Differenzstromüberwachung im Rechenzentrum
PDUs als normkonforme Lösung
Um Personen und Anlagen vor Fehlerströmen zu schützen, müssten Rechenzentren (RZs) mit Abschaltmechanismen wie FI-Schutzschaltern ausgerüstet sein. Zudem sind regelmäßige Isolationsmessungen vorgeschrieben, die ein Abschalten der Anlage zumindest in Teilen voraussetzen. Doch die Normung gestattet alternativ auch eine kontinuierliche Überwachung der Differenzströme an festgelegten Punkten des Fünfleiternetzes. Dies kann zum Beispiel über geeignete Power Distribution Units (PDUs) erfolgen.
Voraussetzung ist eine EMV-gerechte Installation, die Elektrofachkräfte instand halten. Zudem muss durch messtechnische Maßnahmen sichergestellt sein, dass sich Schäden rechtzeitig entdecken und beheben lassen. Mit einer Differenzstromüberwachung nach DIN??EN?62020 (DVE?0663) "Elektrisches Installationsmaterial. Differenzstrom-Überwachungsgeräte für Hausinstallationen und ähnliche Verwendungen" oder auch nach der internationalen Variante IEC 62020 lässt sich dies normgerecht erfüllen.
Fünfleiternetz als Basis
Eine EMV-gerechte Installation heißt im RZ: Es gibt ein durchgängiges Fünfleiternetz nach dem TN-S-System. Dabei sind N- und PE-Leiter nur an einem, dem zentralen Erdungspunkt, miteinander verbunden. Dies soll sogenannte vagabundierende Ströme und Arbeitsströme auf Schutzleiter und Schirmung ausschließen.
Doch Geräte und IT-Komponenten mit Schaltnetzteilen sind mit Filterkondensatoren ausgestattet, die einen Stromfluss durch den Schutzleiter bewirken. Das Gleiche gilt zum Beispiel für die Beleuchtung. Für allgemeine Geräte sind gemäß DIN VDE 0701-0702 Ableitströme von bis zu 3,5?mA im Schutzleiter zulässig. Diese addieren sich bei mehreren angeschlossenen Geräten. Ein gegenüber dem Normalzustand erhöhter Fehlerstrom deutet auf einen Isolationsfehler hin, der schnellstmöglich zu lokalisieren ist. Dazu dient die Differenzstromüberwachung, auch Residual Current Monitor (RCM) genannt.
PDUs mit RCM für hohe Granularität
In der Regel sind die RCMs an den Abzweigungen der Stromverteiler angebracht, bei TN-S-Systemen auch am zentralen Erdungspunkt. In Rechenzentren platziert man die RCMs vor allem auf der Ausgangsebene des Stromverteilungssystems. Für eine schnelle und effiziente Lokalisierung und Fehlerbehebung ist es jedoch sinnvoll, intelligente Rack-PDUs mit integrierten RCMs einzusetzen. Diese messen den Fehlerstrom bis hinunter zur Rack-Ebene sowie dort gegebenenfalls für jede Phase und melden Schwellenwertüberschreitungen frühzeitig und mit genauer Standortinformation.
Ein RCM misst die Ströme aller Außenleiter (L1, L2, L3) und auf dem N-Leiter, die sich im Normalbetrieb gegenseitig aufheben. Eine Differenz, etwa durch einen Ableit- oder Fehlerstrom in einem Gerät oder in der Installation, ist so messtechnisch feststellbar. Für das Auslösen eines Alarms muss der RZ-Betreiber einen Schwellenwert eingeben.
Die Norm IEC?62020 definiert dazu den Ansprechdifferenzstrom als Schwellenwert für den Fehlerstrom, bei dem der RCM einen Alarm melden muss. Die Meldung erfolgt normkonform, wenn sie zwischen dem halben und dem vollen Auslösedifferenzstrom erfolgt. Der RCM setzt den Alarm wieder zurück, sobald der Fehlerstrom unter diesem Betrag liegt.
Bei einer Wechselstromversorgung, in der nur Wechselströme und pulsierende Gleichströme auftreten, sind RCMs des Typs?A sinnvoll. Das Modell Raritan RCM Typ?A zum Beispiel entspricht der IEC 62020 für einstellbare Ansprechdifferenzströme zwischen 6?mA und 500?mA und misst Fehlerströme zwischen 0?mA und 1?A.
In RZs komme heute bevorzugt allstromsensitive RCMs vom Typ?B zum Einsatz. Sie erkennen Wechselströme unterschiedlicher Frequenz (bis mindestens 1?kHz) sowie pulsierende und glatte Gleichströme. Das Modell Raritan RCM Typ B entspricht beispielsweise der IEC?62020 für einstellbare Ansprechdifferenzströme zwischen 15?mA und 300?mA und misst Fehlerströme zwischen 0?mA und 1?A. Dabei enthalten PDUs für Fünfleiternetze entweder einen Sensor, der über alle vier Strompfade (die drei Außenleiter und den Neutralleiter) misst, oder sie sind mit drei Sensoren ausgestattet, um jede Phase einzeln überwachen zu können.
Bei RCMs des Typs B melden die Geräte einiger Hersteller separate Werte für den Gleich- und Wechselstromanteil. Nach dem Stand der Technik ist eine genaue Gleichstrommessung schwierig, und Fehler im Sensor können zu Fehlmeldungen führen. Eine separate Gleichanteilanzeige kann jedoch bei der Diagnose von Fehlerursachen nützlich sein. Der Ansprechdifferenzstrom, bei dem der Sensor ein mögliches Sicherheitsproblem meldet, muss jedoch immer auf allen Gleich- und Wechselstromanteilen basieren.
Automatischer Selbsttest möglich
Bei RCMs mit Selbsttestfunktion entfallen die sonst vorgeschriebenen regelmäßigen Überprüfungen durch einen Elektriker. Auch die Raritan RCMs sind mit einer Selbsttestfunktion ausgestattet, die eine einwandfreie Funktion von RCM-Sensor und Alarmsystem der PDU sicherstellt. Der Selbsttest liefert eine positive Rückmeldung darüber, dass der Sensor und das Alarmsystem ordnungsgemäß funktionieren. Dazu schaltet die RCM-Selbsttestfunktion einen Prüfwechselstrom auf den Sensor. Der Schaltkreis funktioniert einwandfrei, wenn er beim Einschalten der Prüfstromquelle einen Unterschied zum prüfstromfreien Zustand feststellt. Bei Bestehen geht der Sensor automatisch zurück in den Normalbetrieb, bei Nichtbestehen erfolgt ein Alarm.
Diesen Selbsttest kann der Anwender manuell über das Bedienfeld auslösen. Alternativ ist auch ein automatischer Test über den Ereignisplaner der PDU möglich. Er ist im Beispielfall auch über die Power-Management-Software Power IQ von Sunbird oder einer anderen Monitoring- oder DCIM-Lösung auslösbar. Die PDU sendet die Messwerte und Alarme dann zum Beispiel per SNMP?v3 an das angebundene System. Auch eine Abfrage über Modbus, TCP oder Scripting (JSON RPC/LUA) ist möglich.
Die Grenzwerte lassen sich bei PDU-basierenden RCMs in der Regel individuell konfigurieren. Bei den PDUs von Raritan ist der Ansprechdifferenzstrom ab Werk auf 30?mA voreingestellt, um genaue und sichere Warnmeldungen zu gewährleisten. Die Voreinstellungen kann der Anwender nach den Gegebenheiten vor
Ort allerdings auch selbst anpassen. Dazu existieren zwei Schwellenwerte: einer zur Vorwarnung und einer für den Strompegel, ab dem es für das System kritisch wird. Mit der Vorwarnung hat der Administrator die Möglichkeit, frühzeitig Anomalien zu erkennen und diese zu analysieren, bevor Störungen auftreten. Abhängig von der Granularität der Differenzstrommessung kann er sofort das betroffene Gerät identifizieren und die Ursache schnell beheben. Doch um Anomalien richtig einschätzen zu können, ist es wichtig, bei Veränderungen im Netz die Normalwerte für das RCM entsprechend anzupassen. Denn die Differenzströme verändern sich bei Hinzufügen oder Herausnahme eines Geräts.
Die PX3-PDUs von Raritan bieten neben der Option Differenzstromüberwachung und der Grundfunktion Stromverteilung noch zahlreiche weitere Funktionen. Beispielsweise lassen sich damit auch alle von der EN?50600-2-2 geforderten Kenngrößen zur Energieversorgung überwachen: Leistungsfaktor, Strom, Ausgangsspannung, Neutralleiter, Scheinleistung sowie Verbrauch in kWh. Zudem kann das Gerät die Ausgänge, Abzweigleitungen und den PDU-Eingang kontrollieren. Sie eignen sich somit auch für hocheffiziente RZs, bei denen die Verbrauchswerte gemäß EN?50600-2-2:2014 mit Granularitätsniveau 3 von der Hauptverteilerebene bis zum Endverbraucher überwacht werden müssen, um Lasten und Verbraucher eindeutig zuordnen zu können. Damit sind zum Beispiel die Verbrauchswerte von in IT-Schränken integrierten Kühlaggregaten der Kühlung zuzuordnen und fließen nicht in die IT-Verbrauchsbilanz ein.
Rack-Überwachung per DCIM- oder Power-Management-Tool
Die programmierbaren PX3-PDUs verfügen zudem über einen Sensor-Port. Über diesen lassen sich zum Beispiel Sensoren anschließen, um die Temperatur- und Feuchte, den Luftstrom, Differenzluftdruck oder auch Vibrationen zu messen. Selbst ein Asset-Management-System kann der Betreiber über die PDU anbinden.
Die Zustands- und Messdaten der PDUs verarbeitet die Power-Management-Software Power IQ von Sunbird oder auch eine andere Monitoring- oder DCIM-Lösung weiter. Dazu unterstützen die PDUs offene Standards wie SNMP und Modbus. Die PDUs lassen sich remote konfigurieren und administrieren, wozu neben einer seriellen auch LAN-Schnittstellen sowie USB-Ports für WLAN-Adapter zur Verfügung stehen. Zudem sind Apps für Android und Apple iOS verfügbar. Die Lösung unterstützt IPv4 und IPv6.
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