Notstromaggregat-Systeme: Konstruktion, Installation, Wartung und Verkabelung für zuverlässige Stromversorgung

Übersicht über Notstromaggregate

Manuel Bolotinha

Einführung in Notstromaggregate

Krankenhäuser, Flughäfen, Einkaufszentren und Bürogebäude – um nur einige Beispiele zu nennen – sind in Bezug auf die Sicherheit von Personen und Sachwerten sehr empfindlich gegenüber Stromausfällen, die durch Fehler in Mittelspannungs- (MS) und Niederspannungs- (NS) Verteilnetzen sowie sogar in Hochspannungs- (HS^[1]) Übertragungsnetzen verursacht werden.

Wenn ein Stromausfall auftritt, ist es notwendig, dass Kommunikationssysteme, Notbeleuchtung, Rauchabzugslüfter, Feuerlöschwasser-Pumpstationen, Sicherheitssysteme, Beleuchtung in Gebäuden und andere kritische elektrische Systeme und Geräte, die als wesentliche Lasten (oder kritische Lasten) bezeichnet werden, weiterhin betriebsbereit bleiben.

Zur Lösung solcher Probleme ist die gängige Lösung die Installation von NS-Diesel-Notstromaggregaten, deren Anwendungen, Eigenschaften und Installationsverfahren gemäß IEC^[2] Norm 60034 ausgeführt werden müssen.

Nennleistung und Sternpunkterdung von Notstromaggregaten

Die Nennleistung von NS-Diesel-Notstromaggregaten^[3] hängt vom Betriebsregime ab: Standby, Prime und Continuous, wie in der ISO^[4] Norm 8528 definiert.

Im Standby-Regime variiert die verfügbare Leistung, die vom Generatoraggregat geliefert wird, mit dem Lastwert während des Ausfalls der normalen Stromversorgung und die mittlere Leistungsabgabe beträgt 70 % der Notstandby-Nennleistung. Typischer Betrieb dieses Regimes beträgt 200 Stunden pro Jahr mit einem Maximum von 500 Stunden pro Jahr.

Im Prime-Regime variiert die verfügbare Leistung, die vom Generatoraggregat geliefert wird, mit dem Lastwert für eine unbegrenzte Zeit und die mittlere Leistungsabgabe beträgt 70 % der Prime-Nennleistung. Typische Spitzenlast von 100 % der prime-bewerteten ekW^[5] mit 10 % Überlastfähigkeit für Notfälle für maximal 1 Stunde alle 12 Stunden; Überlastbetrieb darf 25 Stunden pro Jahr nicht überschreiten.

Im Continuous-Regime ist die Leistung verfügbar ohne Laständerung für unbegrenzte Zeit. Die mittlere Leistungsabgabe beträgt 70 – 100 % der Continuous-Nennleistung. Typische Spitzenlast beträgt 100 % der continuous-bewerteten ekW für 100 % der Betriebsstunden.

Nach den obigen Definitionen ist leicht zu verstehen, dass das gleiche Generatoraggregat unterschiedliche Nennleistungen für jedes Betriebsregime hat. Die Nennleistung im Standby-Regime ist höher als die Nennleistung im Prime-Regime, welche höher ist als die Nennleistung im Continuous-Regime.

Die Nennleistung von Generatoraggregaten kann in kVA oder kW für einen cos Φ (Leistungsfaktor)^[6] = 0,8 definiert werden. Es ist auch notwendig, die Netzfrequenz (50 Hz oder 60 Hz) festzulegen.

In Tabelle 1 sind beispielhaft die Werte der Nennleistung (kVA) einiger Generatoraggregate desselben Herstellers und derselben Baureihe gemäß dem Betriebsregime (f = 50 Hz) dargestellt.

Tabelle 1 – Beispiele für Nennleistungen von Notstromaggregaten nach Betriebsregime

Da das NS-Netz, das das Generatoraggregat elektrisch speist, isoliert ist und unsymmetrische Lasten aufweist, wird der Sternpunkt der Wicklungen des Generators^[7] direkt geerdet, da dieses Sternpunkterdungssystem das Verhalten des Generators bei solchen Lasten verbessert.

Konstruktion und Komponenten von Notstromaggregaten

Allgemeine Betrachtungen

Die Hauptkomponenten eines Generatoraggregats sind (siehe Abbildung 1):

• Motor
• Generator
• Hauptrahmen / Grundrahmen
• Starterbatterie und Ladegerät
• Schmiersystem
• Kühl- und Abgassysteme, einschließlich Kühler
• Kraftstoffsystem
• Spannungsregler
• Abgasrohr und Schalldämpfer
• Steuer- und Überwachungspanel

Abbildung 1 – Hauptkomponenten eines Generatoraggregats

Motor

Der Motor, der gemäß ISO-Norm 3046 ausgeführt sein muss, ist eine Verbrennungsmaschine, Viertakt, in der Regel dieselbetrieben (es gibt auch gasbetriebene Modelle). Die Motorleistung muss für die Nennleistung des Generators geeignet sein.

Hauptkomponenten des Motors sind:

• Elektronischer Drehzahlregler, üblicherweise mit einer Abweichung von ± 0,25
• Beschleunigungssteuerung und Lauf-/Stopphebel
• Standard-Stahlring zur Gewährleistung einer starren Verbindung zum Kupplungssystem des Generatorgehäuses
• Schwungrad und elastische Kupplung für die Generatorkupplung

Der Motor muss starten und arbeiten mindestens 8 Stunden unter Volllast, gefolgt von 1 Stunde mit 10 % Überlast unter den angegebenen Temperaturbedingungen. Der Motor muss über elektrischen Start verfügen, dessen Zeit nicht höher als 10 s sein darf.

Die Motorkühlung kann durch Luft- oder Wasserkreislauf in einem geschlossenen Kreislauf mit einem Kühler erfolgen. Um den Motor Start zu verbessern, muss ein Öl-, Wasser- oder Verbrennungsluft- Vorheizsystem (üblicherweise Widerstände) vorgesehen werden, das mit dem Temperaturanstieg des Karterfetts arbeiten muss.

Generator

Der Generator ist vom synchrone Typ, ein- oder dreiphasig, selbsteregt, geregelt und belüftet; die Belüftung des Generators erfolgt durch eine wellenkoaxiale Turbine.

Hauptmerkmale von Generatoren sind:

• Nennspannung: 230 V (einphasige Generatoren); 400/230 V (dreiphasige Generatoren).
• Nennfrequenz: 50 Hz oder 60 Hz.
• Nennleistung (abhängig vom Betriebsregime – siehe Abschnitt 2).
• Leistungsfaktor: üblicherweise 0,8.
• Isolierklasse: üblicherweise H.

Die Isolierklasse von Generatoren wird gemäß IEC-Norm 60085 festgelegt, unter Berücksichtigung der maximalen Temperatur, die die Wicklungen aushalten können, da die Temperatur häufig der Hauptfaktor ist, der zur Alterung des Isoliermaterials beiträgt. In Tabelle 2 sind die Isolierklassen von Generatoren dargestellt.

Tabelle 2 – Isolierklassen von Generatoren

Weitere Eigenschaften von Generatoren, die berücksichtigt werden müssen:

• Funkentstörung.
• Klirrfaktor: ≤ 2 % im Leerlauf; ≤ 3,5 % mit symmetrischer Last.
• Spannungsregelung: ±1,5 % für Leerlauf- und Volllaständerungen, Leistungsfaktor zwischen 0,8 und 1 und Drehzahländerungen von ± 4,5 %.
• Fähigkeit, die Spannung bis auf 3 % der Nennspannung innerhalb von 3 s wiederherzustellen, wenn Volllast plötzlich mit cos Φ = 0,8 zugeschaltet wird.
• Fähigkeit, Kurzschlussströme bis zu 300 % des Nennstroms für 5 s vor Auslösung der internen Schutzvorrichtungen zu widerstehen.

Weitere Komponenten und Systeme

Der Montagerahmen des Motors und Generators (und sogar des Tagesdieseltanks) besteht üblicherweise aus Standard-Stahlprofilen, elektrisch verschweißt, und schwingungsdämpfende Lager sollen eingebaut werden; diese Profile müssen berechnet werden, damit die eigene vertikale Schwingung bei etwa 7 Hz liegt.

Die Starterbatterie ist vom Typ Blei-Säure und mit einem Batterieladegerät verbunden, das die Erhaltungsladung der Batterie sicherstellt und normalerweise im Steuer- und Überwachungspanel installiert ist.

Die Abgasleitung muss einen Schalldämpfer enthalten (siehe Abbildung 2) und eine flexible Verbindung vom Abgasauslass des Motors zum Auslassrohr. Sowohl Schalldämpfer als auch Rohrleitung müssen thermisch mit Glaswolle, abgedeckt mit Aluminiumblech, isoliert werden.

Abbildung 2 – Abgasleitung eines Generatoraggregats

Das Kraftstoffsystem umfasst den Tagestank (mit Füllstandsanzeige und Min-/Max-Schaltern) und muss eine solche Kapazität haben, dass das Generatoraggregat während eines definierten Zeitraums bei Volllast-Nennleistung für das festgelegte Betriebsregime arbeiten kann.

Dieses System kann auch einen eventuellen Diesel-Vorratstank, Umfüllpumpen für den Tagestank (manuell und elektrisch) und die erforderlichen Rohrleitungen umfassen.

Steuer- und Überwachungspanel

Im Steuer- und Überwachungspanel sollen folgende Einrichtungen installiert werden:

• Messeinrichtungen (Amperemeter, Voltmeter, Frequenzmesser).
• Steuer- und Überwachungseinrichtungen: Start- und Stopp-Drucktasten; Öldruckmesser; Wassertemperaturanzeige.
• Wahlschalter mit 4 Positionen: Automatik/Hand/Test/Außer Betrieb.
• Automatisches Start- und Stopp-System für das Generatoraggregat.
• Leistungsschalter zum Generatorschutz.
• Überwachungslampen.
• Not-Aus-System des Motors.
• Batterieladegerät (siehe Abschnitt 3.4).
• Steuer- und Überwachungseinrichtungen für alle Hilfskomponenten des Generatoraggregats.

Installationsverfahren für Notstromaggregate

Generatoraggregate werden üblicherweise in Innenräumen in einem eigenen Raum installiert, der mit Ein- und Auslassgittern ausgestattet sein muss, die so berechnet sind, dass sie den erforderlichen Luftstrom für die Gerätekühlung sicherstellen.

Das Auslassgitter wird dem Kühler gegenüber installiert und muss ein einfaches Demontieren für das Entfernen des Generatoraggregats ermöglichen. In Situationen, in denen der erforderliche Luftstrom für die Generatorenkühlung nicht gewährleistet werden kann, ist es notwendig, einen getrennten Kühler vom Motor zu installieren.

In diesen Fällen erfolgt die Generatorenkühlung durch Frischwasserkreislauf in einem geschlossenen Kreislauf mittels einer Zentrifugalpumpe. Die Temperatur wird thermostatisch geregelt und die Wärmeabfuhr erfolgt durch einen Kühler, im Primärkreis installiert, und einen Lüfter. Der Kühler muss einen geringen Geräuschpegel aufweisen und auf schwingungsdämpfenden Lagern montiert sein.

Abbildung 3 zeigt ein Beispiel für das oben Erklärte.

Abbildung 3 – Installationsschema eines Generatoraggregats mit separatem Kühler

Wenn der Geräuschpegel des Generatoraggregats nach Lärmschutzvorschriften zu hoch ist, insbesondere wenn das Gerät im Freien installiert wird, muss das Generatoraggregat in einer Schallschutzkabine untergebracht werden, wie in Abbildung 4 dargestellt.

Abbildung 4 – Generatoraggregat in einer Schallschutzkabine

Wartung von Notstromaggregaten

Wie in Abschnitt 1 erwähnt, spielen Generatoraggregate eine kritische Rolle für die Sicherheit von Personen und Sachwerten bestimmter elektrischer Anlagen. Daher ist es wichtig, ein genaues Wartungsprogramm festzulegen, das Folgendes umfassen muss:

• Monatlicher oder zweiwöchiger Probelauf im Leerlauf für 4 Stunden (um sicherzustellen, dass er bei Bedarf läuft).
• Manueller Probelauf.
• Generatorstart bei Netzspannungsausfall und Überprüfung der Funktion des automatischen Netzumschalters.
• Sichtprüfung.
• Überprüfung der Erdungsverbindung des Sternpunkts und aller metallischen Teile.
• Ölstandskontrolle und
• Batteriezustand (Sichtprüfung; Spannungsmessung der Zellen; Zustand des Elektrolyts).

Generatorstart. Automatisches Umschaltsystem

Der Generatoraggregat Start soll automatisch erfolgen, wenn eine Unterspannung oder eine negative Phasensequenzspannung im Versorgungsnetz auftritt, und wird durch ein Automatisierungssystem realisiert, das im Steuer- und Überwachungspanel des Generatoraggregats installiert ist. Dieses Automatisierungssystem sorgt auch für die Trennung und das Abschalten des Generatoraggregats, wenn die Netzspannung wieder normal ist.

Das oben genannte Automatisierungssystem steuert das automatische Umschaltsystem, im Folgenden als automatischer Netzumschalter bezeichnet, und muss eine Anzahl von aufeinanderfolgenden Startversuchen (niemals weniger als 3) mit einer Zeit zwischen den Versuchen sicherstellen, die der erforderlichen Zeit für die Batterieregeneration entspricht.

Der automatische Netzumschalter, der bevorzugt im haupten Schaltfeld installiert sein soll, muss den Übergang der wesentlichen Lasten auf die Generatorstromversorgung bei einer Störung der Netzspannung gewährleisten und die Rückschaltung dieser Lasten auf die Netzstromversorgung, wenn der Normalzustand wiederhergestellt ist.

Der automatische Netzumschalter kann mit 2 der folgenden Geräte aufgebaut werden:

• Leistungsschalter.
• Lastschalter.
• Schütze.

Diese Geräte müssen eine mechanische und elektrische Verriegelung aufweisen, um die Parallelschaltung zwischen Netz und Generatoraggregat zu verhindern.

Alle Schaltfelder müssen Trenneinrichtungen (Leistungsschalter, Lastschalter, Schütz) besitzen, um die Lasten in wesentliche und nicht wesentliche zu trennen, damit letztere nicht vom Generatoraggregat gespeist werden.

Abbildung 5 zeigt ein Beispiel für ein Schemadiagramm eines Umschaltsystems.

Abbildung 5 – Schematisches Diagramm des Umschaltsystems

Verkabelung & Anschluss von tragbaren Generatoren

Sie können einen tragbaren Generator an das Hausnetz anschließen auf drei Arten.

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^[1] HS: U_s ≥ 60 kV; MS: 1 kV < U_s ≤ 49,5 kV; NS: U_s ≤ 1 kV. U_s ist die Nennspannung des Netzes.

^[2] IEC: Internationale Elektrotechnische Kommission.

^[3] Im Folgenden verwenden wir den Ausdruck Generatoraggregate für NS-Diesel-Notstromaggregate.

^[4] ISO: Internationale Organisation für Normung.

^[5] ekW: Elektrische Wirkleistung.

^[6] cos Φ: Leistungsfaktor.

^[7] Siehe Abschnitt 3.3.

Über den Autor: Manuel Bolotinha

• Lizentiatsabschluss in Elektrotechnik – Energie- und Kraftwerkssysteme (1974 – Instituto Superior Técnico/Universität Lissabon)
• Masterabschluss in Elektrotechnik und Informatik (2017 – Faculdade de Ciências e Tecnologia/Nova Universität Lissabon)
• Senior Consultant für Umspannwerke und Energiesysteme; Professioneller Ausbilder