Verfügbarkeit und Versorgungssicherheit elektrischer Leistung

Die zuvor beschriebenen Störungen können Einfluss haben auf:

• die Sicherheit von Personen
• die Sicherheit von Sachen
• die Wirtschaftlichkeit eines Unternehmens oder den Produktionsprozess.

Demzufolge ist eine Störungsbeseitigung unverzichtbar.

Zur Störungsbeseitigung stehen einige technische Lösungen mit unterschiedlicher Effektivität zur Verfügung. Diese Lösungen können hinsichtlich zweier Kriterien miteinander verglichen werden:

• Verfügbarkeit der gelieferten Leistung
• Qualität der gelieferten Leistung

Die Verfügbarkeit elektrischer Leistung kann betrachtet werden als die Zeit pro Jahr, in der Spannung an den Verbraucherklemmen vorhanden ist. Die Verfügbarkeit wird hauptsächlich durch Spannungsunterbrechungen aufgrund von Netzausfällen oder Störungen des elektrischen Netzes beeinträchtigt.

Es gibt einige Lösungen zur Risikobegrenzung:

• Aufteilung der Anlage unter Verwendung von nicht nur einer Stromversorgung, sondern mehrerer Stromversorgungen.
• Unterteilung der Anlage in ersatzstromberechtigte und nichtersatzstromberechtigte Stromkreise, wobei die Spannungsversorgung ersatzstromberechtigter Stromkreise ggf. durch eine andere verfügbare Stromversorgung übernommen werden kann.
• Lastabwurf, so dass (ggf.) eine kleinere verfügbare Bemessungsleistung zur Ersatzstromversorgung verwendet werden kann.
• Wahl eines Netzsystems, das auf die Betriebskontinuität ausgelegt ist, z.B. das IT-System.
• Selektivität der Schutzeinrichtungen (selektive Auslösung) zur Begrenzung der Auswirkungen eines Fehlers auf den mit einem Fehler behafteten Anlagenteil.

Es sei darauf hingewiesen, dass die einzige Möglichkeit, die Verfügbarkeit elektrischer Leistung bei Netzausfall zu gewährleisten, darin besteht, zusätzlich zu den oben genannten Maßnahmen zumindest für ersatzstromberechtigte Verbraucher eine eigenständige Stromquelle einzusetzen (siehe Abb. N15).

Abb. N15 – Verfügbarkeit elektrischer Leistung

Diese Stromquelle übernimmt die Versorgung bei Ausfall des Versorgungsnetzes eines Netzbetreibers, wobei zwei Faktoren berücksichtigt werden müssen:

• Die Umschaltzeit (erforderliche Zeit für die Übernahme vom Netzbetreiber), die für die Verbraucher zulässig sein muss.
• Die Betriebzeit, während der die Verbraucher versorgt werden können.

Die Verfügbarkeit elektrischer Leistung wird maßgeblich bestimmt durch die Beseitigung von Störungen an den Anschlussklemmen der Verbraucher.

Eine Netzeinspeisung ist ein Mittel zur Gewährleistung der Verfügbarkeit elektrischer Leistung an den Anschlussklemmen der Verbraucher, sie gewährleistet jedoch in vielen Fällen nicht die vollständige Verfügbarkeit der gelieferten Leistung hinsichtlich der zuvor genannten Störungen.

Heutzutage benötigen viele empfindliche elektronische Geräte eine elektrische Energieversorgung, die nahezu störungsfrei ist, d.h. ohne Ausfälle, mit engeren Toleranzwerten als die Versorgung durch den Netzbetreiber.

Dies gilt z.B. für Rechenzentren, Telefonzentralen und viele industrielle Steuerungs und Überwachungssysteme.

Diese Anwendungen erfordern Lösungen, die sowohl die Verfügbarkeit als auch die Qualität des elektrischen Netzes gewährleisten.

Lösung durch eine USV-Anlage

Die Lösung für empfindliche Verbraucher besteht in der Zwischenschaltung einer leistungsstarken Ersatzstromversorgung zwischen dem Netzbetreiber und den betreffenden Verbrauchern, die eine Spannungsversorgung gewährleistet, die:

• frei ist von allen in der Versorgungsspannung des Netzbetreibers vorhandenen Störungen und die die strengen Toleranzwerte der Verbraucher einhält,
• verfügbar ist im Fall eines Netzausfalls (innerhalb der festgelegten Toleranzwerte): USV-Anlagen (Unterbrechungsfreie Stromversorgungsanlagen) erfüllen diese Anforderungen hinsichtlich der Verfügbarkeit und Qualität der elektrischer Leistung durch:
  • die Versorgung von Verbrauchern mit Spannung, die den strengen Toleranzwerten entspricht (unter Verwendung eines Wechselrichters),
  • die Bereitstellung einer eigenständigen Ersatzstromquelle (unter Verwendung einer Batterie),
  • den Einsatz beim Ausfall der Netzversorgung des Netzbetreibers und zwar ohne Umschaltzeit, d.h. ohne jegliche Unterbrechung der Stromversorgung des Verbrauchers (unter Verwendung eines statischen Schalters).

Diese Eigenschaften machen USV-Anlagen zur idealen Backup-Versorgung für alle empfindlichen Anwendungen, da sie die Qualität und Verfügbarkeit elektrischer Leistung gewährleisten und dies unabhängig von der Netzversorgung des Netzbetreibers.

Eine USV-Anlage besteht aus folgenden Hauptkomponenten:

• Gleichrichter/Ladegerät zur Erzeugung einer Gleichspannung zum Laden einer Batterie und zur Versorgung eines Wechselrichters
• Wechselrichter zur Erzeugung elektrischer Leistung hoher Qualität, d.h. sie
  • ist frei von allen in der Spannungsversorgung des Netzbetreibers vorhandenen Störungen, besonders von kurzzeitigen Unterbrechungen,
  • liegt innerhalb der erforderlichen Toleranzwerte für empfindliche elektronische Geräte (z.B. die für Rechenzentren vorgesehene USV-Anlage für hohe Leistungen von Schneider Electric vom Typ Galaxy, mit einer Amplitudentoleranz ± 0,5 % und Frequenztoleranz ± 1 %, verglichen mit ± 10 % und ± 5 % in Versorgungssystemen des Netzbetreibers. Dies entspricht einem Verbesserungsfaktor von jeweils 20 und 5).
• Batterie. Sie ermöglicht eine ausreichende Überbrückungszeit (von 8 Minuten bis zu 1 Stunde oder länger) zur Gewährleistung der Sicherheit von Mensch und Maschine, indem sie die Versorgung aus dem Netz des Netzbetreibers bei Bedarf ersetzt.
• Statischer Schalter. Ein Halbleiter-Gerät zur Übertragung der elektrischen Leistung vom Wechselrichter zum Verbraucher und zurück und dies ohne jegliche Unterbrechung der Spannungsversorgung.