Intelligenter Überspannungsschutz: Für ein gleichbleibendes Raumklima im Labor

Wer möchte nicht wissen, wie stark ein Überspannungsschutzgerät bereits belastet wurde? Plugtrab PT-IQ von Phoenix Contact verfügt über eine Vorwarnanzeige, die mit einem gelben Licht signalisiert, dass ein baldiger Austausch erfolgen sollte. In Gebäuden mit einem hohen Anspruch an die gleichbleibende Klimatisierung - etwa in Laboren - können beeinträchtigte Geräte rechtzeitig ausgetauscht werden. Ein Beitrag von Ralf Hausmann, Produktmarketing, Netz- und Signal- Qualität Trabtech, Phoenix Contact

In den Laboren chemischer Anlagen oder in der pharmazeutischen Industrie ist ein konstantes Raumklima ein wichtiger Faktor - das zeigt dieser Beitrag am Beispiel des Schweizer Hauptsitzes eines weltweit tätigen Pharma-Unternehmens. Zahlreiche Sensoren und Aktoren steuern Temperatur, Feuchtigkeitswert und Luftqualität. Für den reibungslosen Betrieb auch bei Gewitter sorgen auch hier Überspannungsschutzgeräte (ÜSG).

Schutz von Sensoren und Aktoren

Dabei stehen die sicherheitstechnischen Einrichtungen im Fokus: Notabschaltsysteme, Gaswarn- und Brandmeldeanlagen, Flucht- und Rettungswegbeleuchtungen. Sind Überspannungen möglich, müssen die Sensoren und Aktoren mit leistungsfähigen, sich selbst überwachenden Schutzgeräten ausgerüstet werden. Dazu dient die Produktfamilie Plugtrab PT-IQ von Phoenix Contact, die stets über den Zustand der ÜSG informiert. Mit dieser Funktion kann frühzeitig ein Austausch eingeplant werden, bevor ein Schutzgerät ausfällt.

In modernen Gebäuden müssen zahleiche Sensoren und Aktoren - wie auch alle weiteren signalverarbeitenden Geräte - bei einer Blitzgefährdung in ein Schutzzonenkonzept einbezogen werden. Sensoren verwenden üblicherweise Stromschleifen von 0(4)-20 mA mit einer Nennspannung von 24 V DC. Zum Schutz dieser Systeme kommen Geräte vom Typ PT-IQ-2x2-24DC zum Einsatz, die zur Produktfamilie Plugtrab gehören - damit werden zwei Stromschleifen gleichzeitig geschützt. Aktoren mit 3- und Sensoren mit 4-Leiter-Technik hingegen benötigen eine asymmetrische Schutzschaltung, da üblicherweise ein gemeinsamer Rückleiter als Minuspol verwendet wird. Meistens wird eine Nennspannung von 24 V DC verwendet. Zum Schutz dieser Anlagenteile kommen die Geräte vom Typ PTIQ- 4x1-24DC zum Einsatz. Diese ÜSG schützen fünf Leitungen - vier Signale und den Minuspol. Durch die hohe Packungsdichte von fünf Leitern je 17,5 mm Baubreite benötigen die Schutzgeräte nur wenig Platz.

Bequem und fehlerfrei installieren

Ein weiterer Vorteil der Serie Plugtrab PT-IQ liegt in der einfachen Verdrahtung der Überwachungsfunktion. Durch einen Steckverbinder in der Hutschiene wird sowohl die Spannungsversorgung als auch die Statusmeldung - grün, gelb oder rot - übertragen. Eine zusätzliche Verdrahtung für die Überwachungsfunktion ist somit nicht erforderlich. Durch das Aufrasten des ÜSG auf die Hutschiene mit dem Steckverbinder wird die Überwachungsfunktion automatisch aktiv - die Verdrahtungsfehler-Quote sinkt somit auf null.

Die Schraub-Anschlusstechnik wird nach wie vor gerne verwendet. Bei einer hohen Zahl von Signalleitungen kann allerdings mit der schnellen „Push-in"-Anschlusstechnik viel Zeit gespart werden.

Die gesammelten Informationen der Sensoren werden in einer SPS verarbeitet. Durch den Einsatz von intelligenten ÜSG werden nicht nur die Sensoren geschützt, auch die Zustandsinformationen der Schutzgeräte werden an die Leittechnik weitergegeben. Da jedes Schutzgerät seinen Zustand an eine Zentraleinheit - den Controller PT-IQ-PTB - meldet, kann die Zustandsinformation über potentialfreie Fernmeldekontakte am Controller abgefragt werden. Die SPS gibt diese Zustandsinformationen über das LAN an die Leitwarte weiter. Da die Ethernet-Leitung des SPSLAN- Anschlusses üblicherweise die Schutzzone verlässt, ist sie mit Überspannungsschutz auszurüsten. Zum Einsatz kommt hier das Gerät DTLAN- CAT.6+, das mit seiner CAT.6A-Bandbreite eine hohe Geschwindigkeit ermöglicht.

Signalisierung im Detail

Mit dem „intelligenten" Überspannungsschutz Plugtrab PT-IQ wird der Zustand der Schutzgeräte kontinuierlich überwacht. Jedes ÜSG meldet seinen Zustand an eine Zentraleinheit, dem Controller: PT-IQ-PTB. Diese Zustandsinformationen können über potentialfreie Fernmeldekontakte weitergegeben werden. Hierbei kann eine SPS direkt und drahtgebunden die Kontakte abfragen. Die Zustandsinformationen können auch mit Hilfe von Interface-Modulen in intelligente Meldesysteme eingebunden werden. Somit kann der Zustand der Schutzgeräte in ausgedehnten Anlagen bequem in der Leitwarte kontrolliert werden.

Moderne ÜSG sind heute mehrstufig aufgebaut und nutzen eine Kombination aus Suppressor- Diode (TVS) und gasgefülltem Überspannungsableiter (GDT). Der Ausfall der ÜSG erfolgt meist schleichend und zeigt sich etwa durch das 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. Gelöst wird das Problem, indem der Leckstrom gemessen wird - beim Überschreiten festgelegter Pegel wird eine Vorschädigung signalisiert.

Der Schutz der Energieversorgung

Die energiereichsten Überspannungen sind in der Einspeisung der Energieversorgung zu erwarten. Hier sollten die Schutzgeräte nach Typklasse 1 der IEC 61643-11 spezifiziert sein. Die Blitzstromableiter der Familie Flashtrab besitzen nicht nur die Typklasse 1, sondern auch die Typklasse 2. Damit wird die Schutzwirkung erheblich verbessert. Die Blitzströme werden sicher ins Erdreich abgeleitet und ein ausreichender Schutzpegel hält Überspannungen von den elektrischen Geräten fern.

Auch auf dem Dach eines Gebäudes finden sich häufig Sensoren und Aktoren. Bei einer äußeren Blitzschutzanlage, bei der die in der Nähe verlegten Kabel nicht geschirmt sind, werden hohe eingekoppelte Spannungen erwartet. Die verwendeten Schutzgeräte für die Signalleitungen sind so auszuwählen, dass sie der Leistungsklasse „D1" für den Blitzteilstrom und der Klasse „C2" für hohe Stoßströme von kurzer Dauer (8/20 μs) standhalten. Details über die Klassen werden in der IEC 61643-21 beschrieben. Schutzgeräte für die Stromversorgung sollten so ausgewählt werden, dass sie der Leistungsklasse „T1" für den Blitzstrom und „T2" für die energiereichen Überspannungen standhalten.

Damit wird das Risiko einer Zerstörung der Geräte oder der Anlage auch bei energiereichen Einkopplungen durch Blitzschlag minimiert. Voraussetzung ist allerdings ein fachgerechtes niederimpedantes Erdungssystem, bei dem alle Geräte in den Potentialausgleich einbezogen wurden.