Erhöhte Verfügbarkeit

Kombination aus klassischer Stromverteilung
und moderner Überwachungstechnik

Erhöhte Verfügbarkeit

Moderne Kommunikationstechnik bietet mittlerweile fast unüberschaubare Möglichkeiten für Steuerung, Überwachung und Informationsaustausch. Dennoch bleibt die Basis für das prinzipielle Funktionieren einer Anlage, egal welcher Art und für welche Aufgabe, deren Versorgung mit Strom. Wenn diese Versorgung mit Energie ausfällt oder gestört wird, geht gar nichts mehr. Diese einfache Erkenntnis muss man manchmal auch zu Hause erfahren, wenn eine Sicherung ausgelöst hat oder der Stromversorger bei Wartungsarbeiten für ein paar Stunden den Strom abstellen muss.

 Klassische Stromverteilung mehrerer Lasten, Speisung über Schaltnetzteil mit Nennstrom 20A (Bild: E-T-A Elektrotechnische Apparate GmbH)
Klassische Stromverteilung mehrerer Lasten, Speisung über Schaltnetzteil mit Nennstrom 20A (Bild: E-T-A Elektrotechnische Apparate GmbH)


Gegen derartige Einflüsse ‚höherer Gewalt‘ ist man natürlich nicht gefeit. Mit der richtigen Technik lassen sich aber Fehlauslösungen einer Sicherung oder Probleme bei deren Auslösung im Fehlerfall und damit verbundene (Teil-)Anlagenausfälle vorsorglich vermeiden. Ganz speziell im Bereich der DC 24V-Anlagenspeisung gibt es mittlerweile eine Vielzahl an ‚intelligenten‘ Lösungen, die die Verfügbarkeit von Anlagenteilen und einzelnen Komponenten deutlich erhöhen.

Wo liegt das Problem?

Die klassische Absicherung in einer DC 24V-Verteilung geschieht durch die parallele Anreihung von thermisch-magnetischen Schutzschaltern an eine gemeinsame Einspeisung. Jede Sicherung schützt eine Last oder Lastgruppe. Bedingt durch den physikalischen Aufbau eines thermisch-magnetischen Schutzschalters mit Bimetall für den Überlastschutz und Magnetspule zur schnellen Abschaltung bei Kurzschluss, sind Probleme bei der selektiven Abschaltung im Fehlerfall vorprogrammiert. Tritt in einem Lastkreis ein sehr hoher Überstrom, z.B. ein Kurzschluss, auf, ist es wichtig diesen unverzüglich abzuschalten. Das verhindert sowohl Schäden an Last und Leitung und vermeidet Rückwirkungen durch die Überlastung der Stromquelle auf die parallellaufenden anderen Lasten. Dazu muss durch die Magnetspule je nach Auslösekennlinie der bis zu 15-fache Nennstrom fließen. Diesen muss zum einen die Stromquelle liefern können, als auch die bis zum Kurzschlussort verlegte Leitung auf Grund ihres Leitungswiderstandes durchlassen.

Als Beispiel sei ein Leitungsschutzschalter mit Nennstrom von 6A und Auslösekennlinie C angenommen. Der 15-fache DC-Auslösestrom zur sicheren Auslösung würde somit 90A betragen. Die Quelle muss demzufolge 84A (= 90-6A) Reservestrom für diesen Kurzschluss liefern können. Eine 100m lange Leitung (L) (d = 50m hin und wieder zurück) mit q = 1,5mm² Querschnitt besitzt einen Innenwiderstand Ri von ca. 1,2Ohm. Nach dem Ohm’schen Gesetz werden dadurch bei 24V aber nur ca. 20A fließen. D.h. der gewählte Schutzschalter von 6A wird bei Kurzschluss nicht unverzögert magnetisch auslösen, sondern lediglich thermisch nach 30 bis 60s, falls sich die Stromquelle nicht wegen Überlast vorher abschaltet oder die Ausgangsspannung absenkt. Während dieser Zeit wird sich der Fehler anderweitig durch Störung der Anlage bemerkbar machen und hoffentlich noch keine größeren Schäden anrichten. Kommt es zu einer echten Nichtauslösung, weil sich beispielsweise die Quelle vorher abgeschaltet hat, gestaltet sich die Fehlersuche noch deutlich aufwendiger. Das liegt daran, dass der fehlerhafte Kreis nicht so einfach zu identifizieren (Schutzschalter immer noch in ‚Ein‘-Stellung) und die Spannung ebenfalls weg ist.

 Kreiswiderstand und max. Kurzschlussstrom bei Kurzschluss an einer Last (Bild: E-T-A Elektrotechnische Apparate GmbH)
Kreiswiderstand und max. Kurzschlussstrom bei Kurzschluss an einer Last (Bild: E-T-A Elektrotechnische Apparate GmbH)

Wie lässt sich dieses Problem lösen?

Für Abhilfe sorgt der Ersatz der thermisch-magnetischen Sicherungsautomaten durch elektronische Schutzschalter mit eingebauter galvanischer Trennung. Elektronische Schutzschalter, wie der ESS30 der Firma E-T-A beinhalten mehrere Funktionen: Die intelligente Elektronik kann zwischen einem Kurzschluss bzw. einer dauerhaften Überlast und einer kurzzeitigen Überlastung, wie sie z.B. bei der Aufladung einer Kapazität auftritt, unterscheiden. Letztere wird für eine bestimmte Zeit toleriert, da sie für die Funktion notwendig ist, z.B. für das Einschalten der Anlage. Liegt dagegen der ‚harte Kurzschluss‘ vor, dann tritt zunächst eine Strombegrenzung auf den max. 1,2-fachen Nennstrom in Kraft. Darauf folgt die elektronische Abschaltung des Ausgangs durch Sperren des Leistungshalbleiters. Strom durchfließt nicht mehr den Lastkreis. Eine verzögerte galvanische Trennung bietet anschließend noch die Potenzialfreiheit des Lastkreises.

Die Strombegrenzung reduziert im gewählten Beispiel den benötigten zusätzlichen Auslösestrom auf ca. 7,2A (statt 84A, s.o.) und überlastet dadurch nicht die Quelle. Der Fehler wird dadurch isoliert. Es erfolgt eine echte ’selektive Auslösung‘, was auch der ausgelöste Schutzschalter signalisiert. Weitere Vorteile bieten sich auch im Aufbau der Stromverteilungen für mehrere Stromkreise. E-T-A liefert komplette Stromverteilungssysteme für typischerweise bis zu 30 Kanäle an einer Einspeisung. Die Abmessungen orientieren sich dabei am 19″-System, wie es häufig noch in Anlagen im Einsatz ist. Möglich wird dies durch die sehr schmale Baubreite des elektronischen Schutzschalters von nur 12,5mm. Zudem sind die Schalter steckbar, wodurch eine große Flexibilität sowohl für die Inbetriebnahme, als auch den späteren Servicefall erreicht wird. Der gewünschte oder notwendige Nennstrom lässt sich einfach durch Austausch des Schalters ändern oder anpassen. Jeglicher Eingriff in die Verdrahtung entfällt. So können auch Reserveplätze für eine spätere Erweiterung problemlos vorgehalten werden.

Für den Einsatz in redundant versorgten Anlagen, z.B. in der Chemie, kann der Betreiber die Stromverteilungssysteme optional mit integrierten Entkopplungsdioden (bis 80A Nennstrom) ausstatten lassen. Diese sind rückseitig im Verteiler angeordnet, so dass Höhen- und Breitenabmessungen unverändert bleiben. Die elektrischen Anschlüsse für Einspeisung und Lasten sind von vorne zugänglich und mittels Federkrafttechnik realisiert. Die Anwenderkabel können über ein integriertes, horizontales Rangiermodul direkt an die Anschlussklemmen herangeführt werden. Das reduziert den zeitlichen Verdrahtungsaufwand und optimiert die Zugänglichkeit und Übersichtlichkeit.

Elektronischer Schutzschalter Typ ESS30 mit galvanischer Trennung – Bild: E-T-A Elektrotechnische Apparate GmbH

Zwei weitere Zusatzfunktionen, die Anzeige des Gesamtstrombedarfs und die Signalisierung des Schaltzustandes jedes einzelnen Schutzschalters, dienen der Vereinfachung der Inbetriebnahme und der Überwachung der Anlage. Eine 7-Segment-Digitalanzeige stellt den aus der bzw. den Quellen entnommenen Gesamtstrom dar. Zwei grüne Leuchtdioden zeigen an, ob beide Einspeisespannungen anliegen, d.h. ob sie auch aktiv Strom einspeisen. So kann der Anlagenbetreiber auf einen Blick den Zustand der Verteilung und der angeschlossenen Lasten während des Betriebes kontrollieren. Während der Inbetriebnahme kann auch ein einzelner Laststrom gemessen und somit der tatsächlich benötigte Nennstrom des Schutzschalters ermittelt werden. Dazu sind bis auf die zu messende Last alle anderen Lasten abzuschalten, was während einer Inbetriebnahme möglich sein sollte. Die integrierten Signalkontakte in jedem Schutzschalter sind zu einer Sammelmeldung parallelgeschaltet und über ein Koppelrelais mit Wechselkontakt auf Anschlussklemmen nach außen geführt. Löst ein Schutzschalter aus, erfolgt eine Meldung durch Abfall des Relais. Auf diese Weise entfallen die sonst bei der Reihenschaltung benötigten Signalbrücken bei freien (Reserve-) Steckplätzen. Zudem überwacht das Ruhestromrelais die aktive Ansteuerung der Meldeschleife. Diese Funktionalitäten in Verbindung mit der selektiven Auslösung durch die elektronischen Schutzschalter ergeben ein kostengünstiges und kompaktes Stromverteilungssystem. Dieses erlaubt in bestehenden Anlagen punktuell die potenziell vorhandenen Schwachstellen zu eliminieren, ohne aufwendige Überwachungseinrichtungen oder Kommunikationssysteme zu installieren. E-T-A liefert diese elektronischen Schutzschalter und Stromverteilungssysteme mittlerweile seit über 20 Jahren in verschiedensten Ausführungen. Als Geräte für die DIN-Schienenmontage oder als steckbare Versionen für modulare Sockelsysteme, die sich der Anwender selbst zusammenstellen kann. Als fertig vorkonfektionierte Komplettsysteme in verschiedenen Formen und Abmessungen, die bereits alle notwendigen Komponenten und Funktionen beinhalten. Eine Spezialität ist die Anpassung bzw. Entwicklung zur Integration in bestehende oder der Aufbau individueller Kundenstandards.

www.e-t-a.com

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