Angemessene Alarmschwellen für die Differenzstromüberwachung
Schutzziele
Derzeit werden immer mehr Produktionsanlagen im industriellen Sektor mit Differenzstrommessungen ausgestattet.
Diese Überwachungsmaßnahme wird meist eingesetzt, um die Schutzziele Störungs- und Anlagenschutz zu erreichen.
In einigen speziellen Fällen und unter bestimmten Bedingungen kann auch der Brandschutz durch Differenzstrommonitore gemäß IEC 62020 abgebildet werden.
Zusätzlich zu diesen Schutzzielen kann gemäß der internationalen Normung die Isolationsmessung, die Teil der periodischen Inspektion für feste Installationen ist, vermieden werden.
Fehlerstromwerte einer Produktionsanlage mit 270 A Nennstrom
Produktionsanlagen sind meist komplexe elektrische Systeme, die durch eine Kombination von verschiedenen elektrischen Geräten realisiert werden.
In den meisten Fällen übernimmt eine SPS die Steuerung.
Während die einzelnen elektrischen Geräte hinsichtlich ihres systembedingten Ableitstroms durch Normen geregelt sind, können in komplexen Systemen größere systembedingte Ableitströme auftreten.
Normalerweise handelt es sich dabei um kapazitive Filterströme, die Oberschwingungsanteile in den Schutzleiter ableiten.
Das folgende Oszillogramm wurde in einer Produktionsanlage in einer industriellen Umgebung entdeckt.
Es lässt sich eine Grundschwingung erkennen, die im Zeitintervall von 20 ms dreimal schwingt. In der FFT-Analyse ist die größte Amplitude daher bei 150 Hz zu erwarten.
Aufgrund dieser oft hohen Werte war es nicht möglich, das System mit herkömmlichen FI-Schutzschaltern für den Personenschutz oder den Brandschutz zu schützen.
Frei zugängliche Steckdosen und der zugehörige FI-Schutzschalter für den Personenschutz wurden aus diesem Grund einfach weggelassen.
Es stellt sich nun die Frage, wie man bei der Differenzstrommessung mit höheren anlagenbedingten Fehlerströmen umgeht, zumal sich nur selten eine stabile Amplitude über die verschiedenen Betriebszustände der Anlage einstellt.
Die im folgenden Diagramm dargestellten Messwerte stammen aus einer großen Produktionsanlage mit einem Nennstrom von 270 A.
Wie man angemessene Alarmschwellen findet
Die relativ großen Stromwerte sind hauptsächlich auf die kapazitiven Filterströme der einzelnen Geräte zurückzuführen.
Die Frequenzumrichter sind die Hauptursache dafür.
Wenn diese gemessenen Fehlerstromwerte nun intern in der SPS mit den jeweiligen Betriebszuständen der Anlage verknüpft werden, kann ein Normalzustand der Anlage definiert werden.
Dieses Verfahren ermöglicht eine intelligente Überwachung der Anlage.
Auch Einschaltspitzen können auf diese Weise als Normalzustand deklariert werden.
Eine kostspielige Einzelüberwachung der einzelnen Geräte zum Schutz der Anlage ist nicht mehr notwendig.
Generell ist aber auch hier zu beachten, dass diese Lösung nicht für den Personenschutz zugelassen ist.
Aufgrund der Addition des kapazitiven und des ohmschen Stromvektors sind Pegel von 15 bis 30 mA bei hohen kapazitiven Pegeln im TRMS-Signal kaum zu erkennen, wie die folgende Abbildung verdeutlicht.
Ohne die 30 mA Widerstandskomponente(IR) beträgt der Reststrom 250 mA(IRC).
Wenn die Widerstandskomponente auf 30 mA ansteigt, beträgt der Gesamtreststrom nur noch 251,8 mA.
Im Folgenden wird das Problem anhand eines Oszillogramms mit denselben RMS-Werten veranschaulicht.
Der kapazitive Strom hinkt der ohmschen Komponente um 90° oder 5 ms hinterher. Wenn es sich bei den kapazitiven Ableitströmen um höherfrequente und ganzzahlige Vielfache der in den Leitern herrschenden 50-Hz-Grundfrequenz handelt, wie im obigen Beispiel bei 150 Hz, ändert sich das Problem auch bei unterschiedlichen Verschiebungen zwischen den 50-Hz- und 150-Hz-Signalen kaum.
Für alle kapazitiven Stromsignale mit einem Phasenversatz von 90° oder 5 ms und alle ganzzahligen Vielfachen von 50 Hz wird der prozentuale Anstieg der TRMS mit zunehmendem Widerstandsstrom durch die folgende Formel angegeben.
Diese Zusammenhänge sollten bei der Auswahl der Alarmschwellen im SPS-Steuerungssystem berücksichtigt werden.
In unserer Tabelle müssen die Werte wie folgt geändert werden, wenn die gleichen Schutzziele weiterhin gültig sind.
In mehreren Projekten werden die gemessenen Differenzstromwerte zusätzlich über Energiemessmodule mit den jeweiligen Phasenströmen an die SPS angeschlossen.
Bei einigen Anwendungen werden Frequenzkomponenten jenseits von 100 Hz oder 2 kHz absichtlich ausgelassen.
Diese Einstellung kann am Bedienterminal des Danisense Differenzstrommonitors vorgenommen werden.
Auf diese Weise werden kapazitive Frequenzkomponenten mit einer höheren Frequenz nur stark gedämpft im TRMS-Wert berücksichtigt.
Auf diese Weise kann der systembedingte Ableitstrom oft reduziert werden und Änderungen des ohmschen Fehlerstroms sind leichter zu erkennen.
Dieses Verfahren erscheint legitim, da die Relaisfunktion herkömmlicher RCDs und RCMs auch für eine allgemeine Dämpfung höherer Frequenzkomponenten gemäß der Norm sorgt.
Fazit
Eine individuelle Überwachung der Betriebsmittel einer industriellen Fertigungsanlage ist aus Kosten- und Nachrüstungsgründen oft nicht möglich.
Eine gute Alternative ist es, den Hauptanschluss zu messen und den Ausgang des 4-20 mA-Ausgangs mit der SPS zu verknüpfen.
Auf diese Weise können Einschaltstromspitzen und höhere Pegel mit dem Betriebsstatus jedes gesteuerten Geräts verknüpft werden.
Gefährliche ohmsche Stromkomponenten bei 50 Hz können so leichter erkannt werden.
Es kann notwendig sein, große systembedingte Fehlerströme zu dämpfen, um ein besseres Verhältnis zwischen kapazitiven und ohmschen Strömen zu erhalten.
Um den gegebenen Differenzstrom ausreichend analysieren zu können, wird die Variante SRCMH070IB+ mit kostenloser Analysesoftware empfohlen.