Überstromschutz für die DC24V-Energieversorgung

Selektiver Überstromschutz für Sicherheitsschaltgeräte, Not-Aus-Kreise oder Safety-SPS gemäß Maschinenrichtlinie

05.08.2010 | Autor / Redakteur: Erich Fischer* / Wolfgang Leppert

Die Schutzziele der Maschinenrichtlinie bedeuten für den Überstromschutz, dass jeder Anlagenplaner die Anforderungen der Norm EN 60204-1 berücksichtigen muss.
Die Schutzziele der Maschinenrichtlinie bedeuten für den Überstromschutz, dass jeder Anlagenplaner die Anforderungen der Norm EN 60204-1 berücksichtigen muss.

Die Richtlinie 2006/42/EG soll Maschinen und Anlagen in jeder Phase des Lebenszyklus betriebssicher machen. Ein Aussetzen der DC24V-Energieversorgung darf zu keiner gefährlichen Situation führen, denn die DC24V-Steuerspannung speist in der Regel auch Sicherheitsschaltgeräte, Not-Aus-Kreise oder Safety-SPS. Der selektive Überstromschutz ist damit ein wichtiger Baustein im Konformitätsverfahren zur CE-Kennzeichnung.

Maschinen und Anlagen müssen in jeder Phase ihres Lebenszyklus eine dauerhafte Betriebssicherheit aufweisen. Dies stellt die Maschinenrichtlinie 2006/42/EG sicher. Die EU Kommission hat die Konformitätsvermutung für die bestehende EN 954-1 bis Ende 2011 verlängert. Bis dahin können Hersteller und Betreiber von Maschinen die EN 954-1:1996 und EN ISO 13849-1:2008 parallel anwenden, um die Vermutungswirkung nach der Maschinenrichtlinie zu erlangen. Für den Überstromschutz in Maschinen und Anlagen bedeuten die Schutzziele der Maschinenrichtlinie, dass jeder Elektrokonstrukteur und Anlagenplaner die Anforderungen der Norm EN 60204-1 (Sicherheit von Maschinen, Elektrische Ausrüstung von Maschinen) berücksichtigen muss.

Im Mittelpunkt steht hier der Stand der Technik, denn nur eine professionelle Elektrokonstruktion garantiert wirklichen Schutz vor Überhitzung oder Kabelbrand. Dabei muss der Nennstrom von Schutzschalter oder Sicherungselement auf den minimalen Leiterquerschnitt angepasst sein. Zu gefährlichen Situationen durch ein Aussetzen der gesamten DC24V-Energieversorgung darf es zu keiner Zeit kommen, denn die DC24V-Steuerspannung speist in der Regel auch Sicherheitsschaltgeräte, Not-Aus-Kreise oder die Safety-SPS. Für die durchgängige Performance des Gesamtsystems ist damit der selektive Überstromschutz entscheidend — und zugleich ein wichtiger Baustein im Konformitätsverfahren für die CE-Kennzeichnung.

Auswahl der Schutzeinrichtungen vor Überstrom spielt wichtige Rolle

Gegen Überlast und Kurzschluss ist (nach EN 60204-1, Abs. 7.2) immer dann ein Überstromschutz vorzusehen, wenn der Strom in einem Steuerstromkreis entweder den Bemessungswert eines Bauteils oder die Strombelastbarkeit eines Leiters überschreiten kann. Der Bemessungsstrom von Sicherungen und Schutzschaltern muss dabei so niedrig wie möglich gewählt werden. Dies bedeutet, dass das schwächste Glied in dieser Kette niemals die Leitung, sondern immer das vorgeschaltete Schutzorgan sein muss. Die Auswahl dieser Schutzeinrichtungen spielt bei der Verhinderung eines Kabelbrands und der Absicherung von Steuergeräten gegen Beschädigungen durch Überstrom eine wichtige Rolle.

Einfaches Berechnungsprogramm erleichtert die Elektrokonstruktion

Programm zur Selektivitätsberechnung von DC24V-Steuerstromkreisen: Absicherung mit elektronischem Schutzschalter ESS20, Nennstrom 3A
Programm zur Selektivitätsberechnung von DC24V-Steuerstromkreisen: Absicherung mit elektronischem Schutzschalter ESS20, Nennstrom 3A
Programm zur Selektivitätsberechnung von DC24V-Steuerstromkreisen: Absicherung mit C-Automaten, Nennstrom 3A
Programm zur Selektivitätsberechnung von DC24V-Steuerstromkreisen: Absicherung mit C-Automaten, Nennstrom 3A

Bereits so früh wie möglich soll der Elektroplaner eine durchgängige Elektrokonstruktion entwerfen können. Dafür existiert als nützliches Tool ein einfaches Berechnungsprogramm für DC24V-Kreise auf Excel-Basis (Anforderung per E-Mail: info@e-t-a.de). In dieses Programm lassen sich die vorliegenden Elektrik-Gegebenheiten in der Maschine eingeben: beispielsweise für Stromversorgung (Nennstrom, Überlaststrom, Gesamtbelastung), Überstromschutz (Typ, Kennlinie, Nennstrom) und Verdrahtungsparameter (Länge, Querschnitt) der Schaltschrank- und Feldkomponenten.

Sollte eine Eingabe nicht plausibel oder nicht zulässig sein (falls etwa der Nennstrom des Schutzschalters kleiner ist als der Laststrom oder falls der Leitungsquerschnitt für den eingegebenen Laststrom zu gering sein sollte), dann erscheint eine entsprechende Fehlermeldung, gekennzeichnet durch einen auffällig roten Balken.

Die Resultate des Programms sind nachvollziehbare Antworten auf wesentliche Fragen:

  • Ist bei Überlast/Kurzschluss in einem ausgewählten Stromkreis die Selektivität gegeben (siehe Bild 1a in der Galerie)?
  • Ist die Performance des DC24V-Systems gewährleistet oder ist ein Spannungseinbruch zu erwarten (siehe Bild 1b in der Galerie)?
  • Warum funktionieren normale Leitungsschutzschalter nur in sehr eng begrenzten Anwendungsfällen?
  • Passt der verwendete Leitungsquerschnitt zum gewählten Schutzschalter? Oder ist hier die Leitung das schwächste Glied in der Kette?
  • Welcher Spannungsfall ist in diesem Lastkreis zu erwarten?

Das Excel-Programm bietet vier Registerblätter, die eine Kurzanleitung sowie die Nennströme, Kennlinien und Innenwiderstände der verschiedenen Überstromschutzgeräte (elektromechanische und elektronischen Schutzschalter) hinterlegen. Dazu kommt eine einfache Bewertung der typischen Strombelastbarkeit von Leitungen ab Querschnitt 0,14 mm². Die einschlägigen Normen und Vorschriften für Überstromschutz sowie die Kabeleigenschaften, Isolationswerkstoffe, Verlegeart, Umgebungstemperatur etc. müssen natürlich zusätzlich berücksichtigt werden.

Für kurzen Stillstand mit schneller Fehlerbehebung und sofortigem Neustart

Die Anwendung des Tools zeigt, dass bei DC24V-Systemen nur elektronische Schutzschalter oder elektronische Sicherungsautomaten mit den Nennströmen 0,5 A bis 12 A die Anforderung der Maschinenrichtlinie sicher treffen. Denn bei langen Lastleitungen oder niedrigen Leitungsquerschnitten wird der Überlaststrom ab dem 1,1-fachen Nennstrom schon innerhalb von fünf Sekunden abgeschaltet. Dies ermöglicht im Vergleich zu Leitungsschutzschaltern (LS) eine sehr rasche Überstromabschaltung auch bei Lastleitungen mit hoher Dämpfung.

Elektronischer Schutzschalter und Sicherungsautomat mit Zulassungen für weltweiten Einsatz
Elektronischer Schutzschalter und Sicherungsautomat mit Zulassungen für weltweiten Einsatz

Der elektronische Schutzschalter ESS20 und Sicherungsautomat ESX10-T begrenzen den Kurzschlussstrom auf das 1,8-fache des Nennstroms und schalten den fehlerhaften Stromkreis nach zirka 100ms ab. Sie tolerieren auftretende Stromspitzen beim Einschalten und im Betrieb, können kapazitive Lasten mit 20000 μF und sogar 24-VDC-Motoren absichern.

Diese Eigenschaften ermöglichen eine berechenbare und nachvollziehbare Elektrokonstruktion, da bei LS häufig der notwendige Auslösestrom wegen der Leitungsdämpfung gar nicht fließen kann und das Schaltnetzteil die Ausgangsspannung abgeregelt. Der elektronische Überstromschutz schaltet selektiv den fehlerhaften Pfad ab. Die anderen Stromkreise arbeiten unbeeinflusst weiter und ermöglichen so eine schnelle Fehlerbehebung, eine kurze Stillstandszeit und einen schnellen Neustart der Produktion.

Ohne Einschränkung sichern ESS20 und ESX10-T alle DC24V-Steuerstromkreise normenkonform ab. In den UL-Zulassungen (UL 1077 und UL 508 im Abschnitt „General“) ist beschrieben, dass beide wegen der integrierten Strombegrenzung prädestiniert sind für die Absicherung von DC24V-Steuerstromkreisen in Schaltschränken, die gemäß UL 508A (Industrial Control Panel) errichtet sind.

Der ESS20 mit galvanisch getrennter Überstromabschaltung hat in den Nennstromwerten von 0,5 A bis 10 A neben der UL 1077 als „Supplementary Protector“ auch eine Zulassung nach EN/IEC 60934 als echter Geräteschutzschalter mit einer elektronisch-hybriden Kennlinie. Damit existiert ein mechatronischer Schutzschalter, weltweit zugelassen nach internationalen Normen.

*Erich Fischer, Leitung Sparte Automation & Process Control, E-T-A Elektrotechnische Apparate, Altdorf

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