Sonderdruck Power Quality PQ-Box 100/200 - Experten sind gefragt: Notstromversorgung in Krankenhäusern und Rechenzentren - A. EBERLE
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Sonderdruck
Power Quality
PQ-Box 100/200
Experten sind gefragt: Notstromversorgung
in Krankenhäusern und Rechenzentren.
Power Quality PQ-Box 100/200
Notstromversorgung in Krankenhäusern und Rechenzentren.
Fällt in einem Krankenhaus die Spannung Transformatoren und Spannungsquellen
an einem oder mehreren Außenleitern für Sicherheitszwecke erfolgen. Sie muss
der Hauptverteilung der allgemeinen sicherstellen, dass die elektrischen Einrich-
Stromversorgung über einen Zeitraum tungen für Sicherheitszwecke innerhalb
von mehr als 0,5s auf weniger als 90% von 15s mit einer sicheren Spannungs-
der Netznennspannung ab, muss nach der quelle zur Versorgung von 24 Stunden
DIN VDE 0100 Teil 710 selbsttätig und verbunden sind. Eine Verringerung der
automatisch auf die Stromversorgung für Betriebsdauer von 24 Stunden auf drei
Sicherheitszwecke umgeschaltet werden. Stunden ist nur dann zulässig, wenn die
medizinischen Behandlungen und Unter-
Diese Umschaltung muss, in der Energie- suchungen der Patienten ohne Gefahr für
flussrichtung betrachtet, in der Hauptver- sie beendet werden können und das Kran-
teilungsebene hinter den einspeisenden kenhaus sicher evakuiert werden kann.
Elektrische Einrichtungen für Sicherheits- Die Anforderungen hinsichtlich Span- Garant für hohe Spannungskonstanz zur
zwecke in Krankenhäusern dienen dem nungs- und Frequenzkonstanz der mei- Verfügung.
Abwenden von Gefahren, der Brandbe- sten elektrischen Verbrauchsmittel, die in
kämpfung sowie der Personenrettung. Es Krankenhäusern eingesetzt werden, ent- Bei der Versorgung aus dem öffentlichen
sind die folgenden Anlagen: sprechen den Verhältnissen, die während Netz wird die Kurzschlusswechselstrom-
der Speisung aus der allgemeinen Strom- leistung hauptsächlich durch die Impedanz
• Sicherheitsbeleuchtung versorgung, d.h. aus dem öffentlichen des einspeisenden Transformators be-
• Bettenaufzüge Netz, herrschen. grenzt.
• Feuerwehraufzüge
• Brandmeldeanlagen Bei der Versorgung eines Krankenhauses Eine Laständerung in Höhe der Bemes-
• Alarmierungsanlagen aus dem öffentlichen Netz steht das Ver- sungsscheinleistung des einspeisenden
• Wasserdruckerhöhungsanlagen zur bundnetz im Verbundbetrieb mit dem Transformators ruft an den Transforma-
Löschwasserversorgung Parallelbetrieb aller Kraftwerke bzw. aller torklemmen einen Spannungsfall hervor,
• elektrische Anlagen der medizinischen Synchrongeneratoren in allen Kraftwer- der maximal bis zum Bemessungswert
Gasversorgung einschließlich Druckluft ken zur Verfügung. seiner relativen Kurzschlussspannung
• Vakuumversorgung und Narkoseab- betragen kann und ist von dem Effek-
saugung und deren Überwachungs- Laständerungen in Form von Zu- bzw. tivwert des Differenzlaststromes, der
anlagen Abschaltungen von großen Lasten in Transformatorresistanz, der induktiven
• OP-Leuchten und medizinische NS-Netzen beeinflussen in der Regel die Transformatorreaktanz bzw. dem Impe-
Geräte im Bereich der Gruppe 2 Frequenz und die Spannung im Verbund- danzwinkel des Transformators und dem
• Entrauchungsanlagen betrieb kaum. Laständerungen werden im Lastwinkel der Belastung abhängig. Bei
Verbundbetrieb nämlich auf viele Kraft- einem geeigneten elektrischen Anschluss
Die genannte sichere Spannungsquelle werke und ihre Synchrongeneratoren auf- – in Form einer eigenen Trafostation –
für Sicherheitszwecke sind in Kranken- geteilt und stellen für eine einzige Einheit des Krankenhauses an das öffentliche
häusern die Stromerzeugungsaggregate keine merkliche Beanspruchung dar. Im Netz, können die Anforderungen an die
mit Hubkolbenverbrennungsmotoren (in Verbundnetz steht in der Regel eine sehr hohe Frequenz- und Spannungsstabilität
der Regel mit Dieselmotoren) also Not- hohe Kurzschlusswechselstromleistung als meistens problemlos realisiert werden.
stromdieselaggregate. Diese stellen ein
Gebilde dar, das aus einem Dieselantrieb
und einem Schenkelpolsynchrongenera-
tor besteht. Der Dieselmotor (und der
Synchrongenerator) erzeugt Wirkleistung
und der Synchrongenerator erzeugt Blind-
leistung. Die Spannungskonstanz ist vom
Spannungsregler, die Frequenzkonstanz
vom Drehzahlregler und die Verhaltens-
weise bei oberschwingungsbehafteter Last
vom Dämpferwicklung abhängig.
Ein Notstromdieselaggregat sollte in der
Lage sein, innerhalb von 15 Sekunden
mindestens 80 % seiner Bemessungs-
scheinleistung bei einem Verschiebungs-
faktor der Grundschwingung cosα = 0,8
in maximal zwei Stufen zu erbringen. Den
Rest von 20 % seiner Bemessungsschein-
leistung sollte es innerhalb weiterer fünf
Sekunden erbringen.
Bild1 Messaufbau Netzanalysator PQ-Box100 an einem 500 kVA-Notstromdieselaggregat
bei der Werksabnahme
Bei Ausfall der allgemeinen Stromver- Das Notstromdieselaggregat muss hin- Selbst wenn das Notstromdieselaggregat
sorgung des Krankenhauses muss das sichtlich folgender Parameter ausgelegt bezüglich seiner Bemessungswirkleistung
Notstromdieselaggregat selbsttätig und werden: überdimensioniert ist, kann sich im Gene-
automatisch die Versorgung der Anlagen ratorinselbetrieb herausstellen, dass der
für Sicherheitszwecke übernehmen und • der maximalen Dauerverbraucher- Oberschwingungsgehalt in der Generator-
einen stabilen Inselnotstrombetrieb ge- leistung spannung auf Grund der zu versorgenden
währleisten. • der maximalen Zuschaltleistung elektronischen Lasten wie drehzahlgere-
• der erforderlichen Ausführungsklasse gelte Antriebe, BSV-Anlagen, USV-Anlagen,
Im Inselnotstrombetrieb ist das Not- • der statischen elektrischen Betriebs- Energiesparlampen, Büroelektronik etc. so
stromdieselaggregat aber die alleinige grenzwerte groß ist, dass die zulässigen Verträglich-
Spannungsquelle und seine Antriebsma- • der dynamischen elektrischen keitspegel der relativen Spannungsharmo-
schine wird mit Laständerungen kon- Betriebsgrenzwerte nischen erheblich überschritten werden
frontiert, die bezogen auf ihre Bemes- • der subtransienten, transienten und und es zu Funktionsstörungen der Geräte
sungsleistung verhältnismäßig groß sind Dauerbemessungskurzschluss- bzw. Totalausfall kommt.
und können somit starke Frequenz- bzw. wechselstromleistung
Spannungsschwankungen sowie Span- • des Verhaltens bei Überlast Ob das projektierte Notstromdieselag-
nungseinbrüche verursachen. • des Verhaltens bei Kurzschluss gregat den in der Planungsphase gestellten
• des Verhaltens bei Parallelbetrieb mit Anforderungen gerecht ist, muss durch
Der im Generatorinselbetrieb hervorge- dem Netz sowie im Generatorinsel- entsprechende messtechnische Untersu-
rufene Spannungsfall an den Generator- betrieb und chungen verifiziert werden. Die Messun-
statorklemmen als Folge der Laständerung • des Verhaltens bei Belastung durch gen sollen sowohl bei der Werksabnahme
in Höhe der Generatorbemessungsschein- oberschwingungsbehaftete Lasten im Werk des Notstromdieselaggregather-
leistung ist von dem Effektivwert des Dif- stellers als auch am Aufstellungsort im
ferenzlaststromes, der Statorresistanz, der Adäquate komplexe auf den Verschie- Krankenhaus vorgenommen werden.
induktiven transienten Reaktanz bzw. dem bungsfaktor der Grundschwingung be-
Winkel der transienten Generatorimpe- zogene Scheinleistungsdimensionierung Nachfolgend nur einige Merkmale aus vier
danz und dem Lastwinkel der Belastung garantiert, dass im Generatorinselbe- umfangreich durchgeführten Messungen:
abhängig und kann dreimal größer sein als trieb jede Laständerung lediglich nur
bei einem leistungsgleichen Verteilungs- eine vorübergehende Drehzahländerung 1) Prüfung eines Notstromdieselaggregats
transformator. des Dieselantriebes bzw. eine vorüber- im Werk des Herstellers
gehende Frequenzänderung sowie eine
vorübergehende Änderung der Genera- 2) Notstromdieselaggregat im Krankenhaus
torspannung darstellt, wobei die dynami- bei Stern-Anlauf einer Sprinkleranlage
schen elektrischen Betriebsgrenzwerte
eingehalten werden. 3)Notstromdieselaggregat-Blackout-Test
im Krankenhaus
Die erfolgreiche selektive Löschung/
Abschaltung von Kurzschlüssen, die nor- 4) Speisungsumschaltung einer USV-Anla-
mativ nach der DIN VDE 0100-710 ge- ge vom Netz auf eine Netzersatzanlage
fordert wird, kann bei der fachgerechten (NEA) in einem Rechenzentrum
Berücksichtigung der genannten Kurz-
schlusswechselstromleistungen durch Für solche messtechnischen Netzuntersu-
den richtig dimensionierten Netzschutz chungen sind leistungsfähige Netzqualitäts-
sichergestellt werden. Oft ist aber eine analysatoren notwendig. Die qualifizierte
Überdimensionierung des Dieselantrie- Auswertung der Messergebnisse erfordert
bes und des Synchrongenerators hierfür hohes Verständnis der aufgezeichneten
zwingend erforderlich. physikalischen Messgrößen und Ereignisse.
Bild 2 Aufschalten von 60% (ohmsch-induktiv cosα = 0,8) der Bemessungscheinsleistung des 500 kVA-Notstromdiesel-
aggregates bei der Werksabnahme
Prüfung eines Notstromdiesel- Bemessungsscheinleistung des 500kVA- den Spannungen und Strömen werden
aggregates im Werk des Herstel- Notstromdieselaggregates bricht die auch die Frequenz, die Wirk-, Blind- und
lers (Bild 1 und 2) Spannung zuerst auf 201V ein und nach Scheinleistung mit einer hohen Auflösung
kurzzeitiger Schwingung weiter auf 193V. von 10ms Effektivwerten aufgezeichnet.
Um keine bösen Überraschungen später Danach schwing sie auf einen Maximal- Die Aufzeichnungsdauer kann bis zu 120
im Krankenhaus bei dem Generatorin- wert von 237V. Nach einer Zeitdauer Sekunden betragen, wobei Vor- und
selbetrieb zu erleben, soll schon bei der von ca. 1,7 Sekunden hat sich der Span- Nachgeschichte des Schriebs frei einstell-
Werksabnahme neben der Notstrom- nungsschwingvorgang beruhigt und die bar sind.
steuerung auch das Einhalten der zuläs- Spannungen sind stabil.
sigen statischen und besonders dynami- Das Notstromdieselaggregat hat hierbei
schen elektrischen Grenzwerte sowie Die Frequenz bricht von 50Hz auf 45,4Hz die gemäß DIN 6280-13 (Anwendungs-
des zulässigen Oberschwingungsgehaltes ein und schwingt auf 49,4Hz. Nach einem bereich 1 für medizinisch genutzte Ein-
der Generatorspannung messtechnisch Zeitfenster von ca. 4,2 Sekunden hat sich richtungen) geforderten dynamischen
mit Fachkenntnis überprüft und nachge- der Frequenzschwingvorgang beruhigt elektrischen Betriebsgrenzwerte für
wiesen werden. und die Frequenz ist stabil. die Frequenz knapp eingehalten. Die
geforderten dynamischen elektrischen
Im Bild 2 werden die Spannungen der Für diese Messungen eignet sich der Betriebsgrenzwerte für die Spannung
einzelnen Phasen und die Frequenz dar- 10ms-Effektivwertrekorder der leistungs- konnten trotz der zeitlich korrekten
gestellt. Nach dem Aufschalten von 60% starken Netzanalysatoren PQ-Box 100 Nachregelung nicht eingehalten werden.
(ohmsch-induktiv mit cosα = 0,8) der oder PQ-Box 200 sehr gut. Zusätzlich zu
Bild 3 Stern-Anlauf einer 75kW-Sprinkleranlage im Netzbetrieb (2x 800 kVA / 6% Transformatoren)
Notstromdieselaggregat im rechnerisch ein relativer Spannungsfall die relativen Spannungsfälle der einzel-
Krankenhaus bei Sternanlauf von 15,39% bei einer Kurzschlusswech- nen Phasen von 16,2% (L1), 16,87% (L2)
einer Sprinkleranlage (Bild 3 und 4) selstromleistung von 2.39•106•ej•81.13•VA. und 16,96% (L3) registriert und im Bild 4
festgehalten.
In der Planungsphase des Projektes (ein Nach der Fertigstellung des Projektes
anderes Krankenhaus) wurde für den wurde der Anlauf der 75kW-Sprinkler- Diese Aufzeichnungen beziehen sich nur
Anlauf einer 75kW-Sprinkleranlage die anlage messtechnisch getestet. Zuerst auf den Sternanlauf. Die Aufzeichnungen
Abschätzung der Spannungsänderung am wurde der Anlauf bei Versorgung aus wurden mit der PQ-Box 100 am gleichen
Sammelschienensystem der NSHV-SV dem Netz durch zwei parallel betriebene Messpunkt nämlich in der NSHV-SV
vor-genommen. Betrachtet wurde dieser Transformatoren je 800kVA / 6% vorge- durchgeführt, und zwar gleich hinter den
Anlauf sowohl im Netzbetrieb (Parallel- nommen. Wie im Bild 3 dokumentiert, Sicherungen am Anfang der Zuleitung
betrieb von zwei Transformatoren mit je lagen die relativen Spannungsfälle der des Sprinklerschaltschrankes. Die gravie-
800kVA / 6%) als auch im 500kVA-Ge- einzelnen Phasen bei 2,29% (L1), 2,48% renden Unterschiede der Frequenz- und
neratorinselbetrieb. Es wurden dazu die (L2) und 2,37% (L3). Spannungsverhältnisse sind leicht er-
VDN-Technischen Regeln herangezogen kennbar und eindeutig.
und die symmetrische Belastung voraus- Danach wurde das Netz abgeschaltet
gesetzt. Es ergab sich rechnerisch ein re- und der Anlauf mit Speisung aus dem Die Aufzeichnungen der Umschaltung von
lativer Spannungsfall für den Netzbetrieb 500kVA-Notstromdieselaggregat auf- Stern auf Dreieck der 75kW-Sprinkler-
von 1,95% bei einer Kurzschlusswechsel- gezeichnet, wobei die Zuschaltung der pumpe der beiden Versorgungsbetriebs-
stromleistung von 19.21•106•ej•74.78•VA. Sprinkleranlage beim leerlaufenden Ge- arten, welche ebenso erfasst wurden,
nerator ohne Vorbelastung erfolgte. In werden hierbei nicht diskutiert.
Für den Generatorinselbetrieb ergab sich diesem Generatorinselbetrieb wurden
Bild 4 Stern-Anlauf der 75kW-Sprinkleranlage im Notstrombetrieb (500 kVA-Notstromdieselaggregat)
Blackout-Test an Notstromdiesel- verteilung für Sicherheitsstromversor- der Versorgung aus dem Notstromdie-
aggregat im Krankenhaus gung (NSHV-SV) bei der Speisung aus selaggregat aufgezeichnet. Der kräftige
(Bild 5, 6 und 7) der allgemeinen Stromversorgung durch Anstieg der Oberschwingungsbelastung
drei parallelbetriebene Verteilungstrans- der Generatorspannung ist eindeutig er-
In einem weiteren Krankenhaus wurde formatoren je 1000kVA / 6%. Danach kennbar.
dieser Test vorgenommen, um bei einem wurde die allgemeine Stromversor-
echten Ausfall der allgemeinen Strom- gung abgeschaltet und das vorhandene Die Bewertung der Oberschwingungsbe-
versorgung neben der Wirksamkeit der 400kVA-Notstromdieselaggregat über- lastung wurde gemäß EN 61000-2-4 class
Umschaltung vom Netz- auf den Gene- nahm die Versorgung der NSHV-SV im 2 bzw. VDE 0839-2-4 EMV-Umgebungs-
ratorinselbetrieb samt aller zugehörigen Generatorinselbetrieb. klasse 2 durchgeführt.
Merkmale auch die Spannungsqualität zu
erkunden. Hier wird nur auf die Span- Im Bild 6 sind der THD-Wert sowie die Im Netzbetrieb liegen die Verträglich-
nungsqualität eingegangen. Werte der relativen Spannungsharmoni- keitspegel der genannten Oberschwingun-
schen der Ordnungen 3, 9, 15 und 21 der gen deutlich unter den zulässigen Pegeln.
Im Bild 5 ist der Messaufbau in der NS- Netzspannung an der NSHV-SV wäh-
HV-SV zu sehen. Die Aufzeichnungen rend der Versorgung aus der allgemeinen Im Generatorinselbetrieb wurden deut-
wurden mit zwei PQ-Boxen 100 vorge- Stromversorgung aufgezeichnet. liche Überschreitungen der zulässigen
nommen, um sowohl den Energiefluss aus Verträglichkeitspegel der Oberschwin-
dem Netz als auch aus dem Generator Im Bild 7 sind der THD-Wert sowie die gungen in der Spannung bei den Ord-
zu erfassen. Aufgezeichnet wurde zuerst Werte der relativen Spannungsharmo- nungen 9, 15 und 21 erfasst.
die Spannungsqualität am Sammelschie- nischen der Ordnungen 3, 9, 15, und 21
nensystem der Niederspannungshaupt- der Spannung an der NSHV-SV während
Bild 5 Messaufbau zur Aufzeichnung der OS-Belastungen an der NSHV-SV im Netz-
und Notstrominselbetrieb
Bild 6 THDu, Uh3; Uh9, Uh15 und Uh21 von L1 an der NSHV-SV im Netzbetrieb (3x 1000 kVA / 6% Transformatoren) Bild 7 THDu, Uh3; Uh9, Uh15 und Uh21 von L1 an der NSHV-SV im Notstrominselberieb (400 kVA-Notstrom- dieselaggregat)
Speisungsumschaltung einer USV- In diesem Beispiel wurde in einem Re- jedoch führten die starken Schwankungen Anlage vom Netz auf eine Netz- chenzentrum eine Netzersatzanlage unter der Spannung und Frequenz zu einem Aus- ersatzanlage (NEA) im Rechen- realen Bedingungen mit einer USV-Anlage lösen des Schutzrelais, welches die Anlage zentrum (Bild 8) während eines Netzausfalls getestet. abgeschaltet hat. Da manche moderne Rechenzentren In der Aufzeichnung kann man sehr deutlich Die Netzanalysatoren PQ Box 100 und Netz-ersatzanlagen und statische USV- das gegenläufige Schwingen des Netzes auf 200 Klasse A von A. Eberle bieten, mit ihren Anlagen besitzen und dabei – auf Grund den Spannungen und der Frequenz erken- hohen Sampling-Auflösungen von 41kHz des in der Regel schlechten Leistungs- nen. Zum Frequenzmaximum liegen die und 10-Millisekunden-RMS-Rekordern, be- verhältnisses NEA zur USV – massive Spannungen auf ihrem Minimum. Nach ei- sonders hohe Genauigkeit. Sie ermöglichen Probleme und schwerwiegende Wech- nigen Sekunden wurde das Aggregat durch den Einsatz in Computer- und Datenzen- selwirkungen in ihrer Zusammenarbeit ein Schutzrelais vom Netz getrennt. Das Ag- tren, in einer sehr sensiblen Umgebung, auftreten, wird auf so einen Fall kurz ein- gregat konnte zwar die geforderte Leistung die Mitbewerber scheuen aufgrund der gegangen. liefern und war groß genug dimensioniert, kritischen Anwendungen. Bild 8 Umschaltung einer USV-Anlage vom Netz auf eine NEA in einem Rechenzentrum
Fazit
Vor bösen Überraschungen schützen nur
die entsprechende fachgerechte Projek-
tierung sowie qualifizierte Messung. Die
erforderliche Messtechnik muss verschie-
dene Anforderungen erfüllen. So sind
Spannungen, Ströme, Leistungen und
Frequenz mit einer hohen Auflösung von
10ms-Effektivwerten zu erfassen. Eine
Mittelwertbildung über 200ms oder eine
Sekunde würde diese Netzschwankun-
gen nicht mehr erkennen lassen.
Abweichungen der Sinusform und Span-
nungstransienten können mit Oszillo-
skopbildern festgehalten werden. Über
vielfältige Triggermöglichkeiten wie ein
Sinus-Hüllkurventrigger können noch
weitere Informationen zur Störung be-
reitgestellt werden.
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