20 Jahre Elektronischer Überstromschutz

Wer hat´s erfunden?

Die gesamte Automatisierungswelt von Maschinen, Anlagen und Prozessen verwendet mittlerweile elektronischen Überstromschutz als Standard für die Absicherung von DC 24V-Steuerstromkreisen. E-T-A hat bereits Anfang 2000 den elektronischen Schutzschalter vom Typ ESS1 auf dem Stromverteiler SVS1 im Produktionsbereich eines deutschen Automobilherstellers zum Einsatz gebracht. Alle technischen Details haben immer noch Gültigkeit und sind für interessierte Anwender in den entsprechenden Patenten nachzulesen. Damit dürfte die Frage „Wer hat´s erfunden?“ geklärt sein. Die Schweizer waren es diesmal nicht!

Elektronischer Schutzschalter ESS1 mit integrierter Strombegrenzung (Bild: E-T-A Elektrotechnische Apparate GmbH)

Ende der neunziger Jahre sind im Karosseriebau der Pkw-Produktion unerklärbare Fertigungsstillstände aufgetreten. Es kam zum Austausch der 24 V-Netzteile, da die Betriebsspannung für SPS, Sensorik und Aktorik sporadisch ausfiel und damit die gesamte Anlage stand. Zusätzlich kam die Vermutung auf, dass die Überstromauslösung der Schutzschalter bei Überlast / Kurzschluss möglicherweise nicht den Datenblatt-Kennlinien entspricht. Zum damaligen Zeitpunkt haben getaktete Netzteile die bisher verwendeten Trafonetzteile sukzessive ersetzt. Die neuartigen Schaltnetzteile mit geregelter Ausgangsspannung beinhalten eine interne Überwachung des Ausgangsstroms, um die Leistungshalbleiter vor Zerstörung zu schützen. Umfangreiche Messungen im E-T-A-Labor und auch vor Ort in den Produktionsanlagen zeigten dann die tatsächlichen Gründe auf – dies war die Initialzündung für die Entwicklung eines neuartigen, elektronischen Lösungsansatzes.

Kurzschluss und Überlast zeigen den Unterschied

Thermisch-magnetische Schutzschalter mit C-Charakteristik benötigen bei Kurzschluss in einem DC 24V-Lastkreis für sicheres Auslösen den 7,5- bis 15-fachen Wert des Nennstromes. Ein Schutzschalter mit Nennstrom 6A löst im Worst Case bei einem Strom von 90A unverzögert aus. Schaltnetzteile können entweder diesen hohen Strom nicht liefern oder der integrierte Überlastschutz greift vorher ein, reduziert die Ausgangsspannung oder schaltet diese komplett ab. Das hat zur Folge, dass Steuerungskomponenten wie SPS, Busmodule, Aktorik, Sensorik und Safety-Module ohne Funktion sind. Sporadische Fehler, wie Kurzschlüsse in Schleppkabeln, können die Instandhaltung zusätzlich erschweren. Insbesondere dann, wenn im Schaltschrank kein ausgelöster Schutzschalter zu finden ist, der auf einen fehlerhaften Stromkreis hinweist. Oftmals beginnt dann buchstäblich die Suche nach der Stecknadel im Heuhaufen inklusive mehrstündiger Produktionsausfälle. Bei einem direkten Kurzschluss im Lastkreis ist der vorliegende Netzinnenwiderstand für die Überstromauslösung relevant. Bei einem Erdschluss ist es die Schleifenimpedanz zwischen dem stromführenden Leiter L+ und dem PE-Sternpunkt am PELV-Netzteil, dessen 0V-Anschluss geerdet ist. Genau hier kommen die Stärken der Elektronik zum Tragen. Der elektronische Schutzschalter überwacht den Zustand des Lastkreises und reagiert situativ auf den auftretenden Überstrom. Die lineare Strombegrenzung des integrierten MOSFETs begrenzt den Kurzschluss-Strom typisch auf den 1,4-fachen Nennstrom und schaltet innerhalb von 100ms ausschließlich den fehlerhaften Stromkreis selektiv ab. Das 24V-Netzteil liefert weiter eine stabile Ausgangsspannung, alle anderen Automatisierungsgeräte funktionieren ohne Einschränkung. In DC 24V-Steuerstromkreisen ist bei Überlast, Kurzschluss und Erdschluss immer das Ohmsche Gesetz zu berücksichtigen. Eine 2-adrige Mantelleitung mit 1,5mm² und einer Länge von 50m hat bereits einen Leitungswiderstand von ca. 1,2. Dazu kommen noch der Innenwiderstand des Schutzschalters und die Übergangswiderstände von diversen Klemmstellen. Bei einem Leitungsschutzschalter (LS) mit B- oder C-Kennlinie erfolgt erst ab dem 1,45-fachen eine sichere, thermische Abschaltung. Beim 2-fachen Nennstrom liegt die Abschaltzeit allerdings im Bereich von ca. 18 Sekunden bis 3 Minuten. Der Zusammenhang von Fehlerursache und Wirkung ist für die Instandhaltung nur zu erahnen. Ein weiteres Plus der Elektronik zeigt sich bei einer Überlast im Lastkreis durch einen blockierten Dunker-Motor oder auch durch einen weit entfernten Kurzschluss im Feld. Die Elektronik schaltet beim typisch 1,1-fachen des Nennstromes innerhalb von 3 Sekunden ab, die Fehleranzeige erfolgt über eine LED und den Hilfskontakt.

Elektronischer Überstromschutz für alle Fälle (Bild: E-T-A Elektrotechnische Apparate GmbH)

Die Zukunft ist digital

In den letzten 20 Jahren ist den elektronischen DC 24V-Schutzschaltern und Überstromschutzgeräten auch international der Einzug in die Steuerungs- und Automatisierungstechnik gelungen. Das Portfolio bietet eine Vielzahl von Lösungen, die in den unterschiedlichen Märkten viele Anforderungen bedient: Elektronische Schutzschalter mit oder ohne galvanische Trennung, direkt montierbar auf DIN-Schiene oder steckbar auf Stromverteilermodule. Für DC 24V, aber auch für 12 oder 48V. Feste oder einstellbare Nennströme, einkanalige oder mehrkanalige Lösungen. Neben der originären Überstromschutzfunktion treten zusätzliche Features im Hinblick auf Digitalisierung und Industrie 4.0 in den Vordergrund. Das modulare Rex-System für DC 24V-Überstromschutz, Stromverteilung und Diagnose beinhaltet einen hohen Nutzen bezüglich Condition Monitoring und Predictive Maintenance über die direkte Anbindung an die Steuerung. Diese erfolgt mittels IO-Link, Profinet, EtherCAT, Ethernet/IP oder Modbus-TCP. Permanente Messungen von Strömen, Spannungen sowie die integrierten Steuer- und Statusinformationen bieten dem Anwender umfangreiche Diagnosemöglichkeiten. Die Instandhaltung bekommt im Fehlerfall über die Steuerung oder den Webserver eine direkte Information, ob Kurzschluss oder Überlast vorliegt. Damit startet die zielgerichtete Fehlersuche entweder im Feld an der Last oder hinter dem Automaten im Schaltschrank. Damit laufen häufiger die Maschinen – und weniger die Instandhaltung.