Phoenix Contact Deutschland GmbH

Der Grad der Automatisierung nimmt in jeder Branche zu – auch in der industriellen Produktion spielt ein umfassendes Überspannungsschutzkonzept eine wichtige Rolle.

Bild: iStock, claudiodivizia

Störungen und Ausfälle bei automatisierten Systemen vermeiden Schutz vor Überspannungen

22.11.2018

Grundlegender Bestandteil von Maschinen und Anlagen sind heute automatisierte Systeme. Sie versprechen eine hohe Produktivität bei geringen Kosten und tragen maßgeblich zur Wettbewerbsfähigkeit eines Unternehmens bei. Gehalten wird das Versprechen mit einer dauerhaft hohen Verfügbarkeit – ein Überspannungsschutz kann Stillstandzeiten vermeiden.

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Transiente Überspannungen sind Impulse mit einer Dauer von weniger als einer Millisekunde, die aber eine Amplitude von mehreren Kilovolt aufweisen können. Die anschaulichste Ursache für derartige Überspannungen sind Blitzentladungen. Treten diese in der Nähe von elektrisch leitfähigen Verbindungen auf, verursacht das starke magnetische Feld um die Blitz­entladung energiereiche Stoßstrom­impulse auf den Leitungen. Um davor wirkungsvoll und sicher zu schützen, müssen solche Schaltschränke, die Leitungen in den Außenbereich herausführen, mit entsprechenden Überspannungsschutz­geräten (englisch: Surge Protective Device, SPD) ausgestattet werden.

Automatisierte Systeme werden häufig innerhalb von baulichen Anlagen betrieben. Dort treten zusätzlich Überspannungen durch Schalthandlungen auf. Bei einer Schalthandlung im weiteren Sinn geht es zum Beispiel um das gewollte Ausschalten großer Motoren oder um das Auslösen einer Sicherung durch einen Kurzschluss. Bei diesen Schalthandlungen kommt es – abhängig von der Größe der Induktivität im System – zu unterschiedlich hohen Überspannungsimpulsen. Denn die Spannung über einer induktiven Last ist abhängig von der Änderung des Stroms. Die in der Induktivität des Systems vorhandene Energie entlädt sich schlagartig im Moment der Schalthandlung.

Die dadurch hervorgerufenen Überspannungen sind zwar deutlich energieärmer als bei einer Blitzentladung, sie treten jedoch häufiger auf und verursachen auf lange Zeit gesehen zusätzliche Schäden. Denn die Entladung der gespeicherten Energie erfolgt in den elektrischen Komponenten der Automatisierungstechnik. Moderne Komponenten wie Stromversorgung, Steuerung oder I/O-System müssen die grundlegenden Anforderungen der EMV-Richtlinie erfüllen – inklusive Prüfungen gegen Überspannungsimpulse.

Alterung entgegenwirken

Zum Bestehen dieser Prüfung werden in der Regel Varistoren in den Eingangskreisen der Geräte eingesetzt. Varistoren sind spannungsabhängige Widerstände, die Spannungsimpulse auf ein für die Elektronik verträgliches Maß begrenzen. Diese Varistoren der Automatisierungskomponenten werden von den Überspannungen belastet. Sie sind dabei nicht auf energiereiche Überspannungen aus Blitzentladungen ausgelegt, können die energieärmeren Impulse aber wirksam begrenzen. Grundsätzlich weisen Varistoren mit zunehmender Anzahl an Ableitvorgängen jedoch Alterungseffekte auf. Schaltüberspannungen in großer Zahl belasten daher die Automatisierungskomponenten und können zu einem Ausfall führen.

Anders als bei Schäden durch energiereiche Blitzimpulse sieht man bei einem Schaden durch Schaltüberspannungen der betroffenen Komponente die Ursache nicht gleich an. Deswegen werden die Defekte häufig nicht auf eine Überspannung zurückgeführt. Die Auswirkung auf das automatisierte System ist aber bei beiden Schadensursachen gleich: Die elektrische Komponente ist defekt und der Prozess ist im schlimmsten Fall unterbrochen.

Dem Alterungseffekt der Komponenten wirken SPDs entgegen. Wie Schmiermittel in der Mechanik verlängern sie die Lebensdauer der Komponenten. In der Regel nutzen SPDs Varistoren als Schutzkomponenten. Der Alterungseffekt tritt zwar auch hier auf, er verlagert sich aber von der wichtigen Automatisierungskomponente auf eine speziell zum Schutz installierte Komponente. Denn das SPD kann mehr Überspannungsereignisse ableiten als die im Gerät integrierten Varistoren. Außerdem lässt sich der Status des SPD über eine Fernmeldung in die Leitwarte übertragen. Sollte das SPD durch häufige Impulse am Ende seiner Lebenszeit sein, trennt das SPD den überlasteten Varistor vom Netz ab. Der Zustand des SPD wird an die Leitwarte übertragen, und der Schutzstecker des zweiteiligen SPD kann werkzeuglos gegen einen neuen Schutzstecker ausgetauscht werden. Dabei wird das System nicht unterbrochen, und die Anlage läuft weiter.

Überspannungsschutzkonzept

Für einen wirkungsvollen Schutz gegen Überspannungen definiert die DIN EN 62305 ein Zonenkonzept – als Grundlage für einen stufenweisen Einbau unterschiedlicher SPDs in einer zu schützenden Anlage. An den Übergängen zwischen den Zonen müssen jeweils SPDs installiert werden. Außerhalb von Gebäuden befindet sich demnach die Zone 0, in welcher der Gefährdungspegel durch Überspannungsereignisse am größten ist. Leitungen, die aus diesem Bereich in einen Schaltschrank geführt werden, müssen aus diesem Grund mit leistungsstarken SPDs geschützt werden.

Schaltschränke der Automatisierungstechnik befinden sich häufig innerhalb von Gebäuden in den Zonen 1 oder 2. Aber auch hier ist am Schaltschrank ein Zonenübergang durchzuführen. Im Idealfall sollten alle Verbindungen, die den Schaltschrank verlassen, mit Überspannungsschutzgeräten ausgestattet werden. Für Leitungen im Bereich der Automatisierungstechnik ist das besonders ratsam, wenn die Leitungen über weite Strecken innerhalb der Anlage führen und parallel zu 230-Volt-Stromversorgungsleitungen verlegt sind. Denn bei einer Schalthandlung im 230-Volt-System kann sich eine schädliche Überspannung auch induktiv in benachbarte Leitungen einkoppeln.

24V-Stromversorgung schützen

Eine zentrale Komponente der Automatisierungstechnik ist die 24-Volt-Stromversorgung. Fällt sie aus, arbeitet in der Regel das gesamte System nicht mehr. Die Stromversorgung vom Typ Quint Power von Phoenix Contact sorgt hier für eine hohe Verfügbarkeit. Wenn von der Stromversorgung 24-Volt-Versorgungsleitungen aus dem Schaltschrank herausführen, bietet das Überspannungsschutzgerät Plugtrab SEC einen guten Schutz. Das erste SPD für die Stromversorgung verfügt über die inzwischen weit verbreitete Push-in-Technik und ist ideal auf die Stromversorgung Quint Power abgestimmt.

Das SPD kann zudem ohne weitere Vorsicherung direkt an der Sekundär­seite der Stromversorgung angeschlossen werden. So werden sowohl die Stromversorgung wie auch weitere 24-Volt-Komponenten im Schaltschrank vor Überspannungen aus dem Feld geschützt. Auch für den primärseitigen Schutz der Stromversorgung bietet sich Plugtrab SEC an.

Eine neue Lösung für die Automatisierungstechnik sind die elektronischen Geräteschutzschalter der Baureihe PTCB. Die schmalen einkanaligen Geräte lassen sich mit dem Reihenklemmensystem Clip­line Complete kombinieren und ermöglichen auf diese Weise eine flexible und platzsparende Lösung für die 24-Volt-Potentialverteilung. Um die hier angeschlossenen Geräte vor Überspannungen zu schützen, eignet sich das Schutzgerät Termitrab Complete Typ 3, das zum PTCB konturgleich ist. Mit einer Baubreite von nur sechs Millimetern ist es das derzeit schmalste SPD Typ 3 am Markt. Die eingesetzte Diodentechnik soll eine besonders hohe Schutzqualität für empfindliche Elektronik bieten.

I/O-Systeme schützen

Auch Steuerung und I/O-System sind zentraler Bestandteil einer Automatisierungslösung. Von dort aus verteilen sich zahlreiche Mess- und Kommunikationsleitungen oft über viele Meter in die Anlage. Hier eignen sich Schutzgeräte der Produktfamilie Termitrab Complete, einem sehr schmalen Überspannungsschutz für MSR-Anwendungen. Ab einer Baubreite von 3,5 mm pro Modul umfasst diese Produktreihe Schutzgeräte für unterschiedliche Signalarten. Um den Zustand der Schutzgeräte zu überwachen, lassen sich bis zu 40 SPDs mit einem Fernmeldemodul überwachen – ohne aufwendige Verdrahtung oder Programmierung.

Überspannungsschutzgeräte verlängern die Lebensdauer der Komponenten im Schaltschrank und tragen so zur Produktivität einer automatisierten Anlage bei. Phoenix Contact bietet platzsparende Schutzgeräte, die auf wichtige Komponenten der Automatisierungstechnik wie Stromversorgung, Potentialverteilung und I/O-System abgestimmt sind. Dadurch werden die Lösungen besonders einfach und wirkungsvoll.

Bildergalerie

  • Platzsparend und sicher: Die 24-Volt-Potentialverteilung (rechts) kann mit Überstromschutz (Mitte) und Überspannungsschutz (links) kombiniert werden.

    Bild: Phoenix Contact

  • Blitzschutzzonen in Produktion und Maschinenbau: Für bauliche Anlagen werden Lightning Protection Zones (LPZ) definiert. Überspannungsschutzgeräte werden an allen Leitungen installiert, die einen Zonenübergang kreuzen – auch innerhalb von Gebäuden.

    Bild: Phoenix Contact

  • Das erste SPD mit Push-in-Anschlusstechnik für die Stromversorgung: Plugtrab SEC schützt die Stromversorgung Quint Power bei hohen Überspannungsbelastungen.

    Bild: Phoenix Contact

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