Gesicherte Gleichstromversorgung - Übersicht

In einigen Branchen wie z.B. der Telekommunikation wird die zu versorgende Technik häufig mit Gleichstrom versorgt. Da sich für die Netzversorgung aufgrund der einfacheren Transformierung und Übetragung Wechselspannung (in Deutschland bekanntlich 230/ 400 V) durchgesetzt hat ist es notwendig diese über entsprechende Komponenten in die benötigte Gleichspannung umzuwandeln. 

Während für Vermittlungstechnik in Deutschland auf 60 V DC gesetzt wurde, hat sich international 48 V DC als Standard durchgesetzt. Auch in Deutschland findet diese Spannung immer mehr Einzug, neue Techniken werden heute fast ausschließlich mit 48 V realisiert. Für spezielle Techniken werden ebenfalls, wenn auch seltener 24 V verwendet. Derzeit wird mit 380 V DC Anlagen experimentiert, diese bieten die Möglichkeit die Leitungsquerschnitte deutlich zu reduzieren und können somit bei größeren Leistungen/ Wegstrecken Einsparungen generieren. Es gibt sicherlich noch weitere Anwendungsfälle, das zugrunde liegende Prinzip ist jedoch vergleichbar. 

Jede der Spannungsebenen bietet gewisse Vor- und Nachteile. Bekanntlich sinkt nach folgender Formel mit steigende Spannung bei gleicher Leistung der Strom:

Somit wird nach folgendem Zusammenhang mit steigender Spannung ein kleinerer Leitungsquerschnitt benötigt um etwaige Vorgaben beim Spannungsfall/ der Strombelastbarkeit einzuhalten:

Während im Beispiel für 48 V bei 10 kW Leistung eine 300 mm² Leitung verlegt werden muss, reicht für die 380 V eine 6 mm² Leitung aus. Nicht nur, dass der Aufwand für die Verlegung deutlich geringer ist, auch die Kosten unterscheiden sich erheblich. 

Nachteilig bei der erhöhten Spannung ist hingegen, dass aufgrund der Gefährlichkeit für den Menschen unter anderen Sicherheitsvoraussetzungen gearbeitet werden muss. Auch das Schalten höherer Spannungen ist gerade im DC Bereich eine Herausforderung, da aufgrund des fehlenden Nulldurchganges (wie bei der Wechselspannung) Lichtbögen entstehen können, welche es im Schalter/ der Sicherung o.ä. zu löschen gilt.

Alles in allem gilt es für jeden Anwendungsfall genau zu Prüfen welche Anforderungen zu erfüllen sind um die Ideale Anlage auszuwählen.

Nun möchte ich ein übliches Szenario kurz erläutern und auf die mögliche Versorgungsinfrastruktur näher eingehen. Es soll die Versorgung einer typischen Vermittlungsstelle eines Telekommunikationsunternehmens beschrieben werden.

Im Regelfall wird die Stromversorgung des Gebäudes über einen Hausanschluss eines Energieversorgungsunternehmens bereitgestellt. Über die Niederspannungshauptverteilung wird eine Gleichrichteranlage gespeist, welche die Netzspannung von 230/ 400 V AC in z.b. 60 V DC umwandelt. Die Vermittlungstechnik (der Verbraucher) wird von der Gleichrichteranlage mit Gleichspannung versorgt.

Gäbe es nun einen  Stromausfall, so würde auch die gleichstromversorgte Technik ausfallen, damit wäre in dem betroffenen Gebiet keine Telefonie oder Internetnutzung mehr möglich. Um einen Ausfall der Anlagen und die damit einhergehenden Schäden/ Datenverluste zu vermeiden sind zu der Gleichrichteranlage im Regelfall Batterien parallel geschaltet. Auf das Thema der Batteriespeicher gehe ich in einem folgenden Artikel genauer ein. Zunächst sind die Batterien als Speicher zu sehen, welcher im Regelbetrieb von der Gleichrichteranlage geladen wird und bei Netzausfall unterbrechungsfrei die Verbraucherlasten mit der nötigen Gleichspannung versorgt. Da Batteriespeicher recht kostenintensiv sind, werden Sie meist nur zur Überbrückung von kurzen Zeitspannen genutzt. Um längere Stromausfälle zu kompensieren kommen meist Netzersatzanlagen zum Einsatz. Dies sind Dieselmotoren, welche einen Generator antreiben und somit Wechselspannung erzeugen. Diese können netzparallel oder mit entsprechender Regelung netzsynchron laufen, auch dieses Thema wird zu einem späteren Zeitpunkt behandelt. Da Dieselgeneratoren eine gewisse Zeit benötigen um zu starten ist für eine unterbrechungsfreie Stromversorgung stehts auch ein Speicher notwendig, welcher ohne Zeitverzögerung die Versorgung sicherstellt. Dies sind wie beschrieben meist Batteriespeicher, können aber z.B. auch Schwungmassen sein.

Im Normalbetrieb, d.h. die Energie wird durch das Energieversorgungsunternehmen bereitgestellt ergibt sich somit folgende Prinzipskizze:

Kommt es nun zu einer Unterbrechung der Stromversorgung auf Seite des Energieversorgers, übernimmt sofort die parallel auf der Stromschiene der Gleichrichteranlage aufgeschaltete Batterieanlage die Versorgung der Verbrauchertechnik:

Konnte der Dieselgenerator gestartet werden, so versorgt er die Gleichrichteranlage wiederum AC Seitig. Damit kann auch die Batterie wieder geladen werden (wenn gewünscht). 

Steht die Netzversorgung schließlich wieder bereit, so kann bei möglichem Synchronbetrieb der Netzersatzanlage eine Synchronisierung und Zuschaltung stattfinden. Ist keine Synchronisation möglich, muss die Netzersatzanlage abgeschaltet werden, die Batterien übernehmen wiederum die Versorgung und dann kann das Netz wieder zugeschaltet werden. Diese Schaltvorgänge sind zumeist über entsprechende Steuerungen/ Regelungen automatisiert.

Natürlich gibt es noch viele weitere Möglichkeiten der Realisierung. So kann etwa ein Wechselrichter hinter die Gleichrichteranlage geschaltet sein um auch AC-Verbraucher versorgen zu können. Ebenso denkbar ist der Einsatz von DC/DC-Wandlern um verschiedene DC Spannungen bereitstellen zu können. Auch die verschiedenen Betriebsarten der Anlagen sind ein eigenes Kapitel wert. Ich möchte zunächst jedoch einen groben Überblick geben bevor ich auf Details zu den möglichen Versorgungskonzepten komme. Als nächstes werde ich etwas zu USV (Unterbrechungsfreie Strom Versorgung) Anlagen schreiben, das sind Anlagen für die unterbrechungsfreie AC-Versorgung und deutlich weiter Verbreitet als DC-Anlagen.

MW, 14.08.2017