Differenzstromüberwachung für mehr Anlagenverfügbarkeit Energie von Dauerläufern kontinuierlich überwachen

Hochautomatisierte Fertigungsanlagen, Rechenzentren oder Anlagen mit kontinuierlichen Prozessen erfordern eine zuverlässige Stromversorgung – oft sogar eine Hochverfügbarkeit von mindestens 99,9 bis sogar 99,9999 Prozent. Warum 99 Prozent nicht reichen, zeigt ein Blick auf die Ausfallzeit: Diese beträgt bei 99 Prozent 87,7 Stunden, bei „six nines“ (99,9999 Prozent) aber lediglich 0,53 Minuten. Viele Server, Automatisierungssysteme, Sicherheitssysteme, Kommunikationseinrichtungen oder Netzwerkkomponenten tolerieren in der Regel jedoch keine Spannungsunterbrechungen oder Unterspannungen von mehr als zehn Millisekunden. Deshalb ist zunächst einmal eine zuverlässige Installation notwendig.

TN-S-Systeme sind Stand der Technik und in den meisten kritischen Anwendungen vorgeschrieben. Sie weisen günstige EMV-Eigenschaften auf und ermöglichen außerdem eine Differenzstromüberwachung (Residual Current Monitoring, RCM). RCM-Messgeräte wie Janitza sie bietet, sind zur Überwachung von Wechselströmen, pulsierenden Gleichströmen gemäß IEC/TR 60755 (2008-01) geeignet. Ein flächendeckendes RCM-System überprüft Fehlerströme permanent und lokalisiert Fehler direkt in TN-S-Systemen. So kann der Anwender reagieren, bevor ein kritisches Level erreicht wird. Außerdem lassen sich damit Abschaltungen durch Fehlstromschutzschalter (RCD) vermeiden. Dies gilt vor allem für schleichend steigende Differenzströme, zum Beispiel ausgelöst durch Isolationsfehler, zu hohe Betriebsströme oder anderweitige Überlastungen von Anlagenteilen oder Verbrauchern.

So funktioniert das Differenzstromprinzip

Beim Differenzstromprinzip werden die Phase und der Neutralleiter des zu schützenden Abgangs durch den Summenstromwandler geführt, der Schutzleiter ist ausgenommen. In der Praxis laufen alle drei Phasen und der Neutralleiter durch den Summenstromwandler. Bei Systemen ohne Neu­tralleiter, zum Beispiel geregelte Antriebe, laufen nur die drei Phasen durch den Summenstromwandler. Im fehlerfreien Zustand der Anlage ist der Summenstrom Null oder nahe Null (im tolerierbaren Bereich), so dass der im Sekundärkreis induzierte Strom ebenfalls Null oder nahe Null ist. Fließt hingegen im Fehlerfall ein Fehlerstrom gegen Erde ab, verursacht die Stromdifferenz im Sekundärkreis einen Strom, der vom RCM-Messgerät erfasst und ausgewertet wird.

Moderne RCM-Messgeräte lassen unterschiedliche Grenz­werteinstellungen zu. Ein statischer Grenzwert hat den Nachteil, dass er entweder bei Teillast zu groß, oder bei Volllast zu klein ist. Dann findet entweder kein ausreichender Schutz statt oder es kommt zu Fehlalarmen, die sich negativ auf die Aufmerksamkeit des Überwachungspersonals auswirken können. Es ist deshalb empfehlenswert, RCM-Messgeräte mit dynamischer Grenzwertbildung zu verwenden. Dabei wird der Fehlerstrom-Grenzwert auf Basis der aktuellen Lastverhältnisse gebildet und ist auf die jeweils vorliegende Last angepasst. Durch Parametrieren – also das Festlegen des typischen Fehlerstromes im „Gut“-Zustand – der Anlage im Neuzustand und das kontinuierliche Monitoring sind alle Veränderungen des Anlagenzustandes ab Inbetriebnahme-Zeitpunkt erkennbar. So können auch schleichende Fehlerströme erkannt werden. Anhand historischer Verläufe der Last und des Ableitstroms kann der Gut-Zustand ermittelt und ein sinnvoller Fehlerstromgrenzwert bestimmt werden. Integrierte Speicher der Messgeräte und überlagerte SCADA-Systeme oder die Energiedatenerfassungssoftware Gridvis ermöglichen zeitliche Aussagen und Analysen.

RCM in der Praxis

Es sind bereits unzählige Normen und Vorschriften im Zusammenhang mit RCM entstanden. Um nicht den Überblick zu verlieren, gibt es einige Faustregeln: So sollte man bei Einzelstromkreisen weiterhin mit festen Grenzwerten wie 30 mA arbeiten oder beim Ziel Brandschutz 300 mA. Bei Frequenzumformern sollten die maximalen Ableitströme aus den Datenblättern hinzugezogen werden. Grundsätzlich gilt: Grenz­werte sind Erfahrungswerte und je nach Art der Verbraucher festzulegen. Eine Orientierungshilfe bieten Werke wie die EMV-Fibel von Wilhelm Rudolph. Zu beachten ist auch die Wahl der richtigen Fehlerstromerfassungstechnik.

Eine typische Anwendung für RCM-Systeme sind Rechenzentren. EDV-Technik stellt bereits hohe Ansprüche an die Versorgung, besonders kritisch sind jedoch Anwendungen, in denen ein Datenverlust nicht vorkommen darf. Laut Bitkom muss die Stromversorgung eines Rechenzentrums selbst und alle Bereiche im gleichen Gebäude, zu denen Datenkabel laufen, als TN-S-System ausgeführt sein. Notwendig für den sicheren Betrieb ist zudem eine permanente Selbstüberwachung eines „sauberen“ TN-S-Systems und die Aufschaltung der Meldungen an eine ständig besetzte Stelle, etwa an die Leitzentrale. Die Elektrofachkraft erkennt dann über entsprechende Meldungen den Handlungsbedarf und kann durch gezielte Servicemaßnahmen Schäden vermeiden. Mit der Janitza-Komplettlösung lässt sich das Sicherheitskriterium RCM-Fehlerstromüberwachung eines derartigen EMV-optimierten TN-S-Systems realisieren.

Prüfkosten senken

RCM erhöhen aber nicht nur die Sicherheit, sondern senken auch Kosten. Wiederkehrende Prüfungen wie sie etwa die DGUV V3 „Elektrische Anlagen und Betriebsmittel“ vorschreibt, sind zeitraubend und teuer. Ortsfeste elektrische Anlagen und Betriebsmittel gelten als ständig überwacht, wenn sie kontinuierlich von Elektrofachkräften instand gehalten und durch messtechnische Maßnahmen im Rahmen des Betreibens geprüft werden. Durch eine kontinuierliche RCM-Messung können Überwachungssysteme die geforderte kontinuierliche Prüfung sicherstellen. Durch RCM wird die kostenintensive Messung von Isolationswiderständen zumindest teilweise entbehrlich, da eine kontinuierliche Prüfung der Isolationsbeschaffenheit stattfindet. Die Prüfschärfe und der Umfang kann durch eine kontinuierliche Überwachung erheblich reduziert werden. Dies muss allerdings anwendungsspezifisch festgelegt sein. Die Abnahme und Risikobewertung eines Sachverständigen oder der Berufsgenossenschaft, für eine gesamtheitliche RCM-Überwachung, ist empfehlenswert aber nicht verpflichtend. Arbeiten wie eine Sichtprüfung auf äußerlich erkennbare Mängel, Schutzmaßnahmen und Abschaltbedingungen, Schleifenwiderstände und Prüfung der Durchgängigkeit von Schutzleitern sowie Funktionsprüfungen sind trotz kontinuierlicher RCM-Messung weiterhin durchzuführen.

Eine umfassende RCM-Überwachung der Stromversorgung erfolgt auf allen Ebenen: vom ZEP und überwachungsbedürftigen Abgängen in der Niederspannungshauptverteilung und Unterverteilungen, bis hin zu einzelnen kritischen Lasten. Dafür bietet Janitza seine Baureihen UMG 512-PRO, UMG 96RM-E und UMG 20CM. Zusammen mit der Energiedatenerfassungssoftware Gridvis und dem integrierten Alarmmanagement vereinen sie Energiemanagement, Spannungsqualitäts-Überwachung und Differenzstrommessung in einer gemeinsamen Systemumgebung und in nur einem Messgerät je Messstelle. Diese Bündelung hat den Vorteil, dass sowohl die Montage und Installation als auch die restliche Infrastruktur, zu der etwa Stromwandler, Kommunikationsleitungen, Software oder Analyse-Tools gehören, nur ein einziges Mal benötigt wird. Ferner sind alle Daten zentral in einer Datenbank erfasst und lassen sich bequem mit nur einer Software verarbeiten. Das steigert die Akzeptanz beim Anwender.