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Prüfung von Überwachungsgeräten

Titelbild

     

 

 

 

 

 

 

Aufgabe der Überwachungsgeräte im Sinne der Richtlinie 2014/34/EU ist es, bei den überwachten Betriebsmitteln einen Betrieb außerhalb deren Spezifikation zu erkennen und zeitlich zu begrenzen, damit keine Zündgefahren entstehen können. Bei elektrischen Maschinen ist es die Aufgabe der Schutzgeräte, Überlastungen zu erkennen, den Anlauf zu überwachen sowie unzulässige Betriebszustände, wie z.B. Phasenausfall oder zu große Stromunsymmetrien zu erkennen.
Werden die Überwachungsgeräte z.B. zum Schutz eines explosionsgeschützten Motors eingesetzt, der sich in Zone 1 befindet, so ist für das Überwachungsgerät die Prüfung durch eine "Benannte Stelle", z.B. die PTB, zwingend vorgeschrieben. Das gilt auch, wenn sich das Schutzgerät selber außerhalb des explosionsgefährdeten Bereiches befindet.
Der Schutz eines Asynchronmotors vor unzulässigen Erwärmungen kann über die Schutzprinzipien "Zeitabhängiger Überstromschutz" sowie "Direkte Temperaturüberwachung" sichergestellt werden. Die "Direkte Temperaturüberwachung" kann z.B. mittels Kaltleitern (PTC) in der Motorwicklung und funktionsgeprüftem Kaltleiterauswertegerät realisiert werden. Für den zeitabhängigen Überstromschutz stehen sowohl einfache Bimetallrelais (Motorschutzschalter) als auch elektronische Schutzgeräte zur Verfügung.

 

Ursachen für und Maßnahmen gegen unzulässige Erwärmungen des Motors

 

Der sichere Betrieb des Asynchronmotors

Anforderungen

Grundlegende Anforderung an die Schutzsysteme für Betriebsmittel in der Zone 1 ist minimal die Einhaltung des Sicherheits-Integritätslevels (SIL) 1 im gesamten vom Hersteller spezifiziertem Betriebsparameterbereich gemäß EN 61508 Teil 2-7. Ein wichtiger Punkt ist auch die Einhaltung der gültigen Normen zur elektromagnetischen Verträglichkeit. Auf den Hersteller des Überwachungsgerätes fallen vor der Zertifizierung die folgenden Aufgaben und Arbeitsschritte:

  • Planung und Betrachtung aller Phasen des geplanten Sicherheitslebenszyklus (Konzept, Risikoanalyse, festlegen der Sicherheitsanforderungen, Inbetriebnahme, Sicherheitsvalidierung, Modifikationen und Außerbetriebnahme)
  • eine FME(D)A der Konstruktion und der Fertigung
  • eine funktionale Sicherheitsbetrachtung und Bewertung nach EN 61508 Teil 1 bis 7 (mindestens SIL1 für explosionsgeschützte Motoren in der Zone 1) bzw. nach EN 50495 oder eine Sicherheitsbetrachtung, je nach Ausführung des Motorschutzgerätes nach EN 62061. Für sicherheitsbezogene Teile von Steuerungen muss die EN 13849 (Mindestens Kategorie 2) berücksichtigt werden. Für die Berechnung des Diagnosedeckungsgrads und des Anteils ungefährlicher Ausfälle benötigt der Hersteller die Normen SN 29500 und/ oder IEC TR 62380 und/oder MIL-217F.

Spezifizierung der Sicherheitsfunktionen

Ein wichtiger Schritt während der Entwicklung eines Überwachungsgerätes oder einer sicherheitsgerichteten Steuerung ist eine genaue Spezifizierung der von dem Gerät zu erfüllenden Sicherheitsfunktionen und deren geforderten Zuverlässigkeiten, um für das gesamte Gerätekonzept den geforderten SIL-Level auch zu erreichen. Eine genaue Spezifikation und Dokumentation ist auch für die spätere Prüfung und Zertifizierung des Gerätes unabdingbar. Im folgenden werden einige Beispiele für die zu berücksichtigenden Punkte aufgezählt:

  • Beschreibung der Sicherheitsfunktionen
  • Benötigter SIL-Level
  • Definition sicherer Zustände (eingeschaltet, ausgeschaltet etc.)
  • Maximale Reaktionszeit auf ein gefahrdrohendes Ereignis
  • Voraussehbare Bedienfehler
  • Voraussehbare äußere Umgebungsbedingungen
  • Anforderungen für Anlauf und Abschaltung etc.
  • Schnittstellen für die Bedienung und Parametrierung
  • Systemarchitektur
  • Fehlermöglichkeiten und Berechnung der Ausfallwahrscheinlichkeiten [FME(D)A]
  • Erkennen vorhersehbarer, gefährlicher Fehler, z.B. stellt das "Verkleben" eines Relais einen vorhersehbaren Ausfall dar. Muss das Relais zum Abschalten des Motors geöffnet werden, können zum Abfangen dieses Fehlers zwei Relais in Reihe geschaltet werden. Die Funktion beider Relais muss dabei über Hilfskontakte überwacht werden, um den Ausfall eines Relais zu entdecken und durch Abschalten des zweiten Relais einen sicheren Zustand herbeizuführen (ab SIL 2 oder abhängig vom Anwendungsfall).
    Bei einem Kaltleiterauswertegerät stellt der Kurzschluss der Leitung zu den Kaltleitern in der Maschine einen weiteren wahrscheinlichen Fehler dar. Durch eine Schleifenwiderstandsmessung müssen derartige Störungen erkannt werden.

Motorschutzgeräte

Überwachungseinrichtungen im Sinne der Richtlinie 94/9/EG

Ansätze für den Motorschutz


Überstromzeitschutz

Direkte Temperaturüberwachung
TypenAnforderungen (Beispiele)TypenAnforderungen (Beispiele)
  • Überlastrelais und Leistungsschalter mit Bimetallauslöser
  • Elektronische Überlastrelais mit Leistungsschalter mit/ohne Steuerung über eine Schnittstelle
  • Elektronische Wende- und Lastrelais mit Stromüberwachung
  • Sanftanlaufgeräte mit integriertem Motorschutz
  • Sondertypen

  • Thermischer Überlastschutz für Stator und Rotor
  • Anlaufüberwachung
  • Kurzschlusserkennung
  • Phasenausfallschutz
  • Schieflasterkennung
  • Thermisches Motorabbild
  • Schutz gegen unbeab-sichtigtes Verstellen
  • Testmöglichkeiten

  • PTC mit Auslösegerät
  • NTC mit Auslösegerät
  • Pt100 mit Widerstandsmesswertumformer

  • Übertemperaturschutz
  • Erkennen eines Fühlerkurzschlusses
  • Erkennen einer Fühlerunterbrechung
  • Testmöglichkeiten

Für überstromzeitabhängige Schutzgeräte ist die Einhaltung der Auslösekennlinie auch an den Grenzen des Umgebungstemperaturbereiches ein wichtiges Prüfkriterium. Hierzu wird das Prüfmuster im Klimaschrank betrieben und mit verschiedenen Prüfströmen beaufschlagt. Das folgende Bild zeigt beispielhaft eine Auslösekennlinie.

Beispielhafte Auslösekennlinie eines Motorschutzrelais

 

Der Kunde erhält nach bestandener Zertifizierung eine EG-Baumusterprüfbescheinigung und nach Auditierung eine Mitteilung über die Anerkennung der Qualitätssicherung "Produktion" oder "Produkt". Diese Mitteilung gilt für drei Jahre. Nach ca. 1 ½   Jahre wird ein Überwachungsaudit an dem Fertigungsstandort des Herstellers durchgeführt. Auf den Motorschutzgeräten müssen  Name und Anschrift des Herstellers, CE-Kennzeichnung mit der Kennummer der benannten Stelle (zum Beispiel für die PTB: 0102), Bezeichnung des Typs, gegebenenfalls die Seriennummer, das Baujahr, das   -Kennzeichen, Gerätegruppe und –Kategorie, Gefahrenart G: = Gas und D: = Staub, die EG-Baumusterprüfbescheinigungsnummer der benannten Stelle und wenn erforderlich notwendige Sicherheitshinweise angebracht werden.