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''Vor transienten Überspannungen geschützt'' - Computer & Automation 4 vom 12. April 2022

In industriellen Anwendungen ist es wichtig, Anlagen und Geräte vor transienten Überspannungen zu schützen. Diese können elektronische Komponenten schädigen und Ausfallzeiten verursachen. Mit Überspannungsschutz-vorrichtungen lassen sich Ausfälle und damit hohe Kosten vermeiden.
 

Autor: Frank Stocker,
Field Application Engineer Power Supplies (Schukat)


Überspannungen durch Blitzschlag oder Schaltvorgänge sind alltäglich. Doch Entwickler und Betreiber industrieelektronischer Komponenten und Anlagen sehen sich mit der Herausforderung konfrontiert, die verwendeten Systeme gegen kurzzeitige Spannungsspitzen, also transiente Überspannungen, zu schützen. Grund hierfür sind komplexe technische Anlagen mit immer kleineren, leistungsfähigeren Geräten, die in ihrem Funktionsumfang wachsen und dadurch noch anfälliger werden. Die in Industrieanlagen verwendeten Schaltnetzteile beispielsweise weisen zwar eine hohe Spannungsfestigkeit auf, jedoch kann die Stromversorgung die durch Transienten auftretende hohe Impulsenergie oft nicht oder nur ungenügend ableiten. Viele Netzteil-Ausfälle im Feld ist auf Überspannungen zurückzuführen. Durch die zunehmende Industrieautomatisierung steigt die Anzahl potenzieller Störquellen und störanfälliger Produkte, zudem sinkt der räumliche Abstand zwischen den Komponenten durch den Trend zu immer kleineren Anlagen. In Zuge von Industrie 4.0 sind die Anlagenteile für den Datenaustausch zudem stärker vernetzt: Die Datenübertragungsnetze wachsen und die Anlagenteile sind vermehrt Störungen ausgesetzt. Auch die Datenleitungen stellen durch eingekoppelte Überspannungen ohne ausreichenden Schutz ein hohes Ausfallrisiko dar.

Überspannungsschutzgeräte für verschiedene Anschluss- und Montagearten: CITELs MLPCA1 für den IP67-Litzanschluss und DACN10 mit Zugfederklemmen für die Hutschienenmontage

Wie entstehen Überspannungen im industriellen Umfeld?

Transiente Überspannungen entstehen hauptsächlich als Folge von Blitzschlag (LEMP, Lightning Electro Magnetic Pulse), noch häufiger jedoch durch Schaltvorgänge angeschlossener elektrischer Komponenten (SEMP, Switching Electro Magnetic Pulse). Dabei unterscheiden sich die auftretenden Überspannungen in Amplitude, Dauer und Frequenz. Durch die hohe kurzzeitige Energieentladung bei einem Blitzschlag genügen Einschläge in unmittelbarer oder entfernter Umgebung, um elektrische Anlagen zu schädigen. Bei Einschlägen in Freileitungen bauen sich hohe Stoßspannungen auf, welche sich über die Leitung fortsetzen und schließlich angeschlossene Geräte erreichen. In einer Anlage, die mit mehreren Erdungspunkten verbunden ist, bewirkt ein Blitzschlag eine hohe Potenzialdifferenz. Sie führt dazu, dass die an die betroffenen Netze angeschlossenen Geräte zerstört oder in ihrem Betrieb massiv beeinträchtigt werden können.
Wenn auch mit geringerer Energieintensität als der Blitzschlag, jedoch deutlich häufiger, treten durch Schaltvorgänge verursachte Stoßspannungen auf. Dies Phänomene werden durch das Ein- oder Ausschalten von elektrischen Energiequellen hervorgerufen. In industriellen Anlagen entstehen sie etwa beim Starten von Motoren oder beim Einschalten von Transformatoren, aber auch durch weitere induktive Lasten, beim Schalten großer kapazitiver Lasten oder beim Auslösen von Sicherungen und Leitungsschutzschaltern sowie beim Herabfallen von Stromleitungen. Diese rufen, im Gegensatz zu temporären Überspannungen von einigen Sekunden mit wenigen hundert Volt, Transienten von bis zu 6  kV mit Anstiegszeiten in der Größenordnung von einigen Mikrosekunden hervor. (Bild 1) Sie stören den Betrieb von Geräten und können in elektrischen Anlagen einige hundertmal pro Jahr auftreten. (...)

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Dieser Fachartikel ist in der Fachzeitschrift Computer & Automation 4 vom 12. April 2022 erschienen.

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