Stromkreisschutz ohne Fehlauslösungen

07-20-2011 | Elektrik

Von Jack Smith

Aufzeichnung der Drehstromqualität mit Fluke 1750
Aufzeichnung von Netzqualität und Überwachung von Netzqualitätsstörungen in dreiphasigen Systemen mit dem Power Recorder Fluke 1750 und der Fluke Power Analyze-Software. Diese Leistungsmessgeräte zeichnen alle Netzqualitätsparameter und Ereignisse pro Periode auf – und zwar ständig.

Ob in Handel, Institutionen, Stadtverwaltung oder Industrie – in nahezu jeder Einrichtung wird früher oder später eine Überspannung in der einen oder anderen Form auftreten. Wenn diese nicht sofort behoben werden, können auch mäßige Überspannungen zur Überhitzung von Komponenten und zu Schäden an Isolierung, Leitern und Geräten führen. Durch höhere Überspannungen können Isolierungen zerstört werden und Leiter schmelzen. Fehlerströme und Kurzschlüsse können auch Brände, Explosionen, Lichtbögen verursachen mit möglicherweise schweren Verletzungen oder Todesfolge für Mitarbeiter.

Der Strom wird in einer höheren Spannung verteilt, als in den meisten Einrichtungen nutzbar ist. Transformatoren können die Übertragungsleitung auf mittlere Spannung herunterregeln. Wenn in einer Einrichtung mittlere Spannung auf Geräte wie große Motoren angelegt wird, wird der Strom über Schaltanlagen mit mittlerer Spannung verteilt. In den allermeisten Anwendungen außerhalb von Wohngebieten wird die Eingangsspannung jedoch über sekundäre Transformatorenstationen auf niedrige Spannung heruntergesetzt. Gemäß IEEE gelten alle Systeme, die unter einer Spannung von 1.000 V betrieben werden, als Systeme mit niedriger Spannung. Die meisten Anwendungen in der Industrie haben eine Nennspannung von maximal 600 V.

Je nach Art der Einrichtung wird die Spannung mit Niederspannungs-Schaltanlagen über Speiseleitungen Abzweigstromkreisen zugeführt. Diese Abzweigstromkreise können Motorsteuerungen und -antriebe, Lastzentren und sogar zugehörige Geräte wie Messmodule, Kondensatoren und Oberschwingungsfilter enthalten.

In einigen größeren Einrichtungen müssen Vorkehrungen getroffen werden, damit geschäftskritische Anwendungen immer zuverlässig mit Strom versorgt werden. Einrichtungen verfügen gelegentlich über sekundäre Netzversorgungen, Stromerzeugungsgeräte vor Ort und Reservegeneratoren, die meist über einen automatischen Transferschalter betrieben werden.

Damit Geräte in den meisten – insbesondere den industriellen – Einrichtungen betrieben werden können, sind 480 V erforderlich. Für Beleuchtungen und Verteilerschalttafeln wird die Spannung weiter herabgesetzt und von dreiphasigem in einphasigen Strom konvertiert. Es gibt einige dreiphasige Spartransformator-Kombinationen. Die häufigste Konfiguration in der Industrie ist ein Stern-Dreieck. Ein dreiphasiger Transformator mit Ersatzmodul in Sternschaltungskonfiguration (208 Y/120 V) erzeugt 208 V von Phase zu Phase (A zu B, B zu C oder A zu C) und 120 V von jeder Phase zu Neutral.

Überlastungen und Kurzschlüsse

Wenn die Stromstärke die Amperespezifikation von Leitern, Geräten oder Elektrogeräten überschreitet, liegt eine Überspannungsbedingung vor. In den Einrichtungen werden Geräte betätigt, die Stromkreise und Geräte vor Überspannung schützen.

Überspannung kann sich auf Kurzschlüsse und auf Überlasten beziehen. Während eines Kurzschlusses, umgeht elektrische Spannung die Last und nimmt dabei den Weg des geringsten Widerstands. Fehlerhafte Verkabelungen, Geräteanschlüsse und Isolierungen können Kurzschlüsse verursachen. Die Höhe des Fehlerstroms kann von Bruchteilen eines Amperes bis zu über 200 kA reichen und hängt von der Systemimpedanz (dem Wechselstromwiderstand) ab.

Unter fehlerfreien Bedingungen bestimmt die angeschlossene Last die normale Größe des Stromkreises. Eine Überlastbedingung ist gegeben, wenn der normale Stromkreiswert überschritten wird, aber kein Kurzschluss vorhanden ist. Eine Überlast kann, sofern sie länger andauert, Schäden an Kabeln und Geräten verursachen. Vorübergehende Überlasten sind meist harmlos, während länger andauernde Überlasten Schäden hervorrufen können.

Eine momentane Überbeanspruchung von Geräten kann zu vorübergehenden Überlasten führen. Wenn beispielsweise eine Kiste an einer Biegung auf dem Förderband hängen bleibt, bezieht der Motor des Förderbands möglicherweise mehr Spannung als normal. Wenn die Kiste schnell entfernt oder von jemandem umpositioniert wird, ist die Überlast vorübergehender Art. Vorübergehende Überlasten sind nichts ungewöhnliches. Sie sind meist harmlos und lassen von allein wieder nach. Überspannungsschutzgeräte sollten den Stromkreis nicht öffnen, damit sich die Lasten stabilisieren können.

Die dauerhafte Überlastung elektrisch angetriebener Geräte, ausgefallener Lager oder Fehlfunktionen von Geräten können eine dauerhafte Überlast verursachen. Dies ist auch bei der Installation von Geräten der Fall, die zu einem erhöhten Leistungsbedarf über die geplante Kapazität hinaus führen.

Schutz vor zu viel Spannung

Die häufigsten Überspannungsschutzgeräte sind Sicherungen und Leistungsschalter. Für Sicherungen muss eine separater Trennschalter verwendet werden. Sicherungen sind so konstruiert, dass sie nur in Überspannungssicherungen ausgelöst werden. Beim Einsatz von Leistungsschaltern ist kein separater Trennschalter erforderlich, da sich Leistungsschalter manuell öffnen und schließen lassen.

Einige gehen davon aus, dass eine Sicherung ausgelöst wird, sobald der dadurch fließende Strom den Nennwert überschreitet. Eine typische Sicherung verfügt jedoch über eine Zeit-Strom-Kennlinie. Je höher also die Stromstärke, desto schneller öffnet sich die Sicherung. Die Zeit-Strom-Kennlinie einer Sicherung lässt sich nicht verstellen.

Die Zeit-Strom-Kennlinie einiger Leistungsschalter lässt sich hingegen verändern. Die meisten Leistungsschalter mit niedriger Spannung verfügen über einstellbare Auslösefunktionen. Die zeitliche Verzögerung bei der Auslösung kann je nach Einstellung der auslösenden Einheit länger oder kürzer sein. Es ist wichtig, Schutzschalterauslösevorrichtungen auf Grundlage einer Koordinationsstudie einzustellen, die vom Konstrukteur des elektrischen Systems der Einrichtung oder einem qualifizierten Elektroingenieur durchgeführt wird.

Koordinierung von Schutzgeräten

Eine Koordinationsstudie beinhaltet die ordnungsgemäße Auswahl von Schutzgeräten auf Grundlage ihrer Kurzschlussspezifikationen und angemessenen Einstellungen, sofern zutreffend. Ein gut abgestimmtes System schützt nicht nur Kabel und elektrische Geräte vor Schäden – es isoliert und unterbricht auch Fehlerströme und sogt dafür, dass die nicht betroffenen Verzweigungen des elektrischen Systems mit elektrischem Strom versorgt werden. Eine gute Koordinierung von Schutzgeräten sorgt für ein optimales Verhältnis zwischen Selektivität und Systemschutz.

Eine selektive Koordination sorgt für eine effektive Isolierung eines Stromkreises mit Überlast aus dem Rest des elektrischen Systems und damit für minimale Ausfallzeiten durch Fehlauslösungen. Es wird nur das dem Fehler am nächsten stromaufwärtig gelegene Überschutzgerät ausgelöst. Wenn ein System nicht selektiv koordiniert wird, kann es passieren, dass ein einzelner fehlerbehafteter Stromkreis zur teilweisen oder vollständigen Abschaltung einer Einrichtung führt.

Im Rahmen der Koordinationsstudie untersucht der Ingenieur die Zeit-Strom-Kennlinie für jedes Schutzgerät in jeder Verzweigung des elektrischen Systems innerhalb einer Einrichtung. Bei Unterbrechern „überlagert“ der Ingenieur die Zeit-Strom-Kennlinie, um sicherzugehen, dass sich die Kurven nicht bei jedem erdenklichen Fehlerstrom überlagern. Bei Sicherungen wird die Koordination erzielt, wenn der Konstrukteur des elektrischen Systems die vom Sicherungshersteller empfohlenen Verhältniswerte einhält und das Wartungspersonal in der Einrichtung keine Sicherungen abweichender Klassen, Typen oder Spezifikationen einsetzt.

Eine ordnungsgemäße Koordination funktioniert nicht ohne eine gute Koordinationsstudie. Für eine gute Koordinationsstudie muss an der Einrichtung vor allem eine präzise elektrische Dokumentation vorhanden sein.

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