Rauschen und EMV in der Steuerungsverdrahtung: Entstörmittel, Erdung, Verlegung zur Vermeidung von Fehlauslösungen

Störungen der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) in der Steuerverdrahtung führen zu Fehlauslösungen, die die Produktion zum Stillstand bringen, die Bediener frustrieren und das Vertrauen in die Schutzsysteme untergraben. Ein Vakuum-Leistungsschalter öffnet sich unerwartet - doch das Relais meldet keinen Fehler. Der Schuldige ist unsichtbar: elektromagnetische Störungen (EMI), die Rauschen in Niederspannungs-Steuerstromkreise einspeisen. Dieser Leitfaden erklärt die physikalischen Grundlagen der EMI-Kopplung und bietet dann praktische Entstörungs-, Erdungs- und Leittechniken, die sich in über 60 Mittelspannungsschaltanlagen bewährt haben.

Verstehen der Grundlagen von Rauschen und EMV in der Steuerungsverdrahtung

Das Rauschen in Steuerleitungen bezieht sich auf unerwünschte elektrische Störungen, die Niederspannungssignale verfälschen und zu Fehlauslösungen, Fehlalarmen und Fehlfunktionen von Geräten führen. EMV umfasst die Grundsätze, die es ermöglichen, dass Geräte ohne Interferenzen von benachbarten Geräten betrieben werden können oder diese stören.

Die Physik der EMI umfasst drei Kopplungsmechanismen:

• Kapazitive Kopplung tritt auf, wenn Spannungsänderungen auf Stromleitern durch Streukapazität (typischerweise 50-100 pF/m zwischen parallelen Leitern) Ströme in benachbarten Signaldrähten induzieren
• Induktive Kopplung überträgt Energie durch gegenseitige Induktivität, wenn stromdurchflossene Leiter zeitlich veränderliche Magnetfelder erzeugen, die mit Regelkreisen verbunden sind
• Leitungsgebundene Störungen direkt über gemeinsame Erdungswege oder Stromversorgungsanschlüsse verläuft

Gemäß IEC 61000-4-4 (Electrical Fast Transient/Burst Immunity) müssen industrielle Steuergeräte in rauen Umgebungen transiente Störungen bis zu 4 kV an Signal- und Leistungsanschlüssen aushalten. Feldmessungen in Umspannwerken im Bergbau zeigen Störungsamplituden von bis zu 2-5 V Spitze auf ungeschirmten Steuerkabeln, die parallel zu den VFD-Ausgangsleitern verlegt sind - weit über den Empfindlichkeitsschwellen von 50-100 mV moderner Schutzrelais.

Lärmquellen in Steuerung von Vakuum-Leistungsschaltern Dazu gehören Schalttransienten mit Anstiegszeiten unter 5 ns, schützlichtbogeninduzierte Schwingungen bei 1-10 MHz und VFD-Gleichtaktstörungen bei Trägerfrequenzen zwischen 2-16 kHz.

EMI-Quellen in Steuerstromkreisen: Schalttransienten, VFDs und induktive Lasten

In industriellen Umgebungen dominieren drei primäre EMI-Quellen. Vor der Auswahl von Unterdrückungsstrategien ist es wichtig, diese zu identifizieren.

Schaltende Transienten

Wenn Leistungsschalter, Schütze oder Relais in Betrieb sind, erzeugen sie hochfrequente Spannungstransienten, die sich über leitungsgebundene und abgestrahlte Pfade in der Steuerverdrahtung ausbreiten. Beim Schalten von Schützen können transiente Spannungen 2.500 V mit Anstiegszeiten unter 5 ns erreichen. Diese schnellen Transienten koppeln sich kapazitiv in benachbarte Steuerkabel ein und erzeugen Gleichtaktstörungen, die unerwünschte Relaisauslösungen verursachen.

Emissionen von Antrieben mit variabler Frequenz

VFDs erzeugen breitbandige EMI durch PWM-Schaltungen, typischerweise bei Trägerfrequenzen zwischen 2-16 kHz. Der daraus resultierende Oberwellengehalt reicht bis in den MHz-Bereich. Tests in Fertigungsanlagen haben gezeigt, dass ungeschirmte Steuerkabel, die in einem Umkreis von 300 mm von den VFD-Ausgangsleitern verlegt werden, induzierte Störpegel von mehr als 50 mV aufweisen - ausreichend, um fehlerhafte SPS-Eingangsmesswerte und falsche Schutzfunktionen zu verursachen.

Häufige Lärmquellen in Schaltanlagen sind u.a.:

• Vakuum-Schalttransienten: dv/dt-Raten von mehr als 50 kV/μs
• Antriebe mit variabler Frequenz (VFDs): Trägerfrequenzen von 2-16 kHz, die Oberwellen erzeugen
• Schalten von Kondensatorbänken: Einschaltströme, die 10-100 MHz-Schwingungen erzeugen
• Lichtbogenereignisse: breitbandiges Rauschen von DC bis 1 GHz

Induktive Last Rück-EMF

Motorstarter, Magnetventile und Hilfstransformatoren erzeugen während des Abschaltens Gegen-EMK-Spitzen. Ohne Entstörung können Relaisspulen, die für 24 VDC ausgelegt sind, Transienten von über 500 V Spitze erzeugen. Diese Spannungsspitzen breiten sich über gemeinsame Erdungspfade und Stromversorgungsschienen aus und beeinträchtigen empfindliche Steuerkreise in der gesamten Anlage.

[Experteneinblick: Feldbeobachtungen zur Lärmbelastung]

• Installationen in der Nähe von Lichtbogenöfen oder großen Motorantrieben erfordern verstärkte EMV-Maßnahmen - erwarten Sie 3-5x höhere induzierte Störungen als in typischen Industrieumgebungen
• Steuerkabel, die als unbeabsichtigte Antennen fungieren, weisen eine drastisch erhöhte Kopplung auf, wenn sich ihre Länge einem Viertel der Wellenlänge der Störfrequenzen nähert
• Ein Ansteigen des Erdpotentials um 50-200 V im Fehlerfall kann Optokoppler beschädigen, die für eine Isolierung von 1 kV ausgelegt sind.

Spannungsspitzenschutzgeräte: Auswahl und Einbau

Unterdrückungsvorrichtungen bilden die erste Verteidigungsschicht gegen EMI-bedingte Fehlauslösungen. Drei Arten von Entstörern erfüllen unterschiedliche Funktionen in Schutz der Vakuumschützspule und Relaisschaltungen.

Entstörer-Vergleich

RC Snubber Dimensionierung für 220 VDC Auslösespulen

Die Bemessungsformel C ≈ I²/(10 × V) ergibt typische Werte von 0,1 µF Folienkondensator plus 100 Ω Widerstand (mindestens 2 W). Die Nennspannung des Kondensators muss mehr als das 1,5fache der Versorgungsspannung betragen - mindestens 330 VDC für 220-VDC-Schaltungen.

Platzierungsregeln

Installieren Sie Schutzvorrichtungen direkt an jeder induktiven Last: Auslösespulen, Einschaltspulen, Hilfsrelais. Fügen Sie einen sekundären Schutz am Kabeleingang des Relaisfachs hinzu. Installieren Sie niemals Entstörer nur auf der Seite der Stromversorgung - das Kabel zwischen Stromversorgung und Last wirkt wie eine Antenne, die Störungen nach dem Entstörer aufnimmt.

Sternpunkt-Erdung: Die richtige Art, Abschirmungen zu beenden

Eine ordnungsgemäße Erdung verhindert die Kopplung mit einer gemeinsamen Impedanz, die zu Erdschleifen führt - eine der Hauptursachen für anhaltende Fehlauslösungen.

Warum Daisy-Chain-Erdung scheitert

Mehrere Masseverbindungen erzeugen Schleifen. Zirkulierende Ströme während Transienten induzieren Differenzspannungen in den Steuerkreisen. Das Symptom: intermittierende Fehlauslösungen, die mit dem Betrieb benachbarter Abzweige korrelieren, aber nie von Fehleraufzeichnungsgeräten erfasst werden.

Implementierung einer Ein-Punkt-Erdung (Stern)

1. Installieren Sie eine spezielle Erdungsschiene aus Kupfer (≥25 × 4 mm Querschnitt) im Inneren des VS1 Innenbereich VCB-Relaisfach
2. Schließen Sie jede Kabelabschirmung einzeln an dieser Leiste ab - keine gemeinsamen Enden
3. Verbinden Sie DC-negativ (Signalmasse) mit der gleichen Schiene
4. Verbinden Sie die Schutzerde (PE) separat mit dem Gehäuse und dann mit dem Haupterdungsnetz.

Best Practices für die Beendigung von Schilden

Verwenden Sie 360°-EMV-Verschraubungen mit Aderendhülsenkontakt für eine optimale Schirmverbindung. Wenn keine Verschraubungen verfügbar sind, halten Sie die Pigtail-Länge unter 30 mm - eine kürzere Länge ist immer besser. Verwenden Sie den Schirm niemals als Signalrückleiter.

Erdungsschiene zum Hauptnetzanschluss

Verwenden Sie ≥16 mm² flexibles verzinntes Kupfergeflecht mit einer Länge unter 300 mm. Bei hohen Frequenzen ist die Induktivität wichtiger als der Widerstand. Verbinden Sie mit dem Erdungsgitter der Schaltanlage, nicht mit einem beliebigen Baustahl.

[Experteneinblick: Fehler bei der Erdung, die wir immer wieder sehen]

• Abschirmzöpfe, die länger als 150 mm sind, beeinträchtigen die Wirksamkeit der Abschirmung oberhalb von 1 MHz.
• Der Anschluss von DC-Negativ an PE an mehreren Stellen erzeugt Erdschleifen, die 50/60 Hz-Rauschen verstärken.
• Flexible Geflechtverbindungen korrodieren in feuchten Umgebungen - wählen Sie verzinntes Kupfer und überprüfen Sie es jährlich.
• Die Position der Erdungsschiene ist wichtig: innerhalb von 200 mm vom Kabeleingang montieren, um die Leitungsinduktivität zu minimieren

Regeln für die Kabelführung und -trennung

Die physische Trennung zwischen Leistungs- und Steuerleitern verhindert kapazitive und induktive Kopplung an der Quelle - oft effektiver als eine nachträgliche Entstörung.

Minimale Trennungsabstände

Halten Sie in Standardumgebungen einen Abstand von mindestens 100 mm zwischen Steuer- und Leistungskabeln ein. In der Nähe von VFD-Ausgangskabeln ist der Abstand aufgrund des hochfrequenten PWM-Rauschens auf mindestens 300 mm zu erhöhen. Wenn eine Kreuzung unvermeidlich ist, kreuzen Sie die Kabel nur im 90°-Winkel und verlegen Sie sie nie parallel in derselben Kabelrinne.

Auswahl geschirmter Kabel

• Abschirmung aus Kupfergeflecht (≥85% optische Abdeckung): Erforderlich für analoge Signale von Stromwandlern, Spannungswandlern und Messumformern
• Folienschirm mit Drahtseil: Zulässig für digitale E/A und binäre Befehle bis zu 50 m
• Ungeschirmtes Kabel: Nur akzeptabel für kurze Strecken (<5 m) innerhalb EMV-dichter Räume

Kabeleinführung Disziplin

EMV-Kabelverschraubungen mit 360°-Klemmringkontakt bieten eine hervorragende Abschirmung für Neuinstallationen. Bei Nachrüstungen bieten aufschnappbare Ferritkerne an den Eingangspunkten eine praktische Rauschunterdrückung - wählen Sie Kerne mit einer Impedanz, die für den Bereich von 1-30 MHz optimiert ist, in dem sich die meisten Schalttransienten konzentrieren.

Trennen Sie die Durchführungsplatten räumlich voneinander: Stromkabeleinführung auf einer Seite des Gehäuses, Steuerkabeleinführung auf der gegenüberliegenden Seite.

Verifizierung vor Ort: Bestätigung der EMC-Leistung vor Ort

Die Tests bestätigen, dass die Maßnahmen zur Entstörung, Erdung und Leitweglenkung unter Betriebsbedingungen tatsächlich funktionieren.

Störfestigkeitstests vor der Inbetriebnahme

Wenn Prüfgeräte verfügbar sind, führen Sie standardisierte Störfestigkeitsprüfungen gemäß IEC 61000-4-4 Störfestigkeit gegen schnelle elektrische Überspannungen:

• EFT-Burst: 2 kV-Amplitude, 5/50 ns-Impulse bei 5 kHz Wiederholung an den Steueranschlüssen
• Überspannung nach IEC 61000-4-5: 1 kV Leitung-zu-Erde, 1,2/50 µs Kombinationswelle
• Bestehenskriterium: keine Auslösung, keine Zustandsänderung, keine Datenbeschädigung im Schutz-IED

Vor-Ort-Oszilloskop-Methode

An den meisten Standorten fehlen EMV-Prüfgeneratoren. Ein tragbares Oszilloskop ermöglicht eine praktische Überprüfung:

1. Differenzialsonde an die Klemmen der Auslösespule anschließen
2. Auslösen benachbarter Schalterfunktionen (Einschalten, Auslösen, Fehlerunterbrechung, wenn sicher)
3. Aufzeichnung der Spitzen-Differenzrauschspannung
4. Vergleich mit dem Schwellenwert: Das Rauschen muss unter 20% der minimalen Anzugsspannung der Spule bleiben.

Bei einer 220 VDC-Auslösespule mit 70%-Ansprechschwelle (154 V) beträgt das zulässige Rauschen etwa 30 V Spitze.

Dokumentation der Ausgangsleistung

Aufzeichnung von Wellenformen bei Worst-Case-Vorgängen: Schalten von Kondensatorbatterien, Starten von Motoren, Entstörung. Archivieren Sie sie als Beweis für die Inbetriebnahme und als Referenz für die künftige Fehlersuche.

Fallstudie: Beseitigung von Fehlauslösungen bei 12 kV-Brecherabgängen

Situation

In einem Bergbauunternehmen kam es alle 3-7 Tage zu unerklärlichen VCB-Auslösungen an einem 800-kW-Brecheraufgeber. Es wurden keine Fehlercodes angezeigt. Eine manuelle Rückstellung stellte den Betrieb wieder her, aber die Produktionsausfälle häuften sich.

Ergebnisse der Untersuchung

• Ungeschirmtes Auslösespulenkabel, das parallel zum VFD-Ausgangsleiter über 4,2 m verlegt wird
• Keine Schutzeinrichtung an der Auslösespule installiert
• CT-Sekundärschirm mit 150 mm Pigtail abgeschlossen
• Mehrere Masseverbindungen führten zu Schleifen zwischen Relaisfach und Umrichtergehäuse

Abhilfemaßnahmen

1. Neu verlegtes Trip-Coil-Kabel mit 350 mm Abstand und senkrechter Kreuzung
2. 275 V MOV direkt über den Klemmen der Auslösespule installiert
3. Ersetzen der Standard-Kabelverschraubung durch einen EMC-Typ (360°-Klemmringkontakt)
4. Verkürzung aller Abschirmzöpfe auf unter 25 mm
5. Konsolidierte Böden zu einer einzigen Sternpunktleiste

Ergebnis

Null Fehlauslösungen über einen Überwachungszeitraum von 14 Monaten. Der integrierte Ansatz, bei dem Leitweglenkung, Entstörung und Erdung zusammen behandelt werden, war erfolgreich, wo frühere Einzelmaßnahmen versagt hatten.

XBRELE-Schaltgeräte: Werksseitiger EMV-Schutz

XBRELE-Schaltgerätekomponenten EMV-gerechtes Design ab Werk einbeziehen:

• Vorinstallierte Schutzeinrichtungen an allen Auslöse- und Einschaltspulen
• Sternpunkt-Erdungsschienen serienmäßig in den Relaisfächern
• VCBs und Vakuumschütze geprüft nach IEC 62271-1 EMV-Klauseln
• Kabeldurchführungsplatten für die Installation von EMV-Verschraubungen
• Technische Unterstützung für EMV-Nachrüstungen bei bestehenden Anlagen

Fordern Sie Produktdatenblätter an oder vereinbaren Sie einen EMV-Beratungstermin mit den XBRELE Ingenieuren, um hartnäckige Probleme mit Fehlauslösungen in Ihren Schaltanlagen zu lösen.

Häufig gestellte Fragen

Q1: Was verursacht Fehlauslösungen in Mittelspannungsschaltanlagen ohne erfasste Fehler?
A: Elektromagnetische Störungen koppeln sich in die Steuerleitungen ein und erzeugen Störspannungen, die den Schwellenwert für die Auslösespule überschreiten, so dass der Schalter ausgelöst wird, obwohl kein Fehler im Stromnetz vorliegt.

F2: Wie kann ich feststellen, ob EMI die Ursache für meine störenden Auslösungen ist?
A: Messen Sie das Differenzrauschen an den Klemmen der Auslösespule mit einem Oszilloskop, während benachbarte Geräte in Betrieb sind; ein Rauschen, das 20% der minimalen Anzugsspannung der Spule übersteigt, deutet auf ein EMI-induziertes Auslöserisiko hin.

F3: Sollte ich MOVs oder TVS-Dioden für den Schutz der Auslösespule verwenden?
A: MOVs eignen sich für Auslöse- und Einschaltspulen, da sie eine höhere transiente Energie absorbieren; TVS-Dioden reagieren schneller, können aber weniger Energie verarbeiten und eignen sich daher besser für den Schutz empfindlicher IED-Eingänge.

F4: Warum verursacht die Daisy-Chain-Erdung Probleme in Steuerkreisen?
A: Mehrere Erdungspunkte erzeugen Schleifen, in denen zirkulierende Ströme während Transienten Differenzspannungen auf den Signalleitern induzieren, wodurch die Rauschunterdrückung, die eine ordnungsgemäße Erdung bieten sollte, zunichte gemacht wird.

F5: Wie viel Abstand ist zwischen Steuer- und VFD-Ausgangskabeln erforderlich?
A: Halten Sie aufgrund des hochfrequenten PWM-Oberwellengehalts einen Abstand von mindestens 300 mm zu den VFD-Ausgangskabeln ein; für Standard-Stromkabel ist ein Mindestabstand von 100 mm zu den Steuerleitern erforderlich.

F6: Können Ferritkerne EMI-Probleme ohne Neuverdrahtung lösen?
A: Schnappkerne aus Ferrit bieten eine praktische Rauschunterdrückung für Nachrüstungen, besonders wirksam gegen Störungen im Bereich von 1-30 MHz, obwohl sie am besten in Verbindung mit einer ordnungsgemäßen Erdung und nicht als Einzellösung funktionieren.

F7: Wie oft sollten EMV-Maßnahmen nach der Installation überprüft werden?
A: Überprüfen Sie die Abschirmungen, den Zustand der Entstörung und die Erdungsanschlüsse jährlich; flexible Geflechtanschlüsse in feuchten Umgebungen müssen aufgrund des Korrosionsrisikos möglicherweise häufiger überprüft werden.

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