Kurzschlussstrombegrenzende Geräte
Mehr Sicherheit und Hochverfügbarkeit
Datenspeicherung geschieht heute immer mehr in der Cloud. Nutzer verlangen einen schnellen Zugriff auf das Internet von jedem Ort aus und zu jeder Zeit. Somit wächst weltweit das Aufkommen an IT-Daten kontinuierlich. Dies wirkt sich signifikant auf die Anforderungen an die Qualität und die Anzahl der weltweit verfügbaren Rechenzentren aus.
Die höchste Verfügbarkeit der Daten ist die wichtigste Aufgabe eines Rechenzentrums. Entscheidend ist, dass unter keinen Umständen ein Ausfall auftritt. Aus diesem Grunde verlangen alle Rechenzentren den höchsten Grad an elektrischer Verfügbarkeit, was sich unter anderem in einer redundanten unterbrechungsfreien Stromversorgung widerspiegelt.
RZs müssen zum einen eine technisch zuverlässige Datenverfügbarkeit für die Kunden garantieren. Jeder Kunde verlangt rund um die Uhr von jedem Ort einen sicheren, schnellen und zuverlässigen Zugriff auf seine Daten. Zum anderen muss jedes Rechenzentrum als Unternehmen - für sich - auf eine kosteneffiziente Performance achten.
Über die Jahre haben sich die RZs an die erhöhten Ansprüche hinsichtlich Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit angepasst. Während zu Beginn des Internet-Zeitalters die redundante Spannungsversorgung nur eine untergeordnete Rolle gespielt hat, ist die Spannungsversorgung eines Rechenzentrums heute durch eine komplexe Technik von Netz-Einspeise-Transformatoren, Generatoren, unterbrechungsfreier Stromversorgung (USVs) sowie durch einen Ausgleichsring sichergestellt.
Grundsätzlich lässt sich die Qualität eines Rechenzentrums zum Beispiel mit dem sogenannten Tier-Standard klassifizieren (Uptime Institute, TIA-942). Er berücksichtigt die Verfügbarkeit, das Auftreten von Singlepoints of Failure sowie die Erwärmungsleistung. Die vier Tier-Standards fasst die Tabelle auf dieser Seite zusammen.
Eine sehr effiziente Möglichkeit für die Optimierung von Rechenzentren besteht in der Verwendung eines kurzschlussstrombegrenzenden Systems. Dabei ist es wichtig, dass ein beginnender Kurzschlussstrom in Mittel- und Niederspannungsinstallationen im ersten Stromanstieg, das heißt in weniger als einer Millisekunde, erfasst und begrenzt wird. Damit ist es zum einen möglich, zwei Schaltanlagenteile zu koppeln, die jeweils kurzschlussmäßig voll ausgelastet sind. Ein weiterer wichtiger Vorteil besteht darin, dass in den "gesunden" Rechenzentrumssegmenten kein negativer Einfluss vom fehlerbehafteten Segment zu erkennen ist. Dies bedeutet, dass sich der Spannungsfall vom fehlerbehafteten Segment nicht auf das gesunde Segment auswirkt.
Funktionstüchtigkeit
Bild 1 zeigt im grauen Bereich auf, welcher Spannungsfall über die Zeit zum Versagen der Server führen wird (Funktionstüchtigkeit des Rechenzentrums). Durch den Einsatz des kurzschlussstrombegrenzenden Geräts lässt sich sicherstellen, dass sich trotz Kurzschluss in einem Segment des Rechenzentrums kein gravierender Spannungsfall auf die übrigen Segmente des Rechenzentrums und somit kein Ausfall des Rechenzentrums einstellt.
Das kurzschlussstrombegrenzende System misst kontinuierlich den Stromaugenblickswert und die Steilheit des Stroms. Ein Beispiel für ein solches System ist der IS-Begrenzer. Nur wenn der Stromaugenblickswert durch den IS-Begrenzer und deren Stromsteilheit die projektbezogen voreingestellten Einstellwerte gleichzeitig erreicht, wird der IS-Begrenzer auslösen.
Kurzschlussbeitrag abschalten
Dies bedeutet, dass das kurzschlussstrombegrenzende System im ersten Stromanstieg den Kurzschlussbeitrag abschaltet. Bild 2 zeigt die Funktion des IS-Begrenzers, also unter anderem die Abschaltung des Kurzschlussstrome i2 vor Erreichen des ersten Peak-Werts ip.
Der IS-Begrenzer besteht aus
- drei Stromwandlern, die kontinuierlich den Strom durch den IS-Begrenzer messen,
- einer analogen IS-Begrenzer Mess- und Auslöseeinrichtung, die diesen Strom auswertet. Dafür werden kontinuierlich der Augenblickswert des Stroms sowie die Stromsteilheit gemessen. Nur wenn sowohl der Stromaugenblickswert als auch die Stromsteilheit gleichzeitig die projektbezogen voreingestellten Einstellwerte erreichen, löst der IS-Begrenzer aus, und
- drei IS-Begrenzer Einsatzhalter mit je einem IS-Begrenzer-Einsatz. Der IS-Begrenzer ist das eigentliche Schaltelement. Eine Auslösung aktiviert eine Ladung, die einen Hauptstrompfad an der Sollbruchstelle trennt. Danach kommutiert der Strom auf parallele Hochspannungs-Hochleistungssicherungen, die vor Erreichen des ersten Peaks den Strom begrenzen.
Ein kurzschlussstrombegrenzendes Gerät ist in einem Rechenzentrum typischerweise in den Ausgleichsring eingebaut. Vor Fehlereintritt kann das Rechenzentrum somit die maximale Redundanz nutzen. Im Fall eines Kurzschlusses trennt das System in sehr kurzer Zeit (kleiner als 0,6 ms) das fehlerbehaftete Segment vom übrigen Rechenzentrum. Damit hat das fehlerbehaftete Segment auch keinen Einfluss auf das übrige Rechenzentrum (Spannungsfall und Versorgungssicherheit).
Bild 3 zeigt schematisch den Aufbau eines typischen Rechenzentrums auf der Basis von drei Segmenten. Oft sind auch mehrere Segmente realisiert. Dabei ist durch Source 1, 2 und 3 vereinfacht die redundante Einspeisung durch Netz-Einspeise-Transformatoren, Generatoren und unterbrechungsfreien Stromversorgungen (USVs) dargestellt.
Die gesunden Segmente bleiben unverändert verbunden und verfügen damit über die geforderte Ausfallsicherheit: Bei einem Kurzschluss auf BB5 werden nur IS-Begrenzer 1 und 2 (IS-1 und IS-2) auslösen. Die Systeme BB4 und BB6 bleiben über IS-Begrenzer 3 (IS-3) verbunden.
Vorteile
Durch den Einbau eines kurzschlussstrombegrenzenden Gerätes lassen sich insgesamt folgende wichtige Vorteile erzielen: Die Einflüsse eines Kurzschlusses (zum Beispiel Spannungsabfall) sind nur auf das fehlerbehaftete Segment des Rechenzentrums beschränkt. Die Reduzierung des Spannungsabfalls erhöht die Verfügbarkeit des Rechenzentrums (Bild 1).
Mehr Flexibilität durch Modularität
Es entsteht eine höhere Flexibilität durch modulare Erweiterungsmöglichkeit, und zwar abhängig von den Betreiberanforderungen. Sowohl die CAPEX-Kosten (Investitionsausgaben für längerfristige Anlagegüter) als auch die OPEX-Kosten (laufenden Ausgaben für einen funktionierenden operativen Geschäftsbetrieb) lassen sich damit optimieren. Durch den Einbau von IS-Begrenzern kann ein Betreiber mit den Installationskosten von Tier 3 den bessern Tier-4-Level erreichen. Während der Wartungsarbeiten bleibt die Redundanz erhalten. Und schlussendlich führt die erhöhte Effizienz zu geringen Verlustleistungen und somit zu reduzierten Energiekosten.
Volker Schmidt ist Senior-Projekt-Experte IS-Begrenzer bei ABB (www.abb.com) und Ebru Karaöz ist Produkt-Managerin IS-Begrenzer und FC-Protector bei ABB (www.abb.com).
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