19.03.2013

'Intelligenter' Überspannungsschutz

Zum Schutz von IT- und MSR-Geräten werden seit vielen Jahren Überspannungsschutzgeräte (ÜSG) eingesetzt. Sie halten Jahr für Jahr die Überspannung von den Geräten fern. Aber wer weiß schon, wie stark das Schutzgerät selbst schon belastet ist?

Autoren: Dipl.-Ing. Ralf Hausmann, Phoenix Contact GmbH & Co. KG;
Dipl.-Ing. Andrei Siegel, Phoenix Contact GmbH & Co. KG.


Immer wissen was los ist - die Vorteile auf einen Blick

Meistens sind die zu schützenden Anlagen weitläufig verteilt. Um die Schutzsysteme nicht ständig vor Ort kontrollieren zu müssen, ist es vorteilhaft, wenn der Zustand des Schutzgerätes gemeldet und überwacht wird. Wenn neben den Informationen 'funktionstüchtig' und 'defekt' auch noch der Verschleiß der Schutzgeräte angezeigt wird, ist der Service einfacher planbar. Weil ein Mikroprozessorgesteuertes Monitoring-System bereits einen Verschleiß der Schutzgeräte signalisiert, bevor sie durch eine Überlastung ausfallen, wird die Anlagenverfügbarkeit deutlich erhöht.

Bei zahlreichen Überspannungsschutzgeräten (ÜSG) signalisiert eine Anzeige nur den Ausfall. Dann müssen die Schutzgeräte allerdings sofort ausgetauscht werden. Eleganter ist eine Vorwarnanzeige, die es ermöglicht, den Austausch frühzeitig einzuplanen. Diese Aufgabe löst die Produktfamilie Plugtrab PT-IQ, die stets über den Zustand der ÜSG informiert (Bild 1).

Was fordern die Normen?

Die Norm IEC62305-3 Teil E7 'Wartung und Prüfung von Blitzschutzsystemen' [1] 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 thermische Abtrennvorrichtungen, die an Varistoren gekoppelt sind. Die Defekt-Meldung von ÜSG für MSR-Kreise ist dagegen eine technische Herausforderung - eine integrierte Statusanzeige ist eher die große Ausnahme. Denn die elektrische Leistung in MSR-Kreisen ist 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 MSR-Kreise scheidet somit als zuverlässige Zustandsüberwachung aus.

Leistungsparameter aus der Normung

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 [2] nachgewiesen. Dabei muss der Anwender unterscheiden, mit welchen genormten Impulsen die Schutzpegel bestimmt wurden. Der Schutzpegel beim C2-Impuls von 10kA liegt z.B. aufgrund des Stromes deutlich höher als der Schutzpegel bei C3-Impulsen von 50A. Bei einem gut dokumentierten ÜSG gibt es idealerweise Angaben zu mehreren Normimpulsen, denn oft ist die zu erwartete Impulsstärke vom Installationsort [3] abhängig. So sollten Schutzgeräte an der ersten Blitzschutzzone, dem Gebäudeeingang, die Anforderungen der Kategorie D1 erfüllen. Eine zweite Stufe sollte der Anforderungskategorie C2 und eine dritte Stufe der Anforderungskategorie C3 entsprechen. Mit dem 'intelligenten' Überspannungsschutz Plugtrab PT-IQ wird der Zustand der Schutzgeräte kontinuierlich überwacht. Jedes ÜSG meldet seinen Zustand an eine Zentraleinheit, den Controller. Diese Zustandsinformationen können am Controller über potentialfreie Fernmeldekontakte weitergegeben werden (Bild 2). Entweder fragt z.B. eine SPS direkt und drahtgebunden die Kontakte ab, oder die Zustandsinformationen werden mithilfe von Interface-Modulen in intelligente Meldesysteme eingebunden (Bild 3).

Wie funktioniert die Signalisierung im Detail?

Moderne ÜSG sind heute mehrstufig. Hierbei werden Schutzelemente mit niedrigem Schutzpegel - wie Supressor-Dioden (TVS - Transient Voltage Suppressor) - mit Schutzelementen, die höhere Stoßstrom-Tragfähigkeiten aufweisen - etwa gasgefüllte Überspannungsableiter (GDT - Gas Discharge Tube) - in einem Gehäuse kombiniert. Der Ausfall der ÜSG erfolgt meist schleichend und zeigt sich durch Ansteigen des Leckstromes der Schutzelemente. Dadurch entsteht im Schutzelement Verlustleistung, die allerdings in MSR-Anlagen häufig zu gering ist, um die Vorschädigung der Bauelemente durch Temperatursicherungen zu erfassen. Auch bei den kurz anliegenden Signalen, die in MSR-Anlagen häufig verwendet werden, sind die Temperatursicherungen zu träge, um einen kurzzeitigen Temperaturanstieg zu erkennen. Es liegt nahe, den Leckstrom zu messen, um beim Überschreiten festgelegter Pegel die Vorschädigung oder den Ausfall des ÜSG zu signalisieren. Die weit verbreitete Strommess-Methode mithilfe eines Widerstandes scheidet hier aus. Denn durch hohe Stoßströme muss ein geringer Widerstand gewählt werden, der jedoch bei Leckströmen im mA-Bereich ungenaue Messergebnisse liefert. Außerdem ist es vorteilhaft, die Strommessung galvanisch getrennt vom Signalkreis aufzubauen. Dadurch können mehrere Signalpfade in einem ÜSG mit nur einer Auswerteeinheit überwacht werden. Zusätzlich ist durch eine sichere Trennung die Auswerteschaltung vor EMV-Einflüssen des Signalkreises geschützt.

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Geringer Leckstrom bringt zusätzliche Sicherheit

Eine Möglichkeit, die galvanische Trennung zu erreichen, ist die Messung des vom Leckstrom erzeugten Magnetfeldes. Allerdings sind die Kosten eines auf dem Hall-Prinzip basierenden Systems bei Strömen um 1mA verhältnismäßig hoch. Die Magnetfeld-Beanspruchung beim EMV-Test [4] kann solche Messungen stören. Erschwert wird die Messaufgabe auch, weil das zu schützende Signal von der Überwachungsschaltung so wenig wie möglich beeinflusst werden darf. Betrachtet man noch, dass die Leckströme in beide Richtungen fließen können und auch gleichgerichtet sein können, fallen weitere Sensoren mit galvanischer Trennung - die auf transformatorischer Wirkung basieren - aus. Zusätzliche Sicherheit wird erreicht, wenn ein geringer Leckstrom erkannt wird. Dann bleibt die entstehende Verlustleistung verhältnismäßig gering und kann nicht zur Überhitzung der TVS-Diode führen. Ab einem Leckstrom von circa 1mA kann die angeschlossene Auswertelogik (Bild 4) mithilfe ausgeklügelter Algorithmen den Status der TVS-Diode erkennen, indem die Impuls-Belastungen über die gesamte Einsatzzeit berücksichtigt werden. Der ermittelte Status 'gelb' wird über einen Tragschienenverbinder an den Controller weiter 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 - wie Brenndauer des Brennbogens, Energieumsatz pro Ableitvorgang sowie Anzahl der Ableitvorgänge. Bei der vom Komponentenhersteller 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 das sichere Löschen des GDT und für den Schutz nachgeschalteter Geräte durch einen Kurzschluss. In solchen Fällen ist der Status 'rot' erreicht. Der ÜSG-Stecker muss ausgetauscht werden, um den Gasableiter zu ersetzen. Auch im Falle eines unvollständig gesteckten oder fehlenden Steckers wird der Status 'rot' ausgegeben. Damit werden Wartungsfehler reduziert.

Einsatz bis 4.000 Meter Höhe

Neben der erweiterten Signalisierung mittels grün/gelb/rot wurde auch die Einsatzbandbreite der ÜSG vom Typ Plugtrab PT-IQ verbessert. 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 [2]. Die PT-IQ-Schutzgeräte erfüllen die erhöhten Anforderungen der Überspannungskategorie 3 und zählen somit zu den Betriebsmitteln für den industriellen Einsatz [5]. Zusätzlich wurden bei der Entwicklung der Geräte die Luft- und Kriechstrecken erhöht, sodass der Einbau in Höhen bis zu 4.000m problemlos möglich ist.

Zusammenfassung

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 deutlich erhöht.

Literatur:

[1] IEC62305-3 Teil E7; Wartung und Prüfung von Blitzschutzsystemen

[2] EN61643-21; Überspannungsschutzgeräte für den Einsatz in Telekommunikations- und signalverarbeitenden Netzwerken - Leistungsanforderungen und Prüfverfahren

[3] EN61643-22; Überspannungsschutzgeräte für den Einsatz in Telekommunikations- und signalverarbeitenden Netzwerken - Auswahl- und Anwendungsprinzipien

[4] DIN EN61000-4-3; Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) - Teil 4-3: Prüf- und Messverfahren - Prüfung der Störfestigkeit gegen hochfrequente elektromagnetische Felder

[5] DIN EN60664-1; Isolationskoordination für elektrische Betriebsmittel in Niederspannungsanlagen - Teil 1: Grundsätze, Anforderungen und Prüfungen

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