Digitaler Leistungsschalter Wann Sicherheitsfunktionen über Norm sinnvoll sind

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Um Stromunfälle zu vermeiden, gibt es diverse Normen, die Schutzfunktionen regeln. Wann Leistungsschalter, die eine Sicherheit über die Norm hinaus garantieren, sinnvoll einzusetzen sind, erklärt Daniel Jansen, Produktmanager bei Eaton.

Um Mitarbeiter noch besser vor Stromunfällen zu schützen, kann es sinnvoll sein, digitale Leistungsschalter einzusetzen, die mehr Sicherheitsfunktionen erfüllen als einschlägige Normen fordern. Denn trotz aller in den Normen geregelten Schutzfunktionen für Leistungsschalter wurden allein der deutschen Berufsgenossenschaft Energie Textil Elektro Medienerzeugnisse (BG ETEM) im Jahr 2022 noch 3.622 Stromunfälle gemeldet, Tendenz steigend – davon zwei mit tödlichem Ausgang. 90 Prozent dieser Unfälle geschehen im Bereich der Niederspannung. „Diese Unfälle ließen sich vermeiden oder zumindest ihre Auswirkungen reduzieren, wenn Leistungsschalter mit zusätzlichen Sicherheitsfunktionen eingesetzt werden“, erklärt Daniel Jansen, Produktmanger bei der Eaton Industries GmbH.

Kurzschlüsse und Störlichtbögen können allerdings auch Schäden an der Maschine oder Anlage selbst verursachen – die Folge sind teure Stillstände. Jansen ergänzt: „Werden die Auswirkungen der Unfälle reduziert, kann die Anlagenverfügbarkeit und damit die Effizienz im Unternehmen gesteigert werden.“

Wartungsmodus schützt Mensch und Maschine

Eaton bietet Leistungsschalter mit zusätzlichen Sicherheitsfunktionen an. Beim digitalen NZM bilden elektronische Auslöseeinheiten die Basis zusätzlicher Sicherheitsfunktionen.

Eine dieser Funktionen ist der Wartungsmodus: Er bietet zusätzlichen Schutz, wenn die Anlage für Wartungsarbeiten nicht abgeschaltet werden kann, sodass die Wartung unter Spannung erfolgen muss oder benachbarte Teile unter Spannung stehen.

Fällt dem Mitarbeiter hier zum Beispiel ein Werkzeug in ein Schaltgerät, das unter Spannung steht, entsteht ein Lichtbogen mit einer hohen Impedanz und einem relativ geringen Stromfluss. Er wird von den Schutzorganen daher in der Regel nicht als Kurzschluss erkannt, sondern als Überlast klassifiziert. Daraus resultiert bei der normalen Überlasteinstellung des Schalters eine verzögerte Auslösung, die ein Risiko für den Arbeiter darstellt.

Im Wartungsmodus hingegen ist der Schalter in der Lage, den Störlichtbogen im oben genannten Fall unverzögert und beschleunigt abzuschalten. Die übliche Verzögerung bei Überlast ist außer Kraft gesetzt, solange der Schalter sich in diesem Modus befindet. So lässt sich die Lichtbogenenergie im Wartungsmodus um bis zu 75 Prozent reduzieren. Der Wartungsmodus lässt sich auch mit Türkontakten koppeln, sodass die Funktion automatisch aktiviert wird, sobald die Schaltschranktür geöffnet ist.

Leistungsschalter kommunizieren direkt über Signalleitung miteinander

Mit digitalen Leistungsschaltern lässt sich im Gegensatz zur herkömmlichen Zeitselektivität zudem eine Zonenselektivität realisieren. Dabei kommunizieren die Leistungsschalter direkt über eine Signalleitung miteinander. Im Fehlerfall wird so sichergestellt, dass nur der Schalter, der unmittelbar dem Fehler vorgeordnet ist und in den Kurzschluss einspeist, unverzögert abschaltet. Im Gegensatz zur Zeitselektivität besteht die Möglichkeit, an jeder Stelle innerhalb des Niederspannungsnetzes schnellstmöglich abzuschalten und so die auftretende Energie und damit die thermische und dynamische Anlagenbelastung auf ein Minimum zu reduzieren. Dadurch lassen sich die Auswirkungen einer Überlast sehr präzise räumlich begrenzen und Betriebsstörungen minimieren.

„Der digitale NZM berechnet exakt auf Basis von Messwerten den Abbrand der Kontakte nach einem Vorfall und kann so exakte Angaben zu ihrer Restlebensdauer machen. Damit sind Anlagenbetreiber in der Lage, wenige Sekunden nach einem Kurzschluss zu entscheiden, ob ein Leistungsschalter wieder ruhigen Gewissens in Betrieb genommen werden kann oder ausgetauscht werden muss – ein erheblicher Beitrag zum sicheren Betrieb von Anlagen und Fabriken“, sagt der Produktmanager.

Aktuelle digitale Leistungsschalter bieten außerdem Testprogramme an, welche die für die Sicherheitsfunktionen zuständigen Baugruppen überprüfen können. So ist es zum Beispiel möglich, beim digitalen NZM die komplette Mess- und Auslösekette zu prüfen.

Mittel- und Niederspannungs-Schaltanlagen

Schaltanlagen digitalisieren

Temperaturüberwachung für eine vorausschauende Wartung

Auf Nachfrage nach weiteren sinnvollen Ergänzungen in digitalen Leistungsschaltern, nennt Jansen die Temperaturüberwachung, die im Hinblick auf eine vorausschauende Wartung hilfreich sein kann. „Mit so einem Diagnosesystem lassen sich die neuralgischen Punkte einer Schaltanlage rund um die Uhr überwachen. Es besteht aus autarken Temperatur-Sensoren, die zum Beispiel auf Sammelschienen und Verbindungsstellen angebracht werden und ihre Daten per Funk an ein Steuergerät schicken. Stellt das System eine zu hohe Temperatur in einem Bereich fest, kann über die Kommunikationsschnittstelle der 'zuständige' Leistungsschalter ausgelöst werden – noch bevor ein Brand auftritt oder ein Störlichtbogen droht“, erklärt Jansen.

Zusätzlichen Schutz bei geöffneter Schaltanlage bieten zudem Störlichtbogenschutzsysteme wie Arcon von Eaton. Hierbei wird der Störlichtbogen durch zwei unabhängige Größen detektiert:

• Zum einen erfassen Messwandler den Überstrom, den ein Störlichtbogen erzeugt.

• Zum anderen detektieren Sensoren die extrem starke Lichtemission eines Störlichtbogens.

Diese analogen Sensorsignale werden in digitale Signale umgewandelt und der zentralen Auswerteeinheit übermittelt. Sie aktiviert dann ein Löschgerät mit extrem kurzen Löschzeiten (unter 2 Millisekunden Gesamtausschaltdauer). Dem einspeisenden Leistungsschalter verbleibt die Aufgabe, den betroffenen Sammelschienenabschnitt vom Netz zu trennen.

Digitale Leistungsschalter liefern Diagnose- und Messdaten

Neben den Sicherheitsaspekten spricht ein weiterer Grund für den Einsatz digitaler Leistungsschalter: Denn die elektronischen Auslöseeinheiten moderner Leistungsschalter sind auch in der Lage, Daten über die aktuellen Zustände, Fehlermeldungen, Diagnose- und Messdaten zu liefern. „Ausgerüstet mit einer Kommunikationsschnittstelle, lassen sie sich so in den Informationsfluss einer Anlage einbinden und tragen damit zur Datentransparenz in der digitalen Fabrik bei“, erklärt Jansen. Die ausgelesenen Daten können zum Beispiel für ein Energiemanagementsystem genutzt werden. Auch für eine vorausschauende Wartung liefern sie Informationen – sowohl zum Zustand der nachgelagerten Prozesse oder Komponenten als auch zur eigenen Verfügbarkeit und Lebensdauer.

Schalter

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