Hochverfügbarkeit durch 3-in-1-Monitoring

Verursachte vor Jahren ein kurzer Spannungseinbruch gerade mal ein Flackern in der Beleuchtung, kann er heute ganze Betriebe lahmlegen. Deswegen ist eine genaue Überwachung Pflicht. Die Störungen können nämlich auch – im Wortsinn – hausgemacht sein. Im besten Fall lassen sich Defekte sogar im Entstehen erkennen und beheben. Um die gesamte Infrastruktur zu überwachen, muss der Anwender nicht mit einer Vielzahl von Instrumenten arbeiten. Ein einziges modernes Monitoring-System kann dies komfortabel und zuverlässig übernehmen.

Hochautomatisierte Fertigungsanlagen, Rechenzentren aber auch Anlagen mit kontinuierlichen Prozessen (z.B. Lebensmittel, Kabelfabriken, Papierfertigung) erfordern eine zuverlässige Stromversorgung – oft sogar Hochverfügbarkeit, d.h. eine Verfügbarkeit von mindestens 99,9%. Die vielen Server, Monitore, Speichermedien und Netzwerkkomponenten tolerieren kaum Spannungseinbrüche oder andere Spannungsqualitäts- Abweichungen von der Norm (z.B. EN 50160). Aber nicht nur für die Informations- und Kommunikationstechnik muss elektrische Energie “sauber“ zuverlässig zur Verfügung stehen, sondern auch für Infrastrukturaufgaben wie Klimatisierung, Brandvermeidung, EMV, Sicherheitstechnik, Beleuchtung, Aufzüge und Antriebe.

3-in-1 Monitoring für Sicherheit und Wirtschaftlichkeit

Es verwundert nicht, dass in all diesen Anwendungen die Forderung nach einer sicheren Stromversorgung noch vor  der allgegenwärtigen Energieeffizienz steht. Dem kommt die kontinuierliche Überwachung mit einer entsprechend integrierten Messtechnik für Energiemanagement, Spannungsqualitäts- und Differenzstromüberwachung entgegen, denn sie dient beiden. “Nebenher“ verbessert die Differenzstromüberwachung den vorbeugenden Brandschutz. Allerdings ist es in der Praxis sehr aufwändig, alle Messdaten zu erfassen, auszuwerten und zu dokumentieren. All dies muss auch noch sehr rasch erfolgen, will man z.B. einen gerade entstehenden Isolationsfehler noch vor dem Ausfall der Anlage erkennen.

Hierfür hat Janitza, der Spezialist für digitale Messtechnik und Monitoring Systeme in der Energieversorgung, seine neuen Baureihen UMG 512, UMG 96RM-E und UMG 20CM zur Überwachung auf 3 Ebenen entwickelt (siehe Abschnitt “Monitoring-Lösungen in der Praxis). Zusammen mit der Software GridVis® und dem integrierten Alarmmanagement vereinen sie Lösungen für drei Bereiche in einer gemeinsamen Systemumgebung und nur einem Messgerät je Messstelle:

3-in-1 Monitoring

  • Energiemanagement nach ISO 50001 (Erfassen von V, A, Hz, kWh, kW, kVArh, kvar …)
  • Spannungsqualitäts-Überwachung (Oberschwingungen, Flicker, Spannungseinbrüche, Transienten …)
  • Differenzstrommessung (Residual Current Monitoring, kurz RCM)

Diese Bündelung der drei unterschiedlichen Funktionen in einem einzigen Messgerät hat den großen Vorteil, dass sowohl die Montage und Installation als auch die restliche Infrastruktur (Stromwandler, Kommunikationsleitungen und -einrichtungen, Datenbank, Software, Analyse-Tools und Reporting-Software …) nur ein einziges Mal benötigt wird. Ferner sind alle Daten zentral in einer Datenbank erfasst und lassen sich bequem mit nur einer Software verarbeiten. Dies spart nicht nur direkte Kosten im Einkauf, sondern vereinfacht auch die Integration: Es sind keine Schnittstellen zwischen verschiedenen Systemen nötig – es ist ja nur ein System. Dies reduziert auch den Aufwand für Trainingsmaßnahmen und Einarbeitung, was wiederum die Akzeptanz bei den zuständigen Elektrofachkräften erhöht.

Bild 1: Meldung vor Abschaltung – ein Ziel der Differenzstromüberwachung
Bild 1: Meldung vor Abschaltung – ein Ziel der Differenzstromüberwachung

Melden vor Ausfall

Ein wesentlicher Vorteil dieser integrierten Datenerfassung ist ihre Schnelligkeit und der umfassende Überblick über alle Daten. Damit lassen sich Störungen erkennen, die ein einzelnes System nur teilweise oder gar nicht wahrnehmen würde. So kann der Anwender reagieren, bevor Sicherungen oder Fehlstromschutzschalter (RCD) betroffene Anlagen oder Steckdosenstromkreise abschalten. Dies gilt vor allem für schleichend steigende Differenzströme (z.B. ausgelöst durch Isolationsfehler), zu hohe Betriebsströme oder anderweitige Überlastungen von Anlagenteilen oder Verbrauchern (Bild 1).

Eine andere Fehlerquelle sind massive Netzrückwirkungen oder Resonanzerscheinungen durch eine wachsende Anzahl nichtlinearer elektrischer Verbraucher. Erkennt man irreguläre Netzgrößen wie zu hohe Oberschwingungen oder Fehlerströme rechtzeitig, kann man noch vor dem Ausfall eines Gerätes Reparaturmaßnahmen einleiten und so Ausfallzeiten vermeiden oder zumindest planen bzw. reduzieren.

Bild 2: Prinzip der Differenzstrommessung
Bild 2: Prinzip der Differenzstrommessung

Universalwerkzeug RCM: Mehr Sicherheit, mehr Anlagenverfügbarkeit, weniger Brandgefahr

Wie oben erwähnt, spielt RCM eine immer wichtigere Rolle für hochverfügbare Stromversorgungen, wie man sie inzwischen in nahezu allen Marktsegmenten findet. Vor allem kontinuierliche Prozesse und besonders sensitive Applikationen wie Rechenzentren, Krankenhäuser oder Halbleiterfabriken bauen auf RCM. Auch überall dort, wo Isolationswiderstandsmessungen und Fehlerstromschutzschalter aus örtlichen oder betrieblichen Gegebenheiten nicht realisiert werden können, bietet die RCM-Messung eine gute Alternative. Die beschriebene “vorausschauende“ Überwachung hilft zudem, Alarme zu reduzieren, wie dies etwa ein Alarmmanagement nach EEMUA 191 oder NAMUR NA 102 fordert.

RCM kann aber noch mehr, nämlich die Brandgefahr reduzieren! Ein Fehlerstrom, ausgelöst durch eine defekte Isolierung, kann tückisch sein. Die Stromhöhe wird von der Leistung des speisenden Netzes, vom Isolationsfehlerwiderstand und dem Erdungswiderstand bestimmt. Bei ausreichend hohem Stromfluss (bei sattem Erdschluss bzw. entsprechend niederohmigem Schluss) wird die vorgeschaltete Schutzeinrichtung den elektrischen Verbraucher vom Netz trennen. Ist der Fehlerstrom jedoch zu klein, löst die Schutzeinrichtung nicht aus. Wenn die eingetragene Fehlerleistung einen Wert von ca. 60 Watt (ca. 261 mA bei 230 V) übersteigt, besteht Brandgefahr. Eine Fehlerstromüberwachung dient damit auch der Brandprävention. Wie RCM im Detail funktioniert, zeigt der nächste Abschnitt.

Bild 3: Fehlerhafte Motorisolation führt zu einem Masseschluss und Fehlerstrom gegen PE-Leiter
Bild 3: Fehlerhafte Motorisolation führt zu einem Masseschluss und Fehlerstrom gegen PE-Leiter

Bild 4: (Umfangreiche Konfigurationsmöglichkeiten der RCM-Grenzwertbildung (z.B. dynamische Grenzwertbildung) in der Software GridVis®)
Bild 4: (Umfangreiche Konfigurationsmöglichkeiten der RCM-Grenzwertbildung (z.B. dynamische Grenzwertbildung) in der Software GridVis®)

RCM – Die Funktionsweise

Die grundsätzliche Funktionsweise des Differenzstromprinzips wird in Bild 2 dargestellt. So werden durch den Summenstromwandler die Phase und der Neutralleiter des zu schützenden Abgangs geführt, der Schutzleiter ist ausgenommen. Das Bild zeigt der besseren Übersicht wegen eine stark vereinfachte Schaltung. In der Praxis laufen alle drei Phasen und der Neutralleiter 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 (Bild 3).

Moderne RCM Geräte lassen dabei unterschiedliche Grenzwerteinstellungen zu (Bild 4). Ein statischer Grenzwert hat den Nachteil, dass er entweder bei Teillast zu groß, oder bei Volllast zu klein ist, d.h. es findet entweder kein ausreichender Schutz statt oder es kommt zu Fehlalarmen, die sich auf Dauer negativ auf die Aufmerksamkeit des Überwachungspersonals auswirken können. Aus diesem Grund ist es empfehlenswert, RCM-Messgeräte mit dynamischer Grenzwertbildung zu verwenden. In diesem Fall wird der Fehlerstrom- Grenzwert auf Basis der aktuellen Lastverhältnisse

Bild 5: Parameter der Differenz- und Betriebsstromüberwachung
Bild 5: Parameter der Differenz- und Betriebsstromüberwachung

gebildet und ist damit optimal auf die jeweils vorliegende Last angepasst (Bild 5).

Durch Parametrieren (d.h. Festlegen des typischen Fehlerstromes in “GUT“-Zustand) der Anlage im Neuzustand und das kontinuierliche Monitoring sind alle Veränderungen des Anlagenzustandes ab Inbetriebnahme-Zeitpunkt erkennbar. Hiermit können auch schleichende Fehlerströme erkannt werden.

Neue Technik, neue Fehlerquellen

Ein Beispiel für “moderne Fehlerquellen“ sind kolla-bierende Polypropylen-Pha-senschieberkondensatoren. Diese dienen zur Kompen-sation von Blindströmen, wie sie z.B. Drehstrommotoren verursachen können.

Paradoxerweise geht somit ein Fehler von einer Ein-richtung aus, die eigentlich die Energieversorgung ver-bessern soll. Bei diesen Kondensatoren kommt es durch Überlast oder Über-temperatur häufig zum Aufschmelzen der PP-Wickel. Die Schmelzmasse verursacht dann einen hochohmigen Masseschluss. Solche Masseschlüsse können durch konventionelle Schutzmaßnahmen (NH-Sicherung, Leistungsschalter) nicht abgeschaltet werden. Der kontinuierliche Fehlerstrom führt in der Regel mittelfristig zu einem satten Kurzschluss und kann dann unter Umständen ein erhebliches Brand- bzw. Sicherheitsrisiko darstellen (Bild 6). Die Fehlerstrommessung erkennt solche Fehler und erlaubt rasche Gegenmaßnahmen. So lassen sich kostspielige und gefährliche Anlagenausfälle vermeiden.

Häufig kommt es schon bei der Installation zu Fehlern, wie unzulässigen Verbindungen zwischen N- und PE-Leiter. Manchmal werden die beiden auch schlicht vertauscht. Bild 7 zeigt einen typischen Anschlussfehler, welcher leicht einen Fehlerstrom von 5000 mA zur Folge hat. Mit RCM werden solche Fehler schon während der Installationsphase sofort erkannt und über das Alarmmanagement gemeldet.

Eine weitere, eher neuartige Störquelle ist eine große Anzahl einphasiger Lasten, wie z.B. Schaltnetzteile von Servern in Rechenzentren oder PCs in Bürogebäuden. Sie verursachen einen hohen Anteil 3ter Oberschwingungen. Diese Oberschwingungsanteile haben den großen Nachteil, dass sie sich auf den Neutralleiter überlagern anstatt sich über die Trafowicklungen aufzuheben. Es kann zu Überlastungen der N-Leiter kommen. Integrierte Messgeräte, wie das UMG 96RM-E, erlauben das umfassende Monitoring aller Phasen und können damit überhöhte Neutralleiterströme rechtzeitig melden.

In diesem Zusammenhang seien auch die Sicherheitsvorschriften des VdS (Verband der Sachversicherer) für elektrische Anlagen bis 1000 Volt erwähnt:

„VdS 2046 : 2010-06 (11)
3.2.4 Um die Sicherheit in elektrischen Anlagen, in denen zahlreiche nicht lineare Verbrauchsmittel (wie Frequenzumrichter, Steuerungen durch Phasenanschnitt z.B. bei Beleuchtungsanlagen) betrieben werden, zu erhöhen, sind regelmäßig, z.B. einmal jährlich, zusätzlich auch nach wesentlichen Änderungen der elektrischen Anlage oder Art und Anzahl der elektrischen Verbraucher, der Strom im Neutralleiter zu messen. Ist die Sicherheit der Anlage durch zu hohe Oberschwingungsströme gefährdet, sind Maßnahmen zum Schutz bei Oberschwingungen nach Publikation „Störungsarme Elektroinstallation“ (VdS 2349) zu treffen.“

Bild 7: Hier wurden N- und PE vertauscht
Bild 7: Hier wurden N- und PE vertauscht
Bild 6: Zerstörter PP-Blindleistungs- Kompensationskondensator: Ein schleichender hochohmiger Masseschluss hat zum kompletten Aufschmelzen des Kondensators und einem lokalen Brandherd geführt
Bild 6: Zerstörter PP-Blindleistungs- Kompensationskondensator: Ein schleichender hochohmiger Masseschluss hat zum kompletten Aufschmelzen des Kondensators und einem lokalen Brandherd geführt

Herausforderung Hochverfügbarkeit

EDV-Technik an sich stellt bereits hohe Ansprüche an die Versorgung. Besonders kritisch sind jedoch Anwendungen, in denen ein Datenverlust einfach nicht vorkommen darf. So schreibt die BITKOM in ihrem Leitfaden “Betriebssichere Rechenzentren“ wie folgt: „In Rechenzentren werden höchste Verfügbarkeitsanforderungen gestellt. Entsprechend ist die Energieversorgung nachhaltig sicherzustellen. Geradezu selbstverständlich ist die Forderung, dass die Stromversorgung des Rechenzentrums selbst und aller Bereiche im gleichen Gebäude, zu denen Datenkabel laufen, als TN-S-System ausgeführt sein muss. Unbedingt nötig für den sicheren Betrieb ist eine permanente Selbstüberwachung eines “sauberen“ TN-S-Systems und die Aufschaltung der Meldungen an eine ständig besetzte Stelle, z.B. an die Leitzentrale. Die Elektrofachkraft erkennt dann über entsprechende Meldungen den Handlungsbedarf und kann durch gezielte Servicemaßnahmen Schäden vermeiden.“

Mit der Janitza-Lösung lässt sich das Sicherheitskriterium “RCM-Fehlerstromüberwachung“ eines derartigen EMV-optimierten TN-S-Systems realisieren (Bild 8).

Bild 8: Kontinuierliche 3-in-1 Überwachung (EnMs-RCM-PQ) eines EMVoptimierten TN-S-Systems
Bild 8: Kontinuierliche 3-in-1 Überwachung (EnMs-RCM-PQ) eines EMVoptimierten TN-S-Systems

Prüfkosten senken mit RCM

Wiederkehrende Prüfungen wie sie z.B. die BGV A3 – Elektrische Anlagen und Betriebsmittel vorschreibt, sind zeitraubend und damit teuer. RCM-Überwachungssysteme können diese Prüfkosten reduzieren und trotzdem für mehr Sicherheit sorgen. Ortsfeste elektrische Anlagen und Betriebsmittel gelten nämlich als ständig überwacht, wenn sie kontinuierlich von Elektrofachkräften instand gehalten und durch messtechnische Maßnahmen im Rahmen des Betreibens (z.B. Überwachen des Isolationswiderstandes) geprüft werden. Durch eine kontinuierliche RCM-Messung können Überwachungssysteme die geforderte kontinuierliche Prüfung sicherstellen. 

Besonders erwähnenswert ist, dass durch RCM die kostenintensive Messung von Isolationswiderständen zumindest teilweise entbehrlich wird und eine kontinuierliche Prüfung der Isolationsbeschaffenheit stattfindet. Für die konventionelle Isolationsmessung muss die ortsfeste Anlage oder Verbraucher abgeschaltet und der Neutralleiter getrennt werden. Zusätzlich besteht die Gefahr, dass durch die hohe Prüfspannung der Isolationsmessung sensible elektronische Bauteile beschädigt werden. Die Prüfschärfe und der Umfang kann durch eine kontinuierliche Überwachung reduziert werden. Dies muss allerdings anwendungsspezifisch festgelegt werden. Absprachen mit dem Betreiber, gegebenenfalls auch Sachverständigen und / oder der Berufsgenossenschaft sind hierfür zwingend erforderlich!

Ausdrücklich sei an dieser Stelle erwähnt, dass folgende Arbeiten trotz kontinuierlicher RCM-Messung durchzuführen sind:

  • Sichtprüfung auf äußerlich erkennbare Mängel
  • Schutzmaßnahmen und Abschaltbedingungen
  • Schleifenwiderstände und Prüfung der Durchgängigkeit von Schutzleitern
  • Funktionsprüfung

Der Verband der Sachversicherer fordert RCM

Der VdS äußert sich zum Thema Oberschwingungen / Errichten der Stromversorgungssystems wie folgt:

„Bei Stromversorgungssystemen mit PEN-Leiter fließen im gesamten Erdungs- und Potentialausgleichssystem betriebsbedingte Ströme, die Schäden verursachen können (siehe Abschnitt 3.3). Für neu zu errichtende elektrische Anlagen sind deshalb TN- als TN-S-Systeme zu planen. Für bestehende TN-C-Systeme wird die Umrüstung auf ein TN-S-Systeme empfohlen. TN-S-Systeme sind möglichst ab der Einspeisung (Übergabestelle) zu realisieren.

Um die Funktionsfähigkeit eines TN-S-Systems auch auf Dauer zu gewährleisten (kein Leiterschluss zwischen N- und PE-Leiter, Vertauschen von N- und PE-Leiter), ist dieses durch eine Differenzstrom-Meldeeinrichtung (RCM) zu überwachen.

Wenn der eingestellte Ansprechwert erreicht wird, muss eine wahrnehmbare optische und akustische Fehlermeldung erfolgen, damit die Mängel sofort beseitigt werden können. Damit die Meldung erfolgreich ist, sollte sie ggf. an einer besetzten Stelle aufgeschaltet werden. Wird auf eine Aufschaltung verzichtet, ist die zwangsläufige Abschaltung des fehlerhaften Stromkreises erforderlich …“

An anderer Stelle, bei den Sicherheitsvorschriften für elektrische Anlagen bis 1000 Volt schreibt der VdS vor:

„VdS 2046 : 2010-06 (11)
3.2 Erhalten des ordnungsgemäßen Zustandes
3.2.3 Um die Sicherheit in elektrischen Anlagen auf Dauer zu gewährleisten, wenn Isolationswiderstands- Messungen aus örtlichen oder betrieblichen Gegebenheiten nicht durchgeführt werden können, müssen Ersatzmaßnahmen getroffen werden. Solche Maßnahmen werden in der Publikation „Schutz bei Isolationsfehlern“ (VdS 2349) beschrieben.“

Eine adäquate Ersatzmaßnahme ist hier die permanente RCM-Überwachung!

Bild 9: Das „3in1“-Messgerät von Janitza: UMG 512
Bild 9: Das „3in1“-Messgerät von Janitza: UMG 512

Energiemessung und elektrische Standardparameter

RCM spielt eine dominierende Rolle bei der Anlagenüberwachung durch das Janitza-System. Trotzdem sollen weitere Punkte nicht unerwähnt bleiben: Neben der sicheren Energieversorgung spielt die Energieeffizienz eine immer größere Rolle. Hier wurde mit der Verabschiedung der ISO 50001 Norm ein Meilenstein geschaffen. Die ISO 50001 ist die normative Grundlage für die Einführung eines Energiemanagementsystems – wobei hier der Schwerpunkt auf dem Begriff Managementsystem liegt. Es handelt sich dabei, in Anlehnung an andere Managementsysteme wie ISO 9001 oder ISO 14001, um eine Methodik, Ziele zu setzen, diese systematisch umzusetzen und dabei den Faktor Zufall weitestgehend auszuschalten. Hierbei ist der Begriff “Ziel“ eher unter dem Motto “der Weg ist das Ziel“ zu verstehen. Als Beispiel sei hier der Beschluss des Rats der IT-Beauftragten vom Februar 2013 zitiert:
(Seite 2, Beschluss Nr. 2013/2, Punkt 2)

„Der IT-Rat strebt weiterhin bis Ende 2013 einen hohen Anteil von kontinuierlichen Messungen an und bittet die Ressorts, weiterhin den Einsatz permanenter Messgeräte unter Berücksichtigung des Wirtschaftlichkeitsgrundsatzes voranzutreiben.“ Die Firma Janitza bietet mit all seinen UMG-Messgeräten und Stromzählern die Möglichkeit, die elektrischen Standardparameter sowie Leistungen und Energieverbräuche zu erfassen und aufzuzeichnen (Bild 9).

Überwachung der Spannungsqualität

RCM und die Anforderungen der Bitkom und des Verbandes des Sachversicherer wurden in den ersten beiden Teilen behandelt. Der letzte Punkt der 3-in- 1-Überwachung ist die Spannungsqualität. Das zuverlässige Betreiben moderner Anlagen und Systeme setzt immer eine hohe Versorgungszuverlässigkeit und gute Spannungsqualität (Power Quality) voraus. Aber in der modernen Energieversorgung kommen vom Industrienetz bis hin zum Bürogebäude eine Vielzahl ein- und dreiphasiger, nichtlinearer Verbraucher zum Einsatz. Dazu gehören Beleuchtungstechnik, wie z.B. Lichtregler für Scheinwerfer oder Energiesparlampen, zahlreiche Frequenzumrichter für Heizungs-, Klima-und Lüftungsanlagen, Frequenzumrichter für Automatisierungstechnik oder Aufzüge, sowie die gesamte IT-Infrastruktur mit den typischerweise verwendeten, geregelten Schaltnetzteilen. Vielerorts findet man heute auch Wechselrichter für Photovoltaikanlagen (PV) und unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV).

All diese nichtlinearen, elektrischen Lasten verursachen mehr oder weniger große Netzrückwirkungen mit einer Verzerrung der ursprünglich “sauberen“ Sinusform. Dadurch werden die Strom- und Spannungswellenform ebenfalls entsprechend verzerrt (Bild 10, und Bild 11).

Die Belastung der Netzinfrastruktur durch die beschriebenen elektrischen und elektronischen Verbraucher mit Netzrückwirkungen hat in den letzten Jahren signifikant zugenommen. Je nach Art der Erzeugungsanlage und der Betriebsmittel (Netzeinspeisung mit Umrichter, Generator),

Bild 11: Kritischer Spannungseinbruch mit Fertigungsstillstand
Bild 11: Kritischer Spannungseinbruch mit Fertigungsstillstand
Bild 10: Netzrückwirkungen durch Frequenzumrichter
Bild 10: Netzrückwirkungen durch Frequenzumrichter

Netzsteifigkeit am Anschlusspunkt und der relativen Größe der nichtlinearen Verbraucher entstehen dabei unterschiedliche Netzrückwirkungen und Beeinflussungen. Für gesicherte Stromversorgungen in Rechenzentren muss die Netzqualität der EN 61000-2-4 (Klasse 1) entsprechen.

Janitza bietet mit einer breiten Palette an UMG-Messgeräten die Möglichkeit, die verschiedenen Parameter der Spannungsqualität zu erfassen und zu analysieren. Standardisierte Spannungsqualitätsberichte in der GridVis® Software (z.B. für die EN 50160, EN 61000-2-4 und ITIC: “CBEMA-Kurve“) erlauben die Berichterstellung für gängige Normen quasi auf Knopfdruck.

Monitoring-Lösungen in der Praxis

Das Ziel mit den 3-in1-Monitoring Lösungen, eine integrierte Messung von Energie, Spannungsqualität und RCM, erfordert die Messung aller Leiter (L1, L2, L3, N) + ZEP (Zentraler Erdungspunkt) + RCM mit einem einzigen Messgerät.

Ein leistungsfähiges Messgerät mit 6 Messstromein-gängen für die 3-in-1-Messung ist das UMG 96RM-E für Zwischenverteiler oder das UMG 512 für Hauptknotenpunkte und ZEP von Janitza. Die IP-basierten Messgeräte lassen sich über Ethernet einfach in bestehende Kommunikationsnetze integrieren. Zahlreiche IP-Protokolle, Onboard-Homepage und SNMP-Protokoll erleichtern den Administratoren die Arbeit.

In komplexen Elektroinstallationen mit einer Vielzahl an zu überwachenden Punkten bieten sich die 20-kanaligen UMG 20CM an. Diese Messgeräte können über die dazugehörigen Messstromwandler (z.B. CT-6-20) Fehler-, Differenzstrom und Betriebsströme beliebig kombinierbar erfassen, kontinuierlich aufzeichnen und analysieren.

Spezielle Differenzstromwandler mit praktischen Sonderbauformen erlauben auch die kostengünstige Nachrüstung bei Bestandsanlagen ohne elektrische Verbraucher abschalten zu müssen.

Alarm an der richtigen Stelle

Alarme dürfen nicht ungehört verhallen. Ein akustisches Signal aus dem Schaltschrank in der NH-Verteilung nützt in der Leitwarte wenig.

Über die Integration der RCM-Messgeräte in die GridVis®- Software mit seinen umfangreichen Meldemöglichkeiten des Alarmmanagements wird sichergestellt, dass die Meldung schnell den richtigen Empfänger erreicht. Mit beliebigen Eskalationsstufen und Logbuchfunktion stehen dem Überwachungsleitstand alle Tools für eine effiziente Überwachung zur Verfügung. So kann die verantwortliche Elektrofachkraft etwaige Fehlerstromanhebungen schnellstmöglich erkennen, bewerten und bei Bedarf Instandhaltungsmaßnahmen in die Wege leiten.

Bild 12: Betriebsströme auf Erdungssystemen
Bild 12: Betriebsströme auf Erdungssystemen

Vagabundierende Ströme stören die EMV

Verbindungen zwischen N- und PE-Leiter führen dazu, dass sich “vagabundierende“ Betriebsströme über das PE-System, über Datenleitungen und alle metallenen Gebäudeteile verteilen. Weil diese Ströme nicht ausgeglichen sind, generieren sie elektromagnetische Felder. Vielfältige Störungen in den elektrischen Anlagen, EDV-Netzen und Rohrsystemen der Gebäudeinstallation sind die Folgen. Bild 12 veranschaulicht, wie sich der Betriebsstrom an der PEN-Brücke aufteilt und über mehrere Wege zurückfließen kann, wodurch die Summe  über Hin- und Rückleiter-Strom nicht länger 0 ergibt. Das kann folgende Störungen nach sich ziehen:

  • Veränderungen des Betriebsverhaltens von frequenz-abhängigen Bauteilen (z.B. nehmen Kondensatoren mehr Strom auf)
  • Störungen von Datenübertragungen durch magnetische und induktive Einflüsse
  • Übertragung von Blitzeinflüssen in die elektrische Anlage
  • Korrosionen an metallischen Leitungen
  • Beeinflussung von Personen

Hin- und Rückleiter, auch in Verteilungen, sind nahe beieinander anzuordnen, um magnetische Felder zu minimieren. An jedem Knotenpunkt eines Stromkreises muss die Summe der Ströme gleich Null sein, um Fehlerströme zu vermeiden. Zusätzlich sollte die Unterverteilung oder der Stromkreis mit einem RCM überwacht werden. Das UMG 96RM-E eignet sich sehr gut für die Überwachung von Unterverteilungen oder größeren Verbrauchern.

Einzelstromkreise, in denen betriebsbedingt keine Fehlerstromschutzschalter eingesetzt werden können, lassen sich mit dem UMG 20CM überwachen. Ein meldendes RCM in Kombination mit dem Fachpersonal vor Ort schaffen maximale, alternative Sicherheit.

Neutralleiter und ZEP

Der Neutralleiter (Betriebsstrom Rückleiter) ist heute der wichtigste Leiter geworden. Er ist wie ein Außenleiter zu behandeln. Damit das Erdungssystem “sauber“ bleibt, ist der strombelastete N-Leiter fern vom PE-Leiter anzuordnen. Es dürfen keine galvanischen Betriebsströme über das Erdungssystem fließen, da diese induktive Einkopplungen verursachen würden. Diese Maßnahmen müssen bis zur speisenden Quelle erfolgen.

Im TN-S-System ist der N-Leiter nur einmal, am so genannten ZEP (zentraler Erdungspunkt von N zu PE), an geeigneter Stelle mit dem Erdungssystem zu verbinden und zu überwachen. Unerwünschte Isolationsfehler oder galvanische Verbindungen zwischen N und PE werden mit einer Überwachung des ZEP sofort erkannt. Abweichungen werden rechtzeitig gemeldet und zeitliche Abhängigkeiten analysiert.

Ob das TN-S-System fehlerfrei funktioniert, kann mit z.B. mit dem UMG 512 kontrolliert werden. Es erlaubt eine gesamtheitliche Betrachtung von Netzqualität und EMV. So kann sogar die auslösende Phase eines Erdschlussfehlers aufgezeichnet und analysiert werden. Der Phasenstrom steigt dann parallel zum ZEP-Strom an. Der Strom auf dem ZEP ist immer in Abhängigkeit zur Gesamtleistung des TN-S-Systems zu betrachten. Das bedeutet, dass einerseits betriebsbedingte Ableitströme toleriert, aber abnormale Abweichungen auf dem ZEP vom RCM gemeldet werden.

Zusammenfassung und Ausblick

An künftige Stromversorgungen werden immer höhere Anforderungen gestellt, denn Stromausfälle verursachen hohe Kosten und immensen Ärger! Die kontinuierliche RCM-Überwachung für hochverfügbare Stromversorgungen mit hohen EMV Ansprüchen aber auch für den vorbeugenden Brandschutz setzt sich verstärkt durch. Um diesem Trend entgegen zu kommen hat die Firma Janitza in 2013 bereits die neue 20-kanalige Baureihe UMG 20CM auf den Markt gebracht, und wird in 2014 mit den UMG 509 und UMG 512 noch zwei weitere Produkte präsentieren. Das Ziel ist hier die RCM-Überwachung der Stromversorgung auf allen vier Ebenen (Einspeisung [PCC], Hauptverteilungen [Trafoabgänge], Unterverteilungen, einzelne Lasten [z.B. Serverschränke]).

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Firmenporträts

Janitza® electronics GmbH

Janitza® electronics GmbH ist ein deutsches Unternehmen und seit 50 Jahren tätig auf dem Gebiet der Herstellung von Systemen für effizienten Stromeinsatz, Energiemessung und Kosteneinsparung. Als weltweit bekannter Hersteller von Netzüberwachungs- und Energiemanagementgeräten, digitalen Einbaumessgeräten, Blindleistungsreglern und Kompensationsanlagen steht das Unternehmen für höchste Qualitätsstandards und Innovationen.

Produkte werden nach neuesten Erkenntnissen mit modernster Produktionstechnologie hergestellt. Qualitätsmanagement ist bei Janitza eine kontinuierliche, unternehmerische Führungsaufgabe (z. B. ISO 9001). Ein umfassendes Know-how, eine kompetente Beratung und Konzepterstellung bis hin zur Inbetriebnahme maßgeschneiderter Lösungen erfüllen die Wünsche und Anforderungen der Kunden.

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