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.
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
