Erhöhung der Feuersicherheit mit Hilfe von Residual Current Monitoring(RCM)
Einführung
Mehrere Studien in verschiedenen europäischen Ländern zeigen, dass die häufigsten Ursachen für Brände in und um Gebäude in zwei Kategorien fallen: Elektrizität (30-35 %) und menschliches Versagen (15-20 %). Trotz modernster elektrischer Sicherheitssysteme gibt es immer wieder Berichte über Gebäudebrände. Der häufigste Fehler im elektrischen Versorgungssystem ist ein Fehlerstrom, der aufgrund eines Isolationsfehlers zwischen dem Leiter und der Erde fließt. Dieser Artikel befasst sich mit möglichen Fehlermechanismen bei der Fehlerstromüberwachung und gibt einen Überblick.
Stromkreise in Gebäuden werden durch zwei verschiedene Schutzschalter geschützt.
- Der Überstromschutz, auch als elektrische Sicherung oder Over Current Protection(OCP) bekannt, unterbricht einen Stromkreis, wenn der elektrische Strom einen bestimmten Wert für eine bestimmte Zeit überschreitet. Es gibt verschiedene Arten von Überstromschutzvorrichtungen wie Sicherungen oder Schutzschalter. Alle elektrischen Sicherungen in einem Haus oder einer Wohnung sind in der Regel zusammen mit anderen Schutzschaltern in einer Verteilertafel untergebracht. Überstromschutzvorrichtungen schützen Kabel oder andere Geräte vor Schäden, die durch eine übermäßige Erwärmung verursacht werden, die durch den über einen längeren Zeitraum fließenden Überstrom entstehen würde. Ein Überstrom kann durch eine Überlast oder einen Kurzschluss verursacht werden. Ein Überstromschutz ist in den meisten Ländern gemäß den Bauvorschriften und Normen für Elektroinstallationen vorgeschrieben.
- Ein Fehlerstromschutzschalter(RCD) ist ein lebensrettendes Gerät, das verhindern soll, dass Menschen bei direktem Kontakt mit stromführenden Leitern, wie z.B. einem blanken Draht, verletzt werden. FI-Schutzschalter bieten ein Maß an Personenschutz, das normale Sicherungen und Leistungsschalter nicht bieten können. Ein FI-Schutzschalter ist eine empfindliche Sicherheitseinrichtung, die im Falle eines Fehlers automatisch den Strom abschaltet. Ein FI-Schutzschalter schützt vor der Gefahr von Stromschlägen und Bränden, die durch Erdschlüsse verursacht werden. Zum Beispiel, wenn eine Person blanke Drähte in einer Lampe in einem Badezimmer berührt und der nasse Fußboden eine elektrische Verbindung zu den geerdeten Heizkörpern hat.
Auf dem Gebiet der FI-Schutzschalter hat es in den letzten Jahren wichtige Veränderungen und Entwicklungen gegeben. Nachfolgend werden daher wichtige Neuerungen in diesem Bereich beschrieben. Die richtige Auswahl der bereits vorhandenen Geräte kann das Risiko eines Brandes in der elektrischen Anlage möglicherweise minimieren.
Das Prinzip der RCDs
Das Prinzip von FI-Schutzschaltern ist in der folgenden Abbildung 1 dargestellt. Wenn eine Person einen nicht isolierten Leiter berührt, kann ein Teil des Stroms durch die Person fließen, da der Widerstand des menschlichen Körpers ca. 800 Ohm beträgt. In vielen Fällen stellt dieser Widerstand einen eher geringen Widerstand zur Erde dar. Dieser Strom fließt über die Erde zurück zu der Spannungsquelle (geerdete Sekundärseite des Transformators). Wenn der Strom nicht durch den Summenstromwandler zurückfließt, entsteht ein Reststrom. Wenn dieser Wert hoch genug ist, löst der FI-Schutzschalter aus und unterbricht den gesamten Stromkreis.
Die Auslösung zwischen 50 und 100 % des Nennfehlerstroms ist in der internationalen Norm festgelegt. Wenn der 30 mA FI-Schutzschalter auslöst, muss ein Reststrom von 15 bis 30 mA vorhanden sein. Der Schwellenwert von 30 mA soll den Personenschutz gewährleisten, der überall dort erforderlich ist, wo frei zugängliche Steckdosen vorhanden sind.
In der industriellen Umgebung finden wir neben den Verwaltungsgebäuden, die mit 30-mA-RCDs geschützt sind, in der Regel auch größere Maschinen, die für die Produktion verwendet werden. Auch wenn diese Maschinen keine frei zugänglichen Steckdosen haben, wäre ein Schutz durch RCDs ebenfalls sinnvoll. Isolationsfehler in den Maschinen können auch Brände oder Fehlfunktionen verursachen, die ebenfalls eine Gefahrenquelle darstellen. Es gibt verschiedene FI-Schutzschalter auf dem Markt, die unterschiedliche Auslösewerte haben und daher unterschiedliche Schutzzwecke verfolgen. Es gibt drei verschiedene Arten von Schutz mit den entsprechenden Auslöseströmen, die in der folgenden Tabelle aufgeführt sind.
Ein Strom, der zwischen dem Leiter und der Erde fließt und mindestens 60 W als Wärme abgibt, kann einen Brand verursachen. Bei einer Versorgungsspannung von 230 V entspricht dies etwa 300 mA. FI-Schutzschalter für den Brandschutz haben daher einen maximalen Auslösewert von 300 mA.
RCDs für di4erschiedene Signalformen
Neben dem Stromwert ist nun auch die Signalform des Stroms entscheidend für das korrekte Funktionieren der RCDs. Heutzutage müssen viele elektrische Lasten als nichtlineare Lasten gekennzeichnet werden , da diese Geräte einen nicht sinusförmigen Strom aus dem Netz beziehen. Infolgedessen hat der vom FI-Schutzschalter erfasste Fehlerstrom oft eine nicht sinusförmige Kurvenform. Um eine korrekte Funktion des FI-Schutzschalters zu gewährleisten, müssen die angeschlossenen Lasten im Hinblick auf den zu verwendenden FI-Schutzschalter berücksichtigt werden.
Wenn zum Beispiel eine neue Waschmaschine gekauft wird und in der Bedienungsanleitung ein Personenschutzschalter vom Typ B (30 mA) angegeben ist und dies nicht berücksichtigt wird, kann das folgende Szenario eintreten.
Aufgrund eines Fehlers erzeugt die Waschmaschine einen Gleichstrom als Fehlerstrom von 8 mA. Die einzelnen Stromkreise in einem Verteilerschrank sind jedoch nur durch einen FI-Schutzschalter vom Typ A geschützt . Ein Gleichstrom ist für den FI-Schutzschalter vom Typ A nicht vorgeschrieben. Ein Gleichstrom von mindestens 6 mA hat den Effekt, dass der kleine Stromwandler, der im Typ A installiert ist, in die magnetische Sättigung getrieben wird. Der Haartrockner fällt dann in die mit Wasser gefüllte Badewanne. Hier fließt der Differenzstrom nun über das Badewasser in die elektrische Erde und zurück zur geerdeten Sekundärwicklung des Transformators des Versorgungsunternehmens. Dieser Fehlerstrom hat nun eine gepulste oder sinusförmige Wellenform , die eigentlich vom FI-Schutzschalter Typ A abgedeckt wird. Wenn dieser Fehlerstrom nun z.B. 40 mA beträgt, sollte der FI-Schutzschalter vom Typ A auslösen. In diesem Fall löst der FI-Schutzschalter jedoch nicht aus, weil der Eisenkern des Stromwandlers durch den Gleichstrom von 8 mA bereits vollständig magnetisiert ist, so dass der Stromwandler die 40 mA nicht mehr auf die Sekundärseite übertragen kann. Wenn in der Stromverteilung ein FI-Schutzschalter vom Typ B oder B+ installiert ist, hätte der FI-Schutzschalter mit Sicherheit ausgelöst, da der Fehlerstromwert die Auslöseschwelle mit einem Wert von insgesamt 48 mA überschritten hat.
Maschinen und FI-Schutzschalter
Wenn in industriellen Anlagen keine frei zugänglichen Steckdosen vorhanden sind, ist der Betreiber nicht verpflichtet, die Anlagen mit einem FI-Schutzschalter zu schützen. Aus sicherheitstechnischer Sicht ist der Schutz gegen Fehlerstrom immer ratsam. Allerdings kommt es häufig vor, dass Stromspitzen beim Einschalten von Motoren oder anderen induktiven Geräten zu Fehlauslösungen führen, die sich schädlich auf die Produktionsprozesse auswirken können.
Es kann auch systembedingte Fehlerströme geben. Hochfrequente Komponenten im Stromsignal können über Filter oder Kabelkapazitäten zur Erde fließen. In der folgenden Abbildung sind diese systembedingten Fehlerströme am Beispiel eines Frequenzumrichters schematisch dargestellt.
Diese systembedingten Fehlerströme können durchaus Werte erreichen, so dass ein Schutz mit einem FI-Schutzschalter für den Brandschutz (300 mA) nicht mehr verwendet werden kann.
Ein Fehlerstrom-Überwachungsgerät kann eine Lösung für diese Situation bieten. Die folgende Abbildung 3 zeigt, dass ein RCM im Gegensatz zum FI-Schutzschalter die Versorgungsleitung nicht selbständig unterbrechen kann. Der Fehlerstrom wird lediglich gemessen und über eine geeignete Schnittstelle ausgegeben. Darüber hinaus verfügen RCMs über einen oder mehrere Relaisausgänge, die wiederum zur Steuerung von Leistungsschaltern verwendet werden können.
Danisense Lösung
Die Danisense RCM-Lösungen verfügen über einen Relaisausgang und einen TRMS-Wert, der in ein 4-20 mA DC Standard-Maschinensignal umgewandelt wird, das von einer speicherprogrammierbaren Steuerung(SPS) oder einem universellen Messgerät leicht verarbeitet werden kann. Für eine tiefergehende Analyse kann eine USB-Schnittstelle an einen Laptop mit dem SRCM-Softwaretool angeschlossen werden. Mit dieser Konfiguration ist es möglich, das Stromsignal detaillierter zu analysieren. Die Software bietet u.a. eine Oszilloskop-Ansicht und eine FFT-Analyse.
Fehlerstromüberwachung über die PLC
In komplexen Industriemaschinen bilden eine Vielzahl von elektrischen Komponenten ein System, das über eine SPS gesteuert wird. Dementsprechend können diese Anlagen höhere Fehlerstromwerte aufweisen als in den oben genannten Tabellen. Die folgenden Werte ergeben sich zum Beispiel aus einer Produktionsanlage mit einem Nennstrom von 235 A.
Auch wenn die kontinuierliche Differenzstromüberwachung aufgrund der internationalen Normung die Isolationsprüfung ersetzen kann, ist eine Analyse des Isolationswiderstands über die oben gezeigten Messwerte nicht ganz einfach. In der Anlage wird eine Vielzahl von einzelnen Verbrauchern gesteuert, die in Summe unterschiedliche Fehlerstrompegel erzeugen.
Aus diesem Grund haben einige SPS-Hersteller bereits Fehlerstromsensoren in ihrem Portfolio, die über Maschinenstandardsignale an die SPS angeschlossen werden können. Durch die Verknüpfung von der verschiedenen Maschinenzustände mit den gemessenen Differenzstromwerten direkt nach der Inbetriebnahme und den erfolgreichen Sicherheitstests kann eine "gesunde" RC-Basislinie in der SPS gespeichert werden. Mit diesen Daten kann eine zuverlässige und aussagekräftige Überwachung der Produktionsanlage durchgeführt werden.
Fazit
Im Allgemeinen kann ein RCM als Frühwarnsystem eingesetzt werden, da viele Isolationsfehler zu langsam ansteigenden Fehlerströmen führen. Aus diesem Grund werden diese Geräte als vorausschauende Wartungsmaßnahmen kategorisiert. In vielen Fällen kann eine Isolationsprüfung, die Teil der von vielen Aufsichtsbehörden geforderten periodischen Sicherheitsinspektion ist, vermieden werden. RCM-Geräte sind in Objekten, die Teil der kritischen Infrastruktur sind, wie Rechenzentren und Krankenhäuser, bereits vorgeschrieben. Auch Anwendungen in der Industrie, wo unvorhergesehene Maschinenausfälle ein Problem darstellen, profitieren davon. RCM ist die ultimative Lösung zur Verbesserung der Sicherheit und Systemverfügbarkeit im Falle von Isolationsfehlern.