Steckbares Überspannungsschutzsystem Eiskalt abgeblitzt

Die Statistik der internationalen Unwettervorkommen ist rekordverdächtig: Weltweit, so schätzen Experten, gibt es zu jedem beliebigen Zeitpunkt 2000 bis 3000 Gewitter, die täglich von bis zu 30 Millionen Blitzen begleitet werden. Die Blitze schlagen vor allem in Regionen in Südamerika, entlang des Äquators in Afrika sowie in Asien auf die Erde ein. „Kein Wunder also, dass aus Asien die ersten Anregungen kamen, sich mit dem Thema Blitz- beziehungsweise Überspannungsschutz zu beschäftigen“, blickt Friedrich Füß, Produktmanager für Interfacetechnik bei Pepperl+Fuchs in Mannheim, zurück.

Und nach Asien, genauer gesagt in das Institut für Überspannungsschutz in Shanghai, führte ihn eine seiner ersten Recherchereisen. „Das Institut ist eine führende Instanz in China“, erläutert Füß. „Dort sind Schäden durch Überspannungen aufgrund des großen Blitzvorkommens recht bekannt, da die Leute aus dem persönlichen Erleben heraus mit stärkeren Unwettern und deren Folgen konfrontiert sind.“ Ihm selbst erging es nicht anders: Der Termin im Institut fiel aus, weil der Direktor, mit dem er verabredet war, zur Untersuchung eines Blitzeinschlages mit Todesfolge auf einen Fußballplatz gerufen wurde.

Trotzdem oder gerade deswegen war die Motivation für das Thema ungebrochen und Füß konnte eine Mannschaft um sich scharen, die sich in der Folgezeit zu einem richtigen Expertenteam rund um das Thema Überspannungsschutz formierte. „Was wir mit dem neuen Überspannungsschutzsystem M-LB-5000 (Modular Lightning Barrier) an Funktionalitäten auf minimalem Bauraum umgesetzt haben, konnte nur mit dem Ideenreichtum einer hochmotivierten Gruppe gelingen“, resümiert Füß.

Unterschätzte Schadensursache

Blitze entladen sich innerhalb von zehn Mikrosekunden, weisen dabei Stromstärken bis 100.000 Ampere sowie eine Spannung von mehreren Millionen Volt auf und können die Luft um sich herum schlagartig auf bis zu 30.000 Grad Celsius erhitzen. Das entspricht mehr als dem Fünffachen der Oberflächentemperatur der Sonne. Schlägt solch eine Naturgewalt in ungeschützte Industrieanlagen ein, kann dies verheerende Folgen nach sich ziehen: Elektronikschäden, der Ausfall ganzer Automatisierungssysteme, Brände sowie die Beschädigung oder komplette Zerstörung von Anlagen und Gebäuden – von der Gefährdung von Menschenleben ganz abgesehen.

„Die Wahrscheinlichkeit eines direkten Blitzeinschlages ist glücklicherweise verschwindend gering, allerdings stellen diese auch nur die Spitze des Eisberges dar“, verdeutlicht Thomas Lebkücher, Leiter der Produktgruppe mechanisches Design im Bereich Prozessautomation bei Pepperl+Fuchs. „Häufig unterschätzt werden die Auswirkungen eines indirekten Blitzeinschlages. Denn selbst wenn ein Blitz einige Hundert Meter entfernt einschlägt, können auftretende Spannungsspitzen die gesamte Elektrik zum Erliegen bringen. Überspannungen durch direkte oder indirekte Blitzeinschläge, aber auch durch Schaltvorgänge, sind daher immer noch eine der häufigsten Schadensursachen in der elektrischen Anlagentechnik.“ Ein moderner Überspannungsschutz ist demnach eine Investition in eine erhöhte Betriebssicherheit und Anlagenverfügbarkeit. Doch wie die Schutzeinrichtung konzipieren, um für den Anwender möglichst viele Mehrwerte zu schaffen?

Anspruchsvolle Anforderungen

Der Überspannungsschutz für Mess- und Regelsignale zur Hutschienenmontage war zwar die geforderte Grundfunktionalität, aber längst nicht die schwierigste Herausforderung. „Es ist die Summe zusätzlicher Funktionalitäten, die das neue Überspannungsschutzmodul so besonders macht“, beschreibt Füß. „Für unsere Kunden darf der Schutz vor Überspannung keinen zusätzlichen Platz auf der Hutschiene benötigen. Er muss eine einfache Inbetriebnahme ohne spezielle Hilfsmittel ermöglichen und zudem selbstständig Verschleiß oder Ausfall signalisieren. Optimalerweise sollten für die Wartung keine Expertenkenntnisse erforderlich sein – und im Betrieb der Anlage darf man möglichst nichts von der Überspannungsschutzeinrichtung merken“, bringt es Thomas Ofenloch, Entwicklungsingenieur im Bereich Interfacetechnik bei Pepperl+Fuchs, auf den Punkt.

Ideenreichtum war also gefragt, um die entscheidenden Fragen zu lösen – vor allem die nach der Integration der geforderten Funktionalitäten in ein gerade einmal 6,2 Millimeter breites Elektronikmodul. „Wir haben unsere Expertise im Überspannungsschutz mit dem langjährigen Fachwissen rund um Explosionsschutz, Analogtechnik und Interface-Bausteine kombiniert“, fasst Lebkücher zusammen.

Darüber hinaus wurden weitere Register gezogen: „Bereits in der Konzeptionsphase haben wir Videoaufnahmen mit High-Speed-Kameras gemacht, um das Verhalten von Hochstromkontakten während eines Überspannungsereignisses zu analysieren“, berichtet Projektleiter Ofenloch. „Bei 50.000 Bildern pro Sekunde war jedes noch so kleine Detail genau zu erkennen, sodass wir darauf aufbauend beispielsweise die Anzahl und Anordnung der Kontakte optimieren konnten.“ Entscheidend für den Entwicklungserfolg war zudem die enge Zusammenarbeit mit den Verantwortlichen am Produktionsstandort Singapur.

Benchmark bei Blitzgefahr

Blitzschutz in Modulbauweise, ein platzsparendes Gehäuse und die patentierte Diagnosefunktion sind die zentralen Vorzüge des neuen Überspannungsschutzsystem M-LB-5000 (Infos: www.pepperl-fuchs.com/surge-M-LB-5000). Es besteht aus einem Basismodul, das direkt in den Signalkreis eingebunden ist, sowie dem aufsteckbaren Schutzmodul. Beide sind nur 6,2 Millimeter breit und damit sehr schmal. Trotz dieser Baubreite ist eine Diagnosefunktion aller Schutzelemente integriert. Das Schutzmodul signalisiert sowohl im Schaltschrank – über eine Ampelanzeige am Gerät – als auch in der Steuerung eigenständig seinen Verschleißstatus und warnt rechtzeitig vor einem eventuellen Ausfall.

Dies ermöglicht es, die Überspannungseinrichtung gemäß EN 62305-3 bequem zu überprüfen, die Produktlebenszykluskosten signifikant zu senken und Serviceeinsätze vorausschauend zu planen. Isolationstests während der Inbetriebnahme sowie der Austausch eines Schutzmoduls im Zuge von Wartungsarbeiten sind dank einer integrierten Trennfunktion im laufenden Betrieb möglich.