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Automatisierte Systeme brauchen Spannungsschutz

| Autor/ Redakteur: Thomas Bings / Reinhold Schäfer

Damit automatisierte Systeme und Geräte durch äußere Einflüsse wie zu hohe Spannungen nicht Schaden nehmen oder es gar zu einer Unterbrechung des Betriebs kommt, müssen sie vor möglichen Überspannungen geschützt werden.

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Bild 1: Der Grad der Automatisierung nimmt in jeder Branche zu – in der automatisierten industriellen Produktion spielt ein umfassendes Überspannungsschutz-Konzept eine wichtige Rolle.
Bild 1: Der Grad der Automatisierung nimmt in jeder Branche zu – in der automatisierten industriellen Produktion spielt ein umfassendes Überspannungsschutz-Konzept eine wichtige Rolle.
(Bild: Phoenix Contact)

Automatisierte Systeme sind heute grundlegender Bestandteil von Maschinen und Anlagen. Die Systeme versprechen eine hohe Produktivität bei geringen Kosten – und tragen maßgeblich zur Wettbewerbsfähigkeit eines Unternehmens bei. Gehalten wird das Versprechen mit einer dauerhaft hohen Verfügbarkeit – dabei hilft ein Überspannungsschutz, Stillstandszeiten zu vermeiden (Bild 1).

Transiente Überspannungen sind Impulse mit einer Dauer von weniger als 1 ms, 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.

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Um davor geschützt zu sein, müssen Schaltschränke, die Leitungen in den Außenbereich herausführen, mit Überspannungsschutz-Geräten (englisch: 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 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 das SPD den überlasteten Varistor vom Netz ab. Der Zustand des SPD wird an die Leitwarte übertragen und der Schutzstecker des zweiteiligen SPD kann werkzeuglos gegen einen neuen Schutzstecker ausgetauscht werden. Dabei wird das System nicht unterbrochen und die Anlage läuft weiter.

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