Zu den Grundlagen: Fehlersuche und Prüfung von Alarmstromkreisen der Klasse 2 und 3

Fluke 77-IV
Messwerkzeuge:Fluke 177 Digitalmultimeter mit Standard-Messspitzen und Krokodilklemmen
Bediener: Barney O'Donnell, HSI Security Systems, Inc., Portland, OR
Durchgeführte Prüfungen: Stromstärke, Widerstand, Empfindlichkeit, Bezugserde und isolierte Erde

HSI Security Systems installiert, wartet und überwacht elektronische Sicherheitssysteme in Nordwesten Oregons und im Südwesten Washingtons. Wir sind ein Elektroinstallateurbetrieb mit Spezialisierung auf Systeme mit niedriger Spannung und elementaren elektrischen Steuerungen. Wir sind das 26. Jahr im Geschäft und haben sechs Mitarbeiter. 65 Prozent unserer Kunden sind private Endverbraucher und 35 Prozent Geschäftskunden.

Systemprofil

Wir bilden eine Schnittstelle mit Automatisierungs- und Unternehmenssystemen, z. B. im Hinblick auf Zugangssteuerung, Brand, unberechtigten Zugriff, Notruf und Prozessüberwachung sowie ereignis- oder planbasierte Steuerungen für Stromkreise. Die meisten unserer Schaltschränke verfügen über eine integrierte programmierbare Steuerung.

Unsere Hauptprodukte sind Schaltschränke für die Brand-, Eindring- und Zugriffssteuerung und SafeCom-Langstreckenfunkgeräte (wir sind Bosch-zertifiziert). Mit unseren SafeCom-Langstreckenfunkgeräten können wir verschiedene Alarmschaltschränke und Gebäude mit hohen Sicherheitsanforderungen überwachen. Wenn wir einen Feueralarm überwachen, nehmen wir gleichzeitig die Wartung vor. Da einige (von anderen vorgenommenen) Systeminstallationen von unterschiedlicher Qualität sein können, kann die Fehlersuche bisweilen schwierig sein. In den meisten Fällen sind Bestandsunterlagen nur Wunschdenken.

Frank O'Donnell
Frank O'Donnell, HSI

Ein System enthält in der Regel einen Prozessor, eine Steuerungs- oder Befehlszentrale, direkte PC- sowie Telefonschnittstellen, Ethernet/LAN/WAN-Schnittstellen, Ersatzakkus, Abspanntransformatoren, Gehäuse, Meldegeräte sowie Hunderte, wenn nicht Tausende Meter an Kabeln und 1 bis 238 Punkt-ID-Geber. Wir fassen auch mehrere Systeme für die Überwachung über Arbeitsstationen zusammen.

Wir verwenden eine Kombination aus SDI- und Zonex- oder Mux-Sammelschienen (SDI steht für „serielle digitale Schnittstelle“, Zonex und Mux sind generische Bosch-Bezeichnungen). Unsere Niederspannungssysteme der Klassen 2 und 3 haben meist entweder 12 oder 24 VDC. Über unsere Relais lässt sich alles von einer 10 mA-LED bis zu einem 400 A-Shunt-Auslöseschalter steuern. Die maximale Stromaufnahme aus unseren Schaltschränken beträgt 2 A. Für alles über dieser Grenze installieren wir zusätzliche Stromversorgungen.

Sämtliche unserer alarmauslösenden Stromkreise verfügen über einen endlichen Widerstand zur Abschlussüberwachung. Wir verwenden integrierte und nicht integrierte Punkte oder Zonen (Stromkreiseingänge). Ein integrierter Punkt ist in das Schaltfeld eingebaut. Nicht integrierte Punkte befinden sich auf einem der Datenbusse. Bei integrierten Punkten beginnt der Stromkreis am Schaltfeld. Bei nicht integrierten Punkten beginnt der Stromkreis beim Punkt-ID-Geber. Der Punkt-ID-Geber verbleibt im Gegenzug auf dem Datenbus.

Basis

Wir erstellen für jeden Kunden eine Datenbank der elektrischen Kennzeichnungen innerhalb der Herstellerspezifikationen. Wir messen und dokumentieren den Widerstand und die Spannung sämtlicher Auslöse- und Überwachungsschaltungen. Darin enthalten ist die kumulative Stromaufnahme des Schaltfelds. Wir messen zudem den nicht aktivierten Stromkreisabschnitt zu einer bekannten Erde. So erfahren wir, ob keine Erdungsfehler mehr vorliegen.

Wenn wir zur jährlichen oder halbjährlichen Wartung zurückkehren, verfügen wir nun über einen Referenzpunkt, von dem aus wir einen Stromkreis messen können. Wenn bei Installation am Stromkreis 992 Ω vorlagen und bei der jährlichen Prüfung 1050 Ω gemessen werden, können wir zwei Aussagen treffen:

1. Der Messwert liegt innerhalb der Herstellerspezifikation von ±100 Ω.
2. Am Stromkreis ist bald mit einem Problem zu rechnen.

Wir wissen zudem, das unsere Punkt-ID-Geber für jeweils 1 Ω Widerstand auf dem Datenbus sorgen. So erhalten wir einen Bezugspunkt, da wir die Anzahl der Punkt-ID-Transponder auf dem Datenbus kennen.

Erdung

Da wir gemäß NEC (und aus gesunder Vorsicht) jedes Schaltfeld, das wir installieren und warten, erden müssen, prüfen wir eine Erdungsverbindung mit einem Widerstand unter 1,0 Ω an einer bekannten elektrischen Erdung. Wir wissen, dass der Strom den Weg des geringsten Widerstands geht; daher möchten wir den Weg für unerwünschte Überspannungen so weit offen wie möglich halten.

Die Messung eines Datenbus oder Backbone gestaltet sich etwas komplizierter. Ich habe bereits erwähnt, dass ein Datenbus bis zu 238 Transponder (Punkt-ID-Module) haben kann, die jeweils mit dem eigenen Abschlusswiderstand verzweigt sind. Zum Glück verleiht jeder Transponder dem Stromkreis seinen eigenen Widerstand. Wenn wir den Gesamtwert kennen, bevor wir uns auf die Fehlersuche begeben, sind wir in einer optimalen Position, um das „Teile & herrsche“-Prinzip anzuwenden.

Fehlersuche

Fehlerhafte Installation

Die Fehlersuche war schon immer eine Art Kunst, die teils auf Intuition und teils auf althergebrachter Routine beruhte. Hier können uns zuverlässige Referenzpunkte das gute Gefühl vermitteln, zu wissen, was wir tun. Wenn wir bei einer vorherigen Wartung den Stromkreis gemessen oder dokumentiert haben, wissen wir, was wir bei der Fehlersuche sehen möchten.

Die „Teile & herrsche“-Regel kann auf sämtliche problematische Stromkreise angewendet werden. Zunächst gehen wir den Stromkreis durch, in der Hoffnung physische bzw., da wir uns in Oregon befinden, Wasserschäden ausfindig zu machen. Falls dies nicht funktioniert, holen wir unsere zuverlässigen Fluke-Ohmmeter heraus. Wir wissen, wie hoch der Abschlusswiderstand sein sollte. Wenn wir einen unendlichen Widerstand messen, liegt ein offener Schaltkreis vor. Wenn wir einen Widerstand von (fast) Null messen, wissen wir, dass ein Kurzschluss vorliegt. Wenn wir einen hohen Widerstand haben, der außerhalb der Stromkreisspezifikationen liegt, könnte ein fehlerhaftes Gerät, Kabel oder ein Impedanzproblem vorliegen.

Sobald wir wissen, wonach wir suchen müssen, können wir einen Widerstand mit einem anderen Wert auf dem Schaltfeld- oder Transponderende anbringen. Wenn wir den Stromkreis in der Mitte teilen, wissen wir nun, dass X Ohm in einer Richtung und Y Ohm in der anderen anliegen sollten. Der Wert, der unseren Erwartungen nicht entspricht, gibt die Richtung vor, in der wir weiterarbeiten müssen. Wir wenden die „Teile & herrsche“-Regel erneut an, bis wir die Ursache des Problems isoliert haben.

Wir können die „Teile & herrsche“-Regel auch auf einen Erdungsfehler anwenden. Wenn das Schaltfeld, auf dem wir nach Fehlern suchen, erkennen lässt, dass ein Erdungsfehler vorliegt, können wir die gleiche Methode wie oben anwenden, mit dem Unterschied, dass wir jeden Abschnitt zu einer bekannten elektrischen Erdung messen. Wenn sich herausstellt, dass der Fehler auf einem Abschnitt vorliegt, können Sie den anderen Abschnitt an die Erde anlegen und beim Messen des Stromkreises als Massebezug verwenden.

Der vielleicht schwierigste Erdungsfehler, den ich jemals gefunden habe, war auf einem Mietgelände in Bridgeport Village in Portland. An einem adressierbaren Feueralarm, an dem der Bus wie ein Spinnennetz installiert war, lag ein intermittierendes Problem vor. Bei mehreren Serviceeinsätzen konnte ich mit meinem Ohmmeter eine abgedichtete Spleißbox ausfindig machen, von der Wasser auf ein vereinzeltes MC-Kabel herabtropfte. Einige Tage, nachdem es geregnet hatte, gelangte Wasser in das MC-Kabel, tropfte auf die Kabelverbinder im Schaltkasten, verursachte einen Erdungsfehler und trocknete dann wieder.

Sensormessung

Ein weiterer wichtiger Einsatzbereich unserer Multimeter ist die Prüfung der Konformität von Sensorelementen in nicht analogen oder konventionellen Rauchmeldern. Wir messen die Spannung und bringen dann eine Parallelschaltung an, um die Empfindlichkeit zu lesen und aufzuzeichnen.

Es kommt entscheidend auf die Genauigkeit Ihrer Messgeräte an, insbesondere beim Messen geringer Spannungen. Ein gutes Beispiel hierfür sind herkömmliche Rauchmelder. Die Empfindlichkeit wird vom Hersteller angegeben. Wir verwenden diese Spezifikation als Bezugspunkt. Für den Rauchmelder DS284 von Bosch ist eine Empfindlichkeit von 3,0 % ± 0,9 % angegeben. Das bedeutet, dass unsere Empfindlichkeitsmessungen zwischen 2,1 und 3,9 % liegen können. Wir messen die Gleichspannung der Empfindlichkeitsschaltung und multiplizieren das Ganze mit 2, um herauszufinden, wie nahe wir bei der Spezifikation liegen. Wenn wir mit 2 multiplizieren, weicht unser Messgerät mit 0,45 VDC von der Kalibrierung ab, was die Messergebnisse verschlechtern könnte.

Wie Sie dem obigen Rauchmelderbeispiel entnehmen können, haben wir bei der Messgenauigkeit keinen großen Spielraum. Wenn unsere Messungen ungenau sind, kann das dazu führen, dass wir ein Gerät nicht zertifizieren, obwohl wir es hätten zertifizieren sollen.

Trenddarstellung

Die alte Erkenntnis „Je höher die Technologie, desto empfindlicher“ bewahrheitet sich um so mehr mit jeder Innovation, die in den verschiedenen Elektrobranchen umgesetzt wird, die wir beliefern. Um so erfolgsentscheidender werden dabei unsere Messgeräte und Dokumentationsmöglichkeiten.

Vorbeugende Fehlersuche

Einen wichtigen Faktor stellt in unserem Bereich die Verlagerung von immer mehr Hochspannungselektrikern in den spannungsbegrenzten Bereich dar. Wir konnten diese Position erreichen, indem wir erst eine Lizenz für begrenzte Spannungsbereiche erwarben und dann zum Elektroinstallateurbetrieb wurden, bei dem ein wichtiger Mitarbeiter zum Aufsicht führenden Elektriker wurde. So konnten wir beide Seiten beobachten. Auch wenn wir beide den NEC- und NFPA-Vorschriften verpflichtet sind, so trennen uns Welten in der Art und Weise, wie wir Kabel und Geräte installieren. Ich habe schon Installateure gesehen, die Romex-Klammern bei Kabeln der Kategorie 5 verwendet und damit die Bandbreite auf den Druck abgeschwächt haben, bei dem die Klammer an der Ummantelung zerbrach. Mir sind schon Niederspannungskabel begegnet, die zu nah am Netzspannungskabel montiert wurden und dadurch die AC-Induktion auf Gleichstromkreisen angenommen haben.

Bei der Montage von Niederspannungskabeln und -geräten kommt es ganz besonders auf Behutsamkeit an. Allein hierdurch lässt sich der Aufwand und der Umfang der zur Fehlersuche erforderlichen Kompetenzen nach Erledigung des Auftrags deutlich reduzieren.