Forderungen der Norm DIN VDE 0100, Teil 410
Stromüberwachung im RZ
Bereits seit Juni 2007 fordert die DIN VDE 0100, Teil 410, einen erhöhten Schutz für von Laien bedienbare Steckdosen. Die Anforderungen an die Planung und den Betrieb eines Rechenzentrums sind dadurch signifikant erhöht. Die Norm ist im RZ nicht immer umgesetzt. Dies zeigen zumindest praktische Erfahrungen.
Die Norm DIN VDE 0100, Teil 410:2007, fordert, dass von Laien bedienbare Steckdosen im Innenbereich (Nennstrom maximal 20 A) durch einen Fehlerstromschutzschalter (FI) gesichert sein müssen. Dies bedeutet, dass bei einem Fehlerstrom von maximal 30 mA der RCD den Stromkreis unterbricht.
Aktuell sprechen Experten nicht mehr vom FI, sondern vom RCD (Residual Current Device) oder auch RCCB (Residual Current Operated Circuit Breaker). Existiert nur eine Überwachung des Fehlerstroms, ist ein RCM (Residual Current Monitor) im Einsatz.
Auch ein Rechenzentrum muss dieser Norm genügen. Meist beginnen jedoch dabei bereits die Probleme: Viele Mitarbeiter im Rechenzentrum sind elektrotechnische Laien. Sie haben in der Regel keinen elektrotechnischen Beruf erlernt oder gar ein elektrotechnisches Studium abgeschlossen. Daher gibt es auch einen automatischen Schutz, der entsprechend der Norm Stromkreise bei hohen Fehlerströmen abschaltet und einen aktiven Eingriff von Mitarbeitern unnötig macht.
Der Nachteil dieses Systems - also eine automatische Abschaltung von Stromkreisen, gerade wenn kein akutes oder ernsthaftes Problem besteht - liegt auf der Hand: Rechenzentren sollen im Regelfall möglichst 365 Tage im Jahr und 24 Stunden am Tag ohne Unterbrechung arbeiten.
Die DIN VDE 0100-410 lässt bei der Umsetzung dieser Forderung einen gewissen Spielraum zu. Ist die elektrische Anlage durch Elektrofachkräfte oder elektrisch unterwiesene Personen ständig überwacht, ist zumindest das Abschalten durch einen RCD verzichtbar. Als ständig überwacht gelten elektrische Anlagen und Betriebsmittel, wenn sie von Elektrofachkräften in Stand gehalten werden und durch messtechnische Maßnahmen sichergestellt ist, dass sich Schäden rechtzeitig entdecken und beheben lassen. Diese Forderung gilt als erfüllt, wenn eine Differenzstromüberwachung (RCM) integriert ist.
Ableitströme und Fehlerströme
Was sind nun Fehlerströme, wo entstehen sie, und wann löst ein RCD aus? Die Ströme, die ein RCD oder ein RCM misst und als potenziellen Fehlerstrom bewertet, lassen sich in zwei Klassen unterteilen: den echten Fehlerstrom, der aufgrund von mangelhafter Isolation zwischen einem aktiven Leiter und Schutzleiter entsteht, und den Strom, der durch den reinen Betrieb eines Geräts entsteht.
Der betriebsbedingte Strom, den beinahe jedes Gerät der Schutzklasse 1, also ein Gerät mit Metallgehäuse, mit sich bringt, nennen Fachleute auch Ableitstrom. Dieser Ableitstrom kommt im Wesentlichen durch Schaltnetzteile zustande. Die darin arbeitenden Filterkondensatoren leiten hohe Frequenzen (Tiefpass) über den Schutzleiter ab. Die DIN-VDE 0701-0702 definiert den zulässigen Ableitstrom mit 3,5 mA für "allgemeine Geräte", also auch für jeden Computer oder jedes Server-Netzteil. Theoretisch sind also bei einem Grenzwert von 30 mA (Personenschutz) maximal acht Geräte pro RCD möglich. Beim neunten Gerät könnte der RCD auslösen - obwohl kein technischer Fehler vorliegt.
Ein weiterer wichtiger Punkt ist neben der Stromstärke die Frequenz des Ableit- oder Fehlerstroms. Moderne Schaltnetzteile in Servern und Rechnern verursachen einen kapazitiven Ableitstrom in einem Frequenzband größer 8 kHz. Diese Frequenzen sind von den üblicherweise eingesetzten RCD und RCM nicht mehr zu erfassen, denn deren Messbereich endet zwischen 3.000 und 6.000 Hz.
RCDs noch sinnvoll?
Vorausgesetzt, dass pro Schaltnetzteil ein oder zwei Milliampere Fehlerstrom fließen und pro EDV-Schrank bis zu 20 solcher Netzteile verbaut sind, ist schnell klar, dass eine übliche Überwachung mit RCD nicht sinnvoll ist. Der RCD würde ständig auslösen. Eine Lösung könnte darin bestehen, die Stromkreise zu verkleinern. Dies bedeutete aber, dass der Aufwand für die Elektroinstallation deutlich steigen würde, ohne die Sicherheit gewähren, dass nicht doch ein Fehlerstrom die zulässige Grenze überschreitet und fehlerfreie Server oder Switches abgeschaltet werden.
Der Strom hat sich verändert
In der Vergangenheit gab es vorwiegend induktive oder lineare Stromverbraucher. Die entsprechende Auswerteeinheit der genutzten RCDs (Typ A) ist deshalb relativ simpel aufgebaut. Fließt ein Fehlerstrom über eine mangelhafte Isolation ab, wird über eine Spule ein Strom (der Differenzstrom) induziert, der das Schaltschloss des RCDs betätigt und so den Stromkreis abschaltet.
Heute gibt es mehr kapazitive Verbraucher (Energiesparlampen, Schaltnetzteile) die die "alte" Messtechnik nicht mehr erfasst. Bei solchen Verbrauchern kann es sogar dazu kommen, dass die Spule des RCDs durch die kapazitiven Ströme vormagnetisiert wird und bei einem wirklichen Fehlerstrom nicht mehr auslösen kann. Aus diesem Grund sollten RCDs des Typs A nicht mehr zum Einsatz kommen. Vielmehr empfiehlt sich der Einsatz von sogenannten allstromsensitiven RCDs (Typ AC/B).
Der messtechnische Nachweis der Fehler- oder Ableitströme ist aus den oben genannten Gründen mit normalen Mitteln - wie zum Beispiel mit einer Strommesszange - nicht möglich. Für den Nachweis von sehr geringen kapazitiven Strömen ist eine sogenannte Leckagemesszange erforderlich. Am exaktesten misst der Techniker jedoch mit einem hochauflösenden Oszilloskop und der passenden Messspule. Leider kommt es in der Praxis häufig vor, dass das Personal unzureichende Messmethoden bei der Erhebung der Messdaten anwendet und damit auch keine aussagekräftigen Ergebnisse ermitteln kann.
RCDs bringen jedoch noch eine Reihe weiterer Faktoren mit sich, die einem Einsatz im Rechenzentrum entgegenstehen. Sind rund 30 Prozent der Gesamtsumme des Bemessungsdifferenzstromes erreicht, können schon kleine Störungen dazu führen, dass der RCD ungewollt auslöst. Diese Störungen können sein:
- Transiente, stoßartige Ströme,
- Überspannungen von (entfernten) Blitzeinschlägen,
- Ein- und Ausschalten von Leuchtstoff- oder Energiesparlampen,
- gleichzeitiges Ein- oder Ausschalten von IT-Geräten (Netzteilen) oder
- EMV-Ereignisse, etwa eine Induktion durch hohe Frequenzen in der elektrischen Anlage.
- Diese Störquellen müssen sich zudem nicht in unmittelbarer Nähe befinden, um einen RCD ungewollt auszulösen.
Mittlerweile sind RDCs auf dem Markt verfügbar, die die beschriebenen Fehlerströme erfassen und richtig auswerten. Für den Einsatz von RCDs im Rechenzentrum empfehlen sich RCDs des Typs B, B+ oder NK und SK. RCDs des Typs NK schützen in einem sensiblen und für Menschen eventuell gefährlichen Bereich hohe Ströme mit einer Frequenz von 300 mA, RDCs des Typs SK in einem Bereich von 2 A. Diese RCDs sind mit einer speziellen Auswerteeinheit ausgerüstet und können die kapazitiven Ableitströme von den wirklichen Fehlerströmen unterscheiden. Dies minimiert die Gefahren einer Fehlauslösung. Nicht gänzlich erforscht ist die thermische und elektrochemische Wirkung des Stroms auf Menschen in den oben genannten Bereichen von 300 mA bis 2 A bei Frequenzen jenseits der 100 Hz.
Auswahl von RCDs
RCDs des Typs B und besser sind allstromsensitiv und können daher den pulsierenden Gleichstromanteil in der Sinuskurve des Stroms erkennen und auslösen. Die RCCBs des Typs B/B+ mit der Option NK oder SK sind so konstruiert, dass sie eine geringstmögliche Neigung zur Fehlauslösung durch kapazitive Ableitströme haben. Bei einem redundanten Aufbau der Stromversorgung (2N) kann man diese Lösung in Erwägung ziehen, wenn man den Ausfall einer (redundanten) Quelle in Kauf nimmt.
Zu empfehlen ist diese Lösung aus betrieblicher Sicht jedoch nicht, da bei einer solchen Installation regelmäßige Funktionsprüfungen stattfinden müssen, die mit mindestens der teilweisen Abschaltung der Anlage einhergehen. Zu dem erhöhten Risiko durch die Wiederholungsprüfungen (bei RCDs monatlich) und dem damit verbundenen kostenintensiven und administrativen Aufwand kommt ein weiteres Hemmnis hinzu. Ein geeigneter RCD Typ B/B+ NK/SK stellt ein erhebliches Investment (bis etwa 900 Euro, abhängig von Modell und Hersteller) dar und nimmt viel Platz in der Unterverteilung ein. Auch autonome, sich selbst prüfende und selbst wiedereinschaltende RCDs sind auf dem Markt erhältlich, bringen jedoch dieselben oben genannten Beschränkungen mit sich.
Für RCDs gelten Prüffristen wie zum Beispiel das monatliche Betätigen des Testschalters oder die Prüfintervalle der DGUV (VDE). Eine vorschriftsmäßige Prüfung führt somit auch hier zur Unterbrechung der Stromversorgung. Die Erfahrungen aus der Praxis zeigen auch, dass Betreiber solche Prüfungen oft nicht einhalten. Hand auf?s Herz: Wann haben Sie das letzte Mal den FI in Ihrer Wohnung überprüft?
Es existiert also eine Diskrepanz zwischen der Forderung der DIN VDE 0100-410 und dem Einsatz von RCDs bei der Stromversorgung eines Rechenzentrums. Durch die Option der messtechnischen Überwachung ergibt sich jedoch auch die Möglichkeit des Einsatzes von RCMs.
RCM im Rechenzentrum
Ein RCM (Residual Current Monitor) misst auf gleiche Art und Weise wie ein RCD die Ströme aller Außenleiter (L1, L2, L3 und N-Leiter), die sich im Normalbetrieb gegenseitig aufheben. Eine Differenz, etwa durch einen Ableit- oder Fehlerstrom in einem Gerät oder in der Installation, ist so messtechnisch feststellbar. Der Unterschied zum RCD besteht darin, dass der RCM nur misst und nicht abschaltet. Diese Tatsache macht es also notwendig, dass bei Überschreiten des Schwellenwerts, also bei 30 mA, eine Fehlermeldung abgesetzt werden muss.
Bei der Anwendung im RZ kann dies durch eine optische und akustische Meldung geschehen. Ähnlich wie bei einer Gaslöschanlage müssen die Personen dann den Raum verlassen, bis die Gefahr beseitigt und der Raum wieder freigegeben wird. Analog zum Betrieb einer Gaslöschanlage muss der Personenkreis, der Zutritt zum überwachten Rechenzentrum hat, in die Gefahren und Handlungsanweisungen eingewiesen sein. Dies schmälert den administrativen Aufwand nicht, er ist jedoch im Verhältnis zum Einsatz von RCDs und dessen Prüffristen ungleich geringer.
Granularität
Nur mit einem RCM die gesamte Installation zu überwachen, reicht allerdings nicht aus. Bei näherer Betrachtung ist es nämlich sehr aufwändig, in einer komplexen Installation mit vielen Geräten (Fehlerquellen), schnell und zielsicher die Störquelle zu finden. Daher ist eine höhere Granularität gefragt. Mit der Anzahl der Messpunkte steigt jedoch auch die Investition. Die Auswirkung auf den Betrieb ist bei langer Fehlersuche jedoch denkbar ungünstiger, da bis zur Behebung der Störung keine Änderung im RZ stattfinden kann.
Eine mögliche Lösung kann darin bestehen, dass die Messung (RCM) bis auf die Stromkreisebene des Endverbrauchers stattfindet. Abhängig von der Installationsart kann dies im Verteilerschrank erfolgen oder am Stromanschlusskasten der Stromschiene. Mittlerweile gibt es Hersteller, die mit proprietären Bussystemen die einzelnen Messpunkte an einem Punkt zusammenführen und auswerten können, was wiederum Investitionen einspart.
Eine hohe Granularität erhöht die Betriebssicherheit und verkürzt die Wiederherstellungszeit. Ein weiterer nützlicher Effekt ist, dass ein Betreiber bei granularer Messung, also von Hauptverteilerebene bis zum Endverbraucher, bereits die Grundlagen für die Energieauswertung geschaffen hat und somit auch an anderer Stelle Kosten spart. Zudem gibt auch die DIN EN 50600 vor, dass die Befähigung zur Einsparung von Energie steigt, je höher die Granularität der Messung ist.
Administration
Der Verantwortliche oder der Betreiber eines Rechenzentrums ist für die Sicherheit der Personen verantwortlich, die das Rechenzentrum betreten. Ein hoher administrativer Aufwand ist daher stets vorhanden, wenn es um die Erfüllung sicherheitstechnischer Anforderungen geht. Im Regelfall sind Betriebshandbücher zu ändern oder zu gar erst zu erstellen, in denen klare Handlungsanweisungen formuliert sind, wenn die Forderungen der DIN VDE 0100-410:2007 und der BetrSichV erfüllt sein müssen. Der Personenkreis, der das RZ betreten darf, muss in die Gefahren des elektrischen Stromes im Allgemeinen und in die Verhaltensweisen im RZ im Besonderen eingewiesen sein. Dies hat Auswirkungen bis in die Personalabteilung, die den Zutritt zum RZ erst dann gewähren darf, wenn der Mitarbeiter diese Einweisung absolviert hat.
Der Personenkreis umfasst allerdings auch betriebsfremdes Personal, das beispielsweise von einem Vertragspartner kommt. Auch Wartungstechniker der technischen Anlagen wie Klimainstallationen und USV-Anlagen betreten das Rechenzentrum. All diese Personen sind vor den Gefahren des elektrischen Stromes zu schützen und in die Schutzeinrichtungen des Rechenzentrums einzuweisen.
Eine elektrotechnische Fachkraft muss in Reichweite sein, wenn das System einen Fehler meldet. Dies bedingt bei einem RZ, das rund um die Uhr läuft, auch eine Rufbereitschaft. Die Meldungen müssen innerhalb und außerhalb des RZs signalisiert werden, um auf mögliche Gefahren hinzuweisen.
All dies ergibt einen hohen Aufwand, den jedoch viele RZs bereits heute unabhängig von der Meldung eines Differenzstromfehlers betreiben. Ein vergleichbarer Aufwand ist zum Beispiel im Zusammenhang mit Gaslöschanlagen oder Sauerstoffreduktionsanlagen nötig.
Der Einsatz von RCMs bringt auch Vorteile mit sich. Durch die permanente messtechnische Überwachung der Installation spart sich der Betreiber den Aufwand, den die Wiederholungsprüfungen der elektrischen Anlage nach DGUV Vorschrift 3/VDE mit sich bringt. Im Fokus steht dabei das Wegfallen der Messung des Isolationswiderstands, was wiederum das Abschalten der gesamten Anlage oder Teilen davon bedingt. Aus Sicht der Verfügbarkeit eines RZs sowie aus der Sicht der Betriebskosten ist dies ein großer Vorteil. Auch der Brandschutz gewinnt durch Überwachung mittels RCM: Durch die ständige Messung der elektrischen Anlage und die frühzeitige Meldung lässt sich ein Brand nicht nur vermeiden, sondern weit vor seiner Entstehung erkennen. Durch den Einsatz vernetzter Messgeräte ergeben sich zudem Vorteile beim Energie-Management (ISO 50001, ISO 9001 oder ISO 14001) und bei der Erfassung des PUE-Werts.
Der Betrieb eines per RCM überwachten Rechenzentrums erfordert geregelte Abläufe. Mit jedem neuen Gerät, das in das RZ gelangt und das elektrisch angeschlossen wird, verändert sich die Installation und somit auch die Ableit- und Fehlerströme. Dies macht es erforderlich, die Messwerte genau im Überblick zu behalten, um sie bewerten zu können.
Vor und nach dem Ein- oder Ausbau eines oder mehrerer Geräte sind die aktuellen Messwerte zu protokollieren und zu vergleichen. Außerdem ist es oft hilfreich, eine vernetzte Installation aller Messgeräte zur Verfügung haben, etwa um über die GLT einen zentralen Zugang zu den Messgeräten zu schaffen.
Betrieb
Idealerweise protokolliert ein zentraler Rechner die Messwerte und speichert oder archiviert sie. Sinnvoll ist auch ein übergeordneter Messpunkt, etwa in der Hauptverteilung, der den gesamten Ableit- und Fehlerstrom misst. Eine derart gestaltete Installation kann jederzeit Aufschluss über die Gesamtsituation geben und zeigt meist auch einen Trend oder eine spezifische Entwicklung auf. Dadurch ist es dem Betreiber jederzeit möglich, eine Gesamtaussage über den Zustand der elektrischen Anlage zu treffen. Denn die Dynamik einer elektrischen Installation, bedingt durch die Änderungen der Hardware (Server), führt auch zu Änderungen der Messwerte in den einzelnen Stromkreisen.
Eine zentrale Erfassung der Messwerte ermöglicht die Ermittlung eines Erfahrungswerts, der charakteristisch für die Anlage ist. Dies hilft bei der Einschätzung und der Beurteilung und möglicher entstehender Fehler. Kommt es durch den Einbau einer fehlerhaften Komponente zu einem ungewöhnlichen Anstieg des Ableit- oder Fehlerstroms, dann kann aus der übergeordneten Messung der Rückschluss folgen, dass das eben eingebaute Gerät defekt ist und eine genaue Prüfung erfolgen muss. Bei entsprechend feiner Granularität der Messgeräte kann ein Techniker den betroffenen Stromkreis schnell und zeitsparend ermitteln. Auch die Aufschaltung auf eine Leitwarte ist sinnvoll, denn der Fehler kann auch außerhalb der regulären Arbeitszeiten entstehen und sich im Falle eines Isolationsfehlers zu einem Brand ausweiten.
Versicherungen
Der Einsatz von RCMs wie auch von RCDs erhöht die Sicherheit der elektrischen Anlage. Dies kann sich positiv auf die Versicherungsprämien auswirken. Zudem fordert der VdS den Einsatz von RCMs mit der Begründung, dass die Funktionsfähigkeit eines TN-S-Systems auf Dauer gewährleistet bleibt. Eine weitere Forderung des VdS sieht eine Ersatzmaßnahme vor, wenn sich Isolationswiderstandsmessungen nicht durchführen lassen, wie dies im Rechenzentrum der Fall ist. Eine Überwachung mittels RCM stellt eine adäquate Ersatzmaßnahme dar.
Anforderung an die Planung
Die DIN VDE 0100-410:2007 fordert ein hohes Maß an Planungsleistung und Know-how. Die Umsetzung der Anforderungen aus den Normen und Vorschriften setzt zudem ein gewisses Maß an Sensibilität und technischen Weitblick voraus. Letztendlich kann ein Planer ohne eine eingehende Erfassung der Bedürfnisse und Anforderungen sowie der Möglichkeiten vor Ort keine Lösung erarbeiten. Die Aufgabe des Beraters besteht darin, alle Faktoren mit den Anforderungen und den Mitteln des Bauherrn abzugleichen und sie anzupassen.
Fazit
Wer eine elektrische Anlage betreibt, muss die Forderungen der DIN VDE und den aktuellen Stand der Technik erfüllen. Beim Betrieb eines RZs ist eine Überwachung mittels RCM nicht verzichtbar. Die normativen Vorgaben, die Betriebssicherheit, die Administration und die hohen Anforderungen an die Verfügbarkeit lassen keine andere Lösung als den Einsatz eines RCMs zu, wenn der Betreiber den ausfallsicheren Betrieb in den Vordergrund stellt. Mit jeder Art der Überwachung von sicherheitstechnischen Anlagen geht ein hoher administrativer Aufwand einher. Wer diesen einhält, wird im Alltag relativ wenige Auswirkungen spüren. Investitionen lassen sich bei einer durchgängigen Planung minimieren. Gleichzeitig können Synergien zu anderen Bereichen entstehen. Der Blick über den Tellerrand und eine ganzheitliche Betrachtung des Rechenzentrums und der vorgelagerten Elektroinstallation minimieren zudem Investitions- und Folgekosten. Beispielsweise sind die Geräte für die Überwachung mittels RCM auch für die Energiedatenerfassung nutzbar, was dem Energie-Management gemäß ISO 50001 zugute kommt.
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