Die Klassifizierung von USV-Systemen anhand ihrer Ausgangsleistung sagt nichts über ihre Kapazität aus, also die Zeitspanne, für die sie die Stromversorgung gewährleisten können. Eine USV kann so konfiguriert sein, dass sie die Netzstromversorgung für einen längeren Zeitraum, bis zu mehreren Stunden, ersetzt. Sie kann aber auch als Überbrückungsstromquelle dienen. Das bedeutet, dass sie nach einem Stromausfall kurzzeitig Strom liefert, jedoch nur für einige Sekunden oder Minuten, bis eine andere Stromquelle, beispielsweise ein Dieselgenerator, anspringt und eine stabile Stromversorgung sicherstellt. Es gibt auch ein Modell für den Kurzzeitbetrieb, bei dem die USV nicht kontinuierlich laufen muss, sondern nur so viel Strom bereitstellt, dass ein ordnungsgemäßes Herunterfahren des Kundensystems gewährleistet ist.
Batterien versorgen die meisten USV-Systeme mit Strom.
Obwohl auch andere Technologien wie Schwungräder zum Einsatz kommen können, nutzen die meisten USV-Systeme Batterien zur Energiespeicherung. Batterien bieten eine hohe Kapazität und können nahezu verzögerungsfrei Strom liefern. Für den zuverlässigen Betrieb einer USV ist es unerlässlich, dass die Batterien nicht nur vollständig geladen, sondern auch in einwandfreiem Zustand sind.
Trotz zahlreicher Fortschritte in der Batterietechnologie in anderen Bereichen verwenden die in USV-Anwendungen eingesetzten Zellen immer noch eine der ältesten chemischen Technologien: Blei-Säure-Batterien. Blei-Säure-Batterien werden aus mehreren Gründen nicht mehr in Notstromanwendungen eingesetzt. Sie bieten eine gute Energiedichte (wenn auch nicht außergewöhnlich für den aktuellen Strombedarf) in Bezug auf die gespeicherte Ladung pro Volumeneinheit; sie weisen eine sehr gute Leistungsdichte auf, da sie hohe Ströme liefern können, ohne Schäden zu verursachen; ihre hohe Tonhöhe, die sie für viele tragbare Anwendungen ungeeignet macht, hat kaum Auswirkungen auf die USV-Installation; und vielleicht am wichtigsten: Sie sind kostengünstig. Ein weiterer Faktor, der angesichts des heutigen Umweltbewusstseins zu berücksichtigen ist, ist ihre relative Umweltfreundlichkeit: Fast alle ihre Komponenten, insbesondere Blei, sind vollständig recycelbar.
Die Ladeeigenschaften und der Betriebszyklus von Bleiakkumulatoren eignen sich hervorragend für USV-Anwendungen. VRLA-Akkumulatoren (ventilgeregelte Bleiakkumulatoren) tolerieren nicht nur Dauerladung, sondern ihre Lebensdauer wird durch eine optimale Ladung und seltene Tiefentladung maximiert. Allerdings haben Akkumulatoren eine begrenzte Lebensdauer, die sich deutlich verkürzen kann, wenn die Umgebungsbedingungen – insbesondere die Temperatur – außerhalb des optimalen Bereichs liegen. In den meisten Installationen werden die Akkumulatoren gemäß der Garantie in festen Intervallen, typischerweise fünf Jahre, ausgetauscht. Dieser Ansatz ist jedoch problematisch: Akkumulatoren, die nicht den erwarteten Umgebungsbedingungen ausgesetzt sind, können vorzeitig ausfallen, während ordnungsgemäß gewartete Akkumulatoren eine längere Lebensdauer aufweisen können.
Fehlertoleranz:
Moderne USV-Systeme müssen hohe Leistungspegel liefern, daher ist eine hohe Anzahl an Zellen erforderlich. In langen Ketten kann der Ausfall einer einzelnen Zelle zum Ausfall der gesamten Kette führen. Große und mittelgroße USV-Systeme setzen Redundanz ein, um sicherzustellen, dass ein Ausfall einer einzelnen Kette nicht zum Ausfall der gesamten USV führt. Die USV arbeitet zwar weiter, jedoch reduzieren sich die maximal lieferbare Stromstärke und die Systemlaufzeit. Darüber hinaus kann eine defekte Zelle andere Blöcke in der Kette beschädigen und somit deren Lebensdauer verkürzen.
Die Überwachung und Wartung der Batterien stellt einen erheblichen Kostenfaktor beim Betrieb von USV-Anlagen dar. Üblicherweise besucht ein Techniker die Anlage in regelmäßigen Abständen – etwa monatlich –, um die elektrischen Eigenschaften der Zellen im System zu messen. Standardmäßig werden die Zellspannungen gemessen, um Zellen zu identifizieren, die außerhalb des zulässigen Bereichs arbeiten und anschließend ausgetauscht werden. Die Ausgangsspannung ist jedoch nicht immer ein zuverlässiger Indikator für einen Ausfall. Zwar wird eine Zelle mit einer Klemmenspannung deutlich unter ihrem Nennwert sofort als potenziell defekt erkannt, doch können Blei-Säure-Zellen auch dann eine zufriedenstellende Klemmenspannung aufweisen, wenn ihre Kapazität reduziert ist oder sie sich in einem frühen Stadium des Ausfalls befinden. Daher können Zellen zwischen den planmäßigen Wartungszyklen ausfallen und einen zusätzlichen Technikerbesuch erforderlich machen.
Kontinuierliche Überwachung senkt die Kosten. Die
kontinuierliche Batterieüberwachung reduziert nicht nur die Kosten, indem sie den Zeitaufwand für die physische Überprüfung jeder einzelnen Batterie minimiert und somit den Besuch effizienter gestaltet, sondern ermöglicht auch vorbeugende Wartung. Durch die frühzeitige Erkennung potenzieller Fehler können Zellen im Rahmen routinemäßiger Wartungsarbeiten ausgetauscht werden, was eine höhere Zuverlässigkeit gewährleistet und Notfalleinsätze von Technikern überflüssig macht.
Abbildung 1 zeigt die Ergebnisse einer umfassenden Überwachung der Zellen in einer Rundfunkanlage mit einer 800-kVA-USV. Das Diagramm zeigt die Ausgangsspannungen verschiedener Zellen in einem der Strings. In diesem Fall enthielt jeder String 200 Monoblöcke (ein Monoblock entspricht dem, was in anderen Kontexten als Batterie bezeichnet wird: mehrere Zellen in einem Gehäuse), die eine Spannung von ca. 440 V lieferten. Es gibt erhebliche Spannungsschwankungen aufgrund fehlerhafter Einstellungen zur Batteriekonditionierung; dies wird später in diesem Artikel erläutert.
Die Grafik zeigt deutlich, dass eine Zelle 2 V statt der nominalen 2,2 V liefert. Obwohl der Block eine niedrigere Spannung als erwartet erzeugt, ist die Differenz relativ gering, innerhalb akzeptabler Grenzen und stabil. Dieses Verhalten ist üblich, daher ist die Verwendung der Ausgangsspannung als Fehlerindikator unzuverlässig, da die Spannungen innerhalb der Grenzwerte bleiben und somit keine Alarme auslösen können. Genau das geschah in diesem Beispiel: Zum Zeitpunkt der Datenerfassung wurde das Überwachungssystem zur Überprüfung der Wirksamkeit der geplanten Wartungsstrategie und nicht zur Erkennung potenzieller Probleme eingesetzt. Da keine Maßnahmen ergriffen wurden, fiel die Zelle im Zeitraum des Diagramms in Abbildung 2 katastrophal aus; die horizontale Achse zeigt die Testdaten an. Vor dem Ausfall, als die Zellspannung auf 0,7 V sank, blieb die Spannung des defekten Blocks jedoch nahezu konstant und gab keinerlei Vorwarnung vor dem bevorstehenden Ausfall. Schließlich tauschte das Wartungspersonal im November den Monoblock aus, und die entsprechenden Spannungswerte erreichten wieder Werte, die sich nicht vom Durchschnitt aller Zellen unterschieden.
Dies bestätigt, dass die Ausgangsspannung kein zuverlässiger Indikator für einen Ausfall ist: Ein anderer Parameter – die Impedanz – ist ein deutlich besserer Indikator, wie Abbildung 3 zeigt. Diese Grafik veranschaulicht den Anstieg der Impedanz im Juni; Anfang Juli war der Wert um mehr als 20 % gestiegen. Ein klarer Trend ist erkennbar: Durch die Messung der Impedanz hätte das Problem drei Monate vor dem Ausfall der Zelle identifiziert werden können. Mithilfe dieser Daten hätte die Zelle im Rahmen der routinemäßigen Wartung ausgetauscht werden können, bevor es zu der zum Ausfall führenden Verschlechterung kam.
Impedanzmessung im Betrieb:
Die Spannungsmessung ist bei laufenden Zellen unkompliziert; mit modernen Überwachungstechniken lässt sich jedoch auch die Impedanz präzise und berührungslos bestimmen. Die Abbildungen zeigen die Ausgabe eines Überwachungssystems, das periodische Messungen durchführt, indem es eine kalibrierte Wellenform mit spezifischen Frequenzcharakteristiken oberhalb der Erhaltungsladespannung überlagert. Die Messung von Spannung und Strom bei diesen Frequenzen gibt Aufschluss über die grundlegende Leistungsfähigkeit der Batterien. Die Testwellenform wurde entwickelt, um jegliche Veränderungen der Zellleistung aufzudecken; da die alleinige Beurteilung der gemessenen Spannung jedoch erst bei einem Ausfall eine Warnung liefert.
Die kontinuierliche Überwachung liefert zudem nützliche Informationen, die zur Erhöhung der USV-Zuverlässigkeit beitragen können. Abbildung 1 zeigt beispielsweise deutlich die zahlreichen Lade-/Entladezyklen (erkennbar an den Spannungsspitzen). Obwohl die Batterien konditioniert werden müssen, ist dieses Entlademuster mit 4–5 Entladungen pro Monat zu häufig. Zwar verlängert eine gewisse Batteriekonditionierung die Lebensdauer, zu viele Entladezyklen verkürzen sie jedoch: Eine normale Konfiguration weist zwei bis drei Zyklen pro Jahr auf. Zellen haben typischerweise eine garantierte Lebensdauer von 20–50 Zyklen. Im vorliegenden Fall würden die Batterien diese Lebensdauer bereits nach wenigen Monaten überschreiten, und ein Batteriewechsel alle fünf Jahre würde bedeuten, dass die Zellen deutlich mehr Entladezyklen ausgesetzt wären, als vorgesehen.
Die häufigen Lade-/Entladezyklen in dieser Installation sind darauf zurückzuführen, dass der Installateur die USV im Inbetriebnahmemodus belassen hat, wodurch die Batterie häufig zum Testen geladen wurde. Dies ist ein überraschend häufiger Fehler, der die Batterielebensdauer drastisch verkürzen kann. Falsche Konfigurationen sind für Techniker bei Vor-Ort-Besuchen nicht erkennbar, eine kontinuierliche, automatisierte Überwachung deckt das Problem jedoch auf.
Ein weiterer Faktor, der die Batterielebensdauer verkürzt, ist eine hohe Temperatur. Selbst ein geringfügiger Temperaturanstieg erhöht die Anzahl unerwünschter chemischer Reaktionen in der Batterie, was letztendlich zu ihrem Ausfall führt. Batteriehersteller geben die Batterielebensdauer üblicherweise bei 20 °C an. Abbildung 4 zeigt den Temperaturverlauf in diesem System über die Zeit; die Temperatur erreichte zwischenzeitlich 22 °C. Die Klimaanlage konnte die Temperatur nicht in einem akzeptablen Bereich halten, was die Batterielebensdauer verkürzte. Darüber hinaus könnte die höhere Temperatur zum Erlöschen der Herstellergarantie führen.
Wir haben gesehen, dass die kontinuierliche Batterieüberwachung zahlreiche Vorteile bietet, die weit über die Kostenreduzierung durch effizientere Technikereinsätze vor Ort hinausgehen. In diesem Beispiel hätte die automatische Batterieimpedanzüberwachung einen Zellenausfall drei Monate vor dem endgültigen Ausfall erkannt. Die
kontinuierliche Überwachung vereinfacht zudem die Identifizierung von Konfigurationsproblemen der USV: Eine falsche Lade-/Entladerate kann die Batterielebensdauer drastisch verkürzen. Die Überwachung misst Umgebungsbedingungen und stellt so sicher, dass die Betriebsdauer nicht durch hohe Temperaturen beeinträchtigt wird.
Die Überwachung maximiert die Lebensdauer der Zellen, reduziert das Ausfallrisiko und spart Kosten, indem sie einen vorzeitigen Austausch von Schaltkreisen verhindert und die Früherkennung von sich verschlechternden Zellen ermöglicht. So können diese oft ausgetauscht werden, bevor der Schaltkreis ausfällt. Obwohl kritische Systeme wie USV-Anlagen nicht primär im Fokus von Kostensenkungsmaßnahmen stehen, ist die kontinuierliche Überwachung für Anwender dennoch wichtig, da sie Kosten senkt und die Zuverlässigkeit erhöht.
Autor: Loic Moreau, LEM SA
