Hochautomatisierte Fertigungsanlagen, Rechenzentren aber auch Anlagen mit kontinuierlichen Prozessen erfordern eine zuverlässige Stromversorgung – oft sogar Hochverfügbarkeit, d.h. eine Verfügbarkeit von mindestens 99,9 %, häufig sogar 99,9999 %. Bei einer 99%igen Verfügbarkeit ist mit einer Ausfallzeit von 87,7 Stunden zu rechnen, bei 99,9999 % beträgt die Ausfallzeit 0,53 Minuten. Doch die vielen Server, Automatisierungssysteme, Aufzüge, Sicherheitssysteme, Kommunikationseinrichtungen, Speichermedien und Netzwerkkomponenten tolerieren in der Regel keine Spannungsunterbrechungen oder Unterspannungen unter 10 ms.
Grundvoraussetzung für alle weiteren Maßnahmen ist eine zuverlässige Installation. TN-S-Systeme sind Stand der Technik und in den meisten kritischen Anwendungen ohnehin vorgeschrieben. Im Gegensatz zu den früher üblichen TN-C-Systemen weisen sie z. B. günstigere EMV-Eigenschaften auf. Außerdem ermöglichen sie eine Differenzstromüberwachung (Residual Current Monitoring, RCM). RCM-Messgeräte wie UMG 96RM-E, UMG 509-PRO, UMG 512-PRO oder UMG 20CM von Janitza eignen sich zur Überwachung von Wechselströmen sowie pulsierenden Gleichströmen und können zur permanenten Überprüfung von Fehlerströmen in TN-S-Systemen eingesetzt werden. Mit einem flächendeckenden RCM-System sind Fehler in TN-S-Systemen direkt lokalisiert. So kann der Anwender reagieren, bevor ein kritischer Level erreicht wird. Auch können Abschaltungen durch Fehlstromschutzschalter (RCD) vermieden werden. Dies gilt vor allem für schleichend steigende Differenzströme, beispielsweise ausgelöst durch Isolationsfehler, zu hohe Betriebsströme oder anderweitige Überlastungen von Anlagenteilen oder Verbrauchern.
RCM – Die Funktionsweise
Die grundsätzliche Funktionsweise des RCMs basiert darauf, Phasen und Neutralleiter des zu schützenden Abgangs durch den Summenstromwandler zu führen; der Schutzleiter ist ausgenommen. In der Praxis laufen alle drei Phasen und der Neutralleiter durch den Summenstromwandler. Bei Systemen ohne Neutralleiter wie bei geregelten Antrieben laufen nur die drei Phasen durch den Summenstromwandler. Im fehlerfreien Zustand der Anlage beträgt der Summenstrom Null oder ist im tolerierbaren Bereich, sodass der im Sekundärkreis induzierte Strom ebenfalls Null oder nahe Null ist. Fließt hingegen ein Fehlerstrom zur Erde, verursacht die Stromdifferenz im Sekundärkreis einen Strom, der vom RCM-Messgerät ausgewertet wird.
Moderne RCM-Messgeräte lassen dabei unterschiedliche Grenzwerteinstellungen zu. 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 häufigen Fehlalarmen. Bei der dynamischen Grenzwertbildung wird der Fehlerstrom-Grenzwert auf Basis der aktuellen Lastverhältnisse gebildet und ist damit optimal an die jeweils vorliegende Last angepasst.
Durch Festlegen des typischen Fehlerstromes in Gut-Zustand bzw. bei der Inbetriebnahme der Anlage und das kontinuierliche Monitoring sind alle Veränderungen des Anlagenzustandes erkennbar, sodass auch schleichende Fehlerströme erkannt werden. Anhand historischer Verläufe der Last und des Ableitstroms kann der Gut-Zustand ermittelt und ein sinnvoller Fehlerstromgrenzwert bestimmt werden. Integrierte Speicher der Messgeräte und überlagerte Scada-Systeme oder die Energiedatenerfassungssoftware GridVis ermöglichen zeitliche Aussagen und Analysen.
RCM in der Praxis
So sollte man bei Einzelstromkreisen weiterhin mit festen Grenzwerten wie 30 mA arbeiten oder beim Brandschutz 300 mA. Bei Frequenzumformern sollten die maximalen Ableitströme aus den Datenblättern hinzugezogen werden. Grundsätzlich gilt: Grenzwerte sind Erfahrungswerte und je nach Art der Verbraucher festzulegen.
Eine typische Anwendung für RCM-Systeme sind Rechenzentren. EDV-Technik an sich stellt bereits hohe Ansprüche an die Versorgung, oft ist eine Verfügbarkeit von mindestens 99,9 % gefordert. So schreibt die BITKOM in ihrem Leitfaden “Betriebssichere Rechenzentren“ vor, dass die Stromversorgung des Rechenzentrums selbst und aller Bereiche im gleichen Gebäude, zu denen Datenkabel laufen, als TN-S-System ausgeführt sein muss. Gefordert ist außerdem die permanente Selbstüberwachung des TN-S-Systems und die Aufschaltung der Meldungen an eine ständig besetzte Leitzentrale. Mit der Janitza-Komplettlösung lässt sich das Sicherheitskriterium “RCM-Fehlerstromüberwachung“ eines derartigen EMV-optimierten TN-S-Systems realisieren.
Prüfkosten senken mit RCM
RCMs sorgen nicht nur für höchste Sicherheit, sie helfen auch Kosten zu senken. Wiederkehrende Prüfungen wie sie die DGUV V3 „Elektrische Anlagen und Betriebsmittel“ vorschreibt, sind zeitraubend und damit teuer. Ortsfeste elektrische Anlagen und Betriebsmittel gelten als ständig überwacht, wenn sie kontinuierlich von Elektrofachkräften instand gehalten und durch messtechnische Maßnahmen wie das Überwachen des Isolationswiderstandes geprüft werden. Durch eine kontinuierliche RCM-Messung können Überwachungssysteme die geforderte kontinuierliche Prüfung sicherstellen. Differenzstrom-Überwachungsgeräte sind keine Schutzeinrichtungen, sie dürfen jedoch verwendet werden, um Differenzströme in elektrischen Anlagen zu überwachen.
VDS fordert RCM
Laut Verband der Sachversicherer sind für neu zu errichtende elektrische Anlagen TN- als TN-S-Systeme zu planen. Für bestehende TN-C-Systeme wird die Umrüstung auf ein TN-S-System empfohlen. Eine umfassende RCM-Überwachung der Stromversorgung erfolgt auf allen Ebenen: vom zentralen Einspeisepunkt bis zu den Abgängen in der Niederspannungs-Hauptverteilung sowie den Unterverteilungen bis hin zu kritischen Lasten. Möglich ist so ein
- Energiemanagement nach ISO 50001, die
- Spannungsqualitäts-Überwachung und
- die Differenzstrommessung RCM. ge
