Erdungsfehler in Steuerungsnetzteilen vermeiden: PCB-Design-Lösungen bei Isolationsverlust

Isolationsbeschreibung

In herkömmlichen 380-V-Wechselstromverteilnetzen wird die Steuerungsspannung meist aus dem Gleichstromnetz gespeist. Als kritische Notstrom- und Steuerungsversorgung in Kraftwerken ist der häufigste und gefährlichste Fehler im Gleichstromsystem der Gleichstrom-Erdschluss. Anhand eines häufig auftretenden Isolationsfehlers ermittelt dieser Artikel eine Reihe von Ursachen, die zu einer Isolationsverschlechterung der Gleichstrom-Steuerungsversorgung führen.

Fehlersuche und Ursachenanalyse

Schaltkreiseinführung

Der im Folgenden genannte Sekundärkreis bezieht sich hauptsächlich auf das 380-V-Wechselstromsystem. Im Schaltsekundärkreis wird die Steuerungsspannung über den Erdschlussschutz-Hilfsstromanschluss im Erdschlussschutzgerät und den Stromwandlerteil aus der Wechselstrom-Steuerungsspannung gewonnen. Die im Folgenden genannten Klemmen 5 und 7 beziehen sich jeweils auf Plus- und Minuspol des Eingangs am Gleichstrom-Erdschlussschutz, Klemmen 8 und 9 auf K und L des Stromwandlers.

Fehlerursachensuche

a. Häufige Isolationsfehler im Wechselstromsystem

Etwa ein Jahr nach Inbetriebnahme der AC-DC-Niederspannung trat häufig Gleichstrom-Erdschlussalarm auf. Das Isolationsüberwachungsgerät detektierte, dass das nachgeschaltete Wechselstromsystem den entsprechenden Zweigkreis der Leistung steuert. Der Alarm zeigte einen Isolationswiderstandsabfall auf 7 kΩ (Alarmwert), während die normale 110-V-Gleichstrom-Sammelschiene jeweils +55 V und -55 V anzeigte. Tatsächlich lag der Gleichstrom-Minus- oder Plus-Sammelschienenwert beim Alarm jedoch nahe 0 V. Unter dieser Bedingung würde ein weiterer Gleichstrom-Erdschluss am anderen Pol einen Kurzschluss zwischen Plus- und Minuspol verursachen.

Daraus lässt sich schließen: Im Wechselstromsystem ist die Isolation zwischen Haupt- und Steuerkreis ohne Gleichstromdurchbruch oder Erdung intakt, sodass Fehlerursachen nur im Gleichstrom-Steuerteil des Wechselstromkreises liegen. Jeder Teil im Steuerkreis muss geprüft werden – der Fehler liegt im Erdschlussschutz und im Stromwandler (CT).

b. Isolationsverlust im Erdschlussschutz

Betreffend diese Fehler ist der Typ des Erdschlussschutzes *** M40 (110 V DC) und der des Stromwandlers ein Erdschlussschutz-Stromwandler derselben Marke. Durch Zerlegen des Erdschlussschutzgeräts zeigt sich: Das Gerät besteht aus drei Leiterplatten, eine davon ist die Erdschlussschutz-Steuerplatine. Punkt-zu-Punkt-Messung ergibt:

1. Isolationswert zwischen Klemme 7 und 9: ca. 5 kΩ (meist unter 5 kΩ)
2. Isolationswert zwischen Klemme 5 und 7: 12,9 kΩ
3. Isolationswert zwischen Klemme 5 und 8: 18 kΩ
4. Isolationswert zwischen Klemme 8 und 9: ca. 50 kΩ

Im Vergleich: Ohne Belastung beträgt der Isolationswert im Schubfachschalter zwischen Klemme 7 und 9 ca. 150 kΩ; bei häufiger Belastung sinkt er auf 5 kΩ.

c. Schutz-Erdung der Stromwandler-Sekundärseite

Wegen eines Schutz-Erdungspunkts am Stromwandler im Design und der Montage von Erdschlussschutz und CT wird Klemme L der 001TI-Spule mit der Erdschlussschutz-Montage verbunden. Dieses Design soll verhindern, dass die Stromwandlerspule einen Kreis bildet, der zu einem Hochspannungsdurchbruch in den Sekundärkreis führt und direkt angeschlossene Komponenten wie das Erdschlussschutzgerät zerstört. Noch schlimmer: Der Isolationsmangel zwischen Klemme 7 und 9 könnte Hochspannung in den Gleichstrom-Steuerkreis eintragen lassen.

Dennoch wird durch den Erdungspunkt und den Isolationsverlust der Leiterplatte im Erdschlussschutz der Minuspol der Spannung durch Gleichstrom gesteuert.

Fehlerfolge

Dieses Problem tritt üblicherweise bei einigen Lasten im selben Wechselstromsystem auf, wodurch der Gleichstrom-Minussammelschiene parallel mit Widerständen von ca. 5 kΩ liegt, was schließlich zu nahezu 0 V am Minussammelschiene und an der Spannung führt.

Bei Erdung des Minussammelschieners, falls ein weiterer Erdschluss am anderen Pol auftritt, entsteht ein Kurzschluss zwischen Plus und Minus. Sicherung oder Schutzschalter unterbrechen den Kreis durch Überlast- und Fehler-Schutz. Zudem verliert die Gleichstromversorgung Strom, was zum Ausfall aller nachgeschalteten Lasten und zum Verlust der Gleichstromversorgung kritischer Lasten führt – was den reibungslosen Betrieb aller Geräte gefährdet. Mehrpunkt-Erdung im Gleichstromsystem hat zahlreiche Folgen wie Bauteilfehlfunktionen, Fehlauslösungen und Gleichstromverlust.

Lösungsansatz und Prinzipanalyse

Stromwandler-Spulen-Erdungspunkt freigeben

Basierend auf dem Stromwandler-Kreis-Design existiert ein Erdungspunkt an der Sekundärseite. Theoretisch erzeugt der Sekundärkreis des Stromwandlers Hochspannung, die andere Bauteile im Sekundärkreis zerstören könnte. Extrem hohe Spannung könnte sogar Bauteile vernichten. Die Erdung dient dazu, Hochspannung zu verhindern und den Sekundärkreis zu schützen.

Basierend auf der obigen Analyse kann jedoch, wenn der Erdungspunkt entfernt wird, der Isolationswiderstand des Gleichstrom-Steuerkreises gewährleistet werden, um Gleichstrom-Erdschlussfehler zu beseitigen. Daher muss, wenn der Erdungspunkt entfernt wird, geprüft werden, ob der Spannungswert des Niederspannungs-Stromwandlers an der Sekundärseite im akzeptablen Bereich liegt. Anders ausgedrückt: Das Risiko muss geringer sein als das durch die Gleichstrom-System-Erdung verursachte.

Bei einem Niederspannungs-Stromwandler ähnlich 0,5 kV wird die Sekundärseite möglicherweise nicht zwingend Hochspannung erzeugen. Wenn eine Seite Nennstrom durchfließt bei bestehendem Sekundärkreis, könnte der Eisenkern entweder fern von der Sättigung oder fern von übermäßiger Sättigung sein; Kernfluss und induzierte Spannung enthalten im Wesentlichen nur die Grundwelle, und die Sekundärseite erzeugt keine Hochspannung. Dies zeigt, dass der Stromwandlerkern einen relativ großen Designspielraum hat – ein relativ hohes Tesushige-Verhältnis. Daher arbeitet die nachgeschaltete Last normal mit Strom unter Nennstrom, was eine geringe Freigabe des CT akzeptabel macht.

Jedoch: Bei diesem Typ Sekundärseiten-CT, wenn ein großer Strom in der nachgeschalteten Last auftritt oder ein Einphasen- oder Phasenkurzschluss eintritt, wird der Eisenkern definitiv sättigen und Hochspannung an der Sekundärseite erzeugen. Ob Hochspannung am Sekundärkreis des CT entsteht, hängt also vollständig vom Sättigungsgrad des Eisenkerns ab. Die Spannungsanstiegskurven hängen von den Sättigungskurven des CT ab. Unter solchen Bedingungen ist eine geringe CT-Freigabe etwas riskant. Dennoch verringert der Schutzkreis das Risiko der Bauteilzerstörung relativ.

Unter voller Berücksichtigung der physischen Struktur des CT arbeiten Stromverteilungsgeräte in relativ guter Umgebung, und die Primärspule hat eine relativ geringe Ausfallwahrscheinlichkeit. Selbst wenn nachgeschalteter Strom bei Spulenunterbrechung auftritt und der Schutzkreisverzögerung relativ lang ist, wird die sekundäre Hochspannung Bauteile zerstören – was eine extrem geringe Wahrscheinlichkeit hat. Daher besteht unsere Lösung für diesen Fehler in der Freigabe des Erdungspunkts.

Austausch des entsprechenden Erdschlussschutzes

Obwohl dieser CT-Schutz-Erdungspunkt eliminiert und Gleichstromfehler beseitigt wurden, liegt die Grundursache für die Erdung in der Leiterplatte des Erdschlussschutzes. Ohne Feuchtigkeit oder Korrosion sinkt der Isolationswert innerhalb von ein bis zwei Jahren Betrieb.

Basierend auf der Messsituation ist bisher der Isolationswert nur zwischen einzelner Elektrode und Erde niedrig; zwischen den Elektroden wurde kein niedriger Isolationswert festgestellt, sodass keine Kurzschlüsse zwischen den Elektroden auftreten. In Zukunft kann dieser Datenwert in der periodischen Wartung aufgezeichnet werden. Neigt dieser Wert zum Absinken oder tritt ein einmaliger Kreis am CT zu Beginn auf, sollte ein Austausch des Erdschlussschutzes in Betracht gezogen werden.

Weiterführende Ressourcen

• Analyse von Entstörungs- und Erdungsstrategien für PCBs
• Diskussion über Leistung und Masse in der elektromagnetischen Verträglichkeit von PCBs
• Design von Hochleistungs-PCBs in Hochtemperaturumgebungen
• Full Feature PCB Manufacturing Service von PCBCart – Mehrere Mehrwertoptionen
• Advanced PCB Assembly Service von PCBCart – Ab 1 Stück