Überspannungsschutz für Industriemaschinen ist in den USA Pflicht

| Autor / Redakteur: Julian Saele * / Thomas Kuther

Maschinenbauer aufgepasst: Neue Industriemaschinen für den US-Markt müssen seit 2018 in den meisten Staaten mit Überspannungsschutz ausgestattet werden.
Maschinenbauer aufgepasst: Neue Industriemaschinen für den US-Markt müssen seit 2018 in den meisten Staaten mit Überspannungsschutz ausgestattet werden. (Bild: Phoenix Contact)

In den USA ist Überspannungsschutz bei Industriemaschinen mit Sicherheitskreisen Pflicht. Dies ist aber mit den passenden Überspannungsschutzgeräten recht einfach umzusetzen.

Andere Normen, Vorschriften und Herangehensweisen – das macht den Export von Maschinen nach Nordamerika zu einer Herausforderung. Seit 2018 ist in den meisten Bundesstaaten der USA Überspannungsschutz für Industriemaschinen vorgeschrieben. Deren richtige Auswahl gestaltet sich aber anders als in der IEC-Normenwelt. Mit den passenden Überspannungsschutzgeräten von Phoenix Contact kann dieser Punkt einfach abgehakt werden (Aufmacherbild).

Auch in Nordamerika hat das Thema Sicherheit einen hohen Stellenwert. Das betrifft nicht nur das öffentliche Leben, sondern auch die körperliche Unversehrtheit eines jeden Einzelnen. So kommt es, dass die wichtigsten Regelwerke Sicherheitsnormen sind, die ihren Schwerpunkt auf Schadensverhütung und Schadenseindämmung legen. In diesem Zusammenhang wird Überspannungsschutz immer wichtiger – denn er hilft, gefährliche Zustände in Anlagen, Maschinen und Gebäuden zu vermeiden. Diese reichen von Bränden durch Überhitzung über Lichtbögen durch Isolationsdurchschläge bis hin zum Ausfall von Sicherheitseinrichtungen.

Vorschriften für elektrische Installationen in den USA

Die Grundregeln für elektrische Installationen in den USA definiert der National Electrical Code (NEC). Als Sicherheitsnorm beschreibt er unter anderem die Ausführung der Installation sowie die Auswahl und Dimensionierung der betreffenden Geräte und Materialien. Dadurch soll verhindert werden, dass Menschen durch elektrische Fehler zu Schaden kommen – insbesondere durch Brände, die durch Strom ausgelöst werden. Der NEC hat also eine ähnliche Bedeutung wie die VDE 0100-Reihe in Deutschland. Der wichtigste Unterschied ist jedoch, dass der NEC – anders als die VDE 0100-Reihe – ein Gesetz ist und somit unbedingt einzuhalten ist.

In Article 670 sind NEC-Forderungen an Industriemaschinen beschrieben, die recht oberflächlich gehalten sind. Es wird jedoch auf den NFPA 79, Electrical Standard for Industrial Machinery, verwiesen. Durch den Verweis müssen Industriemaschinen, die in den USA betrieben werden sollen, neben dem NEC auch dem NFPA 79 entsprechen.

Der NFPA 79 beschreibt alle Anforderungen an eine Industriemaschine hinsichtlich ihrer elektrischen Eigenschaften. Er beinhaltet nicht nur klassische Themen wie Überstromschutz und Potentialausgleich, sondern auch Themen wie Beleuchtung, Anlagenschutz oder funktionale Sicherheit. Im Bereich Anlagenschutz finden sich in der aktuellen Fassung von 2018 dann auch die Forderungen an Überspannungsschutz wieder. So sind Industriemaschinen, die Sicherheitskreise enthalten, durch Überspannungsschutz zu schützen. Dadurch sollen die Komponenten der funktionalen Sicherheit in der Maschine vor Ausfall geschützt werden.

Zudem wird im NEC in Article 409 (Industrial Control Panels) auf die gleichnamige Norm UL 508A verwiesen, die folglich auch einzuhalten ist (Bild 1). Sie ist ebenfalls eine Sicherheitsnorm und bezieht sich auf alle Aspekte von industriellen Schaltschränken, wie Gehäuse, Kabelführung, Geräte und Dokumentation. Anders als der NEC und der NFPA 79 umfasst sie auch Signal- und Regelkreise und ist dadurch deutlich weiter gefasst.

Geforderte Eigenschaften von Überspannungsschutzgeräten

Zwei zentrale Forderungen werden im NFPA 79 an Überspannungsschutzgeräte (Surge Protective Device, SPD) gestellt, die im Folgenden erläutert werden: Sie müssen sogenannte Listed Devices sein, und der SPD-Typ muss dem Einbauort entsprechen.

Bild 1: Normatives Dreigestirn – der NEC deckt die ganze Installation (grau) ab, während sich der NFPA 79 auf die gesamte Maschine (rot schraffiert) bezieht. Die UL 508A wiederum betrachtet nur die Schaltschränke (rot umrahmt). Übergeordnete Normen sind ebenfalls zu berücksichtigen.
Bild 1: Normatives Dreigestirn – der NEC deckt die ganze Installation (grau) ab, während sich der NFPA 79 auf die gesamte Maschine (rot schraffiert) bezieht. Die UL 508A wiederum betrachtet nur die Schaltschränke (rot umrahmt). Übergeordnete Normen sind ebenfalls zu berücksichtigen. (Bild: Phoenix Contact)

Listed Devices sind SPDs, die nach der amerikanischen Produktnorm für SPDs, UL 1449, hohe Anforderungen an Sicherheit und Ausfallverhalten erfüllen. Sie können ohne weitere Aufwände, wie etwa Tests oder Berechnungen, verbaut werden. Dagegen sind Recognized Devices nur dann als sicher eingestuft, wenn bestimmte Bedingungen bei deren Einbau eingehalten werden. Deren Einhaltung muss von demjenigen, der die SPDs einplant oder auch einbaut, durch Prüfungen und/oder Berechnungen belegt werden. Dies kann einen erheblichen Aufwand bedeuten, da bestimmte Prüfungen nur in spezialisierten Laboren durchgeführt werden können.

SPDs werden nach UL 1449 in fünf Typen unterteilt. Sie werden – wie auch in der IEC-Normenwelt – durchnummeriert, und zwar von 1 bis 5. Die Bedeutung der Typen nach UL ist aber eine vollkommen andere als nach IEC:

  • Nach IEC gibt der Typ die Position des SPDs entsprechend des Blitzschutzzonenkonzepts, also seine „Leistungsfähigkeit“ unter Normalbedingungen, an.
  • Nach UL gibt der Typ ausschließlich an, an welchem maximalen Kurzschlussstrom der SPD im Fehlerfall noch sicher abgetrennt werden kann, zum Beispiel durch eine Sicherung. Er lässt keine Rückschlüsse auf die „Leistungsfähigkeit“ des SPDs zu.

Bild 2: Typisch in den USA – das Gebäude wird direkt über einen eigenen Transformator gespeist. Eine Maschine, nach der Einspeisung (Service entrance) installiert, befindet sich in einer Type 2 oder Type 3 Location.
Bild 2: Typisch in den USA – das Gebäude wird direkt über einen eigenen Transformator gespeist. Eine Maschine, nach der Einspeisung (Service entrance) installiert, befindet sich in einer Type 2 oder Type 3 Location. (Bild: Phoenix Contact)

Diese Kurzschlussfestigkeit (short circuit current rating, SCCR), und dadurch der UL-Typ, definiert direkt den Ort innerhalb einer Installation, an dem ein SPD installiert werden darf. Das SCCR ist bei UL Listed Typ 1 SPDs am höchsten, sodass sie noch vor der Hauptsicherung installiert werden dürfen (Bild 2) – in der sogenannten Type 1 Location. Ein UL Typ 2 SPD darf erst hinter der Hauptsicherung (Type 2 Location), und ein UL Typ 3 SPD hingegen muss mindestens 10 m vom vorgelagerten Überstromschutz entfernt installiert werden (Type 3 Location). Die UL-Typen 4 und 5 spielen in diesem Zusammenhang keine Rolle.

Auswahlkriterien für Überspannungsschutzgeräte

Industriemaschinen werden in der Regel in Gebäuden nach der Hauptsicherung, teilweise mit einigem Abstand zu dieser, installiert. Dies entspricht Type 2 oder gar Type 3 Locations. Der NFPA 79 berücksichtigt die bereits erwähnte Hierarchie von SPDs, sodass UL Typ 2 SPDs auch in Type 3 Locations installiert werden dürfen; UL Typ 1 SPDs dürfen sogar in jeder Location installiert werden. Die einzige Bedingung hierfür ist, dass der SCCR des SPDs größer sein muss als der prospektive Kurzschlussstrom an dem Punkt der Installation oder Maschine, an dem er angeschlossen ist.

Ist die Frage nach dem UL-Typ geklärt, folgen zwei auch in der IEC-Normenwelt bekannte Regeln für die Auswahl von SPDs:

  • Netzform des Versorgungsnetzes (service configuration),
  • Spannungsebene (system voltage).

In diesen Punkten gibt es teils erhebliche Unterschiede zu den aus der IEC-Welt bekannten Werten.

Bild 3: Größere Vielfalt – das Wye-System (a) ist in etwa mit dem TN-S System vergleichbar, die Auswahl des SPDs erfolgt analog zu diesem. Das Delta-System (b) kann isoliert oder als Corner-grounded (Phase C geerdet) ausgeführt sein; in beiden Ausführungen wird jedoch der gleiche SPD verwendet.
Bild 3: Größere Vielfalt – das Wye-System (a) ist in etwa mit dem TN-S System vergleichbar, die Auswahl des SPDs erfolgt analog zu diesem. Das Delta-System (b) kann isoliert oder als Corner-grounded (Phase C geerdet) ausgeführt sein; in beiden Ausführungen wird jedoch der gleiche SPD verwendet. (Bild: Phoenix Contact)

Für Industriegebäude in den USA werden in der Regel 277/480-V-Wye- oder 480-V-Delta-Systeme genutzt, in Kanada hingegen 347/600-V-Wye- oder 600-V-Delta-Systeme. Das Wye-System (Bild 3a) kann sowohl mit als auch ohne Neutralleiter ausgeführt sein. Es ist wie das TN-S-Netz am Sternpunkt geerdet. Bei einem Delta-System (Bild 3b) ist die Sekundärseite des speisenden Transformators im Dreieck geschaltet, einen Neutralleiter gibt es nicht. Die Spannung zwischen Erde und einem Außenleiter ist hier also höher als im Wye-System, sodass unterschiedliche SPDs zum Einsatz kommen.

Überspannungsschutz leicht gemacht

Ein SPD für eine industriell genutzte Maschine oder Anlage, die in Nordamerika betrieben werden soll, muss also für das amerikanische Versorgungsnetz geeignet, ein UL Listed Device und der richtige Typ für den Einbauort sein. Mit der Serie VAL-US von Phoenix Contact werden die Forderungen nach UL Listed und dem Typen beziehungsweise den Einbauorten sicher eingehalten: Als UL Listed, Open Type 1 dürfen sie überall in einer Installation eingesetzt werden, wenn sie in einem Gehäuse eingebaut sind. Der Einbau in den Schaltschrank der Maschine genügt dieser Forderung. Außerdem erfüllt die Serie die hohen Sicherheitsanforderungen der einschlägigen Normen.

Es spielen also lediglich die Netzform und die Spannung der Applikation eine Rolle für die richtige Auswahl des SPDs. Auf der Internet-Seite von Phoenix Contact (www.phoenixcontact.de/nfpa79) kann anhand dieser beiden Parameter das richtige Produkt leicht identifiziert werden.

Auswählen, einbauen, anschließen – und fertig

In den USA ist bei Industriemaschinen mit Sicherheitskreisen Überspannungsschutz Pflicht. Doch trotz anderer Netzformen, Spannungen und Normenlage ist die Auswahl des passenden SPDs recht einfach umzusetzen, solange dieser die beschriebenen Rahmenbedingungen erfüllt. Für die Serie VAL-US von Phoenix Contact bedeutet das: Auswählen, einbauen, anschließen – und fertig.

* Dipl.-Wirt.-Ing. Julian Saele ist Produkt Manager Überspannungsschutz bei der Phoenix Contact GmbH & Co. KG in Blomberg.

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