktion von Erdleitungen bis 1000 mm2 (Durchmesser 82 mm inklusive Kunststoff-Ummantelung) für Mittelspannungen bis 66 kV geliefert wurde ist, dass sich damit gewissermaßen Endlos-Stromkabel herstellen lassen. Dazu steht in dem Fertigungsgebäude in etwa 30 m Höhe die Kunststoffmaschine, die den Kupfer- bzw. den Aluminium-Leiter im kontinuierlichen Vorschub ummantelt.

Damit die Vernetzung des XLPE nach dem Spritzvorgang möglichst schnell und homogen stattfindet, läuft die Leitung durch entsprechend lange Heizrohre. Dabei beschreibt die zu vernetzende Ader eine Hyperbel, die dem Rohrsystem mit den integrierten Heizungen exakt folgt. Eine berührungslose Messung sorgt dafür, dass innerhalb des Rohrsystems keinerlei Berührung stattfindet. Während die Ader im Einlauf die Bremsmaschine kontinuierlich durchläuft, wird ihre Position in der Heizstrecke von der Zugmaschine geregelt.

Karsten Kowalski, Leiter Elektrische Ausrüstungen bei Troester, erklärt: „Damit lassen sich hochwertige Endlos-Adern herstellen, die erst beim Aufwickeln auf die vom Kunden benötigten Längen geschnitten werden.“

Mit zwei Halbleiterschützen drei Phasen überwachen

Damit alles reibungslos funktioniert, muss die Temperaturregelung der Heizbereiche entsprechend feinfühlig sein und die benötigten 500°C ± 5 K genau halten. Halbleiterschütze Sirius 3RF von Siemens übernehmen dabei das häufige Ein- und Ausschalten der einzelnen Heizstäbe.

Die Anlage im Oman umfasst elf Heizrohre mit einer Länge von je sechs Metern. Jedes Segment hat am Umfang 18 Einzelheizstäbe, was zusammen eine Anschlussleistung von 45 kW und somit eine Strombelastung von 65 A ergibt. Karsten Kowalski berichtete: „Aus diesem Grund haben wir die größten Sirius-Geräte gewählt, die für das Schalten ohmscher Lasten mit 90 A ausgelegt sind.“

Der Praktiker hat sich für die einphasigen Halbleiterschütze entschieden, obwohl es sie auch als dreiphasige Variante gibt. Der Grund dafür ist die interne Verschaltung der Heizungen. Jedes 6-m-Rohr ist in drei Heizzonen mit je sechs Heizelementen unterteilt — zusammen also 18 Einzelelemente. Damit der Ausfall eines oder mehrerer Elemente sofort bemerkt wird, überwacht das 3RF den Stromfluss. Die drei Phasen L1, L2 und L3 sind in Sternschaltung ohne herausgeführten Sternpunkt angeordnet. „Auf diese Weise brauchen wir nur zwei Halbleiterschütze, um drei Phasen auf ihren ordnungsgemäßen Stromfluss zu überwachen“, sagt der Troester-Leiter.

Mit den Halbleiterschaltgeräten lassen sich somit frühzeitig Ausfälle einzelner Heizelemente erfassen und während der planmäßigen Serviceintervalle gezielt erneuern. Zusätzlich ist jedem der 18 einzelnen Heizelemente eine Halbleitersicherung des Typs 3NE1820 von Siemens vorgeschaltet, die nicht überwacht ist. „Durch das feinfühlige Erfassen der Stromwerte — die niedriger werden, sobald Heizelemente ausfallen — ist das auch nicht notwendig“, so Kowalski.

Verlustleistung unter einem Prozent

Seit dem Jahr 2004 werden die Sirius-Halbleiterschütze bei Troester eingesetzt. Diese Geräte gibt es als Halbleiterrelais für die direkte Montage auf individuell gestaltete Kühlkörper wie zum Beispiel einer Schaltschrankwand. Damit lässt sich die Wärme auf direktem Weg nach außen ableiten.

Troester dagegen wählt die andere Variante, bei der die Kühlkörper an die Halbleiterrelais optimal angepasst sind. Die dann als Halbleiterschütze bezeichneten Geräte lassen sich einfach auf die Hutschiene schnappen, beziehungsweise bei den schwereren Ausführungen auf die Montageplatte montieren. Bezüglich der Wärmeentwicklung betont Karsten Kowalski allerdings: „Diese Geräte arbeiten mit deutlich weniger als einem Prozent Verlustleistung, was somit für die Wärmeabfuhr aus dem Schaltschrank kein Problem darstellt.“

Das war nicht immer so. Halbleiterschütze werden bei Troester seit vielen Jahren eingesetzt; allerdings hatten die Produkte vorheriger Lieferanten ihre Grenzen. „Früher war das Manko solcher Geräte tatsächlich die hohe Wärmeentwicklung; letztendlich starben sie öfter den Hitzetod“, weiß der Experte. Mit den Sirius-Halbleiterschützen und der Möglichkeit der feinfühligen Stromerfassung konnte nun sogar ein ausgefeiltes Condition-Monitoring der Heizbereiche etabliert werden. Für Karsten Kowalski eine klare Angelegenheit: „Mit den neuen Geräten haben wir so gut wie keine Ausfälle.“

Modularer Aufbau erhöht die Flexibilität

Die Heizungssteuerung schaltet die 3RF mit einer Taktrate von maximal fünf Sekunden. Eine höhere Frequenz ist deshalb nicht notwendig, da die Heizkreise mit 45 kW relativ träge reagieren. Interessant bei dieser Anwendung ist hingegen die bereits erwähnte Lastüberwachung, was Kowalski bestätigt: „Das entsprechende Modul ist günstig und nachrüstbar — diese Flexibilität kenne ich nur von Siemens.“ Das zeigt weitere Vorteile dieser modular aufgebauten Halbleiterschütz-Generation. Ebenso ließe sich ein Konverter, ein Leistungssteller oder ein Leistungsregler nachrüsten.

Die Halbleiterschütze gibt es bis zu einem maximalen Strom von 90 A. Dabei decken zwei Gerätegrößen zur Laststromüberwachung die gesamte Leistungsbreite ab. Das reduziert die Gerätevielfalt sowie die Lagerhaltung. Als besonderes Merkmal der 3RF sieht der Leiter Elektrische Ausrüstungen die Teach-Funktion: „Damit sparen wir pro Halbleiterschaltgerät etwa drei Minuten gegenüber einer konventionellen Einstellung über Potentiometer ein.“

Teach-Knopf vereinfacht die Stromeinstellung erheblich

Hinzu kommt, dass bei einer Poti-Einstellung sehr leicht Fehler unterlaufen können; beim Drücken des Teach-Knopfes nicht. Es muss lediglich die gewünschte Heizzone mit Strom beaufschlagt werden; die Stromzange zeigt den exakten Wert an. Anschließend drückt der Einrichter nur noch den Teach-Knopf am Gerät und die Lastüberwachung ist eingestellt. „Damit haben wir eindeutig auch eine Qualitätsverbesserung erreicht“, bestätigt Karsten Kowalski.

Obwohl es für die Halbleiterschütze aufsteckbare Leistungsregler gibt, die nach dem Prinzip des Phasenanschnitts arbeiten, haben sich die Verantwortlichen bei Troester für eine andere Lösung entschieden. Die Anlagensteuerung Simatic S7-400 von Siemens übernimmt die zentrale Regelung aller Schaltgeräte. Der Grund dafür ist, dass sich auf diese Weise alle Heizkreise von einem Punkt aus optimieren und diagnostizieren lassen. Schließlich sind das sehr viele, wie auch bei der Anlage für den Oman.

Temperaturüberwachungsrelais als Qualitätsgarant

In der Hochtemperaturzone am oberen Ende der Hyperbel, wo Temperaturen bis zu 530°C herrschen, überwacht ein zusätzlicher Thermofühler den Bereich. Das Temperaturüberwachungs-Relais 3RS Typ K aus dem Sirius-Programm von Siemens sorgt dafür, dass im Falle einer Überhitzung die gesamte Heizzone abgeschaltet wird. „An dieser Stelle ist das deshalb so wichtig, weil hier Grenztemperaturen für die verwendeten Duroplast-Werkstoffe erreicht werden und die Qualität unter allen Umständen garantiert sein muss. Denn wie erwähnt produziert die Anlage Erdleitungen, die bei Qualitätsproblemen nur mit größter Mühe und hohen Kosten wieder getauscht werden können.

Qualität fängt im Kleinen an

Die mehrstöckige Anlage zur Erdkabelproduktion im Golf-Staat Oman hat eine 66 Meter lange Heizstrecke zur Vernetzung des ummantelnden XLPE. Über ein patentiertes Fertigungsverfahren mit der Bezeichnung Twinrot können Hochspannungsadern im kontinuierlichen Fluss mit geringen Ovalitäten bzw. Exzentrizitäten hergestellt werden.

Für die exakte Temperaturregelung verwendet der Anlagenbauer modular aufgebaute Halbleiterschütze, die sehr robust sind und nur wenig Verlustwärme entwickeln. Mithilfe einer optional aufsteckbaren Laststromüberwachung ist er in der Lage, einen Ausfall einzelner Heizelemente sofort zu erkennen. „Für uns ist das sehr entscheidend, damit unsere Kunden Produktionsqualität und Serviceeinsätze in ein optimales Verhältnis bringen können“, fasst Karsten Kowalski die Rahmenbedingungen für die Produktion der elektrischen Lebensadern zusammen.

Jürgen Werning, Promotion und Fachberatung für Niederspannungs-Schalttechnik, Siemens Automation and Drives

Bernd Lahmsen, Produktmanager Produktionsautomation, Siemens Automation and Drives

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