So funktioniert das selektive Absichern mit SFB-Technik

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Die Stromversorgungen der Quint4-Serie nutzen die SFB-Technik zur selektiven Absicherung der Lastkreise im Fehlerfall. Wie SFB (Selective Fuse Breaking) funktioniert, skizziert dieser Beitrag.

Für höchste Anlagenverfügbarkeit müssen Standard-Leitungsschutzschalter magnetisch auslösen, denn nur so werden fehlerhafte Strompfade selektiv abgeschaltet und wichtige Anlagenteile bleiben unterbrechungsfrei in Betrieb. Mit der SFB-Technik liefern Stromversorgung und DC/DC-Wandler dafür kurzzeitig ein Vielfaches ihres Nennstroms und stellen die notwendige Stromreserve bereit.

Das Ziel: höchste Anlagenverfügbarkeit

In der Produktion lassen sich Fehler nie ganz vermeiden. So kann es beispielsweise zu Kurzschlüssen in der Verdrahtung oder zu Fehlfunktionen von Verbrauchern kommen. Dennoch sollte eine Maschine oder Anlage in den nicht betroffenen Bereichen ohne Unterbrechung weiterarbeiten, soweit es der Gesamtprozess zulässt.

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Die Lösung ist eine getrennte Absicherung der einzelnen Endgeräte oder kleiner Funktionsgruppen. Das verhindert unnötiges Abschalten nicht betroffener Anlagenteile im Fehlerfall. Stromversorgungen und DC/DC-Wandler mit SFB-Technologie sichern die Produktion. SFB steht für Selective Fuse Breaking. Im Fehlerfall liefern die Geräte für 15 ms den 6-fachen Nennstrom, um den betroffenen Stromkreis abzuschalten.

Wirtschaftlich absichern mit Leitungsschutzschaltern

Üblicherweise sind parallel zur Steuerung weitere Verbraucher, wie Sensoren oder Aktoren, an ein Netzteil angeschlossen. Zur Minimierung von Stillstandzeiten sollte jeder dieser Strompfade einzeln abgesichert sein. Kommt es dann zu einem Kurzschluss, wird nur der fehlerhafte Pfad von der Stromversorgung getrennt und die anderen Verbraucher arbeiten unterbrechungsfrei weiter.

Derzeit sind handelsübliche Leitungsschutzschalter die preiswerteste Lösung zum Schutz eines Stromkreises. Sie können elektromagnetisch oder thermisch über ein Bimetall auslösen. Zur Auslösung innerhalb weniger Millisekunden benötigt der integrierte Elektromagnet allerdings einen deutlich höheren Strom als den Nennstrom des Schutzschalters.

Charakteristik von Leitungsschutzschaltern

Die für eine elektromagnetische Auslösung erforderlichen Kurzschlussströme werden von den Herstellern üblicherweise für Wechselstrom (AC) angegeben. Anwender müssen deshalb berücksichtigen, dass die DC-Werte um den Faktor 1,2 bis 1,5 höher liegen.

Leitungsschutzschalter werden in verschiedenen Auslöse-Charakteristiken angeboten, wobei im industriellen Umfeld zumeist Schalter mit B- oder C-Charakteristik im Einsatz sind. Bei Charakteristik B sind folgende Ströme notwendig, um den Schalter auszulösen: Bei AC-Anwendungen ist der drei bis fünffache Nennstrom nötig, bei DC-Anwendungen der bis zu 7,5-fache Nennstrom. Für einen 25-A-Schalter der Charakteristik B sind also unter ungünstigsten Bedingungen 150 A notwendig, um innerhalb weniger Millisekunden auszulösen.

Schalter mit der Charakteristik C erfordern folgende Ströme: bei AC-Anwendungen ist es der fünf bis zehnfache Nennstrom und in DC-Anwendungen der bis zu zwölffache Nennstrom.

Selective Fuse Breaking gegen Spannungseinbruch

Im Fehlerfall begrenzen lange Leitungswege den erforderlichen Auslösestrom. Dadurch kann die Auslösung des Leitungsschutzschalters verzögert oder sogar verhindert werden. Stellen Stromversorgungen eine geringere Leistungsreserve zur Verfügung, sorgt diese für eine thermische Auslösung, die mehrere Sekunden oder Minuten dauert.

Die Fehlersuche gestaltet sich in diesem Fall zwar einfach, da zu sehen ist, welcher Schutzschalter ausgelöst hat. Jedoch ist in dieser Zeitspanne die 24-VDC-Spannung der Stromversorgung bereits eingebrochen und die Steuerung ausgefallen.

Im schlimmsten Fall liefert das Netzteil einen so geringen Strom oder nur eine kurzzeitige Stromreserve von wenigen Sekunden, sodass die Sicherung gar nicht auslöst. Dann wird die Fehlersuche sehr zeitaufwändig und kostenintensiv. Mit SFB liefern die Stromversorgungssysteme der Quint-Baureihe deshalb den bis zu 6-fachen Gerätenennstrom. Mit diesem Impuls lösen die Schutzschalter magnetisch aus.

Ob ein Schutzschalter schnell genug auslöst, hängt auch von der Länge und dem Querschnitt der Leitung ab, über die ein Verbraucher angeschlossen ist. Hier ist nicht ausschließlich der hohe Strom ausschlaggebend, den das Netzteil liefern kann. Nur wenn die Impedanz des fehlerhaften Strompfades gering genug ist, kann der hohe Strom auch in den Kurzschluss fließen und den Schutzschalter magnetisch auslösen. Welche Quint-Stromversorgung bei welcher Leitungslänge und welchem Querschnitt zur gegebenen Anwendung passt, ist einer so genannten Projektierungsmatrix zu entnehmen.

Beispielszenario: Eine Stromversorgung (24 V/20 A) versorgt eine Steuerung und drei weitere Lasten. Jeder Strompfad ist durch einen Leitungsschutzschalter (6 A/B-Charakteristik) gesichert. Die Strompfade bestehen aus 25 m langen Kupferleitungen (Querschnitt 2,5 mm²).

Kommt es in diesem Beispiel zu einem Kurzschluss, liefert das 20-A-Quint-Netzteil über die SFB-Technik kurzzeitig den 6-fachen Gerätenennstrom, also maximal 120 A. Der Schutzschalter löst mit dem zehnfachen Bemessungsstrom auf jeden Fall im magnetischen Bereich seiner Kennlinie innerhalb von 3 bis 5 ms aus. Die anderen Verbraucher arbeiten zuverlässig weiter; die Steuerung wird durchgängig mit 24 VDC versorgt und läuft trotz des aufgetretenen Kurzschlusses unterbrechungsfrei.

Funktionale Sicherheit: Schneller erfolgreich zertifiziert

* Stefan Grimm arbeitet im Bereich Marketing Communications der Phoenix Contact Power Supplies, Paderborn.

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