Antriebstechnik

Schutz gegen Überspannung und Blitz

Überspannungen belasten auch die Niederspannungsebene, insbesondere ihre informations- und leistungselektronischen Komponenten. Bei Unverträglichkeit werden Betriebsmittel beschädigt, gar zerstört, mindestens aber Signale verfälscht, sofern der Betreiber nicht vorbeugt. Schutzüberlegungen müssen daher bereits mit der Planung beginnen und in der Errichtungsphase kompatibel zu anderen EMV-Maßnahmen umgesetzt werden. Nur ein zwischen allen Gewerken koordiniertes Bündel von Regeln verhindert Fehlfunktionen oder Ausfälle mit häufig schwerwiegenden Konsequenzen für Mensch und Material. Basis ist das Schutzzonenkonzept, weitere Sicherheitsmaßnahmen können einfach aufsetzen. Regelmäßige Inspektion hat den installierten Zustand zu erhalten. Zum Überspannungsschutz, einem Teilaspekt elektromagnetischer Verträglichkeit, zwingen jeden Lieferanten/Hersteller die EU-Niederspannungsrichtlinie 72/23/EWG v. 19.2.1973 (1. Änderung 93/68/EWG v. 22.7.1993 als CE-Kennzeichnungsrichtlinie), das Gerätesicherheitsgesetz mit 1. Verordnung v. 28.9.1995 sowie zahlreiche IEC-, EN- und deutsche Normen. Nur entsprechende Einrichtungen gewährleisten hohe Anlagenverfügbarkeit.

Ursachen und Wirkungen

Kombi-Schutzgerät für drei-phasiges Fünf-Leiter-Netz (Überspannungsableiter Typ 2 mit nachgeordnetem mit Fehlerstromschutz) VAL-CP-RCD (Hersteller: Phoenix Contact, Blomberg)

Überspannungen (Dauer ms/μs/ns) übersteigen als dem ungestörten Spannungsverlauf überlagerte Spitzen/Pulse die für die Einrichtung benannte, zulässige, zeitlich befristete Grenze des maximalen Scheitelwertes der Bemessungsspannung. Ausgelöst wird solch transiente Überlastung durch Schalthandlungen (SEMP), atmosphärische Vorgänge (Gewitter), aber auch von elektrostatischen Entladungen.

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Als häufigste Ursache zeigen sich Schaltvorgänge im Hoch-, Mittel und/oder Niederspannungs-, ebenfalls aber im Gleichspannungsnetz. Zu vergleichbaren Ausgleichsvorgängen in induktiven/kapazitiven Stromkreisen führt das Öffnen der Leistungsleitungen von Antrieben. Eine weitere Ursache liefern Wicklungen elektrischer Betriebsmittel (Erregerkreise von Maschinen, Relais, Schützen). Auf ihren Zuleitungen entstehen beim Schalten selbst bei Geräten kleiner Leistung Überspannungen, welche häufig ein Vielfaches der Nennspannung bei gleichzeitig sehr hohem Gradienten (≤ 20 V/ns) erreichen. Gewitter erzeugen sowohl durch Blitzentladungen direkt oder indirekt Überspannungen und -ströme als auch Influenzladungen auf Gegenständen oder Bauwerken. Der Einschlag (LEMP) sowohl in der Nähe als auch in der Ferne kann galvanisch eingekoppelte Spannungsüberhöhungen gleichsam induktiv oder kapazitiv übertragene Störimpulse in Signalleitungen generieren. Oft besitzen indirekte Einwirkungen das höhere Gefährdungspotenzial. Nuklearexplosionen (NEMP) wirken ganz ähnlich. Elektrostatische Entladungen (ESD) nach einer Aufladung unterschiedlicher Materialien (durch Reibung oder ein elektrisches Feld) charakterisiert der schnelle Stromanstieg.

Unzulässige Spannungswerte sowie von ihnen angetriebene Impulsströme schaden der Isolation. Halbleitersperrschichten werden zerstört, mindestens aber vorgeschädigt. Elektromagnetische und galvanische Einkopplungen verursachen Fehlfunktionen. Mit allen Defekten verbinden sich wirtschaftliche Schäden.

Schutzmaßnahmen

Vorkehrungen sind wegen der Unvermeidlichkeit von Überspannungen grundsätzlich zu treffen. Zuvorderst steht die Bemessung der Isolation der Betriebsmittel. Vier Kategorien (Tabelle 1) bestimmt DIN VDE 0110 in Verbindung mit dem Verschmutzungsgrad 1...4. Hinzu kommen Potenzialausgleich/EMV-gerechte Erdung (Massung) aller leitfähigen Teile in Abhängigkeit der Netzstruktur (TN, TT, IT) sowie das Schirmen bevorzugt von Signalleitungen, zwangsläufig von sensiblen Bauelementen durch Metallgehäuse. Geerdete Verbindungen führen im fehlerfeinen Betrieb keinen Strom. Weil damit die abträgliche Wirkung flüchtiger Überspannungen nicht vollständig aufzufangen ist, müssen Schutzeinrichtungen (ÜSE, Surge Protective Device SPD) gemäß Tabelle 2 installiert werden. Derartige Begrenzer/Ableiter reduzieren die Beanspruchung auf ungefährliche Werte und Zeiten, indem sie eine Überspannung durch kurzzeitigen Kurzschluss absenken und den Impulsstrom abführen. Zwischen aktiven und passiven Leitern installiert schützen diese Geräte an ausgewählten Positionen der Haupt- und Unterverteilung vor Zerstörung. Für bestimmte Überspannungs-/Schutzklassen liegen sie als Metalloxidvaristor, Lawinendiode, Entladungs-/Funkenstrecke oder als Kombination der genannten Ausführungen vor. Die unterschiedlichen Wirkungsmechanismen gehen im Kern immer auf einen spannungsabhängigen, nichtlinearen Widerstand zurück, der zum Spannungsabbau quasi einen flüchtigen Kurzschluss herstellt. Ihre bei der Projektierung zu beachtenden Eigenschaften unterscheiden sich hinsichtlich Ansprechspannung, -zeit, Begrenzungspegel, bezüglich Stoßstrombelastbarkeit, Löschverhalten u.a. Besondere Aufmerksamkeit verdient die Störschutzbeschaltung der Erregerwicklungen von Relais, Schützen, Steuermagneten, Bremslüftern. Diese Filter aus Dioden, Widerständen, Kondensatoren, Varistoren verhindern Spannungsüberhöhungen. Umfassend decken das Vorgehen beim Schutz internationale und nationale Errichtungsvorschriften und Produktnormen ab (Tabelle 3).

Schutzeinrichtungen

Alle Installationsorte (auch in explosionsgeschützten Anlagen) und Netzformen lassen sich mit den ÜSE der Tabelle 2 in ein- oder mehrpoliger Ausführung montagefreundlich (steckbar, plug & play, Schutzart bis > IP 65) koordiniert ausrüsten (Bild 1). Hinter dem Ableiter erreicht die Restspannung höchstens die zulässige Bemessungsstoßspannung. Kombi-Geräte vereinen beispielsweise Ableitertypen 1 und 2, Typ 3 inklusive Netzfilter, aber auch Überspannungs- mit Fehlerstromschutz (Bild 2) oder Vorsicherung. Fehlertolerante Ausführung, ständige Zustandsüberwachung (Condition Monitoring) steigern schließlich die Anlagenverfügbarkeit. Joachim Krause

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