Immer wissen, was los ist

Komponenten & Peripherie
01  Mit intelligentem Überspannungsschutz immer
über den Zustand der Anlage
informiert
Immer wissen,
was los ist
Zum Schutz von IT- und MSR-Geräten werden seit Jahren Überspannungsschutzgeräte (ÜSG) eingesetzt. Bei vielen signalisiert eine Anzeige aber nur den Ausfall.
Eleganter ist eine Vorwarnanzeige, die es ermöglicht, den Austausch frühzeitig
einzuplanen. Diese Aufgabe löst die Produktfamilie Plugtrab PT-IQ von Phoenix
Contact, die stets über den Zustand der ÜSG informiert.
Txt: Ralf Hausmann, Andrei Siegel
eistens sind die zu schützenden Anlagen weitläufig
verteilt. Um die Schutzsysteme nicht ständig vor Ort
M
kontrollieren zu müssen, ist es vorteilhaft, wenn der Zu
stand des Schutzgeräts gemeldet und überwacht wird. Wenn
zudem neben den Informationen „funktionstüchtig“ und
„defekt“ auch noch der Verschleiß der Schutzgeräte ange
zeigt wird, ist der Service einfacher planbar. Weil ein Mikro
prozessor-gesteuertes Monitoring-System bereits einen Ver
schleiß der Schutzgeräte signalisiert, bevor sie durch eine
Überlastung ausfallen, wird die Anlagenverfügbarkeit erhöht
(Bild 1).
Was fordern die Normen?
Die DIN EN 62305-3 (VDE 0185-305-3) Anhang E7
„Wartung und Prüfung von Blitzschutzsystemen“ [1] emp
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fiehlt die regelmäßige Überprüfung der ÜSG. Dies lässt sich
über eine Sichtprüfung durchführen, wenn das ÜSG über
eine Statusanzeige verfügt. Das ist beispielsweise bei Typ-2-
Ableitern für Stromversorgungsanlagen Stand der Technik.
Die Statusanzeige basiert auf thermischen Abtrennvorrich
tungen, die an Varistoren gekoppelt sind.
Die Defektmeldung von ÜSG für MSR-Kreise ist da
gegen eine technische Herausforderung – eine integrierte
Statusanzeige ist eher die Ausnahme. Denn die elektrische
Leistung in MSR-Kreisen ist deutlich geringer. Somit lässt
sich nicht sicherstellen, dass eine signifikante Temperatur
erhöhung der Bauelemente im Signalkreis auftritt – etwa in
einer Stromschleife mit bis zu 20 mA. Die thermische Über
wachung der Komponenten im ÜSG für MSR-Kreise schei
det somit als zuverlässige Zustandsüberwachung aus.
www.etz.de 1-2/2013
02  Die Zustandsinformation der Schutzgeräte wird über zwei potentialfreie
Kontakte weitergegeben
Leistungsparameter
aus der Normung
Wie funktioniert die
Signalisierung im Detail?
Bei der Auswahl der ÜSG muss neben
dem Schutzpegel auch das Impulsab
leitvermögen des ÜSG berücksichtigt
werden. Diese und viele weitere Eigen
schaften werden durch Prüfungen nach
DIN EN 61643-21 (VDE 0845-3-1)
[2] nachgewiesen. Dabei muss der An
wender unterscheiden, mit welchen
genormten Impulsen die Schutzpegel
bestimmt wurden. Der Schutzpegel
beim C2-Impuls von 10 kA liegt zum
Beispiel aufgrund des Stroms deutlich
höher als der Schutzpegel bei C3-Im
pulsen von 50 A. Bei einem gut doku
mentierten ÜSG gibt es idealerweise
Angaben zu mehreren Normimpulsen,
denn oft ist die zu erwartete Impuls
stärke vom Installationsort abhängig
(siehe hierzu DIN CLC/TS 61643-22
(VDE V 0845-3-2) [3]). So sollten
Schutzgeräte an der ersten Blitzschutz
zone, dem Gebäudeeingang, die An
forderungen der Kategorie D1 erfüllen.
Eine zweite Stufe sollte der Anforde
rungskategorie C2 und eine dritte Stufe
der Anforderungskategorie C3 ent
sprechen.
Mit dem „intelligenten“ Überspan
nungsschutz Plugtrab PT-IQ von
Phoenix Contact [4] wird der Zustand
der Schutzgeräte kontinuierlich über
wacht. Jedes ÜSG meldet seinen Zu
stand an eine Zentraleinheit, den Con
troller. Diese Zustandsinformationen
können am Controller über potential
freie Fernmeldekontakte weitergegeben
werden (Bild 2). Entweder fragt zum
Beispiel eine SPS direkt und drahtge
bunden die Kontakte ab, oder die Zu
standsinformationen werden mithilfe
von Interface-Modulen in intelligente
Meldesysteme eingebunden (Bild 3).
Moderne ÜSG sind heute mehrstufig.
Hierbei werden Schutzelemente mit
niedrigem Schutzpegel, wie SupressorDioden (TVS – Transient Voltage Sup
pressor), mit Schutzelementen, die
höhere Stoßstrom-Tragfähigkeiten auf
weisen – etwa gasgefüllte Überspan
nungsableiter (GDT, Gas Discharge
Tube) – in einem Gehäuse kombiniert.
Der Ausfall der ÜSG erfolgt meist
schleichend und zeigt sich durch ein
Ansteigen des Leckstroms der Schutz
elemente. Dadurch entsteht im
Schutzelement Verlustleistung, die
allerdings in MSR-Anlagen häufig zu
gering ist, um die Vorschädigung der
Bauelemente durch Temperatursiche
rungen zu erfassen. Auch bei den kurz
anliegenden Signalen, die in MSRAnlagen häufig verwendet werden,
sind die Temperatur
sicherungen zu
träge, um einen kurzzeitigen Tempera
turanstieg zu erkennen.
Es liegt nahe, den Leckstrom zu
messen, um beim Überschreiten festge
legter Pegel die Vorschädigung oder den
Ausfall des ÜSG zu signalisieren. Die
weitverbreitete Strommess-Methode
mithilfe eines Widerstands scheidet
hier aus. Denn durch hohe Stoßströme
muss ein geringer Widerstand gewählt
werden, der jedoch bei Leckströmen
im mA-Bereich ungenaue Messergeb
nisse liefert. Außerdem ist es vorteil
haft, die Strommessung galvanisch
getrennt vom Signalkreis aufzubauen.
Dadurch können mehrere Signalpfade
in einem ÜSG mit nur einer Auswerte
einheit überwacht werden. Zusätzlich
ist durch eine sichere Trennung die Aus
werteschaltung vor EMV-Einflüssen
des Signalkreises geschützt.
1-2/2013 www.etz.de
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Komponenten & Peripherie
03  Der Controller kann seine
Zustandsinformation über externe
Schnittstellenkonverter an unterschiedliche Übertragungssysteme
weitergeben
Geringer Leckstrom bringt zusätzliche Sicherheit
Eine Möglichkeit, die galvanische Trennung zu erreichen, ist
die Messung des vom Leckstrom erzeugten Magnetfelds.
Allerdings sind die Kosten eines auf dem Hall-Prinzip basie
renden Systems bei Strömen um 1 mA verhältnismäßig
hoch. Die Magnetfeld-Beanspruchung beim EMV-Test
nach DIN EN 61000-4-3 (VDE 0847-4-3) [5] kann solche
Messungen stören.
Erschwert wird die Messaufgabe auch, weil das zu schüt
zende Signal von der Überwachungsschaltung so wenig wie
möglich beeinflusst werden darf. Betrachtet man noch, dass
die Leckströme in beide Richtungen fließen und auch
gleichgerichtet sein können, fallen weitere Sensoren mit gal
vanischer Trennung, die auf transformatorischer Wirkung
basieren, aus.
Anzeige
Controller
Auswerteelektronik
Detektion der
Impulsdauer und
Impulsanzahl
in
Leckstromdetektion
Schutzschaltung
out
04  Mit ausgeklügelten Algorithmen ermittelt die Auswertelogik
den genauen Betriebszustand der Schutzgeräte
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Zusätzliche Sicherheit wird erreicht, wenn ein geringer
Leckstrom erkannt wird. Dann bleibt die entstehende Ver
lustleistung verhältnismäßig gering und kann nicht zur
Überhitzung der TVS-Diode führen. Ab einem Leckstrom
von circa 1 mA kann die angeschlossene Auswertelogik
(Bild 4) mithilfe ausgeklügelter Algorithmen den Status der
TVS-Diode erkennen, indem die Impulsbelastungen über
die gesamte Einsatzzeit berücksichtigt werden. Der ermittelte
Status „gelb“ wird über einen Tragschienenverbinder an den
Controller weiter geleitet. Die Überlastung, signalisiert
durch den Status „rot“, wird beim Ausfall von mindestens
einer TVS-Diode angezeigt.
Bei den gasgefüllten Überspannungsableitern ist der
Alterungsmechanismus komplizierter und hängt von vielen
Faktoren ab, zum Beispiel Brenndauer des Brennbogens,
Energieumsatz pro Ableitvorgang sowie Anzahl der Ableit
vorgänge. Bei der vom Komponentenhersteller definierten
Grenzbelastung wird der Status „gelb“ ausgegeben.
Neben den Impulsbelastungen treten auch Beeinträchti
gungen durch Folgeströme auf, bei denen der GDT nach
einem Ableitvorgang längere Zeit gezündet bleibt. Hier
sorgt der eingebaute Kurzschlussbügel für das sichere
Löschen des GDT und für den Schutz nachgeschalteter Ge
räte durch einen Kurzschluss. In solchen Fällen ist der Status
„rot“ erreicht. Der ÜSG-Stecker muss ausgetauscht werden,
um den Gasableiter zu ersetzen. Auch im Fall eines unvoll
ständig gesteckten oder fehlenden Steckers wird der Status
„rot“ ausgegeben. Damit werden Wartungsfehler auf ein
Minimum reduziert.
Einsatz bis 4 000 m Höhe
Neben der erweiterten Signalisierung mittels „grün“/„gelb“/
„rot“ wurde auch die Einsatzbandbreite der ÜSG vom Typ
Plugtrab PT-IQ verbessert. Die Überwachung funktioniert
nicht nur bei leistungsstarken Signalen, sie erkennt auch
Leckströme ab 1 mA. Die eingebauten Sicherheitseinrich
www.etz.de 1-2/2013
tungen sorgen auch bei energiereichen Signalen für einen defi
nierten Überlastungsausfallmodus nach DIN EN 61643-21
(VDE 0845-3-1) [2]. Die PT-IQ-Schutzgeräte erfüllen die
erhöhten Anforderungen der Überspannungskategorie 3
und zählen somit zu den Betriebsmitteln für den industriel
len Einsatz, vergleiche DIN EN 60664-1 (VDE 0110-1) [6].
Zusätzlich wurden bei der Entwicklung der Geräte die Luftund Kriechstrecken erhöht, sodass der Einbau in Höhen bis
zu 4 000 m problemlos möglich ist.
Fazit
Zusammenfassend lässt sich demnach festhalten, dass
Schutzgeräte mit intelligenter Statusüberwachung für eine
Reduktion der Serviceeinsätze sorgen. Zudem wird durch
ein intelligentes Monitoringsystem, das bereits einen Ver
schleiß der Schutzgeräte signalisiert, bevor sie durch eine
Überlastung ausfallen, die Anlagenverfügbarkeit erhöht. (ih)
Literatur
[1]DIN EN 62305-3 (VDE 0185-305-3):2011-10
Blitzschutz – Teil 3: Schutz von baulichen Anlagen und
Personen. Berlin . Offenbach: VDE VERLAG
[2]DIN EN 61643-21 (VDE 0845-3-1):2010-03 Überspannungsschutzgeräte für Niederspannung – Teil 21: Überspannungsschutzgeräte für den Einsatz in Telekommunikations- und
signalverarbeitenden Netzwerken: Leistungsanforderungen
und Prüfverfahren. Berlin . Offenbach: VDE VERLAG
1-2/2013 www.etz.de
[3]DIN CLC/TS 61643-22 (VDE V 0845-3-2):2007-09 Überspannungsschutzgeräte für Niederspannung – Teil 22: Überspannungsschutzgeräte für den Einsatz in Telekommunikationsund signalverarbeitenden Netzwerken: Auswahl- und Anwendungsprinzipien. Berlin . Offenbach: VDE VERLAG
[4]Phoenix Contact GmbH & Co. KG, Blomberg:
www.phoenixcontact.de
[5]DIN EN 61000-4-3 (VDE 0847-4-3):2011-04 Elektromagnetische
Verträglichkeit (EMV) – Teil 4-3: Prüf- und Messverfahren:
Prüfung der Störfestigkeit gegen hochfrequente elektromagnetische Felder. Berlin . Offenbach: VDE VERLAG
[6]DIN EN 60664-1 (VDE 0110-1):2008-01 Isolationskoordination
für elektrische Betriebsmittel in Niederspannungsanlagen –
Teil 1: Grundsätze, Anforderungen und Prüfungen. Berlin .
Offenbach: VDE VERLAG
Autoren
Dipl.-Ing. Ralf Hausmannist im Produkt
marketing Netz- und Signal-Qualität Trabtech
bei der Phoenix Contact GmbH & Co. KG
in Blomberg tätig.
[email protected]
Dipl.-Ing. Andrei Siegel ist in der Produkt
entwicklung Netz- und Signal-Qualität Trabtech
bei der Phoenix Contact GmbH & Co. KG
in Blomberg tätig.
[email protected]
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