Schaltbau misst dem Schalten hoher Gleichströme viel Bedeutung zu.

Hohe Gleichströme sicher schalten

Schaltbau bietet ein breites Spektrum an Komponenten

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Der Klimawandel und der Ausstieg aus der Kernenergie haben in vielen Ländern zu einem massiven Ausbau der regenerativen Energieerzeugung geführt. Diese Entwicklung und die gleichzeitige Verbreitung der Elektromobilität stellen die elektrotechnische Infrastruktur vor immer neue Herausforderungen. Hinzu kommt, dass auch in der Industrie intensiv über den Aufbau von Gleichstromnetzen nachgedacht wird. Dem Schalten hoher Gleichströme kommt damit eine besondere Bedeutung zu.

Andreas Degwerth, Entwicklungsleiter Schütze bei der Schaltbau GmbH in München

Zur Erzeugung elektrischer Energie werden einzelne Solarzellen in einem Modul zusammengeschaltet, um so verwertbare Spannungen und Ströme zu erhalten. Je nach Größe der Anlage werden die Module zu Strings zusammengefasst, deren Gleichspannung über einen Wechselrichter ins Netz eingespeist wird. Bei der Planung solcher Anlagen und der Auswahl elektrischer Schutzeinrichtungen müssen alle möglichen Fehlerfälle berücksichtigt werden. Die Auswahl der elektrischen Betriebsmittel erfolgt nach Beurteilung aller elektrischen Betriebszustände der Anlage. Dadurch sollen Gefährdungen von Personen und die Schädigung der Anlage sicher vermieden werden.

Photovoltaikanlagen und Energiespeicher

Ein häufig diskutierter Betriebszustand bei Photovoltaikanlagen ist die teilweise Verschattung. Bei einer Reihenschaltung von Photovoltaikmodulen wirkt eine verschattet Solarzelle als Diode in Sperrrichtung, an der eine entsprechend hohe Spannung anliegt. Parallel zur Zelle geschaltete Bypassdioden bzw. die Wahl einer anderen Verschaltung wirken dem Effekt entgegen. Sollte Verschattung in einem parallel geschalteten String auftreten, kann ein Teilstrom in die entgegengesetzte Richtung erzeugt werden.

Eine weitere Fehlerquelle in Photovoltaikanlagen sind Isolationsfehler in einzelnen Modulen oder in deren Verschaltung; im Extremfall fließt die Summe der Kurzschlussströme aller nicht betroffenen Strings als Rückstrom im fehlerhaften Zweig. Durch Einsatz von sogenannten Blockdioden in Reihe von Modulen eines Strings kann ein solcher Fehler vermieden werden. Strangsicherungen können außerdem den Rückstrom mehr oder weniger rasch abschalten. Abhängig von der Größe bzw. Komplexität einer Photovoltaikanlage werden an verschiedenen Punkten elektrische Schaltgeräte zur allpoligen Trennung jedes einzelnen Strings eingesetzt. Bei Isolationsfehlern kann die Auslösung von Strangsicherungen einige Minuten dauern. Werden während der Zeit Schalthandlungen durchgeführt, sind Ströme in mehrfacher Nennstromstärke des Strings und in umgekehrter Stromrichtung abzuschalten. Gepolte Schaltgeräte mit Permanentmagneten für die Lichtbogenlöschung fallen hier aus. Daher sind für die Anwendung nur polaritätsunabhängige Betriebsmittel zulässig.

Um Erzeugung und Verbrauch zeitlich anzupassen, sind Energiespeicher notwendig. Diese nehmen überschüssige Energie auf und geben sie zu einem späteren Zeitpunkt wieder ab. Kondensatoren und Batterien werden beispielsweise in der Nähe von Photovoltaikanlagen installiert. Auch hier müssen entsprechende Absicherungen vorhanden sein und Betriebsmittel zum Schalten von Gleichspannungen vorgesehen werden.

Schalten von Gleichströmen

Beim Schalten von Strömen mit einem elektromechanischen Schaltgerät entsteht ein Lichtbogen. Dabei bildet sich ein Plasma zwischen den Kontakten, das im schlimmsten Fall zur Zerstörung des Schalters führt. Während bei Wechselspannungen der Lichtbogen in den meisten Fällen beim nächsten Nulldurchgang der Spannung erlischt, funktioniert dies bei Gleichspannungen naturgemäß nicht. Daher sind bei der Lichtbogenlöschung in Gleichspannungsschaltern zusätzliche Vorkehrungen zu treffen. Beschrieben wird ein Lichtbogen bzw. sein Spannungsbedarf durch die sogenannte Lichtbogengleichung:

UBogen = UAnodenfall + ESäule * LSäule + UKathodenfall

Um ein strombegrenzendes Schalten zu ermöglichen, muss die Lichtbogenspannung erhöht werden. Dazu bieten sich verschiedene konstruktive Maßnahmen an. Die wesentlichen Mechanismen zur Lichtbogenlöschung sind die Verlängerung der Lichtbogensäule, deren Einengung bzw. eine Kühlung. Je nach Schaltgerät kommen einzelne dieser Mechanismen oder eine Kombination zum Einsatz. Bei der Lichtbogenverlängerung wird die Lorentzkraft ausgenutzt. Ein Magnetfeld, das in der Regel durch Permanentmagneten erzeugt wird, lenkt den Lichtbogen ab und führt so zu einer Verlängerung. Dieser Mechanismus wird auch als magnetische Blasung bezeichnet.

Der Kontakt des Lichtbogens mit den kühlen Schaltkammerwänden oder mit keramischen Elementen innerhalb der Schaltkammer führt zu einer Erhöhung der elektrischen Säulenfeldstärke. Sollten für ein Schaltgerät nur wenige Lastabschaltungen gefordert sein, können auch gasende Kunststoffe zum Einsatz kommen. Der abgegebene Wasserstoff kühlt den Lichtbogen durch Strömung zusätzlich.

Durch Einengung des Lichtbogens zwischen Isolierstoffplatten, die zusätzlich eine mäanderförmige Struktur aufweisen, steigt die elektrische Säulenfeldstärke ebenfalls an. Da der Säulendurchmesser proportional zur Höhe des Laststromes ist, taucht der Bogen mehr oder weniger in eine solche Struktur ein. Durch die Aufteilung des Gesamtlichtbogens in Teillichtbögen können die Anoden- bzw. Kathodenfälle mehrfach genutzt werden. Die kurzen Bögen werden zusätzlich noch durch die thermisch gut leitfähigen metallischen Bleche gekühlt.

Um eine Kühlung mit speziellen Löschgasen zu ermöglichen, muss die Schaltkammer gasdicht gekapselt sein. In die Kammer wird während der Fertigung ein Gasgemisch aus Wasserstoff, Stickstoff oder Schwefelhexafluorid gefüllt. Diese Gase haben eine höhere Spannungsfestigkeit als Luft und verfügen über höhere Wärmekapazitäten, was zu einer besseren Kühlung führt. Meist sind solche Schaltgeräte nur für ohmsche Lasten einsetzbar.

Schaltgeräteauswahl

An Schaltgeräte in Gleichstromkreisen werden je nach Anwendung und individuellem Aufbau der Anlage speziell im Fehlerfall unterschiedliche Anforderungen gestellt. Mit der Serie C310 bietet Schaltbau eine zuverlässige Alternative zu den bisher oft verwendeten gasgekapselten Geräten. Die ersten Typen der neuen Serie sind für Dauerströme von 150 A, 300 A und 500 A ausgelegt. Das modulare Konzept gestattet die Verwendung einer Löschkammer für 60 V, 1.000 V oder 1.500 V am gleichen Grundgerät. Diese Kammern arbeiten auf permanentmagnetischer Basis und sorgen für kompakte Abmessungen und ein geringes Gewicht. Durch die Regelung des Spulenstromes arbeiten diese Geräte unabhängig von der Umgebungstemperatur immer gleich zuverlässig. Außerdem ist dadurch der Energieverbrauch der monostabilen Ausführung im eingeschalteten Zustand gering. Die bistabile Variante hat konzeptbedingt in beiden Endlagen keine Leistungsaufnahme. Die Schütze der Reihe C310 haben sowohl ein hohes Ein- und Ausschaltvermögen als auch einen hohen Kurzzeitbemessungsstrom. Da beide Stromrichtungen sicher beherrscht werden, sind die Schütze für alle Anwendungen mit Energierückspeisung ideal.

www.schaltbau-gmbh.de

Weitere Details zu den Schützen

http://hier.pro/bKUHI

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