Elektrischer Airbag
schützt Feldgeräte und Leitsysteme
Das Kabelsystem einer Mess-, Steuer- und Regelanlage verteilt sich über weiträumige Gebäude- und Freiflächen. Damit stehen den Vorteilen der zunehmenden Vernetzung und des grenzenlosen Informationsflusses auch Risiken gegenüber. Ebenso wie Nutzdaten breiten sich unerwünschte Ereignisse wie Überspannungen, ohne Rücksicht auf Zoneneinteilungen, über Datennetze und über das Netzwerk der Mess-, Steuer- und Regeleinrichtungen aus.
Im Schadensfall kann eine komplette verfahrenstechnische Anlage in Sekundenbruchteilen außer Betrieb gesetzt werden. Weitsichtige Anlagenbetreiber vertrauen daher nicht auf ihr Glück, sondern schützen ihr System durch geeignete Maßnahmen.
Überspannungsableiter sind elektrische Airbags
Funkenenergie und Oberflächentemperaturen begrenzen
In allen Bereichen der Verfahrenstechnik werden MSR-Signale in der Zündschutzart „eigensicher“ nach IEC 60079-11 bzw. EN 50020 instrumentiert. Das Prinzip der Eigensicherheit verhindert das Zünden einer explosionsfähigen Atmosphäre durch begrenzen der in den Stromkreis abgegebenen Energiemenge. Eventuell auftretende elektrische Funken, aber auch die Oberflächentemperaturen der angeschlossenen Bauteile werden dadurch auf ungefährliche Werte unterhalb der jeweiligen „Mindestzündenergien“ gehalten.
Diese Technologie der Energiebegrenzung findet Unterstützung durch die kleiner werdenden Signalpegel in der Kommunikation mit modernen Sensoren und Aktoren.In Zukunft werden diese Signalpegel durch die fortschreitende Miniaturisierung noch weiter reduziert und der Anteil der eigensicher ausgeführten Signalkreise wird steigen.
Manche Überspannungen sind „hausgemacht“
Überspannungen werden häufig für Systemausfälle und Hardwareschäden an empfindlichen Elektronikbaugruppen verantwortlich gemacht. Ursachen und Quellen der Überspannungen sind gelegentlich im Betriebsablauf der Anlage selbst zu finden. Zum Beispiel entstehen elektrostatische Felder durch Ladungsverschiebungen bei der Verarbeitung von Folien oder beim Fördern von Granulaten und Lösungsmitteln. Die hohen Feldstärken entladen sich an exponierten Objekten und erreichen anschließend über Signalleitungen die Elektronikbaugruppen. Beim Elektroschweißen, schalten von Großverbrauchern oder induktiven Lasten entstehen ebenfalls Transienten, die sich leitungsgeführt in der Anlage ausbreiten.
Da der Anwender durch geeignete physikalische Maßnahmen die Entstehung der zuvor genannten Störsignale direkt am Entstehungspunkt verhindern kann, liegt das eigentliche Risiko und Gefahrenpotential in den direkten oder indirekten Auswirkungen eines Blitzschlages.
Blitzschläge sind (un)vermeidbar
Die Folgen eines Blitzschlages können für betroffene Betriebe bedrohliche Ausmaße annehmen. Die Kosten für Anlagenstillstand, Fehlerbehebung und Wiederinbetriebnahme können sich innerhalb kürzester Zeit zu hohen Beträgen summieren.
Durch den heutigen Blitzschutzstandard mit Blitzableitern, bautechnischen Maßnahmen wie Faradayschen Käfigen und hochwertigem Potenzialausgleich hat der direkte Blitzeinschlag zwar längst seinen urzeitlichen Schrecken verloren, aber für ungeschützte Elektronik ist und bleibt er oft der schnelle und manchmal auch lautlose Tod.
Rund 700.000 Blitze jährlich in Deutschland registriert
Von deren Auswirkungen sind besonders exponierte Standorte, weitverzweigte Anlagen und Signalübertragungen außerhalb und zwischen Gebäuden betroffen. Dazu gehören beispielsweise Öl- und Gas-Pipelines, Raffinerien, Tanklager, Kläranlagen sowie Be- und Entladeterminals für Tankfahrzeuge. Bei einem Blitzeinschlag leitet im Idealfall der Blitzableiter die gesamte Entladungsenergie über den Blitzableiter ins Erdpotenzial ab. Das Ganze dauert nur etwa 0,3 ms bei einer durchschnittlichen Stromstärke von 45 kA und Spannungen bis 400 MV.
Da das Erdpotenzial innerhalb dieser kurzen Zeitspanne nicht in der Lage ist die gesamte Ladungsmenge aufzunehmen tritt bei etwa 50 % der Ladungsmenge ein elektrischer Sättigungseffekt in der näheren Umgebung der primären Einschlagstelle auf. Durch diese Sättigung findet der Potentialausgleich über diesen direkten Weg nicht weiter statt. Die verbleibenden 50 % der Energiemenge müssen sich nun einen Weg über Leitungen und leitfähige Anlagenteile zu weiter entferntem und somit noch aufnahmefähigem Erdpotential suchen.
Gefahren entstehen durch induzierte Sekundärströme
Alle leitfähigen Konstruktionsteile, die Prozessverrohrung und natürlich die elektrische Leitungsführung fungieren als induktiv oder galvanisch gekoppeltes Netzwerk zum Transportieren der Restenergiemenge.
Bei der hohen Energiemenge des Blitzes treten trotz schlechter Kopplungsfaktoren und großen Abständen, relativ hohe Induktionsströme auf. Der Energietransfer verstärkt sich durch extrem kurze Anstiegszeiten und den daraus resultierenden physikalischen Kopplungseffekten. Die Spannung im Blitzkanal steigt in 1 µs um bis zu 12 kV und der Strom um bis zu 200 kA an.
Dieser schnelle „Signalwechsel“ von 0 auf 1 – verbunden mit der hohen Stromstärke – induziert in den elektrischen Leitern der Umgebung Sekundärströme bis 5 kA und Spannungen von 10 kV. Derartige Energiemengen finden sich nun auf Leitungen, die von dem Blitzeinschlag primär überhaupt nicht betroffen sind. Dazu gehören auch Leitungen innerhalb des Faradayschen Schutzbereiches und nicht zuletzt solche, die in wertvollen elektronischen Baugruppen enden. Da es sich nun um leitungsgeführte Signale handelt, spielen Entfernungen keine nennenswerte Rolle mehr, und die gefährdete Zone entspricht der Gesamtanlage.
Beide Enden der Leitung tragen Überspannung in angeschlossene Geräte
Wird ein transienter Impuls in einer Sensorleitung induziert, so gelangt er an beide Leitungsenden. Er erreicht den Sensor und den Signaleingang des Prozessleitsystems zeitgleich. Die möglichen Folgen reichen von der Zerstörung des Sensors bis zur Zerstörung der Eingangsbaugruppe oder des gesamten Leitsystems. Wirksamer Schutz lässt sich mit Überspannungsableitern erreichen. Sie leiten das Störsignal nach Erde ab und begrenzen die Spannung für die Dauer der Störung.
Überspannungsableiter: "Airbag" für Mess-, Steuer- und Regelkreise
Der Vergleich mit dem Airbag kommt der Realität sehr nahe. Die Überspannungsableiter wie auch der Airbag „zünden“, sobald sie gebraucht werden. Andererseits müssen beide im „stand by“ unsichtbar – also nicht vorhanden sein. Und beide müssen bei Erreichen der kritischen Schwelle in Sekundenbruchteilen auslösen. Die Pepperl+Fuchs Überspannungsableiter haben allerdings gegenüber dem Airbag einen entscheidenden Vorteil: nach Auslösen gehen sie von selbst in die Wiederbereitschaft, werden für das Messsignal wieder unsichtbar und warten auf den nächsten Einsatz.
Die Überspannungsableiter sind optimiert auf die speziellen Anforderungen eigensicherer MSR Signalkreise. Hierzu werden die Ableiter in zwei Gruppen unterschieden:
- Einsatz am oder in der Nähe des Feldgerätes – also gegebenenfalls direkt im Ex-Bereich
- Einsatz im Schaltschrank vor den zum Ex-i Kreis zugehörigen Steuerungskomponenten
Überspannungsableiter, Bauform F-LB
Zum Schutz der Feldgeräte ist die Bauform F-LB mit Edelstahlhülse und Einschraubgewinde vorgesehen. Das Prinzip ist ebenso einfach wie wirkungsvoll: Man schraubt sie zum Installieren einfach in eine freie Kabelverschraubung am Feldgerät und legt im Klemmraum drei Kabel auf. Zum Schutz der Feldgeräte dürfen die Überspannungsbarrieren in eigensicheren Stromkreisen direkt im Ex-Bereich installiert werden.
Sollte der Klemmraum des Feldgerätes für diese Montageart nicht geeignet sein, so werden die Einschraubtypen F-LB, alternativ die extrem schmale Bauform K-LB in einem Klemmenkasten montiert und den Feldgeräten vorgeschaltet.
Überspannungsableiter, Bauform K-LB
Die Gerätefamilie K-LB im 12,5 mm breiten Klemmengehäuse werden ebenso für den Schutz der Schaltschrankgeräte verwendet. Das Gehäuse ist, 1-oder 2-kanalig und erlaubt die freie Verdrahtung mit den zu schützenden Komponenten.
Überspannungsschutz aus einem Guss
Für die Geräte des K-Systems sind die Überspannungsableiter P-LB als Erweiterungsgehäuse optimiert. Sie werden einfach auf die Standard K-Geräte aufgesteckt. K-Gerät und Überspannungsschutz bilden innerhalb des Schaltschrankes eine geschlossene Einheit. Das ist ein besonderer Vorteil, denn dieses Prinzip ist einfach und funktionssicher. Der Anwender vermeidet Fehlverdrahtungen in diesen Bereichen, spart Planungs- und Verdrahtungszeit. Aber der wirkliche Nutzen der Aufstecklösung ist die fest vorgegebene Verdrahtungsführung. Die Verbindung zwischen Überspannungsableiter und Funktionsbaustein ist kurz, dauerhaft und industriegerecht ausgeführt.
Überspannungsableiter, Bauform P-LB
Die Gefahr einer nachträglichen Transienteneinkopplung durch ungünstige Kabelführung zwischen geschützten und ungeschützten Leitungen ist deutlich geringer im Vergleich zu der freien Verdrahtung. Handelt es sich um einen Ex-i Schaltschrank, so ist die räumliche Trennung der Leitungsführung innerhalb des Schrankes bereits vorgegeben und kommt den Anforderungen des Überspannungsschutzes ideal entgegen.
Die Kennwerte der Überspannungsableiter:
- Ansprechzeit ab 1 ns
- Ableitvermögen 10 kA
- Automatische Wiederbereitschaft nach dem Ansprechen
- Isolationsspannung > 500 VDC (wichtig für eigensichere, galvanisch getrennte Stromkreise)
Fazit
Ein funktionierender Überspannungsschutz verlangt neben schnellen und leistungsfähigen Ableitelementen die konsequent getrennte Leitungsführung. Werden Überspannungsableiter zu dicht oder aus Platzgründen zwischen den zu schützenden Geräten platziert, besteht die Gefahr der Einkopplung über die enge Montage und der Einkopplung über die Leitungsführung. Die Errichterbestimmungen für die Ausführung eigensicher Stromkreise verlangen grundsätzlich die konsequent getrennte Leitungsführung. Damit ist der funktionsfähige und richtig ausgeführte Überspannungsschutz innerhalb eines Schaltschrankes zum Zwecke der Ex-i Trennung, mit entsprechenden Interfacebausteinen, mitunter einfacher zu realisieren als in einem Schaltschrank mit freier Verdrahtung.
