Erschienen am: 14.11.2017, Ausgabe SPS-MAGAZIN SPS-Special 2017

Schutzschalter: Mit oder ohne galvanische Trennung?

Sichere Trennung

In allen Industrien kommen elektronische Lösungen für den Überstromschutz der Verbraucher der DC 24V-Ebene wie SPS, Aktorik/Sensorik, Busmodule oder dezentrale Peripherie zum Einsatz. Zum einen handelt es sich um rein elektronische Sicherungen mit Mosfet, zum anderen um elektronische Schutzschalter, die zusätzlich noch ein trennendes Schaltelement mit integriert haben. Die Frage ist: welches Gerät ist aber für welche Anwendung geeignet?


Der Elektronische DC-24V-Sicherungsautomat Rex12 bietet selektiven Überstromschutz.
Bild: E-T-A Elektrotechnische Apparate GmbH

Je nach Einsatzgebiet folgt die Projektplanung in der Steuerungs- und Automatisierungstechnik einer individuellen Konfiguration. Diese bildet die tatsächlichen örtlichen Gegebenheiten ab, ebenso wie die Anforderung von Endbetreibern und Abnahmebehörden, wie z.B. VDE, UL, CSA usw. Dies gilt für den Serien-/Sondermaschinenbau ebenso wie für die Anlagentechnik oder die Gebäude-/ Prozessautomatisierung Die folgenden Anwendungsbeispiele zeigen dabei den Unterschied beim Einsatz elektronischer Überstromschutzgeräte auf.

Maschinenbau

Für die Absicherung der DC 24V-Steuerspannung primär getakteter Schaltnetzteile verwendet ein Maschinenhersteller für Produktionsanlagen von Pkw-Komponenten die elektronischen Sicherungsautomaten Rex12. Alle Aktoren werden hier über Sicherheitsschaltgeräte abgeschaltet. Eine nach der Maschinenrichtlinie 2006/42/EG mögliche, gefahrbringende Bewegung ist damit ausgeschlossen. Die elektronische Sicherung ermöglicht den stabilen Betrieb der Netzteile auch bei Kurzschluss oder Überstrom in den Lastkreisen. Eine einfache Fehlersuche, sowie hohe Maschinenverfügbarkeit in der laufenden Drei-Schicht-Produktion, sind die Konsequenz. Dafür hat das Gerät als Basisschutz eine integrierte Schmelzsicherung. Diese ist mit dem aufgedruckten Gerätenennstrom identisch, was wichtig für den Elektrokonstrukteur der Anlage ist. Dieses Konzept ist die preisgünstigste Lösung im DC-24V-Überstromschutz. Die Rex12 Elektronik schützt gleichzeitig die integrierte Schmelzsicherung und alle Lastleitungen vor Überlast bzw. Kurzschluss. Dies ist sowohl ein- als auch zweikanalig möglich, was bei Erweiterungen der elektrischen Ausrüstung eine wichtige Rolle spielt. Ein flexibler und modularisierter Aufbau unterschiedlicher Absicherungs-Ebenen ist in der genannten Anwendung ebenfalls realisiert. Auch die Trennung der beiden DC-24V-Spannungspotenziale für Elektronik- bzw. Lastspannung funktioniert einfach: Ein Schütz zwischen den beiden Gruppen ermöglicht eine sichere Abschaltung der Lastspannung, während die Elektronikspannung für die Busversorgung weiterläuft. Die Bauhöhe von 80mm ermöglicht dabei den Einbau des Schutzschalter zwischen die Kabelkanäle mit Abstand 100mm, die Kanalbreite von 6,25mm bei 2-kanaligen Geräten zudem eine hohe Packungsdichte. Die Potenzial- und Signalverteilung erfolgt über die integrierten Kontakthebel, dadurch entfallen externe Strom/

-/Signalschienen.. Bei der Inbetriebnahme des Anlagensegments fiel auf, dass noch ein zusätzlicher 2A-Stromkreis für einen weiteren Näherungsschalter mit einem niedrigen Anschlussquerschnitt zu integrieren ist. Die Lösung dafür war denkbar einfach: Der 1-kanaligen Rex12-2A wurde durch ein 2-kanaliges Gerät mit Nennstrom 2A/2A ersetzt und die beiden Stromkreise angeschlossen.

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Absicherung mit einem Schutzschalter

Wichtiges Merkmal des Maschinenbaus ist die Absicherung von Verbrauchergruppen mit nur einem einzigen Schutzschalter. Dies bedarf zusätzlich einer größeren Anzahl von Potentialverteilerklemmen. Hier bietet das Rex12-Portfolio ein Verteilungs- und Einspeisekonzept für die gesamte DC-24V-Absicherung. Die Verteilung besteht aus unterschiedlichen Einspeisemodulen für das Plus- und Minuspotential, sowie den neuen Potentialerweiterungsmodulen für die Plus- und Minus-Vervielfältigung der Laststromkreise. Die jeweils nur 12,5mm schmalen Verteilermodule in Push-In Technologie ermöglichen eine werkzeuglose Verdrahtung für DC 24V/40A und weisen einen Leitungsquerschnitt von 10mm² auf. Lastabgangsseitig wird der Sicherungsautomat sowie die Erweiterungsmodule mit 2,5mm² verdrahtet. In der IO-Link-Version bietet das Gerät einen Zusatznutzen, der sonst nur mit teuren und verdrahtungsintensiven Gerätekombinationen erreichbar ist. Der Anschluss von 16 Rex12D-Kanälen erfolgt an nur einem einzigen Port des IO-Link Masters. Zudem verfügt diese Variante über eine integrierte Koppelrelais-Funktion, eine eindeutige Unterscheidung von Kurzschluss bzw. Überlast, erlaubt die Einstellung eines Strom-Grenzwertes und bietet zudem einen Auslösezähler für wiederkehrende Fehler sowie ein integriertes Strom- und Spannungsmessgerät.

Chemie und Prozesstechnik

In der Prozesstechnik für Chemieanlagen hat sich der Einsatz elektronischer Schutzschaltern mit integrierter galvanischer Trennung als Standard etabliert. Dazu kommt, dass beispielsweise der Low Energy Breaker vom Typ ESS30-S trotz 2/3 der bisherigen Einbauhöhe eine Reduktion der Gesamt-Verlustleistung um ca. 30 Prozent im Vergleich zu seinem Vorgängermodell ESS20 bietet. Zentrales Argument für den Einsatz dieses Schutzschaltertyps ist dabei die galvanische Trennung. Bei rein elektronischen Sicherungen ohne galvanische Trennung fließt bei den im DC-24V-Bereich eingesetzten Power-Mosfets auch im gesperrten Zustand immer ein kleiner Leckstrom durch den Lastkreis. Diese Rückspeisung lässt sich mit der zusätzlichen galvanischen Trennung über einen integrierten Schaltkontakt verhindern. Die normenkonforme galvanische Trennung nach IEC EN60934 und UL 1077 verhindert im Fehlerfall jegliche Rückspeisung der Lastkreise auf die DC-24V-Ebene. Hinzu kommt, dass auch im Servicefall oder bei Revisionsarbeiten im Feld durch die mechanische Abschaltung eine echte Luft- und Kriechstrecke vorhanden ist, also garantiert kein Strom mehr fließt. Gleichzeitig sorgt die integrierte Strombegrenzung beim 1,2-fachen Nennstrom für eine zuverlässige Absicherung von DC-24V-Lasten wie Steuerungskomponenten, Messumformer, Busmodule und verhindert gefährliche Anlagenzustände. Hinzu kommt, dass der ESS30-S im Vergleich zu Standard-Leitungsschutzschaltern die zuverlässige Absicherung von langen Lastleitungen mit niedrigen Leitungsquerschnitten bietet. Der Überlast-Abschaltpunkt beim 1,2-fachen Nennstrom erfüllt die normative Anforderung, dass auch bei hochohmigen Erdschlüssen eine Abschaltung des Stromkreises nach spätestens 5sec zu erfolgen hat. Damit ist das Gerät ideal für den Einbau in platzsparende 19"-Baugruppen, sowie zentrale und dezentrale Energieverteiler. Feste Nennströme von 0,5 bis 10A und eine Abschaltkennlinie für alle Lasten ergeben eine einfache Faustformel für die Elektroplanung:

Abschaltstrom = Maximalstrom = 1,2x Nennstrom

Dies macht die Auswirkungen eines Fehlers im Lastkreis wie Kurzschluss oder Überlast im Vorfeld einfach berechenbar. Ein weiteres Einsatzkriterium ist die Verwendung des steckbaren ESS30-S in Kombination mit dem modularen Stromverteilungssystems vom Typ Modul 18plus. Diese beinhalten ein komplettes Montagesystem und eine vollwertige 80A-Potenzialverteilung der DC-24V-Steuerspannung. Dies erlaubt den redundanten Betrieb von zwei parallel geschalteten 40A-Netzteilen und den Einsatz in den batteriegepufferten Stromversorgungssystemen der Sicherheits-Leittechnik. Die gesamten Anschlussklemmen in Push-in Technologie für die Lasten und alle internen Verbindungsleitungen sind bei dem 18plus Modul bereits integriert. Zusätzliche Potentialverteilerklemmen auf der DIN-Schiene mit Montage- und Verdrahtungsaufwand entfallen. Die ESS30-S/18plus-Kombination ist ebenso geeignet für den Einbau in platzsparende 19"-Baugruppen, sowie zentrale und dezentrale Energieverteiler der Leit- und Prozesstechnik.

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