Überlast vermeiden

Praxistipps für die USV-Absicherung

Überlast vermeiden

Wann haben Sie das letzte Mal einen Stromausfall erlebt? Längere Vorfälle wie am 4. November 2006, als das Netz in halb Europa für mehrere Stunden ausfiel, sind tatsächlich extrem selten. Trotz schleppendem Netzausbau hat sich die mittlere Unterbrechungsdauer (SAIDI-Wert) in Deutschland in den letzten Jahren sogar auf unter dreizehn Minuten verringert. Nicht erfasst sind allerdings die Kurzzeitunterbrechungen von unter drei Minuten Dauer.
Mit welchen Vorfällen hier zu rechnen ist, offenbart die EN50160 (Merkmale der Spannung in öffentlichen Elektrizitätsversorgungsnetzen):

? Spannungseinbrüche auf 40 bis 90 Prozent UNenn für weniger als 1min: 10 bis 100 im Jahr

? Versorgungsunterbrechungen auf <1 Prozent UNenn für weniger als 3min: 10 bis mehrere 100 im Jahr Für den Privatanwender stellt dies in aller Regel kein Problem dar. Für Industriebetriebe, deren Prozesse nicht unterbrochen werden dürfen, kann aber auch ein kurzer Stromausfall zu einem hohen wirtschaftlichen Schaden führen. Fertigungsabläufe geraten aus dem Takt, Controller führen einen Reset durch. Um sich im Ernstfall abzusichern, setzen vor allem solche Unternehmen auf unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV), die auf stabile oder eng getaktete Produktionsprozesse angewiesen sind. Obwohl USV-Anlagen seit vielen Jahren eingesetzt werden, ist den meisten Anwendern die Auslegung hinsichtlich Überstromschutz nicht bekannt. Die USV-Anlage soll Verfügbarkeit garantieren. Trotzdem klagen Anwender über auslösende Sicherungen oder Anlagen, die sich komplett abschalten, weil die entsprechende Sicherung nicht ausgelöst hat. Mit dem Überstromschutzelement EBU (Electronic Breaker Unit) kann Abhilfe geschaffen werden. Die einfachsten USV-Anlagen (genannt Offline- oder Line-Interactive) stellen die Versorgung sicher, indem sie bei Netzausfall das Backup-System aus Batteriepuffer und Wechselrichter zuschalten. Damit wird im Wesentlichen die Spannungsversorgung bei Netzausfall ermöglicht. Im Umschaltmoment muss aber mit kurzzeitigen Unterbrechungen gerechnet werden. Eine kontinuierliche Versorgung ermöglichen ´'Online-Dauerwandler-Anlagen'. Hier fließt die Energie stets über den Zweig Gleichrichter-Batteriepuffer-Wechselrichter. Auch hier schaltet ein Bypass-Pfad manuell (z.B. bei Wartungsarbeiten an der Batterie) oder automatisch (bei Überlastung des Hauptpfades) das Netz zu. Wie sieht das Absicherungskonzept solcher Anlagen aus? Üblicherweise sind eingangsseitig Schmelzsicherungen oder Leistungsschalter vorgesehen. Die Absicherung der ausgangsseitigen Unterverteilung erfolgt häufig durch Leitungsschutzschalter Typ B oder C wie in konventionellen Verteilungen. Die Dimensionierung ist so ausgestaltet, dass eine möglichst selektive Absicherung entsteht, d.h. dass bei einem Fehler zunächst nur das dem Fehler nächstgelegene, schwächere Schutzelement auslöst. Die vorgeordneten stärkeren Schutzelemente stellen dann das Schaltvermögen sicher, das heißt sie können Ströme bis in den hohen kA-Bereich sicher trennen. Die Datenblätter der USV-Hersteller enthalten häufig bereits grobe Angaben zur empfohlenen Absicherung. Wie kommen diese Angaben aber zustande? Die Absicherung der Ein- und Ausgangsseite bemisst sich nach dem Nennstrom der USV. Dazu kommen eingangsseitig noch Aufschläge für den Einschaltstrom, Ladevorgänge der Batterie sowie kurzzeitige Überlastung. Dies ist auch ausgangsseitig zu berücksichtigen. Die Berechnung des Nennstroms der jeweiligen USV-Anlage basiert auf ihrer Scheinleistung: Für einphasige Anlagen gilt: Für dreiphasige Anlagen teilt sich der Strom auf die Phasen auf: Die Berechnung ergibt den dauerhaft im Batteriebetrieb abzugebenden Strom. Zur Abgabe von Wirkleistung muss der Leistungsfaktor cos() multipliziert werden. Zur Betrachtung von Einschalt- und Kurzschlussströmen ist jedoch die Scheinleistung maßgeblich. In der Praxis sollten nur so viele Verbraucher angeschlossen werden, dass eine gewisse Leistungsreserve verbleibt (üblich sind hier 20 bis 40 Prozent Reserve). Reserveaufschlag r=20...40 Sollen Verbraucher während des Batteriebetriebs eingeschaltet werden, muss der Einschaltstrom auf die Grundlast addiert werden. Dem kommt entgegen, dass die meisten USV-Anlagen Überlast für eine begrenzte Zeit tolerieren. Der Überlastfaktor kann dem Datenblatt entnommen werden. Als Faustregel sei genannt, dass die meisten USV-Anlagen eine Überlast von 150 Prozent INenn für wenige 100ms ermöglichen. Die Mindestleistung von USV-Anlagen können wir hier nur kurz streifen. Die Berechnungsmethoden von USV-Herstellern gehen davon aus, dass die Auslastung der angeschlossenen Verbraucher nie gleichzeitig 100 Prozent erreicht. Sie unterstellen eine Dauerauslastung von durchschnittlich 2/3. Auslastungsfaktor a=2/3 Die Technologie des Wechselrichters bestimmt den Strom im Kurzschlussfall. Er liegt etwa im Bereich von 180 bis 300 Prozent INenn. Bleibt der Kurzschluss bestehen, wird er von der USV-Anlage für wenige ms getragen, bis sie zum Selbstschutz abschaltet. Bei so starker Überlastung ist mit heftigen Spannungseinbrüchen zu rechnen. Um die Versorgung der intakten Zweige zu gewährleisten, muss der Fehler innerhalb weniger ms abgeschaltet werden. Hochwertige Online-Dauerwandler verfügen über einen Bypass-Pfad, der den Überlast- oder Kurzschlussstrom stützt und damit deutlich höhere Ströme ermöglicht. Die Dimensionierung des Überstromschutzes sollte aus zwei Gründen trotzdem im Batteriebetrieb erfolgen. Zum einen fordert VDE0100-430, dass "die Einrichtung zum Schutz bei Überstrom jeden auftretenden Strom einschließlich des unbeeinflussten Kurzschlussstromes trennen können muss." Zum anderen aber auch weil der Bypass-Schalter als Halbleiterelement selbst von flinken Thyristor-Schutzsicherungen und vorgeschalteten Netzsicherungen geschützt ist. Lösen diese aus, muss meist ein Service-Techniker anrücken, um das defekte Teil auszutauschen. Solange wäre der sensible USV-Betrieb beeinträchtigt. Was ist nun zur Koordination der Überstromschutzelemente zu beachten? Im Wortlaut der VDE0100 müssen sie Fehler in elektrischen Anlagen abschalten, bevor Personen oder Betriebsmittel zu Schaden kommen. Folgende Betrachtungen sind dazu nötig:

Schleifenimpedanz messen

Eine Maßnahme, mit der das Einhalten dieser Forderung bewiesen wird, ist die Schleifenimpedanzmessung. Durch sie wird sichergestellt, dass der Widerstand der Leitungen bis zur Quelle klein genug ist, um das Schutzelement bei Kurzschluss auszulösen.

Für USV-Anlagen muss diese Messung wegen der besonderen Umstände erweitert werden. Sie ist im Batteriebetrieb aufgrund des Regelverhaltens des Wechselrichters kaum durchführbar und sollte daher im Bypass-Betrieb vorgenommen werden.

Auslösestrom sicherstellen

Wird eine genügend kleine Schleifenimpedanz in der Installation festgestellt, so ist zusätzlich zu prüfen, ob der im Batteriebetrieb maximal fließende Kurzschlussstrom auch ausreicht, um die Überstromschutzelemente auszulösen. Der weiter oben genannte Kurzschlussstrom von 180 und 300 Prozent des USV-Nennstroms gilt nur bei niederohmigem Kurzschluss ohne weitere Lastzweige. Wer die Werte der Anlage nicht genau kennt, ist mit einem Kurzschlussstrom von 150 Prozent INenn auf der sicheren Seite.

Faustregel:

Wie hoch ist nun der Strom, der den Leitungsschutzschalter zum Auslösen bringt? Die Charakteristik jedes Überstromschutzgerätes ist toleranzbehaftet. Bei Überschreitung des Haltestroms (B=3xINenn; C=5xINenn) ist eine Auslösung möglich, aber nicht garantiert. Der Auslösestrom (B=5xINenn; C=10xINenn), der mindestens benötigt wird, um den Schalter sicher auszulösen, liegt etwa doppelt so hoch. Zur Auslegung wird daher der ungünstigere Fall mit dem höheren Auslösestrom angenommen. Ein großer Teil der Anlagenleistung muss allein für die Einhaltung dieser Toleranz aufgewendet werden. Die Betrachtung des Auslösestroms ist für die Auslegung des elektronischen Schutzschalters Typ EBU nicht nötig. Stattdessen wird der Nennstrom der USV-Anlage am Schutzschalter eingestellt. Er löst dann zuverlässig bei einer 150-prozentigen Überlastung der USV-Anlage aus. Bei elektronischer Messung ist die Toleranz sehr gering. Die permanente Messung der Spannungsqualität lässt den Typ EBU im Batteriebetrieb besonders flink reagieren. Wird die Spannung stattdessen durch einen Bypass gestützt, reagiert der Typ EBU bei einer Überlast träger und ermöglicht so auch das Einschalten von Lasten mit hohem Einschaltstrom.

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