Stromzufuhr

ENERGIEZUFUHR IM RECHENZENTRUM
Network Engineering, Wintersemester 2011/2012
Denner Bernhard
Petschenig Roland
Pinter Andreas
Seebacher Stephan
Teuschl Stephan
Vodep Michael
INHALTSVERZEICHNIS
Allgemeines ............................................................................................................................................................. 4
Einleitung ............................................................................................................................................................ 4
Crashkurs: Begriffe, Grössen, Berechnungen ...................................................................................................... 4
Schutz gegen elektrischen Schlag........................................................................................................................ 6
Gefahr für den Menschen ............................................................................................................................... 6
Fehlerarten ...................................................................................................................................................... 7
Schutzklassen .................................................................................................................................................. 7
Schutzeinrichtungen ....................................................................................................................................... 8
Überstrom-Schutzeinrichtungen ..................................................................................................................... 8
Redundanz und Automatic Transfer Switch ...................................................................................................... 10
Transformator ................................................................................................................................................... 11
Anforderungen an Transformatoren für ein Rechenzentrum: ...................................................................... 11
Verlustbewertung eines Transformators ...................................................................................................... 11
Kostenbetrachtung für Transformatorenauswahl ........................................................................................ 12
Anforderungen an den Aufstellungsort ........................................................................................................ 12
Wie viele Transformatoren werden benötigt?.............................................................................................. 14
Temperatur der Kühlluft ............................................................................................................................... 14
Aufstellungsbedingungen – Raumgestaltung................................................................................................ 15
Unterbrechungsfreie Stromversorgung ................................................................................................................ 16
Einleitung .......................................................................................................................................................... 16
Die USV .......................................................................................................................................................... 16
Aufgaben der USV ......................................................................................................................................... 16
Arten von USV Anlagen ..................................................................................................................................... 17
VFD (Voltage-frequency dependent) - OFFLINE ............................................................................................ 17
VI (Voltage independent) – line interactive .................................................................................................. 18
vFi (voltage-frequency independent) – online .............................................................................................. 18
Betriebsarten .................................................................................................................................................... 19
Betrieb über USV ........................................................................................................................................... 19
Betrieb über Bybass ...................................................................................................................................... 20
Batterien ........................................................................................................................................................... 20
VLA – VENTED LEAD ACID (Bleiakkumulator) ................................................................................................ 20
VRLA – VALVE REGULATED lead-acid (Bleiakkumulator) .............................................................................. 21
Nickel-Cadmium ............................................................................................................................................ 21
Li-Ionen ......................................................................................................................................................... 21
Lagerung ........................................................................................................................................................ 21
Wichtige Parameter einer USV Anlage.............................................................................................................. 22
Dimensionierung ........................................................................................................................................... 22
CREST Faktor ................................................................................................................................................. 22
Wie ermittelt man die erforderliche USV-Leistung? ..................................................................................... 23
Redundanz......................................................................................................................................................... 23
Potentielle Probleme ........................................................................................................................................ 24
Verfügbarkeit der USV....................................................................................................................................... 24
Notstromsysteme.................................................................................................................................................. 25
Antriebe ............................................................................................................................................................ 25
Generator .......................................................................................................................................................... 25
Betriebsarten von Generatoren ........................................................................................................................ 26
Betriebseigenschaften von Notstromaggregate mit Synchrongenerator ..................................................... 27
Frequenzstabilität ......................................................................................................................................... 27
Kurzschlussstrom .......................................................................................................................................... 27
Belastung von Notstromgeneratoren ........................................................................................................... 28
Wirtschaftliche Aspekte eines Dieselgenerators............................................................................................... 29
Anschaffung .................................................................................................................................................. 29
Laufender Betrieb ......................................................................................................................................... 31
ALLGEMEINES
EINLEITUNG
Im vorliegenden Dokument soll dem Leser ein Überblick zur Energiezufuhr eines Rechenzentrums verschafft
werden. Dies beginnt bei Energiezufuhr durch gewöhnlichen Netzstrom. Da der Rechenzentrumsbetreiber
hierbei keine größeren Eingriffsmöglichkeiten
fsmöglichkeiten hat, beschränkt sich dieser Bereich auf Aspekte die für die
Sicherung dieses Netzstroms und des daran angeschlossenen Rechenzentrums interessant sind.
Dabei
konzentriert sich das Dokument unter anderem auch auf den sogenannten Transformator
Transformato
Sollte trotz aller Sicherungen der Netzstrom doch ausbleiben befasst sich dieses Dokument weiter mit der
Verwendung einer „Unterbrechungsfreien Stromversorgung“ (kurz USV).. In dem zugehörigen Kapitel werden
die verschiedenen Arten, Betriebsmodi
triebsmodi und deren Anwendungsgebiete betrachtet.
Schließlich betrachtet das Dokument auch noch die verschiedenen Aspekte von Notstromsystemen, welche die
Arbeit verrichten müssen, falls die zuvor genannten Lösungen nicht ausreichend sind. Dabei wird sowohl auf
die technischen
hen Besonderheiten dieser Systeme als auch die wirtschaftlichen Rücksicht genommen.
CRASHKURS:: BEGRIFFE, GRÖSSEN,
GRÖ
BERECHNUNGEN
Elektrischer Strom ist, auf atomarer Ebene betrachtet, die gerichtete Fortbewegung freier Elektronen in einem
Leiter. Je mehr Elektronen
ektronen durch den elektrischen Leiter fließen, desto höher ist die Stromstärke
(Formelzeichen I, Einheitenzeichen [I] = A).
Gleichstrom bedeutet, die Elektronen bewegen sich nur in eine Richtung. Die Stromstärke bleibt über die Zeit
also gleich. Beispielee für Gleichstromquellen sind Batterien und Akkumulatoren.
Im Wechselstrom fließen Elektronen abwechselnd in beide Richtungen, die Stromstärke verändert sich
periodisch mit der Zeit. Die Anzahl der Wechsel der Richtung pro Sekunde ist die Frequenz. Aus dem
Energienetz erhält man Wechselstrom, ebenso aus einem Generator und Dynamo.
Abbildung 1: Symbol für Gleichstrom und Wechselstrom
Drehstrom oder Dreiphasenwechselstrom besteht aus drei Wechselströmen gleicher Frequenz, welche
zueinander eine feste Phasenverschiebung von 120° haben.
2
Die Stromdichte (J, [J] = A/mm ) beschreibt die Stromstärke durch den Leiterquerschnitt. Da sich ein Leiter
durch den durch ihn durchfließenden Strom erwärmt gilt es, die zulässige Stromdichte (z.B. nach DIN VDE 02984 und DIN EN 60 204-1) zu berücksichtigen. Diese ist generell bei kleineren Leiterquerschnitten höher als bei
großen.
Elektrische Ladung (Q, [Q] = A s = C) ist gleich Stromstärke mal Zeit, sie ist also umso größer, je höher die
Stromstärke und je länger die Zeit der Ladung dauert. Die elektrische Ladung kann in Kondensatoren kurzzeitig
gespeichert werden.
Elektrische Spannung (U, [U] = V) tritt durch das Trennen von elektrischen Ladungen auf. In einer Stromquelle
werden elektrische Ladungen unter Energieaufwand voneinander getrennt, sie ist damit Spannungserzeuger
und verursacht den Stromfluss.
Ein Leiter setzt dem elektrischen Strom immer auch einen Widerstand (R, [R] = Ω) entgegen. Der elektrische
Leitwert (G, [G] = S) eines Leiters berechnet sich aus dem Kehrwert des Widerstand. Mit Widerstand versteht
man auch den Ohm’schen Widerstand. Den Zusammenhang zwischen Stromstärke, Spannung und Widerstand
beschreibt das Ohm’sche Gesetz: I = U/R. Widerstandsänderungen können durch Wärme, elektrische
Spannung, Licht oder Magnetfeld induziert werden.
Elektrische Leistung (P, [P] = W) errechnet sich aus Spannung mal Stromstärke oder Spannung zum Quadrat
durch den Widerstand. Die bei Geräten angegebene Nennleistung beschreibt, welche Leistung unter
bestimmten Betriebsbedingungen aufgenommen werden kann.
Die elektrische Arbeit (W, [W] = J) ist die aufgenommene Leistung mal der Zeit. Diese muss man meist dem
Energieversorgungsunternehmen bezahlen, dafür misst ein Elektrizitätszähler die Arbeit in Kilowattstunden.
Der Wirkungsgrad (η) ist das Verhältnis von zugeführter Leistung zu abgegebener Leistung eines Abnehmers.
Eine Glühlampe hat z.B. einen Wirkungsgrad von 0,15, ein Transformator typischerweise 0,90. Die
Verlustleistung ist der Teil der Leistung, der aufgrund von Nebeneffekten nicht für die eigentliche Aufgabe
genutzt werden kann. In Geräten mit großer Leistung entsteht viel Wärme, die abgeführt werden muss.
Stromstärke
Stromdichte
El. Ladung
El. Spannung
Widerstand
Leitwert
El. Leistung
El. Arbeit
I
J
Q
U
R
G
P
W
Wirkungsgrad
η
Einheit
Ampere A
A/mm2
Amperesekunden A s
Volt V
Ohm Ω
Siemens S
Watt W
Joule
J,
Wattsekunden
Kilowattstunden kWh
Berechnung
J=I/A
Q=It
W
s,
R=U/I
G=1/R
P=UI
W=Pt
Tabelle 1: Zusammenfassung der Größen, Einheiten und Berechnungen
Abbildung 2: Wichtige Schaltsymbole (Bild: Wurzeldrei, Wikipedia)
SCHUTZ GEGEN ELEKTRISCHEN SCHLAG
GEFAHR FÜR DEN MENSCHEN
Für den Menschen als sehr guten Leiter sind Stromstärken ab 50mA lebensgefährlich. Wenn der
Körperwiderstand mit 1000 Ω angenommen wird, besteht somit ab 50V Lebensgefahr. Da bereits bei 50Hz
Wechselstrom Herzkammerflimmern auftreten kann, ist dieser allgemein gefährlicher als Gleichstrom. Durch
den Stromein- und austritt kommt es zu den sogenannten Strommarken, das sind Verbrennungen bis zur
Verkohlung bei hohen Stromstärken. Ein Arzt ist bei einem Unfall auf jeden Fall aufzusuchen, auch wenn keine
unmittelbaren Folgen erkennbar sind, da durch die Wirkung des Stromes das Blut zersetzt werden kann und es
dadurch zu schweren Vergiftungserscheinungen kommt.
Arbeiten an Teilen mit einer Betriebsspannung über 50V Wechselspannung oder 120V Gleichspannung dürfen
nach ÖVE-E 1/T 1 nur Elektrofachkräfte mit Zusatzausbildung ausführen.
Schwelle
Wahrnehmbarkeitsschwelle
Loslassschwelle
Herzkammerflimmerschwelle
Wechselstrom 50Hz
0,5 mA
10 mA
50 mA (bei > 1s)
1000 mA (bei < 100ms)
Gleichstrom
2 mA
25 mA
150 mA (bei > 1s)
1000 mA (bei < 100ms)
Tabelle 2: Richtwerte für Reizwirkungen des elektrischen Stromes
FEHLERARTEN
Ein Kurzschluss ist eine durch einen Fehler entstandene ungewollte Verbindung zwischen unter Spannung
stehenden Teilen ohne Nutzwiderstand.
Ein Erdschluss ist ähnlich wie ein Kurzschluss, nur entsteht die Verbindung zwischen einem Außenleiter
Außenle
oder
Neutralleiter mit geerdeten Teilen.
Ein Körperschluss ist eine ungewollt entstandene Verbindung zwischen Körper und aktiven Teilen, die durch
einen Isolationsfehler entstanden ist.
Ein Leiterschluss ist wie ein Kurzschluss eine ungewollte Verbindung
Verbindung zwischen aktiven Teilen mit
Nutzwiderstand im Fehlerstromkreis.
Die Fehlerspannung ist die Spannung, die bei einem Körperschluss zwischen den inaktiven Teilen
untereinander oder zur Erde auftritt.
Die
Berührungsspannung
tritt
bei
elektrischer
Durchströmung
Durchströmung
eines
Menschen
zwischen
Berührungspunkten auf.
SCHUTZKLASSEN
Schutzklasse
0
I
Bemerkungen
Kennzeichnung
Nur Basisisolierung, als selbständiges
Betriebsmittel nur unter besonderen
Bedingungen (nicht leitende Umgebung
oder Schutztrennung) zugelassen
zugelass
Basisisolierung und Schutzleiteranschluss
vorhanden
oder PE an der Schutzleiterstelle
II
Schutzisolierung (doppelte oder verstärkte
Isolierung)
Schutzleiteranschluss unzulässig
III
Schutzkleinspannung
am Betriebsmittel
am Betriebsmittel
Tabelle 3: Schutzklassen nach DIN EN 61140
den
SCHUTZEINRICHTUNGEN
In ÖVE EN 1 sind Schutzmaßnahmen festgelegt, die den Menschen gegen direktes Berühren und bei indirektem
Berühren schützen soll. Schutz gegen elektrischen Schlag unter normalen Bedingungen, also gegen direktes
Berühren, wird durch Isolierung von aktiven Teilen, Abdeckungen, Hindernissen und Abständen gewährleistet.
Schutz gegen elektrischen Schlag unter Fehlerbedingungen wird z.B. durch automatische Abschaltung der
Stromversorgung, Schutzisolierung und Potentialausgleich gewährleistet.
Fehlerstrom-Schutzschalter trennen Betriebsmittel selbständig vom Netz, wenn eine Berührungsspannung oder
Überlastung auftritt. Man unterscheidet grundsätzlich zwischen Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen ohne
Hilfsspannquelle (FI-Schutzschalter, Fehlerstrom-Schutzeinrichtung) und solchen mit Hilfsspannquelle (DISchutzschalter, Differenzstrom-Schutzeinrichtung).
FI-SCHUTZSCHALTER
Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen oder auch RCDs (Residual Current Device), wie der FI-Schalter, haben die
Aufgabe, aktive Teile innerhalb von sehr kurzer Zeit (0,2 bzw. 0,4 Sekunden) abzuschalten, wenn eine
Berührungsspannung auftritt. Im Fehlerfall fließt ein Fehlerstrom durch den Schutzleiter oder über die Erde,
wodurch die Summe der zu- und abfließenden Ströme nicht mehr null ist und dadurch eine Spannung im
Summenstromwandler induziert wird. Bei Überschreitung des Bemessungs-Differenzstroms wird dann, um
Mensch und Maschine zu schützen, der Stromkreis unterbrochen.
FI-Schutzschalter
Bemessungs-Differenzstrom = 30 mA
Bemessungs-Differenzstrom = 0,3 A
Bemessungs-Differenzstrom = 0,5 A
Schmelzsicherung oder LS-Schalter 10 A
Schmelzsicherung oder LS-Schalter 16 A
Leistung in W
6,9
69
115
2300
3680
Tabelle 4: Leistung an Fehlerstellen bei 230V Betriebsspannung
ÜBERSTROM-SCHUTZEINRICHTUNGEN
Leiter erwärmen sich, wenn Strom durch sie fließt. Die Erwärmung ist abhängig von mehreren Faktoren wie
Stromhöhe, Dauer und dem Leiterwiderstand. Durch übermäßig große Ströme können daher bei unzureichend
dimensionierten Leitern Brände entstehen. In DIN VDE 0298-4 ist die Strombelastbarkeit von Kabeln abhängig
von Material, Isolierung, Verlegeart und Umgebungstemperatur angegeben. Überstrom-Schutzeinrichtungen
schützen Leitungen und die angeschlossenen Geräte gegen zu große Erwärmung bei Überlastung und
Kurzschlüssen.
Als Überstrom-Schutzeinrichtung werden unter anderem Schmelzsicherungen, Leitungsschutzschalter und
selbstrückstellende Sicherungen verwendet.
Es gibt Schutzschalter mit thermischen Auslösern, die nur vor Überlastung schützen. Schutzschalter mit
elektromagnetischem Auslöser sind Schnellauslöser und schützen gegen Überlastung und Kurzschlüsse.
AUSLÖSECHARAKTERISTIK
Überstrom-Schutzeinrichtungen werden nach ihrer sogenannten Auslöse-Charakteristik
Auslöse Charakteristik unterschieden. Diese
Charakteristik beschreibt die Auslösezeit bei bestimmten Überströmen. Dabei reichen die Abschaltzeiten in
einer Charakteristik teilweise von einigen Minuten bis Stunden bei geringer Überlast bis hinunter zu 50 ms bei
sehr hohen Überlastströmen, etwa bei Kurzschlüssen.
Abbildung 3: Zeit--Strom-Kennlinie mit Auslösezeiten (Bild: Allgemeingut, Wikipedia)
Die Charakteristiken B, C und D werden nach DIN VDE 0641
0641 für den Haushalt und ähnliche Anwendungen
verwendet. Die in Abbildung 3 nicht abgebildeten Charakteristiken K und Z nach DIN VDE 0660 und EN 60 947-2
947
beschreiben Baubestimmungen für Leistungsschalter.
LEITUNGSSCHUTZSCHALTER
Leitungsschutzschalter
sschutzschalter oder auch LS-Schalter
LS
sind wiedereinschaltbare Überstrom-Schutzeinrichtungen,
Schutzeinrichtungen, die
meist einen thermischen sowie einen elektromagnetischen Auslöser besitzen. Nach ÖVE EN 1 müssen LSLS
Schalter durch Überstrom-Schutzeinrichtungen
Schutzeinrichtungen mit höchstens 100A Nennstrom gesichert werden, etwa durch
eine Schmelzsicherung.
Abbildung 4: Schaltsymbol LS-Schalter
SCHMELZSICHERUNG
Schmelzsicherungen
sind
Überstrom-Schutzeinrichtungen
für
verschiedenste
Bereiche
(HH
–
Hochspannungssicherung, Niederspannungssicherung, Feinsicherung etc.). Für uns interessant sind
Schmelzsicherungen im Niederspannungsbereich. Diese haben im Inneren einen Schmelzleiter, der den
Kopfkontakt mit dem Fußkontakt verbindet. Bei zu großem Strom schmilzt der Schmelzleiter und unterbricht
damit den Stromfluss.
Nach ÖVE EN 1, Teil 2a werden Niederspannungssicherungen in Funktionsklassen und Betriebsklassen
eingeteilt. Sicherungen der Funktionsklasse g (Ganzbereichssicherung) schützen elektrische Anlagen gegen
Überlastung und Kurzschluss, solche der Funktionsklasse a (Teilbereichssicherung) schützen nur gegen
Kurzschluss. Die Sicherung in Abbildung 5 ist eine gL/gG Sicherung, wobei die Betriebsklasse L für GanzbereichsKabel- und Leitungsschutz steht und praktisch ident mit der neueren, internationalen Betriebsklasse G ist.
Abbildung 5: 35A Schmelzsicherung (Bild: Creative Commons, Wikipedia)
REDUNDANZ UND AUTOMATIC TRANSFER SWITCH
Um die Ausfallsicherheit zu erhöhen, ist vom Energieversorgungsunternehmen idealerweise eine zweite
Leitung oder ein zweites Energieversorgungsunternehmen zu beauftragen. Um einen Reibungslosen Übergang
von der Versorgung einer Zuleitung zu einer anderen oder auch zwischen Zuleitung und USV zu ermöglichen,
werden Transfer Switches eingesetzt, die im Fehlerfall die Stromversorgung in kürzester Zeit umschalten.
Es gibt zwei Funktionsarten von Transfer Switches: Der Open Transition Transfer Switch trennt eine Verbindung
komplett, bevor die Verbindung zur zweiten Stromquelle hergestellt wird. Bei einem Closed Transition Transfer
Switch passiert der Umschaltvorgang auch schon bei Spannungsabfall und ohne vorherige Unterbrechung der
primären Stromquelle.
Statische Transfer Switches haben keine mechanisch beweglichen Teile, die beim Umschaltvorgang beteiligt
sind, und können daher schneller umschalten.
Bei Transfer Swichtes zwischen Zuleitung und Generator ist darauf zu achten, dass der Generator idealerweise
automatisch sofort startet. Daher unterstützen manche Transfer Switches auch die Signalisierung an
Generatoren, hier dauert der Umschaltvorgang in Abhängigkeit der Startzeit jedoch länger. Transfer Switches,
die nur zwischen verschiedenen ständig verfügbaren Stromquellen umschalten, können dies schon in 160ms.
TRANSFORMATOR
Durch Transformatoren wird die durch Energieversorgungsunternehmen bereitgestellte elektrische Energie von
der Mittelspannungsebene (10 kV bis 30 kV) auf eine gewünschte Stromstärke und Spannung der
Niederspannungsebene (400V) herunter transformiert. Transformatoren können sich in speziellen Räumen
innerhalb des Rechenzentrums oder außerhalb in eigenen Gebäuden befinden.
Über Kabel oder
Stromschienen gelangt der Strom über die Niederspannungshauptverteilung und Normal-Netzverteilung (230V)
ins Rechenzentrum. Durch die Normalnetzverteilung wird auch die unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV)
mit Strom versorgt.
ANFORDERUNGEN AN TRANSFORMATOREN FÜR EIN RECHENZENTRUM:
Abhäng von den örtlichen bzw. räumlichen Gegebenheiten des Rechenzentrums kommen verschiedene Arten
von Transformatoren zum Einsatz. Die Norm ÖVE/ÖNORM EN 61936-1 gibt Auskunft darüber welche Art
einzusetzen ist. Meist empfiehlt sich der Einsatz von sogenannten Gießharz-Trockentransformatoren. Im
Vergleich zu flüssigkeitsgefüllten Transformatoren (Mineralöl, Silikonöl) stellen diese die geringsten
Anforderungen an den Aufstellungsort und erfüllen die höchsten Anforderungen an den Personen- und
Brandschutz. Bei der Verwendung von Gießharz-Trockentransformatoren sollten diese die in IEC 60076-11
definierten Anforderungen C2 (Klimaklasse), E2, (Umgebungsklasse) und F1 (Brandklasse) erfüllen.
VERLUSTBEWERTUNG EINES TRANSFORMATORS
Da der Energieverbrauch von Rechenzentren sehr hoch ist, sollte zu Planungsbeginn des Rechenzentrums auf
energieeffiziente und verlustarme Komponenten geachtet werden. Bei Transformatoren die im Dauerbetrieb
unter Volllast betrieben werden ist dies von besonderer Bedeutung.
Verlustarme Transformatoren werden aus hochwertigen Komponenten hergestellt, was sich natürlich im
höheren Anschaffungspreis widerspiegelt. Durch den geringeren Energieverbrauch von verlustoptimierten
Transformatoren können diese Kosten meist schon nach weniger als drei Jahren ausgeglichen werden.
Nachfolgend wird eine vereinfachte Berechnungsmethode zur Abschätzung der durch Verluste
hervorgerufenen Kosten aufgezeigt. Folgende Annahmen werden zur Berechnung des Beispiels angenommen:
• Die Transformatoren arbeiten im Dauerbetrieb.
• Die Transformatoren arbeiten im Teillastbetrieb, mit konstanter Teillast.
• Zusätzliche Kosten und Inflationsfaktoren werden nicht berücksichtigt.
• Die Leistungspreise beziehen sich auf 100% Volllast.
KOSTENBETRACHTUNG FÜR TRANSFORMATORENAUSWAHL
KAPITALKOSTEN
CC unter Berücksichtigung des Kaufpreises, des Zinssatzes und des Abschreibungszeitraums:
Cc = Cp × r / 100 [Menge/ Jahr]
Cp = Kaufpreis
n
n
r = p × q / (q – 1 ) = Abschreibungsfaktor
q = p / 100 + 1 = Zinsfaktor
p = Zinssatz % pro Jahr
n = Abschreibungszeitraum in Jahren
KOSTEN DER LEERLAUFVERLUSTE
CPO basierend auf den Leerlaufverlusten und den Stromkosten:
CP0 = Ce × 8 760 h / Jahr × P0 [Energiebedarf / Jahr]
Ce = Energiekosten [ Energiebedarf / kWh]
P0 = Leerlaufverluste [kW]
KOSTEN DER LASTVERLUSTE
CPk beruhend auf den Wicklungsverlusten, dem entsprechenden jährlichen Lastfaktor und den Stromkosten:
CPk = Ce × 8 760 h / Jahr a2 x Pk [Energiebedarf / Jahr]
a = Dauer Betriebsleistung / Nennleistung
AUS DEN LEISTUNGSPREISEN ENTSTEHENDE KOSTEN
CD beruhend auf dem Energiebedarf, der vom Energieversorgungsunternehmen vorgegeben ist, und der
Gesamtverlustleistung:
CD =Cd (P0 + Pk) [Energiebedarf / Jahr]
Cd = Leistungspreise [Energiebedarf / (kW × Jahr)]
ANFORDERUNGEN AN DEN AUFSTELLUNGSORT
Je nach Art des Transformators werden unterschiedliche Anforderungen an den Aufstellungsort gestellt. Zur
Anmerkung, Gießharz-Transformatoren stellen die geringsten Anforderungen an den Aufstellungsort. IEC
60076-11 definiert Umgebungs-, Klima- und Brandklassen, die den unterschiedlichen Betriebsbedingungen am
Aufstellungsort
Rechnung
Feuchteniederschlag
und
tragen.
Die
Verschmutzung.
Umgebungsklasse
(E)
berücksichtigt
Luftfeuchtigkeit,
Die
(C)
berücksichtigt
die
Klimaklasse
niedrigste
Umgebungstemperatur. Sie ist somit auch ein Maß für die Rissfestigkeit des Gießharzvergusses. Die
Brandklasse (F) berücksichtigt die möglichen Brandfolgen.
Gemäß IEC 60076-11 bzw. DIN 42523 dürfen die erforderlichen Klassen durch den Betreiber definiert werden.
Umgebungsklassen begrenzt
Kein
Feuchteniederschlag,
Verschmutzung
Klasse E0
vernachlässigbar
Gelegentlicher
Feuchteniederschlag,
Klasse E1
Verschmutzung begrenzt möglich
Häufiger
Feuchteniederschlag
oder
Klasse E2
Verschmutzung, auch beides gleichzeitig
Klimaklasse
Klasse C1
Klasse C2
Innenraumaufstellung nicht unter -5°C
Freiluftaufstellung bis herab auf -25°C
Brandklasse
Klasse F0
Klasse F1
Eine Begrenzung der Brandgefahr ist nicht
Vorgehsehen
Durch die Eigenschaften des Transformators wird
die Brandgefahr begrenzt.
Tabelle 5. Umgebungs-, Klima- und Brandklassen nach IEC 60076-11
Trafoausführung
Mineralöl *
Kühlungsart
nach
EN 60076-2
O
Allgemein
a) Auffangwannen und
Sammelgruben
b) Austritt von Flüssigkeit
aus der Sammelgrube
muss verhindert werden
c) Wasserhaushaltgesetz
und die landesrechtlichen
Verordnungen sind zu
beachten
Wie
bei
Kühlmittelbezeichnung O
Keine Maßnahmen
erforderlich
in abgeschlossenen
elektrischen
Betriebsstätten
als Auffangwannen
und
Sammelgrube
sind undurchlässige
Fußböden
mit
Schwellen
zulässig
bei max. 3 Trafos und
je Trafo weniger als
1000 l Flüssigkeit
Trafos mit Silikonöl K
bzw. synth. Ester **
GießharzA
Trockentransformato
ren
* bzw. Brennpunkt der Kühl- und Isolierflüssigkeit ≤ 300 °C
** bzw. Brennpunkt der Kühl- und Isolierflüssigkeit > 300 °C
Tabelle 6. Schutzmaßnahmen für Gewässerschutz nach DIN VDE 0101
Freiluftanlagen
unter
bestimmten
Voraussetzungen
keine Auffangwannen
und Sammelgruben
vollständiger Text aus
VDE 0101, Abschnitt
5.4.2.5
C,
ist
unbedingt
zu
berücksichtigen
Kühlmittelbez
eichnung
O
Allgemein
Freiluftanlagen
a) Räume feuerbeständig F90A getrennt
a) ausreichende Abstände
b) Türen feuerhemmend T30
oder
c) Türen ins Freie schwer entflammbar
b)
feuerbeständige
Trennwände
d) Auffangwannen und Sammelgruben so
angeordnet, dass Brand nicht weitergeleitet wird,
ausgenommen
bei
Aufstellung
in
abgeschlossenen elektrischen Betriebsstätten mit
max. 3 Trafos, je Trafo weniger
als 1000 l Flüssigkeit
e) Schnell wirkende Schutzeinrichtungen
Wie bei Kühlmittelbez. O; a, b und c kann
entfallen, wenn e vorhanden
Wie bei Kühlmittelbez. K, jedoch ohne d
K
A
keine
Maßnahmen
erforderlich
keine
Maßnahmen
erforderlich
Tabelle 7. Schutzmaßnahmen für Brandschutz und Funktionserhalt nach DIN VDE 0101
WIE VIELE TRANSFORMATOREN WERDEN BENÖTIGT?
Abhängig von den Anwendungen kann der Einsatz von mehreren parallel betriebenen Transformatoren sinnvoll
sein. Bei Parallelbetrieb zweier Transformatoren ist darauf zu achten, dass beide Transformatoren die gleichen
technischen Merkmale (einschließlich der Bemessungskurzschlussspannung) aufweisen. Für die Auslegung
zweier Transformatoren im Parallelbetrieb bestimmt man als Anhaltswert:
Bemessungsleistung jedes
Transformators = ( Leistungsbedarf / 0,8 ) / 2.
TEMPERATUR DER KÜHLLUFT
Transformatoren werden beruhend auf einschlägigen Normen für folgende Werte der Kühlluft ausgelegt:
maximal 40 °C
monatlicher Durchschnitt des heißesten Monats 30 °C
Jahresmittel 20 °C
Bei Normalbetrieb wird dabei der normale Lebensdauerverbrauch erzielt. Für den Lebensdauerverbrauch sind
insbesondere die mittlere Jahrestemperatur sowie die Belastung entscheidend. Davon abweichende
Temperaturen der Umgebung verändern die Belastbarkeit der Anlage.
Umgebungstemperatur (Jahresmittel)
- 20 °C
- 10 °C
0 °C
+ 10 °C
+ 20 °C
+ 30 °C
Belastbarkeit
124 %
118 %
112 %
106 %
100 %
93 %
Tabelle 8. Anlagenbelastbarkeit in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur
AUFSTELLUNGSBEDINGUNGEN – RAUMGESTALTUNG
BESONDERE AUFSTELLUNGSBEDINGUNGEN
Extreme Bedingungen vor Ort sind bei der Anlagen-Planung zu berücksichtigen:
Relevant für den Einsatz in tropischem Klima sind Anstrich und vorherrschende Temperaturen
Bei Einsatz in über 1.000 m Höhe ist eine Sonderauslegung betreffend Erwärmung und Isolationspegel
notwendig, siehe IEC 60076-11
Bei erhöhter mechanischer Beanspruchung – Einsatz in Schiff, Bagger, Erdbebengebiet usw. – können
konstruktive Zusätze erforderlich sein, z. B. Abstützen des oberen Joches.
BERÜHRUNGSSCHUTZ
Die Gießharzoberfläche der Transformatorwicklung ist im Betrieb nicht berührungssicher. Deshalb ist ein
Schutz gegen zufälliges Berühren notwendig.
Durch verschiedene Maßnahmen kann für Berührungssicherheit gesorgt werden z. B. durch den Einbau einer
Schutzleiste bzw. Gitters. Je nach Größe und Art des Transformators werden vom Hersteller Mindestabstände
um den Transformator vorgegeben.
Als generelle Regel gilt, Mindestabstand plus 30 mm Sicherheitszuschlag (Erfahrungswert) plus
Montageabstand (abhängig je nach Platzbedarf)
UNTERBRECHUNGSFREIE STROMVERSORGUNG
EINLEITUNG
In Umgebungen, in denen eine Störung der IT Struktur eine Auswirkung auf das Tagesgeschäft hat, ist es
wichtig, Strategien einzuführen, welche den reibungslosen Ablauf ermöglichen. Doch was hilft, wenn der
Infrastruktur der Strom fehlt oder es zu unerwarteten Schwankungen kommt?
DIE USV
USV steht für Unterbrechungsfreie Stromversorgung und wird in Stromnetzen eingesetzt, in denen kritische
elektrische Verbraucher betrieben werden. Die Folgen eines Ausfalls können viele Bereiche eines
Unternehmens (oder Haushalts) betreffen:
Systemabsturz
Datenverlust
Betriebsstillstand
Produktionsausfall
Hardwareschäden
Je nach Unternehmen ist die Verfügbarkeit der elektrischen Komponenten natürlich unterschiedlich wichtig.
Während in einem normalen Betrieb der Buchhaltungsserver wahrscheinlich ausfallen kann, wenn es sowieso
keinen Strom gibt, sind Alarmsysteme in Museen oder anderen öffentlichen Einrichtungen bzw. Notsysteme für
Krankenhäuser unabkömmlich.
AUFGABEN DER USV
Die Aufgaben der USV sind sehr vielfältig. Sie schützt die Verbraucher vor
Überspannung: Von einer Überspannung spricht man bei 110% des Normalwertes. Die wohl häufigste
Ursache ist, dass große elektrische Anlagen abgeschaltet werden und es somit zu einer Überspannung
kommt.
Hochspannungsspitzen: treten bei einer kurzzeitigen Spannungsspitze von bis zu 6.000 V auf. Eine Ursache
könnte z.B. ein Blitzeinschlag in der näheren Umgebung sein. Die Folgen einer Hochspannungsspitze
können ein ganzes System zerstören (Leiterplatten etc.)
Schaltspitzen: treten bei einer kurzzeitigen Spannungsspitze von bis zu 20.000 V auf - meistens in einer
Dauer von 10 bis 100 Mikrosekunden. Schaltspitzen werden meistens durch Lichtbogen-Fehler und
statische Entladung verursacht. Ursachen können z.B. das Aufschalten des EVU auf Volllast nach einer
Störung sein
Spannungseinbrüche: Von einem Spannungseinbruch spricht man, wenn die Spannung auf 80 bis 85% des
Normalwertes abfällt. Die Ursache können z.B. die Inbetriebnahme großer Anlagen sein
Frequenzabweichungen: Von einer
einer Frequenzabweichung spricht man, wenn eine Abweichung der üblichen
Frequenz von 50 bzw. 60 Hz stattfindet (je nach geographischer Lage). Ursachen können das fehlerhafte
Betreiben von Notstromgeneratoren sein oder instabile Stromquellen
Kurzschluss im öffentlichen
fentlichen Netz: ein kontinuierlich reduzierter Spannungszustand. Ursache könnte z.B.
sein, dass der Energielieferant den geforderten Spitzenbedarf nicht mehr decken kann.
Netzausfall: Ursachen der Null--Spannung
Spannung können vielseitig sein. Meistens z.B. ein Netzunterbrechung
Ne
(z.B.
mechanisch getrennt)
Leitungsrauschen:
Elektrisches
Leitungsrauschen,
definiert
als
Hochfrequenzstörung
und
elektromagnetische Störung hat unerwünschte Auswirkungen auf sämtliche Schaltungen eines Computers.
Zu den Störungsquellen gehören
gehören hier Elektromotoren, Relais, Motorsteuerungs-Komponenten,
Motorsteuerungs
Rundfunkübertragungen, Mikrowellenstrahlung und Gewitter.
Harmonische Oberwellen: Harmonische Oberwellen sind Verzerrungen der normalen Wellenform und
werden normalerweise von nichtlinearen Lasten
Lasten in die Leitung übertragen. Ursache sind meistens
Nichtlineare Verbraucher
ARTEN VON USV ANLAGEN
VFD (VOLTAGE-FREQUENCY
FREQUENCY DEPENDENT)
DEPENDEN - OFFLINE
Klassifikation 3 nach IEC 62040-3.
3. Schützt nur gegen 3 von 9 Spannungsprobleme:
Stromausfall
Spannungseinbruch
Überspannung
Dies ist die einfachste Art einer USV nach der Klassifizierung. Der Strom wird quasi „direkt“ vom Eingang an den
Ausgang geschickt und gleichzeitig mittels eines Gleichrichters an die Batterien zum Laden transferiert. Der
Ausgangsstrom wird nicht
ht wesentlich qualitativ geregelt, jegliche Art von FrequenzFrequenz oder Stromstörungen
werden an den Ausgang weitergegeben. Bei einem Stromausfall wird auf Batteriebetrieb umgeschaltet.
Abbildung 6: VFD USV [Quelle: wikipedia]
VI (VOLTAGE INDEPENDENT)) – LINE INTERACTIVE
Klassifikation 2 nach IEC 62040-3.
3. Schützt gegen 5 von 9 Spannungsproblemen:
Spannungsprobleme
Stromausfall
Spannungseinbruch
Überspannung
Kurzschluss im öffentlichen Netz
Leitungsrauschen
Diese Variante bietet zusätzlich zur VFD-Variante
riante eine Spannungssaufbereitung, die Spitzen und Unebenheiten
in der Stromversorgung glättet. Es wird ein Umrichter benutzt, welcher die Eingangswechselspannung in
Gleichspannung zum Laden der Batterie bzw. die Gleichspannung der Batterie im Batteriebetrieb
Batteriebet
in
Wechselspannung richtet. Der Umrichter sorgt auch für die eben erwähnte Spannungsglättung. Diese Art der
USV wird auch „Single-conversion“
conversion“ genannt.
Abbildung 7: VI USV [Quelle: wikipedia]
VFI (VOLTAGE-FREQUENCY
FREQUENCY INDEPENDENT)
INDEPEN
– ONLINE
Klassifikation 1 nach IEC 62040-3.
3. Schützt gegen alle 9 Spannungsprobleme:
Stromausfall
Spannungseinbruch
Überspannung
Kurzschluss im öffentlichen Netz
Leitungsrauschen
Hohe Spannungsspitzen
Frequenzabweichung
Schaltspitzen
Harmonische Oberwellen
Der gesamte Stromverlauf wird im Normalbetrieb direkt über den Gleichrichter geführt, welcher durch das
gleichrichten des Stromes die Stromnormalisierung durchführt. Mit diesem Strom werden dann sowohl die
Batterien als auch der Wechselrichter betrieben,
betrie
welcher sowohl im Normal- als auch im Batteriebetrieb
denselben Arbeitsschritt durchführt. Diese Art der USV wird auch „Double-Conversion“
„Double Conversion“ genannt, weil der Strom
doppelt konvertiert wird. Das Problem dieses USV-Typus
USV
ist, dass Gleich- und Wechselrichter
Wechselrich dauernd belastet
werden und es so natürlich zu höherem Verschleiß kommt. Deswegen gibt es auch eine eigene BypassBypass
Schaltung, die dann aktiv wird, wenn aus dem Gleichrichter-Wechselrichter-System
Gleichrichter
System eine Komponente
funktionsunfähig wird. Diese verfügt dann natürlich nicht über die schönen Schutzmöglichkeiten der
eigentlichen USV, ist allerdings auch nur eine Notlösung, bis das entsprechende Bauteil wieder repariert wird.
Abbildung 8: VDI USV [Quelle: wikipedia]
BETRIEBSARTEN
BETRIEB ÜBER USV
Abbildung 9:Energiefluss über USV Pfad
Die Energie fließt über den Gleich-/Wechselrichter
/Wechselrichter direkt zum Verbraucher. Die Batterien werden geladen bzw.
auf einem ausreichenden Spannungsniveau gehalten.
Die verwendeten
ten Komponenten in der USV weisen einen gewissen Wirkungsgrad auf – es kann daher zu
Verlusten kommen.
BETRIEB ÜBER BYBASS
Abbildung 10: Energiefluss über Bypass
Hier wird der Verbraucher direkt aus dem Netz gespeist. Der Betrieb
Betrieb ist am energieeffizientesten, da die
Energieverluste - durch die geringere Anzahl von Komponenten - geringer ist. Dieser Betrieb ist dann aktiv,
wenn ein Teil des regulären USV-Pfades
Pfades defekt ist.
BATTERIEN
Batterien sind das Herzstück einer jeden USV-Anlage.
USV Anlage. Sie werden im Normalbetrieb durch den eingehenden
Strom aufgeladen; falls die Stromzufuhr ausfällt, sind sie dafür verantwortlich, die restlichen Systeme mit
Energie zu versorgen, bis der Strom wieder hergestellt werden konnte (sei es durch einen Generator oder
durch Wiederaufnahme der normalen Stromzufuhr) oder alle Systeme sicher heruntergefahren werden
konnten.
Es gibt bei USV-Batterien
Batterien verschiedene Bauweisen und Typen, auf welche im nachfolgenden näher
eingegangen wird, und je nach Art verschiedene
verschiedene Dinge, auf die man bei der Lagerung achten muss, denn je
nach Größe der USV müssen die Batterien gesondert aufbewahrt werden, sowohl aus PlatzPlatz als auch aus
Sicherheitsgründen.
eiteren sind bei jeder Batterie Kennwerte interessant, wie Temperaturverträglichkeit,
Temperaturverträglichkeit, einzuhaltende
Des Weiteren
Ladezyklen und -werte
werte sowie die dafür erforderlichen Sicherheitsmaßnahmen. Bei vielen Akkus tritt überdies
der sogenannte Memory-Effekt
Effekt auf, das ist eine verringerte Leistung im Laufe des Lebens der jeweiligen
Batterie.
VLA – VENTED LEAD ACID (BLEIAKKUMULATOR)
Dies sind allseits bekannte Standardbatterien, wie sie z.B. auch als Autobatterien benutzt werden. Da sie auf
einer chemischen Reaktion zur Energiespeicherung und -abgabe
abgabe beruhen und, wie der Name schon vermuten
lässt, Säure
äure beinhalten, gelten diese Batterien als vorsichtig zu handhaben. Im Laufe des Batterielebens
entstehen Gase. Diese Gase beinhalten Wasser, welches somit in der Batterie regelmäßig nachgefüllt werden
muss. Durch die Gase, die sich im Raum verteilen, muss
muss eine gewisse Belüftung des Lagerungsstätte der
Batterien sichergestellt werden. Sie sind nicht komplett verschlossen, d.h. bei unsachgemäßer Lagerung wie
z.B. mit der Unterseite oben können sie einen Teil des Elektrolytgemisches verlieren.
Leistungstechnisch haben sie eine eher geringere Energiedichte, verfügen aber über die Möglichkeit, relativ
schnell viel Energie abzugeben. Durch die chemischen Prozesse verlieren die Batterien im Laufe ihres Lebens an
Leistung.
VRLA – VALVE REGULATED LEAD-ACID (BLEIAKKUMULATOR)
Diese Art von Batterien, welche sich ferner in die Untergruppen Gel-Akkus und AGM (Absorbant Glass Mat)Akkus unterteilen, sind ebenfalls auf Bleibasis, verfügen allerdings über Technologien, die das Gas ablassen im
Normalfall unterbinden sollen. Bei unsachgemäßen Ladezyklen, z.B. einer Überladung, kann es allerdings
trotzdem zu einem Überdruck kommen, welcher dann durch Ventile abgelassen wird. Sie sind verschlossen
(sealed), und können dadurch je nach Bauweise der Batterie auch z.B. seitwärts gelagert werden und verlieren
durch die Lage keinen Teil des Inhalts.
Oftmals brauchen sie für eine Ladung länger als normale Bleiakkumulatoren und vertragen auch schlechter
Temperaturschwankungen oder unsachgemäße Ladungen.
NICKEL-CADMIUM
Vor einigen Jahren hat die EU eine Verordnung mit dem Ziel, den Cadmiumverbrauch in technischen Geräten
einzudämmen, erlassen. Als direkte Konsequenz daraus gilt ein Verbot für alle Batterien, die mehr als einen
gewissen Grenzwert an Cadmium verfügen, was diese Art von Batterie prinzipiell von sinnvollem Nutzen
ausschließt. Allerdings gilt in der Richtlinie eine Ausnahme für u.A. „Not- und Alarmsysteme“. Es könnte
argumentiert werden, das viele USV-Anlagen unter diese Art der Ausnahme fallen, allerdings geht aus dem Text
nicht hervor, ob es für alle Arten von USV-Anlagen gilt. Prinzipiell ist durch dieses Verbot die weitere
Verbreitung bzw. technologische Entwicklung von NiCd-Batterien unrealistisch, und man sollte es sich wohl
genau überlegen, ob man solche Batterien für die eigene USV ankaufen will. Hervorzuheben ist allerdings die
Toleranz dieser Art von Akkus gegenüber tiefen Temperaturen.
LI-IONEN
Dies sind Akkumulatoren auf Basis von Lithium, und werden wegen dem fehlenden Memory-Effekt und der
hohen Energiedichte heutzutage bei so ziemlich jedem kleinen Elektrogerät eingesetzt. Sie sind allerdings sehr
empfindlich gegenüber Tiefentladung sowie Überladung und haben von Haus aus eine relativ hohe
Selbstentladung. Bei diesem Batterietyp sollte daher besonderes Augenmerk auf korrekte Ladestände der
Batterien gelegt werden. Genau wie auch die Bleiakkumulatoren können auch hier Unfälle passieren, und die
Batterie kann anfangen zu brennen.
LAGERUNG
Da die Leistungsfähigkeit einer USV-Anlage zu einem Großteil durch die Anzahl und die Art der Batterien
bestimmt wird, nehmen Batterien in vielen Firmen eine große Menge an Platz ein. Des Weiteren gelten für
viele Batterien besondere Auflagen, wie sie gelagert werden müssen, sowohl was Temperatur, Belüftung oder
allgemeine Sicherheit des Raumes betrifft, falls Unfälle auftreten. Aufgrund des oftmals relativ großen
Gewichts können große Ansammlungen von Batterien auch statische Anforderungen an das Gebäude stellen.
Aus diesen Gründen werden Batterien oftmals in eigenen Batterieräumen untergebracht. Diese Räume müssen
je nach Batterietyp spezielle Säurebeständigkeit oder Feuerfestigkeit haben, sowie Augenwaschstationen und
sämtliche Schutzmaßnahmen, die für diese Art von gefährlichen Substanzen gelten. Außerdem muss eine
eventuelle Wartung der Batterien möglich sein, wie sie z.B. bei Bleiakkumulatoren notwendig ist.
WICHTIGE PARAMETER EINER
INER USV ANLAGE
DIMENSIONIERUNG
Die Kapazität einer USV wird in VA angeben, während die Leistung für normale Systeme meist in Watt
angegeben wird. Daher müssen
ssen diese Werte konvertiert werden. Als groben Näherungswert kann man für
diese Berechnung
∗ 1,4
annehmen. Dies sollte man natürlich auf seine eigene Netzwerklandschaft anpassen und im Idealfall genauer
berechnen. Das wichtigste ist allerdings, zu wissen, dass diese zwei Werte nicht ident sind.
Hat ein Server z.B. eine Leistung
tung von 850 Watt angegeben, so ergibt das eine (angenäherte) Scheinleistung von
1190 VA. Die USV sollte daher mindestens 1200 VA stark sein.
sein
CREST FAKTOR
Der Crestfaktor ist der Quotient aus: Spitzenwert / Effektivwert
Ein Beispiel anhand einer Sinusschwingung:
Sinusschw
Abbildung 11: Sinusschwingung [Quelle: wikipedia]
Gleichrichtwert bezogen auf Scheitelwert
Formfaktor
∗√
1,11
Effektivwert durch Scheitelwert
Scheitelfaktor √2 1,414
√
0,707
0,637
Netzteile haben eine stark verzerrte, impulsförmige Stromaufnahme. Der von ihnen aufgenommene Strom hat
teilweise einen sehr hohen Scheitelfaktor von bis über 10. Zu beachten ist, dass eine USV die höheren
Effektivwerte auch bereitstellen können muss.
WIE ERMITTELT MAN DIE ERFORDERLICHE USV-LEISTUNG?
Die Verbraucherlasten sind meist unterschiedlich. Anbei ein paar kurze Beispiele:
Verbraucher
Fallbeispiel
1
Leistung
4500 VA
3000 VA
2000 VA
1500 VA
11000 VA
USV-Lasten
PC, Server, Monitore Drucker
Klimageräte
Beleuchtung
Sonstiges
Summe
2
Strom CREST-Faktor
3
1,41
1,41
2
2,14
3
Einschaltstrom
1,5 * Innen
6 * Innen
1 * Innen
1 * Innen
2,57 * Innen
Tabelle 9: Berechnungsbeispiel USV Leistung
Die einzelnen Berechnungen funktionieren wie folgt:
(1): 4500 + 3000 + 2000 + 1500 11000 (2):
(3):
!∗"#" !∗,# !∗,# !∗$
!
!∗,#" !∗%# !# !$
!
2,14
2,57 → '()* 2,57 ∗ √2 3,64
Eine 15 kVA ist geeignet.
Crest Faktor (> 2,14 erforderlich) bei 11 * + !
+ !
∗ 3 4,09
REDUNDANZ
Um den Ausfall der Anlage zu vermeiden, empfiehlt es sich, bei einem Bedarf von N USVs N + 1 USVs
anzuschaffen und zu betreiben. Dadurch ist es möglich, dass eine USV ausfällt und der Betrieb trotzdem
beibehalten werden kann.
Zu beachten ist, dass bei steigendem N die zusätzliche USV eine immer geringere Rolle zur Redundanz beiträgt.
So ist in hochverfügbaren Szenarios ein 1 + 1 unumgänglich, in weniger kritischen Bereichen sollte jenseits von
4 + 1 eine detaillierte Evaluierung durchgeführt werden.
Manche Hersteller integrieren eine redundante USV sogar in einem einzigen System, was allerdings wiederrum
keine Standort-Redundanz bietet.
POTENTIELLE PROBLEME
USV Anlagen wurden knapp dimensioniert und die abnehmende Batteriekapazität kann im Bedarfsfall die
angeschlossenen Systeme nicht mehr versorgen
Ursprüngliche Dimensionierung war korrekt aber im Laufe der Zeit wurden Geräte angeschlossen
Netzwerkkomponenten sind nicht an die USV angeschlossen und der Server kann andere Server nicht
kontrolliert herunter fahren
Geräte welche kurzzeitig großen Energiebedarf haben – und nicht kritisch für den Notfallbetrieb sind (Kopierer, Drucker, …) sollten nicht an eine USV angeschlossen werden
VERFÜGBARKEIT DER USV
-.'./.'.0$ 1234 1)5 2.6) 3)7))5 4.'89):$
1234 1)5 2.6) 3)7))5 4.'89):$ + 122; 1)5 2.6) 2< ;)(.9$
Die Verfügbarkeit gibt somit die Wahrscheinlichkeit an, dass das System zu einem Zeitpunkt t funktionsfähig ist.
z.B. 99,990% >
>#,>
Die MTBF einer USV kann durch Umgebungstemperatur und auch Höhe über Meer (nicht zu vernachlässigen –
beste Werte auf Meeresspiegel) geändert werden. Auch hier können N+1 Lösungen helfen.
NOTSTROMSYSTEME
Notstromsysteme sollen bei Ausfall des Stromnetzes den für den Betrieb nötigen Strom erzeugen.
Stromerzeugungsaggregate bestehen aus einem elektrischem Generator und einem Antrieb, die mit einer
Welle verbunden sind. Es gibt viele Möglichkeiten einen Generator anzutreiben, jedoch möchten wir uns hier
auf Antriebe mit Verbrennungsmotoren beschränken, da diese für Notstromaggregate am besten geeignet
sind. Im Allgemeinen werden zur Stromerzeugung 2 verschieden Motorentypen verwendet: Dieselmotoren und
Benzin/Gas betriebene Motoren.
ANTRIEBE
Benzin oder Gas betriebene Motoren werden hauptsächlich für kleine tragbare Aggregate verwendet, da die
kompaktere Bauform von Benzinmotoren die Bauweise von kleineren und vor allem leichteren Stromerzeugern
erlaubt. Für stationäre Notstromaggregate werden allerdings hauptsächlich Diesel betriebene Motoren als
Antrieb verwendet, da diese gegenüber von Benzinmotoren in dieser Betriebsart mehrere Vorteile zu bieten
haben. Dieselmotoren haben eine längere Lebensdauer, da sie mit geringerer Drehzahl laufen. Die Drehzahl hat
direkte Auswirkung auf die Lebensdauer von Motoren, da bewegliche Teile im Motor weniger beansprucht
werden.
Weiters ist der Wirkungsgrad von Dieselmotoren besser als jener von leistungsgleichen Benzinmotoren, was
geringeren Kraftstoffverbrauch zur Folge hat und damit günstiger im Betrieb ist.
Ein weiterer großer Vorteil von Dieselmotoren für stationäre Notstromaggregate ist die einfachere
Handhabbarkeit des Kraftstoffs. Diesel hat einen Flammpunkt von über 55°C wobei Benzin einen Flammpunkt
von -21°C aufweist. Das hat zur Folge, dass Dieselkraftstoff wesentlich ungefährlicher beim Transport und bei
der Lagerung ist, da sich bei einer üblichen Umgebungstemperatur von ca. 20°C keine brennbaren Dämpfe
entwickeln können. Die Zündtemperatur beider Stoffe ist in etwa gleich (Diesel 220°C und Benzin 200 - 300°C).
GENERATOR
Grundsätzlich können Generatoren in 2 große Gruppen unterteilt werden: Synchron- und Asynchronmaschine.
Beide Typen können sowohl als elektrische Generatoren aber auch als Motoren genutzt werden. Hier wird
allerdings nur auf den Generatorbetrieb dieser Maschinen näher eingegangen.
Die beiden Generatortypen unterscheiden sich hauptsächlich im Aufbau des Rotors von einander. Der Ständer
(auch Anker genannt) besteht bei beiden Typen aus 3 um 120° versetzte Wicklungen die in den Ständer
eingelassen sind. Da sich der Anker innerhalb des Ständers um die eigene Achse dreht und ein magnetisches
Feld, das sogenannte Erregerfeld, erzeugt, wird in den Ständerwicklungen eine elektrische Spannung induziert
(siehe Faraday'sche Induktion). Da die 3 Wicklungen um 120° versetzt angeordnet sind, entsteht in den drei
Wicklungen, drei um 120° phasenversetzte Wechselspannungen, die gemeinsam ein Drehstromsystem bilden.
Dabei bestimmt die Stärke des Erregerfeldes die Höhe der erzeugten Spannung und die Umlaufgeschwindigkeit
des Rotors die Frequenz des erzeugten Drehstromsystems.
Der große Unterschied der beiden Generatortypen besteht, wie schon zuvor angedeutet, im Aufbau und
Wirken des Rotors.
Es gibt mehrere Verfahren um im Rotor einer Synchronmaschine das Erregerfeld erzeugen zu können:
statische Erregereinrichtung: Bei dieser Form der Erregung ist in den Rotor eine Erregerwicklung
eingelassen und über Schleifringe und Kohlebürsten nach außen geführt. Wird an diese Erregerwicklung
nun eine elektrische Spannung angelegt (Erregerspannung) wird dadurch ein magnetisches Feld
(Erregerfeld) um den Rotor erzeugt. Nachteil dieser Bauform ist, dass bei sehr großen Maschinen der
Strombedarf für die Erzeugung des Erregerfeldes sehr groß sein kann, wodurch die Kohlebürsten
entsprechend stark belastet werden. Dies kann zum Bürstenfeuer führen wodurch diese Bauform nicht in
explosionsgeschützten Bereichen eingesetzt werden darf.
bürstenlose Erregereinrichtung: Auch bei dieser Form der Erregung ist in den Rotor eine Erregerwicklung
eingelassen. Um sich jedoch die Bürsten der statischen Erregereinrichtung zu ersparen, muss der benötigte
Erregerstrom auf der sich drehenden Welle selbst erzeugt werden. Dies kann mit einer am gleichen Anker
befestigen Erregermaschine und einer Hilfserregermaschine erfolgen. Die Erregermaschine ist als
Außenpolmaschine ausgeführt, wobei es sich bei der
Hilfserregermaschine meist um eine
permanenterregte Maschine handelt. Die Hilfserregermaschine erzeugt den Erregerstrom für die
Erregermaschine, die wiederum den Erregerstrom für den Hauptgenerator erzeugt. Da die
Erregermaschine einen Wechselstrom erzeugt, für die Erregung des Hauptgenerators jedoch Gleichstrom
benötigt wird ist auch noch ein auf dem Rotor mitlaufender
Gleichrichter notwendig. Die Erregung des
Hauptgenerators kann indirekt über die Erregung der Erregermaschine gesteuert werden.
Hierbei ist
offensichtlich, dass diese Bauform 2 große Nachteile aufweist: der komplizierte Aufbau des Rotors (viele
mit rotierende Teile) und eine trägere Regelbarkeit der Erregung des Hauptgenerators.
Permanentmagneterregung: Hierbei werden Permanentmagnete im Rotor zur Erzeugung des Erregerfeldes
verwendet. Der Hauptvorteil hierbei ist, dass für der Erregerfeld keine zusätzliche Energie aufgebracht
werden muss. Allerdings lässt sich damit nicht die Erregung regeln.
Asynchronmaschinen haben ebenfalls eine Erregerwicklung im Rotor, die jedoch kurzgeschlossen wird. Da
dabei sehr große Ströme auftreten können, handelt es sich meist nur mehr um dicke Stäbe, die am Anfang und
am Ende des Rotors kurzgeschlossen sind (Kurzschlussläufer).
Der Name der beiden Typen ergibt sich nun durch die Wirkungsweise des Rotors: Bei der Synchronmaschine
läuft der Rotor synchron zum umlaufenden Drehfeld sowohl im Motor- als auch im Generatorbetrieb. Bei der
Asynchronmaschine läuft der Rotor asynchron zum Drehfeld: im Motorbetrieb dem Drehfeld nacheilend und
im Generatorbetrieb dem Drehfeld voreilend.
BETRIEBSARTEN VON GENERATOREN
Generatoren können in 2 verschiedenen Arten betrieben werden: im Netzbetrieb oder im Inselbetrieb. Im
Netzbetrieb ist der Generator an ein (in Bezug auf Frequenz und Spannung) "starres" Netz angeschlossen und
liefert elektrische Energie in das Netz. Da Notstromgeneratoren einen möglichen Ausfall dieses Netzes
überbrücken sollen, ist diese Betriebsart hier nicht gegeben und wird auch nicht genauer betrachtet.
Im Inselbetrieb steht kein Netz zur Verfügung, wobei hier nur durch Regelung des Generators Frequenz- und
Spannungsstabilität erreicht werden kann. Da Asynchrongeneratoren schwieriger zu regeln sind, ist es auch
schwieriger ein spannungs- und frequenzstabiles Netz mit variablen Lasten im Inselbetrieb zu erzeugen,
wodurch sie für den Inselbetrieb nur bedingt geeignet sind. Üblicherweise findet man Notstromaggregate mit
Asynchrongeneratoren nur für Leistungen bis 2,5 - 3 kVA. Darum werden sie hier nicht mehr weiter betrachtet.
BETRIEBSEIGENSCHAFTEN VON NOTSTROMAGGREGATE MIT SYNCHRONGENERATOR
Die Art und Stärke der Belastung eines Generators hat direkte Auswirkungen auf die Spannungs- und
Frequenzstabilität eines Generators im Inselbetrieb. Daher muss, wie bereits weiter oben erläutert, ein
Notstromerzeuger geregelt werden um eine konstante Spannung und Frequenz liefern zu können.
SPANNUNGSSTABILITÄT
Jede Laständerung verursacht eine Spannungsänderung, die wiederrum vom Spannungsregler kompensiert
werden muss. Die Dauer bis diese Änderung kompensiert werden kann hängt von den konstruktiven
Eigenschaften von Ständer, Rotor und Erreger ab. Ohm'sch-induktive Lasten führen zu einer Verminderung der
Spannung. Sollten jedoch vorwiegend kapazitive Lasten auftreten, kann dies bei unzureichender Regelung zu
Überspannungen führen, da kapazitive Lasten zur Erhöhung der Spannung führen. Dies kann andere
Verbraucher beschädigen. Diese Spannungsänderungen werden durch den Spannungsregler ausgeglichen, der
die Stärke des Erregerfeldes über die Regelung des Erregerstromes steuert.
FREQUENZSTABILITÄT
Jede Laständerung hat auch direkte Auswirkungen auf das Drehmoment des Generators. Dies hat wiederum
direkte Auswirkungen auf die Drehzahl des Antriebsmotors, wodurch es zu einer Frequenzänderung des
Drehfeldes kommt. Darum ist eine Drehzahlregelung des Antriebsmotors sehr wichtig. Eine Besonderheit tritt
bei Dieselmotoren mit Turbolader auf. Turbolader können eine Leistungssteigerung von bis zu 100% erreichen.
Diese Leistungssteigerung ist jedoch abhängig von Abgasvolumenstrom. Daher kann ein leerlaufender Motor
nur jene Leistung aufnehmen, die er ohne Turbolader aufnehmen könnte. Wird der Motor jedoch stärker
belastet, kann dieser bis zum Stillstand abgebremst werden (man spricht hierbei vom sogenannten Turboloch).
Dies führt dazu, dass der Antriebsmotor entsprechend überdimensioniert werden muss (um den Faktor den der
Turbolader zur Leistungssteigerung beiträgt), sollte eine Lastzuschaltung in mehreren Stufen nicht möglich sein.
KURZSCHLUSSSTROM
Da Synchronmaschinen einen höheren Innenwiderstand als Transformatoren (im Vergleich zum Stromnetz)
haben, weisen sie auch einen wesentlich niedrigeren Kurzschlussstrom auf. Dies kann im Fehlerfall zu
unerwarteten Problemen mit Schutzeinrichtungen führen. Außerdem ist dieser Kurzschlussstrom nicht
konstant, sondern zeitlich variabel. Zu Beginn ist er relativ hoch, geht jedoch nach 15-25ms in den transientenund nach 120-250ms in den Dauerkurzschlussstrom über. Üblicherweise treten Dauerkurzschlussströme vom 2
- 5 fachen Nennstrom auf. Überstromschutzeinrichtungen, die auf sehr hohe Kurzschlussströme angewiesen
sind (wie Schmelzsicherungen oder Leistungsschalter mit hohen Einstellbereichen), könnten möglicherweise
nicht oder zu spät ansprechen. Daher sollten nur Leistungsschalter mit definierter Zeitverzögerung bzw.
strombegrenzende Leistungsschalter eingesetzt werden.
Außerdem hat ein Kurzschluss nicht nur mechanische und thermische Auswirkungen auf den Generator,
sondern auch auf den Antriebsmotor. Befindet sich der Kurzschluss in der Nähe des Generators kann es zu
einem starken Anstieg der Drehzahl kommen, da der Kurzschlussstrom überwiegend induktiv ist und keine
Wirkleistung abgegeben werden kann. Befindet sich der Kurzschluss jedoch in weiter Entfernung vom
Generator, dient das Kabel als ohm'sche Last und führt zur Überlastung des Motors. Dies kann zu
Drehzahleinbrüchen von bis zu 50% und weniger führen. Dies hat auch drastische Spannungseinbrüche zur
Folge.
BELASTUNG VON NOTSTROMGENERATOREN
Für
den
Betrieb
von
Notstromgeneratoren
wurden
mit
ISO-8528-5
4
Ausführungsklassen
für
Betriebsgrenzwerte bezüglich Spannungs- und Frequenzverhalten eingeführt:
G1: geringe Anforderungen an Spannungs- und Frequenzverhalten (Beleuchtung, einfache Antriebe)
G2: Anforderungen an Spannungs-
und Frequenzverhalten entsprechen weitgehend dem öffentlichen
Netz (haustechnische Einrichtungen, Lüfter, Aufzüge)
G3: höhere Anforderungen an Spannungs- und Frequenzverhalten und an die Kurvenform
(Fernmeldeeinrichtungen)
G4: höchste Anforderungen an Spannungs- und Frequenzverhalten und an die Kurvenform (EDV-Anlagen)
Damit ein Notstromaggregat diese Anforderungen erfüllen kann, sollten einige Punkte bei der Art und Form der
Belastung beachtet werden. Nur so kann sichergestellt werden, dass es zu keinen Schäden an Geräten kommen
kann. Da jede Laständerung zu einem Spannungseinbruch (oder aber auch zu Überspannung) führt, sollte
darauf geachtet werden, dass diese Spannungseinbrüche nicht zu groß werden. Dies kann nur gewährleistet
werden, wenn die zugeschalteten Laständerungen nicht zu groß werden. Viele Hersteller definieren daher
Grenzwerte für die Lastzuschaltung, damit eine gewisse Spannungs- und Frequenzstabilität gewährleistet
werden kann.
Im Fall eines Netzausfalls muss ein Notstromaggregat in der Lage sein die komplette Stromversorgung
übernehmen zu können. Jedoch muss berücksichtigt werden, dass diese Aggregate in der Regel eine Anlaufzeit
(Zeit von Stillstand bis zur Erzeugung der Nennleistung) von 10 Sekunden bis 3 Minuten haben können. Um
daher eine unterbrechungsfreie Stromversorgung gewährleisten zu können, muss eine USV-Anlage verwendet
werden um diese Anlauf- und Übernahmezeit überbrücken zu können. Viele USV-Anlagen sind auch in der Lage
eine Lastzuschaltung in mehreren Stufen durchzuführen.
Weiters sollte auch auf eine symmetrische Belastung bei Mehrphasensystemen geachtet werden. Eine
unsymmetrische Belastung (auch Schieflast genannt) eines Drehstromsystems führt zu einem gegenläufigen
Drehfeld, das in weiterer Folge eine erhebliche Erwärmung im Läufer verursachen kann. Außerdem führt dies
zu Pendel- und Rüttelmomente, die die Welle und das Fundament stark belasten. Weiters kann eine
unsymmetrische Belastung zu Oberschwingungen im Drehstromsystem führen. Der Unsymmetriegrad kann mit
folgender Faustformel abgeschätzt werden: werden 2 Leiter nicht belastet, ist der Unsymmetriegrad gleich der
Strom im dritten Leiter geteilt durch 3.
Außerdem sollte bei der Anschaffung eines Notstromaggregats darauf geachtet werden, dass die benötigte
Leistung etwa 70 - 80% der Nennleistung des Notstromaggregats beträgt. In diesem Bereich liegt üblicherweise
der optimale Betriebsbereich und die Effektivität (Verbrauch zu Leistung) am größten. Ein Notstromsystem
sollte aber auch nicht zu stark überdimensioniert werden, da bei zu wenig Belastung dies zum sogenannten
"Wet Stacking" führen kann. Wird ein Dieselmotor dauerhaft zu wenig belastet, führt dies zu Rußablagerungen
im Motor und in weiterer Folge zur Leistungsminderung.
WIRTSCHAFTLICHE ASPEKTE EINES DIESELGENERATORS
Bei der Verwendung eines Dieselgenerators als Sicherungssystem müssen mehrere Punkte beachtet werden.
Im Gegensatz zum vorigen Kapitel soll der Fokus im folgenden Abschnitt auf den wirtschaftlichen
Gesichtspunkten liegen. Diese Punkte versuchen wir in zwei Kategorien zu teilen: Anschaffung und laufenden
Betrieb.
ANSCHAFFUNG
Neben den notwendigen räumlichen Anforderungen muss auch bei der Auswahl des tatsächlichen Generators
auf verschiedene Dinge, wie zum Beispiel die Betriebsart, Rücksicht genommen werden.
Wir wollen uns zunächst die Anforderungen an den Standort des Generators ansehen.
ZUGÄNGLICHKEIT
Der Ort an dem der Generator steht muss selbstverständlich ausreichend gut zugänglich sein. Dies betrifft
sowohl die Zugänglichkeit für kurze Überprüfungen als auch für notwendige Wartungsarbeiten. Der Generator
sollten jederzeit von nahezu jeder Seite aus zugänglich sein um ein schnelles und effizientes Arbeiten bei
etwaigen Wartungstätigkeiten gewährleisten zu können. Abhängig vom Modell des Generators kann es sein,
dass manche Seiten des Geräts nicht zugänglich sein müssen!
Zusätzlich muss berücksichtigt werden, dass sich im Laufe der Zeit die Größe des Generators (mehr Leistung
wird notwendig durch Expansion des Rechenzentrums) und/oder der Platzbedarf anderer Geräte im Raum
erhöhen kann. Zweiteres gilt natürlich nur, wenn der Generator nicht in einem eigenen Raum untergebracht
wird (Aufgrund mancher der nachfolgenden Punkte wäre dies das zu bevorzugende Szenario). Umgekehrt
dürfen natürlich der Einbau anderer Geräte oder bauliche Veränderungen nicht zur Unzugänglichkeit des
Generators führen.
LAUTSTÄRKE
Wie im technischen Teil bereits gezeigt produziert ein Dieselgenerator nicht nur Energie sondern auch Lärm.
Dieser bewegt sich, abhängig von der Größe und dem Modell, zwischen 40 und 100 dBA. Hierbei handelt es
sich üblicherweise nur um die Angabe für den tatsächlichen Generator unter Vollast (jede andere Angabe ist
mit Vorsicht zu genießen und sollte genau hinterfragt werden!). Zusätzliche Lärmquellen wie die Klimatisierung
müssen hier gesondert berücksichtigt werden. Es versteht sich von selbst, dass eine derartige Lärmquelle nicht
in der Mitte eines Großraumbüros platziert werden sollte. Eine direkte Platzierung im Serverraum wäre
allerdings durchaus vorstellbar, vor allem weil die nachfolgenden Anforderungen auch so ähnlich oder noch
strikter für einen Serverraum gelten.
LÜFTUNG/KÜHLUNG
Ein Dieselgenerator benötigt eine Zufuhr von kalter und sauberer Luft. Saubere Luft beschreibt in diesem
Zusammenhang eine möglichst staubfreie Umgebung, da der Staub zu Kurzschlüssen und anderen Problemen
im Generator führen kann, was letztendlich die Lebensdauer des Geräts reduziert.
Wie es bei vielen Dingen der Fall ist, muss die Luft die wir dem Generator zugeführt haben auch wieder
abgeführt werden, nachdem sie ihren Teil zur Kühlung des Generators beigetragen hat. Auch diese
Funktionalität wäre in einem Serverraum bereits unter bestimmten Umständen gegeben. Eine Anforderung die
der Serverraum vermutlich nicht unterstützt ist die Abfuhr der Abgase. Wie aus dem technischen Teil bereits
ersichtlich produziert der Dieselgenerator seine Energie durch die Verbrennung von Treibstoff und produziert
dabei (wie jedes Auto) Abgase. Diese müssen mit einem Rohrsystem möglichst schnell und direkt nach draußen
transportiert werden. Bei diesem “Auspuff” muss darauf geachtet werden, dass es sich nicht in der Nähe von
Mitarbeiter oder Ansaug-Ventilatoren befindet. Wie bei jedem modernen Auto muss auch bei diesem Auspuff
eine entsprechende CO2 - Filterung/Säuberung stattfinden.
KRAFTSTOFF
Eine weitere Besonderheit in den Anforderungen an die Räumlichkeiten eines Generators besteht in der
Lagerung und Zufuhr des Kraftstoffs; in unserem Fall Diesel. In Österreich ist es so, dass der Treibstoff in einem
doppelwandigen Behälter mit Leckanzeige untergebracht werden kann. Diese Leckanzeige muss ausschlagen,
wenn die erste der beiden Wände des Behälters leck geschlagen ist. In solch einem Fall muss unverzüglich für
ein neues Aufbewahrungssystem gesorgt werden. Eine Alternativmöglichkeit besteht in der Anschaffung eines
einwandigen Behälters, der um ein Auffangbecken ergänzt wird. Hier ist keine gesonderte Leckanzeige
notwendig, da eine optische Überprüfung des Auffangbeckens möglich ist. Wenn der Tank in einem
gesonderten Raum aufgestellt wird, kann auch der Raum selbst (mit entsprechender Abdichtung) zum
“Auffangbecken” deklariert werden. Es versteht sich von selbst, dass das Auffangbecken eine Kapazität von
100% des Fassungsvermögens des Tanks haben muss.
Abhängig von der Größe des Tanks gelten unterschiedliche länderspezifische Sicherheitsrichtlinien. In
Österreich gilt, dass der Betreiber der Anlage eigenverantwortlich handelt und regelmäßige Überwachung,
Dokumentation und Wartung durchzuführen hat.
ab 1 m³ Tank ( 1000 Liter Diesel ) muss der Tank bei der Behörde angezeigt und von der selbigen
genehmigt werden.
ab 5 m³ Tank ( 5000 Liter Diesel ) muss eine gesonderte Baugenehmigung eingeholt werden. Mit dieser
Menge lässt sich ein Dieselgenerator allerdings schon gut einen Monat lang durchgehend betreiben.
Neben der Lagerung des Treibstoffs muss natürlich auch auf die Zufuhr zum Generator Rücksicht genommen
werden. Idealerweise findet diese Zufuhr auf möglichst direktem Weg statt. Dennoch wäre es besser den
Lagertank “tiefer” anzusiedeln als den Generator selbst und den Treibstoff mit einer Pumpe zum Generator
führen. Dies hat den Vorteil, dass es bei einem Rohrbruch nicht zum Auslaufen des Diesel führt. Der
offensichtliche Nachteil, dass es hierfür auch eine geeignete “intelligente” Pumpe benötigt tritt auch bei einer
anderen Anordnung auf. In Österreich ist es nämlich untersagt den Treibstoff durch die “Schwerkraft”
zuzuführen.
Ein dritter zusätzlicher Punkt betrifft das Betanken des Dieseltanks. Sollte es sich um einen größeren Tank
handeln, muss dafür gesorgt werden, dass der Tankwagen ungehindert zu einem Tankstutzen heranfahren
kann. Von dort sollte der Treibstoff möglichst direkt in den Tank geleitet werden. Bei kleineren Tanks kann dies
auch händisch durchgeführt werden.
LAUFENDER BETRIEB
Nachdem ein passendes Notstromdiesel ausgewählt und installiert wurde, stellt sich natürlich die Frage:
Welche weiteren Aufwände kommen auf einen Betreiber solch eines Geräts zu?
Zunächst lässt sich sagen, dass die Wartungsarbeiten für einen Dieselgenerator vergleichbar sind mit den
Arbeiten an einem normalen Dieselfahrzeug. Regelmäßige Überprüfung und Wartung des Öls sowie von Öl,
Luft und Diesel Filter sollten angedacht werden. Abhängig von der Lokalität des Generators muss das Öl alle
100 bis 250 Stunden ausgetauscht werden. Das hierbei interessante Kriterium für die Umgebung ist der
Staubanteil. Es hat sich herausgestellt, dass es ganz praktisch ist den Ölfilter im selben Intervall wie das Öl
selbst zu wechseln. Ein ähnlicher Zyklus gilt für das Wechseln der Luftfilter. Diese sollten abhängig von der
Umgebung etwa alle 100 Stunden überprüft werden. Die hier angegeben Stunden geben natürlich die Laufzeit
des Generators an.
Der Unterschied zum normalen Dieselfahrzeug besteht darin, dass der Dieselgenerator in deutlich
unregelmäßigereren Zeitpunkten tatsächlich eingesetzt wird. Da es sich bei dem Generator um eine
Notfallmaßnahme handelt ist nicht schlimmer als wenn er im Falle eines Stromausfalls nicht funktioniert. Um
dies zu verhindern und eine einwandfreie Funktionstüchtigkeit des Geräts zu gewährleisten empfehlen die
meisten Hersteller, dass der Generator einmal pro Woche für etwa eine halbe Stunde voll in Betrieb
genommen wird. Dabei handelt es sich allerdings lediglich um einen Richtwert. Die genaue notwendige
Betriebsdauer hängt von der Größe des Generators ab. Ziel des Durchlaufs soll sein, sämtliche Komponenten
des Generators auf Betriebstemperatur zu bringen um so einen langfristen reibungslosen Ablauf sicherstellen
zu können.
Neben den hier aufgeführten Kosten für die Wartung fallen natürlich auch Kosten an, wenn der Generator
tatsächlich im Einsatz ist, wie zum Beispiel Spritkosten. Die folgende Formel kann für eine überschlagsmäßige
Berechnung des Verbrauchs herangezogen werden:
28% der Angegebenen Generatorleistung
Beispiel:
20 kW * 0.28 = 5.6 Liter pro Stunde (bei voller Last)
Für den Betrieb des Generators wird handelsüblicher Diesel verwendet. Dennoch ist dieser für den hier
beschriebenen Verwendungszweck günstiger als für das Betreiben eines Fahrzeugs. In der aktuellen Fassung
des österreichischen Mineralölsteuergesetz ist verankert, dass bei der Verwendung des Treibstoffs zur
Erzeugung von Wärme oder elektrischer Energie die Steuerdifferenz zwischen Diesel und Heizöl
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zurückgefordert werden kann. Laut Mineralölsteuergesetz §3(1) Abschnitt 4d) aa) und Abschnitt 5a) beträgt
diese Differenz 0.299 €uro / Liter.
Nachdem nun geklärt ist, welche Aufwände für die Erhaltung und den Betrieb des Generators zu
berücksichtigen sind, bleibt noch eine letzte Frage zu beantworten: Wann brauche ich einen neuen?
Zunächst das Offensichtliche. Wenn der aktuelle Generator die notwendige Leistung nicht mehr liefern kann,
muss er ausgetauscht werden. Dieser eine Satz führt uns direkt in die Gretchenfrage der Generatorwahl. Ein
Dieselgenerator läuft am besten und effizientesten wenn er etwa mit 80 - 85% Last betrieben wird. Wenn die
verwendete Last längerfristig darunter liegt kann es zum “Wet Stacking” kommen (siehe Kapitel Belastung von
Notstromgeneratoren). Andererseits kann ein bereits fast voll ausgelasteter Generator nicht mehr großartig
mit neuen Servern belastet werden. Man muss sich also zwischen mehr Spielraum bei der Erweiterung des
Rechenzentrums dafür höhere Wartungsaufwand oder weniger Möglichkeit zur Erweiterung und dafür
optimale Generatornutzung entscheiden.
Ein anderer Grund um einen Generator auszutauschen ist des Alter. Im Allgemeinen beträgt die Lebensdauer
eines solchen Dieselgenerators zwischen 10.000 und 20.000 Stunden Laufzeit. Ausschlaggebend für diese
Zahlen ist primär die Umdrehungsgeschwindigkeit des Generators (je höher desto weniger Stunden Laufzeit).
Andererseits fallen diese Zahlen drastisch nach unten, wenn der Generator nicht ausreichend gewartet und
geprüft wird.
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Laut der “Ausfalls- und Störungsstatistik” für das Jahr 2010 ist in Österreich das Stromnetz für 51.64 min pro
Endverbraucher ausgefallen. Davon waren 31.77 min ungeplante Ausfälle. Im Durchschnitt dauerte eine
Unterbrechung 61.99 min lang an. Mit diesen Zahlen lässt sich leicht abschätzen, dass ein Generator mit einer
Lebensdauer von 10.000 Arbeitsstunden durchaus “ein Leben lang” halten könnte.
Die hier beschriebenen Tätigkeiten und Kosten werden leider viel zu oft vernachlässigt, da sie auf lange Sicht
recht teuer werden können. Doch nutzt der beste und vielleicht teuerste Notstromgenerator nichts, wenn er
im Falle eines Stromausfalls nicht funktioniert, weil bei den Wartungskosten gespart wurde.
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http://www.ris.bka.gv.at/GeltendeFassung.wxe?Abfrage=Bundesnormen&Gesetzesnummer=10004908
http://www.e-control.at/de/statistik/strom/statistik-fuer-versorgungsqualitaet/stoerungsstatistik