Anlagen beispielsweise in der Chemie, Pharmazie und Petrochemie sind räumlich weit ausge­breitet und funktional komplex. Sie integrieren Tausende von Einzelkomponenten, die alle mit elektrischer Energie zu versorgen sind. Die riesige Menge von Verbrauchern ist in hierarchisch angeordneten Funktionsgruppen zusammengefasst und wird entsprechend gruppiert mit Energie versorgt. Somit gilt es, die Stromversorgung in mehreren Stufen zu unterteilen und abzusichern. Gegebenenfalls muss dies bis hinab zum letzten Einzelverbraucher gehen. Alternativ kann eine solche Verteilung komplett auf der 24-V(DC)-Ebene mit einer redundanten, zentralen Einspeisung oder auf der 230-V(AC)-Seite dezentral je Funktionseinheit über viele Netzteile erfolgen. In aller Regel sind letztlich aber immer die Endgeräte einer Funktionseinheit einzeln und selektiv abzusichern, damit ein einzelner Fehler nicht zum Ausfall der Funktionsgruppe oder gar des Gesamtsystems führt.

Absichern mit Selektivität

Ein Fehler – etwa ein Kurzschluss in einem einzelnen Endgerät oder in der Leitung dorthin – muss sofort erkannt, bewertet und abgeschaltet werden – und zwar, bevor dieser Fehler Rückwirkungen auf parallele Verbraucher oder das übergeordnete System hervorruft. Gleichzeitig ist es wichtig, diesen Fehler zu lokalisieren und zu melden. Nur so lassen sich folgenschwere Störungen, Stillstände oder gar Schäden an Mensch und Maschine verhindern. Auf- grund der Weitläufigkeit in derartigen Anlagen und der dadurch bedingten Leitungslängen werden Kurzschlüsse am Endgerät häufig nicht als solche erkannt.

Zentrale, redundante 24-V(DC)-Stromverteilung: Typischer Aufbau bestehend aus Schaltnetzteil, Verteilung mit Sicherungselementen und diversen Lasten.

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Normale Sicherungen und Schutzschalter lösen in einem solchen Umfeld unter Umständen nicht aus, andere Funktionen werden dadurch gestört. Im schlimmsten Fall bleibt der Fehler unbemerkt bestehen und führt zu erheblichen Schäden wie zum Beispiel Bränden. Dies gilt ganz besonders im Bereich von eigentlich „harmlosen“ 24 V(DC).

Das Nichtauslösen bei einem Kurzschluss ist allerdings kein Mangel des Sicherungselementes, sondern physikalisch begründet durch die große Leitungslänge und speziell bei dünnen Kabeln dem damit verbundenen hohen Innenwiderstand. Dieser Innenwiderstand lässt den zur Auslösung nötigen Stromfluss nicht zu.

Abhilfe können hier elektronische Schutzschalter schaffen, wie sie E-T-A in verschiedenen Bauformen und Ausführung anbietet. Sie benötigen zur Auslösung einen weitaus kleineren Überstrom als herkömmliche Geräte und bewerten mittels einer exakten Messung des Stromverlaufs gleichzeitig die aktuelle Situation. So können sie nötige Reaktionen wie das strombegrenzte Laden von Kapazitäten, das Akzeptieren zeitlich begrenzter Anlaufströme oder auch die sofortige Abschaltung bei vorliegendem Kurzschluss inklusive der galvanischen Abtrennung der Last ausführen. Auf diese Weise wird bei einem „echten Fehler“ stets nur der betroffene Lastkreis von der Versorgung getrennt. Es gibt keinen Zusammenbruch der Versorgungsspannung und damit verbundene Rückwirkungen auf andere Teile in der Anlage: Es besteht Selektivität.

Da in den Schutzschaltern integrierte Meldekontakte und optische Anzeigen das Auslösen auch nach außen signalisieren, ist ein Fehler sofort lokalisierbar und Maßnahmen zu seiner Behebung können eingeleitet werden.

Steckbar ausgeführt

Für den flexiblen Aufbau eines Stromverteilungssystems zum Beispiel in einer Unterverteilung gibt es die elektronischen Schutzschalter in steckbarer Ausführung. So können Anwender ihre Anlage zu jedem Zeitpunkt erweitern, verändern oder anpassen.

Das Stromverteilungsmodul PDM (Power Distribution Modul) für die Rückwandmontage, bestückt mit elektronischen Schutzschaltern mit galvanischer Trennung und kompakter Anschlusstechnik (Federkraftklemmen).

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Die einzelnen Nennstromstärken lassen sich auch zu einem späteren Zeitpunkt festlegen oder verändern; ebenso können bei Bedarf Funktionen nachträglich angepasst oder ergänzt werden. Dies betrifft zum Beispiel die Verwendung eines elektroni-schen Schutzschalters mit galvanischer Trennung anstelle eines Gerätes ohne diese Eigenschaft. Denkbar ist ebenfalls das Ergänzen von Signalkontakten oder Remote-Funktionen wie das Fern-Rücksetzen oder die Fernsteuerung (On- Off-Funktion) – zum großen Teil auch im laufenden Betrieb.

In den auf Platzeinsparung ausgelegten Stromverteilungssystemen finden sich steckbare, thermisch-magnetische und elektronische Schutzschalter sowie Leiterplatten, die die entsprechende Verdrahtung für Stromverteilung, Signalisierungen und Überwachung sowie Anschlusstechniken in Form von Schraub- und Federkraftklemmen bereits enthalten. Eine zusätzliche „fliegende Verdrahtung“ erübrigt sich, der Aufbau ist übersichtlich und mögliche Fehler sind weitgehend ausgeschlossen.

Die Planung der Strom­verteilung

Ein mechanischer Trägerrahmen dient als Grundgerüst. Er ist entweder als 19-Zoll-Einschub verfügbar (Power Distribution Box „PDB“) oder lässt sich alternativ als „Montageplattform“ auf die Rückwand eines Schaltschrankes montieren (Power Distribution Modul „PDM“). Eine integrierte Leiterplatte sorgt für die Verdrahtung aller elektrischen Funktionen inklusive der redundanten Stromverteilung für mindestens zweimal 80 A. Die wegen der Redundanz symmetrisch aufgebauten Verteiler bieten je zweimal 15 Steckplätze für die Einzelabsicherung der Lastkreise.

Der thermisch-magnetische Schutzschalter 2216 für AC-Ver­teilungen bis 230 V.

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Zur Sicherstellung der Selektivität kommt der elektronische Schutzschalter – 24 V(DC) – vom Typ REF16 oder der thermisch-magnetische Schutzschalter vom Typ 2216 bei AC-Verteilungen bis 50 V zum Einsatz. Die beiden Schutzschaltervarianten sind zueinander kompatibel und nur 12,5 mm breit. Das Gesamtsystem kommt mit einer Bauhöhe von 2 HE (89 mm) aus – bei insgesamt 30 Kanälen inklusive aller Anschlussklemmen. Optional ist unterhalb des Systems noch eine 1 HE (44,5 mm) hohe Kabelrangierung mit fünf Rangier- ösen möglich, was eine horizontale Kabelverlegung der Einspeisung und aller Lastanschlüsse gestattet.

Alle elektrischen Anschlüsse – die zweifach redundante Einspeisung bis 16 mm², 30 × Lastanschlüsse bis 4 mm², viermal Meldekontakte bis 2,5 mm² sowie die hinzu wählbare Spannungsüberwachung (vier Anschlüsse) – sind bei der 19-Zoll-Ausführung auf der Rückseite, bei allen anderen Varianten von vorn zugänglich. Beide Leitungen, Plus und Minus beim DC- oder Phase und Neu-tralleiter beim AC-System, sind rangiert, über die Leiterplatte verdrahtet und je Lastabgang paarweise an Klemmen anschließbar.

Mittels Brücken lässt sich die grundsätzlich vorhandene Redundanz aufheben, so dass Anwendern die maximale Kanalzahl von 30 Steckplätzen für eine Einzeleinspeisung bis 50 A zur Verfügung steht. Auch alle redundanten Zusatzfunktionen – zum Beispiel Sammelsignalisierung und optionale Spannungsüberwachung mit Relaisausgang – werden zu einer Gesamtfunktion gebrückt.

Die Lastabsicherung erfolgt beim elektronischen Schutzschalter mit Nennstromstärken zwischen 0,5 und 10 A, beim elektromechanischen Schutzschalter im Nennstrom bereich zwischen 0,5 und 16 A; hier besteht zudem die Wahlmöglichkeit zwischen flinken und mittel­trägen Kennlinien. Über ein Codiersystem am Steck­sockel und den Geräten lässt sich das System ­gegen Einstecken eines Schutzschalters an der ­falschen Posi­tion sichern und ­somit zum Beispiel das Be­stücken falsch gewählter Stromstärken ver­hindern. Die zusätzliche Verriege-lung sorgt für festen Sitz der ­Schutzschalter im Stromverteiler auch bei größeren Vibrationen. Beide Geräteausführungen verfügen über ­einen mechanischen Schalter für die ­Ein-Aus-Funktion beziehungsweise das Rücksetzen nach einer Auslösung vor Ort.

Autor: Dieter Arenz ist Applikationsspezialist für Systemtechnik bei E-T-A in Altdorf.