Rückspeiseschutz für USV-Systeme

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 USVAnlagen“ 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.
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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 RückspeiseErkennung, 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).
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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
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Rückspeiseschutz in einem zentralisierten Umgehungssystem
Manche Parallel-USV-Systeme verwenden ein zentralisiertes Umgehungskonzept, bei dem das SystemUmgehungsmodul (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)
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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 RückspeiseSchaltvorrichtung 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.
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