Fehlerströmen auf der Spur: Höhere Anlagen-Verfügbarkeit durch Überwachung der Differenzströme

Jeder Anlagenbetreiber sollte den ­genauen Anlagenzustand kennen und umgehend über Ände­rungen informiert werden. Das ist wichtig für die Sicherheit von Mensch und ­Material, aber auch für die Wirtschaftlichkeit der Produktion. Fehler müssen schnell erkannt werden, ­damit Ausfälle und daraus resultierende Stillstands­zeiten vermieden werden. Hilfreich ist hier die Überwachung der Differenzströme.
Ein Beitrag von Achim Zirkel, Netz- und Signal-Qualität Trabtech, Phoenix Contact.

Differenzstrom-Überwachungsgeräte erkennen Fehler frühzeitig und beheben sie - selbst hochfrequente Fehlerströme bis 100 kHz werden mit dem Gerät RCM Typ B+ von Phoenix Contact sicher erkannt und gemeldet. Aufgrund der Zunahme an elektronischen Verbrauchern handelt es sich im Fehlerfall häufig um Gleichströme oder Fehlerströme im hochfrequen­ten Bereich.

Anlagenverfügbarkeit als Grundlage der Wirtschaftlichkeit
Der Stellenwert der Betriebssicherheit industri­eller Anlagen wird auch durch die umfassende Normenlage bestätigt. Leitungs­schutzschalter und Fehlerstrom-Schutzschalter werden dabei im Fehlerfall zur sicheren Abtrennung einzelner Verbraucher oder Stromkreise eingesetzt. Zu beachten ist, dass ein direktes Abtrennen durch einen Fehlerstrom-Schutzschalter aufgrund eines zu hohen Ableitstroms auf dem PE-Leiter nicht immer erwünscht ist. Denn mit dem sicher­heitsbedingten schnellstmöglichen Abtrennen der Verbraucher geht eine geringere Verfügbarkeit der Anlage einher - die wirtschaftlichen Auswirkungen eines unerwarteten Ausfalls der Anlage können hoch sein. Dabei sind neben dem Schaden an der Anlage selbst stets die möglichen Folgeschäden und Ausfallzeiten zu berücksichtigen. Eine unmittelbare Vorwarnung sowie ein rechtzeitiges Eingreifen hätten in diesem Fall helfen können.

Hochfrequente Differenzströme als Herausforderung
Planer, Errichter und Betreiber elektrischer Anlagen reduzieren störende elektrische Einflüsse - wie hohe Ableitströme, Oberschwingungen und elektromagnetische Felder - durch geeignete Konzepte bereits bei der Planung. Später im Betrieb können hohe Ableitströme so auf ein Minimum reduziert werden. Fehlerströme durch Isolationsfehler können dadurch jedoch nicht ausgeschlossen werden.

In Abhängigkeit von den Verbrauchern sowie von der benötigten Stromversorgung können Fehlerströme verschiedenster Form und Frequenz auf­treten. Durch den vermehrten Einsatz elektro­nischer Betriebsmittel, wie zum Beispiel Frequenzumrichter bei Motoren, kommt es im Fehlerfall zu hohen Ableitströmen im hoch­frequenten Bereich.

Außerdem werden frequenzgesteuerte Betriebsmittel eingesetzt, wie etwa Kühlanlagen, Kran- und Hebeanlagen oder Lampentreiber, bei denen die Betriebsfrequenz im mittleren zweistelligen kHz-Bereich liegt. Diese Frequenzen liegen weit über den geforderten detektierbaren Frequenzen von Schutz- und Überwachungsgeräten der Typen A und B.

Agieren statt Reagieren
Um Fehlerströme in einer elektrischen Anlage zu erkennen, bevor es zu einer plötzlichen Abtrenn­ung der Verbraucher kommt, können Differenzstrom-Überwachungsgeräte eingesetzt werden, die Fehlerströme detektieren und melden. Mit den Produktreihen RCM-A und RCM-B - RCM steht für „Residual Current Monitoring" - bietet Phoenix Contact Differenzstrom-Überwachungsgeräte nach DIN EN 62020 an, die diese Anforderungen erfüllen. Diese Überwachungssysteme, die aus Stromwandler und Auswerteeinheit bestehen, erkennen frühzeitig Fehlerströme in der Elektroinstallation geerdeter Systeme - in TN-S- und TT-Netzen. Um die Fehlerströme zu ermitteln, wird nicht mit einer tatsächlichen messtechnisch erfassten Messgröße gearbeitet, sondern mit einem Stromwert, der im Differenzstrom-Wandler erzeugt und im Differenzstrom-Überwachungsgerät ausgewer­tet wird. Voraussetzung für die Bildung des Differenzstroms ist allerdings, dass, je nach Applikation, entweder alle aktiven Leiter - also alle Außenleiter und Neutralleiter - oder der Erdungsleiter durch den zugehörigen Summenstrom­wandler RCM-SCT geführt wird.

Die Ergebniswerte der Überwachung werden permanent signalisiert, und beim Erreichen fest­gelegter Grenzwerte wird alarmiert. Mit diesem Informationsvorsprung kann der Betreiber den Fehler direkt oder aber bei der nächsten planmäßigen Wartung lokalisieren und beheben. Eine unerwünschte Abschaltung der Anlage wird dadurch vermieden - was die Verfügbarkeit der Anlage erheblich erhöht.

Für jede Applikation die richtige ­Überwachung
Mit dem Auftreten der verschiedenen Fehlerströme stiegen auch die Anforderungen an die Schutz­einrichtungen. Dadurch wurde die Klassifizierung von Leitungs- und Fehlerstrom-Schutzschaltern in den Normen und Richtlinien angepasst. Differenz­stromgeräte des Typs A erfassen gemäß IEC 61008-1 (2012-04) sinusförmige Wechselfehlerströme sowie pulsierende Gleichfehlerströme bei einer Frequenz von 50/60 Hz. Geräte des Typs B nach IEC 62423 erfassen zusätzlich Wechselfehlerströme mit Frequenzen bis zu 1 KHz, überlagerte Gleich- und Wechselfehlerströme sowie glatte Gleichfehler­ströme.

Aufgrund der immer häufiger auftretenden hoch­frequenten Fehlerströme wurde in der DIN VDE 664-400 (2012-05) eine Klassifizierung von Typ B+ Geräten vorgenommen. Diese erfassen zusätzlich zu den Fehlerströmen, die ein Typ B-Gerät erfasst, auch Wechselströme mit einer Frequenz bis zu 20 kHz. Daher ist bei der Auswahl der Differenz­strom-Überwachungsgeräte immer auch die Art der möglichen Fehlerströme zu beachten. Treten lediglich Wechselfehlerströme und pulsierende Gleichfehlerströme mit einer Frequenz von 50/60 Hz auf, ist ein Differenzstrom-Monitor des Typs A ausreichend. Bei Gleichfehlerströmen und hochfrequenten Wechselströmen sollte ein Gerät des Typs B/B+ zur Überwachung eingesetzt werden.

Fazit
Gleichfehlerströme und hochfrequente Wechselfehlerströme erhöhen in industriellen Anlagen die Anforderungen an die Technik zur Sicherstellung der Betriebssicherheit und Verfügbarkeit der Anlage. Durch den Einsatz der Differenzstrom-Überwachungsgeräte von Phoenix Contact werden Fehlerströme frühzeitig erkannt und gemeldet, bevor sie den kritischen Wert erreichen und eine Abschaltung der Anlage erfolgt. Ausfallzeiten und damit verbundene Kosten werden deutlich reduziert.