Sicherheitsstromversorgungen und Ersatzstromversorgungen

Sicherheitsstromversorgung

Die Bereitstellung von Sicherheitsstromversorgungen unterliegen baurechtlichen Vorschriften.

Sicherheitsstromversorgungen unterliegen baurechtlichen Vorschriften, die u.a. betreffen:

• öffentliche Gebäude,
• Hochhäuser,
• Einsatzorte, an denen Menschen arbeiten (Büros, Geschäfte, Fabriken usw.).

Solche Einsatzorte müssen zur Gewährleistung einer sicheren Evakuierung des Personals entsprechend ausgerüstet sein mit u.a.:

• Brandmeldeanlagen,
• Anlagen zur Alarmierung und Erteilung von Anweisungen an Besucher und Beschäftigte,
• Sicherheitsbeleuchtung und sonstige Ersatzstrombeleuchtung, ausgenommen Endstromkreise,
• Personenaufzugsanlagen mit Evakuierungsschaltung,
• Wasserdruckerhöhungsanlagen zur Löschwasserversorgung,
• Lüftungsanlagen von Sicherheitstreppenräumen, innenliegenden Treppenräumen, Fahrschächten und Triebwerksräumen von Feuerwehraufzügen,
• Rauch- und Wärmeabzugsanlagen
• Feuerwehraufzügen.

Abgesehen von den obigen allgemeinen Regeln gibt es bestimmte Projekte, für die sich die Sicherheitsvorschriften auf einen speziellen Prozess (z.B. petrochemische Betriebe, Zementwerke usw.) oder eine spezielle Anwendung (z.B. Tunnelbeleuchtung, Start- und Landebahnbeleuchtung auf Flughäfen usw.) beziehen.

Ersatzstromversorgungen

Ersatzstromversorgungen sind häufig notwendig, wenn ein Ausfall der normalen Versorgung weitreichende Konsequenzen hätte.

Unter den zahlreichen Anwendungen, für die eine Unterbrechung der Stromversorgung nicht zulässig ist, seien folgende erwähnt (siehe Abb. E18):

• IT-Anlagen (Datenschutz im Bereich Versicherung, Bankwesen, Handel, Regierungswesen usw.)
• industrielle Prozesse (Kontinuität der Materialzuführung für kontinuierliche Prozesse, Kesselspeisewasserpumpen in Kraftwerken, Papierherstellung, Entsalzungsanlagen usw.)
• Nahrungsmittelindustrie (Kühlanlagen, Brutanlagen usw.)
• Telekommunikation
• Forschung
• Operationssäle
• Kartenverkauf, Flugreservierungen, Registrierkassen usw.
• Militär

Sind mehrere Sicherheitsstromversorgungen vorhanden, können sie ebenso als Ersatzstromversorgungen verwendet werden, solange jede von ihnen in der Lage ist, alle Sicherheits- und Ersatzstromkreise zu versorgen und solange der Ausfall einer der Ersatzstromversorgungen nicht den normalen Betrieb der anderen beeinflusst.

Abb. E18 – Beispiele für Ersatzstromversorgungen: Zentralbatterie (links) und Dieselgenerator (rechts)

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Wahl und Eigenschaften von Ersatzstromversorgungen

Abgesehen von wahrnehmbaren (wenn auch sehr kurzen) Unterbrechungen der Stromversorgung, reichen nichtwahrnehmbare Unterbrechungen von einigen Millisekunden aus, um den Betrieb bestimmter Betriebsmittel zu stören. Wie zuvor erwähnt, sind USV-Anlagen in solchen Fällen unerlässlich. Sie werden zusammen mit der Ersatzstromversorgung verwendet, um eine maximale Sicherheit zu gewährleisten.

Die wichtigsten Anforderungen

Aus wirtschaftlichen Gründen sind folgende Maßnahmen häufig zwingend einzuhalten:

• Unterbrechungen der Stromversorgung sind nicht zulässig:
  • in IT-Systemen,
  • in kontinuierlichen Prozessen, außer für Verbraucher mit hoher Trägheit, für die eine Unterbrechungszeit von ca. 1 s zulässig ist.
• Datensicherungsdauer in IT-Systemen: 10 Minuten
• Für Anlagen mit Ersatzstromversorgung ist eine Backupzeit erforderlich. Sie hängt von der betrieblichen Wirtschaftlichkeit ab und geht über die Mindestanforderungen für die Sicherheit des Personals hinaus.

Vorschriften bezüglich Sicherheitsstromversorgungsanlagen

(siehe Abb. E19a und Abb. E19b)

Die nationalen Vorschriften über Sicherheitsstromversorgungsanlagen enthalten einige zu erfüllende Bedingungen bezüglich deren elektrischer Stromversorgungen:

Unterbrechung	Unterbrechungszeit in s
unterbrechungslos	0
sehr kurz	bis 0,15
kurz	über 0,15 bis 0,5
mittlere	über 0,5 bis 15
lange	über 15

Abb. E19a – Einteilung der Stromquellen nach der Unterbrechungszeit

• Für die Ersatzstromversorgung erforderliche Backupzeit: Im Allgemeinen entspricht sie der Zeit, die notwendig ist, um alle Vorgänge zur Gewährleistung der Sicherheit des menschlichen Lebens abzuschließen, z.B. der Zeit zur Evakuierung eines öffentlichen Gebäudes (min. 1 Std.). In medizinisch genutzten Bereichen muss die Backup-Zeit der Ersatzstromversorgung mindestens 24 Std. betragen.

Anwendungsbereiche	SPS IT-Geräte Telekommunikation	Nichtkontinuierlicher Prozess	Kontinuierlicher Prozess
Anwendungen	Datenbanken Prozesssteuerung und -überwachung	Kaltbearbeitungsprozess	Steuerung und Überwachung von Prozessparametern
Anlagenbeispiele	IT-Bereich Bankwesen, Versicherung Verwaltung Managementsystem in Produktionsprozessen	Verpackungsmontageband	nuklear chemisch biologisch thermisch schwermechan. (hohe Trägheit)
Bedingungen
Zulässige Unterbrechungszeit	Unterbrechungslos	[math]\displaystyle{ \definecolor{bggrey}{RGB}{234,234,234}\pagecolor{bggrey}\definecolor{myblue}{rgb}{0.26,0.71,0.9}\color{myblue}\blacksquare }[/math]	[math]\displaystyle{ \definecolor{bggrey}{RGB}{234,234,234}\pagecolor{bggrey}\definecolor{myblue}{rgb}{0.26,0.71,0.9}\color{myblue}\blacksquare }[/math]
	≤ 0,5 s		[math]\displaystyle{ \definecolor{bggrey}{RGB}{234,234,234}\pagecolor{bggrey}\definecolor{myblue}{rgb}{0.26,0.71,0.9}\color{myblue}\blacksquare }[/math]
	≤ 15 s		[math]\displaystyle{ \definecolor{bggrey}{RGB}{234,234,234}\pagecolor{bggrey}\definecolor{myblue}{rgb}{0.26,0.71,0.9}\color{myblue}\blacksquare }[/math]
	≤ 15 Min		[math]\displaystyle{ \definecolor{bggrey}{RGB}{234,234,234}\pagecolor{bggrey}\definecolor{myblue}{rgb}{0.26,0.71,0.9}\color{myblue}\blacksquare }[/math]
Minimale und bevorzugte Backup-Zeit der Versorgung	1 Min	[math]\displaystyle{ \definecolor{bggrey}{RGB}{234,234,234}\pagecolor{bggrey}\definecolor{myblue}{rgb}{0.26,0.71,0.9}\color{myblue}\blacksquare }[/math]
	20 Min		[math]\displaystyle{ \definecolor{bggrey}{RGB}{234,234,234}\pagecolor{bggrey}\definecolor{myblue}{rgb}{0.26,0.71,0.9}\color{myblue}\blacksquare }[/math]
	1 Std.	[math]\displaystyle{ \definecolor{bggrey}{RGB}{234,234,234}\pagecolor{bggrey}\definecolor{myblue}{rgb}{0.26,0.71,0.9}\color{myblue}\blacksquare }[/math]	[math]\displaystyle{ \definecolor{bggrey}{RGB}{234,234,234}\pagecolor{bggrey}\definecolor{myblue}{rgb}{0.26,0.71,0.9}\color{myblue}\blacksquare }[/math]
	Dauerhaft, wenn wirtschaftlich
Lösungen
Verwendete Technik	USV mit oder ohne Generator- satz – zur Übernahme der Ersatzstromversorgung vor der vollständigen Entladung der Batterie	Permanenter Generatorbetrieb oder Start – zur Übernahme der USV-Last	Permanenter Generatorbetrieb

[a] Abhängig von den wirtschaftlichen Bedingungen
[b] Grenzwert für die Datensicherungszeit

Abb. E19b – Tabelle mit einer Auswahl an Ersatzstromversorgungstypen entsprechend den Anwendungsanforderungen und zulässigen Unterbrechungszeiten

Wahl und Eigenschaften verschiedener Stromquellen

Die verschiedenen möglichen Lösungen werden gekennzeichnet durch deren Verfügbarkeit (d.h. sofortige oder verzögerte Lastübernahmezeit) und deren Backup-Zeit (d.h. die Fähigkeit, den Verbraucher für eine bestimmte Zeit ohne menschliches Eingreifen zu versorgen, z.B. ohne Auffüllen der Treibstofftanks). Desweiteren ist Folgendes zu berücksichtigen:

• Anlagenbedingte Einschränkungen: besonders für spezielle Einsatzorte und entsprechend den verwendeten Stromquellen
• eingesetzte Betriebsmittel
• betriebsbedingte Einschränkungen, z.B. entsprechend der Betriebsanleitung des Herstellers oder den lokalen gesetzlichen Vorschriften usw.
• erforderliche Routinewartungsmaßnahmen, die während dieser Arbeiten weniger günstige Einschränkungen mit sich bringen.

Eine Gesamtübersicht der vielen Möglichkeiten und der entsprechenden Einschränkungen führt häufig zu einer optimalen Lösung, die auf einem USV-System in Kombination mit einer Ersatzstromversorgung durch Generator basiert. Batterien ermöglichen eine unterbrechungsfreie Energieversorgung während des Anlaufs und der Lastübernahmezeit der Ersatzstromversorgung durch Generator (siehe Abb. E20).

Notfall- und/oder Reserveversorgung
	Batterie	USV-Anlage	Kaltstart-Diesel	Lastübernahme	Generatoren im Dauerbetrieb
Erforderliche Zeit zur Versorgung des Verbrauchers
Unterbrechungslos	[math]\displaystyle{ \definecolor{bggrey}{RGB}{234,234,234}\pagecolor{bggrey}\definecolor{myblue}{rgb}{0.26,0.71,0.9}\color{myblue}\blacksquare }[/math]	[math]\displaystyle{ \definecolor{bggrey}{RGB}{234,234,234}\pagecolor{bggrey}\definecolor{myblue}{rgb}{0.26,0.71,0.9}\color{myblue}\blacksquare }[/math]			[math]\displaystyle{ \definecolor{bggrey}{RGB}{234,234,234}\pagecolor{bggrey}\definecolor{myblue}{rgb}{0.26,0.71,0.9}\color{myblue}\blacksquare }[/math]
1 s				[math]\displaystyle{ \definecolor{bggrey}{RGB}{234,234,234}\pagecolor{bggrey}\definecolor{myblue}{rgb}{0.26,0.71,0.9}\color{myblue}\blacksquare }[/math]
1 bis 10 Minuten			[math]\displaystyle{ \definecolor{bggrey}{RGB}{234,234,234}\pagecolor{bggrey}\definecolor{myblue}{rgb}{0.26,0.71,0.9}\color{myblue}\blacksquare }[/math]
Gesamtzeit für Umschaltvorgang
Unterbrechungslos	[math]\displaystyle{ \definecolor{bggrey}{RGB}{234,234,234}\pagecolor{bggrey}\definecolor{myblue}{rgb}{0.26,0.71,0.9}\color{myblue}\blacksquare }[/math]	[math]\displaystyle{ \definecolor{bggrey}{RGB}{234,234,234}\pagecolor{bggrey}\definecolor{myblue}{rgb}{0.26,0.71,0.9}\color{myblue}\blacksquare }[/math]			[math]\displaystyle{ \definecolor{bggrey}{RGB}{234,234,234}\pagecolor{bggrey}\definecolor{myblue}{rgb}{0.26,0.71,0.9}\color{myblue}\blacksquare }[/math]
Bezogen auf das automatische Netzumschaltungssystem f. jede Stromquelle			[math]\displaystyle{ \definecolor{bggrey}{RGB}{234,234,234}\pagecolor{bggrey}\definecolor{myblue}{rgb}{0.26,0.71,0.9}\color{myblue}\blacksquare }[/math]	[math]\displaystyle{ \definecolor{bggrey}{RGB}{234,234,234}\pagecolor{bggrey}\definecolor{myblue}{rgb}{0.26,0.71,0.9}\color{myblue}\blacksquare }[/math]
Anlagenbedingte Einschränkungen
	Spezieller Einsatzort (Batterietyp) Spezielles DC-Netz	Keine. Abgesehen von offenen Batterien.	Spezieller Einsatzort (Schwingungen, Geräusch, Zugang für Wartung erforderlich, Brandschutz) Treibstofftanks
Zusätzliche Betriebsmittel (abgesehen von Schutz- und Netzumschaltungseinrichtungen)
	Ladegerät Regler, Anzeigen	Keine. Sofern nicht zusätzliche Batterien erforderlich sind.	Anlasser über Batterien oder Druckluft	Trägheitsschwungrad und Kupplung	Automatische Synchronisierungseinrichtungen
Betriebsmodus und betriebsbedingte Einschränkungen
	Spezielles Netz Systemverluste Häufiges Prüfen	Automatisch	Manuell oder automatisch Regelmäßige Anlaufvorgänge Manuell oder automatisch Regelmäßige Anlaufvorgänge	Automatisch Feste maximale Last	Ständiges Bedienpersonal
Andere Parameter
Wartung	Periodische Ausschaltvor- gänge für Prüf- und War- tungsarbeiten. Geringe Instandhaltung erforderlich.	Keine. Abgesehen von offenen Batterien.	Regelmäßige Prüfungen, aber minimaler Verschleiß und sehr geringe Instandhaltung erforderlich.	Nur geringe mechanische Einschränkungen, außer für Kupplungswelle.	Regelmäßige Prüfungen, aber minimaler Verschleiß und sehr geringe Instandhaltung erforderlich.
Lebenserwartung	4 bis 5 Jahre	4 bis 5 Jahre (für verschlossene Batterien)	1000 bis 10000 Std. oder 5 bis 10 Jahre	5 bis 10 Jahre	10000 Std. (oder 1 Jahr)
Erforderliche Redun- danz	x 2 bei Dauerbetrieb	Typisch 2 für 1 und 3 für 2	Batterien x 2	x 2, wenn Sicherheit vorrangig	x 2 bei Dauerbetrieb
Faktor Betriebs- sicherheit	Ständiges Prüfen ist wichtig (zahlreiche Fehler durch den Menschen)	Integrierte Prüfungen	Mechanische und Anlasserbatterien	Mechanisch, besonders Kupplungsbaugruppe und Welle	Mechanisch und Synchronisierungssystem

[a]  Ein Motor-Generatorsatz im Dauerbetrieb und mit einem Schwungrad.
Bei Ausfall der Normalversorgung erfordert die Lastübernahme im Allgemeinen weniger als 1 s.
[b]  Länger im Fall einer offenen Batterie.
[c]  Vor einer erforderlichen Grundüberholung.
[d]  Eine Prüfung der Sicherheitsanforderungen ermöglicht die Festlegung eines optimalen Systems.
[e]  Je nachdem, ob der Motor-Generatorsatz im Standby mitläuft.

Abb. E20 – Eigenschaften verschiedener Stromquellen

Dezentrale Stromerzeugung

Die Kombination einer USV-Anlage mit einem lokalen Generatorsatz ist die optimale Lösung zur Gewährleistung einer langen Backup-Zeit.

Einige bestimmte Anlagen benötigen eine vom normalen öffentlichen Versorgungsnetz unabhängige Energieversorgung. In solchen Fällen wird ein lokaler (im Allgemeinen durch einen Dieselmotor angetriebener) Generator eingesetzt und mit einer USV-Anlage kombiniert. In diesem Fall muss die Batterie-Backup-Zeit der USV-Anlage ausreichen, um die erforderliche Zeit zum Anlassen des Dieselmotors und zum Zuschalten des Generators an den Verbraucher zu überbrücken.

Die erforderliche Zeit zum Umschalten von einem Netz zum anderen hängt von den Merkmalen der jeweiligen Anlage ab, wie z.B. der Hochlaufzeit des Motors, dem möglichen Abwurf entbehrlicher Verbraucher usw.

Der Anschluss wird im Allgemeinen am NS-Hauptverteiler mit Hilfe eines Systems zur automatischen Netzumschaltung vorgenommen (siehe Abb. E21).

Abb. E21 – Beispiel einer Kombination aus USV-Anlage und Generatorsatz mit einem System zur automatischen Netzumschaltung

Während des USV-Betriebs unter Normalbedingungen fließt AC-Energie in den Gleichrichterteil und ein sehr kleiner Teil der DC-Energie am Ausgang des Gleichrichters wird zum Halten der vollen Batterieladung verwendet. Die restliche DC-Energie wird in reine AC-Energie für den Verbraucher umgewandelt.

Beim Umschalten von Normalversorgung auf Generator-Ersatzstromversorgung ist es wichtig (besonders wenn die zu versorgenden Verbraucher über hohe Anschlusswerte im Verhältnis zur Generatorleistung verfügen), transiente Drehmomente, die zu Beschädigungen der Generatorwellen und -kupplungen führen können, zu vermeiden. Solche Drehmomente treten beim plötzlichen Zuschalten von Verbrauchern auf und sind auf das transiente Schwingdrehmoment der Welle und auf das bei Eigenfrequenz der Wellenschwingungen zu- und abnehmende Dauerlastmoment zurückzuführen. Um diese Erscheinung zu verhindern, wird der Gleichrichter elektronisch gesteuert, um einen zunächst kleinen Strom durchzulassen, der dann allmählich erhöht wird, bis der Verbraucher vollständig vom Generator versorgt wird. Dieser Vorgang dauert 10-15 s.

Das Ausschalten der USV-Anlage wird ebenso durch eine ähnliche Steuerung der Gleichrichterstromkreise allmählich durchgeführt.

Ein schrittweises Zuschalten der Last verhindert ebenso die Möglichkeit großer transienter Ströme und Frequenzschwankungen. Letztere sind auf die Trägheit im Drehzahlreglersystem des Antriebsmotors zurückzuführen.

Bei der Umwandlung der in der Batterie gespeicherten Energie erzeugt der Gleichrichter Oberschwingungsströme, was im Allgemeinen bedeutet, dass die zur Verfügung stehende Bemessungsleistung des Generators um einen entsprechenden Korrekturfaktor reduziert werden muss (d.h. dass ggf. ein überdimensionierter Generator eingesetzt werden muss). Diese Frage ist mit dem USV-Hersteller abzuklären. Im Beispiel (siehe Abb. E21) wird der Ausgang der USV mit der Eingangsversorgung zum Gleichrichter synchronisiert, so dass bei Überlast oder Ausfall des USV-Umrichters die Versorgung durch das sofortige Schließen des statischen Netzumschalters aufrechterhalten wird.