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01 Ein Ziel der Differenzstromüberwachung ist das Melden vor einer Abschaltung

3-in-1-Monitoring für Spannungsqualität und Energieeffizienz (Teil 1)

02 Prinzip der Differenzstrommessung

03 Fehlerhafte Motorisolation führt zu einem Masseschluss und Fehlerstrom gegen PE

04 Die Software Gridvis bietet umfangreiche Konfigurationsmöglichkeiten der RCM-Grenzwertbildung, zum Beispiel dynamische Grenzwertbildung

05 Parameter der Differenz- und Betriebsstromüberwachung

Verursachte vor Jahren ein kurzer Spannungseinbruch gerade mal ein Flackern in der Beleuchtung, kann er heute ganze Betriebe lahmlegen. Deswegen sollte man sein Stromnetz ständig überwachen. Die Störungen können nämlich auch 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. Wie solch ein System aussehen kann und worauf es dabei ankommt, beschreibt die dreiteilige Artikelserie.

Hoch automatisierte Fertigungsanlagen, Rechenzentren aber auch Anlagen mit kontinuierlichen Prozessen, wie in der Lebensmittelindustrie, Kabelfabriken oder der Papierfertigung, erfordern eine zuverlässige Stromversorgung – oft sogar Hochverfügbarkeit, das heißt eine Verfügbarkeit von mindestens 99,9 %. Die vielen Server, Monitore, Speichermedien und Netzwerkkomponenten tolerieren kaum Spannungseinbrüche oder andere Spannungsqualitätsabweichungen. 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.

Sicherheit und Wirtschaftlichkeit in Kombination
Dementsprechend steht in all diesen Anwendungen die Forderung nach einer sicheren Stromversorgung noch vor der allgegenwärtigen Energieeffizienz. 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 aufwendig, alle Messdaten zu erfassen, auszuwerten und zu dokumentieren. All dies muss auch noch sehr rasch erfolgen, wenn zum Beispiel ein gerade entstehender Isolationsfehler noch vor dem Ausfall der Anlage erkannt werden soll. Hierfür hat Janitza, der Spezialist für digitale Messtechnik und Monitoringsysteme in der Energieversorgung, seine neuen Baureihen UMG 512, UMG 96RM-E und UMG 20CM zur Überwachung auf drei Ebenen entwickelt. 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:
•Energiemanagement nach DIN ISO 50001 (Erfassen von V, A, Hz, kWh, kW, kVArh, kvar, …).
•Überwachung der Spannungsqualität (Oberschwingungen, Flicker, Spannungseinbrüche, Transienten, …).
•Differenzstrommessung (Residual Current Monitoring, kurz RCM).
Diese Bündelung der drei unterschiedlichen Funktionen in einem einzigen Messgerät hat den Vorteil, dass sowohl Montage und Installation als auch die restliche Infrastruktur, wie Stromwandler, Kommunikationsleitungen und -einrichtungen, Datenbank, Software, Analyse-Tools und Reporting- Software, nur ein einziges Mal gebraucht werden. 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.

Melden vor dem 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, zum Beispiel 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. Werden irreguläre Netzgrößen wie zu hohe Oberschwingungen oder Fehlerströme rechtzeitig erkannt, kann man noch vor dem Ausfall eines Geräts Reparaturmaßnahmen einleiten und so Ausfallzeiten vermeiden oder zumindest planen bzw. reduzieren.

Universalwerkzeug für mehr Anlagenverfügbarkeit und weniger Brandgefahr
Für hoch verfügbare Stromversorgungen, wie man sie inzwischen in nahezu allen Marktsegmenten findet, spielen RCM eine immer wichtigere Rolle. Vor allem kontinuierliche Prozesse und besonders sensitive Applikationen wie Rechenzentren, Krankenhäuser oder Halbleiterfabriken bauen auf die Differenzstrommessung. Auch überall dort, wo Isolationswiderstandsmessungen und Fehlerstromschutzschalter aus örtlichen oder betrieblichen Gegebenheiten nicht realisiert werden können, bietet eine RCM 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 durch eine defekte Isolierung ausgelöster Fehlerstrom kann tückisch sein. Die Stromhöhe hängt von der Leistung des speisenden Netzes, vom Isolationsfehler und dem Erdungswiderstand ab. 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 W (ca. 261 mA bei 230 V) übersteigt, besteht Brandgefahr. Eine Fehlerstromüberwachung dient damit auch der Brandprävention.

Die Funktionsweise von RCM
Die grundsätzliche Funktionsweise des Differenzstromprinzips zeigt Bild 2 in einer stark vereinfachten Schaltung. So werden durch den Summenstromwandler die Phase und der Neutralleiter des zu schützenden Abgangs geführt – der Schutzleiter ist ausgenommen. 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), sodass 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. Dadurch 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-Geräte mit dynamischer Grenzwertbildung zu verwenden. In diesem Fall wird der Fehlerstromgrenzwert auf Basis der aktuellen Lastverhältnisse gebildet und ist damit auf die jeweils vorliegende Last angepasst (Bild 5). Durch Parametrieren der Anlage im Neuzustand und das kontinuierliche Monitoring sind alle Veränderungen des Anlagenzustands ab Inbetriebnahme-Zeitpunkt erkennbar. Dadurch lassen sich auch schleichende Fehlerströme erkennen. Der zweite Teil der Serie, der in der Ausgabe 12/2014 der etz erscheint, befasst sich mit den Anforderungen an die Überwachung durch Normen und Standards, wie sie zum Beispiel der Verband der Sachversicherer oder die Bitkom empfehlen. (no)

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Autoren:
Dipl.-Ing. (FH) Gerald Fritzen ist Key Account Manager bei der Janitza Electronics GmbH in Lahnau. gerald.fritzen@janitza.de

Dipl.-Phys. Martin Witzsch ist freier Journalist im Auftrag von der Janitza electronics GmbH. info@witzsch.com