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Herausforderungen beim Schalten von Gleichströmen
Schutzgeräte mit hybriden Schaltern

Das Auftrennen eines Gleichstromkreises ist wegen der Gefahr eines Lichtbogens nicht immer unproblematisch. Besonders im Fall höherer Gleichspannungen sind aufwändige Maßnahmen zur Löschung des Schaltlichtbogens notwendig. Dieser Fachbeitrag zeigt, wie durch Kombination aus moderner Leistungselektronik und mechanischen Kontaktsystemen eine Technologie entsteht, die gerade für das Schalten bei höheren Gleichspannungen besonders geeignet ist.

Schutzgeräte mit hybriden Schaltern

(Symbolfoto: ronstik/stock.adobe.com)

Anfang des letzten Jahrhunderts entbrannte der „Stromkrieg“ zwischen Thomas Alva Edison (1847–1931) und George Westinghouse (1846–1914). Letzterer hatte die Patente für den Drehstrommotor von Nikola Tesla (1856–1943) erworben. Edison kämpfte mit Vehemenz für „seinen“ Gleichstrom, während Westinghouse davon überzeugt war, der Wechselstrom sei das Maß aller Dinge [1].

Letztlich setzte sich der Wechselstrom durch, da er sich einfach in hohe Spannungen transformieren ließ. Schließlich war der Transformator gerade erfunden. Damit war elektrische Energie mit geringen Verlusten über weite Strecken von der Erzeugung bis zum Verbraucher übertragbar. Trotzdem wurden lokale Gleichstrom-Netze über eine sehr lange Zeit weiterbetrieben. Die letzte Gleichstrom-Versorgung in Frankfurt am Main wurde beispielsweise erst 1959 endgültig eingestellt [2].

Heute ist mit modernen Leistungshalbleitern eine effiziente Erzeugung sehr hoher Gleichspannungen möglich, weshalb diese Technologie im Bereich der Energie-Verteilung wieder in den Fokus technischer Entwicklung rückt.

Schon länger existieren Netzkopplungen zwischen Wechselspannungs-Netzen mit HGÜ (Hoch-Gleichspannungs-Übertragung), z. B. zwischen Skandinavien und dem europäischen Verbundnetz. In China sind inzwischen HGÜ-Strecken mit Übertragungsspannungen bis DC ±800 kV in Betrieb [3].

Aber auch bei kleinen Energieverteilungsanlagen ist die Gleichspannung inzwischen Inhalt vieler Forschungsprojekte. Grund hierfür ist der Gleichstrombetrieb regenerativer Energiequellen wie Photovoltaik-Anlagen. DC-Systeme ermöglichen hier das Vermeiden von Wandlungsverlusten bei einem Betrieb mit Spannungen von mehreren DC 100 V in lokal begrenzten Netzen (sogenannten Microgrids).

Daher ist die Effizienz dieser Systeme höher als die Effizienz, die sich mit Wechselspannung erreichen lässt. In Zeiten steigender Energiepreise ist das ein entscheidendes Argument. So wurde im Rahmen des EU-Forschungsprojektes DCC+G [4] (DC Components and Grids) am Fraunhofer Institut IISB in Erlangen ein Testnetz aufgebaut (Bild 1). Dabei wird ein Teil des Bürogebäudes mit einer Gleichspannung von DC 380 V versorgt [5]. Das Projekt konnte Energieeinsparungen von bis zu 5 % im Vergleich zu einer entsprechenden Wechselspannungsversorgung nachweisen.

Schalten bei 
Gleichspannung

Die Hauptunterschiede zwischen Wechselspannung (Bild 2) und Gleichspannung (Bild 3) sind nachfolgend zusammengefasst.

Wechselspannung

  • Stromrichtung wechselt im Rhythmus der Frequenz;
  • Strom kann im Nulldurchgang leichter abgeschaltet werden;
  • Spannung kann mit einfachen technischen Mitteln auf hohe Werte transformiert werden;
  • Wandlungsverluste betragen < 1 %;
  • Bei der Übertragung entsteht Blindleistung;
  • Berührungsspannungsgrenze ist AC 60 V.

Gleichspannung

  • Strom fließt nur in eine Richtung;
  • Strom hat keinen Nulldurchgang und ist daher schwieriger abzuschalten;
  • Spannung kann nur technisch aufwändig auf hohe Werte gewandelt werden;
  • Wandlungsverluste betragen 1...3 %;
  • Bei Übertragung entstehen nur ohmsche Verluste;
  • Berührungsspannungsgrenze ist DC 120 V (in Diskussion).

Anforderungen an Gleich-
spannungs-Schaltgeräte

Gleichspannungs-Schaltgeräte sollten neben geringem Gewicht, und kleinem Volumen auch niedrige Verluste im Ein-Zustand besitzen. Sie sollten eine lange Lebensdauer aufweisen und galvanische Trennung im Aus-Zustand bieten.

Zum Schalten von Gleichspannungen kann man grundsätzlich mechanische Kontakte oder Halbleiter verwenden. Beide Technologien haben Vor- und Nachteile (Tabelle 1).

Hybride Schaltgeräte nutzen die Vorteile beider Technologien und vermeiden die Nachteile zum großen Teil. Im Folgenden werden alle drei Schalt-Technologien – mechanisch, elektronisch und hybrid – näher beschrieben.

Mechanisches Schalten

Besonders im Fall höherer Gleichspannungen sind bei mechanischen Schaltern aufwändige Maßnahmen zur Löschung des Schaltlichtbogens notwendig.

Beim Öffnen eines mechanischen Kontaktsystems entsteht, abhängig von Spannung und Strom, ein Lichtbogen oder auch Schaltlichtbogen. Fließen elektrische Ströme in einem Schaltlichtbogen von einer Kathode zu einer Anode, so stellen sich abhängig von Spannung und Strom verschiedene Zustände ein.

Der Schaltlichtbogen besteht aus Raumladungszonen, dem Kathodenfallraum und dem Anodenfallraum, sowie der Lichtbogensäule (Bild 4). Im Fall der Lichtbogensäule handelt es sich um ein quasineutrales „Plasma“ endlicher Leitfähigkeit. Das Plasma kann als weiterer Aggregatzustand betrachtet werden. Der Schaltlichtbogen ist ein sogenanntes thermisches Plasma, das Temperaturen von 1 000 bis 30 000 K aufweist.

Elektronen sind wegen ihrer kleineren Masse und damit viel höheren Beweglichkeit viel schneller (> 100-fach) als Ionen. Aus diesem Grund wird der Strom im Lichtbogen nahezu vollständig (ca. 99 %) von Elektronen getragen. Über dem Schaltlichtbogen tritt ein Spannungsfall UB auf. Dieser setzt sich aus drei Anteilen zusammen: dem Spannungsfall UR über den beiden Raumladungsgebieten an den Elektroden UAF und UKF sowie dem Spannungsfall über der Lichtbogensäule US (vgl. [6] und [7]).

UB = (UAF + UKF) + US = UR + US

Bei kurzen Lichtbögen ist der bestimmende Anteil die Summe der Spannungsfälle über den Raumladungszonen UR. Bei langen Lichtbögen überwiegt die Spannung der Lichtbogensäule US.

Um stabil zu brennen, benötigt ein Lichtbogen eine Mindestspannung von ungefähr DC 14 V. Der Mindeststrom hängt vom Elektroden-Werkstoff ab und beträgt bei Kupfer und Silber etwa 0,4 A. Werden diese Werte unterschritten, verlischt der Lichtbogen selbstständig. In Automobilbordnetzen mit Systemspannungen von DC 12 V können Lichtbögen daher nicht stabil brennen. Im Fall höherer Spannungen kann dies jedoch der Fall sein (vgl. [6] und [7]).

Es gilt grundsätzlich, dass zum Löschen eines Gleichstromlichtbogens die Lichtbogen-Spannung UB höher sein muss, als die treibende Quellspannung. Die Mindestbrennspannung eines Lichtbogens in Niederspannungs-Schaltgeräten stellt sich, abhängig vom fließenden Strom und weiteren Parametern, bei DC 15 V bis DC 20 V ein (vgl. [6] und [7]).

Dies nutzt man aus, indem man den Lichtbogen in eine Löschkammer zwingt. Dort wird die Lichtbogensäule meist durch parallel angeordnete, gegeneinander isolierte Metallplättchen in mehrere Einzelbögen aufgeteilt. Die einzelnen Teillichtbögen brennen jeweils mit etwa DC 25 V bis DC 32 V. Diese erhöhte Spannung gegenüber frei brennenden Lichtbögen ergibt sich unter anderem durch Zersetzungsprodukte der Schaltkammerwände, die den Bogen zusätzlich kühlen. Das Einquetschen des Lichtbogens in der Löschkammer erzeugt ebenfalls Kühlung, die die Bogenspannung erhöhen kann.

Typische Löschblechpakete strombegrenzender Schaltkammern in Wechselspannungsnetzen mit AC 240 V weisen 13 Einzelstrecken auf. Damit ergibt sich eine Brennspannung von etwa 300 V bis 400 V, die ausreicht, um Lichtbögen bei Quellspannungen bis etwa 400 V zu löschen. Hierbei ist es irrelevant, ob es sich um Wechselspannung oder Gleichspannung handelt.

Wird im Fall von Wechselspannung der Lichtbogen nicht in der ersten Halbwelle gelöscht, so kann er nach dem Nulldurchgang wieder zünden. Dies tritt auf, wenn die Schaltstrecke nach dem Stromnulldurchgang nicht ausreichend entionisiert wird.

Im Fall von Gleichspannung muss der Strom möglichst schnell zu Null gezwungen werden. Dies wird durch strombedingte, sogenannte selbsterregte Magnetfelder oder durch externe Magnetfelder, erzeugt durch sogenannte Blasmagnete oder Blasspulen, erreicht. Die resultierende Magnetkraft auf den stromdurchflossenen Lichtbogen treibt den Schaltlichtbogen in Richtung der Löschkammer.

Bild 5 zeigt das Oszillogramm eines Abschaltvorgangs für eine Gleichspannung von DC 375 V mit einer solchen Löschkammer mit Blasmagneten.

Die Kontakte öffnen durch den Kurzschlussauslöser ungefähr 4 ms nach Beginn der Messung. Die Lichtbogenspannung springt sofort auf die Mindestlichtbogenbrennspannung von etwa DC 15 V und steigt dann an. Der Lichtbogen wird auf den Laufschienen verlängert und wandert in Richtung Löschkammer.

Das Einlaufen des Lichtbogens in die Löschbleche und die Unterteilung in 13 Einzellichtbögen ist an einem Sprung der Lichtbogenspannung auf etwa DC 330 V erkennbar. Beim Durchlaufen der Löschkammer erhöht sich die Lichtbogenspannung nochmals stetig und nach etwa 9 ms verlischt der Bogen. Vor dem Verlöschen entsteht durch die Kreisinduktivität eine Löschspitze. Diese kann ohne zusätzliche Schutzmaßnahmen empfindliche Elektronikbauteile im Schaltkreis zerstören.

Elektronisches Schalten

Zum elektronischen Schalten werden heute MOSFETs (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) oder IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) verwendet. Beide Typen von Leistungshalbleitern ermöglichen das Ein- und Aus-Schalten von Strömen auch außerhalb des Nulldurchgangs. Dies ist ein signifikanter Unterschied zu den stromgesteuerten Thyristoren, die erst durch ein Nullwerden des Stromes vom leitenden in den nicht-leitenden Zustand übergehen.

Allerdings sind weder MOSFETs noch IGBTs die erste Wahl beim DC-Schalten. MOSFETs bieten niedrige Verluste im Ein-Zustand, verfügen jedoch über eine relativ niedrige Sperrspannung. IGBTs bieten hingegen eine hohe Sperrspannung, haben dafür aber einen höheren Durchgangsspannungsfall. Aus diesem Grund erzeugen sie im Fall kleiner Ströme und Spannungen eine höhere Verlustleistung im Dauerbetrieb. Verdoppelt man die Chipfläche, so reduzieren sich die Verluste im Ein-Zustand beim IGBT um 10–20 %, während sich beim MOSFET 50 % erreichen lassen [9].

IGBTs sind heutzutage für Sperrspannungen von mehreren 1 000 V erhältlich. Kommerziell verfügbare MOSFETs mit verhältnismäßig niedrigen Verlusten weisen hingegen Sperrspannungen unterhalb von 1 000 V auf. Zum Schutz vor systembedingten transienten Überspannungen sollte beispielsweise in Netzen mit DC 380 V die Mindest-Sperrspannung der Leistungshalbleiterkomponenten 600 V betragen. Aus diesem Grund kommen hier häufig IGBTs zum Einsatz.

In Wechselrichtern und Invertern werden Leistungshalbleiter sehr schnell ein- und ausgeschaltet (Schaltfrequenzen bis 200 kHz). Daher sind dort die Verluste beim Schalten ausschlaggebend. Verwendet man Halbleiter hingegen wie einen mechanischen Schalter, so muss er aus- oder einschalten, den Nennstrom dauerhaft führen und bei Betriebsbedingungen im Aus-Zustand isolieren.

Im Rahmen des Projektes NEST-DC [10] wurde ein rein elektronischer Leistungsschalter auf der Basis von MOSFETs entwickelt. Er hat einen Nennstrom von 100 A bei einer Nennspannung von 400 V. Schaltüberspannungen werden begrenzt, indem vor dem Abschalten zunächst der Strom begrenzt wird. Der Prototyp ist allerdings recht schwer und hat ein größeres Bauvolumen (ca. 4 dm3). Der Schalter ist in Bild 6 zu sehen.

Hybrides Schalten

Die Idee eines hybrides Schalters, um die Nachteile mechanischer Kontaktstrecken und elektronischer Schalter zu eliminieren, ist nicht neu. Hybridschütze für Wechselspannung mit Thyristoren waren bereits in den 80er-Jahren ein Thema. Dr. Günter Burkhard beschrieb grundsätzliche Überlegungen zu dieser Technologie [12] und Dr. Stephan Franz Greitzke führte Untersuchungen an nullpunktlöschenden Hybridschaltanordnungen bei Wechselströmen bis 2 kA im Fall einer Netzfrequenz von 50 Hz durch [13].

Mit den derzeit verfügbaren Leistungshalbleitern wird der Einsatz der Hybridschalter-Technologie im Fall von Gleichstrom technisch sinnvoll. Die prinzipielle Funktion ist in Bild 7 dargestellt.

Sobald der Hauptkontakt KH öffnet, aktiviert dies durch die Lichtbogenspannung die Elektronik. Der Halbleiter arbeitet nur während des Schaltvorgangs, die Elektronik benötigt keinen Ruhestrom, wenn KH geschlossen ist. Der mechanische Kontakt übernimmt die Stromführung im eingeschalteten Zustand. Es ist keine Kühlung des Halbleiters notwendig. Die Lichtbogenzeiten sind sehr kurz, daher entsteht kaum Kontaktabbrand.

Nachdem die hybride Hauptkontaktstrecke geöffnet hat, wird der Trennkontakt KT geöffnet. Der Kontakt stellt die galvanische Trennung her. Dies alles ermöglicht ein kompaktes Design. Allerdings sind Maßnahmen zur Begrenzung der Überspannung notwendig. Dies sind im Normalfall Varistoren parallel zu den Leistungshalbleitern.

Ein solches Gerät wurde in dem Projekt DCC+G als Demonstrator aufgebaut und erfolgreich getestet. Das Mustergerät besitzt einen Nennstrom von 160 A und eine Nennspannung von DC 400 V bei gleichzeitig verhältnismäßig kleinem Gewicht und Bauvolumen (ca. 1,6 dm3). Die Technologie ist inzwischen bis zur Serienreife entwickelt. Derzeit wird noch an der Optimierung von Schaltzeit und Überspannungsschutz gearbeitet.
Fazit

Die untersuchten Hybrid-Elektroniken sind in der Lage, Ströme von 200 A mit Zeitkonstanten bis 3 ms zu unterbrechen [14]. Bei einem Strom von 250 A deaktiviert sich die Elektronik selbst und das mechanische Kontaktsystem übernimmt den Rest der Abschaltung. Die benötigte Energie für die Elektronik gewinnt das Gerät komplett aus dem Schaltlichtbogen. Wegen der sehr kurzen Zeiten im Ein-Zustand benötigen die Halbleiter keine Kühlung und die Stromtragfähigkeit wird erhöht auf Werte, die deutlich über den Nenndaten liegen.

Die Verluste im Halbleiter werden signifikant durch die Schalt-Geschwindigkeit und die begrenzte Ausschalt-Überspannung bestimmt. Der Schaltprozess in den Halbleitern sollte sehr schnell sein, um die Schaltverluste zu minimieren. Die Ansprechzeiten von IGBT und Varistor müssen aufeinander abgestimmt sein. Der Überspannungsschutz absorbiert einen Großteil der in der Kreisinduktivität gespeicherten Energie und zwingt so den Strom zu Null.

Durch die Kombination der Vorteile von moderner Leistungselektronik und ausgereiften mechanischen Kontaktsystemen entsteht eine Technologie, die gerade für das Schalten bei höheren Gleichspannungen ideal geeignet ist.

Autor: Peter Meckler

Diesen Artikel finden Sie in unserem Facharchiv.


Literatur:

[1]  „wikipedia“ 31. Mai 2017. de.wikipedia.org/wiki/Stromkrieg.

[2]  „wikipedia“ 31. Mai 2017. de.wikipedia.org/wiki/Elektrifizierung.

[3] „wikipedia“ 31. Mai 2017. de.wikipedia.org/wiki/Liste_der_HG%C3%9C-Anlagen.

[4]  „DCC+G“ 31. Mai 2017. www.dcc-g.eu.

[5] Ott, L.; Böke, U.; Weiss, R.: „Konferenz: Internationaler ETG-Kongress 2013 – Energieversorgung auf dem Weg nach 2050 - Symposium 1: Security in Critical Infrastructures Today,“ VDE-Verlag.

[6] Erk, A.; Schmelzle, M.: Grundlagen der Schaltgerätetechnik, D- 3300 Braunschweig: Springer-Verlag, Berlin/Heidelberg, 1974.

[7] Lindmayer, M.; Schaltgeräte – Grundlagen, Aufbau, Wirkungsweise, Braunschweig: Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 1987, p. 250.

[8]  Schrank, T.; Wilkening, E.; Kurrat, M.; Gerdinand, F.; Meckler, P.: „Breaking performance of a Circuit breaker influenced by a Permanent Magnetic Field at DC Voltages up to 450 V,“ in 26th International Conference on Electrical Contacts, Beijing, China, 2012.

[9] Meckler, P.; Weiss, R.; M. A. Boeke, U.: „International Conference on Electrical Contacts – ICEC 2014,“ in Hybrid switches in protective devices for low-voltage DC grids at commercial used buildings, Dresden, 2014.

[10]  Infineon Technologies AG;EADS Deutschland GmbH; E-T-A Elektrotechnische Apparate GmbH; Siemens Aktiengesellschaft; Universität Bremen, 31 Mai 2017. www.clusterle.de.

[11]  Schröder, H.: „Elektronischer Schutzschalter für DC-Netze zum Abschalten von Überströmen bei 500 V und 400 A,“ in Konferenz: Kontaktverhalten und Schalten – 23. Fachtagung Albert-Keil-Kontaktseminar – 07.10.2015 – 09.10.2015 in Karlsruhe, Deutschland , Karlsruhe, VDE-Verlag, 2015.

[12]  Burkhard, G.: Schaltgeräte der Elektroenergietechnik – Grundlagen und technische Ausführung, Berlin: VEB Verlag Technik, 1985.

[13]  Greitzke, S.: Untersuchung an Hybridschaltern – Diss. TU- Braunschweig, Braunschweig, 1992.

[14] Bösche, D.; Wilkening, E.-D.; Köpf, H.; Kurrat, M.: „2015 IEEE 61st Holm Conference on Electrical Contacts,“ in Breaking performance investigation of hybrid DC circuit breakers: An experimental approach, San Diego, 2015.

[15]  Gerdinand, F.; Meckler, P.: Hybridschalter für den Einsatz in PV-Anlagen. ep Photovoltaik, Berlin (2011) 1/2; S. 48–50.n

Bild 1
Bild 2
Bild 3
Bild 4
Bild 5
Bild 6
Bild 7
Tabelle 1
 

Kommentare

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