Vorschriften erfordern einen Überspannungsschutz für Sicherheitsstromkreise

Von Brent Purdy, PE, Produktmanager, AutomationDirect

Die Einbeziehung von Sicherheit ist eine Grundvoraussetzung für die Konstruktion von Industriemaschinen. Sichere Praktiken und Systeme sind das Ergebnis sorgfältiger Planung, basierend auf detaillierten Codes und Spezifikationen, die kontinuierlich aktualisiert werden, wenn sich die Technologie verbessert. In den letzten Jahren wurde die Messlatte mehrfach höher gelegt, um die Sicherheit des Bedieners und den Schutz der Maschinen zu verbessern. Ein aktuelles Beispiel betrifft die zusätzliche Anforderung eines Überspannungsschutzes für Sicherheitsverriegelungskreise und Feuerlöschpumpensteuerungen, um die Sicherheit des Personals zu gewährleisten.

Not-Aus-Schaltkreise (E-Stop) und Sicherheitsverriegelungsschaltungen sind seit langem Teil der geltenden Vorschriften. Bei Industriemaschinen und zugehörigen Systemen handelt es sich bei diesen Sicherheitsvorrichtungen um Not-Aus-Taster, Türendschalter, Schutzschalter, Lichtvorhänge und andere Komponenten, die alle direkt an ein sicherheitsbewertetes Relais oder eine Steuerung angeschlossen sind, um die Stromversorgung zu unterbrechen eine Maschine im Falle eines Problems. Daher sind Maschinenbauer mit diesen Sicherheitsbestimmungen und der Notwendigkeit, diese wichtigen Sicherheitsfunktionen in die Gerätekonstruktion zu integrieren, bestens vertraut.

In den letzten Jahren wurde in der gesamten Industrie ein verstärkter Fokus auf Stromqualität und Überspannungsschutz gelegt, insbesondere da elektronische Geräte immer häufiger eingesetzt werden, selbst für kritische Prozess- und Sicherheitsanwendungen. Wenn ein Sicherheitsverriegelungskreis jeglicher Art aufgrund einer elektrischen Überspannung ausfällt, ist das Bedienpersonal einem großen Risiko ausgesetzt. Neue Vorschriften erkennen an, dass Sicherheitsverriegelungsschaltungen von dem zusätzlichen Schutz profitieren sollten, den Überspannungsschutzgeräte bieten. In diesem Artikel werden die Hintergründe der Anforderung und die Einhaltung aktualisierter Vorschriften untersucht.

Mehrere Codes können Auswirkungen auf Maschinenbauer haben. In den USA sind Maschinenbauer von Erstausrüstern (OEM) am besten mit der National Fire Protection Association (NFPA) 70 vertraut, die auch als National Electrical Code (NEC) bekannt ist. Kommunen übernehmen in der Regel Versionen des NEC innerhalb weniger Jahre nach der Veröffentlichung, daher müssen OEMs die Vorschriften bis zu diesem Zeitpunkt einhalten. Außerdem gibt es NFPA 79 mit spezifischen Leitlinien für Industriemaschinen und andere Normen des American National Standards Institute (ANSI), der International Electrotechnical Commission (IEC) und der International Organization for Standardization (ISO).

Der wichtigste Punkt, der in der Überarbeitung von NEC 670.6 aus dem Jahr 2017 hinzugefügt wurde, lautet: „In Industriemaschinen mit Sicherheitsverriegelungskreisen muss ein Überspannungsschutz installiert sein.“ NFPA 79 2018 hat die gleichen Anforderungen im Einklang mit dem NEC übernommen.

Der Grund dafür ist, dass über ein Viertel der in den Jahren 2013 bis 2014 befragten Facility Manager angaben, dass an ihren Standorten Schäden an Sicherheitsverriegelungskreisen aufgetreten seien, die auf Überspannungen zurückzuführen seien. Da es sich bei der Überspannungsunterdrückung um eine gut verstandene und kostengünstige Technologie handelt, ist der Einsatz nur bei kritischen Anwendungen sinnvoll.

Über die Code-Anforderungen hinaus ist es eine bewährte Vorgehensweise und eine umsichtige Investition, bei jeder Anwendung, die elektronische Halbleiterkomponenten oder Mikroprozessoren verwendet, einen Überspannungsschutz zu integrieren (Abbildung 1). Dies ist besonders wichtig für Systeme, die in anspruchsvollen industriellen Umgebungen installiert werden. Tatsache ist jedoch, dass an jedem Ort elektrische Überspannungen auftreten können.

Abbildung 1: Diese übliche Steckdosenleiste zeigt die Folgen eines Überspannungsereignisses, aber alle Geräte mit Festkörperelektronik, selbst robuste Industriegeräte wie Sensoren und Steuerungen, sind anfällig für Schäden durch Überspannungen.

Jedes elektrische Gerät kann ausfallen, wenn es einem ausreichend großen Stromstoß ausgesetzt ist, der auch als transiente Überspannung oder Spitze bezeichnet wird. Viele elektronische Halbleiterkomponenten und Mikroprozessoren verfügen jedoch über kleine Anschlüsse und elektrische Leiterbahnen, wodurch sie empfindlicher und anfälliger für Überspannungen sind als einfache elektromechanische Geräte wie Endschalter und Relais.

Mittlerweile sind viele Optionen für Sicherheitsverriegelungen verfügbar, wie z. B. codierte berührungslose Schalter und Lichtvorhänge, die elektronische Elemente enthalten. Diese fortschrittlichen Komponenten können eine erhöhte Sicherheit bieten, da sie schwer zu umgehen sind und die Anwesenheit des Bedieners erkennen, bevor sich eine Person einem Gefahrenbereich nähert.

Der Dreh- und Angelpunkt jedes Sicherheitssystems, sei es an einer Maschine oder einem größeren Prozess, ist das Relais, die Sicherheitssteuerung oder die speicherprogrammierbare Steuerung (SPS), die die Stromversorgung unterbricht, wenn der Sicherheitskreis unterbrochen wird. Diese Geräte überwachen ständig die Sicherheitssignale und führen die kritischen Verriegelungsfunktionen aus. Obwohl sie für Sicherheitszwecke konzipiert und getestet wurden, ist es möglich, dass sie durch elektrische Überspannungen beschädigt werden. Daher arbeiten sie noch zuverlässiger, wenn sie durch Überspannungsschutzgeräte geschützt sind. Die mit Sicherheitsschaltkreisen verbundenen Signalleitungen verlaufen häufig über den größten Teil einer Maschine oder einer größeren Anlage, wodurch das Sicherheitssystem noch stärker anfällig für Überspannungstransienten ist.

Sicherheitsverriegelungskreise sind nicht die einzigen Systeme, die von Codeänderungen betroffen sind. In der NEC-Revision 2014 wurde für Notfallsysteme für Stromverteilungsschalttafeln und Schalttafeln die Anforderung eines Überspannungsschutzes hinzugefügt.

Für 2017 weitet NEC 695.15 diesen erforderlichen Schutz auf Feuerlöschpumpensteuerungen aus. Der Schwerpunkt des NEC liegt auf dem Schutz von Personen und Eigentum vor elektrischen Gefahren, vor allem vor Feuer. Deshalb werden Feuerlöschpumpen, die zur Brandbekämpfung eingesetzt werden, besonders berücksichtigt.

Halbleiterelektronik und Mikroprozessoren spielen eine herausragende Rolle bei der Automatisierung kritischer Infrastruktur-Subsysteme wie Schaltanlagen und Feuerlöschpumpen. Wie in anderen Bereichen der industriellen Sicherheit und Steuerung kann auch die Steuerung kritischer Infrastrukturen von der Leistung und den Fähigkeiten mikroprozessorbasierter Steuerung profitieren, diese Steuerungen sind jedoch von Natur aus anfällig für Überspannungen.

Basierend auf den Ergebnissen der NFPA-Umfrage berichteten mehr als 10 % der Teilnehmer im Zeitraum 2013–2014 über Schäden an der Feuerlöschpumpensteuerung aufgrund von Überspannungsproblemen. Dies gibt Anlass zu Bedenken, die groß genug sind, um den Einbau einer Überspannungsunterdrückung für diese Systeme vorzuschreiben, um das Schadensrisiko zu verringern.

Die primäre Methode zum Schutz von Geräten vor elektrischen Überspannungen besteht darin, ordnungsgemäß dimensionierte und ausgelegte Überspannungsschutzgeräte (SPDs) an die Stromleitungen anzuschließen, die die Zielstromkreise versorgen. Überspannungsschutzgeräte sollten dem Underwriter's Laboratories (UL) 1449-Standard für Überspannungsschutzgeräte entsprechen, insbesondere wenn sie in UL 508A-gelisteten Industrieschalttafeln installiert werden sollen.

Industrie-SPDs funktionieren im Allgemeinen durch den Einbau von Metalloxid-Varistoren (MOVs), die so dimensioniert und konfiguriert sind, dass sie eine vorübergehende Überspannungsspitze auf einen anderen Leiter oder Erde umleiten, sodass der elektrische Strom von den geschützten Komponenten weggeleitet und diese dadurch geschützt wird. Im Allgemeinen werden SPDs parallel zum Stromkreis geschaltet. SPDs sind passive Geräte, bis ein Transient auftritt. Dann „ergreift“ das SPD Maßnahmen und leitet die Energie sicher über die entsprechende Schutzart ab, z. B. Leitung-zu-Erde und Leitung-zu-Neutralleiter. Andere Technologien sind möglich, aber alle funktionieren, indem sie Strom leiten und umleiten, sobald eine Schwellenspannung überschritten wird. Diese Schwellenspannung wird auch Durchlass- oder Klemmspannung genannt.

Der UL 1449-Standard klassifiziert SPDs nach Typ, wobei die beiden häufigsten Typen für industrielle Schalttafelanwendungen Typ 1 und Typ 2 sind. Beide sind zum Schutz des Geräts dauerhaft angeschlossen, Typ 1 kann jedoch beide vor dem Überstromgerät des Servicegeräts angeschlossen werden oder stromabwärts. Typ 2 darf nur lastseitig nachgeschaltet werden. In den Gerätespezifikationen wird dieser Nennwert sowie die Stoßleistung in Tausend Ampere pro Phase angegeben. Da diese Geräte für den Einsatz in UL508A-Schalttafeln vorgesehen sind, sollten sie auch Kurzschlussstromwerte bieten, damit Entwickler die erforderlichen Kurzschlusssystemberechnungen durchführen können.

Ein Nachteil dieser Geräte ist eine begrenzte Betriebslebensdauer, wobei die Schutzfunktion nach einer bestimmten Anzahl von Überspannungsereignissen nachlässt. Der Benutzer kann nur dann erkennen, dass der Schutz aktiv ist, wenn das SPD einen Fehlerkontakt oder eine Anzeigeleuchte bereitstellt. Die Anzeigeleuchte ist normalerweise wie bei einem Fehlerstromschutzschalter: Sie leuchtet und ist grün, wenn der Schutz funktioniert, andernfalls ist sie aus oder rot.

SPDs werden in einigen Formfaktoren angeboten. Eine Ausführung ist wie ein Durchgangs-DIN-Schienenklemmenblock konfiguriert. Bei einer praktischen und häufig verwendeten Ausführung ist der Überspannungsschutz jedoch in einem kleinen Gehäuse mit verlängerten Leitungen untergebracht. Dieser vielseitige Stil eignet sich für den Einsatz in und um Schaltanlagen, Schalttafeln und Maschinenverkabelungen (Abbildung 2). Hier sind die Funktionen, nach denen Sie suchen sollten:

Figur 2:Überspannungsschutzgeräte wie dieses Mersen-Modell mit Überspannungsschutz UL Typ 1 sind kompakt, flexibel zu installieren und verfügen über eine LED-Statusanzeige.

Sobald das Gerät mit der richtigen Größe ausgewählt ist, sollten Entwickler sicherstellen, dass alle Steuerspannungen, die Sicherheitsverriegelungskreise betreiben, durch Überspannungsschutz geschützt sind, um die Einhaltung von NEC 670.6 aufrechtzuerhalten. Darüber hinaus sollten, wie weiter oben in diesem Artikel erwähnt, alle Stromkreise, die die Feuerlöschpumpensteuerungen versorgen, über die gleiche Schutzart verfügen. Tatsächlich handelt es sich bei dem von SPDs gebotenen Schutz um eine kostengünstige Versicherung gegen Geräteausfälle oder Ausfälle aufgrund von Überspannungen und sollte idealerweise auf alle Stromkreise angewendet werden, die industrielle Steuerungen oder Instrumente versorgen.

Eine umsichtige Überspannungsschutzkonstruktion erfordert eine mehrschichtige Verteidigungsstrategie innerhalb der Anlage oder Ausrüstung. Dies ermöglicht kaskadierte Schutzstufen, um die großen Energiemengen abzuleiten, die bei einem Blitzschlag oder einem großen externen Schaltereignis auftreten können. Außerdem können intern erzeugte Überspannungen, wie das Starten eines großen Motors oder das Schalten eines Kondensators, auf mehreren Ebenen eines Stromverteilungssystems auftreten. Die mehrschichtige Verteidigung ist eine wirksame Methode zur Risikominderung in mehreren Anwendungen.

Typischerweise wird innerhalb einer Einrichtung ein Typ-1-SPD am Haupteingang als erste Schutzlinie vorgesehen. Darüber hinaus würden SPDs vom Typ 1 oder 2 auf Verteilertafeln auf mehreren Ebenen innerhalb der Anlage installiert. Schließlich muss, wie wir hier besprochen haben, die Stromversorgung von Maschinen, die Sicherheitsschaltkreise enthalten, geschützt werden. Umsichtige Ingenieure sollten einen Überspannungsschutz für folgende Geräte spezifizieren und installieren:

Konstrukteure von Industriemaschinen und automatisierten Geräten müssen künftig die Vorschriften des NEC 670.6 von 2017 einhalten. Dies bedeutet die Installation eines Überspannungsschutzes für Sicherheitsverriegelungskreise an allen neuen Maschinen und Anlagen. Da dies im NEC festgelegt ist, werden Elektroinspektoren bei neuen Installationen genau hinschauen, um die Einhaltung sicherzustellen.

Glücklicherweise ist die Kategorie klar definiert und es gibt leicht verfügbare Produkte, die für diesen Dienst kostengünstig und einfach zu installieren sind. Die Konformität bringt zusätzliche Vorteile mit sich, da die Unterdrückung von Überspannungen zum Schutz von Elektronik und Steuerungen realisiert wird. Entwickler sollten daher den Einbau dieser Geräte in alle Arten von Industrieanlagen in Betracht ziehen.

Diese neuen Anforderungen sind nur der Anfang der regulatorischen Welle des Interesses am Überspannungsschutz. Ebenso wie der Erdschlussschutz und der Lichtbogenschutz in Wohnhäusern werden sich künftige Vorschriften wahrscheinlich auch mit dem Überspannungsschutz in anderen Bereichen befassen. Designer sollten einen Überspannungsschutz für industrielle Datenleitungen und Steuersignale, Wohndienste oder alle Anwendungen in Betracht ziehen, bei denen empfindliche Geräte mit Strom versorgt werden. Es ist umsichtig und kann eines Tages erforderlich sein.

Über den Autor

Brent Purdy, PE ist Produktmanager für Strom- und Schaltkreisschutz bei AutomationDirect.com. Vor seiner jetzigen Position war Brent Produktingenieur und bevor er 2013 zu AutomationDirect kam, arbeitete er als Elektroleiter und leitender Ingenieur bei Polytron sowie als Systemingenieur bei Westinghouse Anniston. Brent hat einen BSEE-Abschluss vom Georgia Institute of Technology und ist ein zertifizierter professioneller Ingenieur im Bundesstaat Georgia.

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