Kurz- und langfristige Ausfälle

Kurz- und langfristige Ausfälle: Ursachen, Auswirkungen und Lösungen für Ihre Anlage

In der idealen Welt ist die elektrische Spannung eine konstante Sinuswelle, die rund um die Uhr verfügbar ist. Die Realität in der Industrie, in Krankenhäusern und Rechenzentren ist jedoch unberechenbar. Eine kurz- oder langfristige Unterbrechung - umgangssprachlich oft als Stromausfall oder Blackout bezeichnet - bedeutet, dass die Spannung auf einer oder mehreren Phasen fast vollständig ausfällt. Selbst eine Unterbrechung von wenigen Millisekunden kann in modernen Anlagen zum Stillstand kritischer Prozesse, zu Datenverlusten und erheblichen finanziellen Einbußen führen.

Bei HyTEPS stellen wir fest, dass sich viele Anlagenbetreiber auf die Vermeidung langfristiger Ausfälle konzentrieren, während gerade die kurzen Unterbrechungen(Transienten und kurze Spannungseinbrüche, die in eine Nullspannung übergehen) häufiger vorkommen und schwieriger zu diagnostizieren sind. In diesem Artikel erläutern wir den technischen Hintergrund, die Unterscheidung zwischen kurzen und langen Unterbrechungen gemäß den Normen (z. B. EN 50160) und - ganz wichtig - wie Sie Ihre Anlage gegen diese unvermeidlichen Ereignisse widerstandsfähig machen können.

Was genau ist ein Spannungsausfall?

Um die richtigen Maßnahmen zu ergreifen, müssen wir zunächst die Definitionen schärfen. Nach der europäischen Norm EN 50160 und internationalen Richtlinien spricht man von einer Unterbrechung, wenn die Versorgungsspannung an den Übergabestellen auf weniger als 1 % der vereinbarten Nennspannung abfällt. In der Praxis wird häufig die 5 %- oder 10 %-Grenze verwendet, je nach der Empfindlichkeit der angeschlossenen Geräte.

Wir unterscheiden zwischen zwei Arten, basierend auf der Dauer:

1. Kurzzeitige Unterbrechung (KU): Darunter versteht man eine Situation, in der die Spannung für einen Zeitraum von bis zu 3 Minuten ausfällt. In vielen Fällen ist die Dauer jedoch viel kürzer, von einigen Millisekunden bis zu einigen Sekunden. Sie werden häufig durch den Betrieb von automatischen Schaltern im Mittelspannungsnetz (z. B. 'Automatic Reconnection' oder AWI) verursacht, die versuchen, einen vorübergehenden Fehler, z. B. eine Abzweigung auf der Leitung, zu isolieren.
2. Längere Unterbrechung (LU): Hierbei handelt es sich um einen Spannungsausfall von mehr als 3 Minuten. Dies deutet auf eine dauerhafte Störung im Netz des Netzbetreibers oder in Ihrer eigenen Anlage hin, wie z. B. Grabungsschäden an einem Kabel, ein defekter Transformator oder ein Brand in einem Verteilungssystem. Die Wiederherstellung erfordert einen menschlichen Eingriff oder komplexe Schaltvorgänge.

Nuance - Einbruch vs. Unterbrechung: Es ist wichtig, einen Spannungseinbruch (Durchhang) nicht mit einer Unterbrechung zu verwechseln. Bei einem Spannungseinbruch sinkt die Spannung vorübergehend (z. B. auf 50 %), aber die Energie ist noch vorhanden. Bei einer Unterbrechung ist die Energieversorgung praktisch gleich Null. Ein PC kann manchmal während eines kurzen Einbruchs weiterarbeiten, fällt aber bei einer Unterbrechung ohne USV (Unterbrechungsfreie Stromversorgung) unwiderruflich aus.

Wie kommt es zu Ausfällen und wie erkennt man die Ursache?

Ein häufiger Fehler ist es, bei einem Ausfall direkt auf den Netzbetreiber zu zeigen. Obwohl externe Faktoren eine Rolle spielen, entstehen viele Probleme innerhalb der eigenen Anlage oder an der Schnittstelle (Point of Connection).

Häufige Ursachen:

1. Externe Ursachen (Das öffentliche Netz):
   • Witterungseinflüsse: Blitzeinschläge oder Sturmschäden an Freileitungen.
   • Ausgrabung: Physische Schäden an Kabeln.
   • Netzmanöver: Schaltung von Anschlüssen durch den Netzbetreiber.
   • Kurzschluss anderswo: Ein Kurzschluss bei einem benachbarten Unternehmen kann bei Ihnen einen tiefen Einbruch oder eine kurze Unterbrechung verursachen, bis der dortige Schutz eingreift.
2. Interne Ursachen (Ihre Anlage):
   • Fragen der Selektivität: Wenn eine Schutzeinrichtung (Sicherung oder Leistungsschalter) während einer Einschaltspitze "zu früh" oder ungewollt auslöst, kommt es zu einer lokalen Unterbrechung für diese Gruppe.
   • Menschliches Versagen: falsche Schaltvorgänge bei der Wartung.
   • Obsoleszenz: ausfallende Komponenten wie Kabeldosen oder Transformatoren.
   • Oberschwingungsbelastung: Obwohl Oberschwingungen in der Regel zu Überhitzung führen, können sie in extremen Fällen ungerechtfertigte Auslösungen von Schutzeinrichtungen verursachen, die zu Ausfällen führen.

Die Rolle der Messung und Analyse: Da eine kurze Unterbrechung manchmal so schnell vorbei ist, dass nicht einmal das Licht blinkt, sondern eine Maschine stillsteht, ist eine ständige Überwachung erforderlich. Mit modernen Netzqualitätsmessgeräten können wir mithilfe der kontinuierlichen Aufzeichnung der Wellenform genau sehen, was in den Millisekunden vor, während und nach dem Ausfall passiert ist.

Was können Sie gegen Spannungsausfälle tun?

Einbrüche im öffentlichen Netz lassen sich nicht gänzlich vermeiden, schließlich kann der Netzbetreiber weder das Wetter noch Baggerschäden beeinflussen. Sie können aber Ihre Anlage dagegen widerstandsfähig machen. Wir unterscheiden drei Ebenen von Lösungen:

Sie können das öffentliche Stromnetz nicht kontrollieren, aber Sie können Ihre Anlage immun (resilient) machen. Der Ansatz von HyTEPS basiert auf dem "Strukturmodell": erst analysieren, dann optimieren.

1. Schnelle Erfolge (operativ)

• Einstellungen überprüfen: Sind Ihre Schutzeinrichtungen (Leitungsschutzschalter, Fehlerstromschutzschalter) richtig eingestellt? Sind sie im Verhältnis zueinander selektiv?
• Wiederanlaufprotokolle: Stellen Sie sicher, dass Maschinen nach einer Unterbrechung nicht automatisch auf einmal wieder anlaufen. Dies verhindert eine weitere Belastungsspitze, die sofort zu einem weiteren Ausfall führt.

2. Hardware und Technik (strukturell)

• Unterbrechungsfreie Stromversorgungssysteme (USV): Für kritische IT- und Steuerungssysteme ist eine USV unverzichtbar. Sie überbrückt die Zeit zwischen Ausfall und Wiederherstellung (oder Start der NSA).
• Notstromversorgung (NSA): Langfristige Ausfälle erfordern einen Generator. Beachten Sie, dass dies keine Lösung für kurze Unterbrechungen aufgrund der Anlaufzeit ist.
• Ride-Through-Funktionalität: Viele moderne Frequenzumrichter verfügen über Einstellungen zur Überbrückung einer kurzen Gleichstrombus-Unterspannung" (Kinetic Buffering). Unsere Ingenieure können Ihnen dabei helfen, festzustellen, ob dies anwendbar ist.
• Aktiver Oberschwingungsfilter (AHF): Obwohl ein AHF in erster Linie Oberschwingungen reduziert, kann er die Belastung von Transformatoren und Kabeln verringern, was mehr "Platz" in der Installation schafft und das Risiko interner Ausfälle aufgrund von Überlastung verringert.

Hinweis zur USV-Auswahl: Eine USV ist selbst eine nichtlineare Last, die Oberschwingungsbelastungen verursachen kann. Eine falsch gewählte USV kann die Netzqualität im Rest Ihrer Installation verschlechtern. Lassen Sie sich über das Zusammenspiel von USV und Installation beraten.