SCHADENSAUSMASS IN RECHENZENTREN

Die Höhe der mit Ausfällen (Blackouts) in Rechenzentren verbundenen Kosten machte die Durchführung spezifischer Studien zu dieser Problematik erforderlich. In den Vereinigten Staaten und im Vereinigten Königreich erfolgt die statistische Erfassung dieser Kosten seit mehreren Jahren und wird üblicherweise als „Loss per Record“ angegeben. Bereits im Jahr 2010 bezifferte das Ponemon Institute in Michigan den Loss per Record auf 215 €. Der mit dem schwerwiegendsten erfassten Ereignis verbundene Gesamtschaden wurde mit 625.000 € quantifiziert. Dasselbe Institut analysierte 51 Blackout-Fälle in kleinen und mittleren Rechenzentren aus 15 verschiedenen Branchen, darunter Industrie- und Dienstleistungssektor, und stellte fest, dass bei einem Ausfall die durchschnittliche Wiederherstellungszeit etwa 130 Minuten beträgt, wobei die Kosten für das Unternehmen bis zu 480.000 € erreichen können – entsprechend 3.690 € pro Minute. Für Unternehmen im Telekommunikations- und E-Commerce-Sektor können die Verluste bis zu 8.000 € pro Minute betragen. Diese Zahlen sprechen für sich und verdeutlichen, warum Schutzmaßnahmen auf höchstem Niveau umgesetzt und bereits in der Planungsphase konsequent berücksichtigt werden müssen.

SCHADENSQUELLEN

Direkte Blitzeinschläge stellen die primären Ursachen verheerender Zerstörungen dar; indirekte Entladungen sowie leitungsgebundene hochfrequente elektromagnetische Störungen verursachen zahlreiche Schäden, deren Ursprung nicht leicht identifizierbar ist, deren Auswirkungen jedoch für Systeme mit zwingend erforderlicher Betriebs- und Verfügbarkeitskontinuität gleichermaßen gravierend sind. Sämtliche dieser Phänomene müssen gezielt beherrscht werden, um an das Versorgungsnetz angeschlossene Anlagen zu schützen und deren Integrität sowie kontinuierlichen Betrieb sicherzustellen. Dies gilt insbesondere für Server in Rechenzentren, Datenverarbeitungszentren (DPC), Telekommunikationssysteme oder DCS-Systeme zur Überwachung und Steuerung industrieller Prozesse, bei denen Servicekontinuität und Datenintegrität kritische Anforderungen darstellen. Vor diesem Hintergrund ist die Installation von Überspannungsschutzgeräten (SPD) zwingend erforderlich, die nicht nur Schutz gegen direkte oder indirekte Entladungen bieten, sondern auch sämtliche sicherheits- und betriebsrelevanten Aspekte berücksichtigen, die am Ende der Lebensdauer oder infolge natürlicher Alterung während des Betriebs auftreten können. Hierzu sind SPDs mit hoher Leistungsfähigkeit in allen relevanten Parametern auszuwählen und fachgerecht zu installieren. Eine Unterschätzung oder Bagatellisierung dieser Problematik kann zu katastrophalen Ereignissen führen. Dieses Thema ist ausschließlich von spezialisierten Fachleuten für Blitz- und Überspannungsschutz zu behandeln.

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PARAMETER FÜR DIE DIMENSIONIERUNG UND AUSWAHL VON SPDs

Um besser zu verstehen, was unter dem für diese Schutzgeräte (SPD) geforderten „hohen Leistungsniveau“ gegen Überspannungen, hochfrequente elektromagnetische Störungen sowie gegen Beanspruchungen aus dem Versorgungsnetz selbst (wie Schaltüberspannungen und temporäre Überspannungen TOV infolge von Isolationsfehlern in MS- und NS-Systemen) zu verstehen ist, müssen folgende Parameter analysiert und bewertet werden:

SPD Typ 1+2 Dreiphasig mit Neutralleiter Modell L 25/100 230 t ff 4

SPD Typ 1+2 Einphasig Modell L 25/100 230 t ff 2

• Höhe der Überspannungen und Überströme atmosphärischen Ursprungs, aus Schalthandlungen sowie TOV;
• Schutzpegel in Abhängigkeit von unterschiedlichen Impulsstromamplituden und deren Wellenformen;
• Kurzschlussstromfestigkeit;
• Verhalten bei temporären Überspannungen; U_TOV;
• Ansprechzeit;
• Progressive Überwachung des Degradationsgrades des SPD mit entsprechender präventiver Alarmmeldung.

Die vorgenannten Punkte, optimiert in SPDs des Typs 1+2, werden nachfolgend einzeln betrachtet.

ÜBERSPANNUNGEN UND ÜBERSTRÖME ATMOSPHÄRISCHEN UND SCHALTTECHNISCHEN URSPRUNGS

SPDs werden – abhängig von den Parametern des Blitzstroms, den sie gegen Erde ableiten müssen – gemäß den Normen IEC 61643-01 (2024-12) und IEC 61643-11 (2025-06) geprüft und entsprechend wie folgt klassifiziert:

• SPD Typ 1: geprüft mit Impulsstrom I_imp (10/350 μs);
• SPD Typ 2: geprüft mit Nennentladestrom I_n (8/20 μs);
• SPD Typ 3: geprüft mit Kombinationsgenerator, der eine Leerlaufspannung U_oc (1,2/50 μs) und unter Kurzschlussbedingungen einen prospektiven Strom I_cw (8/20 μs) aufprägt;

TEMPORÄRE ÜBERSPANNUNGEN (TOV)

Temporäre Überspannungen (TOV) werden durch zwei Parameter charakterisiert: Dauer und Höhe. Die Dauer hängt primär vom Erdungssystem des Versorgungsnetzes (sowohl Mittel- als auch Niederspannung) ab, während die Höhe U von der maximalen Dauerspannung des Niederspannungsnetzes bestimmt wird. Es ist entscheidend, dass das Verhalten des SPD bei TOV-Bedingungen als „Durchhaltefähigkeit“ (withstand capability) ausgelegt ist und nicht lediglich als „Sicherheitsverhalten“, das faktisch das Lebensende des Geräts unter solchen Bedingungen akzeptiert. Damit das SPD mögliche Netzfehler – sowohl auf MS- als auch auf NS-Seite – schadlos übersteht, muss seine maximale Dauerspannung Uc in einem 230/400-V-AC-System mindestens 335 V betragen.

SCHUTZPEGEL

Der vom SPD-System bereitgestellte Schutzpegel muss mit der Stoßspannungsfestigkeit der zu schützenden Betriebsmittel – dem sogenannten „withstand level“ – koordiniert werden. Der Schutzpegel in Abhängigkeit vom Immunitätsgrad des Anwenders („immunity level“) ist mit jener Impulsspannung abzustimmen, die Fehlfunktionen, Fehler oder Ausfälle der zu schützenden Geräte verursachen kann. Für die Überprüfung des withstand level wird ein Generator mit einem minimalen Impulsstrom I_imp von 25 kA (10/350 μs) und einem Schutzpegel U_p ≤ 1250 V verwendet.

Die qualifizierenden Parameter des Schutzpegels sind bei einem Nennentladestrom I_n ≥ 60 kA (8/20 µs) mit U_p ≤ 1700 V, bei einem Impulsstrom I_imp ≥ 25 kA (10/350 µs) mit U_p ≤ 1250 V sowie bei einem niedrigen Scheitelstrom von 1 kA mit U_p ≤ 750 V zu bewerten. Bei Einhaltung dieser Werte sind empfindliche Betriebsmittel, die den normativen Anforderungen hinsichtlich Festigkeit und Immunität entsprechen, in der Regel ausreichend geschützt.

KURZSCHLUSSSTROMFESTIGKEIT

Während seiner Schutzfunktion gegen Überspannungen wird das SPD ebenfalls vom Kurzschlussstrom durchflossen. Das SPD muss das Auftreten eines Folgestroms aus dem Versorgungsnetz (NFC – No Follow Current) verhindern, um eine Degradation im normalen Schutzbetrieb zu vermeiden. Der maximale Kurzschlussstrom am Installationsort des Überspannungsableiters I_sccr ist installationsabhängig, überschreitet in dieser Anwendung jedoch üblicherweise nicht 50 kA rms.

ANSPRECHZEIT

Die Ansprechzeit des SPD wird in der Produktnorm IEC 61643-11 Ed. 2 (2025-06) nicht behandelt. Dennoch machen die Zerstörungszeiten der in elektronischen Geräten eingesetzten Halbleiter diesen Aspekt relevant. Impulsüberspannungen im System liegen im Mikrosekundenbereich, die Ansprechzeiten von SPDs im Nanosekundenbereich, während die Schädigungszeiten bestimmter Halbleiter im Pikosekundenbereich liegen. Daraus folgt, dass eine möglichst schnelle Schutzfunktion die Leistungsfähigkeit des SPD erhöht. Für diese Anwendung ist eine Ansprechzeit von ≤ 25 ns geeignet.

PROGRESSIVE STATUSANZEIGE DES SPD

Die Überprüfung des Blitz- und Überspannungsschutzsystems gemäß CEI-Leitfaden 81-2 (2013-02) ist nicht nur aus regulatorischen Gründen, sondern insbesondere zur Sicherstellung der Betriebskontinuität und zur Vermeidung der zuvor beschriebenen katastrophalen Auswirkungen erforderlich. Diese Funktion wird lokal durch einen Farbwechsel der Statusanzeige dargestellt. Der Übergang von Grün (volle Leistungsfähigkeit) zu Gelb (minimale Leistungsfähigkeit) erfolgt progressiv. Die Farbe zeigt somit die tatsächlich verbleibende Schutzleistung an und liefert umfassendere Informationen als eine reine End-of-Life-Anzeige. Der Übergang von Gelb zu Rot signalisiert das Erreichen des Lebensendes. Die progressive Anzeige ermöglicht es dem Wartungspersonal, den Austauschzeitpunkt optimal zu bestimmen. Überspannungsableiter müssen mit einem Wechslerkontakt zur Fernalarmierung ausgestattet sein. Der Kontakt muss aktiviert werden, wenn die Leistungsfähigkeit auf das Mindestniveau (vollständig Gelb) abgesunken ist – nicht erst bei Erreichen des Lebensendes (Rot). Die Fernmeldung hat somit präventiven Charakter: Das Gerät ist weiterhin aktiv und bietet Schutz, wenn auch mit reduzierter Leistungsfähigkeit.

EINSATZ VON ÜBERSPANNUNGSABLEITERN MIT PD3 IN UMGEBUNGEN MIT HOHER LEITFÄHIGER VERSCHMUTZUNG (PD3)

Elektrische und elektronische Einrichtungen in Rechenzentren befinden sich überwiegend in temperaturgeregelten Umgebungen. Häufig wird jedoch übersehen, dass Lüftungs- und Klimageräte (AHU – Air Handling Units) meist im Außenbereich, typischerweise auf Dachflächen, installiert sind. Diese für den Betrieb eines Rechenzentrums essenziellen Einheiten sind natürlicher Kondensationsbildung und damit leitfähiger Verschmutzung ausgesetzt. SPDs müssen daher hinsichtlich ihrer Beständigkeit gegenüber diesen anspruchsvollen Umgebungsbedingungen bewertet werden. Es sind strenge Anforderungen bezüglich leitfähiger Verschmutzung anzusetzen. Der Verschmutzungsgrad 3 (Pollution Degree 3), als maximal anwendbarer Grad, erfüllt diese Anforderungen. Standardmäßige innere Luft- und Kriechstrecken sowie die Langzeitbeständigkeit von Isoliermaterialien gegenüber elektrischer Kriechstrombildung (Tracking) haben sich als unzureichend erwiesen. Entsprechend dem Einsatz in „kritischen“ Umgebungen muss zudem die maximale Betriebstemperatur der Klassifizierung Temperature Extended Range entsprechen.

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