Schutzgeräte gegen Überspannungen Gewalt der Blitze widerstehen

Transiente Überspannungen sind Impulse mit einer Dauer von weniger als einer Millisekunde, die aber eine Amplitude von mehreren Kilovolt aufweisen können. Die anschaulichste Ursache für derartige Überspannungen sind Blitzentladungen. Treten diese in der Nähe von elektrisch leitfähigen Verbindungen auf, verursacht das starke magnetische Feld um die Blitzentladung energiereiche Stoßstromimpulse auf den Leitungen.

Um davor zu schützen, müssen Schaltschränke, die Leitungen in den Außenbereich herausführen, mit Überspannungsschutzgeräten (engl. Surge Protective Device, SPD) ausgestattet werden. Automatisierte Systeme werden häufig innerhalb von baulichen Anlagen betrieben. Dort treten zusätzlich Überspannungen durch Schalthandlungen auf. Bei einer Schalthandlung im weiteren Sinn geht es zum Beispiel um das gewollte Ausschalten großer Motoren oder um das Auslösen einer Sicherung durch einen Kurzschluss.

Bei diesen Schalthandlungen kommt es – abhängig von der Größe der Induktivität im System – zu unterschiedlich hohen Überspannungsimpulsen. Denn die Spannung über einer induktiven Last ist abhängig von der Änderung des Stroms. Die in der Induktivität des Systems vorhandene Energie entlädt sich schlagartig im Moment der Schalthandlung.

Die dadurch hervorgerufenen Überspannungen sind zwar deutlich energieärmer als bei einer Blitzentladung, sie treten jedoch häufiger auf und verursachen auf lange Zeit gesehen zusätzliche Schäden. Denn die Entladung der gespeicherten Energie erfolgt in den elektrischen Komponenten der Automatisierungstechnik. Moderne Komponenten wie Stromversorgung, Steuerung oder I/O-System müssen die grundlegenden Anforderungen der EMV-Richtlinie erfüllen – inklusive Prüfungen gegen Überspannungsimpulse.

Alterung von Geräten entgegenwirken

Zum Bestehen dieser Prüfung werden in der Regel Varistoren in den Eingangskreisen der Geräte eingesetzt. Varistoren sind spannungsabhängige Widerstände, die Spannungsimpulse auf ein für die Elektronik verträgliches Maß begrenzen. Diese Varistoren der Automatisierungskomponenten werden von den Überspannungen belastet. Sie sind dabei nicht auf energiereiche Überspannungen aus Blitzentladungen ausgelegt, können die energieärmeren Impulse aber wirksam begrenzen. Grundsätzlich weisen Varistoren mit zunehmender Anzahl an Ableitvorgängen jedoch Alterungseffekte auf. Schaltüberspannungen in großer Zahl belasten daher die Automatisierungskomponenten und können zu einem Ausfall führen.

Anders als bei Schäden durch energiereiche Blitzimpulse sieht man bei einem Schaden durch Schaltüberspannungen der betroffenen Komponente die Ursache nicht gleich an. Deswegen werden die Defekte häufig nicht auf eine Überspannung zurückgeführt. Die Auswirkung auf das automatisierte System ist aber bei beiden Schadensursachen gleich: Die elektrische Komponente ist defekt und der Prozess ist im schlimmsten Fall unterbrochen. Dem Alterungseffekt der Komponenten wirken SPDs entgegen – wie Schmiermittel in der Mechanik verlängern sie die Lebensdauer der Komponenten. In der Regel nutzen SPDs Varistoren als Schutzkomponenten. Der Alterungseffekt tritt zwar auch hier auf, er verlagert sich aber von der wichtigen Automatisierungskomponente auf eine speziell zum Schutz installierte Komponente. Das SPD kann mehr Überspannungsereignisse ableiten als die im Gerät integrierten Varistoren. Außerdem lässt sich der Status des SPD über eine Fernmeldung in die Leitwarte übertragen. Sollte das SPD durch häufige Impulse am Ende seiner Lebenszeit sein, trennt es den überlasteten Varistor vom Netz ab. Der Zustand des SPD wird an die Leitwarte übertragen, und der Schutzstecker des zweiteiligen SPD kann ohne Werkzeug gegen einen neuen Schutzstecker ausgetauscht werden. Dabei wird das System nicht unterbrochen, und die Anlage läuft weiter.

Umfassendes Überspannungsschutzkonzept

Für einen wirkungsvollen Schutz gegen Überspannungen definiert die DIN EN 62305 ein Zonenkonzept – als Grundlage für einen stufenweisen Einbau unterschiedlicher SPDs in einer zu schützenden Anlage. An den Übergängen zwischen den Zonen müssen jeweils SPDs installiert werden. Außerhalb von Gebäuden befindet sich demnach die Zone 0, in welcher der Gefährdungspegel durch Überspannungsereignisse am größten ist. Leitungen, die aus diesem Bereich in einen Schaltschrank geführt werden, müssen mit leistungsstarken SPDs geschützt werden.

Für Windenergieanlagen befinden sich Schaltschränke der Automatisierungstechnik innerhalb der Gondel in der Zone 1 oder 2. Aber auch hier ist am Schaltschrank ein Zonenübergang durchzuführen. Im Idealfall sollten alle Verbindungen, die den Schaltschrank verlassen, mit Überspannungsschutzgeräten ausgestattet werden. Für Leitungen im Bereich der Automatisierungstechnik ist das besonders ratsam, wenn die Leitungen über weite Strecken innerhalb der Anlage führen und parallel zu 230V-Stromversorgungsleitungen verlegt sind. Denn bei einer Schalthandlung im 230V-System kann auch induktiv eine schädliche Überspannung in benachbarte Leitungen einkoppeln.

24 V-Stromversorgungen schützen

Eine zentrale Komponente der Automatisierungstechnik ist die 24V-Stromversorgung. Fällt sie aus, arbeitet in der Regel das gesamte System nicht mehr. Die Stromversorgung vom Typ Quint Power von Phoenix Contact sorgt hier für eine hohe Verfügbarkeit. Wenn von der Stromversorgung 24V-Versorgungsleitungen aus dem Schaltschrank herausführen, bietet das Überspannungsschutzgerät Plugtrab SEC einen optimalen Schutz. Das erste SPD für die Stromversorgung verfügt über die inzwischen weit verbreitete Push-in-Technik und ist ideal auf die Stromversorgung Quint Power abgestimmt. Das SPD kann zudem ohne weitere Vorsicherung direkt an der Sekundärseite der Stromversorgung angeschlossen werden. So werden sowohl die Stromversorgung wie auch weitere 24V-Komponenten im Schaltschrank vor Überspannungen aus dem Feld geschützt. Auch für den primärseitigen Schutz der Stromversorgung bietet sich das Überspannungsschutzgerät Plugtrab SEC an.

Eine neue Lösung für die Automatisierung auch von Wind-
energieanlagen sind die elektronischen Geräteschutzschalter der Baureihe PTCB. Die schmalen einkanaligen Geräte lassen sich mit dem Reihenklemmensystem Clipline complete kombinieren und ermöglichen so eine flexible und platzsparende Lösung für die 24V-Potentialverteilung. Um die hier angeschlossenen Geräte vor Überspannungen zu schützen, eignet sich das Schutzgerät Termitrab complete Typ 3, das zum PTCB konturgleich ist. Mit einer Baubreite von nur 6 mm ist es das schmalste SPD Typ 3 am Markt. Die eingesetzte Diodentechnik bietet eine besonders hohe Schutzqualität für empfindliche Elektronik.

Schutzgeräte für I/O-Systeme

Auch Steuerung und I/O-System sind zentraler Bestandteil einer Automatisierungslösung für Windenergieanlagen. Von dort aus verteilen sich zahlreiche Mess- und Kommunikationsleitungen oft über viele Meter in die Anlage, und nicht selten werden die Signale auch außerhalb der Gondel genutzt. Hier eignen sich Schutzgeräte der Produktfamilie Termitrab complete, einem schmalen Überspannungsschutz für MSR-Anwendungen. Ab einer Baubreite von 3,5 mm pro Modul umfasst die Familie Schutzgeräte für zahlreiche unterschiedliche Signalarten. Um den Zustand der Schutzgeräte jederzeit im Blick zu haben, lassen sich bis zu 40 SPDs mit einem Fernmeldemodul überwachen – ohne aufwendige Verdrahtung oder Programmierung.