Verfahrenstechnik 7-8/2018

Lange Leitung? Optimaler

Lange Leitung? Optimaler Lastschutz bei DC 24 V in Chemieanlagen Autor: Dieter Arenz, Applikationsspezialist, Verfahrenstechnik, E-T-A GmbH, Altdorf Elektrische Anlagen in der Chemie oder Pharmazie – das bedeutet lange Leitungen zu den Verbrauchern, Versorgung mit DC 24 V und viele Lasten an einer Quelle. Außerdem gibt es häufig Probleme mit der selektiven Auslösung im Fall eines Kurzschlusses an der Last. Mit einfachen Berechnungstools kann der Anlagenplaner bei Auslegung und Auswahl des richtigen Schutzund Stromverteilungssystems unterstützt werden. Interesse an der Nutzung des Tools? Online testen unter: www.e-t-a.de/tool_chemie Jeder, der schon mal eine Anlage in der Chemie-, Pharma- oder Nahrungsmittelindustrie geplant hat, weiß, es sind hier sehr viele Verbraucher mit Strom zu versorgen. Und das über teils sehr lange Leitungen. Dazu kommt die Steuerspannung von „nur“ DC 24 V. Denn diese ist für den Menschen bei Berührung ungefährlich. Leider ist sie gegen Leitungswiderstände nicht so unempfindlich wie AC 230 V. Darum stellt die korrekte Dimensionierung der Absicherung eines Lastkreises bei langen, dünnen Leitungen schon eine gewisse Herausforderung dar. Besonders wenn Sicherungselemente zum Einsatz kommen, die eigentlich für AC 230 V gedacht sind. Häufig sind für die Absicherung der einzelnen Lasten thermisch magnetische Schutzschalter, bspw. Leitungsschalter, im Einsatz. Diese sind eigentlich für AC 230 V ausgelegt. Ein Bimetall – der thermische Teil – schaltet bei Überlast nach einigen Sekunden bis Minuten ab. Die Magnetspule ist für den Fall des Kurzschlusses das auslösende Element, um hier innerhalb weniger Millisekunden zu trennen. Doch dafür ist bei der typischerweise eingesetzten C-Kennlinie im Fall von Gleichspannung zur sicheren Auslösung mindestens der 15-fache Nennstrom nötig. Ein C4-Automat benötigt dann bspw. mindestens 60 A Auslösestrom. Höchstens 17 m lang Die Lieferung des Stromes muss zum einen von der Quelle erfolgen können (Schaltnetzteil mit begrenzter Leistung). Zum anderen muss der Strom aber auch durch die lange Leitung hindurchfließen. Eine 1,5 mm² starke Leitung dürfte bspw. insgesamt – hin und zurück – höchstens 17 m lang sein. Eine 100 m lange Leitung müsste 10 mm² stark sein. Wie der erfahrene Anlagenplaner weiß, steht beides im Widerspruch zu den Verhältnissen in typischen Chemieanlagen. Traditionelle Abhilfe würden hier flinke Kennlinien (A, B, Z) schaffen, doch diese Kennlinien führen häufig zu frühzeitigen Fehlauslösungen. Als bessere Lösung kommen elektronische Schutzschalter infrage. Diese können zwischen einem kapazitiven Ladestrom und einem echten Kurzschluss unterscheiden. Sie benötigen zudem nur ungefähr den 1,2-fachen Nennstrom für die schnelle Kurzschlussauslösung. Eine zusätzlich integrierte Strombegrenzung verhindert im Überlast- und Kurzschlussfall bis zum Auslösezeitpunkt das Durchlassen von mehr als dem 2-fachen des Nennstromes. So kommt es zur Aufladung von Kapazitäten mit dem begrenzten Strom in etwas längerer Zeit. Das merkt der Anwender 30 VERFAHRENSTECHNIK 7-8/2018

MESSEN, REGELN, AUTOMATISIEREN Excel-Tool zur Berechnung der Leitungslänge, wie schnell ein Schutzschalter bei Kurzschluss an der Last auslöst; Leitungsparameter, Versorgungsspannung und Typ des Schutzschalters lassen sich hierbei verändern nicht. Aber die fehlerhafte Auslösung bleibt aus. Speziell im Bereich der Chemie kommen hier elektronische Schutzschalter mit zusätzlichem mechanischem Schaltkontakt vom Typ ESS30 zum Einsatz. Nach der mechanischen Auslösung nach maximal 3 s besteht am Lastausgang eine galvanische Trennung zur Stromversorgung. Somit kann keine Fehlspannung oder Fehlfunktion durch eventuelle Leckströme auftreten. Auswahl der Schutzschalter Ein Excel-Tool erlaubt die Simulation eines einzelnen Laststromkreises unter der Worst case-Fehlerbedingung „Kurzschluss an der Last“. Als Vorgabe in der geführten Grafik lassen sich die grundlegenden Werte für die Versorgungsspannung, den Leitungsquerschnitt und den Laststrom eingeben. Außerdem ist es möglich, verschiedene Schutzschaltertypen oder LS-Schalter und deren Nennstrom auszuwählen. Eine Grafik stellt die Auslöseschwellen des gewählten Sicherungselementes in Abhängigkeit der Länge der ausgewählten Leitung dar. Der Planer erkennt auf einen Blick, bis zu welcher Entfernung der Last von der Verteilung eine sichere Kurzschlussauslösung stattfindet. Außerdem kann er sehen, wann nur eine Überlastauslösung oder auch gar keine Auslösung eintritt. Diese Informationen erhält er zusätzlich als Zahlenwerte. Weiterhin lässt sich die an der Last anstehende Betriebsspannung in Abhängigkeit der Entfernung ermitteln, wenn kein Kurzschluss vorliegt und der Lastnennstrom fließt, also bei Normalbetrieb. Durch einfache Änderung der Zahlenvorgabewerte oder durch Wechsel zwischen den verschiedenen Sicherungselementen, deren Kennlinien und Nennströme, lässt sich so unkompliziert eine Aussage über die Auslöseverhältnisse treffen. Die Visualisierung orientiert sich hierbei farblich an einer Ampel. Lösung für Chemieanlagen Die Stromverteilung in einer Chemieanlage besteht in der Regel aus einer redundanten Einspeisung von zweimal DC 24 V für Ströme von einigen zig Ampere. Dies geht bis hin zu 30 einzeln abgesicherten Lastkreisen pro 19" breiter Einheit. Diese verfügen über eine möglichst steckbare, modulare Absicherung und einer Sammelsignalisierung beziehungsweise Schalterfallmeldung. Hinzu kommen eine übersichtliche Verkabelung und Leitungsführung. Die Entwicklung des neuen Power Distribution Moduls PDM-S700 fand in Zusammenarbeit mit dem Anlagenbau der Chemie und den Anwendern statt. Somit trägt es deren Forderungen Rechnung. Für den Einsatz im Schaltschrank lässt es sich mit vier Schrauben auf der Montageplatte anbringen. Aber auch in älteren Anlagen mit Schwenkrahmen lässt es sich durch Drehen der Flansche als 19"-Modul einbauen. Es verfügt über zwei DC 24 V Einspeisungen bis je 80 A für redundante Versorgung. Außerdem hat es die nötigen Entkopplungsdioden bereits integriert. Bis zu 30 Stück des elektronischen Schutzschalters ESS30 lassen sich einstecken. Der Anschluss der Lasten erfolgt für Plus und Minus über frontseitige Federzugklemmen bis 4 mm². Alle Signalkontakte der Schutzschalter werden parallel als Sammelmeldung auf ein Ruhestrom erregtes Relais geführt, das bei Schalterfall oder Spannungsausfall abfällt und meldet. Sonst übliche Signalbrücken für unbestückte Steckplätze sind somit nicht nötig. Das spart Kosten. Die Anzeige des Zustandes der Sammelmeldung sowie das Vorhandensein der beiden Speisespannungen erfolgt über helle LEDs. Ein separater kleiner rücksetzbarer Schutzschalter dient als Vorsicherung für die Signalüberwachung. Eine optionale 7-Segmentanzeige gibt Auskunft über den aktuell benötigten Gesamtlaststrom. Die komplette Bedienung erfolgt frontseitig. Für Ordnung sorgt die Kabelführung über ein waagrechtes Kabelmanagement unterhalb der Klemmen. So sind alle nötigen Funktionen bereits integriert und aufeinander abgestimmt. Der Anwender muss diese also nicht selbst zusammenstellen, verdrahten, prüfen und dokumentieren. Fotos: E-T-A, Fotolia (#8279256, demarco) www.e-t-a.de