Spannungsunterbrechung Electronic Breaker Unit sorgt für die stabile 230-VAC-Versorgung

Autor / Redakteur: Tobias Prem * / Gerd Kucera

Die unterbrechungsfreie Stromversorgung garantiert im Fehlerfall die sichere Energieversorgung der Verbraucher. Falsch! Nicht selten schaltet sie im Batteriebetrieb aus Gründen des Eigenschutzes ab.

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Bild 1: Kennlinie “C” Leitungsschutzschalter.
Bild 1: Kennlinie “C” Leitungsschutzschalter.
(Bild: E-T-A)

Die Energiesicherheit spielt in der Industrie die zentrale Rolle und wird großflächig diskutiert. Zusätzliche Themen wie Energiewende und alternative Energien unterstützen dies. Zur Produktion von Gütern, zum Generieren von Daten sowie zur Kommunikation benötigen wir Spannung und Strom. Ausnahmslos.

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Wer kennt diese Situation nicht? Sie sitzen am PC, bearbeiten eine Datei und plötzlich sind aufgrund einer Spannungsunterbrechung alle Daten weg.

Eine Spannungsunterbrechung von >10 ms, also 0,5 Perioden, ist nach EN61000-6-2 und EN55024 bereits ausreichend, um AC-Verbraucher nicht mehr betreiben zu können. Mit einer USV wäre das nicht passiert. So argumentieren sehr viele Industrieunternehmen.

Auch deshalb sind AC-USV-Anlagen in der Chemie-, Pharma-, oder Automobilindustrie, in der Energie- und Gebäudetechnik und auch in der Telekommunikation unentbehrlich. Die unterbrechungsfreie Stromversorgung stellt dabei auch bei Netzausfall die Versorgungssicherheit mit Energie durch den Batteriebetrieb sicher und schützt vor Datenverlust – möchte man meinen.

Warum Leitungsschutzschalter nicht immer auslösen

Bei allen Vorteilen haben AC-USV-Anlagen auch ihre Nachteile. Neben hohen Investitionskosten besteht vor allem die Problematik, dass die zur Verfügung gestellte Ausgangsleistung aus technischen Gründen begrenzt ist. Die unterbrechungsfreie Stromversorgung begrenzt den Maximalstrom. Dies geschieht zum Eigenschutz der internen Elektronik (z.B. Gleich- und Wechselrichter). Deshalb kann die USV über den Nennstrom hinaus im Batteriebetrieb nur begrenzt Überstrom liefern. Bei Überlast wird zunächst die Spannung minimiert. Die Grenzwerte sind hier nach EN 62040-3 vom Hersteller der USV anzugeben.

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Bei zu hoher Belastung durch Kurzschluss wird die maximale Belastungsgrenze der USV (typische Werte sind dabei 1,5 - 3 x IN) sehr schnell überschritten. Die gesamte USV schaltet aus Gründen des Eigenschutzes ab. In diesem Fall ist der ursprüngliche Sinn der Anlage, die Energiesicherheit, nicht mehr erfüllt. Bei einem einzigen fehlerhaften Lastkreis ist also auch für alle anderen Verbraucher die Versorgungssicherheit nicht gegeben. Dies kann einen Anlagenstillstand sowie undefinierte Zustände mit allen damit verbundenen Gefahren zur Folge haben.

Ein sekundärer Überstromschutz, der durch die Ausgangsleitung der USV im Batteriebetrieb bei Kurzschluss nicht ausgelöst wird, begünstigt diese Situation. Häufig kommen konventionelle Leitungsschutzschalter zum Einsatz. Diese reagieren in dieser Überlastsituation erst nach Minuten oder gar nicht. Grund dafür ist die Tatsache, dass ein herkömmliches Schutzelement einen hohen Strom zur Auslösung benötigt. Allerdings kann die USV nur einen spezifiziert begrenzten Strom zur Verfügung stellen.

Um einen Leitungsschutzschalter mit Kennlinie C und Nennstrom 10 A binnen 10 ms sicher magnetisch auszulösen zu können, müsste die Stromversorgung im Batteriebetrieb aber mindestens 100 A bereitstellen.

(IAuslöse = INenn x 10 = 10 A x 10 = 100 A)

Im Umkehrschluss heißt dies, die USV alleine kann Energiesicherheit nicht wirklich sicherstellen. Die hohen Investitionskosten für eine Anlage sind so nicht gerechtfertigt. Denn nur eine USV, die wirklich Energiesicherheit bietet, zahlt sich im Fehlerfall aus.

Ansätze, die nur scheinbar zur optimalen Lösung führen

Wird der benötigte Ausgangsstrom einer USV zur Auslösung thermisch-magnetischer Schutzsysteme nicht erreicht, so kommt häufig fälschlicherweise eine Anlage mit sehr viel höherer Leistung zum Einsatz. Dies hebt neben höheren Anschaffungskosten auch die Folgekosten um ein Vielfaches.

Die Mehrkosten setzen sich zusammen aus Wartungskosten für die ebenfalls größere benötigte Batteriekapazität und den jährlichen Verlustleistungskosten. Bei einer stark überdimensionierten USV sinkt der Wirkungsgrad durch die mindere Auslastung zudem. Technisch scheitert die Lösung oftmals an langen Leitungslängen, die zusätzlich durch den Leitungswiderstand den maximalen Strom einer USV-Anlage begrenzen.

Dazu ein Beispiel: Die Batteriespannung beträgt UB= 230 V, gegeben ist eine Leitungslänge von 200 m (Hin- und Rückleitung). Damit ergibt sich bei 1,5 mm2 Leitungsquerschnitt ein ohmscher Leitungswiderstand von R=Leitungslänge/spezifische Leitfähigkeit Kappa x Leitungsquerschnitt A. Somit ist R=200 m/56 m/Ωmm2 x 1,5 mm2 = 2,38 Ω).

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Für den Strom gilt Imax.=U/R mit I=230 V/2,38 Ω=96,64 A. An dieser Stelle kann also selbst ein Leitungsschutzschalter mit Charakteristik C und einem Nennstrom 10 A rechnerisch nicht auslösen.

Die Verwendung kleiner Nennströmen oder Leitungsschutzschalter mit flinkerer Kennlinie B oder sogar A erscheint im ersten Moment Erfolg versprechend. Dies führt aber sehr oft zu fehlerhaften Auslösungen bei Schaltvorgängen wie etwa dem Einschalten von Schaltnetzteilen. Zu Energiesicherheit führt auch dies nicht.

Die EBU-Lösung sorgt für eine stabile Energiesicherheit

Mit dem Schutzschalter Typ EBU (Electronic Breaker Unit, Bild 2) stellt E-T-A die Energiesicherheit für Industrieunternehmen durch AC-USV-Anlagen erstmals stabil sicher. Das Gerät für 230 VAC besteht aus einem Leitungsschutzschalter (LS) nach EN60947-2 der für Kurzschlussabschaltungen von bis zu 10 kA zugelassen ist und einer angebauten Elektronik nach EN60950-1, die Mess- und Auswerteaufgaben zielgerichtet übernimmt. Ermittelt die Elektronik Kurzschluss oder Überlast, dann schaltet das Gerät über den Leitungsschutzschalter ab. Das Produkt ist mit den LS-Nennströmen 6, 10 und 16 A in Charakteristik B und C verfügbar und wird direkt am Abgang der jeweiligen USV betrieben.

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Der Typ EBU hat eine Baubreite von 54 mm. Mit Hilfe eines zehnstufigen Einstellschalters lässt er sich mit wenigen Handgriffen auf die Leistungsfähigkeit der jeweiligen USV Anlage und die vorliegenden Lastbedingungen anpassen. Im Fehlerfall löst er zuverlässig aus. Und zwar nur im betroffenen Lastpfad. Alle weiteren Versorgungsstränge bleiben davon unberührt. Einschaltvorgänge und damit verbundene höhere Einschaltströme toleriert die Einheit. Für den Anwender bedeutet dies einen störungsfreien Betrieb und eine zusätzlich spürbare Kostenreduzierung.

Die Anpassung an die USV und somit die Einstellung der Selektivität erfolgt durch eine einfache Einstellung des USV-Nennstroms an der EBU. Der Wert findet sich im Datenblatt der USV. Zur Überlastabsicherung wird der Last-Nennstrom an der Unit angepasst. Die Folge ist, eine USV-Anlage lässt sich damit um ein Drittel kleiner dimensionieren

Nachfolgend skizziert ist eine Beispiel-Berechnung mit C10A-Leitungsschutzschalter, die zeigt, dass mit EBU die USV um ein Drittel.kleiner ausgelegt werden kann: Auslösung bei Kurzschluss zwischen 5 und 10 x INenn: Der Worst-Case-Fall wird angenommen als 10 A x 10=100 A Auslösestrom. Für 100 A bei Kurzschluss benötigen wir eine USV mit: 15 kVA (einphasig) und Überlast 150% oder 45 kVA (dreiphasig) mit Überlast 150% oder 15 kVA/230=67 A x 1,5=100 A oder 45 kVA/400 V x √3 = 67 A x 1,5=100 A.

Im Einsatz mit EBU (Electronic Braker Unit) in C10A-Charakteristik ergeben sich (Auslösung bei Kurzschluss bis 64 A einstellbar): Für 64 A bei Kurzschluss benötigen wir eine USV mit 10 kVA (einphasig) und Überlast 150% oder 30 kVA (dreiphasig) mit Überlast 150% oder 10 kVA/230=43 A x 1,5=65 A oder 30 kVA/400 V x √3=43 A x 1,5=65 A. Das Ergebnis: 15 kVA–10 kVA = 5 kVA (entsprechend 1/3 kleinere Auslegung). 45 kVA–30 kVA=15 kVA (bedeutet 1/3 kleinere Auslegung).

Die Jahresenergiekosten sinken dadurch um rd. 40%. Der Typ EBU amortisiert sich somit schnell und sorgt für eine deutlich höhere Verfügbarkeit der Anlage. Die Energiesicherheit im AC-USV-Bereich ist erstmals stabil sichergestellt. Die EBU ist weltweit eine Neuheit und wird auf der Messe SPS/IPC/Drives vorgestellt.

* Tobias Prem ist Produktmanager in der Sparte Industry, Energy & Equipment bei E-T-A, Altdorf.

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