Blitz- und Überspannungsschutz
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Elektrotechnik
Blitz- und Überspannungsschutz von Fernwärmenetzen
ep4/2002, 4 Seiten
1 Ausgangssituation Das Fernwärmenetz einer weitverzweigten Liegenschaft wird durch Fernwirktechnik zentral gesteuert und überwacht. Vom Kesselhaus aus werden sechsundsiebzig Unterstationen mit Fernwärme versorgt. Die Leitzentrale befindet sich in einem Nebengebäude des Kesselhauses. Die Unterstationen sind im Kellergeschoss der zu versorgenden Gebäude oder in eigenständigen Gebäuden untergebracht (Bild ). Bei dieser bestehenden Anlage entstanden in den letzten Jahren mehrfach erhebliche Schäden an der Fernwirktechnik infolge von Blitzeinwirkungen. Aufgrund dieser Ausfälle wurden Blitzschutz- und Überspannungs-Schutzmaßnahmen für die zentrale Leittechnik und Unterstationen mit übergeordneter Bedeutung ausgeschrieben. Dazu wurden im Leistungsverzeichnis folgende Vorgaben gemacht: · Blitzschutzsystem nach DIN V EN V 61024-1 [1], Schutzklasse II · Erderanordnung Typ B (Ringerder) aus Flachband 30 mm x 3,5 mm, V4A, Werkstoff-Nr. 1.4571 · Überspannungs-Schutzmaßnahmen für energie- und signaltechnische Kabel am Gebäudeeintritt · Zusätzliche Überspannungs-Schutzmaßnahmen zum Schutz der SPS und der Buskoppler. Weiterhin wurde gefordert, neben [1] die sonst zutreffenden Normen zu beachten. 2 Schutzkonzept für eine Unterstation Die Unterstation befindet sich im Kellerraum eines zweistöckigen Gebäudes. Ebenfalls in diesem Raum sind die Heizungsanlage, ein Steuerungsschrank und ein Rangierverteiler für die Datenleitungen untergebracht. Von außen werden Fernwärmerohrleitungen, NS-Leitungen und mehrere Datenkabel an unterschiedlichen Stellen eingeführt. Neben der NS-Verteilung befindet sich die Haupt-Potentialausgleichsschiene, an der alle metallenen, nicht aktiven Bauteile angeschlossen sind. Nach Feststellung des Ist-Zustands wurde als Ordnungsprinzip für die Realisierung der Überspannungss-Schutzmaßnahmen ein Blitz-Schutzzonen-Konzept erstellt. Dieses berücksichtigt Störgrößen durch Blitzeinwirkung, die auf Leitungen eingekoppelt werden. Eine Raumschirmung, wie sie DIN VDE 0185-103 [2] beschreibt, konnte aufgrund der baulichen Gegebenheiten nicht realisiert werden. Durch die erhöhte Zahl der Ableitungen (< 10 m) und den vermaschten Funktionspotentialausgleich im Kellerbereich wurde eine Reduktion des elektromagnetischen Blitzimpulses im Inneren der baulichen Anlage erreicht. Infolge des vermaschten Potentialausgleichs entstehen Reduktionsschleifen, die dem Magnetfeld des Blitzes entgegenwirken. Gemäß VDE 0185 Teil 104 [3], Abschnitt 3.5, kann mit diesen Maßnahmen das magnetische Feld um den Faktor 2 (entspricht 6 dB) reduziert werden. Unter Anlehnung an DIN VDE 0185-103 [2] wurde Folgendes festgelegt: · Zone 0A/1: Zonengrenze, an der mit Blitzströmen gerechnet werden muss. Energietechnische Leitungen werden beim Gebäudeeintritt mit Überspannungs-Schutzgeräten der Anforderungsklasse B [4][5] in den Blitzschutz-Potentialausgleich einbezogen (Bild ). Der Potentialausgleich für informationstechnische Leitungen erfolgt mit blitzstromtragfähigen Überspannungs-Schutzgeräten. · Zone 1/2: Zonengrenze, an der der verbleibende Störpegel reduziert wird. Energietechnische Leitungen, die in den Verteilerschrank der Leittechnik und in den Rangierverteiler des Fernwärmenetzes eintreten, werden mit Überspannungs-Schutzgeräten der Anforderungsklasse C und D [4][5] beschaltet. Informationstechnische Leitungen werden mit dafür spezifizierten Überspannungs-Schutzgeräten ausgerüstet. An den Grenzen der Blitz-Schutzzonen sind zusätzliche Potentialausgleichsmaßnahmen für metallene, nicht aktive Bauteile (z. B. Fernwärmerohrleitungen, Heizungsarmaturen) durchzuführen. 3 Blitzschutz-Potentialausgleich 3.1 Niederspannungsleitungen Die vorhandene NS-Hauptverteilung wies erhebliche sicherheitstechnische Mängel auf [6]. Diese wurden dem Betreiber mitgeteilt und Maßnahmen zur Behebung besprochen. Als Konsequenz daraus wurde Blitz- und Überspannungsschutz Elektropraktiker, Berlin 56 (2002) 4 302 Blitz- und Überspannungsschutz von Fernwärmenetzen J. Wettingfeld, Krefeld Fernwärmenetze werden durch modernste Fernwirktechnik gesteuert und überwacht. Zur Gewährleistung der Versorgungssicherheit sind Maßnahmen wie die redundante Auslegung der Kessel und eine störungssichere Fernwirktechnik notwendig. Der Blitz- und Überspannungsschutz für die Fernwirktechnik trägt wesentlich zur Gewährleistung der Versorgungssicherheit bei. An einem Beispiel wird nachfolgend dessen Realisierung beschrieben. Dipl.-Ing. Jürgen Wettingfeld ist Geschäftsführer der Firma. W. Wettingfeld Gmb H & Co. KG, Krefeld. Autor Datenleitung Heizungsanlage Rangierverteiler Steuerschrank Blitzschutzzone 2 Blitzschutzzone 1 Erdungsanlage Zone 0A Fernwärmeleitung PAS Datenleitung Blitz-Schutzzonen-Einteilung Heizungsanlage in einer Unterstation eine neue Niederspannungsverteilung in Auftrag gegeben. Der Schutz der NS-Verbraucheranlage sollte in dieser Verteilung durch einen Blitzstrom-Kombiableiter erfolgen, der folgende Voraussetzungen erfüllt: · Schutzpegel 1,5 kV · Blitzstoßstrom (10/350 µs): 100 kA · Folgestromlöschvermögen: If = 25 kAeff (bei Uc) · gekapselte, nicht ausblasende Funkenstreckentechnologie · Anschluss der Leitung durch Realisierung einer EMV-gerechten V-Verdrahtung (niedriger induktiver Spannungsfall) · problemlose Koordination mit nachgeordneten Überspannungs-Schutzgeräten der Anforderungsklasse C und D, ohne zusätzliche Entkopplungsinduktivitäten · Auslöseselektivität mit vorgeordneten Überstrom-Schutzeinrichtungen, die einen Nennwert 32 A besitzen. Bild zeigt den verwendeten Blitzstrom-Kombiableiter, der alle genannten Bedingungen erfüllt. 3.2 Nicht aktive metallene Installationen Im Heizungsraum des Gebäudes wurde für den Potentialausgleich ein Ringleiter aus Flachband 30 mm x 3,5 mm montiert. Fernwärmerohre, Heizungsleitungen, metallene Installationen wie Absperrgitter und Heizungsarmaturen (Bild ), wurden direkt mit dem Ringleiter verbunden. Der Ringleiter wurde an drei Stellen mit der Gebäude-Erdungsanlage verbunden. Bei der Erdungsanlage handelt es sich um eine Erderanordnung Typ B, Ringerder im Erdreich aus Flachband 30 mm x 3,5 mm, V4A, Werkstoff-Nr. 1.4571. 3.3 Datenleitungen - Übergang von Zone 0A nach Zone 1 Durch das Schutzkonzept wurde festgelegt, dass die Datenleitungen direkt beim Eintritt in das Gebäude in den Blitzschutz-Potentialausgleich einzubeziehen sind. Da es sich um den Übergang von Zone 0A nach Zone 1 handelt, müssen an dieser Stelle Blitzstrom-Kombiableiter als Überspannungs-Schutzgeräte installiert werden. Für den Schutz der Datenleitungen wurden Schutzmodule für eine Nennspannung von 12 V ausgewählt. Die handelsüblichen Schutzmodule wurden, nach Rücksprache mit dem Hersteller, durch zusätzliche Querdioden zwischen den Adern ergänzt. Mit diesem zusätzlichen Bauteil im Schutzmodul wird eine Spannungsbegrenzung nahe der Nennspannung zum Schutz der symmetrischen Schnittstelle RS 422 erreicht. Die Leitungsverlegung der Datenleitungen im Gelände konnte in der Überarbeitungsphase nicht nachvollzogen werden. Es wurde festgestellt, dass keine Erdungsleiter zwischen den einzelnen Stationen verlegt wurden. Die Verbindungsqualität der Rohrleitungen untereinander hinsichtlich der Nutzung als Potentialausgleichsleiter/ Erdungsleiter ist ebenfalls nicht bekannt. Blitz- und Überspannungsschutz Blitzstrom-Kombiableiter mit EMV-gerechter V-Verdrahtung Potentialausgleich an Heizungsarmaturen Überspannungsschutz an Datenleitungen; Großflächige Erdung der Kabelschirme Aufgrund dieser Situation und eines nicht bekannten Schirmungskonzepts wurden folgende Maßnahmen durchgeführt: · Geflechtschirme werden großflächig auf eine Schirmschiene aufgelegt (Bild ). · Schirmschiene ist im Überspannungsschutz-Verteilerkasten isoliert aufgebaut. Für die Erdung der Kabelschirme wurden Schirmanschlussklemmen mit nachsetzendem Federelement zur Kompensation des Fließverhaltens der eingesetzten Leiterwerkstoffe verwendet (Bild ). · Die Erdung der Schirmschiene erfolgt indirekt über eine Funkenstrecke. Mit dieser Maßnahme sollen mögliche „Brummschleifen“ vermieden werden. Ausgewählt wurde als kostengünstiges Bauteil eine N-PE-Funkenstrecke der Anforderungsklasse C mit tiefem Schutzpegel ( 1,5 kV) und hoher Strombelastbarkeit (20 kA, 8/20 µs). · Die Beidrähte der Folienschirme werden wie aktive Datenleitungen behandelt. Gemäß Einbauanleitung des Herstellers wurden die Folienschirme erst zwei Zentimeter vor dem Schutzbaustein abisoliert (Bild ). · Eingangs- und Ausgangsseite der Geflechtschirme werden über einen isolierten Potentialausgleichsleiter (16 mm2) im Überspannungsschutz-Verteilerkasten miteinander verbunden. Mit den beschriebenen Maßnahmen wird sichergestellt, · dass das vorhandene, nicht spezifizierte Schirmungskonzept im normalen Betrieb nicht aufgehoben wird, · dass bei 50-Hz-Betriebsstörungen keine Fehlerströme über die Schirmung fließen und die Schirmung somit nicht überbeansprucht wird und · bei energiereichen, impulsförmigen Störeinkopplungen die Schirme kurzzeitig geerdet werden. Der Potentialausgleich wurde durch eine Verbindung (50 mm2) zwischen der Montageplatte des Überspannungsschutz-Verteilerkastens und dem Ringleiter hergestellt. 4 Überspannungs-Schutzmaßnahmen Im Rahmen des vorgestellten Blitz-Schutzzonen-Konzepts wurde der Rangierverteiler als Übergang von Zone 1 nach Zone 2 definiert. Zum Schutz des Buskopplers dienen zwei 25-polige Überspannungs-Feinschutzadapter, die an die speziellen Bedingungen der Schnittstelle angepasst sind. Der Potentialausgleich erfolgte durch eine Verbindung (50 mm2) zwischen der Montageplatte des Rangierverteilers und dem Ringleiter. Die bestehende Verdrahtung und die Anschlüsse der verschiedenen Geflechtschirme und Beidrähte wurden nicht geändert. Gemäß des Blitz-Schutzzonen-Konzepts ist auch der Steuerungsschrank als Übergang von Zone 1 nach Zone 2 definiert. Es wurden folgende Schutzmaßnahmen durchgeführt: · Zum Schutz der SPS im Steuerungsschrank wurde entsprechend Bild ein 25-poliger Überspannungs-Feinschutzadapter eingebaut. · Die Stromversorgung des Steuerungsschrankes wurde durch Überspannungsableiter der Anforderungsklasse C (Bild ) geschützt. · Der Steuerungsschrank wurde durch einen Potentialausgleichsleiter (50 mm2) mit dem Ringleiter verbunden. 5 Schlussbetrachtung Die Umsetzung der beschrieben Überspannungsschutzmaßnahmen erforderte eine enge Zusammenarbeitzwischendem Betrei-Blitz- und Überspannungsschutz ber der Anlage, dem Errichter und dem Lieferanten der Überspannungs-Schutzgeräte. Vor Beginn der Installationsarbeiten waren mehrere Ortsbesichtigungen erforderlich, um die notwendigen Schutzmaßnahmen festzulegen und die zu verwendenden Geräte zu spezifizieren. Für die Installationsarbeiten wurden elektrotechnische Fachkräfte eingesetzt, die mehrere Lehrgänge zum Thema Überspannungsschutz und E-Check absolviert hatten. Das Beispiel zeigt, dass das Nachrüsten von Überspannungsschutz möglich und notwendig ist. Jedoch empfiehlt es sich bei Neuanlagen bereits in der Planungsphase den Überspannungsschutz mit einzubeziehen. Im vorgestellten Projekt wäre es sinnvoll gewesen, bereits zum Zeitpunkt der Verkabelung einen Erdungsleiter zwischen den Stationen zu verlegen. Durch ein zeitgemäßes Schirmungskonzept (z. B. beidseitige Erdung des Geflechtschirms) lassen sich viele Überspannungsschäden von vornherein vermeiden. Die Kosten für Überspannungs-Schutzmaßnahmen fallen dann erheblich geringer aus. Literatur [1] DIN V EN V 61024-1 (VDE V 0185 Teil 100): 1996-08 Blitzschutz baulicher Anlagen; Teil 1: Allgemeine Grundsätze. [2] DIN VDE 0185-103 (VDE 0185 Teil 103): 1997-09 Schutz gegen elektromagnetischen Blitzimpuls; Teil 1: Allgemeine Grundsätze. [3] E DIN IEC 81/105A/CDV (VDE 0185 Teil 104):1998-09 Schutz gegen elektromagnetischen Blitzimpuls (LEMP); Teil 2: Schirmung von baulichen Anlagen, Potentialausgleich innerhalb von baulichen Anlagen und Erdung. [4] E DIN VDE 0675 Teil 6:1989-11 Überspannungsableiter zur Verwendung in Wechselstromnetzen mit Nennspannungen zwischen 100 V und 1000 V. [5] E DIN VDE 0675-6/A1 (VDE 0675 Teil 6/A1): 1996-03 Überspannungsableiter zur Verwendung in Wechselspannungsnetzen mit Nennspannungen zwischen 100 V und 1000 V, Änderung A1 zum Entwurf DIN VDE 0675-6 (VDE 0675 Teil 6). [6] Wettingfeld, J.: Realisierte Blitzschutzmaßnahmen für leittechnische Einrichtungen eines Fernwärmenetzes: Vorträge und Poster der 4. VDE/ABB-Fachtagung am 8. und 9. November 2001 in Neu-Ulm. Berlin/Offenbach: VDE-Verlag 2001. Blitz- und Überspannungsschutz Überspannungsschutz an der SPS im Steuerschrank Überspannungsschutz der Stromversorgung im Steuerschrank
Autor
- J. Wettingfeld
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