Baukastensystem für die Stromverteilung und Absicherung in Anlagen

In der Automatisierung wird die Verteilung von Energie (Strom) auf viele Verbraucher sowie deren sichere und selektive Absicherung mit geeigneten Schutzelementen oft unterschätzt. Denn hierfür sind möglichst flexibel einsetzbare Sicherungselemente und zugehörige Stromverteilungssysteme notwendig. Ein modulares Baukastensystem mit verschiedenen Komponenten wie Baugruppenträger und Gehäuse, Stromverteiler oder Schutzschalter bietet hier Freiraum für individuelle Lösungen.

Anlagen der Chemie, Pharmazie und Petrochemie sind sehr groß, räumlich weit verteilt und funktionell komplex. Sie verfügen über unzählige Verbraucher, die alle mit elektrischer Energie versorgt werden müssen. Diese Verbraucher sind in hierarchisch angeordneten Funktionsgruppen zusammengefasst und werden entsprechend gruppiert mit Strom versorgt. Somit muss die Stromversorgung in mehreren Stufen unterverteilt und abgesichert werden und dies häufig bis hinunter zum letzten Einzelverbraucher. Die Verteilung erfolgt in der Regel auf der DC-24V-Ebene mit einer (redundanten) zentralen DC-Einspeisung oder über Netzteile mittels AC 230 V auf der Primärseite dezentral je Funktionseinheit.
Letztendlich sind in der Regel aber immer die Endgeräte einer Funktionseinheit einzeln und vor allem selektiv abzusichern. So kann ein einzelner Fehler nicht zum Ausfall der entsprechenden Funktionsgruppe oder des Gesamtsystems führen. Ein Fehler, zum Beispiel ein Kurzschluss in einem einzelnen Endgerät oder in der Leitung dorthin, muss sofort erkannt, bewertet und abgeschaltet werden, bevor dieser Rückwirkungen auf parallel versorgte Verbraucher oder das übergeordnete System hervorruft. Zudem muss dieser Fehler lokalisiert und gemeldet werden, um Störungen, Stillstände oder Schäden an Mensch und Maschine zu verhindern.

Unerkannte Kurzschlüsse...
Aufgrund der Weitläufigkeit in derartigen Anlagen und den dadurch bedingten sehr langen Leitungen werden Kurzschlüsse am Endverbraucher häufig nicht als solche erkannt. Normale Sicherungen und Schutzschalter lösen also nicht aus und andere Funktionen werden dadurch gestört. Im schlimmsten Fall bleibt der Fehler unbemerkt bestehen und führt teilweise zu erheblichen Schäden, wie zum Beispiel Kabelbränden.

Dies ist vor allem im Bereich der eigentlich „harmlosen" DC-24V-Ebene ein Problem. Das Nichtauslösen bei einem Kurzschluss ist kein Mangel des Sicherungselementes, sondern durch die große Leitungslänge und speziell bei dünnen Kabeln mit dem damit verbundenen hohen Innenwiderstand rein physikalisch begründet. Schließlich lässt nach dem Ohm‘schen Gesetz dieser den zur Auslösung nötigen Stromfluss gar nicht zu.

...mit elektronischen Schutzschaltern erkennen
Abhilfe schaffen hier elektronische Schutzschalter, wie sie von E-T-A Elektrotechnische Apparate in verschiedenen Bauformen und Ausführung angeboten werden. Diese benötigen zum Auslösen einen weitaus kleineren Überstrom als herkömmliche Geräte. Sie bewerten mittels exakter Messung des Stromverlaufs die aktuelle Situation, um die nötigen Reaktionen auszuführen. Dies reicht vom strombegrenzten Laden von Kapazitäten, Akzeptieren von zeitlich begrenzten Anlaufströmen bis hin zur sofortigen Abschaltung bei vorliegendem Kurzschluss inklusive der galvanischen Abtrennung der Last. Auf diese Weise wird bei Vorliegen eines echten Fehlers stets nur der betroffene Lastkreis von der Versorgung getrennt. Gleichzeitig verhindert diese Absicherung durch die zusätzliche Fehlerstrombegrenzung das Zusammenbrechen der Versorgungsspannung und somit die Rückwirkung auf andere Teile in der Anlage. Dieser Zustand nennt sich Selektivität. Die in den Schutzschaltern integrierten Meldekontakte und optischen Anzeigen signalisieren das Auslösen auch nach außen. So lassen sich Fehler sofort lokalisieren und Maßnahmen zu ihrer Behebung einleiten.

Anpassungsfähig durch modularen Aufbau
Der Aufbau der Stromverteilung an sich erfolgt idealerweise als modulares System, um die flexible Anpassung an die örtlichen elektrischen und räumlichen Gegebenheiten leichter zu realisieren. Dies erfolgt mit Hilfe eines Baukastensystems, das mit einem Stecksystem für die Schutzschalter ausgestattet ist und über Leiterplattentechnologie die Stromverteilung und auch die Signalmeldungen ermöglicht.
Die 12,5 mm breiten Schutzschalter sind steckbar, um eine Kennlinien- und Nennstromstärkenanpassung leicht und ohne Eingriff in die Verdrahtung zu ermöglichen. Dadurch steht auch einer nachträglichen Erweiterung um zusätzliche Lastkanäle nichts im Weg. Die notwendigen Stecksockel werden in verschiedene Aufnahmen beziehungsweise Gehäuse eingebaut. Dies können 19"-Baugruppenträger, Hutschienen montierbare Systeme oder auch Kompaktmodule sein, die sich direkt auf die Montageplatte eines Schaltschrankes schrauben lassen. Standardisierte Leiterplatten stellen die elektrische Verbindung zwischen den Schutzschaltern der Lastkreise und der möglicherweise auch redundanten Einspeisung her.
Hier werden einmal auf der Line- oder Einspeiseseite über ein und bei Redundanz zwei Anschlussklemmen oder -bolzen bis zu 100 A auf die Leiterplatte gebracht und zu den einzelnen Schutzschaltern für die Lastabsicherung weitergeleitet. Hinter den Sicherungselementen lässt sich dann über weitere Klemmen direkt auf der Leiterplatte oder auf einer Hutschiene die jeweilige Lastleitung anschließen. Die Anzahl der Lastkanäle ist dabei stufig flexibel wählbar.
Des Weiteren verbindet die Leiterplatte die in den Schutzschaltern integrierten Signalkontakte (Öffner parallel und Schließer in Reihe geschaltet) zu Gruppenmeldungen. Dies kann der Nutzer extern auswerten. Auch hier erfolgt der Anschluss über diverse Klemmen. Alle Anschlussbereiche sind anwendungsbezogen frontseitig oder rückseitig zugänglich gestaltet. Auch die Zugentlastung und Rangierung der angeschlossenen Leitungen ist vorgesehen.

Wenn`s mal „ganz dick" kommt
Für die Verteilung der „ganz dicken Ströme" bis zu 600 A sorgt ein spezielles Stecksockelsystem für den Einsatz der hydraulisch magnetischen „Kraftprotze" unter den steckbaren Schutzschaltern. Diese sichern Lastabgänge bis zu 125 A ab und sind dabei inklusive Signalkontakte 19 mm breit. Dies entspricht einem herkömmlichen Leitungsschutzschalter ohne Signalkontakte. Doch auch die sensiblen und empfindlichen Lasten, wie Sensorstromschleifen mit wenigen mA Nennstrom, sind im Baukasten berücksichtigt. Schnelle magnetische Schutzschalter, ebenfalls auf Leiterplatte steckbar, schützen hier selektiv im Stromverteilungssystem, das zur Montage auf Hutschiene geeignet ist.
Alle beschriebenen Stromverteilungssysteme lassen sich mit zusätzlichen Leistungsmerkmalen erweitern. Die wichtigsten wären die Spannungs-Ok-Anzeige (LED) mit Überwachung per Relaiskontakt und Signalmeldungen für das Auslösen einzelner oder gruppierter Schutzschalter. Hinzu kommen Entkopplungsdioden für redundante Einspeisungen, die Rückwirkung auf die Spannungsquellen bei deren Ausfall verhindern und für Ströme bis 150 A verfügbar sind. Schließlich sind einige Ausführungen auch durch Standardschnittstellen wie Profibus, Ethernet und andere ergänzbar. Dies ermöglicht eine Ankopplung an ein übergeordnetes Überwachungs- und Steuerungssystem.
Ziel des flexiblen und mittlerweile sehr umfangreich angelegten Baukastensystems ist es, spezielle Anforderungen aus der Kundenapplikation sowohl in der Funktion als auch für den mechanischen Aufbau schnell und kostengünstig auch für Kleinstückzahlen zu realisieren. Das Spektrum reicht dabei von kleinen, einfachen Platinenlösungen über komplexe Baugruppenträger oder Einbaumodule bis hin zum kompletten Schaltschrank.

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