Spannungsspitzen vermeiden: Tipps zur Auswahl elektronischer Schutzvorrichtungen

In der Smart Factory koexistieren hochentwickelte elektronische Steuerungssysteme und große, hochstromfähige Geräte. Transiente Überspannungen treten häufig auf. Zum Schutz der Automatisierungssysteme müssen Konstrukteure geeignete Überspannungsschutzmaßnehmen wählen.

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Bild 1: Grundsätzliche Arbeitsweise von SPMs

Fabriken erleben aktuell Trends wie Industrie 4.0 und die zunehmende Verbreitung des industriellen Internet der Dinge (IIoT, Industrial Internet of Things); diese erhöhen den Grad der Computerisierung und Automatisierung. In der Konsequenz bedeutet dies, dass immer mehr empfindliche Geräte wie Steuerungen und Sensoren zum Einsatz kommen. Diese Geräte können jedoch durch Spannungsspitzen beschädigt werden und müssen geschützt werden.

Transiente Überspannungen in industriellen Anwendungen

Eine Überspannung, oder Transiente, kann von wenigen Mikrosekunden bis zu Millisekunden dauern, mit einer Amplitude von einigen Volt oder mehreren tausend Volt. Überspannungen treten innerhalb der Fabrik häufig auf, mit vier Hauptquellen:

Blitzeinschlag: Blitze können in ein Gebäude oder einen Dienst für das Gebäude, wie z.B. eine Telefonleitung, oder in den Boden in der Nähe einschlagen oder sich in der Atmosphäre entladen. In jedem Fall besteht die Gefahr, dass sie erhebliche transiente Überspannungen erzeugen, die sich auf die Geräte im Gebäude auswirken.

Transiente Schaltvorgänge: Auch das Abschalten von Geräten mit hoher Stromstärke, wie beispielsweise Großmotoren, kann zu erheblichen Überspannungen führen. Häufig erfolgt die Abschaltung nicht dann, wenn der Wechselstrom genau bei Null liegt, was zu sehr schnellen Strom­ände­rungen von einem hohen Wert auf Null führt. Die daraus resultierenden transienten Überspannungen können elektronische Geräte über leitfähige, induktive oder kapazitive Mittel beeinflussen.

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SPD-Typen und Prüfanforderungen (Abgeleitet aus BEAMA-Leitfaden, Tabelle 2)

Elektrostatische Entladung (ESD): Statische Elektrizität wird durch Tribo-Aufladung verursacht – die Trennung von elektrischen Ladungen, wenn zwei Materialien miteinander in Kontakt gebracht und dann auseinander bewegt werden. So entstehende Potenzialdifferenzen führen zu einer ESD-Entladung. Elek­tronische Komponenten sind besonders empfindlich gegen ESD und müssen während der Herstellung und des Betriebs geschützt werden.

Fehlschaltungen: Probleme in der Stromversorgung, wie etwa ausgefallene Netzteile oder fehlerhafte Verkabelung, können zu erheblichen Überspannungen führen.

Transiente Überspannungen können zwischen stromführenden Leitern oder zwischen einem stromführenden Leiter und dem Nullleiter auftreten, wobei sie als Quer- oder symmetrische Überspannungen bezeichnet werden. Sie können zudem zwischen dem spannungsführenden oder dem neutralen und dem Erdleiter auftreten, wo sie dann als Längs- oder asymmetrische Überspannungen bezeichnet werden. Zum Schutz gegen beide Arten von Überspannungen bedarf es des Schutzes der Netzversorgung der elektronischen Geräte sowie der Signalleitungen.