MSR- und Prozesstechnik: Überspannungsschutz mit Überwachungsfunktion

Anlagensicherheit in der Prozesstechnik muss hohen Ansprüchen genügen – Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit spielen für den kontinuierlichen Produktionsprozess eine wichtige Rolle. Die Vermeidung von Sach- und Umweltschäden sowie gefährlichen Situationen hat hierbei eine hohe Priorität. Hilfreich ist es, wenn dabei auch die Funktionstüchtigkeit des Überspannungsschutzgeräts überwacht wird. Ein Beitrag von Dipl.-Ing. Ralf Hausmann, Produkt-Marketing Überspannungsschutz Trabtech, Phoenix Contact.

Blitzschutznormen empfehlen eine regelmäßige Überprüfung der Schutzgeräte. Dies lässt sich über eine Sichtprüfung durchführen, wenn das Überspannungsschutzgerät (ÜSG) eine Statusanzeige besitzt. Bei den ÜSG für die MSR- und Prozesstechnik war das bislang eher die Ausnahme. Grund ist die fehlende Energie im Signalkreis - eine thermische Überwachung der Komponenten im ÜSG arbeitet dann nicht zuverlässig.

Für Abhilfe sorgt der intelligente Überspannungsschutz Plugtrab PT-IQ von Phoenix Contact. Damit wird der Zustand der Schutzgeräte über eine elektrische Messung kontinuierlich überwacht. Gemessen werden sowohl Leckströme als auch Überspannungsimpulse an jedem spannungsbegrenzenden Bauelement. Die Messergebnisse werden an einen internen Mikrocontroller weitergegeben und ausgewertet, und das Resultat dieser Auswertung wird als Status auf dem Schutzgerät angezeigt. Grün signalisiert den einwandfreien Zustand, Gelb die Annäherung an die Leistungsgrenze und Rot eine Überlastung des Schutzgerätes. Dieser Status wird auch an eine Zentraleinheit – das Kopfmodul - übermittelt.

Diese Zustandsinformationen können am Kopfmodul über potentialfreie Fernmeldekontakte weitergegeben werden. Entweder fragt zum Beispiel eine SPS direkt und drahtgebunden die Kontakte ab, oder die Zustandsinformationen werden mit Hilfe von Interface-Modulen in intelligente Meldesysteme eingebunden. Somit kann der Zustand der Schutzgeräte auch in ausgedehnten Anlagen bequem in der Leitwarte beobachtet werden. Zusätzlich kann der Service-Techniker per Mobiltelefon informiert werden.

Einsatz in explosionsgeschützten Bereichen
Da für explosionsgefährdete bauliche Anlagen ein erhöhtes Risiko mit oftmals weit reichenden Folgen für Personen und Umwelt besteht, ist ein Blitz- und Überspannungsschutz-Konzept unverzichtbar. Generell reicht es aus, die für fast alle baulichen Anlagen anzuwendende Blitzschutznorm DIN EN 62305 [1] zu betrachten. In deren Teil 2 wird das so genannte Risiko-Management der baulichen Anlage beschrieben, in dem die Auswirkungen von Blitzeinschlägen betrachtet werden. Die Norm bezieht sich auf alle baulichen Anlagen – auch auf Anlagen mit Explosionsrisiko nach DIN EN 60079-0 [2].

In diesem Umfeld hat sich die Zündschutzart „Eigensicherheit Ex-i“ als sekundäre Schutzmaßnahme als sinnvoll erwiesen. Bei dieser Zündschutzart werden Spannungen und Ströme soweit begrenzt, dass Zündenergie und Zündtemperatur eines explosionsfähigen Gemisches nicht erreicht werden. Speziell für diese eigensicheren Stromkreise ist die DIN EN 60079-11 maßgebend. Auch darin wird auf die Notwendigkeit des Blitz- und Überspannungsschutzes hingewiesen.

Bei Anlagen, die eine hohe Verfügbarkeit erfordern, ist selbst für kurze Zeit ein Ausfall nicht akzeptabel. Dann sind auch die Anforderungen an den Überspannungsschutz höher. Für derartige Anlagen sind die Produkte aus der Serie Plugtrab PT-IQ-Ex von Phoenix Contact eine gute Wahl, da sie vorausschauende Hinweise über ihren eigenen Zustand geben.

Wie wird der geeignete Schutz ­ausgewählt?
Neben den Normen für den Explosionsschutz ist auch die für ÜSG relevante Anwendungsnorm – die IEC 61643-22 – zu berücksichtigen. Die IEC 61643-22 (VDE 0845 Teil 3-2) beschreibt die Prinzipien für die Auswahl, den Betrieb, die Installation und die Koordination von ÜSG. Hier beschreibt die Norm ein mehrstufiges Überspannungsschutz-Konzept sowie die Einteilung des Gebäudes in Blitzschutzzonen.

Ein vollständiges Zonenkonzept ist insbesondere dann relevant, wenn eine äußere Blitzschutzanlage vorhanden ist. So sollte die erste Schutzstufe direkt am Gebäudeeintritt der Anforderungskategorie „D1“ entsprechen. Dieser Schutz muss so leistungsfähig sein, dass er einen Blitzstrom der Impulsform 10/350 µs von mindestens 500 A beherrschen kann.

Die zweite Stufe des Zonenkonzeptes muss die Anforderungskategorie „C2“ mit einem Ableitvermögen von mindestens 1000 A der Impulsform 8/20 µs erfüllen. Reicht der Schutzpegel aufgrund empfindlicher Geräte noch immer nicht aus, wird eine dritte Schutzstufe mit der Anforderungskategorie „C1“ erforderlich. Diese Schutzgeräte müssen ein Ableitvermögen von mindestens 250 A der Impulsform 8/20 µs aufweisen. Mit diesen drei Kategorien - „D1“ + „C2“ + „C1“ – wird die Störenergie auf einen für das zu schützende Gerät akzeptablen Wert reduziert. Details dieser Anforderungskategorien sind in der IEC 61643-21 beschrieben. Abhängig von den Installationsbedingungen und der zu erwartenden Störenergie kann auch ein einzelnes ÜSG zum Schutz mehrerer Schutzzonen eines Gebäudes genutzt werden. Dieses ÜSG muss dann mit allen drei Kategorien ausgewiesen sein.

Fix und fehlerfrei installieren
Die Schraub-Anschlusstechnik wird nach wie vor gerne verwendet. Sind jedoch sehr viele Signalleitungen zu verdrahten, kann mit der schnellen Push-in-Anschlusstechnik viel Zeit gespart werden. Damit die Verdrahtung auch fehlerfrei erfolgt, ist die Integration aller Ableiter in das Überwachungskonzept ohne Verdrahtungsaufwand möglich. Ein auf der Hutschiene befindlicher Steckverbinder sorgt dann für die erforderliche Verbindung zum Kopfmodul.

Zusammenfassung
Für explosionsgefährdete bauliche Anlagen besteht ein erhöhtes Risiko mit oftmals weit reichenden Folgen für Personen und Umwelt. Ein umfassendes Blitz- und Überspannungsschutz-Konzept ist hier unverzichtbar. Der Einsatz von Überspannungsschutz mit intelligenter Statusüberwachung bewirkt eine Reduktion der Service-Einsätze. Dieses wird durch ein Monitoring-System erreicht, das bereits einen Verschleiß der Schutzgeräte signalisiert, bevor sie durch eine Überlastung ausfallen.

Immer wissen was los ist
Besonders in Anlagen mit explosionsgefährdeten Bereichen ist ein fundiertes Blitz- und Überspannungsschutz-Konzept unverzichtbar. Hier steht neben der Verfügbarkeit der Anlage vor allem die Sicherheit von Mensch und Umwelt im Vordergrund. Zahlreiche Hersteller bieten auch für solche Anlagen Überspannungsschutzgeräte mit der Zündschutzart Eigensicherheit Ex-i an. Die meisten dieser ÜSG bieten aber keine Selbstüberwachung – was besonders in Ex-Bereichen von Vorteil wäre.

Das intelligente Überspannungsschutz-System Plugtrab PT-IQ Ex von Phoenix Contact bietet hier viele Vorteile. Schon bei einer gelben Warnmeldung kann gehandelt und der Ableiter ausgetauscht werden. Berücksichtigt man diese Warnmeldung, entfällt der Zeitdruck, den ein defekter Überspannungsschutz verursacht. Die Verfügbarkeit und Sicherheit der Anlage wird somit deutlich erhöht.