Sichere Schütze fürs DC-Feld

Das oberste Ziel in der Versorgung mit elektrischer Energie ist eine hohe Zuverlässigkeit. Es muss stets ein Gleichgewicht zwischen Angebot und Nachfrage beziehungsweise zwischen Einspeisung und Verbrauch herrschen. Da Photovoltaik und Windenergie Schwankungen unterworfen sind, ist dieses Gleichgewicht vergleichsweise schwierig herzustellen.

Dazu kommt das regionale Ungleichgewicht zwischen Erzeugung und Verbrauch. Als eine der Folgen ist ein Netzausbau mit neuen Hoch- und Höchstspannungsleitungen notwendig. Eine weitere Möglichkeit, Erzeugung und Verbrauch aneinander anzupassen, ist der Einsatz von Energiespeichern.

Mögliche Fehler berücksichtigen

Viele Anwendungen in der erneuerbaren Energieerzeugung verwenden Installationen mit Gleichspannung. Typische Beispiele sind Photovoltaikanlagen und Energiespeichersysteme auf Basis von Batterien.

Je nach Größe der Anlage werden die Solarmodule zu Strings zusammengefasst, deren Gleichspannung über einen Wechselrichter ins Verteilnetz eingespeist werden kann. Bei der Planung solcher Anlagen müssen bei der Verwendung elektrischer Schutzeinrichtungen die 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.

Probleme mit Teilverschattung

Ein häufig diskutierter Betriebszustand bei Photovoltaikanlagen ist die teilweise Verschattung. Diese kann etwa durch Schneefall, Bedeckung durch Laub oder Wolkenzug entstehen. Eine andere Ursache ist der Schattenwurf beispielsweise durch Bäume oder Gebäude.

Bei der Reihenschaltung von Photovoltaikmodulen wirkt eine Solarzelle, die verschattet ist, als Diode in Sperrrichtung, an der eine entsprechend hohe Spannung anliegt. Zusammen mit dem kleinen durch sie fließenden Strom führt diese zu einer hohen Verlustleistung. Die Folge ist eine Erwärmung der betroffenen Solarzelle. Die Auswirkungen sind eine Ertragsminderung bis hin zur dauerhaften Schädigung der Zelle.

Probleme mit der Isolation

Parallel zur Zelle geschaltete Bypassdioden beziehungsweise die Wahl einer anderen Verschaltung wirken dem Effekt entgegen. Sollte Verschattung in einem parallel geschalteten String auftreten, kann ein Teilstrom in die entgegengesetzte Richtung auftreten.

Eine weitere Fehlerquelle in Photovoltaikanlagen sind Isolationsfehler in einzelnen Modulen oder in deren Verschaltung.

Dadurch kann es zu Kurzschlüssen kommen. Im Extremfall fließt die Summe der Kurzschlussströme aller nicht betroffenen Strings als Rückstrom im fehlerhaften Zweig.

Als Folgeschaden sind weitere Ausfälle von Modulen durch übermäßige Erwärmung wahrscheinlich. Durch den Einsatz sogenannter Blockdioden in Reihe von Modulen eines Strings kann ein solcher Fehler vermieden werden. Es können auch Strangsicherungen verwendet werden, die den Rückstrom mehr oder weniger rasch abschalten.

Bei der Installation von Photovoltaikanlagen in den USA sind zum Beispiel schon Fehlerstromschutzschalter vorgeschrieben.

Zulässige Betriebsmittel

Die beiden beschriebenen Fehler machen sich meist nur durch eine Ertragsminderung bemerkbar. Ein Fehler könnte so längere Zeit bestehen und zu teilweise massiven Schädigungen oder Gefährdungen führen.

Abhängig von der Größe beziehungsweise Komplexität einer Photovoltaikanlage werden an verschiedenen Punkten elektrische Schaltgeräte etwa zur allpoligen Trennung jedes einzelnen Strings eingesetzt.

Bei Isolationsfehlern kann die Auslösung von Strangsicherungen einige Minuten dauern. Wenn während der Zeit Schalthandlungen durchgeführt werden, sind Ströme in mehrfacher Nennstromstärke des Strings und in umgekehrter Stromrichtung abzuschalten.

Absicherung von Energiespeichern

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, wenn der Bedarf größer ist, wieder ab.

Eine Speichermöglichkeit besteht in der Verwendung von Kondensatoren und Batterien. Diese werden beispielsweise in der Nähe von Photovoltaikanlagen installiert und können die überschüssige Energie dort direkt speichern.

Da die Energie auf der Gleichspannungsseite gespeichert wird, sind die Systeme über Wechselrichter an das Netz angeschlossen. Auch hier müssen entsprechende Absicherungen vorhanden sein und Betriebsmittel zum Schalten von Gleichspannungen vorgesehen werden.

Gefahr von Lichtbogen

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 führen kann. Während bei Wechselspannungen der Lichtbogen in den meisten Fällen beim nächsten Nulldurchgang der Spannung erlischt, funktioniert dies bei Gleichspannungen naturgemäß nicht.

Zusätzliche Vorkehrungen

Daher sind bei der Lichtbogenlöschung in Gleichspannungsschaltern zusätzliche Vorkehrungen zu treffen. Beschrieben wird ein Lichtbogen beziehungsweise sein Spannungsbedarf durch die sogenannte Lichtbogengleichung:

U_Bogen  =  U_Anodenfall  +  E_Säule  x  I_Säule  +  U_Kathodenfall

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 beziehungsweise 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.

Konstruktive Lösungen

Der Kontakt des Lichtbogens mit den kühlen Schaltkammerwänden und/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 die Einengung des Lichtbogens zwischen Isolierstoffplatten, die zusätzlich eine mäanderförmige Struktur aufweisen, steigt die elektrische Säulenfeldstärke ebenfalls an. Da der Säulendurchmesser proportional zur Höhe des Laststroms ist, taucht der Bogen mehr oder weniger in eine solche Struktur ein.

Kühlung mit Löschgasen

Durch die Aufteilung des Gesamtlichtbogens in Teillichtbögen können die Anoden- beziehungsweise Kathodenfälle mehrfach genutzt werden. Die kurzen Bögen werden zusätzlich 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.

Auswahl der Schaltgeräte

In der Vergangenheit waren in Photovoltaikanlagen ausschließlich handbetätigte Gleichstromschaltgeräte zulässig, was heute noch immer für bestimmte Stellen gilt.

Dort geht es in der Regel um die galvanische Trennung, wenn an der Anlage gearbeitet werden soll. Zunehmend kommen aber auch Schütze zum Einsatz, die zahlreiche Vorteile bieten. Da sie fernbedienbar sind, können automatisierte Schaltvorgänge stattfinden, die etwa die Verschaltung der Strings ändern, um die Anlageneffizienz zu steigern.

Außerdem werden die Strings bei zu geringer Leistung von den Wechselrichtern getrennt. An Schaltgeräte in Gleichstromkreisen werden je nach Anwendung und individuellem Aufbau der Anlage speziell im Fehlerfall unterschiedlichste Anforderungen gestellt. Bei der Konzeption der Systeme muss der Planer die Fehlerfälle im Hinblick auf die Gefährdung der Anlage und Personen beachten.

Neue DC-Schütze der Baureihe C310

Mit der Serie C310 bietet die Schaltbau GmbH eine zuverlässige Alternative zu den bisher oft verwendeten gasgekapselten Geräten. Die ersten Typen der neuen Serie sind für Dauerströme von 150 Ampere, 300 Ampere und 500 Ampere ausgelegt.

Das modulare Konzept gestattet die Verwendung einer Löschkammer für 60 Volt, 1.000 Volt oder 1.500 Volt (DC) am gleichen Grundgerät. Diese Kammern arbeiten auf permanentmagnetischer Basis und sorgen für kompakte Abmessungen und ein geringes Gewicht.

Durch die Regelung des Spulenstroms 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. Typisches Beispiel hierfür sind Energiespeicher, in denen Batterien geladen und wieder entladen werden. Andere Anwendungsbereiche für die Reihe C310 sind rückspeisefähige Systeme, batteriebetriebene Fahrzeuge, DC-Ladesäulen sowie Photovoltaikanlagen.

www.schaltbau-gmbh.de

Andreas Degwerth

ist Entwicklungsleiter für Schütze bei der Schaltbau GmbH in München. Die Schaltbau GmbH entwickelt und fertigt elektromechanische Komponenten für Verkehrstechnik, Energie, Industrie und Flurförderzeuge. 1929 gegründet, hat das Unternehmen weltweit elf Tochtergesellschaften und mehr als 60 Vertriebspartner. Zur umfangreichen Produktpalette gehören Steckverbinder, Schütze und Bahngeräte. Die Schaltbau GmbH verfügt über ein zertifiziertes Qualitätsmanagement gemäß DIN EN ISO 9001 und Umweltmanagement nach DIN EN ISO 14001.