Basic Security & Safety: Wie funktioniert eine unterbrechungsfreie Stromversorgung?

Basic Security & Safety: Wie funktioniert eine unterbrechungsfreie Stromversorgung? Alida Anfang und Prof. Albert Einsteiger sind nicht nur pfiffig, sondern auch pädagogisch geschult. In GIT SICHERHEIT widmen sie sich regelmäßig einem speziellen Thema aus Security und Safety. Der Hintergrund: Sicherheitsverantwortliche tragen in Unternehmen eine hohe Verantwortung – es geht um den Schutz von Mitarbeitern, Know-how und Sachwerten. Sie sind es, die letztlich entscheiden, welche Maßnahmen zum Einsatz kommen. Das moderne Security- & Safety-Management stellt jedoch vielschichtige Anforderungen, die einen hohen Spezialisierungsgrad erfordern. Da ist es nicht einfach, auf allen Gebieten ein Fachmann zu sein. In diesem kleinen Repetitorium erklären Prof. Albert Einsteiger und seine Assistentin Alida Anfang deshalb die wichtigsten Basisbegriffe der Sicherheit – jeweils zusammen mit einem Experten: Diesmal ist es Bodo Mainz, Geschäftsführer von Eaton Power Quality.

Die Energieversorgung ist in den meisten Ländern der westlichen Welt heute mehr oder weniger stabil, Stromausfälle sind erfreulicherweise eher selten. Bei Stromversorgung und Stromqualität treten jedoch häufiger Schwankungen auf, die den Betrieb von empfindlichen elektronischen Systemen schädlich beeinflussen können. So hat man festgestellt, dass rund 60 % aller Computer-Probleme auf Störungen der elektrischen Stromversorgung zurückzuführen sind. In einem Bürogebäude z. B. gibt es zahlreiche Komponenten, welche die Stromzufuhr beeinflussen können. So beanspruchen Aufzüge die Stromversorgungen derart, dass die Spannung kurzfristig einbrechen kann und somit für das System zu gering ist – es schaltet ab. Aber auch besondere Wetterbedingungen – etwa Sturm, Blitz oder Schneefall und starker Regen – können sich sehr schädlich auf das Stromversorgungsnetz der Energieversorger auswirken. Diese Risken sollte man so weit wie möglich ausschließen. Dabei kann die Auswahl einer geeigneten Spannungsschutzlösung recht schwierig sein. Am Markt sind verschiedene USV-Typen mit vielen unterschiedlichen Schutzstufen und Technologien verfügbar – ein wahres „Spannungsschutz- Labyrinth“!

Neun Gründe für Spannungsprobleme

1. Spannungsausfall
Ein Spannungsausfall wird als Nullspannungsbedingung definiert, die mehr als zwei Zyklen dauert. Dies kann auf die Auslösung eines Unterbrechungsschalters sowie auf Spannungsverteilungs- oder Netzspannungsfehler zurückzuführen sein.

2. Spannungseinbrüche
Spannungseinbrüche sind Spannungen, die kurzzeitig 80 – 85 % unter dem Normalwert liegen. Sie können auftreten, wenn schwere Anlagen eingeschaltet, große elektrische Motoren gestartet und Starkstromleitungen geschaltet werden.

3. Spannungsstöße
Spannungsstöße treten bei einer plötzlichen, kurzzeitigen Spannungsspitze von bis zu 6.000 Volt auf. Diese Spannungsspitzen gehen normalerweise auf Blitzschläge in der näheren Umgebung zurück.

4. Unterspannung
Dies bedeutet, dass die Spannung unter den zulässigen Grenzwert absinkt – für einige Sekunden oder sogar andauernd.

5. Überspannung

Eine Überspannung tritt auf, wenn die Spannung 110 % über dem Normalwert liegt. Die häufigste Ursache ist die Abschaltung großer elektrischer Anlagen.

6. Schaltspitzen
Schaltspitzen treten bei einer kurzzeitigen Spannungsspitze von bis zu 20.000 Volt bei 10–100 Mikrosekunden Dauer auf. Sie werden häufig durch Lichtbogen-Fehler und statische Entladung verursacht.

7. Störspannungen
Elektrische Störspannungen, definiert als Hochfrequenzstörungen und elektromagnetische Störungen, haben unerwünschte Auswirkungen auf Schaltungen in Computersystemen oder anderen elektronischen Anlagen.

8. Frequenzabweichungen
Hierbei handelt es sich um eine Abweichung von der normalerweise konstanten Netzfrequenz (in Deutschland 50 Hertz oder z. B. in den USA 60 Hertz).

9. Harmonische Oberwellen
Harmonische Oberwellen sind Verzerrungen der normalen Wellenform und werden normalerweise von nichtlinearen Lasten (z. B. Leuchtstoffröhren) in die Netzleitungen übertragen.

So schützt man elektronische Systeme

Die Antwort ist der Einsatz einer Unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV). Als Basisfunktion liefert die USV bei einem vollständigen Stromausfall weiterhin Spannung, so dass ausreichend Zeit bleibt, kritische Daten zu sichern und alle Dateien geordnet zu schließen. Ein System- Absturz wird somit verhindert. Auf einer komplexeren Ebene wird die elektrische Versorgung durch die USV aufbereitet und gefiltert, so dass das System ausschließlich „saubere“ Spannung erhält.

Es gibt grundsätzlich drei Arten von USV-Technologien: Offline-, Line-Interaktive- und Online-Systeme.

Offline-Systeme, auch „Standby“ genannt, sind für den Schutz eines einzelnen PCs oder einer einzelnen Workstation konzipiert. Dies sind normalerweise die preisgünstigsten USVs. Sie bieten aber nur bei einem vollständigen Stromausfall eine Absicherung und enthalten keine besonderen Funktionen zur Spannungsaufbereitung. Als „Offline“-Systeme werden sie bezeichnet, weil der eingebaute Wechselrichter nur bei einem Spannungsausfall aktiv wird. Unterschreitet die Spannung einen bestimmten Wert, wechseln diese Einheiten über einen Schalter zur Versorgung des Wechselrichters durch Batteriespannung. Dabei kommt es zu Verzögerungen von zwei bis drei Millisekunden, die jedoch von den vielen Computern überbrückt werden können. Der Wechselrichter in der USV wandelt die Gleichspannung der Batterien in Wechselspannung um, die dann die Stromversorgung des Computers sichert.

Die Line-Interaktiven USVs bieten kostengünstig schon einen besseren Schutz als die Offline-Systeme. Im Gegensatz zur Online-Technologie können sie jedoch Frequenzabweichungen nicht korrigieren. Sie bieten neben dem Schutz bei Stromausfall auch die Spannungssaufbereitung, welche Spitzen und Unebenheiten des Stromversorgungsnetzes glättet. Sinkt bspw. die Spannung unter einen festgelegten Pegel, wird ein Schalter aktiviert und der Wechselrichter versorgt nun mit Hilfe des Batteriestromes den USV-Ausgang und die angeschlossenen Geräte mit Wechselspannung.

Für geschäftskritische Anwendungen

Online-USVs (Double Conversion) sind unabdingbar für alle Bereiche, bei denen geschäftskritische Anwendungen geschützt werden müssen. Bei dieser USV-Technologie gibt es keine, auch noch so kurze, Umschaltzeiten von Netz- auf Batteriebetrieb mehr. Die Double-Conversion-Methode wandelt kontinuierlich die Netzspannung in Gleichspannung um. Diese gewandelte Eingangsspannung wird dann über die Batterie durch einen Wechselrichter wieder in die Wechselspannung für die angeschlossenen Verbraucher zurückgewandelt.

Ein Online-System säubert und filtert Spannung, so dass das System einen sauberen, rein sinusförmigen Strom erhält. Auswirkungen von Spannungsspitzen und Überspannungen oder Frequenzproblemen lassen sich vollständig beseitigen. Die Online-Technologie ist die beste Spannungsschutz-Lösung bei anspruchsvollen Anwendungen. Die Sicherheit kann nochmals gesteigert werden durch eine komfortable USVÜberwachungssoftware. Verantwortliche IT-Manager werden nicht nur über potentielle Spannungsprobleme umgehend informiert, auch im Normalbetrieb kann er jederzeit alle relevanten Daten an jedem Terminal mit Netzanschluss abrufen, kontrollieren oder steuern.

USV-Planung

Grundsätzlich sollten USV-Installationen bereits bei der Planung, vor der Errichtung eines Gebäudes oder einer IT-Struktur, berücksichtigt werden. In Krankenhäusern oder Finanzinstituten bspw., wo bei einem längeren Stromausfall eine kontinuierliche Fortführung des Betriebs gewährleistet sein muss, ist die übliche Autonomiezeit einer USV von normalerweise zehn Minuten bis zu zwei Stunden nicht ausreichend. In diesen Fällen ist ein Back-up-Generator erforderlich. Hier benötigt man dann eine USV, um die Zeit, bis der Generator gleichmäßig und synchron mit dem Netz die Versorgung übernehmen kann, zu überbrücken.