Überspannungsschutzgeräte (ÜSG) halten Jahr für Jahr die Überspannung von Geräten fern. Dabei sind auch sie einem Verschleiß ausgesetzt. Zwar verfügen zahlreiche ÜSG über eine Anzeige. Die signalisiert aber lediglich ihren Ausfall. In diesem Fall müssen die Schutzgeräte unverzüglich ersetzt werden. Effizienter wäre daher eine Vorwarnanzeige, die das frühzeitige Einplanen des Austauschs ermöglicht. Dafür gibt es Geräte, die darüber hinaus noch über den Zustand der ÜSG selbst informieren. Die Norm IEC 62305-3 Teil E7 „Wartung und Prüfung von Blitzschutzsystemen“ empfiehlt die regelmäßige Überprüfung der ÜSG. Dies lässt sich über eine Sichtprüfung durchführen, wenn das ÜSG eine Statusanzeige besitzt. Das ist beispielsweise bei Typ-2-Ableitern für Stromversorgungsanlagen Stand der Technik. Die Statusanzeige basiert auf thermischen Abtrennvorrichtungen, die an Varistoren gekoppelt sind. In der Prozesstechnik ist die Defekt-Meldung von ÜSG jedoch eine technische Herausforderung; eine integrierte Statusanzeige ist hier die Ausnahme. Denn die elektrische Leistung ist in Kreisen der Prozesstechnik viel geringer. Somit lässt sich nicht sicherstellen, dass eine signifikante Temperaturerhöhung der Bauelemente im Signalkreis auftritt - etwa in einer Stromschleife mit bis zu 20mA. Die thermische Überwachung der Komponenten im ÜSG für Signal-Kreise scheidet somit als zuverlässige Methode der Zustandsüberwachung aus. Bei der Auswahl der ÜSG muss neben dem Schutzpegel auch das Impulsableitvermögen des ÜSG berücksichtigt werden. Diese und viele weitere Eigenschaften werden durch genormte Prüfungen nach der Produktnorm nachgewiesen. Der Anwender muss unterscheiden, mit welchen genormten Impulsen die Schutzpegel bestimmt wurden. Der Schutzpegel beim C2-Impuls von 10kA liegt zum Beispiel aufgrund des Stroms höher als der Schutzpegel bei C3-Impulsen von 50A. Bei einem gut dokumentierten ÜSG gibt es Angaben zu mehreren Normimpulsen, denn oft hängt die erwartete Impulsstärke vom Installationsort ab.
Signalisierung im Detail
Der „intelligente“ Überspannungsschutz Plugtrab PT-IQ überwacht den Zustand der Schutzgeräte kontinuierlich. Jedes ÜSG meldet seinen Zustand an eine Zentraleinheit, das Kopfmodul. Diese Informationen können über potenzialfreie Fernmeldekontakte weitergegeben werden. Entweder fragt eine SPS direkt und drahtgebunden die Kontakte ab, oder die Zustandsinformationen werden mit Hilfe von Interface-Modulen in intelligente Meldesysteme eingebunden. Somit kann der Zustand der Schutzgeräte in ausgedehnten Anlagen einfach in der Leitwarte beobachtet werden. Moderne ÜSG sind mehrstufig aufgebaut und nutzen eine Kombination aus Suppressor-Diode (TVS) und gasgefülltem Überspannungsableiter (GDT). Der Ausfall der ÜSG erfolgt meist schleichend und zeigt sich etwa durch das Ansteigen des Leckstroms der Schutzelemente. Dadurch entsteht im Schutzelement eine Verlustleistung, die oft zu gering ist, um die Vorschädigung der Bauelemente durch Temperatursicherungen zu erfassen. Auch bei kurz anliegenden Signalen sind die Sicherungen zu träge, um den Temperaturanstieg zu erkennen. Es liegt nahe, den Leckstrom zu messen, um beim Überschreiten festgelegter Pegel die Vorschädigung oder den Ausfall zu signalisieren. Die verbreitete Strommessmethode mithilfe eines Widerstands scheidet hier aus. Denn durch hohe Stoßströme muss ein geringer Widerstand gewählt werden, der jedoch bei Leckströmen im mA-Bereich ungenaue Messergebnisse liefert. Die Strommessung sollte galvanisch getrennt vom Signalkreis aufgebaut werden, dadurch können mehrere Signalpfade in einem ÜSG mit nur einer Auswerteeinheit überwacht werden. Zusätzlich ist durch eine sichere Trennung die Auswerteschaltung vor EMV-Einflüssen (elektromagnetische Verträglichkeit) des Signalkreises geschützt.
Zusätzliche Sicherheit
Wird ein geringer Leckstrom erkannt, bleibt die entstehende Verlustleistung im ÜSG verhältnismäßig gering. Ab einem Leckstrom von circa 1mA kann die Auswertelogik mithilfe ausgeklügelter Algorithmen den Status der TVS-Diode erkennen, indem die Impulsbelastungen über die gesamte Einsatzzeit berücksichtigt werden. Der Status „gelb“ wird über einen Tragschienenverbinder an das Kopfmodul 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: Brenndauer des Brennbogens, Energieumsatz pro Ableitvorgang, Anzahl der Ableitvorgänge. Bei der vom Hersteller definierten Grenzbelastung wird der Status „gelb“ ausgegeben. Neben den Impulsbelastungen treten auch Beeinträchtigungen durch Folgeströme auf, bei denen der GDT nach einem Ableitvorgang längere Zeit gezündet bleibt. Hier sorgt der eingebaute Kurzschlussbügel für sicheres Löschen des GDT und für den Schutz nachgeschalteter Geräte durch einen Kurzschluss. In solchen Fällen ist der Status „rot“ erreicht. Der ÜSG-Stecker wird ausgetauscht, um den Gasableiter zu ersetzen. Die Überwachung funktioniert nicht nur bei leistungsstarken Signalen, sie erkennt auch Leckströme ab 1mA. Die eingebauten Sicherheitseinrichtungen sorgen auch bei energiereichen Signalen für einen definierten Überlastungsausfallmodus nach. Die Schutzgeräte erfüllen die erhöhten Anforderungen der Überspannungskategorie 3 und zählen somit zu den Betriebsmitteln für den industriellen Einsatz. Zusätzlich wurden bei der Entwicklung der Geräte die Luft- und Kriechstrecken erhöht, sodass der Einbau in bis zu 4000m Höhe möglich ist. Die Schraubanschlusstechnik wird nach wie vor gerne verwendet. Steigt die Zahl der Signalleitungen, wird mit Push-in-Anschlusstechnik Zeit gespart. Damit fehlerfrei verdrahtet werden kann, ist die Integration aller Ableiter in das Überwachungskonzept ohne Verdrahtungsaufwand möglich. Ein Steckverbinder auf der Hutschiene stellt die Verbindung zum Kopfmodul her.
Weniger Service-Einsätze
Schutzgeräte mit intelligenter Statusüberwachung sorgen für eine Reduktion der Service-Einsätze. Durch ein intelligentes Monitoring-System, das bereits einen Verschleiß der Schutzgeräte signalisiert, bevor sie durch eine Überlastung ausfallen, wird die Anlagenverfügbarkeit verbessert.
