Netzumschaltgeräte an Standorten mit instabilen Stromnetzen

Es ist wichtig, mögliche Überspannungen und Instabilität in dem Hauptnetz zu berücksichtigen und Vorsorge zu treffen, um künftigen Störungen, Schaltfehlern und den daraus resultierenden Ausfällen der Stromversorgung und Mehrkosten in der Anlage vorzubeugen.


Antonio Moreno, HIMOINSA Sales Engineer


Die Merkmale der Anlage, in der ein Notstromaggregat als alternative Energiequelle für den Fall eines Hauptnetzausfalls installiert wird, sind für die Auswahl des Umschaltsystems absolut entscheidend. Neben der Leistungsausgabe, der Spannung und der Frequenz des Stromnetzes, stellen auch der Standort und das Layout der Anlage Faktoren dar, die angemessen berücksichtigt werden sollten, bevor eine Entscheidung getroffen wird. Eine schlechte Wahl kann zu Fehlfunktionen, Stromausfällen und unerwarteten Mehrkosten in der Anlage führen. Alle auf dem Markt erhältliche Technologien sind für die Durchführung einer zufriedenstellenden Umschaltung geeignet, aber sind auch alle für Standorte mit einem instabilen Stromnetz geeignet? Welche Parameter sollten berücksichtigt werden, bevor man sich für die eine oder andere Art der Umschaltung entscheidet?



Arten der Umschaltung und Standardlösungen je nach Stromstärke

Ein Netzumschaltgerät bzw. ATS (Automatic Transfer Switch) ist eine Vorrichtung mit einem Leistungsausgang und zwei Stromeingängen, einer von einer Hauptstromquelle (im Normalfall das Hauptstromnetz) und der andere von einer Notstromquelle (im Normalfall ein Stromaggregat).  Solange das Hauptstromnetz normal funktioniert, ist der dazugehörige Eingang am Umschaltgerät aktiviert. Bei einem Ausfall des Hauptstromnetzes oder wenn sich die Parameter außerhalb des 

festgelegten Bereichs befinden, schaltet das Gerät diesen Netzeingang ab und aktiviert den Stromeingang vom Stromaggregat, um die Stromversorgung zu gewährleisten bis sich das Netz stabilisiert hat und der umgekehrte Prozess durchgeführt wird. 

Zur Durchführung der Umschaltung im Allgemeinen und insbesondere der Umschaltung vom Stromnetz auf ein Stromaggregat werden aktuell unterschiedliche Technologien angeboten:



SCHALTERPAAR


Hierbei handelt es sich um das einfachste Umschaltsystem des Marktes. Es besteht aus zwei elektromechanischen Schaltern, die den Stromfluss herstellen bzw. unterbrechen sobald Spannung an der Spule anliegt.

LASTTRENNSCHALTERPAAR ODER MOTORBETRIEBENE SCHALTER

Dieses System erlaubt die Steuerung der beiden Stromversorgungsquellen für eine alternative oder eine gleichzeitige Versorgung. Dank dieser Eigenschaft ist diese Art der Umschaltung sehr geeignet für Projekte, bei denen die Notstromquelle mit der Hauptstromquelle synchronisiert werden kann. Die motorisierten Schalter ermöglichen eine "Rückschaltung ohne Null" auf die Hauptnetzversorgung, wodurch jeglicher Stromausfall während der Umschaltung von einer Quelle auf die andere vermieden wird.  

MOTORBETRIEBENER LASTUMSCHALTER


Im Gegensatz zu den beiden zuvor genannten Schaltern handelt es sich um eine einheitliche Einrichtung, die eine der beiden Stromquellen über einen integrierten Motorantrieb aktiviert. Neben der einfachen Montage stellen die hohe Haltbarkeit und die große Anzahl der möglichen Schaltvorgänge die Hauptvorteile dieses Systems dar.



Die Auswahl der am besten geeigneten Art der Umschaltung wird in der Regel durch die Größe der Anlage und das Budget bestimmt. Somit kommen, in Abhängigkeit von der Stromstärke, für gewöhnlich folgende Standardlösungen zur Anwendung: 


Welchen Problemen sind Netzumschaltgeräte an Standorten mit instabilen Stromnetzen ausgesetzt?

Die Umschaltung der Stromversorgung vom Stromnetz auf das Stromaggregat kann beeinträchtigt werden, wenn sich die Anlage an einem Standort mit einem instabilen Stromnetz befindet. Das Engineering-Team von HIMOINSA ist zu der Erkenntnis gekommen, dass häufige Stromausfälle und insbesondere Überspannungen zu Schäden und Ausfällen der Umschaltgeräte führen, die Wechselstrom (AC)-Schaltschütze mit Spulen und motorbetriebene Umschalter mit Wechselstrom-Motorantrieben verwenden.   

Im Fall der Verwendung von Schaltschützen, wurde ein deutlicher Anstieg der Störungen in der Anlage festgestellt. Ständige Spannungsstöße im Stromnetz beschädigen auf die Dauer die Spulen der Schaltschütze und beeinträchtigen deren Funktion, was dazu führt, dass im Fall eines Netzausfalls die Umschaltung nicht durchgeführt werden kann.

Bei den Lasttrennschalterpaaren bzw. den motorbetriebenen Lastumschaltern mit Wechselstrom-Motorantrieb konnte ebenfalls eine große Anzahl an Störungen beobachtet werden. In diesem Fall führen die durch die Überspannungen verursachten Schäden am Motorantrieb bzw. den Spulen dazu, dass der Umschalter trotz Erhalt des entsprechenden Befehls nicht die Position wechselt, wodurch es zu einem Stromausfall kommt. Das Problem wird verstärkt, wenn die Betriebsspannung die Belastungsgrenzen des vom Hersteller des Steuermotors vorgegebenen Toleranzbereichs erreicht.



Die geeignetsten Lösungen für die Umschaltung bei einer instabilen Hauptstromversorgung



Störungen in der Netzumschaltung führen zu Ausfällen bei der Stromendversorgung und folglich zu möglichen wirtschaftlichen Verlusten für den Nutzer, neben den Mehrkosten, die dieser für die Instandsetzungen aufwenden muss, wodurch es zu einer Steigerung der anfänglichen Investition kommt.

 Die häufigste Lösung in diesen Fällen ist, bei der Planung der Anlage Überspannungsableiter vorzusehen. Obwohl diese Vorrichtungen das Problem anfänglich beseitigen können, handelt es sich um Geräte, die mittelfristig auch durch die Überspannungen im Stromnetz beschädigt werden.

Um die Störungen zu reduzieren und die Qualität und Wirtschaftlichkeit der Anlage zu gewährleisten empfiehlt HIMOINSA deshalb ganz bestimmte Typen von Netzumschaltgeräten, wenn diese in einem Gebiet mit häufigen Problemen bei der Stromversorgung installiert werden sollen.


1.     Für eine Stromstärke von bis zu 3200A, empfehlen wir die Verwendung von motorbetriebenen Schaltern mit Gleichstrom-Motorantrieb (DC) anstatt Wechselstrom-Motorantrieb (VC), um sie gegen Spannungsschwankungen zu isolieren. Außerdem sollte ein 12 V DC oder 24 V DC-Motorantrieb, je nach Hilfsspannung des Stromaggregats, verwendet werden.


2.    Für Umschaltungen von über 3200A, empfehlen wir die Verwendung eines Paares motorbetriebener Schutzschalter bzw. motorbetriebener Trennschaltern mit Spulen und elektrischer 24-V-DC-Steuerung.


Dank der Verwendung einer Gleichstromversorgung werden die Umschaltelemente, die am empfindlichsten auf die Spannungsschwankungen des Stromnetzes reagieren, wie Spulen und motorbetriebene Steuerungen, gegen diese Schwankungen isoliert, wodurch sich die Lebensdauer der Anlage erhöht.

Aber, welche Quelle soll für die Gleichstromversorgung dieser empfindlichen Elemente genutzt werden? Die passendste Antwort für jedes Projekt wird ausschließlich anhand eines Schlüsselfaktors bestimmt: das Anlagenlayout und der Abstand zwischen dem ATS und dem Stromaggregat. Um zu bestimmen, ob der Anstand zu groß ist oder nicht, nehmen wir als Parameter den für den geplanten Verbrauch notwendigen Leitungsquerschnitt. Ebenso wird für das Element der Anlage mit dem größten Störeffekt ein Spannungsabfall innerhalb des empfohlenen Grenzwertes berücksichtigt.   

  • Wenn der Abstand zwischen dem Netzumschalter und dem Stromaggregat einen Leitungsquerschnitt von weniger als 6-10 mm2 erfordert, wird empfohlen, die Versorgung direkt über die elektrische Hilfsanlage des Aggregats, d.h. über die Batterien des Aggregats, vorzunehmen.
  • Sollte die vorgenannte Option nicht durchführbar und das Stromaggregat zu weit von dem Netzumschalter entfernt sein, wird empfohlen, ein eigenes Gleichstrom-Versorgungssystem im Netzumschaltgerät mit Batterieladegerät und Batterien zu verwenden. 

Schlussfolgerungen

Die Leistungsausgabe, die Spannung, die Frequenz des Stromnetzes und das Budget sind nicht die einzigen Umstände, die die Installation der einen oder der anderen Art der Umschaltung beeinflussen. Es ist wichtig, mögliche Überspannungen und Instabilität in dem Hauptnetz zu berücksichtigen und Vorsorge zu treffen, um künftigen Störungen, Schaltfehlern und den daraus resultierenden Ausfällen der Stromversorgung und Mehrkosten in der Anlage vorzubeugen. Die Isolierung der Elemente, die am empfindlichsten auf Spannungsschwankungen reagieren, wie die Spulen und die Motorantriebe der Umschaltsysteme, ermöglicht die Vermeidung dieser Ausfälle und 

gewährleistet selbst an Standorten mit instabilen Stromnetzen den ordnungsgemäßen Betrieb der Netzumschaltgeräte.

HIMOINSA stellt Netzumschaltgeräte her, die zur Umschaltung der Stromversorgung zwischen dem Stromnetz und dem Stromaggregat dienen und bietet Ihnen die geeignete Beratung über die Anlage, die sich am besten an die Anforderungen Ihres Projekts anpasst. 



Antonio Moreno Carrasco. Wirtschaftsingenieur, spezialisiert auf elektrische Anlagen. Seit 2013 arbeitet er im Bereich Wirtschaftsingenieurwesen von HIMOINSA an der wirtschaftlichen und technischen Durchführbarkeitsstudie von speziellen Projekten als Berater im Hinblick auf die Qualität und Aufwendungen der Engineering-Lösungen, um das Produkt auf die Bedürfnisse jedes einzelnen Projekts anzupassen.