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Überspannungsschutz für die Prozesstechnik

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13.10.2017 Anlagensicherheit ist in der Prozesstechnik ein wichtiges Thema – die Signalwege inklusive der an den Endstellen installierten elektronischen Geräte müssen ständig zur Verfügung stehen. Sollen die Signalwege ausfallsicher gestaltet werden, spielen Überspannungsschutzkonzepte eine wichtige Rolle.

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Entscheider-Facts für Anlagenbetreiber

  • In der Prozesstechnik besteht für ausgedehnte Anlagen ein erhöhtes Ausfallrisiko durch Überspannungen mit oftmals weitreichenden Folgen für Personen und Umwelt.
  • Der Einsatz von Überspannungsschutzgeräten ist nicht nur empfehlenswert, sondern gemäß DIN VDE 0100-443 auch vorgeschrieben.
  • Der Automatisierungsspezialist hat nun ein maßgeschneidertes Produktprogramm entwickelt, das weit mehr als nur das „Grundbedürfnis“ nach Überspannungsschutz abdeckt.

Das Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI) beschäftigt sich intensiv mit dem IT-Sicherheitsgesetz – daraus entstehen Anforderungen an die kritische Infrastruktur. Eine übergeordnete Rolle spielt die erforderliche hohe Anlagenverfügbarkeit. Diesem Zweck dient der Einsatz von Überspannungsschutzgeräten („surge protective devices“, SPDs).

Robuste Signalwege durch Überspannungsschutz

Neben dem BSI schreiben auch diverse Normen vor, SPDs zu installieren, um Systeme auch bei widrigen Umgebungsbedingungen ausfallsicher arbeiten zu lassen. So müssen Betreiber gemäß DIN VDE 0100-443 [1] Überspannungsschutz installieren, wenn Überspannungen Auswirkungen haben können auf

  • Menschenleben,
  • öffentliche Einrichtungen und Kulturbesitz,
  • Gewerbe- oder Industrieaktivitäten,
  • Ansammlungen von Personen,
  • Einzelpersonen – beispielsweise in Wohngebäuden und kleinen Büros, wenn in diesen Gebäuden Betriebsmittel der Überspannungskategorie I oder II errichtet wurden.

Daraus geht klar hervor, dass der Einsatz von SPDs in der industriellen Infrastruktur verpflichtend ist.

Wieviel Platz wird benötigt?

Beim schmalen Überspannungsschutz Termitrab Complete, den Phoenix Contact auf der Hannover Messe 2017 vorstellte, reicht eine Breite von 3,5 mm für bis zu drei Signaladern – also kaum mehr als 1 mm pro Ader. Daraus resultiert eine hohe Platzersparnis gegenüber herkömmlichen Baubreiten von bis zu 17,5 mm. Da in Großanlagen, wie sie häufig in der Prozesstechnik vorkommen, oftmals mehrere Tausend Signale und entsprechend viele Feldkabel in sogenannten High-Density-Marshaling-Cabinets ankommen, spielt der zusätzliche Platzbedarf für einen Überspannungsschutz eine wichtige Rolle. Die Schutzgeräte ermöglichen mit ihrem geringen Platzbedarf den Aufbau kostenoptimierter Schaltschränke. Beim Anschluss einer hohen Zahl an Signalleitungen kommt es zudem auf die Zeit an – durch die inzwischen marktgängige Push-in-Anschlusstechnik können Anwender die Adern mit einer Zeitersparnis von bis zu 50 % anschließen.

Einsatz in explosionsgeschützten Bereichen

Da für explosionsgefährdete bauliche Anlagen ein erhöhtes Risiko mit oftmals weitreichenden Folgen für Personen und Umwelt besteht, spielen Überspannungsschutz-Konzepte auch hier eine dominante Rolle. Die anzuwendende Normenreihe ist hier die DIN EN 62305 [2]. Teil 2 beschreibt das sogenannte Risiko-Management der baulichen Anlage, in dem die Auswirkungen von Blitzeinschlägen betrachtet werden. Sie bezieht sich auf alle baulichen Anlagen – auch auf Anlagen mit Explosionsrisiko nach DIN EN 60079-0 [3]. In diesem Umfeld hat sich die Zündschutzart „Eigensicherheit Ex-i“ als sekundäre Schutzmaßnahme als sinnvoll erwiesen. Diese Zündschutzart begrenzt Spannungen und Ströme soweit, dass Zündenergie und Zündtemperatur eines explosionsfähigen Gemisches nicht erreicht werden.

Speziell für diese eigensicheren Stromkreise ist die DIN EN 60079-11 [4] maßgebend. Auch hier wird auf die Notwendigkeit des Blitz- und Überspannungsschutzes explizit hingewiesen. Bei Anlagen, die eine hohe Verfügbarkeit erfordern, ist selbst ein Ausfall für kurze Zeit nicht akzeptabel – folglich sind auch die Anforderungen an den Überspannungsschutz höher. Für derartige Anlagen sind Lösungen wie Termitrab Complete TTC…-Ex die richtige Wahl. Deren Ex-i-Zulassung ermöglicht einen Einsatz in Feldverteilern der Ex-Zone 1 oder 2. Ergänzende Approbationen attestieren die Eignung nach Fisco (Fieldbus Intrinsically Safe Concept), die für den Einsatz an eigensicheren seriellen Datenleitungen erforderlich ist.

Einfaches Überwachen

Blitzschutznormen empfehlen auch das regelmäßige Überprüfen der Schutzgeräte. Dies lässt sich am besten über eine Sichtprüfung durchführen. Die hier vorgestellte Produktfamilie besitzt eine Statusanzeige, die eine Überlast des Überspannungsschutzes direkt auf dem Gerät anzeigt. In vielen Fällen ist es sinnvoll, diese Information nicht nur vor Ort, sondern auch in einer Leitwarte anzeigen zu lassen. Hierdurch können Betreiber eine regelmäßige Kontrolle vor Ort mit dieser „Fernmeldefunktion“ deutlich reduzieren. Optional verfügbare „Fernmeldemodule“, die links und rechts neben den SPDs platziert werden, bieten die Möglichkeit, den Status der installierten SPDs abzufragen. Über einen potenzialfreien Kontakt am Fernmeldemodul ist es möglich, den Status beispielsweise an eine SPS zu übertragen. Mit dieser Funktion können Betreiber ausgedehnter Anlagen den Zustand aller Schutzgeräte überwachen. Sollte das Personal dabei feststellen, dass ein Schutzelement überlastet worden ist, kann es den Austausch – insbesondere bei den steckbaren Ableitern – ohne Werkzeug durchführen.

Erforderliche Leistung

Die für SPDs relevante Anwendungsnorm (EN 61643-22 [5]) beschreibt ein mehrstufiges Überspannungsschutzkonzept. Die erste Schutzstufe sollte der Anforderungskategorie „D1“ entsprechen. Dieser Schutz muss mindestens eine Leistungsfähigkeit von 500 A (Impulsform 10/350 µs) besitzen. Die zweite Stufe des Zonenkonzeptes muss die Anforderungskategorie „C2“ mit einem Ableitvermögen von mindestens 1.000 A (Impulsform 8/20 µs) erfüllen. Die dritte und letzte Schutzstufe mit der Anforderungskategorie „C1“ muss ein Ableitvermögen von mindestens 250 A (Impulsform 8/20 µs) aufweisen. Mit diesen drei Kategorien „D1“ + „C2“ + „C1“ ist es möglich, die Störenergie auf einen für das zu schützende Gerät akzeptablen Wert zu reduzieren. Die hier gezeigte Produktfamilie besitzt mehrstufige Varianten, die alle drei Anforderungskategorien erfüllen und Betreibern somit einen optimalen Schutz ermöglichen.

Zum Hintergrund: Wirkungsvolles Schutzzonenkonzept

Die relevante Anwendungsnorm (EN 61643-22 [5], VDE V 0845-3-2 [6]) beschreibt ein mehrstufiges Überspannungsschutzkonzept. Jedem Blitzschutzzonenübergang ist hierbei eine Schutzgeräte-Kategorie zugeordnet: „D1“ am Gebäudeeintritt, „C2“ zwischen Zone 1 und 2 sowie als dritte Stufe „C1“ vor dem zu schützenden Gerät. Dieses Schutzkonzept ist mit dem der EN 61643-11 vergleichbar. Da es die IEC 61643-22 zulässt, alle drei Kategorien „D1“, „C2“ und „C1“ in einem Schutzgerät zu vereinen, ist es möglich, die Anzahl der SPDs und somit den Platzbedarf gering zu halten. In der hier beschriebenen Produktfamilie Termitrab Complete wurden alle drei Schutzstufen auf 3,5 mm Baubreite integriert. Damit gibt es jetzt einen Schutz mit einer hohen Kompaktheit, wie ihn der Weltmarkt Betreibern sonst nicht bietet.

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Auf unserem Portal finden Sie viele weitere Beiträge zum Thema Anlagensicherheit.

Literatur

[1]  DIN VDE 0100-443; Errichten von Nieder­spannungsanlagen — Schutzmaßnahmen – Abschnitt 443 — Schutz bei transienten Überspannungen infolge atmosphärischer Einflüsse oder von Schaltvorgängen

[2]  DIN EN 62305-2; Blitzschutz – Teil 2: Risiko-Management

[3]  DIN EN 60079-0; Explosionsgefährdete Bereiche – Teil 0: Betriebsmittel – Allgemeine Anforderungen

[4]  DIN EN 60079-11; Explosionsgefährdete Bereiche – Teil 11: Geräteschutz durch Eigensicherheit „i“

[5]  EN 61643-22; Überspannungsschutzgeräte für den Einsatz in Telekommunikations- und signalverarbeitenden Netzwerken –
Auswahl- und Anwendungsprinzipien

[6]  VDE V 0845-3-2; Überspannungsschutzgeräte für den Einsatz in Telekommunikations- und signalverarbeitenden Netzwerken –
Auswahl- und Anwendungsprinzipien

Heftausgabe: Oktober 2017
Ralf Hausmann,  Produktmarketing, Überspannungsschutz Trabtech, Phoenix Contact

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Ralf Hausmann, Produktmarketing, Überspannungsschutz Trabtech, Phoenix Contact
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