Zuviel ist zuviel

Überspannungsschutz für lineare Gleichstromquellen

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05.11.2018 Gleichspannung wird wichtiger: In der Prozessindustrie steigt die Zahl der per Gleichstrom versorgten elektronischen Geräte stetig. Die neuen, aber auch die bestehenden Gleichspannungssysteme benötigen neue Überspannungsschutzgeräte, die aktuelle Sicherheitsanforderungen erfüllen.

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Entscheider-Facts für Betreiber

  • Gleichstrom-Systeme für den Einsatz in der Prozessindustrie werden immer effizienter und kostengünstiger.
  • Um die empfindliche Leistungselektronik vor Schäden durch Überspannungen zu schützen und dadurch die Verfügbarkeit der Anlagen sicherzustellen, ist ein wirksames Schutzkonzept für die DC-Anwendung erforderlich.

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1: Auch prozesstechnische DC-Anwendungen benötigen geeignete Schutzkomponenten für den zuverlässigen Betrieb. Bilder: Phoenix Contact

Ab 1880 wurden die ersten Gleichspannungsnetze durch Thomas Alva Edison entwickelt und in Form von Inselnetzen betrieben. Bis heute werden Gleichspannungsnetze aus historischen Gründen genutzt, etwa für U-Bahnen und Straßenbahnen. Es gibt zahlreiche weitere Applikationen, die entweder hauptsächlich mit DC versorgt oder erst beim Netzausfall auf Gleichspannung umgeschaltet werden. Dabei geht es neben der Leittechnik in prozesstechnischen Anlagen und Kraftwerken vor allem um den Notbetrieb von Kraftwerken sowie um Notbeleuchtungsanlagen.
Durch die Weiterentwicklung von Leistungselektronik können heute hohe Leistungen mit hohem Wirkungsrad erzeugt werden. Hierbei werden die DC-Systeme nicht nur effizienter und kostengünstiger. Auch Wechselrichter, Gleichrichter und DC-DC-Wandler werden kompakter, weil sich auf der Leiterplatte weniger Komponenten befinden.

So sind zahlreiche neue Applikationen entstanden – von der Energiegewinnung aus regenerativen Quellen bis hin zum Aufbau dezentraler Kraftwerke. Auch die Prozesstechnik, die bereits Gleichspannungen bis 48 V verwendet, profitiert von den Vorteilen der DC-Spannungsversorgung und entwickelt neue Konzepte. Hier gibt es zahlreiche Ansätze, mit Gleichspannungen die Effizienz der Anlage durch weniger Übertragungs- und Umwandlungsverluste zu steigern. Um die empfindliche Leistungselektronik vor Schäden durch Überspannungen zu schützen und dadurch die Verfügbarkeit der Anlagen sicherzustellen, ist ein wirksames Schutzkonzept für die DC-Anwendung erforderlich.

Störimpulse haben Folgen

Wechselrichter, Gleichrichter und DC-DC-Wandler bestehen meist aus elektronischen Komponenten, die mit möglichst geringen Verlusten arbeiten und die Spannung konvertieren sollen. Aufgrund der niedrigen Störfestigkeit reagieren diese Komponenten sensibel auf Überspannungsereignisse. Da die unerwarteten Störimpulse häufig weit über die Störfestigkeit der Bauteile hinaus gehen, sind diese den Belastungen ausgesetzt und werden dadurch vorgeschädigt oder sogar zerstört. Die Störimpulse entstehen durch direkte und indirekte Blitzeinschläge in das Erdreich oder in die elektrische Installation sowie durch transiente Überspannungen aufgrund von Schalthandlungen im Versorgungsnetz.

Blitzeinschläge sind zwar meist energiereich, allerdings je nach Region teilweise recht selten. Die Blitzenergie reicht aus, um die elektrischen und elektronischen Systeme zu zerstören oder Brände zu verursachen. Zudem erzeugen Blitzeinschläge am Einschlagsort Spannungserhöhungen von mehreren tausend Volt. Schlägt ein Blitz etwa in ein Gebäude mit einem äußeren Blitzschutz ein, oder auch in einen Baum in der Umgebung, wird das Erdpotenzial angehoben. So kann zwischen Energieleitung und den geerdeten Teilen eine Potenzialdifferenz von mehreren zehntausend Volt entstehen. Dies übersteigt häufig die Spannungsfestigkeit von Geräten und führt zu Überschlägen in der Installation oder in den eingebauten elektronischen Komponenten. Bei direkten Blitzeinschlägen in die Peripherie sucht der Blitzstrom immer den widerstandsarmen Weg zur Erde. Aufgrund einer galvanischen Kopplung in der elektrischen Installation kann der Blitzimpuls über einen PE-Leiter an die Leistungselektronik gelangen und diese zerstören.

Ein anderes physikalisches Phänomen ist die Einkopplung von Überspannungen durch ein äußeres Blitzschutzsystem. So erzeugt beispielsweise der Stromfluss in den Ableitungen vom äußeren Blitzschutzsystem ein elektromagnetisches Feld um sich herum, das wiederum Überspannungen in die parallel verlaufende Versorgungsleitung induziert. Eine andere Ursache für häufige Überspannungen sind Schalthandlungen im Versorgungsnetz. Diese können bis zu mehreren tausend Volt betragen und beispielsweise durch Ein- und Ausschaltvorgänge von nahegelegenen elektrischen Ausrüstungen, Erd- und Kurzschlüsse sowie durch das Auslösen einer Sicherung entstehen. Dabei können die Überspannungen die funktionsfähige Leistungselektronik vorschädigen und dadurch die Lebensdauer der Komponenten deutlich reduzieren. Wer derartige Ausfälle durch Störimpulse vermeiden und seine Investitionen in hochwertige Leistungselektronik schützen möchte, kommt auch in der Prozesstechnik an einem umfassenden Überspannungsschutzkonzept nicht vorbei.

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2: Überspannungsableiter für DC-Stromquellen: Mit nur 12 mm pro Kanal schützen die neuen Typ-2-Überspannungsableiter Valvetrab SEC-DC lineare Gleichstromquellen.

Schutzmechanismen für die DC-Anwendung

Mit zunehmender Anzahl der DC-Systeme werden auch neue sicherheitsrelevante Anforderungen an DC-Schutzgeräte gestellt, da die physikalischen Eigenschaften bei Gleich- und Wechselspannung unterschiedlich sind. Denn die Gleichspannung hat im Gegensatz zur Wechselspannung keinen Nulldurchgang – der entstandene Lichtbogen beim Schaltvorgang wird nicht selbständig gelöscht und kann zu einem Brand führen. Ziel ist es nun, im Fehlerfall den entstandenen Lichtbogen im DC-Überspannungsschutzgerät mithilfe einer geeigneten Abtrennung oder einer Vorsicherung frühzeitig zu löschen. Damit der Anwender seine Anlage optimal schützen kann, wurde die neue Produktfamilie Valvetrab SEC-DC entwickelt.

Valvetrab SEC-DC wurde nach neuen Anforderungen an Sicherheit und Zuverlässigkeit konzipiert und erfüllt die bis dato bekannten sicherheitsrelevanten Anforderungen aus den Produktnormen IEC 61643-11, EN 50539-11, UL 1449 und den zukünftigen Norm IEC 61643-41. Die Schutzgeräte sind kompakt (12 mm pro Kanal) und dadurch einfach im Schaltschrank zu installieren. Der neue Überspannungsableiter für DC-Stromkreise bietet zudem eine leistungsfähige DC-Abtrennvorrichtung. Diese ist so ausgelegt, dass im Überlastfall der Schaltlichtbogen sicher gelöscht wird. Mögliche Brandschäden werden also vermieden. Das hohe Eigenlöschvermögen des Überspannungsschutzgeräts ermöglicht den Einsatz bis zu einem 200 A perspektivem Kurzschlussstrom ohne Vorsicherung.

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3: Um 180° drehbare und besonders schmale Stecker: Je nach Installation bietet Phoenix Contact eine passende Lösung mit einer Vielzahl an Features und gewährt zusätzlich 5 Jahre Austauschgarantie für die robuste Technik.

Ein Nennableitstoßstroms von 20 kA sorgt für einen hohen Schutz der Anlage. Die Geräte sind in den Spannungsvarianten 48, 120, 220 und 380 V verfügbar. Für isolierte Netzte beinhaltet die neue Produktfamilie leckstromfreie Varianten. Damit wird die Isolationsüberwachung in der Anwendung nicht gestört (Bild 2). Zusätzlich bieten die DC-Schutzgeräte ein hohes Maß an Vertauschsicherheit durch Kodierung für den jeweiligen Stecker im Basiselement. Die Stecker können dort um 180° gedreht eingesetzt werden und erleichtern somit die Lesbarkeit der Produkte in der Installation (Bild 3).

Mithilfe einer optisch-mechanischen Anzeige in jedem einzelnen Stecker und eines integrierten potenzialfreien Fernmeldekontaktes im Basis-element kann der aktuelle Status des Überspan-nungsschutzgerätes jederzeit visuell und elektronisch überprüft werden. Für die Dokumentation wird das Prüfgerät Checkmaster 2 angeboten. Das Gerät ermöglicht es, einzelne Stecker nach möglichen Vorschädigungen zu untersuchen. Das Prüfgerät testet steckbare Überspannungsschutzgeräte komfortabel und vollautomatisch – defekte und vorgeschädigte Geräte werden sicher erkannt und können im Rahmen vorbeugender Wartung ausgetauscht werden. Alle Prüfergebnisse werden zudem normgerecht dokumentiert.

Zur Technik: Energieeffizienz im Fokus

Die neuen Gleichspannungssysteme gewinnen auch in der Prozessindustrie zunehmend an Aufmerksamkeit – vornehmlich aufgrund der im Markt geforderten hohen Energieeffizienz. Mit der heutigen Leistungselektronik können kosten- und platzsparende Gleichspannungssysteme als interessante Alternative aufgebaut werden. Um die Zuverlässigkeit und Langlebigkeit der gesamten Applikation zu ermöglichen, sind allerdings geeignete Schutzgeräte erforderlich. Mithilfe der neuen Überspannungsschutzgeräte der Baureihe Valvetrab SEC-DC können DC-Anlagen optimal geschützt werden. Die Produktfamilie erfüllt alle sicherheitsrelevanten Anforderungen und schützt die sensiblen elektronischen Komponenten vor unerwünschten und nicht vorhersehbaren Überspannungen – und trägt somit dazu bei, die geplante Amortisationszeit schneller zu erreichen.

SPS IPC Drives 2018 Halle 9 – 310

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Heftausgabe: November/2018
Dipl.-Ing. Andreas Schamber ist Produktmanager Power Protection bei Phoenix Contact

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Dipl.-Ing. Andreas Schamber ist Produktmanager Power Protection bei Phoenix Contact
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