Digitale Leistungsschalter - besser als die Normen verlangen

Manchmal ist mehr doch mehr

Aktuelle Leistungsschalter bieten über digitale Auslöseeinheiten viele nicht von den einschlägigen Normen geforderte Zusatzfunktionen. Das kann sich gleich mehrfach lohnen: Mitarbeiter werden besser vor elektrischen Unfällen geschützt, Stillstandszeiten reduziert, die Wartung vereinfacht und die gesamte Effizienz der Anlage gesteigert.
 Wenn Wartungspersonal an einer Schaltanlage arbeitet, schaltet der digitale Leistungsschalter NZM in den Wartungsmodus und sorgt für mehr Sicherheit.
Wenn Wartungspersonal an einer Schaltanlage arbeitet, schaltet der digitale Leistungsschalter NZM in den Wartungsmodus und sorgt für mehr Sicherheit.Bild: Eaton Industries GmbH

Leistungsschalter haben sich als effektive Schutzeinrichtung für die Energieverteilung und die Absicherung großer Lasten im Maschinen- und Anlagenbau etabliert. Als Schutzgeräte für Niederspannungsnetze schützen sie nicht nur Anlagen und Maschinen, sondern reduzieren auch die Auswirkungen, die ein Kurzschlusses oder ein Störlichtbogen auf das Bedienpersonal haben kann. Bei der Auswahl passender Leistungsschalter sind die Produktnormen IEC/EN 60947 und UL 489 bzw. 508 eine wichtige Hilfe – sie legen fest, welche Anforderungen die Geräte erfüllen müssen. Entsprechend zertifizierte Geräte schützen verlässlich und sicher vor Überlast und Kurzschluss.

 Ein ungeschützter Störlichtbogen entwickelt 
eine hohe zerstörerische Kraft.
Ein ungeschützter Störlichtbogen entwickelt eine hohe zerstörerische Kraft.Bild: Eaton Industries GmbH

Trotz Normung kommt es zu Stromunfällen

Dennoch – auch heute kommt es immer noch zu elektrischen Unfällen in der Industrie: So wurden der deutschen Berufsgenossenschaft Energie Textil Elektro Medienerzeugnisse (BG ETEM) 3.463 Stromunfälle im Jahr 2016 gemeldet – davon fünf mit tödlichem Ausgang. Die Statistiken der BG ETEM belegen die große Anzahl von Stromunfällen im Bereich der Niederspannung, dem 90 Prozent der Unfälle zufallen. Vor allem beim Erweitern, Ändern oder Abbauen von Maschinen und Anlagen kommt es zu solchen Unfällen (47 Prozent), gefolgt von Tätigkeiten rund um Messen, Prüfen und Störungssuche (27 Prozent). Der Anteil beim Instandsetzen und dem Beseitigen von Störungen liegt laut BG ETEM bei rund 15 Prozent.

Ein elektrischer Schlag oder ein Störlichtbogen – der im Kern immerhin Temperaturen von bis zu 20.000° Kelvin erreichen kann – birgt zudem das Risiko eines Brandes und damit hoher Schäden an der Anlage. So steigert die Reduzierung der Auswirkungen solcher Unfälle auch die Anlagenverfügbarkeit und damit die Effizienz im Unternehmen – und sichert langfristig die Wettbewerbsfähigkeit des Unternehmens.

Zusätzlicher Schutz für Mitarbeiter und Wartungspersonal

Ein Schutz über den von den Normen geforderten Rahmen kann sich also schnell rechnen. Eine einfache Möglichkeit dazu bieten Leistungsschalter der neusten Generation – wie der NZM von Eaton. Sie verfügen über elektronische Auslöseeinheiten, die im Vergleich zu Geräten mit thermomagnetischen Auslöseeinheiten deutlich präziser arbeiten und sich durch zuverlässigeres Schalten von Betriebsströmen, Überlast- und hohen Kurzschlussströmen auszeichnen. Diese digitalen Leistungsschalter erfüllen nicht nur die Schutzfunktionen, die die Normen fordern – sie bieten dank ihrer Elektronik Funktionen, die in den Normen zwar (noch) nicht verlangt werden, die aber dem Maschinenbauer und dem Anwender nutzen.

Mehr Sicherheit bei Arbeiten unter Spannung

Eine dieser Funktionen ist der Wartungsmodus: Er stellt zusätzlichen Schutz bereit, wenn die Anlage für Wartungsarbeiten nicht abgeschaltet werden kann, sodass die Wartung unter Spannung erfolgen muss oder benachbarte Teile unter Spannung stehen. Es gibt viele Szenarien und Gründe, warum es hier zu einem Vorfall kommen kann. Zum Beispiel, wenn ein Servicemitarbeiter ein stromführendes Kabel gelöst hat, das ihm versehentlich aus der Hand fällt und dann mit dem Schaltschrankgehäuse in Berührung kommt, oder wenn ihm ein Werkzeug in ein Schaltgerät fällt, das unter Spannung steht. In diesen Fällen entsteht ein Lichtbogen mit einer hohen Impedanz und einem geringen Stromfluss, sodass der Lichtbogen in der Regel nicht als Kurzschluss erkannt, sondern als Überlast klassifiziert wird. Daraus resultiert bei der normalen Überlasteinstellung des Schalters eine verzögerte Auslösung, die ein Risiko für den Arbeiter darstellt.

 Eine aktivierte ARMS Funktion sorgt für eine schnellere Auslösung bei einem Überlast-Ereignis. In obigem Beispiel würde ein Strom von 1.000A fließen. Der ARMS Schutz bewirkt, dass der Schalter schon nach 20ms auslöst anstatt erst nach 20s.
Eine aktivierte ARMS Funktion sorgt für eine schnellere Auslösung bei einem Überlast-Ereignis. In obigem Beispiel würde ein Strom von 1.000A fließen. Der ARMS Schutz bewirkt, dass der Schalter schon nach 20ms auslöst anstatt erst nach 20s.Bild: Eaton Industries GmbH

Im Wartungsmodus hingegen ist der Schalter in der Lage, den Störlichtbogen im oben genannten Fall sofort abzuschalten. Die übliche Verzögerung bei Überlast ist außer Kraft gesetzt, solange der Schalter sich in diesem Modus befindet, wofür ein separater Prozessor genutzt wird. Somit lassen sich kritische Millisekunden einsparen, was die Gesamtausschaltzeit verkürzt. Diese sorgt dafür, dass im Fehlerfall ein Wartungsmitarbeiter einer geringstmöglichen Lichtbogenenergie ausgesetzt ist. So lässt sich die Lichtbogenenergie im Wartungsmodus um bis zu 75 Prozent reduzieren.

Interessanter Nebeneffekt: Gegebenenfalls kann so auch eine einfachere Schutzkleidung getragen werden. Denn die Basis für die Wahl der passenden Schutzkleidung ist die Berechnung der Lichtbogenenergie im Fehlerfall. Das bedeutet im Umkehrschluss, dass Maßnahmen, durch die die Lichtbogenenergie reduziert wird, auch die Lichtbogen-Schutzklasse der persönlichen Schutzausrüstung senken. Das kann unter Umständen Wartungs- und Instandhaltungsarbeiten deutlich erleichtern.

Betriebsausfälle begrenzen

Auch hinsichtlich der Selektivität, mit der innerhalb einer kaskadierten Energieverteilung gewährleistet wird, dass nur das dem Fehler unmittelbar vorgeschaltete Schutzgerät anspricht, bieten digitale Leistungsschalter Vorteile. Im Gegensatz zur herkömmlichen Zeitselektivität lässt sich mit diesen 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.

Sicherer Betrieb – auch nach einem Kurzschluss

Wenn ein Kurzschluss unmittelbar vor der Einspeisung abgeschaltet wird oder dieser aufgrund von Zeitselektivität längere Zeit ansteht, belastet dies den Leistungsschalter und verschleißt ihn damit. Daher werden sie oftmals vorsichtshalber nach nur einem Kurzschluss – oft unabhängig von dessen Stärke – ersetzt. Einige digitale Leistungsschalter wie der NZM können jedoch exakte Angaben über ihre Lebensdauer machen und diese Information sowohl lokal als auch über die Kommunikationsschnittstelle zur Verfügung stellen. So sind Anlagenbetreiber heute bereits 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.

 Die Leistungsschalter-Reihe NZM bis 1.600A steht in verschiedenen Versionen zur Verfügung: mit einer Basiselektronik (AX), 
mit erweitertem Funktionsumfang (MX, VX) sowie in der vollausgestatteten Variante mit Energiemessung (PX, PMX).
Die Leistungsschalter-Reihe NZM bis 1.600A steht in verschiedenen Versionen zur Verfügung: mit einer Basiselektronik (AX), mit erweitertem Funktionsumfang (MX, VX) sowie in der vollausgestatteten Variante mit Energiemessung (PX, PMX).Bild: Eaton Industries GmbH

Ausfälle frühzeitig vermeiden

Gerade im Zusammenhang mit einer vorausschauenden Wartung empfiehlt es sich, kommunikationsfähige Leistungsschalter durch eine Temperaturüberwachung zu ergänzen. Mit so einem Diagnosesystem lassen sich die neuralgischen Punkte einer Schaltanlage rund um die Uhr überwachen. Derartige Systeme, wie Eaton sie bietet, bestehen 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.

Störlichtbogenschutzsystem – zusätzliche Sicherheit für die Schaltanlage

Eaton bietet zudem technische Lösungen, die die Funktionen des Leistungsschalters ergänzen und einen zusätzlichen Schutz auch bei geöffneter Schaltanlage ermöglichen: das Arcon Störlichtbogenschutzsystem. Hier wird der Störlichtbogen durch zwei unabhängige Größen detektiert: Zum einen erfassen Messwandler den Überstrom, den ein Störlichtbogen erzeugt. Zum anderen detektieren Sensoren dessen extrem starke Lichtemission. Diese analogen Sensorsignale werden in digitale Signale umgewandelt und der zentralen Auswerteeinheit übermittelt. Sie aktiviert dann ein Löschgerät mit sehr kurzen Löschzeiten (unter 1ms). Dem einspeisenden Leistungsschalter verbleibt die Aufgabe, den betroffenen Sammelschienenabschnitt vom Netz zu trennen. Dies geschieht durch den Kurzschlussschnellauslöser.

Investitionen in digitale Leistungsschalter lohnen sich also gleich mehrfach: Mitarbeiter werden nicht nur besser vor elektrischen Unfällen geschützt, sondern auch Stillstandszeiten reduziert, die Wartung vereinfacht und die gesamte Effizienz der Anlage gesteigert.

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