Flexibel, leistungsstark,
akkreditiert

Neues Impuls- und Hochstromlabor prüft Überspannungsschutzgeräte

In ostwestfälischen Blomberg hat Phoenix Contact im vergangenen Jahr [Mai 2014] ein neues Forschungs- und Technologiezentrum für Überspannungsschutz eröffnet. Teil dieser Einrichtung ist auch ein Prüflabor zur Qualifikation von Überspannungsschutzgeräten, das nach modernsten Maßstäben geplant und realisiert wurde. Das weitgefasste Spektrum an Prüfmöglichkeiten in Verbindung mit der Akkreditierung nach ISO/IEC17025 ermöglicht eine vollständige Prüfung dieser Schutzgeräte auf hohem Qualitätsniveau.
Ein wirkungsvoller Schutz von elektrischen Anlagen und elektronischen Systemen gegen Blitzströme und Überspannungen erfordert den Einsatz von Überspannungsschutzgeräten (ÜSG), die speziell auf die Anforderungen und Besonderheiten des jeweiligen Anwendungsgebietes zugeschnittenen sind. Daher ist es für die Entwicklung und Qualifikation dieser Schutzgeräte erforderlich, die in den unterschiedlichen Einsatzumgebungen vorherrschenden elektrischen Bedingungen samt den dort zu erwartenden Störereignissen in Form von Stoßströmen und Überspannungen labortechnisch nachzubilden.

Labortechnische Nachbildung relevanter Kenngrößen

Im Hinblick auf ÜSG für den Einsatz in Niederspannungsanlagen definiert die Norm EN61643-11, Abschnitt 8.3.4.3 eine fundamentale Prüfvorschrift für derartige Schutzgeräte der Prüfklassen I und II. Bei dieser als ‚Arbeitsprüfung der Prüfklassen I und II‘ bezeichneten Prüfung wird das zu qualifizierende ÜSG im Labor an ein Stromversorgungssystem angeschlossen, das die elektrischen Eigenschaften der realen Niederspannungsanlage, für die das Schutzgerät ausgewiesen ist, realitätsgetreu nachbildet. Unter diesen Bedingungen wird das ÜSG einer definierten Sequenz von Stoßstromimpulsen ausgesetzt. Dabei wird das Verhalten des Gerätes während sowie dessen Eigenschaften nach der Prüfung bewertet. Aufgrund der Tatsache, dass Niederspannungsanlagen in der Praxis große Unterschiede in ihren elektrischen Eigenschaften und Kennwerten aufweisen, sollte zweckmäßigerweise die labortechnische Nachbildung der relevanten Kenngrößen Spannung, prospektiver Kurzschlussstrom und Leistungsfaktor cos() über ein weites Wertespektrum möglich sein. Nur so kann das Gros der für den Überspannungsschutz relevanten Anwendungsfälle prüftechnisch abgedeckt werden. Dies ist bedeutsam, denn die unmittelbare Zugriffsmöglichkeit auf eine flexibel parametrisierbare und leistungsfähige Prüfumgebung trägt wesentlich zur Verkürzung der Entwicklungszeit von ÜSG bei. Auf diese Weise werden neue Produkte schneller am Markt platziert. Vor diesem Hintergrund wurde in Blomberg ein neues Impuls- und Hochstromlabor zur Prüfung von ÜSG für den Einsatz in Niederspannungsanlagen als Teil des neuen Technologiezentrums für den Überspannungsschutz konzipiert und errichtet. Der Schwerpunkt dieses Labors wurde auf einen hoch effizienten und vollumfänglichen Prüfbetrieb gemäß den Anforderungen der EN61643-11 sowie weiterer relevanter Standards aus diesem Bereich gelegt.

Flexibel parametrisierbare Hochstromprüfanlage

Im Zentrum der Prüfumgebung, die für die Qualifikation von ÜSG gemäß EN61643-11, Abschnitt 8.3.4.3 erforderlich ist, steht die labortechnische Nachbildung der Niederspannungsanlage, in die das zu qualifizierende Schutzgerät eingesetzt werden soll. Die Festlegung der zu erreichenden Leistungsdaten hierfür erfolgte auf Basis der Anforderungen verschiedener Standards aus dem Bereich des Blitz- und Überspannungsschutzes sowie der Betrachtung der technischen Kennwerte weltweit bedeutsamer Niedersysteme. Zudem wurden branchenspezifische Trends und deren Bedeutung für den Überspannungsschutz mit in diese Betrachtung einbezogen. Daraus resultierend wurde das Erreichen eines unbeeinflussten Kurzschlussstroms von IP = 50.000A bei einer Spannung U = 500V und einem Leistungsfaktor cos() = 0,25 gemäß den Anforderungen der EN 61643-11, Tab. 8 als Kernanforderung definiert. Analysen hatten gezeigt, dass diese Kernanforderung durch die Nutzung des vor Ort verfügbaren 30kV-Mittelspannungssystems mit einer Kurzschlussleistung von 280MVA erfüllbar ist. Basierend auf dessen charakteristischen Eigenschaften wurde die Hochstromprüfanlage konzipiert und die einzelnen Komponenten ausgelegt. Im Zentrum der Hochstromanlage steht ein dreiphasiger Prüftransformator mit einer Nennleistung von 8,4MVA. Dieser ist primärseitig in Dreieck- und sekundärseitig in Stern-Konfiguration ausgeführt. Die gewünschte Prüfspannung wird sowohl über das primär- als auch durch das sekundärseitige Zu- und Abschalten von Transformatorwindungen eingestellt. Dazu wurden sekundärseitig sechs diskrete Prüfspannungsebenen mit den Nennwerten 122, 244, 366, 488, 610 und 854V definiert und durch entsprechende Windungsabgriffe aus dem Transformator herausgeführt. Bezogen auf den Nennwert der jeweils vorgewählten Prüfspannungsebene erfolgt die Feineinstellung der Prüfspannung primärseitig ebenfalls über die Variation der wirksamen Windungszahlen. Die Prüfspannung kann dabei über einen in 20 Stufen linear unterteilten Stellbereich von -18 bis +18% präzise in 1,8%-Schritten variiert werden.

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