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.
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.
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 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
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Literatur:
[1] „wikipedia“ 31. Mai 2017. https://de.wikipedia.org/wiki/Stromkrieg.
[2] „wikipedia“ 31. Mai 2017. https://de.wikipedia.org/wiki/Elektrifizierung.
[3] „wikipedia“ 31. Mai 2017. https://de.wikipedia.org/wiki/Liste_der_HG%C3%9C-Anlagen.
