Stromausfälle sind selten geworden in Deutschland. Trotz schleppendem Netzausbau hat sich die mittlere Unterbrechungsdauer (System Average Interruption Duration Index) in den letzten Jahren auf unter 13 Minuten verringert. Unberücksichtigt bleiben dabei allerdings Kurzzeit-Unterbrechungen von weniger als drei Minuten.

Doch gerade im Industriebereich führen Stromausfälle selbst bei kurzer Dauer schnell zu hohen wirtschaftlichen Schäden. So unterbricht oder stoppt eine zurückgesetzte Steuerung Fertigungsabläufe oder ganze Prozesse; defekte Anlagenteile, Ausschuss in der Produktion und letztendlich enorme Ausfallkosten sind die Folge. Bereits bei einer Spannungsunterbrechung von 10 ms lassen sich AC-Verbraucher unter Umständen nicht mehr betreiben.

Vor diesem Hintergrund nutzen viele Firmen unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) im AC-Bereich. Ziel ist die stetige energetische Versorgung – auch bei Netzausfall. Fällt die Energie netzseitig aus, sorgen diese Anlagen durch Batterien gestützt für einen störungsfreien Betrieb.

Die USV-Anlage soll also die Verfügbarkeit der Prozesse und der Anlage garantieren. Trotzdem gibt es häufig Rückmeldung von Anwendern über vorzeitig auslösende Sicherungen oder Anlagenteile, die sich komplett abschalten. Grund sind Sicherungen, die im Kurzschlussfall nicht ausgelöst haben. Häufig liegt dies an einer fehlerhaften Auslegung und Auswahl des Schutzorgans im Verhältnis zur Leistungsfähigkeit der USV. 

Netzunterbrechungen puffern

Im Planungstool gibt der Anwender für die Applikation relevante Daten ein, um den passenden Schutzschalter herauszufinden.

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USV-Anlagen gelten als gängige Lösung zur Pufferung von Netzunterbrechungen. Dennoch ist vielen Anlagenplanern und Anwendern die sekundäre Auslegung zur Sicherung des Überstromschutzes nicht bekannt. Denn bei Planung und Errichtung einer USV-Anwendung ist es sehr wichtig, den Batteriebetrieb zu betrachten. Hinzu kommt die Auslegung der Stromquelle im Verhältnis zum Schutzorgan. Dabei geht es zum einen um die einschlägigen Normen. So fordert die VDE 0100-430, dass „die Einrichtung zum Schutz bei Ü̈berstrom jeden auftretenden Strom einschließlich des unbeeinflussten Kurzschlussstromes mechanisch trennen können muss“. Nach VDE 0100 muss sie Fehler in elektrischen Anlagen abschalten, bevor Personen oder Betriebsmittel zu Schaden kommen. 

Zum anderen gilt es, die Strom-Zeit-Kennlinie des Schutzelements passend zur Ausgangskennlinie der USV selektiv auszuwählen. Häufig geschieht dies nur sehr grob oder nach den eher vagen Angaben der USV-Hersteller zur empfohlenen Absicherung. Damit ist leider die tatsächliche Funktion der Absicherung nicht zwingend gegeben. Dem Anwender sollte bewusst sein, dass eine USV sowohl im Batterie- als auch im Netzbetrieb nur einen begrenzten Kurzschlussstrom zur Verfügung stellen kann. Gängige Werte am Beispiel einer Online-USV sind: im Batteriebetrieb 1,5 bis maximal 3 x IN, im Netzbetrieb 5 bis 10 x IN.

Sekundäre USV-Absicherung

Im Regelfall sind Leitungsschutzschalter die sekundär angeschlossenen Sicherungselemente für Verbraucher und Leitungen bei USV-Anlagen. Aus physikalischen Gründen sind diese allerdings oft nicht in der Lage, im Fehlerfall an einer USV auszulösen. Für eine magnetische Auslösung innerhalb von 10 ms (eine Sinus-Halbwelle) benötigen Automaten mit C-Charakteristik einen sehr hohen Strom – bis zum 10-fachen des Nennstroms. Flinkere Auslöse-Kennlinien kommen mit weniger Strom zurecht; hier reicht auch das 5-fache des Nennstroms. Beim Betreiben stromintensiver Verbraucher wie zum Beispiel Schaltnetzteilen kann es aber zu ungewollten Fehlauslösungen führen. 

Durch die begrenzende Eigenschaft einer USV im Kurzschlussfall dauert es im ungünstigsten Fall mehrere Minuten, bis Leitungsschutzschalter auslösen können. In vielen Fällen lösen diese auch gar nicht aus. In beiden Fällen ist das Endergebnis die Gesamtabschaltung der USV zum Eigenschutz und damit eine Unterbrechung der Prozesse oder Fertigungsabläufe.

Erkennen Planer diese Problematik, lösen sie sie häufig eher unkonventionell: Um thermischmagnetische Leitungsschutzschalter auszulösen, werden die USV-Anlagen überdimensioniert. Der höhere Ausgangsstrom schlägt mit einem wesentlich höheren Preis zu Buche. 

Auslösezeiträume gemäß VDE 0100

Natürlich können größere Anlagen im Fehlerfall eine höhere Leistung bereitstellen und die Schutzelemente im Fehlerfall zur Auslösung bringen. Doch solch eine USV ist nicht nur in der Anschaffung teurer; auch die jährlichen Folgekosten sind gewaltig, da größer dimensionierte USV-Anlagen auch eine höher dimensionierte Batterie-Kapazität benötigen. Damit steigen die Kosten – für Wartung und aufgrund der Verlustleistung.

Als Ergebnis der Berechnung mit dem Planungstool erhält der Anwender eine grafische Auswertung. Befindet sich die elektronische Kennlinie (grün) zwischen Last- (braun) und USV-Ausgangs­kennlinie (rot) ist der Typ EBU richtig ausgewählt und dimensioniert.

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Last but not least sinkt der Wirkungsgrad zwangsläufig, wenn die USV zu hoch ausgelegt ist. Dabei senkt ein besserer Wirkungsgrad den Eigenverbrauch der USV-Anlage inklusive der Betriebskosten über die gesamte Lebensdauer des Systems. Unter dem Strich ist diese Konstellation also unrentabel.

Neben der Kostensicht lohnt der Blick auf die Funktion – denn häufig führt diese Lösung trotz allem nicht zum Ziel. Wenig Beachtung finden zum Beispiel oft die Leitungslängen. Lange Leitungen sorgen für Leitungswiderstände, die den maximalen Kurzschlussstrom einer USV zusätzlich dämpfen. Bereits eine Entfernung von 100 m – und damit eine Leitungslänge von 200 m – bedeutet 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 einem solchen Fall seiner Schutzaufgabe nicht mehr nachkommen. Um dies behelfsmäßig auszugleichen, werden die Verbraucher mit kleineren Nennströmen oder flinker dimensionierten Leitungsschutzschaltern abgesichert – mit der bereits erwähnten Gefahr von Fehlauslösungen.

Eine Alternative stellen Schutzschalter wie der ‚EBU10-T’ von E-T-A dar. Das Gerät für 230 V(AC) gibt es in den Leitungsschutz-Nennströmen 4 A, 6 A, 10 A sowie 16 A und mit den Charakteristika B und C. So sind Kurzschlussabschaltungen von maximal 10 kA möglich. Die intelligente Mess- und Auswerte-Einheit des Typ ‚EBU‘ ermöglicht die selektive Absicherung einer USV-Anlage.

Planungsschritte

Wie sollte der Planer also vorgehen? Letztlich sind vier Punkte zu beachten:

1. Schleifenimpedanz messen: Der maximale Widerstand errechnet sich anhand des ohmschen Gesetzes aus der Leiterschleife durch die Division aus Spannung und benötigtem Auslösestrom. Für USV-Anlagen ist diese Messung allerdings zu erweitern, da sie im Batteriebetrieb aufgrund des Regelverhaltens des Wechselrichters kaum durchführbar ist. Dies ist nur im Bypass-Betrieb möglich.
2. Auslösestrom durch ausreichend Leistung sicherstellen: Damit ein Absicherungselement auslösen kann, muss der Kurzschlussstrom, den die USV zur Verfügung stellen kann, größer sein als der benötigte Auslösestrom des Schutzorgans. Soll in einer Anwendung also ein 10-A-Leitungsschutzschalter mit C-Kennlinie im Fehlerfall sicher auslösen, benötigt er entsprechend seiner Kennlinie einen Kurzschlussstrom von 100 A. Im Beispiel einer 3-phasigen Anlage mit einem Kurzschluss Faktor von 150 % – (1,5) bedeutet dies konkret: Die theoretische Leistungsermittlung der USV zur Auslösung eines 10-A-Leitungsschutzschalters mit Charakteristik ‚C‘ im Batteriebetrieb errechnet sich mit der einfachen Formel für die Leistung ‚Leistung = Spannung x Strom‘. Zusätzlich dazu muss die Anzahl der Phasen der USV mit in die Betrachtung einfließen:
   • Für die zuverlässige Auslösung eines 10-A-Leitungschutzschalters errechnet sich bei Verwendung einer 3-phasigen Versorgungseinheit ein Leistungsbedarf von 46 kVA.
   • Für die Funktion des elektronischen Schutzschalters ‚EBU‘ ist die reine Betrachtung des Auslösestroms nicht notwendig. Stattdessen lässt sich der Nennstrom der USV-Anlage am Schutzschalter einstellen. Schon allein dadurch löst das Gerät bei Überschreitung der Grenzen zuverlässig aus. Die integrierte elektronische Messung ermöglicht eine sehr geringe Toleranz. Die gleichzeitige Messung von Strom und Spannung und deren Abgleich verhindert ein ungewolltes fehlerhaftes Auslösen bei Verbrauchern mit höheren Strombedarf beim Einschalten. Die permanente Spannungsmessung ermöglicht zudem gerade im Batteriebetrieb eine schnelle Reaktion. 
3. Haltestrom nicht überschreiten: Aus normativen Gründen soll der Haltestrom des Überstromschutzgerätes nicht überschritten werden. Diese Tatsache ermöglicht einen störungsfreien Betrieb und erhöht die Verfügbarkeit jeder Anlage. Zudem muss der Haltestrom des Schutzorgans größer als der Einschaltstrom des angeschlossenen Verbrauchers sein.
4. Auslösezeiträume einhalten: Die Trennung des Fehlerstroms innerhalb festgelegter Zeiträume wird in der VDE 0100 gefordert. In Betracht kommt hier der magnetische Auslösebereich bei Leitungsschutzschaltern sowie beim elektronischen Schutzschalter Typ ‚EBU‘. Nur so reagieren die Schutzschalter innerhalb der geforderten Zeiten. Die Einstellung des Typ ‚EBU‘ auf den Nennstrom der USV ermöglicht schnelle Abschaltzeiten auch bei USVen mit kleineren Leistungen. 

Vereinfachte Planung

Zur Planung einer selektiven sekundären Absicherung von USV-Anwendungen bietet E-T-A eine kostenlose Planungshilfe auf Excel-Basis. Sie erleichtert Anwendern die Auswahl des passenden elektronischen Schutzschalters vom Typ ‚EBU‘. Zudem demonstriert sie die zielgerichtete Abstimmung Schutzschalters auf die Ausgangsleitung der jeweiligen USV. Aus den eingegebenen Daten errechnet das Programm die folgenden Informationen: eine Liste der elektronischen Schutzschalter vom Typ ‚EBU10-T‘, die sich alternativ einsetzen lassen; ein Vorschlag zur Anpassung der Elektronik des Typs ‚EBU‘ an die verwendete USV und die jeweiligen Lastbedingungen sowie eine grafische Auswertung der aktuellen Applikation.

Mit Hilfe von Schutzschalter und Planungstool lässt sich die richtige Absicherung der AC-USV-Anlagen sicherstellen, sodass die USV auch im Batteriebetrieb wirklich sicher und ohne Unterbrechung läuft.

Autor:
Tobias Prem ist Geschäftsfeldmanager bei E-T-A Elektrotechnische Apparate in Altdorf.