Varianten der Differenzstrom-Messung im RZ
Messen vermittelt Sicherheit
Hochautomatisierte Rechenzentren und auch Anlagen mit kontinuierlichen Prozessen erfordern eine zuverlässige Stromversorgung. Grundvoraussetzung für die Hochverfügbarkeit und alle notwendigen weiteren Maßnahmen ist eine adäquate elektrische Installation. Die Bereitstellung und Aufrechterhaltung der gesamten Stromversorgung im Rechenzentrum ist in der Form eines TN-S-Systems zu gewährleisten, denn dieses entspricht dem aktuellen Stand der Technik für kritische Anwendungen.
Maßgeblich für das Vorgehen zum Schutz vor Störquellen ist die Normenreihe DIN VDE 0100 "Errichten von Niederspannungsanlagen – Teil 4-444: Schutzmaßnahmen - Schutz bei Störspannungen und elektromagnetischen Störgrößen". Nach deren Vorgaben muss bei einer Neuinstallation mit informationstechnischen Betriebsmitteln ein 5-Leiter-TN-S-System aufgebaut werden. Sein Betrieb ist durch entsprechende Maßnahmen (zum Beispiel durch eine ständige messtechnische Überwachung) sicherzustellen. Solche Systeme erlauben einen EMV-neutralen Betrieb von Niederspannungsanlagen. Im Gegensatz zu den früher üblichen TN-C-Systemen weisen sie zudem grundsätzlich weitere günstigere EMV-Eigenschaften auf.
In der Rechenzentrumsnorm EN 50600 findet man unter den Punkten Informationstechnik - Einrichtungen und Infrastrukturen von Rechenzentren - dazu: "Es müssen Einrichtungen installiert werden, die in der Lage sind, Fehlerströme an der Verbindung zwischen den Schutzleitern und den Neutralleitern des Stromverteilungssystems der Gebäude des Rechenzentrums zu messen und aufzuzeichnen." Für die Überwachung und Erhaltung und zur Sicherstellung des Betriebs dieser TN-S Netze empfiehlt es sich, diese elektrische Infrastruktur mit einer ganzheitlichen Differenzstrom-Überwachung (Residual Current Monitoring, RCM) zu monitoren. Fehler - etwa falsch angeschlossenen Betriebsmittel, PE- und N-Vertauschungen, defekte Gleichrichter in Netzteilen, schlechte Kontaktierung oder auch brandgefährliche Isolationsfehler in TN-S-Systemen - lassen sich damit schnell und sicher detektieren und lokalisieren. Auf diese Weise kann der Betreiber reagieren, bevor ein kritischer Zustand erreicht ist. Zudem sind Abschaltungen durch Fehlstromschutzschalter (RCD) vermeidbar. Dies gilt vor allem für schleichend steigende Differenzströme, beispielsweise ausgelöst durch Isolationsfehler, außerdem für zu hohe Betriebsströme oder anderweitige Überlastungen von Anlagenteilen oder Verbrauchern.
RCM-Messgeräte eignen sich zur Überwachung dieser Anforderung und können zur permanenten Überprüfung von Fehlerströmen in TN-S-Systemen dienen. Die Entwicklung bei den elektrischen Betriebsmitteln stellte in den letzten 20 Jahren wohl die größte Veränderung von Verbrauchern in der kompletten Haustechnik dar. Bei einem Rechenzentrum im Gebäude besteht zudem kontinuierlich die Möglichkeit, dass neue Verbraucher (IT-Systeme wie Server, Router, Switches) durch Nutzer eingebracht und in Betrieb genommen werden. Dreiphasige Netzteile können Gleichfehlerströme erzeugen, was jedoch nicht ausschließt, dass auch einphasige Verbraucher der Störgrund sein können. Die Ursache findet sich in den Netzteilen mit PFC-Schaltung (Power Factor Correcture). Die PFC-Schaltung ist gemäß EMV-Gesetz seit 2001 Pflicht für Schaltnetzteile mit mehr als 75 Watt. Sie sorgt dafür, dass die Netzteile eine geringere Stromverzerrung aufweisen und damit die Netze weniger "verschmutzen".
In der Regel verwenden IT-Komponenten Netzteile mit mehr als 75 Watt. Grundsätzlich ist dies auch ein guter Ansatz. Aber: Eine solche Schaltung birgt das Potenzial für Gleichfehlerströme. Die DIN VDE 0100 T.530:2018-06 bezieht sich nun auch auf diese Gefahr. Im Anhang A ist das Problem erstmalig dargestellt. Daher gehört der Umgang damit zu den allgemein anerkannten Regeln der Technik.
Dies erfordert ein komplettes Umdenken. Die bisher klassisch eingesetzten, pulsstromsensitiven Lösungen (Typ A) sind in solchen Fällen nun unbrauchbar. Der Grund: Gleichfehlerströme lassen sich von Messungen nach Typ A nicht erfassen, da keinerlei Induktion stattfindet. Gleichfehlerströme treiben vielmehr die Messwandler in den RCDs in die Sättigung und verhindern so die Übertragung und Auslösung von überlagerten Wechselstromgrößen. Die DIN VDE 0100 T 530 fordert den Planer und Betreiber auf, die richtige Messtechnik auszuwählen. Pulsstromsensitive Überwachung hat, zumindest in Stromkreisen mit nicht-linearen Verbrauchern, keine Zukunft. Die Empfehlung lautet folglich: Betreiber sollten Differenzströme mit allstromsensitiver Technik erfassen und auftretende DC-Fehlerströme messen, bevor diese zu einer Gefahr werden. Die Überwachung der ortsfest installierten Anlage lässt sich so selbst dann gewährleisten, wenn schadhafte Verbraucher Gleichfehlerströme erzeugen. Wesentlicher Bestandteil einer sicheren und hochverfügbaren Stromversorgung mittels einer wirkungsvollen Differenzstrom-Überwachung ist die kontinuierliche Erfassung und Überwachung sämtlicher relevanter Kenngrößen. In vielen bestehenden Anlagen ist dafür oft entsprechende Messtechnik nachzurüsten, was nicht immer unproblematisch ist. Speziell für solche Anforderungen hat der Hersteller Bender seine Sensor-Pro-Differenzstrom-Systeme entwickelt. Ein wichtiger Aspekt beim Betrieb und bei der ständigen Bewertung der Qualität einer elektrischen Anlage ist also die fortlaufende Messung und Kontrolle aller Energiekenngrößen wie Stromverbrauch, Spannungsqualität und Differenzstrom. Zu diesem Zweck muss insbesondere in älteren und über die Jahre gewachsenen Anlagen eine entsprechende Strommesstechnik nachgerüstet werden. Die Herausforderung bei einer solchen Installation besteht darin, den laufenden Betrieb möglichst aufrechtzuerhalten oder nur kurzzeitig zu unterbrechen, damit keine teuren Stillstandzeiten auftreten. Traditionell kommen bei der Differenzstrommessung allstromsensitive Wandler zum Einsatz. Diese sind jedoch so konstruiert, dass sie nur als geschlossene Messstromwandler erhältlich sind. Dabei ist der zu messende Leiter (Stromschiene oder Leitung) durch den Wandlerkern hindurchgeführt. Diese Bauform hat den Vorteil einer sehr sicheren und genauen Messung und Montage, jedoch den Nachteil, dass bei der Installation die zu messenden Leiter unterbrochen werden müssen. Da viele Betreiber ihre elektrischen Systeme nicht abschalten können, haben sie bisher von einer Installation abgesehen.
Für eine Nachrüstung von Laststrommessungen haben sich Umbau-Stromwandler, (Split-Core-Wandler) etabliert, da sie sich im Gegensatz zu den Standardstromwandlern mechanisch öffnen lassen. Diese Messtechnik war jedoch bisher nicht für die immer häufiger geforderte allstromsensitive Differenzstrommessung (RCM Typ B) erhältlich. Mit dem SensorPro-Messsystem bietet Bender nun eine Lösung an, die sich auch im Feld nachrüsten lässt.
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