Die Ausgangssituation im Chemiekonzern war ein Stromverteilungssystem, das im Laufe der Zeit durch diverse Nachrüstungen zunehmend unübersichtlicher wurde. Lange Leitungswege, die durch thermisch-magnetische Schutzschalter abgesichert waren, beanspruchten viel Platz in den Anlagen. Da der Prozess nicht durchgängig selektiv abgesichert war, kam es immer wieder zu Anlagenstillständen oder Fehlfunktionen - und dem damit verbundenen Sicherheitsrisiko sowie den hohen Kosten.

Zur Absicherung wurde vielfach auf elektronische Schaltnetzteile zurückgegriffen. Ein solches Schaltnetzteil setzt im Falle eines Falles die Ausgangsspannung nahezu auf Null; sämtliche angeschlossenen Verbraucher werden somit nicht mehr mit der erforderlichen Energie versorgt. Das Schaltnetzteil schützt also bei einem Kurzschluss zuallererst sich selbst. Ergo ist das System in dieser Situation nicht selektiv abgesichert, die einzeln gewählten Schutzelemente bringen nicht den gewünschten Erfolg.

Ein weiterer neuralgischer Punkt - eine weitere Fehlerquelle im System - war die Isolation der Leitungen. Mit herkömmlichen Absicherungssystemen ist ein Isolationsfehler kaum oder nur sehr schwer zu finden. Hierdurch ausgelöste Kurzschlüsse bewirken eine Reduktion der Versorgung durch das Schaltnetzteil.

Gerade intelligente Anlagenteile, wie zum Beispiel Feldrechner, PLC-Systeme, Visualisierungssysteme, Rechnereinheiten und Mikrocontroller, werden dann nicht ausreichend mit Energie versorgt und schalten in den Stopp- oder Störungsmodus. Das heißt, auch wenn die Spannungsversorgung nach kurzer Zeit wieder hergestellt ist, stehen Teile der Anlage oder der gesamte Prozess nicht mehr zur Verfügung. Die Anlage muss gewartet und auf den „Modus" reset gesetzt werden. Abgesehen davon werden unter Umständen Produktchargen des laufenden Prozesses unbrauchbar und es entsteht gegebenenfalls ein Risiko für die Mechanik der Anlage.

Schutzelemente könnten Einschaltspitzen als Kurzschluss bewerten

In einem solchen Fall ist auch im Schaltschrank selten ein Fehler direkt feststellbar: Falls hier Leitungsschutzschalter eingesetzt waren, stand ihnen nicht lange genug Energie zum Auslösen zur Verfügung - das Schaltnetzteil hatte sich vor der hohen Energie durch Abschaltung selbst geschützt. Auch batteriegepufferte Systeme waren nicht der Weisheit letzter Schluss: Oft bleiben die Leitungsimpedanzen und die Innenwiderstände der Leitungsschutzschalter bei der Systemauslegung unbedacht oder es liegen in der Planungsphase keine klaren Angaben der Gegebenheiten vor. Im Kurzschlussfall sinken die Versorgungsspannungen so auf einen Pegel, den das System nicht deutlich interpretieren kann.

Fehlfunktionen oder eine Abschaltung sind die Folge. Oder es steht zum Auslösen der magnetischen Bauteile nicht genügend Energie zur Verfügung. Versuche, Schutzelemente flink und trotzdem funktional zu konstruieren, um diese Effekte zu vermeiden, scheitern technologiebedingt. Denn heutige Verbraucher sind Elektronikkomponenten - was extreme kapazitive Lasten bedeutet, die nicht von flinken Schutzschaltern auf thermisch-magnetischer Basis abzusichern sind. Solche Schutzelemente bewerten Einschaltspitzen als Kurzschluss oder extreme Überlast und lösen direkt aus. Die Last ist in einem solchen Fall demnach nicht aufschaltbar.

Das Stromverteilungssystem von E-T-A mit den dazugehörigen Sicherungskomponenten – live im Einsatz bei einem weltweit tätigen Chemiekonzern.

Das neue System

Bei dem zu realisierenden neuen Konzept sollten Sicherheit und Platzersparnis im Mittelpunkt stehen. So kamen die Stromverteilersysteme „SVS" oder „Modul17- Plus" sowie elektronische Schutzschalter mit galvanischer Trennung zum Einsatz, die eine effektive 24-V(DC)-Versorgung in 50 cm breiten und 2 m hohen Schaltschränken ermöglichen. Für das Stromverteilungs- und Absicherungskonzept hat E-T-A zusammen mit dem Chemiekonzern einen neuen Schaltschrank entwickelt. Die Einspeisung hoher Ströme aus den batteriegestützten Netzteilen erfolgt über mehradrige Kabel mit einem Aderquerschnitt von 120 mm2 in sechs voneinander unabhängigen Stromkreisen. Über einzelne Stromverteiler, die mit hydraulisch-magnetischen Schutzschaltern bestückt sind, werden Lasten mit hohem Energiebedarf versorgt (bis 35 mm2).

Eine weitere Ebene mit elektronischen Schutzschaltern und einem Anschlussquerschnitt von 16 mm2 pro Ader sorgt für die selektive Absicherung der Versorgung. Dem Ganzen übergeordnet ist ein Überwachungs- beziehungsweise Fehlermeldesystem, das jede einzelne Stromkreisgruppe summarisch überwacht und Ausfälle respektive Abschaltungen sofort potenzialfrei meldet. Da die Sicherungselemente steckbar sind, lässt sich die Stromstärke schnell an die gegebenen Bedingungen vor Ort anpassen, ohne eine einzige Leitung lösen zu müssen. Die elektronischen Schutzschalter sind mit Zusatzfunktionen wie LEDAnzeige und integriertem Signalkontakt ausgestattet. Die Geräte gibt es mit festen Nennströmen zwischen 0,5 A und 10 A beziehungsweise zwischen 0,5 A und 12 A.

Der Typ ESS 20 mit galvanischer Trennung sorgt für eine echte Lastkreis-Abtrennung zwischen fehlerhaftem Lastkreis und Spannungsquelle. Ist keine galvanische Trennung erforderlich, bietet sich der elektronische Sicherungsautomat ESX10 oder ESX10T zur Tragschienenmontage an. Hohe Einschaltspitzen kapazitiver Lasten sind für beide Geräte kein Problem, da sie Einschaltströme von Kapazitäten bis zu 20 000 μF tolerieren, bei Kurzschluss innerhalb von 100 ms auslösen und eine Fehlermeldung abgeben. Bei Überlast schalten die Automaten typischerweise bei 1,1 × Nennstrom nach fünf Sekunden ab.
Die integrierte Strombegrenzung der Geräte verhindert den Spannungseinbruch des 24-V(DC)- Schaltnetzteils.

Autor: Jürgen Ziarnetzki ist Geschäftsfeldmanager der Sparte Automation & Process Control bei E-T-A Elektrotechnische Apparate in Altdorf.