Rückspeiseschutz für USV-Systeme Die Vorteile eines internen Rückspeiseschutzes Einführung Der Begriff Rückeinspeisung bezeichnet eine Situation, bei der Energie wieder in Richtung der Eingangsklemmen eines elektrischen Gerätes zurückfließt, bei der also ein Energietransfer entgegen der normalen Richtung stattfindet. Eine solche Situation bedeutet ein Sicherheitsrisiko, denn durch die Rückspeisung können die Eingangsklemmen unter Spannung stehen, selbst wenn sie von der Netzversorgung getrennt wurden. Daneben kann eine Rückspeisung ernsthafte Störungen in anderen Geräten verursachen, die über einen gemeinsamen Ankopplungspunkt angebunden sind, und wird daher von Netzbetreibern gelegentlich untersagt. Ein Rückspeiseschutz bei USV-Systemen schützt die Umgehungsleitung bei einem Ausfall des statischen Bypasses. Der statische Umschalter setzt sich zusammen aus antiparallel geschalteten Thyristoren. Im schlimmsten Fall kann der Ausfall eines Thyristors die gesamte interne Umgehungsleitung der USV kurzschließen und so einen niederohmigen Pfad für hohe Ströme bilden. Anforderungen an einen Rückspeiseschutz verstehen Die internationale Norm IEC 62040-1 zu Allgemeinen Anforderungen und Sicherheitsanforderungen an USV- Anlagen gibt vor, dass eine USV einen Transfer von gefährlichen Spannungen oder Energien hin zu den Eingangsklemmen verhindern muss, nachdem die Eingangsversorgung abgeschaltet wurde. Die Norm erlaubt zwei verschiedene Methoden, um einen Rückspeiseschutz zu implementieren: die Installation einer internen Rückspeise-Trennvorrichtung oder die Installation einer externen Trennvorrichtung in der Eingangsleitung, bei der die USV selbst nur für die Rückspeise-Erkennung und die Steuerung sorgt. Rückspeiseschutz in einem Einzel-USV-System Bei den Dreiphasen-USV-Systemen Eaton 9355, 9390 und 9395 gehört ein interner Rückspeiseschutz zur Standardausstattung. Abb. 1 zeigt ein Schaltdiagramm für eine USV 9395, 275 kva, mit dem Rückspeiseschütz K5. Die Eingangsklemmen für Gleichrichter und Umgehung sind auf der linken Seite des Diagramms dargestellt, die Ausgangsklemmen der USV auf der rechten.
Seite 2 von 5 Abb. 1: Schaltdiagramm für die USV Eaton 9395 mit Rückspeiseschütz (K5) Das interne Rückspeiseschütz dient zum automatischen Schutz bei Fehlersituationen im statischen Bypass. Wenn ein Thyristor im statischen Bypass bei einem Defekt einen Kurzschluss verursacht, wird auch der Wandlerausgang zu den Umgehungsklemmen hin kurzgeschlossen. Dies kann dazu führen, dass ein beträchtlicher Strom zurück in Richtung des Versorgungsnetzes fließt, wenn die USV am Netz ist. Die USV-Firmware enthält eine Rückspeise- Erkennung, und das Rückspeiseschütz K5 wird dazu eingesetzt, die Fehlersituation zu beseitigen und so automatisch eine Stromrückspeisung zu verhindern. Dies erlaubt es der USV, selbst bei einem Ausfall des statischen Umschalters noch im Doppelwandler-Modus weiterzuarbeiten. Die internen Rückspeiseschütze in Eaton USV-Anlagen werden stets im Rahmen der Standard-Testverfahren während der USV-Fertigung getestet. Während der USV-Burn-in-Tests geschieht folgendes: Die USV läuft bei 80% ihrer Nennleistung sowohl im Doppelwandler- als auch im Umgehungsmodus. Die Strom-Messgenauigkeit im statischen Umschalter wird getestet. Das K5-Schütz wird auf Funktionstüchtigkeit getestet. Die Strom-Messgenauigkeit beim Umgehungsstrom ist wichtig für den Rückspeiseschutz, da diese Messung für die Rückspeise-Erkennung verwendet wird. Wenn ein Strom in der Umgehungsleitung erkannt wird, obwohl das Gerät nicht im Umgehungsmodus arbeitet, wird automatisch das Rückspeiseschütz geöffnet. Rückspeiseschutz in einem Parallel-USV-System Häufig werden mehrere USVs parallel geschaltet, um eine höhere Verfügbarkeit oder Kapazität des USV-Systems zu erzielen. In Parallel-USV-Systemen ist ein Rückspeiseschutz um so wichtiger, je mehr die Größe und Leistung des Systems gesteigert werden. Abb. 2 zeigt beispielhaft ein Blockschaltbild für ein Parallel-USV-System mit internen Rückspeiseschützen (K5).
Seite 3 von 5 Abb. 2: Parallel-USV-System Wenn in einem der statischen Umschalter ein Fehler aufträte, würden die parallel geschalteten Inverter anfangen, Strom in das Versorgungsnetz zurückzuspeisen wie in Abb. 3 gezeigt. In diesem Fall wird automatisch das Rückspeiseschütz geöffnet, um zu verhindern, dass Strom zurück zum Eingangstransformator fließt. Die Leitungen der statischen Umgehung des Parallelsystems sind redundant ausgelegt, so dass bei Ausfall einer statischen Umgehung die andere dennoch weiterarbeiten kann. In einem redundant-parallelen System beeinträchtigt der Ausfall einer statischen Umgehung die Umgehungskapazität des Systems in keiner Weise; dient der Parallelbetrieb dagegen der Kapazitätserhöhung, würde sich die Nennleistung der Umgehung leicht verringern. Abb. 3: Parallel-USV-System mit einem Fehler in der statischen Umgehung
Seite 4 von 5 Rückspeiseschutz in einem zentralisierten Umgehungssystem Manche Parallel-USV-Systeme verwenden ein zentralisiertes Umgehungskonzept, bei dem das System- Umgehungsmodul (System Bypass Module, SBM) eine gemeinsame Umgehungsleitung für alle parallel betriebenen USV-Anlagen bildet. Ein Blockschaltbild für diesen Systemtyp zeigt Abb. 4 unten. Abb. 4: Parallel-USV-Systeme mit SBM Ähnlich wie die interne Umgehung einer USV besteht auch ein SBM aus antiparallel geschalteten Thyristoren. Daher ist auch in einem SBM-System ein Rückspeiseschutz sehr wichtig. Die SBM-Einheit von Eaton mit Nennströmen von 2000-5000 A ist in Abb. 5 dargestellt. Auch bei ihr gehört ein interner Rückspeiseschutz zur Standardausstattung. Abb. 5: Das System-Bypassmodul (System Bypass Module, SBM)
Seite 5 von 5 Die Vorteile eines internen Rückspeiseschutzes Neben sicherheitsrelevanten Aspekten hat ein interner Rückspeiseschutz in einer USV auch betriebliche Vorteile. Ein bedeutender Vorteil besteht darin, dass die USV selbst dann noch im Doppelwandler-Modus arbeiten und kritische Lasten weiterhin schützen kann, wenn ein statischer Bypass ausfällt. Wenn ein Thyristor versagt, öffnet automatisch das Rückspeiseschütz, und die USV kann weiterhin im Doppelwandler-Modus bleiben, bis und selbst während die Reparatur vorgenommen wird. In einem Parallel-USV-System bedeutet ein interner Rückspeiseschutz, dass jeder der statischen Umgehungsschalter im verteilten Umgehungssystem über ein Rückspeiseschütz verfügt. Bei Einsatz einer externen zentralen Lösung wird dagegen häufig nur ein gemeinsames Schütz für mehrere statische Umgehungsschalter installiert. In einer solchen Konfiguration führt das Versagen eines Thyristors in einem der statischen Umschalter zum Verlust aller statischen Umgehungsleitungen, die mit dem gemeinsamen Rückspeiseschütz verbunden sind. Der standardmäßige Einbau eines Rückspeiseschützes in eine USV hat den Vorteil, dass der Test dieser Komponente zum Standard-Testumfang gehört und sie stets zusammen mit dem USV-Equipment getestet wird. Das sorgt für zusätzliche Sicherheit, denn durch diese Form des Testens wird die Zuverlässigkeit des Rückspeiseschutzes überprüft und belegt. Speziell wenn es um USV-Ausrüstungen mit hohen Nennleistungen geht, bieten manche USV-Hersteller nur externe Rückspeiseschütze als optionale Komponenten an. In diesem Fall wird das externe Rückspeiseschütz im Rahmen der Eingangsverschaltung des Systems installiert. Diese Lösung bringt es mit sich, dass die Rückspeise- Schaltvorrichtung individuell für jede USV-Installation geplant, implementiert und getestet werden muss, da der Einbau nicht zum Standard-Produktumfang gehört. Über Eaton Die Eaton Corporation ist ein breit aufgestellter Hersteller von Lösungen für das Energiemanagement mit mehr als hundertjähriger Erfahrung, der energieeffiziente Lösungen für das Management elektrischer, hydraulischer und mechanischer Energie bereitstellt. Mit einem Umsatz von 16 Milliarden US-Dollar im Jahr 2011 zählt Eaton weltweit zu den Technologieführern im Bereich elektrischer Komponenten und Systeme für die Sicherung der Stromqualität sowie für die Stromverteilung und -steuerung. Die Produktpalette umfasst darüber hinaus Hydraulikkomponenten, Systeme und Dienstleistungen für industrielle und mobile Ausrüstungen; Kraftstoffversorgungs-, Hydraulik- und Pneumatik-Systeme für die kommerzielle und militärische Luftfahrt sowie Lkw- und Pkw-Antriebssysteme, die hohe Leistungsfähigkeit, niedrigen Kraftstoffverbrauch und optimale Sicherheit bieten. Eaton beschäftigt rund 73000 Mitarbeiter und beliefert Kunden in mehr als 150 Ländern. Für weitere Informationen besuchen Sie bitte www.eaton.com. Beachten Sie auch Eatons Produktangebot für Rechenzentren unter www.eaton.eu/datacenters.