H. Krämer: "Überspannungsschutz für Feldbusse"

<BODY> <H1>www.aud24.net : H. Krämer: "Überspannungsschutz für Feldbusse"</H1> <P> <BR> [<A href="/">www.aud24.net</A>] [<A href="../index.html">back</A>] </P> <TABLE WIDTH=100% BORDER=0 CELLSPACING=0 CELLPADDING=0> <TR> <TD VALIGN=top> <TABLE WIDTH=100% BORDER=0 CELLSPACING=0 CELLPADDING=0> <TR> <TD VALIGN=TOP CLASS=detailBereichRedaktion>Bereich > Redaktion > <B><FONT color="#CC3300">Fachbeiträge</FONT></B></TD> <TD ALIGN=right VALIGN=bottom CLASS=detailDatum>17.04.2001</TD> </TR> </TABLE> </TD> <TD VALIGN=top> </TD> <TD VALIGN=top> </TD> </TR> <TR> <TD VALIGN=top CLASS=detailFirma ID=topSpace>Dehn + Söhne GmbH & Co Kg:</TD> <TD VALIGN=top> </TD> <TD VALIGN=top> </TD> </TR> <TR> <TD VALIGN=top CLASS=detailTitel>H. Krämer: "Überspannungsschutz für Feldbusse"</TD> <TD VALIGN=top> </TD> <TD VALIGN=top> </TD> </TR> <TR> <TD VALIGN=top CLASS=detailSubtitel>Störungsfreier Betrieb von Feldbussystemen gesichert</TD> <TD VALIGN=top> </TD> <TD VALIGN=top> </TD> </TR> <TR> <TD VALIGN=top> <TABLE BORDER=0 CELLSPACING=0 CELLPADDING=0> <TR> <TD VALIGN=top CLASS=detailContent>Die dezentrale Steuerung und Überwachung von Prozessen nimmt rasant zu. Die Forderung nach der &sbquo;Echtzeit-Fähigkeit‘ von Prozesssystemen ließ besonders schnelle und damit auch sensible Feldbussysteme entstehen, die auf ein Höchstmaß an Sicherheit angewiesen sind - auch bei Blitz und Donner. Moderne Überspannungsableiter für Feldbussysteme beinhalten nicht nur spannungsbegrenzende Bauteile, sondern bieten Lösungen zur gezielten Integration des Leitungsschirmes in das Schutzkonzept.<BR><BR>Einleitung<BR><BR>Untersuchungen haben ergeben, dass knapp ein Drittel aller Elektronikschäden auf Überspannungen zurückzuführen ist. Sie treffen zuerst die empfindlichsten Systeme, die für den Informationsfluss sorgen. Das sind vor allem durch Bussysteme vernetzte Speicherprogrammierbare Steuerungen, Regeleinheiten, Messwertaufnehmer und Übertragungseinrichtungen. Fällt auch nur ein Glied dieser Kette aus, kann der ganze Bus lahmgelegt werden. Die Folgen sind katastrophal: Produktionsstillstand, ausgefallene Not-Schaltkreise, Fehlmeldungen, Programmabstürze, Datenverluste und nicht zuletzt gefährliche Zustände für Leib- und Leben. Prozessstillstandskosten bis in Millionenhöhe sind keine Seltenheit.<BR><BR>Hauptteil<BR><BR>Woher kommen die Überspannungen?<BR>Überspannungen sind kurzzeitige Spannungsimpulse die nur für Sekundenbruchteile auftreten. Sie erreichen Spannungswerte bis zu mehreren 10000 Volt. Die häufigsten Ursachen sind direkte oder auch bis zu einigen Kilometern entfernte Blitzeinschläge und Schalthandlungen im Energienetz. Sowohl energiereiche Impulse aus atmosphärischen Entladungen als auch Spannungsspitzen aus Schalthandlungen sind in der Lage, die Geräteelektronik zu zerstören.<BR><BR>Das Schutzkonzept für den Feldbus<BR>Um Bussystemen die nötige Betriebssicherheit zu geben, benötigt man ein Konzept, das alle Einwirkungen aus Blitzeinwirkungen und Schalthandlungen berücksichtigt. Hierzu wird die Anwendung des Blitz-Schutzzonen-Konzepts empfohlen, welches in der IEC 1312-1 beschrieben ist. Darin werden die Blitz-Schutzzonen (BSZ) verschiedener Gefährdung definiert.<BR><BR>BSZ 0: <BR>Gefährdung durch Direkteinschlag, Installationen im Außenbereich wie gebäudeüberschreitende Verkabelung<BR>BSZ 1: <BR>Gefährdung durch Feldeinkopplung blitzbedingter Störungen, Installationen in herkömmlichen Betriebsräumen wie die Bus-Inhouse-Verkabelung<BR>BSZ 2: <BR>schwache Gefährdung durch Feldeinkopplungen, Installation von sicherheitsrelevanten Geräten wie aktiven Buskomponenten<BR>Überschreitet eine Busleitung eine BSZ, sind für die aktiven Adern Überspannungsableiter zu installieren und der Leitungsschirm mit dem örtlichen Potentialausgleich zu verbinden. Die Überspannung wird somit von BSZ zu BSZ abgebaut.<BR><BR>Drei Schutzstufen bieten Sicherheit<BR>Um zu verhindern, dass Blitzteilströme in das Gebäude fließen, wird ein blitzstromtragfähiger Ableiter als erste Schutzstufe direkt am Gebäudeeintritt des Erdkabels montiert. Gleichzeitig übernimmt der Ableiter die Übergabe vom Erdkabel auf die Inhouse-Leitung und schützt die Installationstechnik im Haus. Um jedoch die Verfügbarkeit der Busteilnehmer bei Gewittern oder auch hausinternen Störungen zu gewährleisten ist ein fein begrenzender Schutz vor jedem Teilnehmer notwendig. Die Minimierung der Störungen auf unkritische Werte wird durch die eingebauten Schutzstufen zwei und drei, bestehend aus Gasentladungsableitern und Transzorbdioden erreicht.<BR><BR>Besonderheiten bei Profibus-DP<BR>Da Ableiter eine gewisse Eigenimpedanz besitzen, werden sie üblicherweise in eine Stichleitung zum Busgerät integriert. Dadurch wird die Busimpedanz und somit das Übertragungsverhalten des Busses praktisch nicht beeinflusst. Problematischer stellet sich der Ableitereinsatz für den Profibus-DP dar. Häufig werden zum Ankoppeln der Busgeräte Koppelmodule verwendet, die mechanisch eine Integration des Ableiters im Stich nicht zulassen. Gleiches gilt bei Einsatz von Busgerätesteckern, die das Buskabel einfach weiterschleifen. Diese Busgerätestecker finden vor allem bei hohen Bitraten Verwendung. Daraus folgt zwangsläufig der Ableitereinsatz im Leitungszug. Nun kommt es besonders darauf an, impedanzarme Geräte mit hoher Übertragungsrate einzusetzen. Der Blitzductor MD/HF ist mit seiner Längsimpedanz von 1W und einer Kapazität im Picofaradbereich extrem impedanzarm ausgelegt und lässt Übertragungsfrequenzen bis zu 100 MHz zu und ist damit für Profibus-DP mit Übertragungsraten bis zu 12 MBit/s geeignet.<BR><BR>Unsachgemäße Schirmbehandlung verursacht Überspannungen<BR>Leitungsschirme können Stossströme bis zu mehreren kA führen. Die Stossströme fließen beim Ableitvorgang den Schirm entlang und durch die Schirmanschlussklemme gegen Erde ab. Durch die Impedanz des Leitungsschirmes und des Schirmanschlusses entstehen Spannungsdifferenzen zwischen Schirmpotential und Erde. In diesem Fall können Spannungen bis zu einigen kV entstehen und die Isolation von Leitern oder angeschlossenen Geräten zerstören. Besonders kritisch sind großmaschige Schirme sowie das Verdrillen des Leitungsschirmes (Pig-Tail) zum Anschluss in einer Reihenklemme. <BR>Die Qualität des verwendeten Leitungsschirmes beeinflusst die notwendige Anzahl der Schirmerdungen. Unter Umständen ist eine Erdung in Abschnitten von wenigen 10 Metern nötig, um ausreichende Schirmwirkung zu erzielen. Für den Schirmanschluss empfehlen sich geeignete großflächig kontaktierende Klemmen, mit nachsetzenden Federeigenschaften. Dies ist wichtig zur Kompensation des Fließverhaltens der Kunststoffisolierung der Leiter.<BR><BR>Mehrfache Schirmerdung gefährdet die Kommunikation<BR>Leitungsschirme können kapazitive und induktive Störeinkopplungen auf die Busadern bedämpfen. Jedoch nur, wenn die Schirme auch bei jedem Busteilnehmer konsequent geerdet werden. Die Schirmanbindung wird jedoch in der Praxis häufig nur einmal ausgeführt, da niederfrequente Ausgleichsströme befürchtet werden. In ausgedehnten Anlagen erstreckt sich die Busleitung oft mehrere hundert Meter zwischen Gebäuden. Gerade bei älteren Anlagen kommt es vor, dass ein Teil der Erdungsanlagen nicht mehr intakt ist oder kein vermaschter Potentialausgleich vorhanden ist. Hier können Störungen durch mehrfache Schirmerdung auftreten. Potentialdifferenzen unterschiedlicher Gebäudeerdungssysteme können niederfrequente Ausgleichsströme (n x 50 Hz) fließen lassen . Dabei sind Stromstärken bis zu einigen Ampere möglich, was im Extremfall zu Kabelbränden führen kann. Daneben kann es zu Signalstörungen durch Übersprechen kommen, wenn die Signalfrequenz in einem ähnlichen Frequenzbereich wie das Störsignal liegt.<BR>Hier ist das Ziel, die Forderungen der EMV und die Vermeidung von Ausgleichströmen gleichsam zu realisieren.<BR><BR>Das Heilmittel indirekte Schirmerdung<BR>An einer zentralen Stelle, etwa der Leitwarte, werden alle Schirme mit dem lokalen Potentialausgleich direkt verbunden. An den fernen Leitungsenden schließt man die Schirme über Funkenstrecken am Erdpotential an. Da der Widerstand einer Funkenstrecke bei etwa 10 GW liegt, werden im überspannungsfreien Betrieb Ausgleichsströme verhindert. Treten EMV-Störungen wie Blitzeinwirkungen auf, so zündet die Funkenstrecke und leitet zerstörungsfrei ab. Dadurch wird der Restimpuls auf den aktiven Leitungsadern verringert und die Endgeräte noch weniger gestresst. Der Ableiter Blitzductor CT verfügt über einen patentierten Einschub, welcher bei Bedarf einen Gasentladungsableiter aufnehmen kann. Dieser schaltet sich zwischen dem Leitungsschirm und der örtlichen Erde. Der Gasentladungsableiter kann während Nachrüstungen oder Wartungsarbeiten eingelegt oder entnommen werden, um zwischen direkter und indirekter Schirmerdung zu wechseln. Probleme mit sich verändernden Potentialverhältnissen gehören somit der Vergangenheit an.<BR>Mit der Kombination von hohem Ableitvermögen und variabler Schirmbehandlung vereint der Blitzductor CT in einem Gerät alles, was für den EMV-gerechten Schutz und somit für eine hohe Verfügbarkeit von Bussystemen benötigt wird.<BR><BR>Zusammenfassung<BR><BR>Bussysteme erfordern speziell auf ihre Belange abgestimmte Überspannungsableiter: Sie müssen sowohl energiereiche Blitzteilströme, als auch Spannungsspitzen von den Busteilnehmern fernhalten und sich übertragungsneutral verhalten. Außerdem ist ein häufig anzutreffendes Praxisproblem zu lösen: Die Erdung des Leitungsschirmes in allen Teilen weit verzweigter Anlagen. Dies ist mit indirekter Schirmerdung zu bewerkstelligen, so bleiben Potentialdifferenzen unterschiedlicher Erdungsanlagen unwirksam und der EMV-Schutz erhalten.<BR><BR><BR></TD> </TR> <TR> <TD CLASS=detailQuelle> </TD> </TR> </TABLE> </TD> <TD WIDTH=28 VALIGN=top><IMG NAME="" SRC=/pi/spacer.gif WIDTH=1 HEIGHT=1 ALT=""></TD> <TD WIDTH=174 VALIGN=top></TD> </TR> <TR> <TD VALIGN=top><IMG NAME="" SRC=/pi/spacer.gif WIDTH=393 HEIGHT=1 ALT=""></TD> <TD WIDTH=28 VALIGN=top><IMG NAME="" SRC=/pi/spacer.gif WIDTH=28 HEIGHT=1 ALT=""></TD> <TD WIDTH=174 VALIGN=top><IMG NAME="" SRC=/pi/spacer.gif WIDTH=174 HEIGHT=1 ALT=""></TD> </TR> </TABLE> <P><I>Diese Seite wurde am 22.09.2006, 13:54 Uhr aktualisiert</I></P> </BODY>