Ohne Energie funktioniert in der Industrie kaum etwas. Eine kurze Spannungsunterbrechung genügt und Daten sind gelöscht, Produktionsabläufe gestört oder vielleicht gar in Produktion befindliche Waren zerstört. Bereits bei einer Spannungsunterbrechung von 10 ms, also 0,5 Perioden, ist es nach EN 61000-6-2 und EN 55024 möglich, dass sich ein AC-Verbraucher nicht mehr betreiben lässt. Vor diesem Hintergrund nutzen viele Firmen unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) im AC-Bereich. Ziel ist eine stetige energetische Versorgungssicherheit auch bei Netzausfall. Fällt die Energie netzseitig aus, sorgen diese Anlagen abgepuffert durch Batterien für einen Betrieb ohne Störungen und Datenverlust. Dies ist an vielen Stellen allerdings nur eine theoretische Sicherheit, in der Praxis funktioniert sie in den seltensten Fällen. Aus diesem Grund hat E-T-A den Schutzschalter ‚EBU‘ als variablen Überstromschutz entwickelt.

Gängige Absicherung ­funktioniert nicht

Bei AC-USV-Anlagen in der gängigen Nutzung ist die geringe Ausgangs­leistung, die die Geräte im Fehlerfall zur Verfügung stellen können, ein gravierender Nachteil. Um die eigene interne Elektronik – beispielsweise Gleich- und Wechselrichter – zu schützen, ist der Maximalstrom, den die USV zur Verfügung stellen kann, sehr begrenzt. Im Fehlerfall bedeutet dies, dass der von der Anlage zur Verfügung gestellte Überstrom vergleichsweise gering ist, da die USV die Spannung bei Überlastung sofort minimiert. Die entsprechenden Grenzwerte finden sich gemäß EN 62040-3 in den Datenblättern der USV-Hersteller.

Typische Belastungsgrenzen von USV-Anlagen liegen beim 1,5- bis 3-fachen des Nennstroms und sind im Fall eines Kurzschlusses in kür­zester Zeit überschritten. Die Folge ­davon ist die komplette Abschaltung der USV zum Eigenschutz. Damit ist der ursprüngliche Zweck der USV nicht mehr erfüllt und die Energiesicherheit nicht länger gegeben. In der Praxis heißt das, dass ein fehlerhafter Verbraucher an einer USV die komplette USV lahmlegen kann. Und dies wiederum kann einen Anlagenstillstand mit verschiedensten undefinierten Zuständen nach sich ­ziehen.

Leitungsschutzschalter als Lösung?

Damit ein 10-A-Leitungschutzschalter mit C-Kennlinie sicher auslöst, benötigt er einen Fehlerstrom von 100 A.

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Die angeschlossenen Sicherungsautomaten, die bei USV-Anlagen bisher für eine Absicherung der Verbraucher sorgen sollten, sind im Regelfall Leitungsschutzschalter. Aus physikalischen Gründen sind diese allerdings meist gar nicht in der Lage, im Fehlerfall an einer USV auszulösen: Für eine Auslösung benötigen sie einen relativ hohen Überstrom; wären sie empfindlicher ausgelegt, würden sie für häufige Fehlauslösungen sorgen. Ist aber der Fehlerstrom vergleichsweise niedrig, dauert es im günstigsten Fall mehrere Minuten, bis die Leitungsschutzschalter auslösen können. In vielen Fällen greift dieses Schutzelement auch gar nicht. In beiden Situationen folgen eine Gesamtabschaltung der USV zum Eigenschutz sowie eine Unterbrechung der zuvor teuer bezahlten Energieversorgung.

Konkret heißt das: Wenn in einer Anwendung ein 10-A-Leitungschutzschalter mit C-Kennlinie im Fehlerfall sicher auslösen soll, benötigt er entsprechend seiner Kennlinie einen Fehlerstrom von 100 A. Damit handelt es sich um einen Wert, den eine 10-KVA-Anlage in den meisten Fällen nicht bereitstellen kann – im Fehlerfall versagt also letztlich die Absicherung. Ergo ist eine USV ohne entsprechende Absicherung schlicht nicht in der Lage, die Energiesicherheit sicherzustellen.

Überdimensionierung als Abhilfe

Die Kennlinie des EBU lässt sich auf USV-Anlage und Lastbedingungen anpassen und sorgt für eine zuverlässige Auslösung.

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Erkennen Nutzer dieses Dilemma, lösen sie es häufig auf kostenintensive Art: Um die thermisch-magnetischen Leitungsschutzschalter zur Auslösung zu bringen, erkaufen sie einen hohen Ausgangsstrom durch die Anschaffung einer deutlich überdimensionierten Anlage. Hintergedanke dabei ist, die größere Anlage könne im Fehlerfall eine höhere Leistung bereitstellen und die Schutzelemente im Fehlerfall zur Auslösung bringen. Aber: Eine solche USV ist nicht nur in der Anschaffung teurer, sie schlägt auch Jahr für Jahr mit höheren Folgekosten zu Buche. Größer dimensionierte USV-Anlagen benötigen zudem eine höher dimensionierte Batterie-­Kapazität. Dies wiederum bedeutet steigende Wartungskosten. Hinzu kommen deutlich höhere jährliche Verlustleistungskosten. Ferner sinkt zwangsläufig der Wirkungsgrad, wenn die USV zu hoch ausgelegt ist. Dabei würde ein hoher Wirkungsgrad den Eigenverbrauch der USV-Anlage und damit die Betriebskosten über die gesamte Lebensdauer des Systems senken. Alles in allem machen in dieser Konstellation bereits die jährlichen Verlustleistungskosten eine solche Überdimensionierung unrentabel.

Hinzu kommt, dass diese Lösung häufig trotz allem nicht funktioniert, und zwar wenn die Leitungslängen nicht ausreichend berücksichtigt werden. Denn: Der durch lange Leitungen entstehende Leitungswiderstand dämpft den Strom, den die USV liefern kann, zusätzlich und verhindert so erneut die Auslösung im Fehlerfall. Bereits bei einer Entfernung von 100 m (also einer Leitungslänge von 200 m) entsteht bei einem Kabelquerschnitt von 1,5 mm² eine Dämpfung von 2,38 Ω an einer 230-V-Spannungsquelle. Der oben beschriebene 10-A-Leitungsschutzschalter mit C-Kennlinie kann in einer solchen Anwendung seiner Schutzaufgabe nicht mehr nachkommen.

Häufig führt diese Situation dann zum Versuch, die Verbraucher mit kleiner oder flinker dimensionierten Leitungsschutzschaltern abzusichern. Dadurch steigt aber nicht die Sicherheit, son-dern lediglich die Anzahl der Fehlaus­lösungen, beispielsweise beim Einschaltvorgang von Schaltnetzteilen oder ähnlichem.

Stabile Energiesicherheit

Eine Alternative ist der Schutzschalter ‚EBU‘. Das Gerät für 230 V(AC) besteht aus einem Leitungsschutzschalter nach EN 60947-2, der für Kurzschluss-Abschaltungen von maximal 10 kA zugelassen ist. Zudem verfügt er über eine angebaute Elektronik nach EN 60950-1. Diese Intelligenz übernimmt die Mess- und  Auswerte-Aufgaben für die Absicherung einer USV-Anlage. Die beiden Komponenten des Schutzschalters teilen sich diese Aufgabe: Ermittelt die Elektronik einen Kurzschluss oder eine Überlast, schaltet das Gerät über den Leitungsschutzschalter ab.

Die Electronic Breaker Unit EBU für 230 V(AC) besteht aus einem Leitungsschutzschalter und einer angebauten Elektronik.

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Es gibt den Schalter in den Leitungsschutz-Nennströmen 6 A, 10 A sowie 16 A und mit den Charakteristika B und C. Anwender können damit die bisher verwendeten oder vom USV-Hersteller geforderten Leitungsschutzschalter 1:1 ersetzen. Betrieben wird das 54 mm breite Gerät direkt am Abgang der jeweiligen USV. Mit Hilfe eines zehnstufigen Einstellschalters können Anlagenplaner es auf die Leistungsfähigkeit der jeweiligen USV-Anlage sowie die vorliegenden Lastbedingungen anpassen. Im Fehlerfall löst der Schutzschalter zuverlässig aus – und zwar nur im betroffenen Lastpfad. Alle weiteren Versorgungsstränge bleiben davon unberührt. So kann die Einheit die häufig problematischen Einschaltvorgänge und damit verbundene höhere Einschaltströme problemlos tolerieren. Nur wenn die USV-Anlage aufgrund eines unzulässig hohen Kurzschlussstroms mit einem Spannungseinbruch reagiert, löst der Schutzschalter EBU aus.

Die Anpassung an die USV und somit die Einstellung der Selektivität erfolgt durch die Einstellung des USV-Nennstroms am Schalter. Der Wert findet sich im Datenblatt der USV. Zur Überlast-Absicherung wird der Last-Nennstrom an der Unit angepasst. Letztlich ermöglicht es der neue Schutzschalter, eine USV-Anlage um ein Drittel kleiner zu dimensionieren und die jährlichen Energiekosten um circa 40 % zu senken.

Autor:  Tobias Prem ist Produkt Manager im Bereich Industrie, Energie & Equipment bei E-T-A Elektrotechnische Apparate in Altdorf.