PROFIBUS Handbuch

Potentialausgleich

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Potentialausgleich

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Damit der Schirm wirkungsvoll hochfrequente Störungen abschirmen kann, muss er an beiden Enden geerdet sein.

Eine Lösung ist ein zusätzliches Potentialausgleichskabel zwischen den einzelnen Potentialen zu installieren. Die Potentialausgleichsleitung sollte auch grosse Ströme ableiten können (ein Querschnitt von ≥16 mm2 ist nicht unüblich). Litzenkabel mit einer guten Oberfläche sollten eingesetzt werden, damit auch hochfrequente Ströme effizient abgeleitet werden können.

Installation einer Potentialausgleichsleitung

Bild 61: Installation einer Potentialausgleichsleitung

 

Das Buskabel sollte so nahe wie möglich an die Ausgleichsleitung verlegt werden. Damit wird die Fläche zwischen den beiden Kabeln möglichst klein uns somit werden induktive Einkopplungen reduziert.

WICHTIG: Der Schirm eines Buskabels darf NIE für den Potentialausgleich verwendet werden!

Bei einer modernen PE Verkabelung (5-Leiter = TN-S) wie auf Bild 62 sind der Nullleiter (N) und die Schutzerde (PE) konsequent getrennt. Auch bei unsymmetrischer Last fliesst kein Strom auf der Erde und somit bleibt auch der Schirm des PROFIBUS Kabels stromfrei.

PE Verkabelung (5-Leiter = TN-S)

Bild 62: PE Verkabelung (5-Leiter = TN-S)

Bei einer alten, nicht mehr zu empfehlenden PEN Verkabelung (4-Leiter = TN-C) wie auf Bild 63 fliesst der Ausgleichstrom I1 bei unsymmetrischer Last auf dem gemeinsamen PEN Leiter. Er sucht dabei den Weg des geringsten Widerstandes. Ein Teil des Stromes I3 kann also auch durch die Erdung abgeleitet werden. Dabei kann es sein, dass ein nicht unwesentlicher Teil I2 auch über den Schirm des PROFIBUS abgeleitet wird.

PEN Verkabelung (4-Leiter = TN-C)

Bild 63: PEN Verkabelung (4-Leiter = TN-C)

Mit einer Stromzange kann dies einfach kontrolliert werden. Der Strom auf dem Schirm sollte den Wert von ein paar Milliampere nicht übersteigen. In der Praxis wird ein Strom auf dem Schirm von mehr als 40 mA als problematisch betrachtet. Ein Strom von mehr als 150 mA kann das Kabel unzulässig erwärmen und die Ursache für Brandschäden sein.

Bild 64:  Messungen mit einer Stromzange

Bild 64:  Messungen mit einer Stromzange

Bild 65: Ein Strom von 350 mA verursacht durch ungenügende Erdung

Bild 65: Ein Strom von 350 mA verursacht durch ungenügende Erdung

In speziellen Installationen können Potentialdifferenzen zwischen unterschiedlichen Orten einer Installation auftreten und somit zu Potentialausgleichströmen entlang eines Kabelschirms. Solche Ausgleichströme auf einem Kabelschirm sind absolut zu vermeiden, denn diese können zu Störungseinkopplungen führen. Erdungsprobleme treten auf wenn:

i.das Buskabel eine grosse Fläche abdeckt oder eine grosse Distanz überbrückt
ii.die elektrische Energie aus verschiedenen Quellen (z.B. mehrere Substationen) kommt
iii.grosse elektrische Leistungen (Schweissroboter, grosse Antriebe etc.) konsumiert werden

Als Abhilfe wird empfohlen einen Teil dieser Verbindung mit einer Lichtwellenleiter auszuführen oder mit einem Repeater eine galvanische Isolation des Schirms zu realisieren.

Als Alternative wird in den Normen insbesondere bei explosionssicheren Installationen auch eine kapazitive Erdung vorgeschlagen. Der Schirm wird dabei mit einer RC Kombination angeschlossen. Die kleine Kapazität (< 10 nF) leitet die hochfrequenten Störungen ab, wirkt aber hochohmig für die Netzfrequenz (50 oder 60Hz) und verhindert somit Ausgleichströme über den Schirm. Ein parallelgeschalteter hochohmiger Widerstand verhindert, dass sich die Kapazität mit einer Gleichspannung aufladen kann. Diese kapazitive Erdung kann an einem oder allen Enden eines PROFIBUS Kabels ausgeführt werden. Mit der Stromzange kann auch hier die richtige Funktion kontrolliert werden.

Kapazitive Erdung des Schirms

Bild 66: Kapazitive Erdung des Schirms