Überspannungsschutz für Ex-Bereiche
Condition Monitoring-Funktionen, die den Zustand der Schutzelemente im Überspannungsschutzgerät kontinuierlich überwachen, gewinnen zunehmend an Bedeutung. Überspannungen können zur Zerstörung elektronischer Komponenten in Systemen der Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik (MSR) führen und damit deren Verfügbarkeit deutlich herabsetzen. Durch den Einsatz von Überspannungsschutzgeräten (ÜSG) werden Überspannungsschäden vermieden – die Verfügbarkeit dieser Systeme wir dadurch wesentlich erhöht. Weil moderne Überspannungsschutz-Schaltungen so dimensioniert werden, dass Überspannungen auf ein für die zu schützenden Systeme verträgliches Maß begrenzt werden, bieten ÜSG einen wirksamen Schutz.
Für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen – sogenannten Ex-Bereichen – müssen die Geräte aber spezielle Anforderungen erfüllen. Neben der eigentlichen Schutzfunktion besitzen moderne ÜSG daher ein Condition Monitoring für die integrierten Schutzelemente. Dieses Monitoring ermöglicht eine zustandsorientierte und somit kostensparende Wartungsstrategie.
Neben den Anforderungen an das Stoßstrom-Ableitvermögen und an die spannungsbegrenzende Wirkung müssen ÜSG für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen weitere – Ex-Schutz-spezifische – Anforderungen erfüllen. So müssen beispielsweise erhöhte Trennabstände und maximale Oberflächen-Temperaturen eingehalten sowie die Anforderungen der jeweiligen Zündschutzart erfüllt werden. Diese Anforderungen sind in der Normenreihe EN 60079 festgelegt.
Zu Beginn der Entwicklung wurden die Anforderungen so gesteckt, dass das ÜSG in der Ex-Zone 2 installiert werden kann. Dabei können Signaladern vor Überspannungen geschützt werden, die bis in die Ex-Zone 0 geführt werden dürfen. Durch das integrierte Condition Monitoring ist es nun möglich, Informationen zum Zustand der im explosionsgefährdeten Bereich installierten ÜSG fern zu melden. Das Überspannungsschutzsystem Plugtrab PT-IQ Ex von Phoenix Contact erfüllt die strengen Anforderungen, die an Oberflächen-Temperaturen gemäß der Temperaturklasse T6 gestellt werden. So wird die Zündung eines umgebenden Gases durch heiße Oberflächen am ÜSG wirksam vermieden.
Schutzschaltung für eigensichere Stromkreise
Das Ableitvermögen für Stoßströme von ÜSG, die zum Schutz eigensicherer Stromkreise (Zündschutzart Eigensicherheit ia [1]) eingesetzt werden, beträgt für Stoßströme der Kurvenform 8/20 μs in der Regel 10 kA. Die zu diesem Zweck eingesetzten Schutzschaltungen sind üblicherweise mehrstufig aufgebaut, damit das geforderte Ableitvermögen für Stoßströme in Verbindung mit den notwendigen spannungsbegrenzenden Eigenschaften erreicht wird. Dabei ist der Einsatz von Gasentladungs-Ableitern (gas discharge tube, GDT) in Kombination mit Suppressordioden (transient voltage suppressor, TVS) gängige Praxis.
Die Vorteile von TVS-Dioden liegen in einer schnellen Ansprechzeit sowie in einer guten spannungsbegrenzenden Wirkung. Nachteilig ist aber die vergleichsweise geringe Stoßstrom-Tragfähigkeit. Ein hohes Stoßstrom-Ableitvermögen von mehreren kA wird erst im Zusammenspiel mit einem GDT erreicht. Neben dem Vorteil des hohen Stromableitvermögens weisen GDTs jedoch ein vergleichsweise langsames Ansprechverhalten auf.
Sollen die Vorzüge beider Bauteile miteinander kombiniert werden, muss der GDT die Stoßströme „übernehmen“, bevor die TVS-Diode überlastet wird. Dieses Zusammenspiel – auch Kommutierung genannt – wird durch die integrierten Widerstände R gesteuert. Während der Dimensionierung der Schaltung ist neben einem guten Kommutierungsverhalten auch die Verlustleistung, die der fließende Betriebsstrom verursacht, und die damit einhergehende Erwärmung zu begrenzen.
Ein zusätzlich in der Schutzschaltung eingesetzter 3-Elektroden-GDT erfüllt die Anforderungen an die Isolationsfestigkeit von eigensicheren Stromkreisen gegen Erde (EN 60079-14 [2]). Gleichzeitig schützt dieser GDT vor Überspannungen, die zwischen Signaladern und Erdpotenzial auftreten. Werden die zuvor beschriebenen Zusammenhänge berücksichtigt, empfiehlt sich der Einsatz von leistungsfähigen TVS-Dioden, GDTs mit niedriger Ansprechspannung sowie niederohmiger Kommutierungs-Widerstände. Dieses moderne Schaltung-Design liegt allen ÜSG der Produktfamilie Plugtrab PT-IQ zu Grunde.
Condition Monitoring
Beim Einsatz von ÜSG an schwer zugänglichen Orten, wie es bei der Installation in Ex-Bereichen oftmals der Fall ist, ist ein Monitoring der Schutzelemente im ÜSG sinnvoll – in Verbindung mit einer Fernmeldefunktion. Durch ein Monitoring von Alterungsindikatoren wird auch eine zustandsorientierte Wartungsstrategie möglich. Bezogen auf die Bauelemente der Schutzschaltung bietet sich die Detektion der Gasentladung im GDT sowie die Messung des Leckstromes durch die TVS-Diode an. Die Detektion der Gasentladung erfolgt dabei mit einem optischen Sensor FT. Die Messung des Leckstromes durch die TVS-Diode wird mit einem Optokoppler OPT realisiert und erfolgt galvanisch getrennt. Dies ist notwendig, um die Anforderungen der Zündschutzart Eigensicherheit zu erfüllen.
Struktur des Condition Monitoring: Das Blockdiagramm zeigt einen grundlegenden Aufbau eines Monitoring von elektrischen Bauelementen, mit dem Alterungseffekte erkannt werden.
Mit der hier vorgestellten Schaltung lassen sich Informationen zu Anzahl und Dauer der Ableitvorgänge an GDT und TVS-Diode gewinnen. Außerdem wird erkannt, wenn eine zuvor definierte Leckstrom-Schwelle überschritten wird. Durch Weiterverarbeitung und Analyse mittels geeigneter Algorithmen lassen sich auf Basis der gemessenen physikalischen Kenngrößen Aussagen zur Bauteilbeanspruchung und -veränderung treffen. In einem weiteren Schritt erfolgt eine Klassifizierung und Ausgabe einer Statusmeldung.
Fazit
Das neuartige Überspannungsschutzgerät Plugtrab PT-IQ Ex bietet eine hohe Schutzwirkung bei Überspannungen. Durch die integrierte 2-stufige Schutzschaltung wird – bei gleichzeitig niedrigem Schutzpegel – ein hohes Ableitvermögen für Stoßströme erreicht. Bei einer Modulbreite von nur 17,5 mm lassen sich bis zu zwei Stromkreise sicher vor Überspannungen schützen. Das Schutzgerät eignet sich für den Einsatz in der Ex-Zone 2 und schützt eigensicher ausgeführte Stromkreise, die bis in die Ex-Zone 0 geführt werden können. Gleichzeitig werden die Anforderungen der anspruchsvollsten Temperaturklasse T6 erfüllt. So ist auch der Einsatz des ÜSG selbst in einer explosionsgefährdeten Umgebung mit Gasen niedriger Zündtemperatur problemlos möglich. Durch die integrierte Zustandserfassung und -bewertung der Schutzbauelemente können zudem Vorschädigungen erkannt und Wartungseinsätze im Vorfeld geplant – und so Kosten gesenkt werden.
von Dr. Gernot Finis und Steffen Pförtner, Phoenix Contact GmbH & Co. KG