Produktionsausfälle sicher vermeiden

Bender unterstützt Aufbau und Absicherung bei DC-Industrie

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Im Projekt „DC-Industrie – Intelligentes offenes DC-Netz in der Industrie für hocheffiziente Systemlösungen mit elektrischen Antrieben“ arbeiten Unternehmen sowie Forschungsinstitute und der ZVEI gemeinsam daran, die Energiewende in der industriellen Produktion umzusetzen und mehr Effizienz und Flexibilität in die industrielle Produktion zu bringen. Einführung und Betrieb von Gleichstromnetzen erfordern für den sicheren Betrieb jedoch eine Isolationsüberwachung oder eine Differenzstrommessung, wie sie beispielsweise von Bender angeboten wird.

Dipl.-Ing. Dieter Hackl, Bereichsleiter Überwachung und IT-Systeme, Bender GmbH in Grünberg, zu DC-Industrie

Der zunehmende Anteil erneuerbarer Energien macht es erforderlich, sich über die Verfügbarkeit der Energieversorgung Gedanken zu machen. Das betrifft nicht nur die europäischen Netze, es betrifft vielmehr Unternehmensstandorte in Ländern, in denen instabile Netze generell für große Unsicherheit sorgen. Gleichstromnetze bieten hier die Möglichkeit, eine stabile Energieversorgung sicherzustellen. So können kostspielige Produktionsausfälle aufgrund mangelhafter Netzqualität minimiert werden. Als praktisches Beispiel gilt ein Textilunternehmen in Asien, das auf einer großen Zahl von Spindeln synthetische Garne produziert. Die Spindeln rotieren mit hoher Drehzahl, im Fehlerfall wird die Rotationsenergie dieser Anlagen genutzt, um die Versorgung wichtiger Verbraucher aufrecht zu erhalten. Das System basiert auf einem DC-Netz, in dem die Spindeln nicht abgeschaltet werden, sondern ihre Energie kontinuierlich in das DC-Netz zurückspeisen und die Steuerung versorgen, solange, bis die Netzversorgung wieder zur Verfügung steht.

Lastzonen, Subnetze und Hierarchien

Das Projekt DC-Industrie geht in seiner Struktur auf die funktionalen Gegebenheiten im industriellen Umfeld ein. Dabei bilden so genannte Lastzonen eine logische Einheit, die alle Komponenten umfassen, die eine funktionale Abhängigkeit aufweisen. Beispiel dafür ist eine Roboterzelle. Lastzonen bzw. DC-Abzweige erfordern eine Trenneinrichtung, in der zum Beispiel die Spannungsanpassung erfolgt. Diese ist meist zwischen dem Hauptversorgungsnetz und einer Hierarchieebene angeordnet. Damit lässt sich eine Lastzone bei Kurzschluss, Unter- oder Überspannung einzeln trennen. Mit dem entsprechenden DC-Zweig wird die gesamte Lastzone getrennt. Die Lastzone hat eine genügend große Zwischenkreis-Kapazität, um das Rückspeisen von Bremsenergie zu ermöglichen, ohne Rückwirkungen auf das DC-Netz.

Subnetze wiederum gelten als die logischen Einheiten für das Netzmanagement. Ihre Aufgabe ist es beispielsweise, im Bedarfsfall den Energiebedarf einzelner Verbraucher zu reduzieren bzw. in ihrer Leistung zu beschränken, um so Geräten hoher Priorität die Stromversorgung zu garantieren. In Gleichstromnetzen liegt eine wesentliche Herausforderung darin, fehlerhafte Zweige im Fehlerfall schnell genug zu trennen. Da DC-Netze niederohmig ausgelegt sind, können Fehlerströme extrem schnell ansteigen und erhebliche Schäden verursachen. Die entstehenden Lichtbögen werden nicht durch einen Nulldurchgang des Stromflusses getrennt. Deshalb ist es aufwändig, geeignete Leitungsschutzschalter für diese Anwendungen zu entwickeln. Diese Geräte erfordern zum Trennen einen hohen Schaltabstand und sehr kurze Schaltzeiten. Während für die Kurzschlussstrom-Abschaltung gängige Leitungsschutzschalter geeignet sind, stellen bei Überstromabschaltungen die geforderten Schaltzeiten ein Problem dar.

Innerhalb des Projekts DC-Industrie wurden die Eigenschaften geerdeter und nicht geerdeter Konzepte verglichen. Während bei der geerdeten Lösung einfache Dioden- bzw. Brückengleichrichter verwendet werden, basiert die ungeerdete Lösung auf gesteuerten Halbleiterstellern, wobei eine kapazitive Mittelpunktserdung vorgesehen ist. Ziel dieser Maßnahme ist es, auch aus EMV-Gründen schnelle Spannungssprünge des DC-Netzes gegen Erde zu reduzieren, denn schnelle Spannungsanstiege haben Einfluss auf die Zuverlässigkeit von Isolierstoffen. Ziel ist es aber, die Anforderungen an Luftstrecken und Isoliermaterialien so gering wie möglich zu halten.

Luft- und Kriechstrecken sind zu berücksichtigen

Gemeinsam mit der DKE hat Bender das Forschungsprojekt ISKOneu durchgeführt, bei dem die Bemessung von Luft- und Kriechstrecken in neuen Anwendungen im Vordergrund stand. Die aktuellen normativen Grundlagen wie die IEC-Norm 60664 Teil 1 betreffen heute sowohl AC- als auch DC-Netze und enthalten geeignete Vorgaben für Luft und Kriechstrecken. Diese Vorgaben berücksichtigen jedoch keine Migrationseffekte, wie sie in DC-Netzen vermehrt auftreten. Gerade bei Verschmutzungen oder hoher Feuchtigkeit fließen unerwünschte Kriechströme, die zu Schäden an den Anlagen führen. Diese Effekte sind bei der Bemessung von Luft- und Kriechstrecken in der aktuellen Normung bisher nicht berücksichtigt. Die Probleme werden jedoch zurzeit in den zuständigen Normungsgremien diskutiert.

Die Netz-Konzepte im Projekt DC-Industrie sehen dabei keine galvanische Trennung zwischen verschiedenen Spannungsquellen vor, egal, ob eine geerdete oder ungeerdete Netzform zum Einsatz kommt. Das IT-System unterscheidet sich vom TN-System dadurch, dass kein aktiver Leiter direkt oder über eine genügend hohe Impedanz geerdet wird. Aufgrund der verwendeten Halbleiterschalter liegt außerdem keine galvanische Trennung zwischen dem AC- und dem DC-Netz vor. Ansätze, die AC-Seite ungeerdet aufzubauen und die DC-Seite zu erden, sind nicht empfehlenswert. Dass beim ungeerdeten System der Schutzschalter auf der DC-Seite meist nur einpolig ausgelegt ist, ist normativ ebenfalls zu hinterfragen.

Prinzipiell gelten beim Schutz gegen elektrischen Schlag bei DC- dieselben Normen wie bei AC-Netzen. In der Deutschen Normungs-
Roadmap bei der DKE wird beschrieben, welche Vorgaben auch auf internationaler Ebene zukünftig zu beachten sind. Verschiedenen Technische Normungsgremien bzw. System Evaluation Groups arbeiten auf internationalen Ebene an Themen wie Sicherheit gegen elektrischen Schlag in den Bereichen Fotovoltaik oder E-Mobilität, oder an Zubehör wie Leitungsschutzschalter etc. für den Gleichstrombetrieb. Es sollen angepasste Produktnormen für RCDs entstehen, um hier einen allgemeingültigen Stand der Technik zu erreichen.

Definition industrieller DC-Netze

Das Projektteam innerhalb DC-Industrie hat Netz-Teilnehmer definiert, zu denen drehzahlveränderbare Antriebe, die AC-Einspeisung, die üblicherweise mittels Transformator erfolgt, weiterhin Speicherbatterien, Kondensatorbänke sowie drehende Massenspeicher und Fotovoltaikanlagen gehören. Ziel war es, unter Einbindung von Speichern und regenerativen Energien die Wandlungsverluste zu reduzieren. Aus Kostengründen und wegen des einfacheren Aufbaus wurde versucht, auf eine galvanische Trennung zu verzichten. Auch wurden Grenzen des industriellen DC-Netzes festgelegt, beispielsweise eine Ausdehnung auf 400 m bzw. die Beschränkung auf eine Fertigungshalle. Kommen aber Windenergie oder Fotovoltaik zum Einsatz, kann auf eine galvanische Trennung nicht verzichtet werden. Zu berücksichtigen sind dann die Netzparameter gegen Erde, vor allem der Isolationswiderstandswert und die Netzableitkapazität.

Werden diese Parameter nicht mittels geeigneter Messeinrichtungen überwacht, entstehen unter Umständen hohe Querströme, die zu Bränden führen können. Bei Betriebsströmen von mehr als 1000 A liegen Querströme bis 50 A im Bereich der Lastschwankungen, die keine Fehlermeldungen auslösen. Nur mit einem geeigneten RCD lassen sich in einem ungeerdeten System solche Fehler erkennen. Wird jedoch darauf verzichtet, nimmt die Brandgefahr zu. Auch die parasitären Gleichströme, die über die metallischen Fertigungsanlagen in der Produktionshalle fließen, können aufgrund der Korrosions- und Migrationseffekte zu Störungen und Schäden führen. Ein IT-System, das hochohmig gegen Erde ist, kann solche Gleichströme verhindern. Deshalb empfiehlt man bei Bender die ungeerdete IT-Variante. Sie bietet sehr viel bessere messtechnische Möglichkeiten. Im IT-System lässt sich die Isolation sehr viel empfindlicher gegen Erde überwachen. Isolationswiderstände können dabei im M-Ohm-Bereich erkannt werden. Im geerdeten System kann dagegen mit Differenzstrommessgeräten gearbeitet werden, Isolationsüberwachungsgeräte sind hier ungeeignet. Die Differenzstrommessung erkennt jedoch keine symmetrischen Fehler und ist aufgrund ihrer messtechnischen Eigenschaften eher im Bereich einiger 10 k-Ohm angesiedelt. Sie bietet daher nur eine geringere Sensitivität.

Was beim Netzaufbau zu beachten ist

Vor dem Aufbau von DC-Netzen empfiehlt es sich, eine FMEA-Analyse durchzuführen, um die Auswirkungen potenzieller Fehler beurteilen und Gegenmaßnahmen ergreifen zu können. Leckströme haben bereits im Milliamperbereich Auswirkungen, wenn sie beispielsweise über die mechanische Konstruktion der Anlage fließen. Deshalb empfiehlt sich das ungeerdete System. Im geerdeten System sind Querfehler schlecht zu erkennen. Die Erfahrungen zeigen, dass am häufigsten die Komponenten im Umfeld von Umrichtern ausfallen. Spannungsstress durch Oberwellen und hohe Temperaturen führen hier zu hohem Verschleiß, während ein Transformator, der mit einer Sinuswelle betrieben wird, quasi unbegrenzt haltbar ist. Kommen Batterie-Speicher und Fotovoltaikanlagen ohne definierte Trennstellen in einem DC-Netz zum Einsatz, kommt es unweigerlich zu einem Stromfluss zwischen diesen Elementen.

Bender bietet für den geerdeten Bereich Differenzstromüberwachungsgeräte (RCM) an. Für allstromsensitive Aufgaben sind das RCMA oder das RCMS geeignet. Diese Geräte stehen auch vernetzbar zur Verfügung, sodass sie in verschiedenen Subnetzen über Stromwandler Differenzströme erfassen und über eine Schnittstelle zur zentralen Auswertung bringen können. Für höhere Ströme bietet Bender MRCDs an, die auf einem RCM basieren und mit einem Trennschalter kombiniert als zertifizierte Lösung verfügbar sind. Beim Aufbau von IT-Systemen verfügt Bender über 75 Jahre Know-how. Zur Isolationsüberwachung an Frequenzumrichtern bietet das Unternehmen ein breites Portfolio an Geräten. Diese messen den Isolationswiderstand im System, ermitteln die Netzableitkapazität und erkennen Äderungen während des Betriebs. Mit Hilfe der EDS-Reihe und Differenzstromwandlern in den einzelnen Abgängen einer Anlage ist es möglich, defekte Abzweige schnell und effizient zu lokalisieren. ge

www.bender.de

Weitere Informationen über das IT-System

http://hier.pro/XOX7V


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