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Industrieelektronik

Schutzschalter – Die Stromversorgung mit Schaltnetzteilen bietet bei Überlast nur geringe Reserven. Elektronische Schutzschalter gewährleisten dagegen eine individuelle Versorgung und Absicherung der Verbraucher und ersparen zugleich auf der Hutschiene zahlreiche Klemmen für die Stromverteilung.

13. November 2014

Ein entscheidendes Element der Automatisierungstechnik ist eine ausreichend dimensionierte und sichere Stromversorgung aller Verbraucher mit 24 Volt Gleichspannung (DC24V). Häufig dienen dazu getaktete Schaltnetzteile, deren kompakte Maße sie für Anlagenplaner sehr attraktiv machen. Solche Netzteile besitzen jedoch vergleichsweise geringe Leistungsreserven für Fälle von Überlast, etwa bei einem Kurzschluss. Beispielsweise regeln Schaltnetzteile in der Regel beim 1,5-Fachen des Nennstroms zum Eigenschutz die Spannung am Ausgang zurück, die alle angeschlossenen Lasten versorgen soll. In der Folge bricht in allen Lastkreisen die Spannung ein, auch wenn nur in einem einzigen Verbraucher der Anlage ein Fehler auftritt – mit der zusätzlichen Konsequenz, dass Schutzelemente wie Leitungsschutzschalter im Kurzschlussfall nicht auslösen, weil das Schaltnetzteil den zur Auslösung nötigen Strom gar nicht liefern kann.

Lösen lässt sich dieses grundlegende Problem mit Hilfe von elektronischen Schutzschaltern der Baureihen ESX10-T und ESS31-T des Schaltgerätespezialisten E-T-A aus Altdorf bei Nürnberg. Diese Geräte reagieren schneller als das Schaltnetzteil auf die Überlastbedingung und schalten nur die betroffenen 24-Volt-Lastkreise selektiv ab. Erreicht wird dies durch eine Kombination aus einer aktiven elektronischen Strombegrenzung im Kurzschlussfall und einer Überlastabschaltung ab typischerweise dem 1,15-Fachen des Nenn-Stroms.

Je nach Anlagentyp und -ausrichtung lässt sich die Absicherung rein elektronisch oder durch galvanische Trennung realisieren. Die rein elektronischen Modelle ESX 10-T sind dazu für zahlreiche feste und einstellbare Nennstromstärken im Bereich von 0,5 bis 16 Ampere verfügbar und begrenzen den maximal möglichen Überstrom stets auf das 1,3- bis 1,8-Fache des gewählten Nennstroms. Eine einheitliche Abschalt-Kennlinie für alle Lastarten ermöglicht das Einschalten kapazitiver Lasten bis 75.000 µF, abgeschaltet wird jedoch ausschließlich im Überlast- oder Kurzschlussfall. Die integrierte Sicherung ist an den Gerätenennstrom und den verdrahteten Leitungsquerschnitt angepasst.

Eine galvanische Trennung im Überlastfall bieten die Geräte der Baureihe ESS31-T, die den Strom typischerweise auf das 1,2-Fache des Nennstroms begrenzen. Die Nenn-Stromstärke ist hier wählbar von 0,5 bis 12 Ampere. Die Einschaltkapazität beträgt mindestens 40.000 µF.

Individuell anpassbar

Die nur 12,5 Millimeter breiten Überstromschutzmodule für die Montage auf der Hutschiene sind als einkanalige Geräte ausgeführt und lassen sich somit individuell an die Bedürfnisse der jeweiligen Anwendung anpassen. Integrierte Schließer- oder Öffnerkontakte ermöglichen es, die Signale beispielsweise über Relais an die übergeordnete Steuerung weiterzuleiten. Eine mehrfarbige LED und integrierte Meldeausgänge signalisieren verschiedene Betriebs- und Fehlerzustände. Ein Schalter direkt am Gerät erlaubt eine gezielte Inbetriebnahme einzelner Lastkreise und das Rücksetzen nach einer überstrombedingten Abschaltung. Mit Hilfe optionaler Strom- und Signalschienen lassen sich außerdem bei Bedarf mehrkanalige Lösungen aufbauen und auch vielfältige Signalisierungsarten umsetzen.

Ein anderer Nachteil der »klassischen« Stromversorgung mittels Trafo oder Schaltnetzteil ist auch, dass diese Geräte in der Regel höchstens zwei bis drei Abgangsklemmen für Plus und Minus besitzen, was nur selten ausreicht, um alle Verbraucher von einem Punkt aus zu betreiben. Eine gängige Lösung dafür ist der Einsatz von Verteilungsklemmen auf der Hutschiene, die als Unterrangierung für die Spannungsversorgung fungieren. Dazu werden zunächst Leitungen vom Plus-Abgang zum Beispiel auf eine Klemmenunterverteilung verdrahtet, von wo aus die Leitungen zu den Schutzeinrichtungen für die jeweiligen Lasten und weiter zu den eigentlichen Verbrauchern führen.

Entsprechend wird der DC-24-Volt-Minuspfad als Rückleitung vom Verbraucher auf eine Minus-Unterrangierung verdrahtet und erst von dort aus zur Versorgungseinheit geführt. Die elektronischen Schutzschaltern von E-T-A ermöglichen dagegen eine direkte Minus-Lastrückführung zum Modul, sodass sich eine Unterverteilung direkt am Sicherungsautomaten realisieren lässt. Dies spart Zeit für die Planung einer Verteilung und Kosten für weitere Komponenten.

Absicherung nach Maß

Die Frage, ob die Absicherung bei einer solchen miniaturisierten Stromverteilungs- und Absicherungslösung rein elektronisch oder durch galvanische Trennung realisiert werden soll, hängt grundsätzlich von den jeweiligen Anlagegegebenheiten ab. Bei Anlagen, die weltweit oder in den USA eingesetzt werden sollen, müssen jedoch in jedem Falle Komponenten eingebaut werden, die der US-Norm UL508A für Schalt- und Steuerschränke entsprechen. Diese fordert die Absicherung der DC-24-V-Steuerspannung mit einem galvanisch trennenden Element, das den Stromkreis bei Überstrom öffnet. Hier ist der Geräteschutzschalter vom Typ ESS31-T nach Angaben von E-T-A derzeit das weltweit einzige Gerät, das die UL-Norm komplett erfüllt und zudem einen elektronischen Überstromschutz mit galvanischer Trennung kombiniert.

Bei komplexen Anlagen, bei denen viele Leitungen mit unterschiedlichen Spannungen von DC 24 V bis AC 400 V im selben Schaltschrank oder im gleichen Kabelkanal verlegt sind gewährleistet erst eine galvanische Trennung, dass Verdrahtungsfehler keine Auswirkung auf die DC-24-V-Steuerspannungsebene haben können. Möglich ist eine rein elektronische Absicherung ohne galvanische Trennung in der Regel nur, wenn die verwendeten DC-24-V-Geräte komplett innerhalb des abgeschlossenen Schaltschranks verdrahtet sind.bt

Auf einen Blick

- Die E-T-A GmbH in Altdorf bei Nürnberg ist ein weltweit führendes Unternehmen im Bereich der Geräteschutzschalter und Sicherungsautomaten.

- Das Produktportfolio reicht von verschiedenen Schutzschaltern über elektronische Überspannungsschutzgeräte mit und ohne galvanische Trennung bis zu komplexen Stromverteilern. Elektronischer Überstromschutz verhindert das kurzzeitige Einbrechen der Ausgangsspannung von Schaltnetzteilen bei Kurzschluss oder bei Überlast und gewährleistet zugleich eine selektive Absicherung bzw. Abschaltung.

Erschienen in Ausgabe: 08/2014