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01 Der elektronische Schutzschalter sichert bei einer Baubreite von nur 12,5 mm alle DC-24-V-Lastkreise selektiv ab

Sicherheitsschaltgeräte richtig absichern

02 Ein typischer Stromverlauf beim Einsatz eines REF16 mit aktiver Strombegrenzung bei kapazitiven Lasten

03 Ein typischer Stromverlauf beim Einsatz eines REF16 mit aktiver Strombegrenzung im Fall eines Kurzschluss

In fast allen DC-24-V-Anwendungen der Automatisierungstechnik kommen mittlerweile Sicherheitssysteme in Form von Sicherheitsschaltgeräten zum Einsatz. Diese sorgen in definierten Situationen für einen sofortigen sicheren Stopp der Maschine und vermeiden so Gefahr bringende Bewegung bei der Maschinenbedienung. Bei der Absicherung dieser Sicherheitsschaltgeräte wird die Gefährdung durch kapazitive Lasten sowie Kurzschlüsse häufig außer Acht gelassen. Dauerhaften und effektiven Schutz gegen solche Auswirkungen bieten elektronische Schutzschalter mit aktiver Strombegrenzung.

Obwohl die Hersteller von Sicherheitsschaltgeräten explizit das Betreiben kapazitiver Lasten untersagen, wird dies in der Praxis häufig vernachlässigt. Viele Anwender übersehen dies auch deshalb, weil sie die kapazitiven Lasten oft nicht als solche einschätzen oder erkennen. Dabei sind sich die wenigsten der Tatsache bewusst, dass ein Anwender bei kapazitiven Lasten selbstständig für eine Einschaltstrombegrenzung sorgen muss.

Lebensverlängernde Maßnahmen
Werden die Sicherheitsschaltgeräte durch den fehlenden Schutz in ihren Anwendungen regelmäßig überlastet, geht dies schnell zulasten der Lebensdauer der Geräte. Hinzu kommt die massive Belastung durch eventuelle Kurzschlüsse. Beides kann Sicherheitsschaltgeräte in kürzester Zeit zerstören. Davor schützen elektronische Schutzschalter mit aktiver Strombegrenzung. Diese erhöhen zudem die Maschinenlaufzeit, da ein Anlagenausfall im Normalfall auch den Ausfall der kompletten Anlage zur Folge hat. Die Verlängerung der Lebensdauer der Sicherheitsschaltgeräte spart außerdem Kosten. Mit dem elektronischen Schutzschalter mit aktiver Strombegrenzung lassen sich verschiedene Normen leichter erfüllen, was wiederum die Absatzchancen der Anlagen in vielen Märkten vergrößert. Dies fällt umso mehr ins Gewicht, wenn es sich um weit entfernt betriebene Anlagen handelt, bei denen eine Wartung entsprechend aufwendig und langwierig ist. Gerade in dieser Konstellation werden Anlagenausfälle besonders schnell zeitkritisch.

Schutz mit aktiver linearer Strombegrenzung
Im mittlerweile großen Markt der elektronischen Schutzschalter sind für diese Absicherungsaufgabe jedoch nur wenige Produkte geeignet. Denn zum Wirkprinzip des elektronischen Sicherungsautomaten muss an dieser Stelle auch die aktive Strombegrenzung hinzukommen. Dieser Funktionsumfang macht beispielsweise den elektronischen Sicherungsautomaten vom Typ REF16 aus dem Hause E-T-A zu einer echten Plug-and-play-Lösung für diese Problemstellung (Bild 1). Er ist mit festen Nennströmen von 0,5 A bis 10 A verfügbar und besitzt eine Einschaltkapazität von mindestens 20.000 μF sowie aktive Strombegrenzung auf das 1,25-fache des Nennstroms. Das 12,5 mm schmale Geräte ist auf die Sockel „80plus“ (PT-Klemmen) und „81plus“ (Schraubklemmen) steckbar.

Normerfüllung inklusive
Die Eindämmung von Risiken ist häufig von Normen geregelt. Das gilt auch bei der Sicherheit von Maschinen. Ziel ist es hier, das Gefährdungsrisiko für Mensch, Maschine und Umwelt so gering wie möglich zu halten. Dabei kommt eine ganze Reihe von Normen zur Ausarbeitung risikomindernder Schutzmaßnahmen zum Tragen. Als wichtigste Normen gelten die DIN EN ISO 12100, die DIN EN 62061 (VDE 0113-50), die DIN EN 60204-1 (VDE 0113-1) sowie die DIN EN ISO 13849-1, welche besonders relevant ist. Sie beschreibt detailliert den Weg zur CE-Kennzeichnung sowie den Nachweis einer „sicheren Maschine“ in sechs Schritten. Wer diesen Prozess komplett mit seiner Anlage durchläuft und Sicherheitsschaltgeräte einsetzt, ist zu deren Absicherung verpflichtet. Nur so lassen sich die Herstellerangaben und damit die Norm erfüllen.

Punkte leicht kassiert
Beispielsweise fordert die DIN EN ISO 13849-1 unter anderem Maßnahmen gegen Fehler gemeinsamer Ursache. In den Kategorien 2, 3 und 4 muss der Nachweis erbracht werden, dass genügend Maßnahmen gegen solche CCF (Common Cause Failure) durchgeführt wurden. Dabei werden acht typische, meist technische Gegenmaßnahmen mit einem Punktesystem bewertet. In diesem System sind mindestens 65 von 100 Punkten zu erreichen, um dem Nachweis genüge zu tun. Allein die Gegenmaßnahme „Schutz gegen Überstrom“ bringt bereits 15 Punkte. Eine fehlerhafte Auslegung von Überstromschutzeinrichtungen hat zur Folge, dass diese bewährte Maßnahme zur Vermeidung von Fehlern infolge gemeinsamer Ursache nicht in die Bewertung einfließen kann. Die richtige Dimensionierung ist mit dem REF16 von E-T-A aufgrund der integrierten aktiven Strombegrenzung einfach zu bewerkstelligen. Eine Überdimensionierung des Schutzorgans und eine Überlastung von Baugruppen, Sicherheitsschaltgeräten und Relaiskontakten sind praktisch ausgeschlossen.

Keine Absicherung mit Leitungsschutz und Schmelzsicherung
Bei kapazitiven Lasten und Kurzschluss kann der Strom unter Umständen auf den Maximalstrom ansteigen. Um die Relais in den Sicherheitsschaltgeräten wirkungsvoll zu schützen, ist die Auslösezeit von Leitungsschutzschaltern oder Schmelzsicherungen zu lang. Gleichzeitig ist der in diesem Moment auf das Sicherheitsschaltgerät wirkende Strom zu hoch. Diese beiden Effekte können zu einer sofortigen Zerstörung des Sicherheitsschaltgeräts führen. Theoretischer Hintergrund dabei ist, dass der I 2 t-Wert, den das Sicherheitsschaltgerät verkraften würde, durch die maximale Durchlassenergie, welche das vorgeschaltete Schutzelement zulässt, deutlich überschritten wird. Anders sieht es beim Einsatz eines elektronischen Sicherungsautomats REF16 aus. Dessen I 2 t-Wert lässt sich deshalb einfach ermitteln, da sowohl Auslösezeit als auch der maximale Strom (aktive Strombegrenzung) offensichtlich sind. So hat ein 6-A-Gerät, aufgrund der aktiven Strombegrenzung auf das 1,25-fache des Nennstroms ein I 2 t-Wert von 7,31 A 2 s (7,5 A 2 × 130 ms). Der Wert eines vergleichbaren C6-Automaten liegt bei circa 2.160 A 2 s und bei einem durchschnittlichen Sicherheitsschaltgerät bei etwa 100 A 2 s. (no)

Praxistipp: Zwei Wege, um Sicherheitsschaltgeräte vor Überstrom zu schützen
1. Weg: Beim Schalten von kapazitiven Lasten mittels Sicherheitsschaltgerät schützt die aktive lineare Strombegrenzung des elektronischen Sicherungsautomaten die Relaiskontakte (Bild 2). Diese setzt beim Auftreten des erhöhten Strombedarfs ein. Auch bei Kurzschluss oder Überlast werden die Kontakte vor Überstrom geschützt (Bild 3). Möglich ist dies mit dem Gerätetyp REF16-S100/S101 mit oder ohne SI-Kontakt.

2. Weg: Das Schalten kapazitiver Lasten wird nicht mehr vom Sicherheitsschaltgerät durchgeführt. Diese Aufgabe übernimmt der elektronische Sicherungsautomat, der gleichzeitig als Relais fungiert. Das Überstromschutzgerät wird mit dem Steuereingang so in die Schaltungstechnik eingebunden, dass die Kontakte des Schaltgeräts den Strom nicht mehr schalten, sondern nur noch tragen müssen. Das Stichwort dafür ist „voreilendes und stromloses Schalten der Relaiskontakte“. Dies sorgt für eine weitere Erhöhung der Kontaktlebenszeit. Hierfür eignet sich beispielsweise der Gerätetyp REF16-S114/S117 mit Steuereingang On/Off. Der Überstrom- Kurzschlussschutz funktioniert wie im ersten Weg beschrieben.

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Autor:
Tobias Prem ist Produktmanager in der Sparte Industry, Energy & Equipment bei der E-T-A Elektrotechnische Apparate GmbH in Altdorf.
tobias.prem@e-t-a.de