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01 Zerstörter PP-Blindleistungs-Kompensationskondensator: Ein schleichender hochohmiger Masseschluss hat zum kompletten Aufschmelzen des Kondensators und einem lokalen Brandherd geführt

3-in-1-Monitoring für Spannungsqualität und Energieeffizienz (Teil 2)

02 Kontinuierliche 3-in-1-Überwachung („EnMS-RCM-PQ“) eines EMV-optimierten TN-S-Systems

Die Auswirkungen von kurzen Spannungseinbrüchen können gravierend sein. Optimal wäre es, Defekte im Entstehen zu erkennen und zu beheben. Dass man nicht mit einer Vielzahl von Instrumenten arbeiten muss, um seine gesamte Infrastruktur zu überwachen, zeigt die dreiteilige Artikelserie. Der Teil 2 befasst sich mit den Anforderungen an die Überwachung durch Normen und Standards, wie sie der Verband der Sachversicherer oder der Bitkom empfehlen.

Der Spezialist für digitale Messtechnik und Monitoring- Systeme in der Energieversorgung, Janitza, hat seine 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 EN ISO 50001 ( Erfassen von V, A, Hz, kWh, kW, kVArh, kvar …),
•Spannungsqualitätsüberwachung (Oberschwingungen, Flicker, Spannungseinbrüche, Transienten …),
•Differenzstrommessung (Residual Current Monitoring, kurz RCM).

Neue Technik, neue Fehlerquellen
Ein Beispiel für „moderne Fehlerquellen“ sind kollabierende Polypropylen-Phasenschieberkondensatoren. Diese dienen zur Kompensation von Blindströmen, wie sie Drehstrommotoren verursachen können. Paradoxerweise geht somit ein Fehler von einer Einrichtung aus, die eigentlich die Energieversorgung verbessern soll. Bei diesen Kondensatoren kommt es durch Überlast oder Übertemperatur häufig zum Aufschmelzen der PP-Wickel. Die Schmelzmasse verursacht dann einen hochohmigen Masseschluss. Solche Masseschlüsse lassen sich durch konventionelle Schutzmaßnahmen (NH-Sicherung, Leistungsschalter) nicht abschalten. Der kontinuierliche Fehlerstrom führt in der Regel mittelfristig zu einem satten Kurzschluss und kann dann unter Umständen ein erhebliches Brand- bzw. Sicherheitsrisiko darstellen (Bild 1). 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. Mit RCM ist es möglich, solche Fehler schon während der Installationsphase zu erkennen und über das Alarmmanagement zu melden. Eine weitere, eher neuartige Störquelle ist eine große Anzahl einphasiger Lasten, wie Schaltnetzteile von Servern in Rechenzentren oder PC in Bürogebäuden. Sie verursachen einen hohen Anteil an dritten Oberschwingungen. Diese haben den großen Nachteil, dass sie sich auf den Neutralleiter überlagern, anstatt sich über die Trafowicklungen aufzuheben. Das kann zu einer Überlastung des N-Leiters führen. Integrierte Messgeräte, wie das UMG 96RM-E, erlauben das umfassende Monitoring aller Phasen und können damit überhöhte Neutralleiterströme rechtzeitig melden. Mit diesem Thema beschäftigt sich auch die Sicherheitsvorschrift für elektrische Anlagen bis 1.000 V, VdS 2046. Dort heißt es im Punkt 3.2.4: „Um die Sicherheit in elektrischen Anlagen, in denen zahlreiche nicht lineare Verbrauchsmittel (wie Frequenzumrichter, Steuerungen durch Phasenanschnitt zum Beispiel bei Beleuchtungsanlagen) betrieben werden, zu erhöhen, sind regelmäßig 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.“

Herausforderung Hochverfügbarkeit
EDV-Technik an sich stellt bereits hohe Ansprüche an die Versorgung. Besonders kritisch sind jedoch Anwendungen, in denen kein Datenverlust vorkommen darf. So schreibt der Bundesverband Informationswirtschaft, Telekommunikation und neue Medien e. V. ( Bitkom ) in seinem 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, zum Beispiel an die Leitzentrale. Die Elektrofachkraft erkennt dann über entsprechende Meldungen den Handlungsbedarf und kann durch gezielte Servicemaßnahmen Schäden vermeiden.“ Mit der Lösung von Janitza lässt sich das Sicherheitskriterium „RCM-Fehlerstromüberwachung“ eines derartigen EMV-optimierten TN-S-Systems realisieren (Bild 2).

Prüfkosten senken mit RCM
Wiederkehrende Prüfungen, wie sie 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, zum Beispiel das Überwachen des Isolationswiderstands, 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 und die Isolationsbeschaffenheit wird kontinuierlich überprüft. Für die konventionelle Isolationsmessung ist die ortsfeste Anlage oder Verbraucher abzuschalten und der Neutralleiter zu trennen. Zusätzlich besteht die Gefahr, dass die hohe Prüfspannung der Isolationsmessung sensible elektronische Bauteile beschädigt. Die Prüfschärfe und der Umfang lassen sich durch eine kontinuierliche Überwachung reduzieren. 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 sowie
• Funktionsprüfung.

VdS fordert RCM
Die Experten der VdS Schadenverhütung GmbH äußern sich zum Thema Oberschwingungen/Errichten des 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 gegebenenfalls an einer besetzten Stelle aufgeschaltet werden. Wird auf eine Aufschaltung verzichtet, ist die zwangsläufige Abschaltung des fehlerhaften Stromkreises erforderlich …“ Zudem steht im Abschnitt 3.2.3 der VdS 2046: „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!

Energiemessung und elektrische Standardparameter
RCM spielt bei der Anlagenüberwachung durch das Janitza- System eine dominierende Rolle. Trotzdem sollen weitere Punkte nicht unerwähnt bleiben: Neben der sicheren Energieversorgung wird auch die Energieeffizienz immer wichtiger. Hier wurde mit der Verabschiedung der DIN EN ISO 50001 ein Meilenstein geschaffen. Sie 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 DIN EN ISO 9001 oder DIN EN ISO 14001, um eine Methodik, Ziele zu setzen, diese systematisch umzusetzen und dabei den Faktor Zufall weitgehend 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: „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 ihren UMG-Messgeräten und Stromzählern die Möglichkeit, die elektrischen Standardparameter sowie Leistungen und Energieverbräuche zu erfassen und aufzuzeichnen. Die Grundlagen der Überwachung wurden im Teil 1 der Artikelserie behandelt, der in der Ausgabe 11/2014 der etz erschienen ist. Der letzte Teil der Serie, der in der Ausgabe 1-2/2015 veröffentlicht wird, beschreibt den praktischen Einsatz und behandelt die Überwachung von Spannungsqualität sowie EMV-Problemen. (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 der Janitza Electronics GmbH. info@witzsch.com