Differenzstromüberwachung an Produktionsanlagen mit Danisense Differenzstrommonitor SRCMH070IB+
Heute ist der drehzahlgeregelte Drehstrommotor ein Standardelement in allen automatisierten Prozessanlagen und gewerblichen Gebäuden. Hocheffiziente Asynchronmotoren, aber vor allem Motorentechnologien wie Permanentmagnetmotoren, EC-Motoren und Synchron-Reluktanzmotoren, erfordern die Steuerung über Frequenzumrichter; für viele Motortypen ist der direkte Betrieb über ein Standard-Drehstromnetz sogar überhaupt nicht mehr möglich.
Dieser Entwicklung stehen jahrzehntelange Sicherheitsrichtlinien gegenüber, die den Schutz von Personen, Feuer und Anlagen gewährleisten sollen. Zum Beispiel muss die regelmäßige Inspektion von Niederspannungsanlagen gemäß IEC 60364-6 (Ausgabe 2.0 2016-04) durchgeführt werden. Punkt 6.5.1.2 verlangt unter anderem eine Prüfung des Isolationswiderstandes, bei der eine Prüfspannung zwischen dem jeweiligen Leiter und dem PE-Schutzpotential angelegt wird. Viele Hersteller von Frequenzumrichtern verbieten diesen Test ausdrücklich für ihre Geräte. Daher muss der Frequenzumrichter für diese Messung vom Netz getrennt werden, um mögliche Schäden zu vermeiden. Die IEC 60364-6 bietet uns unter Punkt 6.5.1.2 ebenfalls einen Ausweg. Hier erklärt der Standard:
„Wenn ein Stromkreis permanent von einem RCM gemäß IEC 62020 überwacht wird, … ist es nicht notwendig, den Isolationswiderstand zu messen, wenn die Funktion des … RCM ist korrekt.“
Die IEC 62020, die im Zusammenhang mit dem RCM(Residual Current Monitoring device) erwähnt wird, beschreibt die technischen Randbedingungen, die ein Fehlerstrommonitor erfüllen muss, um als vollständiger Ersatz für die herkömmliche Messung des Isolationswiderstands anerkannt zu werden. Ein Anstieg der gemessenen Werte mit dem Differenzstrommonitor kann auf einen Fehler in der Isolierung der Anlage hinweisen. Eine anschließende Kontrolle der Anlage kann dann zeitlich so gesteuert werden, dass ein unkontrolliertes Abschalten der Anlage und eine unerwünschte Unterbrechung der Produktionsprozesse vermieden wird. Im Gegensatz zur herkömmlichen Isolationsmessung wird das System durch die Differenzstromüberwachung ohne Unterbrechung überwacht und Fehler in der Isolation können sofort erkannt werden.
Es handelt sich also um ein Verfahren, das als vorausschauende Wartungslösung eingestuft werden kann. Bei der Inbetriebnahme eines Differenzstrom-Überwachungsgeräts müssen oft mehrere Randbedingungen beachtet werden, um eine korrekte Funktion sicherzustellen.
Aufgrund des Einsatzes von Frequenzumrichtern in Produktionsmaschinen ist in den meisten Fällen ein systembedingter Ableitstrom vorhanden, der Probleme für den traditionellen Residual Current Protective Dgeräte (RCDs). Während Fehlerströme meist aus einer hohen ohmschen Komponente bestehen, sind systembedingte Ableitströme überwiegend kapazitiv. Ein FI-Schutzschalter kann jedoch nicht zwischen den verschiedenen Leckströmen unterscheiden. Daher kann er bereits auslösen, wenn die Summe aller Ableitströme über der Auslöseschwelle liegt. Dies ist auch im normalen Betrieb möglich.
Wie in der Abbildung zu sehen ist, können im Fehlerstrom verschiedene Frequenzkomponenten von DC bis zu mehreren kHz auftreten. Bei der Analyse des gemessenen Fehlerstroms muss immer auch der netzbedingte Fehlerstrom berücksichtigt werden, da dieser trotz perfekter Isolierung vorhanden ist und technisch nicht getrennt werden kann. Außerdem können aufgrund von Induktivitäten (z.B. Motor) während der Einschaltvorgänge hohe Stromspitzen erzeugt werden, die zur Auslösung der Relais an den RCDs und RCMs führen können.
Im Allgemeinen können die Frequenzkomponenten wie folgt interpretiert werden.
Bei der Installation eines Fehlerstrom-Monitors ist es wichtig, den tatsächlichen systembedingten Ableitstrom zu kennen. Erst dann kann eine geeignete Warnschwelle und eine Relaisauslöseschwelle festgelegt werden.
Der Differenzstrommonitor von Danisense (SRCMH070IB+) kann über eine USB-Buchse mit einer speziell entwickelten Software für Windows-Systeme ausgelesen werden. Mit dieser Einrichtung gehen wir nun zu einer Produktionsmaschine mit einer Vielzahl von Robotersystemen und drehzahlgeregelten Elektromotoren über. Der Nennstrom dieser großen Produktionsanlage beträgt fast 300 A. Aufgrund der installierten Frequenzumrichter sollten verschiedene Frequenzkomponenten des systembedingten Ableitstroms feststellbar sein.
Die Benutzeroberfläche der Software bietet die folgende Übersicht.
Ein echter Effektivwert von 290,1 mA wird über das Integrationsintervall von 1000 ms erfasst. Wir beginnen mit der maximalen Auslöseschwelle des integrierten Relais von 1000 mA und sehen uns das Signal des Differenzstroms über die Registerkarte FFT an.
Das Signal wird über das Zeitintervall von 0,1 Sekunden aufgezeichnet. Über ein Intervall von 20 ms (eine Sinuswelle bei 50 Hz) erkennen wir 3 Schwingungen. Eine Grundschwingung von 150 Hz bildet also die größte Amplitude in unserem Signal. Die FFT-Analyse bestätigt unsere Vermutung.
Es ist zu beachten, dass das Relais nicht alle Frequenzkomponenten des Fehlerstroms gleich gewichtet und daher einen kleineren echten Effektivwert (210,6 mA) für
die Relaisfunktion auf der Benutzeroberfläche. Dies liegt an der normativen Regelung für RCDs, die auch für RCMs gemäß IEC 62020 gilt.
Die obige Abbildung zeigt einen RCD Typ B+, der einen Fehlerstrom zwischen DC und 20 kHz erkennen kann. Wie in der obigen Abbildung zu sehen ist, sind nur die Frequenzkomponenten zwischen
50 und 100 Hz sind 1:1 in dem für das Relais relevanten Stromwert enthalten. Niedrigere und höhere Frequenzkomponenten sind schwächer gewichtet. Der Auslösewert von 30 mA ist
im Bereich der Netzfrequenz von 50 Hz angegeben, da dort die Möglichkeit eines Fehlerstroms am größten ist. Der zulässige Auslösewert steigt mit zunehmender Frequenz. Das bedeutet, dass die hochfrequenten Ableitströme des Frequenzumrichters bereits teilweise berücksichtigt werden. Diese Gewichtung wird auch im Relaisausgang von Fehlerstromwächtern angewendet. Aus diesem Grund werden höherfrequente Stromkomponenten in der relevanten Wellenform für den Relaisausgang deutlich abgeschwächt und der wahre Effektivwert ist kleiner als der konventionell ermittelte wahre Effektivwert.
Die obige Abbildung zeigt die deutliche Abschwächung der höheren Frequenzkomponenten in dem für den Relaisausgang relevanten Signal.
Um eine stabile Überwachung zu gewährleisten und gleichzeitig vor Fehlalarmen geschützt zu sein, betrachten wir nun die verschiedenen Werte des Reststroms, den die Maschine in den verschiedenen Betriebsarten erzeugt.
Die Werte wurden von der Danisense Software als .csv-Datei generiert. Gleichzeitig werden die Werte auch für den 4-20 mA DC-Ausgang bereitgestellt. Das Gerät wurde zuvor einer Isolationsmessung unterzogen. Es konnten keine Defekte gefunden werden. Durch das Integrationsintervall über 1000 ms werden die Stromspitzen bei Ein- und Ausschaltvorgängen geglättet, so dass über die TRMS-Berechnung keine deutlich erhöhten Werte zu erkennen sind. Der Differenzstrom oszilliert zwischen 236,5 und 333,7 mA. Über die 4-20 mA-Schnittstelle können nun zwei Alarmschwellen in der SPS oder im Universalmessgerät bei 450 oder 550 mA definiert werden. Der Relaisausgang kann auf 1000 mA eingestellt werden. Nach den einschlägigen Normen ist hier eine Auslösung zwischen 50 und 100 Prozent (500 bis 1000 mA) definiert. Dementsprechend sollte das System mit diesen Parametern vernünftig überwacht werden.
Über einen Zeitraum von zwei Monaten konnten keine Fehlalarme festgestellt werden.
Eine Verringerung des Integrationsintervalls auf 400 ms lieferte ebenfalls brauchbare Werte, um eine zuverlässige Überwachung der Anlage zu gewährleisten.
Für eine schnelle Inbetriebnahme des RCM kann auch eine automatische Analyse des Differenzstroms durch einen integrierten Algorithmus durchgeführt werden. Dies geschieht durch eine bestimmte Tastenkombination auf dem Bedienterminal.
In vielen kritischen Objekten, wie z.B. Rechenzentren oder kostenintensiven Produktionsanlagen, werden bereits Differenzstrom-Überwachungsgeräte eingesetzt, um ein unkontrolliertes Abschalten zu verhindern oder die zeitaufwändige Isolationsmessung zu sparen. Ebenso können Fehlerstromwächter parallel zum RCD (300 mA) in brandgefährdeten Betriebsstätten eingesetzt werden, um frühzeitig über einen Anstieg der Fehlerstromwerte zu informieren.
Weitere Informationen finden Sie auf unserer Website