Derzeit werden elektrische Stromkreise in Gebäuden im Wesentlichen durch zwei verschiedene Schutzschalter abgesichert: Überstromschutzeinrichtungen sowie Fehlerstromschutzschalter. Überstromschutzeinrichtungen, z.B. eine Sicherung oder ein Leitungsschutzschalter, unterbrechen einen Stromkreis, wenn der elektrische Strom einen bestimmten Wert für eine bestimmte Zeit überschreitet. Sie schützen Leitungen oder andere Geräte vor Schäden durch übermäßige Erwärmung, die durch den über einen längeren Zeitraum fließenden Überstrom entstehen würde. Ein Überstrom kann durch eine Überlast oder einen Kurzschluss verursacht werden. Fehlerstrom-Schutzschalter (RCCB – Residual Current operated Circuit Braker) sollen verhindern, dass man einen tödlichen Stromschlag bekommt, wenn man etwas Stromführendes berührt, z. B. einen blanken Draht. Sie bieten ein höheres Maß an Personenschutz, als gewöhnliche Sicherungen und Leistungsschalter, und sind empfindliche Sicherheitseinrichtungen, die den Strom im Falle eines Fehlers automatisch abschalten. Dies soll vor der Gefahr von Stromschlägen und Bränden aufgrund von Erdschlüssen schützen.
Differenzströme in Frequenzumrichtern
In den letzten Jahren hat es auf dem Gebiet der Personenschutzschalter große Veränderungen und Entwicklungen gegeben, da viele nicht-lineare Verbraucher, wie Frequenzumrichter, im Fehlerfall höherfrequente Anteile oder auch Gleichströme als Differenzstrom generieren können. So können im Fehlerfall bei Frequenzumrichtern im DC-Zwischenkreis Gleichströme auftreten. Am Ausgang sind dagegen höherfrequente Anteile im Differenzstrom zu erwarten. Dieser Umstand führt dazu, dass bei der Verwendung eines RCCBs, die Typenspezifikation B oder B+ notwendig ist. Diese Typen können Gleich-, Wechsel- sowie höherfrequente Ströme detektieren und verarbeiten.
Neben den verschiedenartigen Fehlerströmen besteht auch die Möglichkeit, dass systembedingte Ableitströmen entstehen, die bei der Differenzstrommessung mitgemessen werden. Sie können durchaus Pegel erreichen, so dass ein RCCB nicht mehr für den Brandschutz (300 mA) eingesetzt werden kann. Hochfrequente Anteile im Stromsignal können beispielsweise durch Filter oder Kabelkapazitäten gegen Erde abfließen. Darüber hinaus kommt es vor, dass Stromspitzen während des Einschaltprozesses von Motoren oder anderen induktiven Betriebsmitteln auftreten. Dies kann zu Fehlauslösungen der Fehlerstrom-Schutzeinrichtung führen. Fertigungsprozesse werden dann abrupt unterbrochen, so dass eventuell ganze Chargen an halbfertigen Gütern entsorgt werden müssen.
Messen statt abschalten
Aus den genannten Gründen verzichten Anlagenbauer gerne auf freizugängliche Steckdosen und dürfen aufgrund dessen auf Fehlerstromschutzeinrichtungen wie einen RCCB verzichten. Aus sicherheitstechnischer Sicht ist eine Absicherung in Bezug auf den Differenzstrom aber immer angeraten. Abhilfe kann ein Differenzstrommonitor (RCM – Residual Current Monitor) schaffen. Im Gegensatz zum RCCB kann dieser die Versorgungsleitung nicht selbstständig unterbrechen. Er misst lediglich den Fehlerstrom gibt den Wert über eine geeignete Schnittstelle aus. Darüber hinaus verfügen RCMs über einen oder mehrere Relaisausgänge, die wiederum zur Ansteuerung von Leistungsschaltern verwendet werden können.
Die als Typ B+ ausgeführten RCM-Lösungen von Danisense verfügen über einen Relaisausgang und ggeben einen TRMS-Wert als 4 bis 20mA-Singal aus. Dieses Maschinenstandardsignal kann sehr leicht durch eine SPS oder ein universelles Messgerät verarbeitet werden. Für eine tiefergehende Analyse kann darüber hinaus das USB-Interface an einen Laptop mit dazugehöriger kostenloser Analysesoftware angeschlossen werden. Mit dieser Konfiguration ist es möglich, das Stromsignal noch detaillierter zu untersuchen. Die Software bietet unter anderem eine Oszilloskop-Ansicht und eine FFT-Analyse. Für die Berechnung der TRMS-Werte haben Anwender die Möglichkeit den Relais-Ansprechstrom und damit den Messbereich sowie das Integrationsintervall in der Analysesoftware oder direkt im Bedienterminal am Sensor auszuwählen.
Gerade mit dem Integrationsintervall Long (1.000ms) können die unerwünschten Einschaltstromspitzen in den Messwerten am 4-20mA-Ausgang deutlich geglättet werden. Auch eine automatische Auswahl der passenden Parameter ist möglich. Durch gleichzeitiges Drücken der beiden Tasten Rated RC Limit und Integration Time wird der Differenzstrom analysiert und die empfohlenen Parameter automatisch dem Anwender vorgeschlagen.
Differenzstrommonitoring mit der SPS
In komplexen Industrieanlagen sind systembedingte Ableitströme keine Seltenheit. Auch wenn die kontinuierliche Differenzstromüberwachung aufgrund der internationalen Normung die Isolationsprüfung ersetzen kann, ist eine Analyse des Isolationswiderstandes über die Messwerte nicht ganz einfach. In erster Linie, da in der Anlage verschiedenste Einzelverbraucher angesteuert werden, die in der Summe unterschiedliche systembedingte Ableitströme erzeugen.
Diese Herausforderung kann in einer Maschinensteuerung aber intelligent gelöst werden. Durch die Verknüpfung der verschiedenen Maschinenzustände mit den gemessenen Differenzstromwerten direkt nach der Inbetriebnahme sowie den erfolgreichen Sicherheitstests kann eine gesunde Messdatenbasis in der SPS gespeichert werden. Mit diesen Daten ist es dann möglich eine zuverlässige und aussagekräftige Überwachung der Produktionsanlage durchzuführen.
In vielen Fällen lässt sich durch den Einsatz eines Differenzstrommonitors eine Isolationsprüfung, die Teil der von Aufsichtsbehörden geforderten periodischen Sicherheitsprüfung ist, vermeiden. In Liegenschaften, die Teil der kritischen Infrastruktur sind, wie Rechenzentren und Krankenhäuser, sind RCM-Geräte bereits vorgeschrieben. Auch für Anwendungen in der Industrie, wo unvorhergesehene Maschinenausfälle ein Problem darstellen, sind sie von Vorteil. Das Differenzstrommonitoring ist die richtige Lösung zur Verbesserung der Sicherheit und Systemverfügbarkeit im Falle von Isolationsfehlern in industriellen Produktionsanlagen. Aus diesem Grund haben bereits erste SPS-Hersteller Differenzstrommonitore in ihr Portfolio mit aufgenommen.
