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Automatisierungs- & Elektrotechnik

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Blitze gekonnt ableiten

Text: Claas Rittinghaus, Phoenix Contact
Um eine Windkraftanlage vor Blitzeinschlägen zu schützen, wird schon bei der Entwicklung nach besonders leistungsfähigen Teilen gesucht. Diese sollen möglichst klein sein und noch dazu hocheffizient arbeiten. Eine Kombination aus verschiedenen Komponenten bringt die Lösung.

Bei der Konzeption von Wind­energie- und Industrieanlagen steigen die Anforderungen an die Komponenten: Sie sollen möglichst wenig Platz benötigen und gleichzeitig ein Maximum an Kosten­effizienz bieten. Da empfiehlt es sich, getrennte Komponenten zu einem Gerät zu kombinieren. Das war das Ziel bei der Entwicklung des Blitzstromableiters Flashtrab SEC Hybrid 440.

Mit einer integrierten Vorsicherung und einer netzfolgestromfreien Funkenstrecke spart er Platz und Zeit bei der In­stallation und erhöht zudem die Schutzwirkung für 400/690-V-AC-Systeme (Volt Alternating Current, deutsch: Volt Wechselspannung). Der Schutz von Windenergie- und industriellen Anlagen vor direkten Blitzeinschlägen erfordert besonders leistungsfähige SPDs (Surge Protective Device, Überspannungsschutzgerät), da hier oft mit höheren Systemspannungen wie etwa 400/690-TN- oder IT-Systemen gearbeitet wird. Ein TN-System, französisch Terre Neutre, ist eine bestimmte Realisierungsart eines Niederspannungsnetzes zur elektrischen Stromversorgung. Grundstein eines optimalen Überspannungsschutzkonzepts für solche Systeme ist ein Funkenstrecken-basiertes SPD Typ 1 mit hohem Ableitvermögen bei gleichzeitig hoher Kurzschlussfestigkeit und damit Löschfähigkeit. Hierbei handelt es sich um eine besondere Anforderung, da das Löschvermögen einer Funkenstrecke in der Regel spannungsabhängig ist – also bei höheren Systemspannungen deutlich niedriger ausfällt. Für ein entsprechend hohes Löschvermögen von 50 Kiloampere (kA) und mehr muss das Löschprinzip also besonders leistungsfähig sein.

Mit der Entwicklung der SEC-Technologie (Safe Energy Control) ist es Phoenix Contact gelungen, das Löschprinzip der Funkenstrecken so weit zu optimieren, dass sie netzfolgestromfrei sind. Nach dem Ableiten eines Stoßstroms verlöscht die Funkenstrecke unverzüglich, und das Einprägen eines vom Stromversorgungsnetz getriebenen Folgestroms wird direkt unterbunden. Diese Technik minimiert den Verschleiß der Funkenstrecke erheblich, weil deutlich weniger Energie in der Funkenstrecke umgesetzt wird.

Die neue Technik ermöglicht die Konzeption einer einzelnen Funkenstrecken-Variante mit einer höchsten Dauerspannung von 440 V AC für den Einsatz in 400/690-V-AC-Systemen auf dem kompakten Bauraum von nur zwei Teilereinheiten pro Pol – bei einer Standardmodulhöhe von 90 Millimetern. Löschfähigkeit und Kurzschlussfestigkeit betragen dabei 50 kA, und das Blitzstrom-Ableitvermögen reicht bis zu 35 kA (10/350 Mikrosekunden, µs). Damit eignet sich das Gerät für die hohen Stoß­strom­anforderungen der Blitzschutzklasse I.

Integration des Überstromschutzes

Jedes Gerät innerhalb einer elektrischen Installation muss vor der potenziellen Gefahr eines Überstroms geschützt werden. Für passive Komponenten, wie es Überspannungsschutzgeräte in der Regel sind, beschränkt sich der Schutz im Vergleich zu elektrischen Verbrauchern auf die Absicherung gegen Kurz- und Erdschlüsse. Diesen Schutz bieten entsprechende Sicherungen oder Schutzschalter.

Für die volle Funktionsfähigkeit von Blitzstromableitern Typ 1 muss der Überstromschutz den vom SPD abzuleitenden Blitzstrom tragen können – und gleichzeitig einen passenden Schutz vor Kurz- und Erdschlüssen bieten. Mit handelsüblichen Sicherungen oder Schutzschaltern ist das häufig gar nicht möglich. Eine speziell auf das jeweilige SPD abgestimmte Sicherung, die einerseits eine vollständige normative Prüfung mit multiplen Stoßströmen durchläuft und andererseits das SPD im Fehlerfall sicher vom Netz trennt, bietet daher große Vorteile in Bezug auf die Funktionalität des Überspannungsschutzes.

Im Fall des Flashtrab SEC Hybrid 440 wurde eine derartige speziell entwickelte Sicherung mit der netzfolgestromfreien Funkenstrecke kombiniert. Dabei entstand ein Blitzstromableiter Typ 1 mit integrierter Vorsicherung für den Einsatz in 400/690-V-AC-Systemen. Der Überspannungsschutz von Wind­energie- und Industrieanlagen kann auf diese Weise mit zahlreichen Vorteilen aufwarten.

Vorteile bei integriertem Überstromschutz

Die Hauptaufgabe eines Überspannungsschutzgerätes ist die Begrenzung der abfallenden Spannung am zu schützenden Gerät. Treten Überspannungen auf, soll die Spannung auf ein Niveau unterhalb der ausgewiesenen Isolationsfestigkeit begrenzt werden. Dazu wird das Gerät parallel zum zu schützenden Gerät angeschlossen. Im Falle einer Überspannung liegt die über dem SPD abfallende Spannung garantiert unterhalb des ausgewiesenen Schutzpegels.

Die über dem zu schützenden Gerät abfallende Spannung entspricht aber der Summe aus Schutzpegel des SPDs und den induzierten Spannungen über den Leitungsstücken zwischen SPD und zu schützendem Gerät sowie eventuellen externen Überstromschutzeinrichtungen in diesem Pfad. Bei einer integrierten Überstromschutzeinrichtung entfällt letztere induzierte Spannung und es lassen sich möglichst kurze Leitungslängen auf einfache Weise realisieren, sodass die Schutzwirkung insgesamt deutlich optimiert werden kann. Der Flashtrab SEC Hybrid 440 bietet für die Kombination aus stoßstromfester Vorsicherung und netzfolgestromfreier Funkenstrecke einen Schutzpegel von 2,5 kV. Daraus resultiert eine bessere Schutzwirkung gegenüber anderen SPDs für diese Spannungsebene, die meist den gleichen oder einen höheren Schutzpegel aufweisen und dabei noch die Installation externer Überstromschutzeinrichtungen erfordern.

Ein weiterer Vorteil ist die große Platz- und damit Kostenersparnis, die mit dem Wegfall externer Überstromschutz-Einrichtungen einhergeht. Gegenüber herkömmlichen Lösungen, die die Montage mehrphasiger Lasttrenner oder Schutzschalter erfordern, können bis zu zwei Drittel an Platz eingespart werden. Dies erleichtert die Planung, erlaubt eine kompakte Gestaltung der Schaltschränke und bietet zudem eine hohe Kosteneffizienz. Auch für die Modernisierung alter Anlagen, die bislang über keinen oder nur über einen unzureichenden Blitz- und Überspannungsschutz verfügen, ist der Flashtrab SEC Hybrid 440 eine sinnvolle Lösung, da zum Nach- oder Umrüsten von SPDs oft nur wenig Platz zur Verfügung steht.

Die Integration des Überstromschutzes in das SPD bietet dem Anwender viele Vorteile. Speziell im Bereich der Blitzstrom­ableiter, wo besonders hohe Nennwerte von Überstromschutzeinrichtungen erforderlich sind, um für den Schutz das volle Ableitvermögen zu bieten, besteht das größte Potenzial zur Einsparung von Platz und Kosten. Eine integrierte und speziell koordinierte Sicherung erübrigt zusätzlich auch die oftmals schwierige Suche nach stoßstromfesten Lösungen unter Einbindung externer Überstromschutzeinrichtungen.

Außerdem kann die Schutzwirkung durch eine kombinierte Lösung deutlich optimiert werden. Der ausgewiesene Schutzpegel gilt bereits für Sicherung und SPD, sodass mit kurzen Anschlussleitungslängen ein niedriger Gesamtschutzpegel möglich ist. Der Flashtrab SEC Hybrid 440 verbindet diese Vorteile für den Einsatz in 400/690-V-AC-Systemen mit Kurzschlussleistungen bis 50 kA. Das Schutzgerät ist steckbar, sodass Wartungsarbeiten und Isolationsmessungen ohne Eingriff in die Installation erfolgen. Durch diese Alleinstellungsmerkmale wird die Komponente zum optimalen Überspannungsschutzgerät für moderne Windenergie- und Industrieanlagen.

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