Karl-Heinz Richter, Indu-Sol: 'Der Blick über den Tellerrand ist gefordert – denn viele der relevanten Normen und Richtlinien für die empfehlenswerten Grenzwerte stammen nicht aus dem Anlagenbau, sondern beispielsweise aus der Gebäudetechnik.'

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Seit jeher hat man in Automatisierungssystemen mit Schirmströmen zu tun. Dass diese auftreten können, ist keine neue Erkenntnis. Getreu dem Motto: 'Was ich nicht weiß, macht mich nicht heiß', wird Schirmströmen jedoch laut Karl-Heinz Richter, Geschäftsführer von Indu-Sol, kaum Beachtung geschenkt. Messungen in der Praxis zeigen seiner Erfahrung nach aber, dass Schirmströme nicht selten bei 500 mA oder sogar im einstelligen Amperebereich liegen und im kHz-Bereich einzuordnen sind. Wie kommt es dazu?

Große Auffälligkeiten zeigen Maschinen beziehungsweise Anlagen, die in den letzten Jahren umgerüstet oder modernisiert wurden. Das I/O-Device befindet sich jetzt beispielsweise dezentral im letzten Winkel der Anlage und die Antriebstechnik ist auf energiesparende Frequenzumrichter umgeschwenkt. Beides ist unbestritten wichtig – jedoch hat man bei den Modernisierungsgedanken den Potenzialausgleich oft völlig unberührt gelassen. Dabei wird in der DIN VDE 50310 explizit darauf hingewiesen, dass in Gebäuden mit Einrichtungen der Informationstechnik ein verbesserter Potenzialausgleich (mindestens verbesserter Typ A, siehe Bild 1) auszuführen ist. Die Verbesserung besteht darin, dass neben der typischen Sternstruktur zusätzliche Potenzialausgleichs-Verbindungen zwischen den Standorten von elektrischen und elektronischen Geräten hergestellt werden.

Bild 2. In herkömmlichen Motor­leitungen (rechts) läuft der Schutzleiter parallel zu den Phasen L1, L2 und L3. Bei der symmetrischen Motorleitung (links) wird der PE und damit die kapazitive und induktive Einkopplung in drei Leitungen aufgeteilt.

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In herkömmlichen Motorleitungen läuft der Schutzleiter parallel zu den Phasen L1, L2 und L3 (Bild 2 rechts). Der linke Teil von Bild 2 zeigt den Aufbau einer alternativen Motorleitung. Hier wurde der PE in drei Leitungen aufgeteilt. Die kapazitive und induktive Einkopplung verteilt sich damit auf drei Leitungen, deren Phasen um jeweils 120° zueinander verschoben sind. Dadurch heben sich die eingekoppelten Ströme gegenseitig nahezu auf – und zwar zu mehr als 80 %. 

Ein solcher Aufbau ist kein Novum, sondern wird ganz im Gegenteil eigentlich von allen Frequenzumrichter-Herstellern empfohlen. 'Diese bewährte Lösung ist nur in den letzten Jahren in Vergessenheit geraten', bedauert Karl-Heinz Richter. Sie werde heute allerdings zunehmend wieder interessant, weil Frequenzumrichter in der Nähe von Busmodulen schnell zu den eingangs beschriebenen Problemen führen.

Bild 3. Die Leckstrom-Messzange (links) gibt Auskunft zur Belastung des Potenzialausgleichs-Systems. Mit der Maschenwiderstands-Messzange (rechts) hingegen wird die Güte des Potenzialausgleichs (Impedanzwerte bei 2,2 kHz) messbar.

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Der Bus-Experte vertritt weiterhin die These: 'Die Zuverlässigkeit der Anlage der Zukunft wird wesentlich von der Qualität der Niederspannungs-Schaltanlage abhängen. Wer nun nicht alle Motorleitungen ersetzen kann oder bei der Neuplanung einer Anlage konsequent richtig vorgehen will, sollte sich Gedanken über seinen Potenzialausgleich machen.' Bei alten Werks­hallen müsse daher die Frage erlaubt sein, wie es nach all den Jahren des Betriebs um den Fundament-Erder bestellt ist. Gleichzeitig seien Konzepte gefordert, die dafür sorgen, dass die Impedanz des Potenzialausgleichs-Systems geringer ist als die Impedanz des Schirms. Als Richtwert gilt Richter zufolge: Schirmschleifenwiderstände von Datenleitungen wie zum Beispiel Buskabeln sollten maximal bei etwa 0,6 Ω (Impedanzwert bei 2,2 kHz) und Schleifenwiderstände der Potentialausgleichs-Anlage (CBN) in einem Bereich von etwa 0,3 Ω (Impedanzwert bei 2,2 kHz) liegen. Mit einem vermaschten Poten­zialausgleich Mesh-BN lassen sich elektromagnetische Störungen deutlich verringern. Je kleiner die Maschenabmessung, desto besser die Funk­tion. Ermitteln lassen sich die Werte durch den Einsatz einer Maschenwiderstands-Messzange (Bild 3).

Ursachen von EMV-Problemen aufdecken

Wer Probleme vermeiden oder beheben will, muss deren Ursachen kennen. Das eingangs erwähnte Langzeit-EKG für den Profibus hilft nur wenig, wenn die Ursache der Kommunikationsstörung an anderer Stelle auszumachen ist. Deshalb können weitere Messungen über einen längeren Messzeitraum notwendig sein, deren Ergebnisse dann miteinander zu vergleichen sind, um Zusammenhänge aufzudecken. Automatisierte Langzeittests, zum Beispiel mit dem EMV-Inspektor V2 von Indu-Sol, können unter anderem das zeitliche Verhalten des Profibus-Schirmstroms, des Stroms im PE/PA-System, den PE-Strom im Motorkabel und den Verlauf der 24-V(DC)-Versorgung aufzeigen.