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.
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.
